KR102059533B1 - 희토류 영구자석의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 희토류 원소와 철을 포함하는 희토류 합금으로 이루어지고, 입경이 2 ~ 10㎛ 의 입도범위의 원료 분말을 준비하는 준비 공정과, 상기 원료 분말을 성형용 금형에 충전하는 공정과, 상기 펄스자장 인가공정이후 상기 펄스자장보다 저자장의 직류자장를 인가하면서 동시에 압축성형하는 공정과, 상기 자장성형 후 소결공정과, 상기 소결공정 후 열처리공정으로 이루어진다.

Description

희토류 영구자석의 제조방법{Manufacturing method of rare earth sintered magnet}

본 발명은 희토류 원소와 철을 포함하는 희토류 합금으로 이루어진 분말을 금형에 충전하고, 금형의 좌측과 우측에 위치하는 자장프레스에 펄스자장 및 직류자장을 인가하면서 압축성형하여 희토류 합금 분말의 자장배향도를 향상시키고, 소결 및 열처리하는 희토류 영구자석의 제조방법에 관한 것이다.

최근 에너지 저감 및 환경친화형 녹색성장사업이 새로운 이슈로 급부상하면서 자동차산업에서는 화석원료를 사용하는 내연기관을 모터와 병행하여 사용하는 하이브리드차 혹은 환경친화형 에너지원인 수소 등을 대체에너지로 활용하여 전기를 발생시고 모터를 구동하는 연료전지차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이들 환경친화형 자동차들은 전기에너지를 이용하여 구동되기 때문에 영구자석형 모터 및 발전기가 필연적으로 채용되고 있고, 자성소재 측면에서는 에너지 효율을 더욱 향상시키기 위하여 보다 높은 잔류자속밀도 및 안정적인 보자력을 나타내는 희토류 영구자석에 대한 기술적 수요가 증가하는 추세이다.

또한, 자동차의 연비개선을 위한 다른 측면으로는 자동차 부품의 경량화 및 소형화를 실현하여야 하는데, 예를 들어 모터의 경우 경량화 및 소형화 실현을 위해서는 모터의 설계변경과 더불어 영구자석 소재는 기존에 사용되던 페라이트자석을 보다 우수한 자기적 성능을 나타내는 희토류 영구자석으로 대체하는 것이 필수적이다.

이론적으로 영구자석의 잔류자속밀도가 높으면 외부로 보다 센 자력을 발생시킬 수 있기 때문에 각종 모터, 액츄에이터, 의료기기 등 다양한 응용분야에서 기기의 효율과 성능을 향상시키는데 이점이 있는데, 특별히 희토류 영구자석의 경우 잔류자속밀도의 크기는 자석을 구성하는 주상의 포화자속밀도, 분말 혹은 결정립의 이방화 정도 혹은 자석의 밀도 등의 향상정도에 비례하여 증가한다.

이와 같이 잔류자속밀도를 향상시키기 위한 변수들 중 실제 희토류 영구자석을 제조하는 과정에서 합금의 조성이 결정되면 주상의 포화자속밀도는 고정이 되고, 자석의 밀도 또한 거의 이론치에 근접한 값이 쉽게 얻어지기 때문에 희토류 영구자석의 제조공정 개선에 의해 희토류 합금분말 혹은 결정립의 이방화과정인 자장배향도를 향상시키고 소결 및 열처리하는 것이 가장 중요한 변수가 된다.

일반적인 희토류 영구자석의 제조과정은 용해 및 주조과정에 의해 희토류-철-보론-기타금속으로 구성된 합금으로 제조하는 단계, 준비된 합금을 볼밀 혹은 젯밀 등의 분쇄방법을 이용하여 수 ㎛ 크기의 희토류 분말로 분쇄하는 단계, 분쇄된 희토류 분말을 금형에 장입하고 자장을 인가하면서 동시에 압축성형을 수행함으로써 분말을 일방향으로 배향하는 단계 및 자장 배향된 압축성형체를 진공 혹은 알곤 중에 소결을 진행함으로써 치밀한 소결체로 제조하는 단계로 구성된다.

종전의 자장배향기술에 의하면 희토류 분말을 금형에 충전하고, 금형의 좌측과 우측에 위치하는 전자석에 직류전류를 인가함으로서 발생되는 직류자장에 의해 희토류 분말을 배향하면서 동시에 압축성형을 실시하여 자장이방화된 성형체를 제조하는 과정을 거치게 된다.

한편, 상기와 같은 자장성형과정에서는 직류전원을 이용하여 자장을 발생시키면 인가되는 전류가 일반적으로 수십 내지 수백암페어(A)의 전류로 제한적이기 때문에 자장의 세기를 2 Tesla 이상 발생시키기는 어렵고 분말의 자장배향도 향상도 제한적일 수밖에 없다는 기술적인 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 특허문헌 1에서는 분말성형체에 1~2 Tesla 의 약자장을 인가하여 입자를 회전시켜 배향하고, 3 Tesla 이상의 강자장을 먼저 인가한 약자장의 인가방향과는 상이한 방향으로 순간적인 펄스 자장으로 인가시키면서 분말성형체를 가압시켜 부피밀도를 증가시키는 2단계의 과정을 갖는다.

