KR20000049280A - 미세 결정 조직을 갖는 박막 자석과 그 제조 방법 및 등방성영구 자석 분말의 제조 방법 - Google Patents

미세 결정 조직을 갖는 박막 자석과 그 제조 방법 및 등방성영구 자석 분말의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 10kG 미만의 잔류 자속 밀도(Br)를 가지며, 강한 자기적 특성의 페라이트 자석에서와 동등한 비용상의 효용을 가지며, 자기 회로를 얇게 하고 소형화하는데 기여하는 70 내지 300㎛의 두께를 가지는 박막 자석과 그것의 제조 방법에 관한 것이다. 희토류 원소 함량이 낮은 선정된 조직의 용융 합금을 예정된 선단 속도를 갖는 냉각 롤을 사용하여 30kPa 미만의 진공 불활성 가스 분위기하에서 연속 주조하면, 결정 조직의 90%가-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물 상과 혼재되어 있는 Fe3B 화합물로 되어 있는 그러한 결정 조직으로 변화된다. 그에 따라, iHc2kOe, Br

Description

미세 결정 조직을 갖는 박막 자석과 그 제조 방법 및 등방성 영구 자석 분말의 제조 방법{SHEET MAGNET HAVING MICROCRYSTALLINE STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND METHOD OF MANUFACTURING ISOTROPIC PERMANENT MAGNET POWDER}
가전 기기, 사무용 장비 및 기타 전자 장치에 대해 현재 요구되는 사항은 고용량은 물론, 소형화된 크기 및 경량화된 중량을 포함한다. 영구 자석을 이용한 자기 회로의 설계는 비용상의 성능을 최대화시킬 목적으로 연구되고 있다. 특히, 직류형 브러쉬 모터에 있어서 전류 생성 양태의 절반 이상을 구성하고 있는 모터 구조로서는 5 내지 7kG의 잔류 자속 밀도(Br)을 갖는 영구 자석을 사용하는 것이 최적이다. 그러한 잔류 자속 밀도는 종래의 강자성 페라이트 자석으로는 달성할 수 없는 것이다.
예컨대, Nd2Fe14B를 주요 성분으로 하는 Nd-Fe-B 소결 자석 및 결합 자석은 필수적인 자기적 특성을 가지고 있지만, 이들 자석은 10 내지 15at%의 Nd를 포함하고 있어서 금속의 유리 및 정련과 환원 반응을 위해 여러 단계를 거쳐야 하고 대용량의 장비가 필요하게 된다. 그러므로, 이들 자석은 경질의 페라이트 자석에 비해 상당히 고가이며, 비용적인 성능의 측면에서 몇몇개의 장치에 대해서만 강자성의 페라이트 자석을 대체할 수 있을 뿐이다. 5kG 이상의 Br을 갖는 저가의 영구 자석은 아직 발견되지 않은 상태이다.
또한, 작고 얇은 자기 회로는 영구 자석 자체가 100 내지 500㎛ 두께의 얇은 시트 형태로 되는 것을 필요로 한다. Nd-Fe-B 소결 자석의 경우, 500㎛ 이하의 두께를 갖는 벌크 재료(bulk material)를 얻는 것이 곤란하다. 그러므로, 상기 자석은 연삭을 통해서만 마련할 수 있으며, 이는 비용을 크게 증가시킨다. Nd-Fe-B 결합 자석은 수지내에서 30㎛의 두께와 10 내지 500㎛의 직경으로 분말의 결합을 통해 제조되지만, 100 내지 300㎛ 두께의 자석을 형성하는 것이 곤란하다.
한편, 최근에, Nd4Fe77B19(at%)에 근접한 조성을 갖는 Fe3B 화합물을 주성분으로 하는 자성 재료가 Nd-Fe-B 자석으로서 제안된 바 있다[알 코혼(R. Coehoorn) 등에 의해 기고된 저널 드 피직스(J. de Phys) 1988년도 C8판, 669-670면 참조]. 그 기술적인 세세한 면모는 미국 특허 제4,935,074호에 개시되고 있다. 그에 앞서, 쿤(Koon)은 미국 특허 제4,402,770호를 통해, 필수 성분으로서 La을 포함하는 La-R-B-Fe 비정질 합금의 결정화 열처리로써 미세 결정의 영구 자석을 제조하는 방법을 제안하였다.
보다 최근에, 유럽 특허 제558691B1호에 개시된 바와 같이, 리히터(Richter) 등은 3.8 내지 3.9at%의 Nd를 포함하는 Nd-Fe-B-V-Si 합금욕을 회전하는 구리 롤러상에 분무하여 얻어진 비정질 박편(薄片)을 700℃로 열처리함으로써 강자성의 얇은 단편(斷片)이 얻어짐을 보고한 바 있다. 이들 영구 자석 재료는 20 내지 60㎛ 두께의 비정질 박편을 결정화 열처리함으로써, 약자성의 Fe3B상과 강자성의 R2Fe14B상이 혼재된 준안정 상태의 결정 조직을 갖는 영구 자석 재료이다.
