KR102098270B1 - 입계확산자석 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 입계확산자석 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입계확산자석 표면에 다량의 중희토가 분포하여 상대적으로 자석내측에 중희토함량이 부족한 불균일 분포를 갖는 문제점을 개선하여, 중희토함량을 높일 수 있으며, 중희토함량이 균일하도록 하는 입계확산자석 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 입계확산자석에 관한 것이다.
RE-B-TM-Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속) 조성의 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1); 희토류 합금분말, 희토류 불소화합물 및 희토류 수소화합물로부터 선택되는 어느 하나의 희토류 화합물을 액상용매와 혼련 및 분쇄하여 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 희토류자석 소결체의 표면에 균일하게 도포하는 단계(S2); 희토류 화합물을 희토류자석 소결체의 내부로 확산시키는 단계(S3); 표면의 확산 잔유물을 제거하는 단계(S4);를 포함하여 이루어진다.

Description

입계확산자석 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 입계확산자석{GRAIN BOUNDARY DIFFUSION MAGNET MANUFACTURING METHODS AND GRAIN BOUNDARY DIFFUSION MAGNET MANUFACTURED USING IT}

본 발명은 중희토함량을 높일 수 있으며, 중희토함량이 균일하도록 하는 입계확산자석 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 입계확산자석에 관한 것이다.

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

이들 환경친화형 자동차들은 공통적으로 전기에너지를 이용하여 구동되는 특징을 갖기 때문에 영구자석형 모터 및 발전기가 필연적으로 채용되고 있고, 자성소재 측면에서는 에너지 효율을 더욱 향상시키기 위하여 보다 우수한 자기 특성을 나타내는 희토류 소결자석에 대한 기술적 수요가 증가하는 추세이다.

또한, 구동모터 이외에 환경친화형 자동차의 연비개선을 위한 다른 측면으로는 조향장치, 전장장치 등에 사용되는 자동차 부품의 경량화 및 소형화를 실현하여야 하는데, 예를 들어 모터의 경우 경량화 및 소형화 실현을 위해서는 모터의 다기능화 설계변경과 더불어 영구자석 소재는 기존에 사용되던 페라이트를 보다 우수한 자기적 성능을 나타내는 희토류소결자석으로 대체하는 것이 필수적이다.

상기에서 설명한 환경친화형 자동차들은 에너지사용량 증가에 의한 유가 상승, 환경오염으로 인한 건강문제 해결 및 세계 각국에서 지구 온난화에 대한 장기적인 대책으로 탄소발생을 규제하는 정책이 점차 강화되는 추세 등의 이유로 인하여 향후 생산량이 점차 증가하리라 예상된다.

반면에, 이들 환경친화형 자동차에 채용되는 영구자석은 200℃의 고온 환경에서도 자석의 성능을 상실하지 않고 원래의 기능을 안정적으로 유지해야 하므로 25~30kOe 이상의 높은 보자력이 요구되고 있다.

이와 같이 높은 보자력을 갖는 희토류소결자석을 제조하기 위한 종전의 방법으로서는 자석의 합금을 제작하는 과정에서 Nd(네오디뮴) 혹은 Pr(프라세오디뮴) 같은 경희토의 5~10 wt%를 Dy(디스프로슘) 혹은 Tb(테르븀)와 같은 중희토로 치환한 조성으로 설계된다. 하지만, 이때 사용되는 Dy 혹은 Tb와 같은 중희토는 Nd 혹은 Pr과 같은 경희토와 비교할 때 가격이 4~10배 고가이고 세계적으로 매장량도 풍부하지 못하다는 자원적 제한요소가 있기 때문에, 희토류자석의 활용분야를 확대하고 원활한 수급문제를 해결하기 위해서는 중희토의 함유량을 최소화하면서 보자력을 향상시키기 위한 새로운 자석제조방법의 발명이 필요로 한다.