특허문헌 1은 분말성형체의 입경이 2㎛ 이하의 미세입자의 경우에 입경이 작아서 자장을 인가시 배향도를 높이기 어렵기 때문에 먼저 약자장을 인가하여 배향을 위한 회전모멘트를 작용하게 하는 것으로, 이는 입경이 2㎛ 이하의 미세입자인 경우에 유효하다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0052926호 (2014년 05월 07일 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-0543582호 (2006년 01월 09일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0524827호 (2005년 10월 21일 등록)

본 발명에서는 종래기술과 같이 분말의 자장배향도 향상이 제한적이라는 문제점을 해결하기 위해 종전의 직류자장 또는 펄스자장만을 사용하는 대신 자장프레스에 펄스자장 및 직류자장 발생장치를 직렬로 연결하여 자장성형 중 펄스자장과 직류자장을 혼합해서 사용함으로써 분말의 자장배향도를 향상시키고, 자장배향도가 향상된 성형체를 소결시키고, 이후 열처리하는 희토류 영구자석의 제조방법을 제공한다.

보다 상세하게는 희토류 분말을 금형에 충전하고, 금형의 좌측과 우측에 위치하는 전자석에 펄스자장를 인가하여 고자장을 발생시킴으로써 희토류 분말을 완전히 배향시키고, 이어서 상기 펄스자장보다 저자장의 직류자장을 인가함으로써 발생되는 직류자장에 의해 이미 완전히 배향시킨 희토류 분말의 방향을 유지하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하는 과정을 거치게 된다.

이와 같은 자장성형방법을 이용하게 되면 펄스자장에 의한 높은 자장을 이용할 수 있기 때문에 종전의 직류자장에 의한 한계를 극복하여 분말의 자장배향도를 향상시킬 수 있고, 최종 잔류자속밀도가 높고 우수한 품질을 갖는 희토류 영구자석을 제조할 수 있다.

본 발명은 펄스자장와 직류자장을 이용한 자장성형이후 소결 및 열처리를 통하여 Nd-rich의 구조 및 성분이 안정화시켜 보자력을 증가시키는 희토류 영구자석의 제조방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 희토류 원소와 철을 포함하는 희토류 합금으로 이루어지고, 입경이 2 ~ 10㎛ 의 입도범위의 원료 분말을 준비하는 준비 공정과, 상기 원료 분말을 성형용 금형에 충전하는 공정과, 상기 충전된 원료 분말에 고자장의 펄스자장를 인가하는 펄스자장 인가공정과 상기 펄스자장 인가공정이후 상기 펄스자장보다 저자장의 직류자장를 인가하면서 동시에 압축성형하는 공정과, 상기 저자장성형 후 소결공정과, 상기 소결공정 후 열처리공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 상기 원료분말의 성형밀도는 1.6 내지 3.0 g/cc의 범위인 것으로 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 상기 펄스자장인가공정에서 펄스자장을 1 내지 10회 인가하는 것으로 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 상기 펄스자장인가공정에서 인가되는 펄스자장의 방향을 교번적으로 인가하는 것으로 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 희토류 원소와 철을 포함하는 희토류 합금으로 이루어지고, 입경이 2 ~ 10㎛ 의 입도범위의 원료 분말을 준비하는 준비 공정과, 상기 원료 분말을 성형용 금형에 충전하는 공정과, 상기 충전된 원료분말에 저자장의 직류자장를 인가하는 직류자장 인가공정과, 상기 직류자장 인가공정이후 상기 직류자장보다 고자장의 펄스자장를 인가하면서 동시에 압축성형하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 상기 희토류 합금은 27~36wt%RE - 64~73wt%Fe - 0~5wt%TM - 0~2wt%B(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속)조성인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 상기 펄스자장의 인가자장이 3 ~ 5Tesla인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법은 상기 직류자장의 인가자장이 1.5 ~ 2Tesla인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자장배향 및 성형공정이후에 소결로에 장입하고, 진공분위기의 400℃ 이하의 온도에서 유지하여 잔존하는 용매를 완전히 제거하고, 다시 900~1200℃ 범위까지 승온시켜 소결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법에서 상기 열처리공정의 열처리온도는 400 ~ 600℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법에 의하면, 희토류 분말을 금형에 충전하고, 금형의 좌측과 우측에 위치하는 전자석에 펄스자장를 인가하여 고자장을 발생시킴으로서 분말을 완전히 배향시키고, 이어서 상기 펄스자장보다 저자장의 직류자장를 인가함으로서 발생되는 직류자장에 의해 이미 완전히 배향시킨 희토류 분말의 방향을 유지하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하는 과정을 통하여, 고자장의 펄스자장에 의한 높은 자장을 이용할 수 있기 때문에 종전의 직류자장에 의한 한계를 극복하여 희토류 분말의 자장배향도를 향상시킬 수 있고, 이어서 직류전류를 인가함으로서 발생되는 직류자장에 의해 이미 완전히 배향시킨 희토류 분말의 방향을 유지하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하는 과정을 통하여 최종 잔류자속밀도가 높고 우수한 품질을 갖는 희토류 영구자석을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 희토류 영구자석의 제조방법에 의하면, 펄스자장와 직류자장를 이용한 자장성형이후 소결 및 Nd-rich의 구조와 성분 안정화를 위한 다수회 열처리를 통하여 최적의 보자력을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 펄스자장 및 직류자장의 복합자장 프레스이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 의한 프레스의 자장인가 패턴예시이다.
도 3a는 소결온도 및 시간의 관계를 나타내는 소결그래프이다.
도 3b는 소결후 열처리를 나타내는 열처리그래프이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

