KR100518067B1 - 영구자석의 제조방법 및 프레스 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 잔류자화에 의한 문제를 해결하고, 저코스트로 이방성 본드자석을 제조하고자 한다. 그리고 급분되기 어려운 형상의 캐비티에 대해서도 자석분말을 확실하게 공급하고, 성형체의 단위중량 밀도를 향상시킨다.

프레스장치의 캐비티 내에 자성분말(HDDR)을 공급하고, 성형하는 이방성 본드자석을 제조한다. 캐비티의 외부에 자성분말을 배치한 후, 캐비티를 포함하는 공간에 진동자계(예를 들면 교류자계)를 형성한다. 진동자계의 진동방향에 평행한 방향으로 자성분말을 배향시키면서, 자성분말을 캐비티 내부로 이동시킨다. 그 후 캐비티 내에서 자성분말을 압축하고, 성형체(이방성 본드자석)을 제조한다.

Description

영구자석의 제조방법 및 프레스장치{PERMANENT MAGNET MANUFACTURING METHOD AND PRESS APPARATUS}

본 발명은 영구자석의 제조방법 및 프레스 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이방성 본드자석에 적합한 영구자석의 제조방법 및 프레스 장치에 관한 것이다.

고성능 영구자석으로서 대표적인 R-Fe-B계 희토류자석(R은 Y를 포함하는 희토류원소, Fe는 철, B는 붕소)는, 3원계 정방정화합물인 R₂Fe₁₄B상을 주상으로 포함하는 조직을 구비하고, 우수한 자기특성을 발휘한다.

이와 같은 R-Fe-B계 희토류자석은, 소결자석과 본드자석으로 대별된다. 소결자석은, R-Fe-B계 자석합금의 미세분말(평균입경: 수㎛)를 프레스장치로 압축 성형한 후, 소결하는 것에 의하여 제조된다. 이것에 대하여, 본드자석은, 통상, R-Fe-B계 자석합금의 분말(입경: 예를 들면 100㎛ 정도)과 결합수지의 혼합물(컴파운드)를 프레스 장치 내에서 압축 성형하는 것에 의하여 제조된다.

소결자석의 경우, 비교적 입경이 작은 분말을 이용하기 때문에, 개개의 분말 입자가 자기적 이방성을 구비하고 있다. 이 때문에 프레스장치에서 분말의 압축 성형을 수행할 때, 분말에 대하여 배향자계를 인가하고, 이것에 의하여 분말입자가 자계의 지향성에 배향하는 성형체를 제조하는 것이 가능하게 된다.

한편, 본드자석의 경우는, 사용하는 분말입자의 입경이 단자구 임계입경을 초과하는 크기를 가지기 때문에, 통상, 자기적 이방성을 보이는 것이 없고, 각 분말입자를 자계에서 배향시키는 것은 불가능하였다. 따라서 분말입자가 특정방향으로 배향하는 이방성 본드자석을 제조하기 위해서는, 각각의 분말입자가 자기적 이방성을 보이는 자성분말을 제조하는 기술을 확립할 필요가 있다.

이방성 본드자석용의 희토류 합금 분말을 제조하기 위하여, 현재 HDDR(Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination) 처리법이 수행된다. "HDDR"은, 수소화(Hydrogenation), 불균일화(Disproportionation), 탈수소화(Desorption), 및 재결합(Recombination)을 순차적으로 실행하는 프로세스를 의미하고 있다. 이러한 HDDR처리에 의하면, R-Fe-B계 합금의 잉곳 또는 분말을 H₂가스 분위기 또는 H₂가스와 불활성 가스와의 혼합분위기 중에서 온도 500℃~1000℃를 유지하고, 그것에 의하여 상기 잉곳 또는 분말에 수소를 흡장시킨 후, 예를 들면 H₂분압 13Pa 이하의 진공분위기 또는 H₂분압 13Pa 이하의 불활성 분위기로 되기까지 온도 500℃~1000℃로 탈수소처리하고, 다음에 냉각하는 것에 의하여 합금자석분말을 얻는다.

HDDR처리를 수행하여 제조되는 R-Fe-B계 합금분말은, 큰 보자력을 보이고, 자기적 이방성을 가지고 있다. 이와 같은 성질을 가지는 이유는, 금속조직이 실질적으로 0.1~1㎛ 의 극히 미세한 결정의 집합체로 되기 때문이다. 보다 상세하게는, HDDR처리에 의하여 얻어지는 극미세 결정의 입경이 정방정 R₂Fe₁₄B계 화합물의 단자구 임계입경에 가깝기 때문에, 높은 보자력을 발휘한다. 이러한 정방정 R₂Fe₁₄B계 화합물의 극히 미세한 결정의 집합체를, "재결정 집합조직"이라고 칭한다. HDDR처리를 수행하는 것에 의하여, 재결정집합조직을 가지는 R-Fe-B계 합금분말을 제조하는 방법은, 예를 들면 일본국 특허 공고 평성6-82575호 공보 및 일본국 특허공개 평성7-68561호 공보에 개시되어 있다.

HDDR처리에 의하여 제조되는 자성분말(이하 "HDDR분말"이라고 칭함)을 이용하여 이방성 본드자석을 제조하려고 하면, 이하와 같은 문제가 발생한다.