이론적으로 영구자석의 잔류자속밀도는 소재를 구성하는 주상의 포화자속밀도, 결정립의 이방화 정도 및 자석의 밀도 등의 조건에 의하여 결정되며, 잔류자속밀도가 증가할수록 자석은 외부로 보다 센 자력을 발생시킬 수 있기 때문에 다양한 응용분야에서 기기의 효율과 출력을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. 반면에 영구자석의 다른 성능을 나타내는 보자력은 열, 반대방향 자장, 기계적 충격 등 자석을 탈자시키려는 환경에 대응하여 영구자석의 고유성능을 유지하게 하는 역할을 하기 때문에 보자력이 우수할수록 내환경성이 양호하여 고온응용기기, 고출력기기 등에 사용 가능할 뿐만 아니라, 자석을 얇게 제조하여 사용할 수 있기 때문에 무게가 감소하여 경제적인 가치가 높아지게 된다.

보자력이 높고 열특성이 안정적인 희토소결자석을 제조하기 위해 일반적으로 자석의 합금을 제작하는 과정에서 Nd 혹은 Pr 같은 경희토의 5~10 wt%를 Dy 혹은 Tb와 같은 중희토로 치환한 조성으로 설계된다. 하지만, 이때 사용되는 Dy 혹은 Tb와 같은 중희토는 Nd 혹은 Pr과 같은 경희토와 비교할 때 가격이 4~10배 고가이고 세계적으로 매장량도 풍부하지 못하다는 자원적 제한요소가 있기 때문에, 희토류소결자석의 활용분야를 확대하고 원활한 수급문제를 해결하기 위해서는 중희토의 함유량을 최소화하기 위한 제조방법이 제안되어야 한다.

이와 같은 관점에서 2000년대부터 세계 각국의 연구기관 및 희토류자석 생산기업에서는 중희토 사용량을 최소화하면서 보자력을 향상시키고자 하는 개발을 진행해오고 있고, 이제까지 개발된 대표적인 방법으로는 희토소결자석의 결정립을 미세화 시키는 방법 및 희토류자석 표면에 중희토를 확산시켜 중희토의 사용량을 최소화 하는 중희토 입계확산 방법이 제시되고 있다.

이들 대표적인 중희토 저감 방법 중 결정립을 미세화시키는 방법은 일본의 인터메탈릭스 등에 의해 개발되고 있는데, 이 기술은 자석합금 및 분말을 제조하는 과정에서 고속 분쇄장치를 이용하여 미세한 분말을 제작하고 최종 소결체의 결정립 크기를 종전의 6~8㎛ 대비 1~2㎛으로 미세하게 제어하는 것을 특징으로 하고 있는데 단점으로는 사용되는 미세분말은 산소에 민감하게 반응하여 산화가 용이하므로 공정 중 무산소 분위기로 제어하기가 쉽지 않고 소결과정에서는 미세분말의 소결거동이 불균일하여 부분적으로 조대한 결정립이 형성되는 등 여러 가지 해결하기 어려운 문제가 발생하기 때문에 아직 양산에는 적용되지 못하고 있는 실정이다.

다른 중희토 저감기술인 입계확산기술은 일본의 신에츠케미칼, 히타치메탈, TDK 등에서 개발을 진행하고 있는데, 종전의 방식대로 소결자석을 제조한 후 자석 표면에 중희토 화합물을 분말도포, 증착, 도금 등 여러 가지 방법으로 도포하고 알곤 혹은 진공분위기에서 700℃ 이상 온도로 가열함으로써 자석표면에 도포되었던 중희토가 점차 자석결정립계를 따라 내부로 확산되어 침투되도록 하는 방법이다. 중희토가 확산반응에 의해 결정립계를 따라 자석내부로 침투를 완료하면 결정립계 주변에는 중희토가 집중적으로 분포하는데, 희토소결자석의 고유특성상 보자력을 감소시키는 자기적 결함이 대부분 결정립계에 분포하기 때문에 결정립계를 중희토가 집중적 으로 분포하게 된다면 중희토가 자기적 결함을 제거해 줌으로써 보자력이 향상되는 효과가 나타나게 된다. 결과적으로 중희토 입계확산기술은 중희토를 결정립계에 선택적으로 분포하게 함으로써 최소한의 중희토를 사용면서 보자력을 향상시키는 효과가 극대화되므로 중희토저감의 가장 합리적인 방법으로 제안되고 있다.