[제조 방법]

[준비 공정]

원료 분말로서, 희토류 합금으로 이루어진 분말을 준비한다. 희토류 합금은, RE=Y, La, Ce, Pr, Nd, Dy, Tb 및 Sm에서 선택되는 적어도 1종 및 Fe, TM=3d 천이금속에서 선택되는 적어도 1종, B로 할 때, RE-Fe 합금, 또는 RE-Fe-TM 합금, RE-Fe-B 합금, RE-Fe-TM-B 합금을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, Nd-Fe-B 합금, Nd-Fe-Co 합금, Nd-Fe-Co-B 합금 등을 들 수 있다. 희토류 소결 자석에 이용되고 있는 공지된 희토류 합금으로 이루어진 분말을 원료 분말에 이용할 수 있다.

원료 분말은, 원하는 조성의 합금으로 이루어진 용해 주조 잉곳이나 급냉 응고법에 의해 얻어진 박상체(箔狀體;foil)를 젯밀, 아트리타밀, 볼밀, 진동밀 등의 분쇄 장치에 의해 분쇄하거나, 가스 아토마이즈법과 같은 아토마이즈법을 이용하여 제조할 수 있다. 공지된 분말의 제조 방법에 의해 얻어진 분말이나 아토마이즈법에 의해 제조한 분말을 더 분쇄하여 이용하여도 좋다. 분쇄 조건이나 제조 조건을 적절하게 변경함으로써, 원료 분말의 입도 분포나 분말을 구성하는 각 입자의 형상을 조정할 수 있다. 입자의 형상은, 특별히 상관없지만, 진구(眞球)에 가까울수록 치밀화하기 쉬운 데다가, 자장의 인가에 의해 입자가 회전하기 쉽다. 아토마이즈법을 이용하면, 진구도가 높은 분말을 얻을 수 있다.

이때, 합금 잉곳으로부터 원료 분말로 제조하는 공정은 산소가 오염되어 자기특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 질소 혹은 불활성가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.

원료 분말은, 입경이 2 ~ 10㎛ 의 미세 입자를 함유하는 것을 특징의 하나로 한다. 원료 분말의 입도는, 레이저 회절식 입도 분포 장치에 의해 측정한 값으로 한다.

원료 분말은, 미세할수록 충전 밀도를 높이기 쉽기 때문에, 최대 입경은 10 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다.

원료 분말에는 윤활제를 첨가할 수 있다. 윤활제를 포함하는 혼합물로 하면, 자장의 인가시에 원료 분말을 구성하는 각 입자가 회전하기 쉬워져, 배향성을 높이기 쉽다. 윤활제는 원료 분말과 실질적으로 반응하지 않는 여러 가지 재질, 형태(액상, 고체상)의 것을 이용할 수 있다. 예컨대, 액상 윤활제는, 에탄올, 기계유, 실리콘오일, 피마자유 등을 들 수 있고, 고체상 윤활제는, 스테아르산아연 등의 금속염, 육방정 질화붕소, 왁스 등을 들 수 있다. 윤활제의 첨가량은, 액상 윤활제에서는, 원료 분말 100 g에 대하여 0.01 질량% 이상 10 질량% 이하 정도, 고체상 윤활제에서는, 원료 분말의 질량에 대하여 0.01 질량% 이상 5 질량% 이하 정도를 들 수 있다.

[금형 충전공정]

원하는 형상·크기의 압분 성형체를 얻을 수 있도록, 원하는 형상·크기의 성형용 금형을 준비한다. 성형용 금형은, 종래, 소결 자석의 소재에 이용되고 있는 압분 성형체의 제조에 이용되고 있는 것, 대표적으로는, 다이, 상하 펀치를 구비한 것을 이용할 수 있다. 기타, 정수압 가압(Cold Isostatic Press)을 이용할 수 있다.

[배향공정]

원료분말이 성형용 금형에 충전되면, 성형용 금형의 좌측과 우측에 위치하는 전자석에 펄스자장를 인가하여 고자장을 발생시킴으로서 분말을 완전히 배향시키고, 이어서 직류전류를 인가함으로서 발생되는 직류자장에 의해 이미 완전히 배향시킨 분말의 방향을 유지하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조한다.

본 발명에서 인가하는 펄스자장는 직류자장에 비하여 자장의 세기가 높고, 자장을 인가하는 자장인가 지속시간이 0.01 ~ 0.1초 정도로 자장인가 지속시간이 짧으며, 직류자장는 펄스 전류에 비하여 자장의 세기가 상대적으로 낮고, 자장을 인가하는 자장인가 지속시간은 5 ~ 20초 정도이다. 이는 펄스자장의 자장인가시간에 비하여 상대적으로 매우 길다는 특징이 있다.