HDDR분말과 결합수지의 혼합물(컴파운드)를 배향용 자계중에서 프레스하여 제조한 성형체는, 배향자계에 의하여 강하게 자화된다. 성형체에 자화가 잔류하고 있으면, 성형체의 표면에 분말이 흡착되고, 혹은 성형체끼리가 흡인충돌에 의하여 파손되는 등으로 되어, 그 후의 취급에 큰 지장을 초래하여서, 성형체의 자화는 성형체를 프레스장치에서 취출하기 전에 충분히 제거하여 둘 필요가 있다. 이 때문에 자화된 성형체를 프레스장치에서 취출하기 전에, 배향자계의 방향과 역방향이 자계(감자계)나, 교번감쇄자계 등의 탈자용 자계를 성형체에 인가하는 "탈자(脫磁)처리"를 수행할 필요가 있다. 그러나 이와 같은 탈자처리에는, 통상 수십초의 시간이 걸리기 때문에 프레스 공정의 싸이클타임이 탈자처리를 수행하지 않는 경우(등방성 본드자석의 싸이클타임)에 비하여 2배 이상 길게 된다. 이와 같이 싸이클타임이 길게 되면, 생산성이 저하되고, 자석의 제조코스트가 증가된다.

그리고 소결자석의 경우는, 성형체의 탈자(脫磁)가 불충분하여도, 원래 성형체에 잔류하는 자화가 작고, 또한 소결공정에서 자석분말이 큐리점 이상의 고온으로 되기 때문에, 착자공정 전에는 완전한 탈자가 수행되는 것으로 된다. 이것에 대하여, 이방성본드자석의 경우는, 성형체를 프레스장치에서 취출할 때, 자화가 잔류하고 있으면, 이러한 잔류자화가 착자공정까지 남아 있게 된다. 착자공정시, 본드자석에 자화가 잔류하고 있으면, 자석의 히스테리시스 특성 때문에, 착자(着磁)가 극히 곤란하다.

본 발명은, 이러한 제문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 주된 목적은, 잔류자화에 의한 문제를 회피하고, 저코스트로 착자성이 우수한 영구자석(특히 이방성 본드자석)을 제조하는 것이 가능한 방법 및 프레스장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 분말공급하기 어려운 형상의 캐비티에 대해서도 자석분말을 확실하게 공급하고, 성형체의 단위중량 밀도를 향상시키는 것이 가능한 이방성 본드자석의 제조법과 프레스 장치를 제공하는 것에 있다.

도 1의 (a)~(f)는, 본 발명의 실시예에 있어서의 프레스장치의 주요부의 동작을 보인 공정단면도이다.

도 2의 (a)~(c)는, 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 프레스장치의 주요부의 동작을 보인 공정단면도이다.

도 3의 (a)는 캐비티 개구부의 형상을 보인 도면이고, 도 3의 (b)는 한쌍의 성형체에 의하여 형성되는 얇은 링형상의 이방성 본드자석을 보인 도면이다.

도 4는, 교류자계를 형성하기 위한 자계발생용 코일에 흘린 전류(교류전류)와, 캐비티 내의 피크자계와의 관계를 보인 그래프이다.

도 5는, 교류피크 자계와 성형체의 중량(단위중량)과의 관계를 보인 그래프이다.

도 6은, 성형체의 단위중량당의 자기특성과 교류피크 자계와의 관계를 보인 그래프이다.

도 7은, 성형체의 단위중량당의 플럭스비와 착자 자계강도와의 관계를 보인 그래프이다.

도 8은, 래디얼배향 링형상 이방성 자석을 보인 사시도이다.

도 9은, 래디얼배향 링형상 이방성 자석을 제조하는 경우에 사용되는 프레스장치의 구성예를 보인 도면이다.

본 발명에 의한 이방성본드 자석의 제조방법은, 프레스 장치의 캐비티 내에 자성분말을 공급하고, 성형하는 이방성 본드자석의 제조방법으로, 상기 캐비티를 포함하는 공간에 진동자계를 형성하는 공정과, 상기 자성분말을 상기 진동자계의 방향에 평행한 방향으로 배향시키면서 상기 자성분말을 캐비티의 내부로 이동시키는 공정과, 상기 캐비티 내에서 상기 자성분말을 압축하고, 성형체를 제조하는 공정을 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동자계는, 상기 캐비티 내에서 자성분말을 압축할 때에도 인가된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 프레스장치에 의한 성형 직후에 있어서의 성형체의 표면 자속밀도가 0.005T 이하가 되도록 상기 캐비티 내에 있어서의 진동자계의 최대값을 조정하고 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 캐비티 내에 있어서의 진동자계의 최대값은 120kA/m 이하로 조절되어 있다.

더욱 바람직한 실시예에 있어서는, 상기 진동자계의 최대값은 100kA/m 이하, 더욱 바람직한 실시예에 있어서는 80kA/m 이하로 조절되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서는, 상기 캐비티 내에서 상기 자성분말을 압축한 후, 상기 성형체에 대하여 탈자(脫磁)처리를 수행하는 것 없이, 상기 캐비티에서 상기 성형체를 취출한다.

상기 진동자계는 교류자계이어도, 복수개의 펄스자계를 포함하는 것으로 하여도 좋다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동자계의 방향은, 상기 캐비티 내부에 있어서 프레스 방향에 대하여 수직이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동자계는, 상기 캐비티 내부에 있어서 거의 수평방향을 향하고 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 캐비티의 개구부의 수평방향 사이즈는, 가장 작은 부분에서 5mm 이하이고, 상기 캐비티의 깊이는 최고 큰 부분에서 10mm 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 자성분말의 적어도 일부는 HDDR분말이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 프레스장치는, 관통공을 구비하는 다이와, 상기 관통공의 내부에 있어서 상기 다이에 대하여 상대적으로 왕복동작하는 하펀치를 구비하고 있고, 상기 자성분말을 상기 캐비티의 내부로 이동시키는 공정은, 상기 하펀치에 의하여 상기 관통공이 막힌 상태에서 상기 다이 상에 있어서 상기 자성분말을 포함하는 피더박스를 상기 관통공의 상방으로 배치하는 공정과, 상기 다이에 대하여 상기 하펀치를 상대적으로 하방으로 이동시키고, 상기 피더박스의 하방으로 상기 캐비티를 형성하는 공정을 포함한다.