한편, 중희토 입계확산과정에서 자석 표면에 도포되었던 중희토는 자석 내부로 확산되어 침투될 때 수nm의 좁은 결정립계면을 따라 진행되어야 하므로 자석 표면에서 내부 중앙까지 중희토의 균일한 조성분포를 유지할 수 없다는 문제점이 있다. 보다 상세하게 설명하자면 확산 초기 자석표면을 통해 빠르게 침투된 중희토의 일부만이 좁은 결정립계를 따라 내부로 침투되고 내부로 침투가 진행될수록 확산속도가 점차 늦어지기 때문에 입계확산이 완료된 자석의 중희토 분포를 측정해 보면 자석 표면측에 높은 중희토농도를 나타내고 내부에는 중희토가 거의 존재하지 않는 중희토 조성의 불균일 분포를 형성하게 된다.

이와 같이 자석 내부에서 중희토 불균일 분포는 자석 내부에 심한 잔류응력을 유발하게 되고 자기특성 측면에서 볼 때 보자력 및 열감자 특성을 충분히 개선하지 못하는 원인이 된다. 보다 상세한 설명으로서 중희토의 불균일 분포는 표면측에 잔류응력을 발생시키고 내부 결정립을 중희토로 안정적으로 도포하지 못하게 되는데, 이와같은 결함들은 자기적인 성능을 열화시키는 요인으로 작용하여 보자력 저하가 수반된다. 또한, 각각 동일한 보자력을 갖는 종전자석과 입계확산자석을 이용하여 동시에 상온부터 고온까지 열감자특성을 측정해 보면 초기 1~2% 범위의 비가역 감자영역에서는 입계확산 자석이 종전자석 대비 오히려 열감자 특성이 낮아지는 결과가 얻어지는데 앞서 언급한 바와 같이 중희토의 불균일 분포에 의한 잔류응력에 기인된 것으로 판단된다.

이러한 중희토 불균일 분포에 따른 문제점을 개선하기 위해 본 출원인이 출원하여 등록받은 한국등록특허 제10-1516567호(발명의 명칭: 중희토 입계확산형 RE-Fe-B계 희토류 자석의 제조방법 및 이에 의해 제조된 중희토 입계확산형 RE-Fe-B계 희토류자석)가 개시된 바 있다.

상기 희토류자석은 중희토가 저감된 입계확산형 RE-Fe-B계 희토류소결자석을 제조함에 있어 입계확산형 자석제조시 자석표면에 잔류응력이 집중되어 자기특성이 충분히 향상되지 못하는 문제점을 해결하고 균일하고 안정적인 품질의 제품을 생산함과 동시에 중희토를 최소한 사용하면서 보자력을 향상시키는 장점이 있다.