원료분말의 자장배향도를 높이기 위해서는 원료분말의 회전자기모멘트를 증가시키는 것이 필수적이다. 원료분말의 회전자기모멘트를 증가시키기 위해서는 인가되는 자장의 세기가 높은 것이 효과적이다. 또한 자장배향된 자장에 대하여 자장인가 지속시간이 길게 유지되는 것도 필요하다.

이와 같이 원료분말의 자장배향도를 높이고, 자장배향된 원료분말에 인가되는 자장인가 지속시간을 증대시키기 위하여 펄스자장와 직류자장을 혼합적으로 사용하여 자장성형시킨다.

이때 분말의 자장배향도를 더욱 향상시키기 위해 펄스자장와 직류자장를 혼합적으로 사용하는 방법에 있어서 ①금형에 충전된 분말의 충전밀도, ②각각의 자장을 반복적으로 인가하는 횟수, ③각각 자장을 인가하는 방향 혹은 ④각각 자장을 인가하는 순서의 조합 등을 변경시키며 자장성형을 수행한다.

상기와 같이 펄스자장과 직류자장을 순차적으로 인가하는 이유는 펄스자장의 경우 고자장을 발생시킬 수 있는 반면, 자장인가 시간을 지속시키기 어렵고, 정자장인 직류자장는 자장 인가시간을 지속할 수 있는 반면, 고자장을 인가할 수 없는 단점이 있는데, 이와 같이 펄스자장의 장점인 고자장을 인가시켜 영구자석을 배향시키고, 이후 배향된 영구자석에 직류자장인 정자장을 인가시킴으로써 자장을 보다 완전하게 형성할 수 있기 때문이다.

(펄스자장 인가공정)

펄스자장 인가공정에서는, 입자크기가 2 ㎛ 초과, 특히 5 ㎛ 이상의 비교적 조대한 입자가 충분히 회전할 수 있도록 하는 즉, 입자 사이에 간극이 형성될 정도로 가압하지 않은 상태에서 3 ~ 5 Tesla의 자장을 자장인가(여자)시간 0.01 ~ 0.1초 범위에서 인가한다.

펄스자장 인가공정은 펄스자장를 1 내지 10회 인가할 수 있다. 펄스자장의 인가횟수는 원료 분말의 입경과 형상에 따라 달라진다. 원료 분말을 구성하는 입자의 입도 분포가 작은 크기의 비율이 높고, 입자형상이 구형이 아니라 파쇄된 돌출부를 갖는 경우, 1회의 자장의 인가에 의해 모든 입자를 동일한 방향으로 가지런히 하기가 어렵기 때문에, 일부의 입자밖에 충분히 회전하지 않는다. 그래서, 자장의 인가를 1회만으로 충분하지 못하므로, 자장인가 횟수를 증가시켜야만 한다. 반면, 원료 분말의 입경이 큰 크기의 비율이 높고, 입자형상이 구형인 경우에는 자장의 인가회수를 1회만으로 하여도 충분할 수 있다.

또한 미세 입자는, 자장이 인가되어도 조대한 입자보다도 회전하기 어렵기 때문에, 복수회의 자장을 동일한 방향에 인가하여도, 첫 번째의 자장의 인가에 의해 회전한 입자는, 이후의 자장의 인가에 의해 실질적으로 회전하지 않아, 이 미세 입자는 충분히 회전할 수 없는 상태가 된다. 따라서 여러 번 동일한 방향으로 자장을 인가하는 것이 아니라, 적어도 2회의 자장을 상이한 방향에 인가한다. 또한, 이 2회 중의 첫 번째를 배향시키고자 하는 방향과는 상이한 방향으로 한다. 이렇게 함으로써, 첫 번째의 자장의 인가에 의해 회전한 입자는, 원래, 배향시키고자 하는 방향과 상이한 방향으로 회전하고 있기 때문에, 두 번째의 자장의 인가로도 회전하게 된다. 그 결과, 두 번째의 자장의 인가시, 회전하는 입자수가 많아지고, 즉, 미세 입자의 주위에 존재하는 조대한 입자나, 첫 번째로 회전하지 않았던 미세한 입자의 크기와 같은 정도의 입자 사이즈의 미세한 입자가 모여 입자군이 되어 회전할 수 있기 때문에, 미세 입자를 배향시키고자 하는 방향으로 회전시키기 쉽게 할 수 있다.

펄스자장 인가공정에 있어서의 2회 이상의 자장의 인가 또는 교번적 자장인가는, 자장의 인가시에 회전하는 입자수를 늘리는 작용효과를 갖는다. 주로 입자크기가 2 ㎛ 초과, 또한, 5 ㎛ 이상, 특히 8 ㎛ 이상의 입자가 회전할 수 있으면 좋기 때문에, 1 Tesla 이상 2 Tesla 이하와 같은 비교적 작은 자장이어도 좋다. 또한, 입자크기가 3 ㎛ 이하의 미세 입자가 많은 원료 분말, 예컨대, 실질적으로 미세 입자만으로 이루어진 미세 분말을 이용한 경우에도, 1 Tesla ∼2 Tesla의 자장에 의해 회전하는 입자가 존재하기 때문에, 두 번째의 자장을 인가할 때에 큰 회전 각도를 갖는 입자가 많은 상태가 될 수 있다. 회전 각도가 클수록 회전의 운동량이 커지기 때문에, 회전을 저해하는 마찰 등의 영향을 받기 어렵게 된다. 따라서, 미세 입자가 많은 원료 분말을 이용한 경우에도, 서로 상이한 방향, 교번적으로 복수회의 여자에 의해 배향시키는 구성으로 함으로써, 1회의 여자에 의해 배향시키는 경우나 동일한 방향으로 복수회의 여자에 의해 배향시키는 경우보다도, 높은 배향성을 얻을 수 있다.