본 발명의 프레스 장치는, 관통공을 구비하는 다이와, 상기 관통공의 내부에 있어서 상기 다이에 대하여 상대적으로 왕복동작하는 상펀치 및 하펀치와, 상기 다이의 관통공의 내부에 형성되는 캐비티에 자성분말을 공급하는 급분(給粉)장치를 구비하는 프레스장치로서, 더욱이 상기 자성분말을 상기 캐비티의 내부로 이동시킬 때 상기 자성분말에 대하여 진동자계를 인가하는 진동자계인가장치를 구비하고 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 진동자계인가장치는, 상기 캐비티의 내부에 공급된 상기 자성분말을 상기 상펀치 및 하펀치에 의하여 압축할 때, 상기 자성분말에 대하여 진동자계를 인가하는 것이 가능하다.

본 발명에 의한 영구자석은, 압축성형에 의하여 제조되는 영구자석으로, 프레스장치 내의 자성분말을 진동자계 중에 배향, 압축, 탈자처리를 수행하는 것 없이 상기 프레스장치에서 취출된 때의 잔자(殘磁)레벨이 표면자속밀도로 0.005T 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 이방석 본드자석은, 자석분말이 수지에 의하여 결합된 이방성 본드자석으로, 착자를 위하여 0~800kA/m의 자계를 인가한 경우, 상기 자계의 강도증가(ΔH)에 대한 자속량의 증가(ΔB)의 비율(ΔB/ΔH)가 0.025%/(kA/m) 이상을 보이는 것을 특징으로 한다.

본 발명자는, 프레스장치의 캐비티 내에 자성분말을 공급할 때, 자성분말에 대하여 교류자계 등의 진동자계를 인가하면, 그 자계강도가 종래의 배향용 정자계(靜磁界)의 강도에 비하여 1자리 이상 작아도, 충분히 높은 배향도를 가지는 이방성 본드자석이 얻어지는 것을 인지하고, 본 발명을 하기에 이르렀다.

본 발명에 의하면, 배향을 위하여 필요한 자계강도(피크자계)가 극히 낮은 값으로 끝나기 때문에, 압축성형 직후에 있어서의 성형체의 잔류자화를 충분히 저감시키는 것이 가능하고, 부가적인 탈자(脫磁)처리를 수행할 필요가 없게 된다.

그리고 자성분말을 캐비티에 이동(낙하)시킬 때, 이동하면서 자성분말에 배향자계를 인가하는 것에 의하여, 효과적으로 자성분말을 배향시키는 기술은, 일본국 특허공개 평성2001-93712호 공보나, 특허공개 평성 2001-226701로 공보에 기재되어 있다. 본 발명에서는, 이들 공보에 개시되어 있는 자계에 비하여 현저하게 작은 진동자계를 이용하여 이방성본드자석의 성형을 수행하는 것에 의하여, 성형체에 잔류하는 자화에 기인하는 표면자속밀도의 값을 0.005T 이하로 저감하고, 탈자공정을 불필요한 것으로 하는 점에 큰 특징을 가지고 있다. 본 발명에 의하면, 종래와 같이 대형의 배향용 자계발생장치가 불필요하게 되고, 또한 프레스공정의 싸이클타임을 대폭 단축시킬 수 있다.

다음에는 도면을 참조하면서, 본 발명에 의한 이방성본드자석의 제조방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1의 (a)~(f)는, 본 발명에 의한 자석제조방법에 있어서의 주요공정(배향자계중 급분⇒압축성형)을 보이고 있다. 도 1에 도시한 프레스장치(10)는, 관통공(1)을 구비하는 다이(2)와, 상기 관통공(1)의 내부에 있어서 다이(2)에 대하여 상대적으로 왕복운동할 수 있는 상펀치(3) 및 하펀치(4)와, 다이(2)의 관통공(1)의 내부에 형성된 캐비티에 자성분말(컴파운드)(5)를 공급하는 급분장치(피더박스)(6)를 구비하고 있다. 또한 프레스장치(10)는, 자성분말(5)을 캐비티의 내부로 이동시킬 때, 자성분말(5)에 대하여, 약한 진동자계(H)(피크자계가 예를 들면 약 120kA/m 이하, 바람직하게는 100kA/m, 이하, 더욱 바람직하게는 80kA/m 이하의 교류자계)를 인가하는 진동자계 인가장치(도시 생략)을 구비하고 있다.

이하, 도 1의 장치를 이용하여, 이방성본드자석을 제조하는 방법을 설명한다.

우선 상술한 HDDR분말과 바인더(결합수지)의 혼합물(컴파운드)(5)를 준비하고, 이러한 컴파운드(5)를 피더박스(6) 내에 충진한다(도 1의 (a)). 그 후 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 피더박스(6)를 프레스장치(10)의 다이(2) 상으로 이동시킨다. 보다 구체적으로는 다이(2)에 있어서 캐비티가 형성된 부분의 직상부으로 피더박스(6)를 배치시킨다. 이 때 본 실시예에서는 다이(2)의 상면과 하펀치(4)의 상면을 동등한 레벨로 위치시키고 있기 때문에, 캐피티 공간은 형성되어 있지 않다.