하지만, 자석 표면에 다량의 중희토가 분포하게 되고, 상대적으로 자석 내측에는 중희토함량이 부족하게 되는 불균일 분포를 가지게 되는 문제점이 있다. 이러한 중희토함량의 불균일한 분포는 표면결함을 가져오게 되고, 결국 내구성을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 입계확산자석 표면에 다량의 중희토가 분포하여 상대적으로 자석내측에 중희토함량이 부족한 불균일 분포를 갖는 문제점을 개선하여, 중희토함량을 높일 수 있으며, 중희토함량이 균일하도록 하는 입계확산자석의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 입계확산자석을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 입계확산자석 제조방법은, RE-B-TM-Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속) 조성의 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1); 희토류 합금분말, 희토류 불소화합물 및 희토류 수소화합물로부터 선택되는 어느 하나의 희토류 화합물을 액상용매와 혼련 및 분쇄하여 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 희토류자석 소결체의 표면에 균일하게 도포하는 단계(S2); 희토류 화합물이 도포된 희토류자석 소결체를 가열로에 장입하고 진공 또는 불활성기체 분위기에서 700 내지 1000℃로 5시간 내지 7시간 가열하여 희토류 화합물을 희토류자석 소결체의 내부로 확산시키는 단계(S3); 희토류 화합물이 내부로 확산된 희토류자석 소결체의 표면을 가공하여 표면의 확산 잔유물을 제거하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며, 상기 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1) 에서는, RE 28 내지 35 wt%, B 0.1 내지 15 wt%, TM 0.1 내지 15 wt%, Fe 36 내지 71 wt%의 조성이며, 상기 확산잔유물을 제거하는 단계(S4)에서, 희토류 화합물이 내부로 확산되는 희토류자석 소결체는 희토류 원소 함량 비율이 소결체 외측의 희토류 원소 함량 최대치의 0.4 내지 0.6배에 해당되도록 희토류자석 소결체의 표면의 확산 잔유물을 제거하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬러리 도포단계(S2)에서, 희토류 금속은 Nd, Pr, La, Ce, Ho, Dy, Tb 중 하나 이상의 희토금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1)에서 천이금속은 Co, Cu, Al, Ga, Fe, Ni, Zn 중 하나 이상의 3d 오비탈을 갖는 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 희토류 화합물을 희토류자석 소결체의 내부로 확산시키는 단계(S4) 후 확산된 희토류자석 소결체를 진공 혹은 불활성기체 분위에서 500 내지 900℃ 온도로 8시간 내지 12시간 가열하는 1차 열처리 단계(S6);를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 1차 열처리된 희토류자석 소결체를 진공 혹은 불활성기체 분위에서 400 내지 600℃ 온도로 1시간 내지 3시간 가열하는 2차 열처리 단계(S7);를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 입계확산자석 제조방법은 입계확산자석 표면에 다량의 중희토가 분포하여 상대적으로 자석내측에 중희토함량이 부족한 불균일 분포를 갖는 문제점을 개선하여, 자석의 표면과 내측의 중희토함량의 분포를 거의 균일하게 함으로써 자석의 품질을 개선할 수 있고, 중심치의 중희토함량을 높임으로써 보자력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 고온에서 자력의 감소를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 입계확산자석에 이용되는 입계확산 프로파일 설명도이다.
도 5는 종래기술에 의해 제조된 입계확산자석과 본 발명에서 제조된 입계확산자석의 미세구조를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 입계확산자석 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 입계확산자석 제조방법은, 크게, 희토류자석 소결체 제조단계(S1); 희토류 화합물 도포단계(S2); 확산단계(S3); 확산 잔유물 제거단계(S4); 를 포함하여 이루어진다.

상기 희토류자석 소결체 제조단계(S1)에서는 RE-B-TM-Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속) 조성의 금속분말을 이용하여 소결하여 제조하며, 제품의 규격에 맞게 가공한다.

또한, 제품의 규격에 맞게 가공된 희토류자석 소결체는 표면의 유분을 제거하기 위해 산세 혹은 유기용매를 이용하여 세정하는 공정을 거치는 것이 바람직하다.

상기 희토류자석 소결체는 보다 구체적으로 RE 28 내지 35 wt%, B 0.1 내지 15 wt%, TM 0.1 내지 15 wt%, Fe 36 내지 71 wt%의 조성으로 구성할 수 있다.

이때, 천이금속은 Co, Cu, Al, Ga, Fe, Ni, Zn 중 하나 이상의 3d 오비탈을 갖는 금속을 포함할 수 있다.

상기 희토류 화합물은 희토류 합금분말, 희토류 불소화합물 및 희토류 수소화합물로부터 선택되는 어느 하나로 된다. 상기 희토류 화합물 도포단계(S2)에서는, 이 희토류 화합물을 알콜 또는 증류수 등의 액상용매와 혼련 및 분쇄하여 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 희토류자석 소결체의 표면에 균일하게 도포한다.