펄스자장 인가 공정에 있어서의 자장의 인가에는, 3 Tesla ~ 5 Tesla의 자장 인가가 가능한 자석, 구체적으로는, 동선(銅線) 코일과 같은 상전도 코일을 구비하는 상전도 자석, 초전도 코일을 구비하는 초전도 자석 모두 이용 가능하다.

(직류자장 인가공정)

직류자장 인가공정은 펄스자장 인가공정을 거친 성형체(이하 예비 성형체(precompact)라 함)에 배향된 자장을 보다 완전하게 형성하기 위한 공정으로서, 펄스자장 인가공정에서 배향시키고자 하는 방향으로 자장을 인가한다.

상기 직류자장 인가공정은 1.5 Tesla ~ 2 Tesla의 자장을 자장인가(여자)시간 5 ~ 20초 범위에서 인가한다. 이와 같은 직류자장 인가공정과 함께 원료분말을 1.6 ~ 3.0g/cc의 충전밀도 범위로 균일하게 충전 가압 압축한다.

부피 밀도는, 원료 분말을 가압·압축하기 직전의 겉보기 밀도(성형용 금형에 충전한 원료 분말의 질량/성형용 금형에 있어서의 가압·압축 전의 성형 영역의 체적)로 하고, 충전 밀도는, 가압·압축한 후의 겉보기 밀도[성형용 금형에 충전한 원료 분말의 질량/성형용 금형에 있어서의 가압·압축 후의 성형 영역의 체적(=분말 성형체의 체적)]로 한다.

성형시의 가압 압력의 크기는, 충전 밀도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있고, 예컨대, 0.5 ton/㎠ ∼ 1.5 ton/㎠를 들 수 있다. 후술하는 바와 같이 다단층으로 나누어 가압·압축을 행하는 경우도, 각 성형시의 가압 압력은, 충전 밀도 등에 따라 선택하면 좋다.

[소결체]

본 발명의 자석용 압분 성형체를 소결로에 장입하고 진공분위기 및 400℃ 이하에서 충분히 유지하여 잔존하는 용매를 완전히 제거하고, 다시 소결 조건인 온도: 900℃∼1200℃, 유지 시간: 0.5시간∼3시간, 분위기: 진공, 아르곤 등의 조건에서 소결한다. 소결 후, 자석 특성을 조정하기 위한 열처리(예컨대, 시효 처리)를 적절하게 행할 수 있다. 이 열처리 조건은, 온도: 500℃∼900℃에서 2 내지 10회, 유지 시간: 1시간∼10시간, 분위기: 진공, 아르곤 등을 들 수 있다. 얻어진 소결체는, 희토류 소결 자석, 대표적으로는 영구자석에 적합하게 이용할 수 있다.

이하, 시험예를 들어, 본 발명의 보다 구체적인 실시형태를 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 펄스자장 공급장치와 직류자장 공급장치를 동축으로 배치하고, 이들 펄스자장 공급장치와 직류자장 공급장치의 내주에 성형용 금형을 배치하였다. 성형용 금형은, 관통 구멍을 갖는 금형에 삽입 관통 배치되는 기둥 형상의 하펀치와, 하펀치에 대향 배치되고, 하펀치와 함께 원료분말을 가압·압축하는 상펀치를 구비한다. 금형다이와 하펀치로 성형 공간을 형성하고, 성형 공간에 원료 분말을 충전하여, 상펀치와 하펀치에 의해 가압·압축한다. 이때, 각 펄스자장 공급장치와 직류자장 공급장치에 적절하게 통전함으로써, 자장을 형성할 수 있고, 성형 공간 내의 성형체에 자장을 인가한다.

준비한 각 원료 분말을 성형용 금형에 충전하고(성형 공간: 직경 φ 10 ㎜), 펄스자장를 인가한 후, 직류자장를 인가하면서 성형 밀도의 1.6 이상 3.0 g/cc이하의 충전 밀도가 되도록 압력을 조정하여 가압·압축한다.