다음에 도 1의 (c) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 자계의 방향이 교번하는 진동자계(교류자계)(H)를 인가하면서 하펀치(4)를 다이(2)에 대하여 하강시킨다. 상기 하펀치(4)의 하강에 수반하여 피더박스(6)의 하방에 캐비티가 형성되고, 캐비티가 크게 되어 있다. 피더박스(6)의 컴파운드(5)는 하펀치(4)의 하강에 따라서 크게 되는 캐비티의 내부로 유입되도록 하여 충진된다.

이와 같이 하여 캐비티로의 분말 충진이 수행될 때, 컴파운드(5)를 구성하는 분말입자는, 교류자계 중에서 효과적으로 배향된다. 이것은 캐비티 내로 이동하는 분말입자의 충진밀도가 저하되고, 각각의 분말입자가 비교적 용이하게 회전 가능하도록 되기 때문이라고 생각된다.

본 발명에서 채용하는 교류자계의 인가는, 정자계(靜磁界)에 비하여, 급분(給粉) 중에 있어서의 분말입자의 배향에 대하여 더욱 유효하게 기여한다. 즉, 정자계를 인가한 경우에는, 캐비티의 내벽면 사이를 분말입자가 가교상태로 연결하고, 캐비티를 부분적으로 막기 때문에, 균일한 분말충진이 달성될 수 없지만, 교류자계를 인가한 경우는, 자계의 방향이 변화할 때 자계강도가 제로로 되기 때문에, 상기 분말입자의 자기적 가교상태가 무너지고, 분말충진이 균일하면서도 신속하게 진행될 수 있게 된다.

본 실시예에서 이용하는 교류자계의 주파수는 10Hz 이상인 것이 바람직하고, 30Hz 이상인 것이 더욱 바람직하다. 인가되는 교류자계의 주파수가 높을수록, 자기특성이 좋게 되는 경향이 있지만, 교류자계의 주파수가 너무 높으면, 프레스장치의 다이가 와상전류에 의하여 발열하고, 또한 자기특성도 포화되기 때문에, 교류자계의 주파수는 60Hz 이상 120Hz 이하의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

그리고 교류자계의 인가에 대신하여, 일정방향의 자계를 형성하고, 그 자계강도를 펄스적으로 변화시켜도, 캐비티를 막는 분말의 가교를 파괴할 수 있다. 본 발명에서 중요한 점은, 배향자계의 인가에 의하여 캐비티 내에 형성되는 분말의 가교를 붕괴시키기 위하여, 배향자계의 강도를 단속적으로 제로 또는 충분히 작은 레벨로 저하시키는 것에 있다. 이 때문에 교류적으로 자계의 방향을 반전시키는 것은 불가결하지는 않다.

그리고 펄스적으로 진동하는 배향자계(펄스자계)를 인가하는 경우, 인가하는 자계의 가장 낮은 레벨은 제로로 할 필요는 없고, 분말입자의 자기적 가교를 붕괴시키는 것이 가능한 정도(예를 들면 8kA/m 이하)로 작게 하면 된다.

이와 같이 본 발명에서는 어느 정도의 레벨 보다 큰 자계강도(배향자계의 "온"레벨)와 그 레벨 보다도 작고 자기적 가교를 붕괴시키는 레벨의 자계강도(배향자계의 "오프"레벨)과의 사이에서 진동하는 자계를 인가하면서, HDDR분말의 컴파운드를 캐비티 내에 공급한다. 이 때문에 종래의 방법에 의해서는 급분되기 어려운 형상의 캐비티에 대해서도, 부드럽고 균일하게 컴파운드를 충진하는 것이 가능하고, 성형체의 단위중량을 증가시키는 것이 가능하게 된다.

다음에 도 1의 (e)에 도시한 바와 같이, 피더박스(6)를 캐비티의 상방에서 퇴피위치로 이동시킨 후, 도 1의 (f)에 도시한 바와 같이, 상펀치(3)를 하강시키고, 캐비티내의 컴파운드(5)를 압축성형하고, 성형체(7)를 제조한다.

본 발명에 의하면, 약한 자계에서도 충분히 높은 배향도를 달성할 수 있기 때문에, 종래에 비하여 배향자계의 크기(최대값)을 현저하게 저감하는 것이 가능하다. 이 때문에 배향자계중에서 압축 성형된 직후에 있어서의 성형체의 자화(잔류자화)를 종래 보다 1자리 이상 낮게 하는 것이 가능하다. 그 결과, 급분완료후에 고자계로 배향을 수행하는 종래 기술에서 필요로 하였던 동작, 예를 들면 분말의 배향을 용이하게 하기 위하여 일단 캐비티 내의 분말 상부에 근소한 공간을 형성하는 동작이나, 그 상태에서 배향한 후, 계속하여 분말을 가압, 압축하여 성형체로 하는 동작 등이 불필요하게 됨과 같이 성형체(7)에 대한 탈자처리가 불필요하게 된다. 이 때문에, 본 발명에 의하면, 프레스공정의 싸이클타임을, 등방성 자석의 경우의 싸이클 타임과 동등한 정도(종래의 이방성 본드자석의 경우의 싸이클타임의 반 이하)로 단축할 수 있게 된다.

