KR101641795B1 - R-t-b계 소결자석 제조방법 - Google Patents

Abstract

소결 시간이 단축된 R-T-B계 소결자석이 소개된다.
본 발명의 R-T-B계 소결자석은, R(R은 Nd를 포함하는 희토류 원소 중 1종 이상을 포함), T(전이금속 원소 중 어느 하나 이상을 포함), B를 포함하는 R-T-B계 소결자석을 제조하는 방법에 있어서, 자장 성형된 성형체를 마이크로웨이브파를 이용하여 소결하는 것을 특징으로 한다.

Description

R-T-B계 소결자석 제조방법{Method for manufacturing R-T-B-based sintered magnet}

본 발명은 R-T-B계 소결자석을 제조하는 방법에 관한 것이다.

희토류계 소결자석은 R－Co계 소결자석(R은 주로 Sm)과 R－T－B계 소결자석(R은 Y를 포함하는 희토류 원소의 적어도 1종으로서 Nd를 반드시 포함하며, T는 Fe 또는 Fe와 Co)의 2 종류가 널리 사용되고 있다.

특히 R－T－B계 소결자석은, 여러 가지 자석 중에서 가장 높은 자기 에너지적(the highest magnetic energy product)을 나타내고, 가격도 비교적 저렴하기 때문에, 각종 전기 기기에 사용되고 있다.

R－T－B계 소결자석은, 주로 R₂T₁₄B의 정방정 화합물로 이루어지는 주상(Main phase), R 리치상(R-rich phase) 및 B 리치상으로 구성되어 있다. R－T－B계 소결자석에서는, 기본적으로, 주상인 R₂T₁₄B의 정방정 화합물의 존재 비율을 증가시키면, 자석 특성이 향상된다. 그러나, R은 분위기중의 산소와 반응하기 쉽고, R₂O₃ 등의 산화물을 만든다. 따라서, 제조공정 중에 R－T－B계 소결자석용 원료 합금이나 그 분말이 산화하면, R₂T₁₄B의 존재 비율이 저하함과 함께, R 리치상이 적게 되고, 자석 특성이 급격하게 저하한다. 즉, 제조공정 중에 있어서의 산화를 방지하고, R－T－B계 소결자석용의 원료 합금이나 그 분말의 함유 산소량을 저감시키면 자석 특성이 개선되는 것이다.

R－T－B계 소결자석은, 원료 합금을 조분쇄 및 미분쇄하여 형성된 합금 분말을 프레스 성형한 후, 소결 공정 및 열처리 공정을 거쳐 제조된다.

R-T-B계 소결자석은 구동모터 등 자동차 분야에 적용이 증가되고 있는바, 자석 사용 환경 역시 150℃ 이상의 고온환경으로 변화하고 있으며, 자석의 내고온성을 개선하기 위해 고가의 중희토류(Dy, Tb 등)를 첨가하여 고보자력을 갖는 자석을 제조하고 있다. 그러나, 중희토류의 희귀성으로 인하여 원가가 상승하는 것은 물론, 중희토류를 입계확산시킬 때 재현성이 부족하다는 단점을 갖는다.

따라서, 중희토류를 저감하면서도 고보자력을 갖는 자석을 제조하기 위한 다양한 연구 개발이 진행되고 있는바, 확산법은 희토류 분말을 소결과정 중에 자석에 흡수시키는 방식으로, 이는 제품 편차가 크다는 단점이 존재한다.

결정립을 미세화하는 방식은 산소 혼입 방지를 위한 공정 밀폐화가 필요한 것은 물론, 이를 구현하더라도 소결 중 입자가 성장하여 그 효과가 반감되는 단점이 존재한다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2014-0004747 A(2014.01.13)

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 중희토류 함량를 최소화하면서도 고보자력을 갖는 소결자석을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 R-T-B계 소결자석 제조방법은, R(R은 Nd를 포함하는 희토류 원소 중 1종 이상을 포함), T(전이금속 원소 중 어느 하나 이상을 포함), B를 포함하는 R-T-B계 소결자석을 제조하는 방법에 있어서, 자장 성형된 성형체를 마이크로웨이브파를 이용하여 소결하는 것을 특징으로 한다.

SiC, Mo, SiN, ZrO₂, Al₂O₃ 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 제조된 서셉터를 이용하여 소결하는 것을 특징으로 한다.

상기 성형체를 가압하면서 소결하는 것을 특징으로 한다.\

원료 분말을 중희토류 금속분말로 코팅한 후, 성형된 상기 성형체를 소결하는 것을 특징으로 한다.

중희토류 금속분말을 용매와 혼합하고 상기 원료분말에 스프레이하여 코팅하는 것을 특징으로 한다.

중희토류 금속분말이 코팅된 원료분말을 슬러리화하고, 자장 성형함과 동시에 솔벤트(solvent)를 배출하는 것을 특징으로 한다.