[실시예1]

이 시험에서는, 32wt%RE - 66wt%Fe - 1wt%TM - 1wt%B(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속)조성의 합금으로 이루어지고, 상기 합금을 이공유도 가열방식으로 용해하고, 스트립케스팅 방법을 이용하여 합금 잉곳으로 제조하였다, 제조된 합금 잉곳의 분쇄성능을 향상시키기 위하여 수소분위기 및 상온에서 수소를 흡수시키고 이어서 진공 및 600℃ 에서 수소를 제거하는 처리를 실시한 후, 젯밀기술을 이용한 분쇄방식에 의해 3.5㎛ 입도의 균일하고 미세한 분말로 제조하였다. 이때, 합금 잉곳으로부터 미세분말로 제조하는 공정은 산소가 오염되어 자기특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 질소 혹은 불활성가스 분위기에서 수행하였다. 분쇄된 희토류 분말을 금형에 1.8 ~ 2.6 g/cc의 충전밀도 범위로 균일하게 충전하고, 금형의 좌/우에 위치하는 전자석에 펄스자장 : 5Tesla 자장을 0.02초 인가하여 희토류 분말을 자장방향으로 배향하고, 이어서 직류자장 : 2 Tesla 자장을 15초 인가하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하였다. 상기 얻어진 성형체를 소결하고, 얻어진 소결체의 배향성 및 자기 특성을 조사하였다.

이와 같은 펄스자장 + 직류자장 혼합방식에 의한 자장성형기술로 얻어진 성형체를 소결로에 장입하고 진공분위기 및 400℃ 이하에서 충분히 유지하여 잔존하는 용매를 완전히 제거하고, 다시 1,060℃ 범위까지 승온시켜 2시간 유지함으로서 소결치밀화를 완료하였다. 소결이 완료된 소결체는 500℃에서 2시간 열처리에 의하여 자석으로 제조하였다.

상기와 같이 본 발명에 의해 실시된 샘플 및 비교샘플의 자기특성은 B-H loop tracer를 이용하여 최대자장 30 kOe까지 인가하면서 각각의 loop를 측정하여 얻어졌으며, 그 결과는 표 1과 같다.

실시예 1-1-2 내지 1-5-2 경우(총 5회)는 펄스자장를 1회 인가한 후 직류자장를 인가한 경우와, 비교예 1-1-1 내지 1-5-1 경우(총 5회)를 비교한 것으로, 충전밀도를 1.8 ~ 2.6g/cc까지 충전밀도를 0.2g/cc씩 증가시키면서 시험한 것이다.

시험결과 직류자장만을 인가하였을 때보다 펄스자장와 직류자장를 순차적으로 인가한 경우가 비교예의 잔류자속밀도보다 약 0.13 ~ 0.3kG 향상되었고, 이는 기존과 동일한 충전밀도을 갖는 경우보다 잔류자속밀도가 약 1% ~ 2.3% 향상되었다는 것을 나타낸다.

혼합자장 성형기술에서 분말의 충전밀도에 따른 자기특성변화

샘플	충전밀도 (g/cc)	인가자장 종류	펄스자장 인가횟수	펄스자장 인가방향	잔류자속밀도 (kG)
1-1-1(비교예)	1.8	직류			13.18
1-1-2(실시예)	1.8	펄스+직류	1	N	13.31
1-2-1(비교예)	2.0	직류			13.25
1-2-2(실시예)	2.0	펄스+직류	1	N	13.38
1-3-1(비교예)	2.2	직류			13.30
1-3-2(실시예)	2.2	펄스+직류	1	N	13.45
1-4-1(비교예)	2.4	직류			13.25
1-4-2(실시예)	2.4	펄스+직류	1	N	13.52
1-5-1(비교예)	2.6	직류			13.17
1-5-2(실시예)	2.6	펄스+직류	1	N	13.47

[실시예2]

이 시험에서는, 32wt%RE - 66wt%Fe - 1wt%TM - 1wt%B(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속)조성의 합금을 진공유도 가열방식으로 용해하고, 스트립케스팅 방법을 이용하여 합금 잉곳으로 제조하였다.

제조된 합금 잉곳의 분쇄성능을 향상시키기 위하여 수소분위기 및 상온에서 수소를 흡수시키고 이어서 진공 및 600℃ 에서 수소를 제거하는 처리를 실시한 후, 젯밀기술을 이용한 분쇄방식에 의해 3.5㎛ 입도의 균일하고 미세한 분말로 제조하였다. 이때, 합금 잉곳으로부터 미세분말로 제조하는 공정은 산소가 오염되어 자기특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 질소 혹은 불활성가스 분위기에서 수행하였다.

분쇄된 희토류 분말을 금형에 2.4 g/cc의 충전밀도 범위로 균일하게 충전하고, 금형의 좌/우에 위치하는 전자석에 펄스자장 : 5Tesla 자장을 0.02초 1 ~ 4회 반복적으로 희토류 분말을 자장방향으로 배향하고, 이어서 직류자장 : 2 Tesla 자장을 20초 인가하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하였다.

이와 같은 펄스자장 + 직류자장 혼합방식에 의한 자장성형기술로 얻어진 성형체를 소결로에 장입하고 진공분위기 및 400℃ 이하에서 충분히 유지하여 잔존하는 용매를 완전히 제거하고, 다시 1,060℃ 범위까지 승온시켜 2시간 유지함으로써 소결치밀화를 완료하였다. 소결이 완료된 소결체는 500℃에서 2시간 열처리에 의하여 자석으로 제조하였다.

상기와 같이 본 발명에 의해 실시된 샘플 및 비교샘플의 자기특성은 B-H loop tracer를 이용하여 최대자장 30 kOe까지 인가하면서 각각의 loop를 측정하여 얻어졌으며, 그 결과는 표 2와 같다.