그리고 상펀치(3)와 하펀치(4)에 의하여 컴파운드(5)를 압축할 때, 배향자계를 인가하여도 좋다. 이것은 압축성형시 배향의 혼란이 생기는 경우가 있기 때문에, 압축성형에 있어서도 배향자계를 인가하여, 배향을 적절하게 유지하기 위한 것이다. 압축성형시 인가하는 자계의 강도는, 급분시의 자계강도와 동일한 레벨이거나, 혹은 급분시의 자계강도 보다 작은 것으로 하여도 좋다. 어디까지나 배향의 혼란을 방지할 수 있으면 되기 때문이다. 이 때문에 압축성형시 인가되는 배향자계는, 상술한 진동자계일 필요는 없다. 따라서 급분시는 진동자계를 인가하고, 압축성형시에는 정(靜)자계를 인가하도록 하여도 좋다. 단, 공정을 단순화하기 위하여, 급분시에 인가하고 있던 진동자계를 그대로 계속적으로 압축 성형시에 인가하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 계속적으로 진동자계를 인가하는 경우에는, 프레스장치의 각부의 동작과 자계인가의 타이밍을 세밀하게 조절할 필요가 없기 때문이다.

본 실시예에서는, 피더박스(6)를 캐비티가 형성되는 부분의 직상부으로 이동시키고 나서, 캐비티 공간을 형성하고 있지만, 본 발명은 이와 같은 급분 형태로 한정될 수 없다. 예를 들면 도 2의 (a)에서 (c)에 도시한 바와 같이 하여, 미리 캐비티가 형성되어 있는 부분의 직상부으로 피더박스(6)를 이동시키고, 피더박스(6) 중에서 컴파운드(5)를 캐비티 내부로 부어넣도록 하여도 좋다. 이러한 경우, 캐비티상에 피더박스(6)를 배치하기 전에, 캐비티를 포함하는 공간에 대하여 배향자계(진동자계)의 인가를 개시한다. 이와 같이 하는 것에 의하여, 컴파운드(5)가 피더박스(6)에서 캐비티 내부로 낙하하는 도중에 있어서, 작은 진동자계에 의하여 확실하게 배향시킬 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 실시예에서는, 인가되는 진동자계의 방향은 수평방향이고, 프레스방향(1축압축방향)에 대하여 수직이다. 이 때문에 캐비티에 충진되는 분말입자는 수평횡방향으로 배향된다. 분말입자는 자기적으로 상호 작용 때문에, 수평횡방향을 따라서 사슬형상으로 연결된다. 충진분말의 상면에 위치하는 분말입자도 수평방향으로 연결되는 결과, 분말은 캐비티의 외측으로 삐져나오지 않고, 캐비티 내에 완전하게 수납되기 쉽다.

그리고 프레스장치의 캐비티 중심축이 연직방향에 대하여 경사져 있어도 좋고, 배향자계의 방향이 수평방향에 대하여 경사져 있어도 좋다. 이들 배치구성은, 어떠한 형상의 본드자석을 제조하는가에 의존하여 적절하게 설계될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 도 8에 도시한 바와 같은 래디얼 배향된 링형상 이방성자석(11)을 얻을 수 있다. 이와 같은 래디얼배향의 링형상 이방성 자석(11)은, 예를 들면, 도 9의 구성을 가지는 프레스장치를 이용하여 제조된다.

도 9의 프레스장치는, 강자성체 재료에서 형성되는 다이(2)의 중앙부에 관통공이 형성되어 있고, 상기 관통공 내의 중심부에 강자성체 재료로 형성되는 원주상의 코어(8)가 배치되어 있다. 캐비티는, 다이관통공의 내벽과 코어(8)의 외주면과의 사이에 형성되고, 캐비티의 저면은 비자성체 재료로 되는 하펀치(4)의 상면에 의하여 규정된다.

도 9의 프레스장치에서는, 코어(8)의 하부에 진동자계 인가용의 여자코일(9)이 배치되어 있고, 여자코일(9)에, 예를 들면 교류전류를 인가하는 것에 의하여, 소정 강도의 진동자계로 구성되는 래디얼 배향자계를 캐비티 내에 형성할 수 있게 된다. 이러한 상태에 있어서 캐비티내에 컴파운드를 충진하면, 목적하는 배향을 달성할 수 있다.

도 9에 있어서, 코어(8) 주위에 여자코일(9)을 배치한 구성이 도시되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 코어(8)의 상방으로 미도시의 상부코어를 배치하고, 그 상부코어의 주위에도 여자코일을 배치하여도 좋다.

본 발명자의 실험에 의하면, 상하에 코어 및 여자코일을 배치한 구성이, 일측에 코어 및 여자코일을 배치한 구성에 비하여, 성형체의 자기특성을 약간 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 상코어의 주위에 여자코일을 배치한 프레스장치를 이용하는 경우에는, 상코어에 의한 분말입자의 흡인 등에 의하여 작업성이 저하되고, 또한 프레스장치의 구성이 복잡하게 되는 등의 문제가 있기 때문에, 도 9에 도시한 바와 같이 하코어의 주위에만 여자코일을 배치하는 것이 바람직하다.

[실시예]

다음에는 본 발명의 실시예를 설명한다.

우선, 본 실시예에서는 27.5중량%의 Nd-1.07중량%의 B-14.7중량%의 Co-0.2중량%의 Cu-0.3중량%의 Ga-0.15중량%의 Zr-잔부 Fe를 함유하는 Nd-Fe-B계 희토류합금의 HDDR분말을 준비하였다. 구체적으로는 우선 상기 조성을 가지는 희토류합금원료를 Ar분위기 중에서 1130℃에서 15시간의 조건으로 열처리한 후, 수소흡장에 의한 붕괴, 정립을 수행하였다. 그 후 HDDR처리를 수반하는 것에 의하여, 자기적 이방성을 가지는 HDDR분말을 제조하였다. 분말의 평균입경(레이저 회전법에 의하여 측정한 값)은 120㎛ 정도였다.

상기 HDDR분말에 대하여, 빌페놀 A형 에폭시 수지의 바인더(결합수지)를 60도로 가열하면서 2축 니더를 이용하여 혼합하는 것에 의하여 HDDR컴파운드를 제조하였다. 바인더의 중량비율은 전체의 2.5% 정도로 하였다.