이때, 희토류 금속 분말은 Nd, Pr, La, Ce, Ho, Dy, Tb 중 하나 이상의 희토금속을 포함하는 것이 될 수 있다.

아울러, 희토류 화합물로 균일하게 도포하기 위해 제조된 슬러리를 비이커에 담아 초음파세정기를 이용하여 균일하게 분산시킨 후 희토류자석 소결체를 침적시켜 표면에 균일하게 도포되도록 한다.

상기 확산단계(S3)에서는, 희토류 화합물이 도포된 희토류자석 소결체를 가열로에 장입하고 진공 또는 불활성기체 분위기에서 700 내지 1000℃로 5시간 내지 7시간 가열하도록 한다. 이렇게 되면 희토류 화합물을 분해되어 희토류자석 소결체의 내부로 확산되어 침투반응이 진행되게 되는 입계확산이 진행되게 된다.

상기 입계확산 제조공정 중 입계확산자석은 표면에 도포된 중희토물질이 일정한 속도로 안으로 침투될 때 가장 안정적인 입계확산층을 형성하게 되며, 이와 같은 균일 확산층 형성을 위해서는 확산 혹은 1차열처리 구간의 승온과정에서, 특히 600~700도(= 도포물질이 용융되기 시작하는 온도) 이상의 승온과정에서 승온속도의 정밀한 제어가 중요하다.

본 발명에서는, 이와 같은 안정적인 입계확산을 위해, 확산을 위한 승온속도를 700℃까지는 5℃/min으로 제어하고, 700 내지 1000℃까지는 1~5℃/min.의 속도로 승온하도록 하여 승온속도를 변경시키면서 확산반응을 진행하도록 하였다.

확산 후 확산된 희토류자석 소결체를 진공 혹은 불활성기체 분위에서 500 내지 900℃ 온도로 8시간 내지 12시간 가열하는 1차 열처리 단계(S6)를 수행하고, 1차 열처리된 희토류자석 소결체를 진공 혹은 불활성기체 분위기에서 400 내지 600℃ 온도로 1시간 내지 3시간 가열하는 2차 열처리 단계(S7)를 더 수행할 수 있다.

상기 확산 및 1차 및 2차 열처리는 1~10회 수행할 수 있으며, 승온속도를 2회~10회 변경시켜 수행할 수 있다.

상기 확산 잔유물 제거단계(S5)에서는, 희토류 화합물이 내부로 확산된 희토류자석 소결체의 표면을 가공하여 표면의 확산 잔유물을 제거한다.

이때, 확산 잔유물 제거방법으로는 절삭가공을 사용하는 것이 일반적이나, 연마 등을 사용할 수 있다.

아울러, 확산 잔유물 제거시 확산된 희토류자석 소결체의 표면을 0.01~0.5mm 가공되도록 하는 것이 바람직하다.

희토류자석 소결체의 표면을 0.01mm 미만으로 가공하게 되면 표면의 확산 잔유물이 완전히 제거되지 못하게 되어 자석 표면의 표면 결함을 가지게 되며, 희토류자석 소결체의 표면을 0.5mm를 초과하여 가공하게 되면 표면의 확산 잔유물이 완전히 제거되나, 재료낭비를 가져오게 되는 문제점이 있다.

본 발명에서는 RE 28 내지 35 wt%, B 0.1 내지 15 wt%, TM 0.1 내지 15 wt%, Fe 36 내지 71 wt%의 조성(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이원소)의 희토류자석 소결체를 제조하였다. 제조된 희토류자석 소결체는 12.5*12.5*5mm 크기로 가공하였다.

희토류자석 소결체를 알칼리탈지제 용액에 담근 후, 지름 2~10mm 크기의 세라믹볼과 함께 문질러줌으로써 희토류자석 소결체 표면에 묻어있는 기름성분을 제거하였고, 다시 자석을 증류수로 수차례 깨끗이 세정함으로써 잔존하는 탈지제를 완전히 제거하였다.