멜트 스피닝법(melt-spinning)을 이용하여 급속 응고 리본(ribbon)을 제조하고, 열처리한 후, 100㎛ 이하 입도를 갖는 분말로 분쇄한 다음, 성형 후 소결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 소결 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 결정립이 미세화됨으로써 중희토류 함유량을 최소화하더라도 소정의 품질을 갖는 자석을 제조할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 소결 시간이 단축에 따라 열화를 방지할 수 있는 것은 물론, 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.

넷째, 원료분말의 산화를 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 소결공정 프로세스를 나타낸 도면,
도 2는 일반적인 소결공정을 진행하여 제조된 소결자석의 결정립을 나타낸 사진,
도 3은 본 발명에 적용된 마이크로웨이브파를 이용한 소결공정 프로세스를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 적용된 마이크로웨이브파를 이용한 소결공정으로 제조된 소결자석의 결정립을 나타낸 사진,
도 5는 급속 응고 리본(ribbon)에 마이크로웨이브파를 이용한 소결공정을 적용하여 제조된 소결자석 결정립을 나타낸 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 R-T-B계 소결자석 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 R-T-B계 소결자석 제조방법은, 자장 성형된 성형체를 마이크로웨이브파를 이용하여 소결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 R-T-B계 소결자석은 희토류, 전이금속, B가 혼합된 혼합분말을 스트립 캐스팅 주조하고, 주조된 제품을 수소파쇄 및 젯밀 공정을 거친 후 자장 중에서 성형하고, 소결하여 제조된다.

혼합분말 중의 희토류는 Nd 등 경희토류가 주를 이루는바, 자석 특성 개선을 위해 Dy 등 중희토류를 첨가하기도 하는데, 중희토류 첨가에 따라 비용이 상승되므로, 중희토류를 최소한도로 첨가하면서도 자석특성을 개선하되, 첨가된 중희토류를 자석 내 균일하게 분포시킴으로써 그 기능을 최대화하기 위한 연구 개발이 한 창 진행 중이다.

특히, 자장 성형된 성형체를 일반적인 소결 방식으로 소결하는 경우 결정립이 조대해지는바, 이로 인해 자석이 열위해지는 문제점이 존재한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 소결방식은 약 350℃ 구간에서 약 2.5시간, 550℃에서 약 1시간, 850℃에서 약 2시간, 1050℃에서 약 4시간 소결한 후, 60℃/min의 속도로 급냉하는 방식으로 진행한다. 통상적으로 평균 3.7㎛ 크기의 분말을 상술한 소결과정을 통하여 소결하게 되면, 평균 결정립 5.3㎛ 크기를 갖는 소결자석이 제조되는바, 결정립 크기가 조대해지는 것은 물론, 소결시간이 장시간 소요되는 단점이 존재한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 R-T-B계 소결자석 제조방법에 따르면, 마이크로웨이브파를 이용하여 소결하는 경우, 소결시간이 약 10분 내외로 감소하는 것은 물론, 결정립의 크기도 줄어드는 것(3.7㎛크기의 분말이 소결 이후 약 4.7㎛의 결정립을 갖게 됨)을 확인할 수 있었다.

마이크로웨이브파를 이용한 소결은 유전가열(dielectric heating)에 의해 이루어지는바, 활성화 에너지 감소와 도약계수가 증가하여 가열이 빠르게 진행된다. 그러나, 전자기파인 마이크로파는 금속을 뚫고 들어갈 수 없기 때문에 금속 주변에서 마이크로파가 지속적으로 축적되면 화재 및 폭발 가능성이 존재하는바, 본 발명에서는 금속분말에 마이크로파를 조사함으로써 이러한 문제점을 해결하였다.

또한, 일반적인 소결방식은 외부 발열체에 의한 복사열이 열전도 방식으로 분말을 가열하는 것인데 반하여, 마이크로웨이브파를 이용한 소결은 분말 표면 자체가 가열되는 것으로, 소결 가능한 표면 확보가 용이하게 되어 소결 시간을 단축할 수 있게 된다.

이와 같이, 마이크로웨이브파를 이용하여 소결하는 경우, 전방향 침투성이 강한 열공급으로 소결시간이 단축되는 것은 물론, 결정립 성장이 억제되어 보자력이 개선되고, 낮은 활성화 에너지로 인하여 조직이 치밀해지며, 분말의 내외부에 열이 동일하게 전달, 빠르게 반응하므로 열변형이 최소화되고, 균일한 미세조질을 갖게 되어 물성이 개선된다.

한편, 본 발명의 R-T-B계 소결자석 제조방법은 서셉터(susceptor)를 이용하여 소결할 수 있다.

서셉터의 종류에 따라 분말에 흡수되는 마이크로웨이브 파장이 달라지고, 그것이 흡수, 발열되는 양이 달라져 소결 효과가 달라지게 된다.

서셉터는 SiC, Mo, SiN, ZrO₂, Al₂O₃ 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 제조되고, 서셉터의 형상 및 구조는 소결 조건에 따라 다양하게 변형 설계될 수 있다.