이러한 HDDR컴파운드를 도 1에 도시한 바와 같이 프레스장치를 이용하고, 60Hz의 교류자계중에서 압축성형하였다. 프레스장치의 다이 캐비티의 개구면(다이상면)에서의 형상(프레스 방향으로 수직인 캐비티의 단면형상)은, 도 3의 (a)에 도시한 활형상이고, 캐비티의 싸이즈는 외주측 반경(R1)이 19.7mm, 내주측반경(R2)가 16mm, 깊이가 30.65mm이었다. 캐비티에는, 분말높이(충진깊이)가 30.65mm로 되도록 상기 컴파운드를 충진하였다. 이와 같은 캐비티로 제조한 성형체의 사이즈는, 외주측반경 19.7mm×내주측반경 16mm×높이 19mm이고, 얻어진 두개의 성형체를 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 조합하는 것에 의하여, 거의 래디얼 배향한 얇은 두께의 링형상의 이방성 본드자석이 얻어진다.

교류자계를 형성하기 위하여 프레스장치의 자계발생용 코일에 흘린 전류(교류전류)와, 캐비티의 중심부에 있어서의 피크자계와의 관계를 도 4에 도시하였다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 캐비티 내에 형성되는 교류자계의 피크값은, 자계발생용 코일에 투입되는 교류전류의 크기가 증가함에 따라서 직선적으로 증가한다. 따라서 코일에 흐르는 교류전류를 조절하는 것에 의하여 분말에 인가되는 교류자계의 피크값을 제어할 수 있다. 그리고 그래프의 종축의 자계강도의 단위는 Οe(엘스테드)이고, 그 수치를 10³/(4π)배한 값이 SI단위에 있어서의 자계강도로 된다. 10³/(4π)는 약 80이기 때문에, 예를 들면 200Οe는, SI단위계로 약 16kA/m로 된다.

캐비티 내에 형성된 교류자계의 방향은, 프레스방향(상펀치/하펀치의 동작방향)에 대하여 수직이었다. 도 4의 그래프에 의하면, 인가되는 교류전류가 OA(암페어)인 때에도, 캐비티 내에 자계가 형성되어 있지만, 이것은 실험에 이용한 다이를 구성하고 있는 강자성체 부품이 약하게 자화되어 있기 때문이다. 이와 같은 자류자화가 다이부품 중에 존재하고 있는 경우, 코일이 형성하는 교류자계의 진폭 중심이 제로레벨에서 시프트하지만, 특히 문제는 없다. 물론 상기와 같은 잔류자화가 존재하고 있으면, 자계발생용 코일에 투입되는 전력이 작은 경우에도, 배향에 필요한 교류피크자계를 얻는 것이 가능하기 때문에, 바람직하다고 할 수 있다.

도 5는, 교류피크 자계와 성형체의 중량(단위중량)과의 관계를 보이고 있다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 교류피크 자계가 강하게 될수록, 성형체의 단위중량이 저하되고 있다. 분말충진이 부드럽게 진행될수록, 단위중량은 크게 된다. 이 때문에, 교류피크 자계를 너무 크게 하면, 분말을 충진하기 어렵다고 생각된다. 또한 교류자계를 인가하는 경우에는, 프레스장치를 구성하는 다이 등의 발열을 초래하기 때문에, 필요 이상으로 교류피크 자계를 강하게 하면, 생산성 및 자석품질 등의 관점에서 다이 등의 냉각이 필요하게 된다. 교류피크 자계의 크기는, 목적으로 하는 성형체의 형상, 치수, 자성분말의 자기특성, 배향방향(래디얼 배향 또는 직각배향 등) 등에 따라서 선정하는 것이 요구된다.

교류피크 자계가 너무 강하게 되면, 프레스장치에 의한 성형 직후에 있어서의 성형체의 표면 자속밀도(잔류자속)도 크게 되고, 본 발명의 본래의 목적을 달성할 수 없게 될 뿐만 아니라, 상기 분말 충진 및 다이의 발열 등의 문제도 생길 수 있다. 이들 관점에서, 교류피크 자계는, 최대 120kA/m(약 1500Οe), 바람직하게는 100kA/m(약 1260Οe) 이하, 더욱 바람직하게는 80kA/m(약 1000Οe) 이하, 혹은 50kA/m(약 630Οe) 이하의 조건에서 선정될 수 있다.

본 실시예에서 제조하는 본드자석의 경우, 후술하는 도 6에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이 300Οe(약 24kA/m) 근방에서 목적으로 하는 자기특성을 얻을 수 있기 때문에, 분말충진을 저해하는데 이르지 않는 자계 강도로 목적의 소정 단위중량을 구비하는 자석을 얻는 것이 가능하다. 구체적으로는, 교류피크 자계가 450Οe (약 36kA/m) 이하이면, 충분한 레벨의 성형체 단위중량이 달성되는 것으로 된다. 교류피크 자계의 바람직한 범위는, 24kA/m 이상 36kA/m 이하이고, 더욱 바람직한 범위는 24kA/m 이상 32kA/m 이하이다.