도포물질을 제조하는 방법으로서 Tb 금속을 수mm~수cm크기로 조분쇄 한 후, 진공로에 장입하였고, 진공펌프를 이용하여 진공로 내부를 진공배기 한 후에 다시 수소가스를 대기압상태로 채우고 상온~500도 범위로 가열하면서 Tb 수소화합물을 제작하였다.

제작된 Tb 수소화합물을 알콜 용매에 혼련하여 습식분쇄방식으로 Tb 화합물 분말을 1.5㎛ 크기로 분쇄하면서 Tb 수소화합물 슬러리를 제조하였다.

Tb 불소화합물의 경우에는 Tb 금속을 수mm~수cm크기로 조분쇄 한 후, 불소와 혼합하여 알콜 용매에 혼련하여 습식분쇄방식으로 Tb 불소화합물 분말을 1.5㎛ 크기로 분쇄하면서 Tb 불소화합물 슬러리를 제조하였다.

Tb 합금분말의 경우에는, Tb 합금분말을 수mm~수cm크기로 조분쇄 한 후, 알콜 용매에 혼련하여 습식분쇄방식으로 Tb 합금분말을 1.5㎛ 크기로 분쇄하면서 Tb 합금분말 슬러리를 제조하였다.

세정된 가공체의 표면은 제조된 Tb 화합물 슬러리를 균일하게 도포하기 위해 제조된 슬러리를 비이커에 담아 초음파세정기를 이용하여 균일하게 분산시키면서 희토류자석 소결체를 침적한 후 1~2분 유지하면서 희토류자석 소결체 표면에 균일하게 도포되도록 하였다.

자석의 경자기 특성을 향상시키기 위해 다음과 같은 입계확산 공정을 실시하였다.

중희토입계확산 공정에 대한 개략적인 설명도는 도 1과 같다.

도포된 희토류 화합물을 자석내부의 결정립계로 확산시키기 위해 도포체를 가열로에 장입하고 알곤 분위기에서 가열하여 900℃ 온도에서 6시간 유지하면서 희토류 화합물이 자석 내부로 확산되어 침투반응이 진행되도록 확산공정을 진행하였다.

확산공정을 완료하고 후 이어서 확산로 내부를 진공분위기로 변경시키고 확산된 자석을 900℃ 온도로 가열하여 10시간 유지해 주는 1차열처리를 실시하였고, 이어서 500℃ 온도에서 2시간 동안 2차열처리를 실시하였다.

확산에 사용된 모재의 특성은 Br=14.1 kG, Hcj=14 kOe로 측정되었고, 최종입계확산이 완료된 자석은 다시 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 후 자기특성을 평가하였다.

표 1은 중희토 입계확산시 승온속도에 따른 자기특성 측정결과이다.

31%Nd-1%B-2%TM-Bal.Bal.%Fe(TM=Cu, Al, Nb, Co) 조성을 이용하여 도포물질을 달리하여 입계확산시 얻어진 확산자석의 자기특성 변화

샘플 제조 조건	공정조건			자기특성
	도포물질	도포량	확산프로파일	잔류자속 밀도,Br(kG)	보자력,Hcj (kOe)
1-1	Tb 불소화합물	1wt%	A	14.0	24
1-2	Tb 수소화합물	1wt%	A	14.0	22
1-3	Tb 합금	1wt%	A	14.0	21

본 발명에서는 RE 28 내지 35 wt%, B 0.1 내지 15 wt%, TM 0.1 내지 15 wt%, Fe 36 내지 71 wt%의 조성(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이원소)의 희토류자석 소결체를 제조하였다. 제조된 희토류자석 소결체는 12.5*12.5*5mm 크기로 가공하였다.

희토류자석 소결체를 알칼리탈지제 용액에 담근 후, 지름 2~10mm 크기의 세라믹볼과 함께 문질러줌으로써 희토류자석 소결체 표면에 묻어있는 기름성분을 제거하였고, 다시 자석을 증류수로 수차례 깨끗이 세정함으로써 잔존하는 탈지제를 완전히 제거하였다.