서셉터의 형상이 변화되면 마이크로웨이브에 노출되는 면적 및 마이크로웨이브가 흡수되는 양이 달라지게 되는 것은 물론, 서셉터를 통과하는 마이크로웨이브의 파워 역시 서셉터의 두께에 따라 달라지므로 서셉터 형상 및 구조에 대한 설계는 소결 조건에 따라 달리할 수 있다.

예를 들어, 서셉터 형상 및 구조는 실린더형, 플레이트형, 파우더형, 로드형 등 다양하게 설계될 수 있을 것이다.

또한, 서셉터의 배열 위치에 따라 소결 조건 및 소결자석 성능에 차이가 발생할 수 있는데, 이러한 점을 고려하여 서셉터 간의 거리 및 배열 방향, 구도 등은 다양하게 변형될 수 있을 것이다.

한편, 마이크로웨이브파를 이용한 소결과정에서 급속하게 승온되는 경우, 중희토류의 내부 확산이 충분하게 진행되지 못 하고, Nd 상이 손실될 우려가 존재하는데, 주상 및 입계상 분포가 균일하게 분포될 수 있도록 익세스(excess) 입계상 물질을 첨가할 수 있다.

또한, 액상의 성형체 소결 시 Nd-rich 상의 모빌리티(mobility)을 개선하기 위해 압력을 가하는 것이 바람직한바, 가압 환경 조성으로 인하여 소결온도를 800~1000℃ 정도로, 통상의 소결 온도보다 더 낮게 유지함으로써 에너지를 절약할 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명의 R-T-B계 소결자석 제조방법에서 원료분말에 Dy 등 중희토류를 코팅한 후 자장 성형하고, 마이크로웨이브파를 이용하여 소결할 수 있다. 즉, Dy 등의 금속분말을 원료분말에 규일하게 코팅한 후 습식성형을 통해 Dy를 농축시킨 후 마이크로웨이브파를 이용하여 급속하게 소결하면, 결정립이 미세화되는 것은 물론, Dy가 결정립계에 농축되어 자성이 개선되는 것이다.

코팅 과정은, 먼저 Dy 금속분말을 용매에 첨가하여 코팅용액을 제조하고, 이를 원료분말(NdFeB 분말)에 스프레이 코팅, 슬러리화함으로써 진행된다.

이와 같이, 원료분말에 Dy 등 금속분말을 코팅하는 경우, 분말이 산화되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 습식성형 과정에서는 슬러리를 성형장치에 주입하고, 자기배향한 후, 성형과 동시에 솔벤트(solvent)를 배출, 탈자하는 과정으로 진행된다.

슬러리 주입 시 충전 밀도, 균일 충전 여부, 솔벤트 조성 및 비율은 습식성형 조건에 따라 다양하게 조절 가능하고, 성형 이후 솔벤트(solvent) 최소화를 위해 솔벤트 배출구조 및 금형 설계를 최적화할 필요가 있다.

슬러리를 습식성형 방식으로 성형하는 경우, 분말 산화가 방지되고, 성형 공정에서도 분말 코팅이 유지되는바, 분말 간 마찰 발생이 최소화되며, 분말 유동성이 개선됨으로써 자기 배향도가 개선된다.

한편, 멜트 스피닝법(melt-spinning)을 이용하여 급속 응고 리본(ribbon)을 제조하고, 열처리한 후, 100㎛ 이하 입도를 갖는 분말로 분쇄한 다음, 성형 후 마이크로웨이브파를 이용하여 소결함으로써, 약 500nm 수준의, 결정립이 나노 사이즈화된 소결조직을 얻을 수 있었다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (7)

1. R(R은 Nd를 포함하는 희토류 원소 중 1종 이상을 포함), T(전이금속 원소 중 어느 하나 이상을 포함), B를 포함하는 R-T-B계 소결자석을 제조하는 방법에 있어서,
   경희토류 분말이 포함되며, 100㎛ 이하 입도를 갖는 분말로 분쇄된 원료분말에 용매와 혼합한 중희토류 금속분말을 스프레이하여 코팅한 후, 자장 성형된 성형체를 마이크로웨이브파를 이용하여 소결함으로써 결정립의 성장을 평균 4.7㎛ 이하로 억제하여 소결시간의 단축으로 열변형을 최소화하고, 균일한 미세조질을 갖는 것을 특징으로 하는, R-T-B계 소결자석 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   SiC, Mo, SiN, ZrO₂, Al₂O₃ 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 제조된 서셉터를 이용하여 소결하는 것을 특징으로 하는, R-T-B계 소결자석 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 성형체를 가압하면서 소결하는 것을 특징으로 하는, R-T-B계 소결자석 제조방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   중희토류 금속분말이 코팅된 원료분말을 슬러리화하고, 자장 성형함과 동시에 솔벤트(solvent)를 배출하는 것을 특징으로 하는, R-T-B계 소결자석 제조방법.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   멜트 스피닝법(melt-spinning)을 이용하여 급속 응고 리본(ribbon)을 제조하고, 열처리한 후, 분말로 분쇄한 다음, 성형 후 소결하는 것을 특징으로 하는, R-T-B계 소결자석 제조방법.
   

Images