그러한 영구 자석 재료는 2 내지 3kOe의 iHc와 10kG의 Br을 갖는다. 조성은 고가의 Nd를 단지 4at%만을 함유하고 있기 때문에, 원료 재료는 Nd2Fe14B를 주성분으로 하는 Nd-Fe-B의 원료에 비해 저가이다. 한편, 원료 재료의 비정질 합금화는 필수 조건이기 때문에 액체에 의한 급냉 조건은 한정된다. 또한, 강자성의 자성 재료를 얻기 위한 열처리 조건은 극도로 한정된다. 그러므로, 이러한 조건은 공업적 제조 설비에 있어서 실제적인 것이 아니며 이들 자석은 강한 자기적 특성의 페라이트 자석을 저비용으로서 대체할 수 있는 것이 아니다. 그러한 영구 자석 재료는 20 내지 60㎛ 두께의 비정질 박편을 결정화 열처리하여 얻어지기 때문에, 박막 자석에 필요한 70 내지 300㎛ 두께의 영구 자석을 얻는 것이 불가능하다.
다른 한편, 미국 특허 제508,266호 등에 개시된 급냉 처리된 Nd-Fe-B 자석 재료의 경우, 결정 조직은 급냉법에 의해 직접 얻어지기 때문에 결정화 열처리는 불필요하다. 그러나, 전술한 문헌에 개시된 롤러의 최적의 선단(先端) 속도가 20㎧였고; 전술한 조건하에서 얻어진 급냉된 합금 박편의 두께가 약 30㎛에 불과하기 때문에, 이들 자석 재료는 박막 자석으로서 사용될 수 없다. 그러므로, 이들 자석 재료는 수십 내지 500㎛의 직경으로 분쇄되어 전술한 결합된 자석에 사용된다.
본 발명은 여러가지 종류의 소형 모터, 액츄에이터 및 자기 센서용 자기 회로에 사용되기에 적합한 박막 자석과 그것의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성과,-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물상과 혼재된 Fe3B 화합물을 90%의 결정 조직으로 함유하는 결정 조직을 갖는 박막 자석에 관한 것이다. 본 발명은 또한 5at% 이하의 희토류 원소 및 15 내지 30at%의 붕소를 포함하는 특정 조성의 합금욕을 회전하는 냉각 롤러상에서 특정의 감소된 압력과 불활성 가스 분위기에서의 주조를 통해 70 내지 300㎛ 두께를 갖는 박판 시트 합금의 연속 주조에 의해 직접 박막 자석을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 실시예의 시험편에 대한 Cu-KX-선 회절 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 목적은 박막 자석 및 그 제조 방법을 제공하는 것이며, 그러한 박막 자석은 100 내지 300㎛ 두께의 미세 결정 조직을 가지며, 자기 회로의 소형화에 기여하며, 강자성의 페라이트 자석에 비해 비용적인 성능이 우수하며, 10kG 이상의 잔류 자속 밀도(Br)를 가지며, 미세 결정 조직과 5at% 이하의 희토류 원소를 갖는 Nd-Fe-B 자석에 내재하는 전술한 문제점을 해소한다.
본 발명의 발명자들은 희토류 원소의 함량이 적고 약한 자기적 특성의 상과 강한 자기적 특성의 상이 혼재된 Nd-Fe-B 영구 자석의 박막 자석을 제조하기 위한 목적으로 다양한 연구를 수행하였다. 결국, 다음과 같은 점을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다. 발명자들은 연속 주조를 이용하여 70 내지 300㎛의 두께를 가지고 각 성분의 상이 50㎚ 이하의 평균 결정 입경(粒俓)을 가지며 결정 조직중 90%는-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 혼합상과 혼재된 Fe3B 화합물인 연속 주조 합금의 박막 자석을 얻을 수 있음을 발견하였다. 본 발명의 방법은 희토류 원소 함량이 낮은 특정 조성의 합금욕을, 특정 선단 속도로 회전하는 한 쌍의 롤러 사이나 또는 단일의 냉각 롤러상에서 30kPa 이하의 감소된 압력하의 불활성 가스 분위기에서 연속 주조하는 것을 포함한다. 더욱이, 발명자들은 얻어진 연속 주조 합금을 이루는 각 상의 평균 결정 입경이 10 내지 50㎚일 때, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성이 얻어짐을 발견하였다. 또한, 10㎚ 미만의 평균 결정 입경을 갖는 결정 금속 조직의 경우, 결정립 성장을 목적으로 특정 열처리를 행함으로써, 각 상에 대해 10 내지 50㎚의 평균 결정 입경과, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성이 얻어짐을 발견하였다.