도포물질을 제조하는 방법으로서 Tb 금속을 수mm~수cm크기로 조분쇄 한 후, 불소와 혼합하여 알콜 용매에 혼련하여 습식분쇄방식으로 Tb 불소화합물 분말을 1.5㎛ 크기로 분쇄하면서 Tb 불소화합물 슬러리를 제조하였다.

Tb 합금분말의 경우에는 알콜 용매에 혼련하여 습식분쇄방식으로 Tb 합금분말을 1.5㎛ 크기로 분쇄하면서 Tb 합금분말 슬러리를 제조하였다.

세정된 가공체의 표면은 제조된 슬러리를 균일하게 도포하기 위해 제조된 슬러리를 비이커에 담아 초음파세정기를 이용하여 균일하게 분산시키면서 희토류자석 소결체를 침적한 후 1~2분 유지하면서 희토류자석 소결체 표면에 균일하게 도포되도록 하였다.

도포된 자석을 진공로에 장입하고 3가지의 입계확산프로파일(B,C,D)을 실시하였는데, 입계확산 공정에 대한 설명도는 도 2 내지 도 4와 같다. 3가지 프로파일에서 총 확산은 900℃ 온도에서 6시간 유지, 총 1차 열처리는 900℃ 온도에서 10시간 및 총 2차열처리시간은 2시간으로 고정하였다. 그리고 입계확산프로파일 B는 확산과 1차열처리를 냉각없이 연속적으로 실시한 경우이고, 입계확산프로파일 C는 입계확산프로파일 A를 2회 연속 실시한 경우이고, 입계확산프로파일 D는 입계확산프로파일 B를 2회 연속적으로 실시한 경우이다.

입계확산이 완료된 자석은 다시 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 후 자기특성을 평가하였다.

표 2는 31%Nd-1%B-2%TM-Bal.Bal.%Fe(TM=Cu, Al, Nb, Co) 조성을 이용하여 불화물계 도포물질로 자석을 도포한 후, 입계확산프로파일을 달리하여 얻어진 확산자석의 자기특성 변화이다. 샘플 1-1은 비교예로서 확산된 자석의 최종입계확산이 완료된 후 잔류 확산층을 제거하지 않은 자석의 자기특성 평가결과이다.

31%Nd-1%B-2%TM-Bal.Bal.%Fe(TM=Cu, Al, Nb, Co) 조성을 이용한 입계확산프로파일에 따른 확산자석의 자기특성 변화

샘플 제조 조건	공정조건			자기특성
	도포물질	도포량	확산프로파일	잔류자속 밀도,Br(kG)	보자력,Hcj (kOe)
1-1	Tb 불소화합물	1wt%	A	14.0	24
2-1	Tb 불소화합물	1wt%	B	14.0	23
2-1	Tb 불소화합물	1wt%	C	14.0	27
2-3	Tb 불소화합물	1wt%	D	14.0	26

본 발명의 실시예 1~2 결과에 의하면 확산, 1차 및 2차 열처리 진행을 변화시켜 중희토 입계확산자석을 제조하고, 표면을 가공하여 잔류 확산층을 제거한 결과 잔류 확산층을 제거하지 않은 자석에 비해 매우 높은 보자력을 얻을 수 있으며, 고온에서의 열감자 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과는 중희토가 거의 녹는 시점부터 확산이 진행되는 과정에서 균일한 입계확산을 유도한 결과로 판단되며, 잔류 확산층을 제거하지 않은 것으로 판단된다.

이와 같이 확산, 1차 및 2차열처리 진행시 700도 이상의 온도에서 보자력 향상결과를 분석하기 위해 본 발명에서 얻어진 자석의 미세구조를 분석한 결과는 도 5와 같다. 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 확산자석(a) 표면에 다량의 중희토가 분포하여 상대적으로 내측에 중희토함량이 부족한 불균일 분포를 하는 반면, 본 발명에 의한 확산자석(b)의 표면과 내측에 중희토의 분포가 전체적으로 균일하게 분포함을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 확산자석(b)은 표면과 내측의 희토류 원소함량이 약 0.7%를 나타내며, 종래기술에 의한 확산자석(a)의 내측부위의 희토류 원소함량은 약 0.5%를 나타내고 있어, 본 발명에 의한 확산자석(b)이 희토류 원소함량이 보다 높은 것을 알 수 있다.