실시예 2-1 내지 2-4 경우(총 4회)는 펄스자장를 1 내지 4회 인가한 후 직류자장를 인가한 경우와, 비교예 1-4-1을 비교한 것으로, 충전밀도를 2.4g/cc을 기준으로 시험한 것이다.

시험결과 직류자장만을 인가하였을 때보다 펄스자장와 직류자장를 순차적으로 인가한 경우가 비교예의 잔류자속밀도보다 약 0.27 ~ 0.3kG 향상되었고, 이는 기존과 동일한 충전밀도을 갖는 경우보다 잔류자속밀도가 약 2% ~ 2.3% 향상되었다는 것을 나타낸다.

혼합자장 성형기술에서 펄스자장 인가횟수에 따른 자기특성변화

샘플	충전밀도 (g/cc)	인가자장 종류	펄스자장 인가횟수	펄스자장 인가방향	잔류자속밀도 (kG)
1-4-1(비교예)	2.4	직류			13.25
2-1(실시예)	2.4	펄스+직류	1	N	13.52
2-2(실시예)	2.4	펄스+직류	2	N->N	13.53
2-3(실시예)	2.4	펄스+직류	3	N->N->N	13.55
2-4(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->N->N->N	13.54

[실시예3]

32wt%RE - 66wt%Fe - 1wt%TM - 1wt%B(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속)조성의 합금을 진공유도 가열방식으로 용해하고, 스트립케스팅 방법을 이용하여 합금 잉곳으로 제조하였다.

제조된 합금 잉곳의 분쇄성능을 향상시키기 위하여 수소분위기 및 상온에서 수소를 흡수시키고 이어서 진공 및 600℃ 에서 수소를 제거하는 처리를 실시한 후, 젯밀기술을 이용한 분쇄방식에 의해 3.5㎛ 입도의 균일하고 미세한 분말로 제조하였다.

이때, 합금 잉곳으로부터 미세분말로 제조하는 공정은 산소가 오염되어 자기특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 질소 혹은 불활성가스 분위기에서 수행하였다.

분쇄된 희토류 분말을 금형에 2.4 g/cc의 충전밀도 범위로 균일하게 충전하고, 금형의 좌/우에 위치하는 전자석에 펄스자장 : 5 Tesla 자장을 0.02초 4회에 걸쳐 방향을 교번하면서 희토류 분말을 자장방향으로 배향하고, 이어서 직류자장 : 2 Tesla 자장을 15초 인가하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하였다. 이때 직류전원의 방향은 최종적인 펄스자장의 방향과 동일하게 유지하였다.

이와 같은 펄스자장 + 직류자장 혼합방식에 의한 자장성형기술로 얻어진 성형체를 소결로에 장입하고 진공분위기 및 400℃ 이하에서 충분히 유지하여 잔존하는 용매를 완전히 제거하고, 다시 1,060℃ 범위까지 승온시켜 2시간 유지함으로서 소결치밀화를 완료하였다. 소결이 완료된 소결체는 500℃ 에서 2시간 열처리에 의하여 자석으로 제조하였다.

상기와 같이 본 발명에 의해 실시된 샘플 및 비교샘플의 자기특성은 B-H loop tracer를 이용하여 최대자장 30 kOe까지 인가하면서 각각의 loop를 측정하여 얻어졌으며, 그 결과는 표3와 같다.

실시예 3-1 내지 3-3 경우(총 3회)는 펄스자장를 4회 인가하되, 실시예 3-1은 동일한 방향으로 인가한 후 직류자장를 인가한 경우, 실시예 3-2는 교번적으로 펄스자장를 인가한 후 직류자장를 인가한 경우, 실시예 3-3은 같은방향으로 2회씩인가를 교번적으로 펄스자장를 인가한 후 직류자장를 인가한 경우, 비교예 1-4-1을 비교한 것으로, 충전밀도를 2.4g/cc을 기준으로 시험한 것이다.

시험결과 직류자장만을 인가하였을 때보다 펄스자장와 직류자장를 교번적으로 인가한 경우가 비교예의 잔류자속밀도보다 약 0.32 ~ 0.35kG 향상되었고, 이는 기존과 동일한 충전밀도을 갖는 경우보다 잔류자속밀도가 약 2.4% ~ 2.6% 향상되었다는 것을 나타낸다.

혼합자장 성형기술에서 펄스자장 인가방향에 따른 자기특성변화

샘플	충전밀도 (g/cc)	인가자장 종류	펄스자장 인가횟수	펄스자장 인가방향	잔류자속밀도 (kG)
1-4-1(비교예)	2.4	직류			13.25
3-1(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->N->N->N	13.54
3-2(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->S->N->S	13.60
3-3(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->N->S->S	13.57

[실시예4]

32wt%RE - 66wt%Fe - 1wt%TM - 1wt%B(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속)조성의 합금을 진공유도 가열방식으로 용해하고, 스트립케스팅 방법을 이용하여 합금 인곳트로 제조하였다.

제조된 합금 잉곳의 분쇄성능을 향상시키기 위하여 수소분위기 및 상온에서 수소를 흡수시키고 이어서 진공 및 600℃ 에서 수소를 제거하는 처리를 실시한 후, 젯밀기술을 이용한 분쇄방식에 의해 3.5㎛ 입도의 균일하고 미세한 분말로 제조하였다.