그리고 도 5의 그래프 중에는, 참고를 위하여, 비교적 약한 "정자계(靜磁界)"를 인가하면서 배향을 수행한 비교예1 및 비교예2의 성형체 단위중량을 보이고 있다. 비교예1에서는 급분시 및 성형시에 있어서의 정자계의 강도가 60Οe이고, 비교예2에서는 정자계의 강도가 150Οe이다. 비교예1 및 비교예2와 실시예를 비교하면, 동일한 자계강도에서는 정자계 보다 교류자계를 인가한 경우가 큰 성형체 단위중량이 얻어지는 것을 알 수 있다. 더욱이 실시예가 비교예에 비하여, 프레스공정 마다 단위중량 편차도 작았다. 이러한 것은, 정적인 자계를 인가하는 것 보다, 교류자계를 인가하는 것이 급분을 원활하게 수행하는 것을 의미하고 있다. 따라서 본 발명에서는 급분이 곤란한 캐비티(예를 들면 개구부의 최소 사이즈에 대한 깊이의 비율이 예를 들면 1 이상의 아스펙트비를 보이는 캐비티)를 이용하여 이방성 본드자석을 제조하는 경우에 특히 적합하다.

도 6은, 성형체의 단위중량 당의 자기특성과 교류피크 자계의 관계를 보이고 있다. 도 6에 있어서의 그래프의 종축은, 비교예3(10kΟe의 강한 정자계를 인가하여 배향시킨 성형체)의 플럭스(자속량)에 대한 실시예의 플럭스의 비를 보이고 있다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 교류피크 자계가 300Οe 이상으로 되면, 실시예의 플럭스는 비교예3의 플럭스와 동등한 레벨에 이르고, 거의 포화되어 있다.

다음에 교류피크 자계가 420Οe(=약 33.6kA/m)의 경우에 얻어지는 실시예에 대하여, 프레스 직후에 있어서의 (탈자처리를 수행하지 않는 경우의) 성형체의 표면자속밀도(잔류자속)를 측정한 바, 그 값은 10G(=0.001T) 이하이었다. 성형체에 대한 탈자처리를 생략하기 위해서는, 성형 직후에 있어서의 잔류자화를 50G(=0.005T) 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 본 실시예에 의하면, 배향자계의 강도가 종래에 비하여 충분하게 작기 때문에, 자계배향을 수행한 후의 성형체에는 50G를 하회하는 낮은 자화가 잔류하는 것에 불과하고, 탈자처리가 불필요하게 된다. 그리고 이와 같이 하여 얻어진 이방성 본드자석의 착자성은 양호하였다.

종래의 급분 후에 강한 정자계(예를 들면 10kΟe 정도의 정자계)를 인가하고, 압축 성형을 수행한 결과(비교예3), 성형체의 잔류자화는 2000G(0.2T)에 도달하고, 탈자처리가 불가결하였다.

도 7은, 본 발명의 실시예와 비교예에 대하여, 성형체의 단위중량당의 플럭스비와 착자 자계강도와의 관계, 즉 착자특성 곡선을 보이는 그래프이다. 그래프 중에서, "●"는 본 발명의 실시예에 관한 데이터포인트를 보이고, "×"는 비교예의 데이터포인트를 보이고 있다. 실시예는, 자계피크가 400Οe의 교류자계를 인가하면서, 급분, 성형공정을 수행한 시료이고, 탈자처리는 수행되지 않았다. 한편 비교예는, 배향자계로서 12kΟe의 정자계를 인가하고, 성형공정후에 탈자처리(교류자계인가)를 실시한 시료이다.

도 7의 착자특성곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 착자 자계강도가 0~10kΟe의 영역에 있어서, 실시예에서는 착자자계강도의 증가(ΔH)에 대한 자속량의 증가(ΔB)의 비율(ΔB/ΔH)가 비교예 보다 크다. 구체적으로는 착자자계강도가 40kΟe인 때의 자속량을 100%로 한 경우, 자계강도가 0~10kΟe의 범위에 있어서의 실시예의 ΔB/ΔH는 2%/kΟe 이상이고, 비교예 보다 현저하게 자회되기 쉬웠다. 그리고 10kOe는 약 800kA/m이고, 2%/kΟe는 약 0.025%/(kA/m)이다. 따라서 본 발명에 의하면, 0kA/m 이상 800kA/m이하의 자계에 의하여 0.025%/(kA/m) 이상의 ΔB/ΔH가 달성된다.

그리고 상기 실시예에서는, HDDR의 분말을 준비하여 이방성 본드자석을 제조하였지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 다른 타입의 분말이어도 자기적 이방성을 발휘하는 분말이면 이용할 수 있다. 또한 HDDR분말과 다른 이방성 분말을 혼합한 분말을 이용하여 본드자석을 제조하여도 좋다.

더욱이 프레스장치의 다이캐비티의 형상도 상기 실시예에서 이용하는 형상에 한정되지 않고, 임의로 할 수 있다. 단 본 발명은 급분의 곤란한 형상(예를 들면 개구부의 수평방향 사이즈가 가장 작은 부분에서 5mm 이하, 깊이가 가장 큰 부분에서 10mm 이상으로 되는 형상)의 캐비티에 급분하는 경우 등에 특히 현저한 효과를 발휘할 수 있다.

다음에, 도 8에 도시한 래디얼 배향링형상 이방성 자석을, 도 9에 보인 구성의 프레스장치를 이용하여 제조하였다. 얻어진 자석의 사이즈는, 외경 25mm, 내경 23mm, 높이 4.8mm 이었다. 자성분말은, 상기와 동일 조성, 동일방법으로 제조된 HDDR컴파운드를 사용한다.

교류피크 자계를 80kA/m(약 1000Οe), 40kA/m(약 500Οe), 24kA/m(약 300Οe)로 한 경우의 성형체의 자기특성(단위중량당의 자속량)과, 프레스 직후에 있어서(탈자처리를 수행하지 않은 경우)의 성형체의 표면자속밀도(잔류자화)를 측정하였다.