또, 종래기술에 의한 확산자석(a)의 표면의 희토류 원소함량 최대치는 자석 내측의 희토류 원소 함량의 대략 0.5배임을 알 수 있다. 본 발명에 의한 확산자석(b)은 잔류 확산층을 제거하였으므로, 잔류확산층을 제거하지 않은 표면의 희토류 원소함량 최대치는 내측부위의 희토류 원소함량의 2배임을 예측할 수 있으며, 본 발명에 의한 확산자석(b)은 잔류 확산층의 제거시 자석의 희토류 원소함량이 표면의 희토류 원소함량 최대치 대비 약 0.5 배에 해당하도록 제거되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

(a): 종래기술에 의한 확산자석 (b): 본 발명에 의한 확산자석

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. RE-B-TM-Fe(여기서, RE=희토류원소, TM=3d 천이금속) 조성의 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1);
   희토류 합금분말, 희토류 불소화합물 및 희토류 수소화합물로부터 선택되는 어느 하나의 희토류 화합물을 액상용매와 혼련 및 분쇄하여 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 희토류자석 소결체의 표면에 균일하게 도포하는 단계(S2);
   희토류 화합물이 도포된 희토류자석 소결체를 가열로에 장입하고 진공 또는 불활성기체 분위기에서 700 내지 1000℃로 5시간 내지 7시간 가열하여 희토류 화합물을 희토류자석 소결체의 내부로 확산시키는 단계(S3);
   희토류 화합물이 내부로 확산된 희토류자석 소결체의 표면을 가공하여 표면의 확산 잔유물을 제거하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며,
   상기 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1) 에서는, RE 28 내지 35 wt%, B 0.1 내지 15 wt%, TM 0.1 내지 15 wt%, Fe 36 내지 71 wt%의 조성이며,
   상기 희토류 화합물을 희토류자석 소결체의 내부로 확산시키는 단계(S3)에서는, 확산을 위한 승온속도를 700℃까지는 5℃/min의 속도로 승온하고, 700 내지 1000℃까지는 1~5℃/min의 속도로 승온하며,
   상기 확산잔유물을 제거하는 단계(S4)에서, 희토류 화합물이 내부로 확산되는 희토류자석 소결체는 희토류 원소 함량 비율이 소결체 외측의 희토류 원소 함량 최대치의 0.4 내지 0.6배에 해당되도록 희토류자석 소결체의 표면을 0.01~0.5mm 가공하여 희토류자석 소결체의 표면의 확산 잔유물을 제거하며,
   상기 희토류 화합물 슬러리 도포단계(S2)에서, 희토류 금속은 Nd, Pr, La, Ce, Ho, Dy, Tb 중 하나 이상의 희토금속을 포함하고,
   상기 희토류자석 소결체를 제조하는 단계(S1)에서 천이금속은 Co, Cu, Al, Ga, Fe, Ni, Zn 중 하나 이상의 3d 오비탈을 갖는 금속을 포함하며,
   상기 희토류 화합물을 희토류자석 소결체의 내부로 확산시키는 단계(S3) 후 확산된 희토류자석 소결체를 진공 혹은 불활성기체 분위기에서 500 내지 900℃ 온도로 8시간 내지 12시간 가열하는 1차 열처리 단계(S5);를 더 포함하여 이루어지고,
   1차 열처리된 희토류자석 소결체를 진공 혹은 불활성기체 분위기에서 400 내지 600℃ 온도로 1시간 내지 3시간 가열하는 2차 열처리 단계(S6);를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입계확산자석 제조방법.
6. 제 5 항에 의해 제조된 입계확산자석.

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