이때, 합금 잉곳으로부터 미세분말로 제조하는 공정은 산소가 오염되어 자기특성이 저하되는 것을 방지하기 위하여 질소 혹은 불활성가스 분위기에서 수행하였다.

분쇄된 희토류 분말을 금형에 2.4 g/cc의 충전밀도 범위로 균일하게 충전하고, 금형의 좌/우에 위치하는 전자석에 펄스자장; 5 Tesla 자장을 0.02초, 4회에 걸쳐 방향을 교번하면서 희토류 분말을 자장방향으로 배향하고, 이어서 직류자장; 2 Tesla 자장을 15초 인가하면서 동시에 압축성형을 실시하여 성형체를 제조하였다. 이때 직류전원의 방향은 최종적인 펄스자장의 방향과 동일하게 유지하였다.

이와 같은 펄스자장 + 직류자장 혼합방식에 의한 자장성형기술로 얻어진 성형체를 소결로에 장입하고 진공분위기 및 400℃ 이하에서 충분히 유지하여 잔존하는 용매를 완전히 제거하고, 다시 900 ~ 1,100℃범위까지 승온시켜 2시간 유지함으로서 소결치밀화를 완료하였다. 소결이 완료된 소결체는 500℃ 에서 2시간 열처리에 의하여 자석으로 제조하였다.

상기와 같이 본 발명에 의해 실시된 샘플 및 비교샘플의 자기특성은 B-H loop tracer를 이용하여 최대자장 30 kOe까지 인가하면서 각각의 loop를 측정하여 얻어졌으며, 그 결과는 표 4와 같다.

실시예 4-1에서 4-4까지는 펄스자장를 4회 교번적으로 인가하여 성형한 성형체를 이용하여 940 ~ 1,200℃ 에서 소결을 실시한 시편이다.

시험결과 소결온도가 증가함에 따라 자석의 치밀화가 진행되면서 보자력이 증가하나, 일정온도 이상에서는 다시 감소하는데 이는 결정립의 조대화에 기인하여 보자력이 감소하는 현상이다.

혼합자장 성형기술에서 소결온도에 따른 자기특성변화

샘플	충전밀도 (g/cc)	인가자장 종류	펄스자장 인가횟수	펄스자장 인가방향	소결온도(℃)	보자력(kG)
4-1(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->S->N->S	940℃	14.0
4-2(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->S->N->S	980℃	16.4
4-3(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->S->N->S	1020℃	17.1
3-2(비교예)	2.4	펄스+직류	4	N->S->N->S	1060℃	17.5
4-4(실시예)	2.4	펄스+직류	4	N->S->N->S	1100℃	16,2

상기 실시예 4 결과는 펄스자장와 직류자장를 혼합하는 자장배향방법에 의해 제조된 성형체는 적절한 소결치밀화가 진행되면서 동시에 결정립성장이 없는 경우에 보자력이 최적화 된다는 것을 알 수 있다.

상기 실시예 1 내지 4의 결과는 종래의 직류자장만을 인가하는 자장배향방법에 비하여 펄스자장와 직류자장를 혼합하는 자장배향방법이 잔류자속밀도를 향상시킨다는 것을 나타내고, 특허 펄스자장를 교번적으로 다수회 인가한 후 직류자장를 인가하는 것이 더욱 효과적이라는 것을 알 수 있다.

또한 소결공정에서 결정립이 성장하지 않는 온도이내에서 소결되어야 소결치밀화가 되고, 보자력이 최적화될 수 있다는 것을 확인하였다.

또한, 본 발명은, 전술한 실시형태의 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않게 적절하게 변경하는 것이 가능하다. 예컨대, 원료 분말의 조성, 성형체의 형상·크기, 자장인가 속도, 소결 조건 등을 적절하게 변경할 수 있다.

Claims (6)

1. 희토류 원소와 철을 포함하는 희토류 합금으로 이루어진 원료 분말을 이용하여, 소결 자석을 제조하는 제조 방법으로,
   상기 희토류 합금으로 이루어지고, 입경이 2 ~ 10㎛ 의 입도범위의 원료 분말을 준비하는 준비 공정,
   상기 원료 분말의 성형밀도는 1.6 내지 3.0 g/cc의 범위이고,
   상기 원료 분말을 성형용 금형에 충전하는 공정,
   상기 충전된 원료분말에 고자장의 펄스자장을 동일피크로 인가하되, 인가되는 펄스전류는 5Tesla 자장을 0.02초씩 동일 극성방향으로 2회 인가하고, 5Tesla 자장을 0.02초씩 반대 극성방향으로 2회 인가하는 펄스자장 인가공정,
   상기 펄스자장 인가공정 이후 펄스자장보다 저자장의 직류자장을 펄스자장 마지막 인가방향과 동일 극성방향으로 2Tesla 자장을 15초 인가하면서 동시에 압축성형하는 공정,
   상기 저자장성형 후 소결공정,
   상기 소결공정은 1,060℃에서 2시간 소결하고,
   상기 소결공정 이후 400 ~ 600℃에서 열처리하는 열처리공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 희토류 영구자석의 제조방법.
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