그 결과, 교류피크 자계의 크기에 의한 자기특성의 차이는, 약 0.5% 정도로 작았다. 잔류자화는 어느것의 성형체에 있어서도 0.0007T(7G) 이하이었지만, 특히 교류피크자계가 24kA/m의 경우의 잔류자화는 0.0005T(5G) 이하뢰 되고, 탈자처리가 불필요할 뿐만 아니라 착자성도 극히 양호함을 확인 하였다.

본 발명에 의하면, 진동자계를 급분시에 인가하기 위하여, 자성분말을 캐비티 내에 부드럽게 충진하면서, 자성분말을 배향자계의 방향으로 배향시키는 것이 가능하다. 이 때문에 인가되는 자계의 강도가 작아도, 분말충진 시점에 있어서 충분한 정도의 자계배향을 실현할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 압축성형후에 성형체에 잔류하는 자화를 대폭 저감할 수 있고, 그 결과로서 탈자처리를 생략하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에 본 발명에 의하면, 잔류자화에 기인하는 여러가지 문제를 회피하면서, 프레스공정의 싸이클타임을 저감하고, 특성이 우수한 이방성 본드자석을 저코스트로 제조할 수 있다.

더욱이 본 발명에 의하면, 급분시에 인가되는 배향자계가 진동자계이기 때문에, 급분되기 어려운 형상의 캐비티에 대해서도 자성분말을 확실하게 공급하는 것이 가능하고, 성형체의 단위중량 편차를 저감할 수 있게 된다. 이 때문에 복잡한 형상을 가지는 소형의 이방성 본드자석을 양산할 수 있게 된다.

Claims (16)

1. 프레스장치의 캐비티 내에 자성분말을 공급하고, 성형하는 영구자석의 제조방법으로,

   상기 캐비티를 포함하는 공간에 진동자계를 형성하는 공정과,

   상기 자성분말을 상기 진동자계의 방향에 평행한 방향으로 배향시키면서, 상기 자성분말을 상기 캐비티 내부로 이동시키는 공정과,

   상기 캐비티 내에서 상기 자성분말을 압축하고, 성형체를 제조하는 공정을 포함하는 영구자석의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 진동자계는, 상기 캐비티 내에서 상기 자성분말을 압축할 때에도 인가되는 영구자석의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레스장치에 의한 성형 직후에 있어서 상기 성형체의 표면 자속밀도가 0.005T 이하가 되도록 상기 캐비티 내에 있어서의 진동자계의 최대값을 조절하는 영구자석의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 진동자계의 최대값은, 120kA/m 이하로 조절되는 영구자석의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 진동자계의 최대값은, 100kA/m 이하로 조절되는 영구자석의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 캐비티 내에 있어서의 상기 진동자계의 최대값은, 80kA/m 이하로 조절되는 영구자석의 제조방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 캐비티 내에서 상기 자성분말을 압축한 후, 상기 성형체에 대하여 탈자(脫磁)처리를 수행하지 않고, 캐비티에서 성형체를 취출하는 영구자석의 제조방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동자계는 교류자계인 영구자석의 제조방법.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동자계는 복수개의 펄스자계를 포함하는 영구자석의 제조방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 캐비티의 개구부의 수평방향 사이즈는, 최고 작은 부분에서 5mm 이하이고, 상기 캐비티의 깊이는 최고 큰 부분에서 10mm 이상인 영구자석의 제조방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 자성분말의 적어도 일부는 HDDR분말인 영구자석의 제조방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 프레스장치는, 관통공을 구비하는 다이와, 상기 관통공의 내부에 있어서 상기 다이에 대하여 상대적으로 왕복동작하는 하펀치를 구비하고 있고,

    상기 자성분말을 상기 캐비티 내부에 이동시키는 공정은,

    상기 하펀치에 의하여 상기 관통공이 닫힌 상태의 상기 다이의 상부에 있어서, 상기 자성분말을 포함하는 피더박스를 상기 관통공의 상방에 배치하는 공정과,

    상기 다이에 대하여 상기 하펀치를 상대적으로 하방으로 이동시키고, 상기 피더박스의 하방에 상기 캐비티를 형성하는 공정을 포함하는 영구자석의 제조방법.
13. 관통공을 포함하는 다이와,

    상기 관통공의 내부에 있어서 상기 다이에 대하여 상대적으로 왕복동작하는 상펀치 및 하펀치와,

    상기 다이의 관통공의 내부에 형성되는 캐비티에 자성분말을 공급하는 급분장치를 구비한 프레스 장치에 있어서,

    더욱이 상기 자성분말을 상기 캐비티의 내부로 이동시킬 때 상기 자성분말에 대하여 진동자계를 인가하는 진동자계인가장치를 구비하는 프레스장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 진동자계 인가장치는, 상기 캐비티의 내부에 공급한 자성분말을 상기 상펀치 및 하펀치에 의하여 압축할 때 상기 자성분말에 대하여 진동자계를 인가하는 것이 가능한 프레스장치.
15. 압축성형에 의하여 제조되는 영구자석으로,

    프레스장치 내의 자성분말을 진동자계중에 배향, 압축하고, 탈자처리를 수행하는 것 없이 상기 프레스장치에서 취출된 때의 잔류자화레벨이 표면자속밀도로 0.005T 것을 특징으로 하는 영구자석.
16. 자석분말이 수지에 의하여 결합된 이방성 본드자석으로,

    착자를 위하여 0~800kA/m의 자계를 인가한 경우, 상기 자계의 강도증가(ΔH)에 대한 자속량의 증가(ΔB)의 비율(ΔB/ΔH)이 0.025%/(kA/m) 이상을 보이는 것을 특징으로 하는 이방성 본드자석.