특히, 본 발명은, 미세 결정 조직을 가지며, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 가지며, 두께가 70 내지 300㎛이며, 평균 결정 입경이 10 내지 50㎚인 미세 결정으로 구성되고, 결정 조직중 90%는-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 혼합상과 혼재된 Fe3B 화합물로 이루어지며, Fe100-x-yBxRy(R은 Pr,Nd 또는 Dy중 일종 또는 이종)로 표현되는 조성(이때 상기 조성 범위를 특정하는 x,y는 15x30at%, 1y5at%를 만족한다.)을 가지는 박막 자석에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 가지며, 두께가 70 내지 300㎛이며, 평균 결정 입경이 50㎚ 이하인 미세 결정으로 구성되고, 결정 조직중 90%는-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 혼합상과 혼재된 Fe3B 화합물로 이루어진 영구 자석을 직접 얻을 수 있는, 미세 결정 조직을 갖는 박막 자석의 제조 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 Fe100-x-yBxRy(R은 Pr,Nd 또는 Dy중 일종 또는 이종)로 표현되는 조성(상기 조성 범위를 특정하는 x,y는 전술한 수치 범위를 만족한다.)을 가지는 합금욕을, 특정 선단 속도로 회전하는 한 쌍의 롤러 사이나 또는 단일의 냉각 롤러에 대해 30kPa 이하의 감소된 압력하의 불활성 가스 분위기에서 연속 주조하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 가지며, 평균 결정 입경이 10 내지 50㎚인 미세 결정 합금으로 이루어진 영구 자석을 얻기 위한 전술한 박막 자석 제조 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 70 내지 300㎛ 두께의 주조 합금을 급냉 후에 합금욕이 10㎚ 이하의 평균 결정 입경을 갖는 결정 조직이 얻어지면, 결정립 성장을 목적으로 500 내지 700℃의 온도 범위에서 열처리하는 것을 포함한다.
또한, 발명자들은 다이 절삭을 통해 미리 정해진 형태로 가공된, 70 내지 300㎛의 두께와 iHc2kOe, Br10kG의 전술한 자기적 특성을 갖는 영구 자석인 박막 자석의 제조 방법과의 조합을 제안하고 있다.
더욱이, 발명자들은 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 가지며, 전술한 박막 자석을 미리 정해진 형태로 다이 절삭한 후, 박막 자석의 스크랩을 평균 입경 3 내지 500㎛로 분쇄하여 마련하는 등방성 영구 자석 분말의 제조 방법도 제안하고 있다.
본 발명에 관한 박막 자석에 대해 자세히 설명한다.
강한 자기적 특성은 희토류 원소(R)가 Pr, Nd 또는 Dy중 일종 또는 이종을 특정량 함유하고 있는 경우에만 얻어진다. 2kOe 이상의 iHc와 같은 자기적 특성은 Ce, La과 같은 다른 희토류 물질로는 얻어지지 않는다. 또한, Tb, Dy를 제외하고, Sm 이상의 중량(中量) 및 중량(重量)의 희토류 원소는 바람직하지 못한데, 그것은 그들 원소가 고가이고 자기적 특성을 열화시키기 때문이다.
R은 1 내지 5at%의 범위가 바람직하다. 1at% 미만인 경우, 2kOe 이상의 iHc를 얻을 수 없으며, 5at%를 넘는 경우, 10kG 이상의 Br을 얻을 수 없다. 2 내지 5at% 범위가 더욱 바람직하다.
B가 15at% 미만인 경우, 액상 급냉후에 금속 조직에-Fe의 정출이 나타나고 단지 1kOe 미만의 iHc가 얻어지는데, 이는 보자력의 발현에 필요한 Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물의 정출이 억제되기 때문이다. 30at%를 초과하는 경우, 감자 곡선의 모난 정도(angularity)가 크게 감소하고 10kOe 보다 큰 Br이 얻어지지 않는다. 그러므로, B는 15 내지 30at%의 범위인 것이 바람직하다. 17 내지 20at%의 범위가 더욱 좋다.
Fe는 전술한 원소의 잔부를 구성한다. Fe를 Co로 치환한 부분은 금속 조직을 미세하게 하며, 더욱이 감자 곡선의 모난 정도와 최대 에너지 적(積) (BH)max 및 내열성이 향상된다. 만일 Fe의 치환량이 0.1% 미만인 경우라면 그러한 효과가 얻어지지 않으며, 50%를 초과하면 10kG의 Br이 얻어지지 않는다. Fe에 관한 Co의 치환량은 따라서 0.1 내지 50%, 바람직하게는 0.5 내지 10% 범위에 있다. iHc는 0.1 내지 7at%의 Cr을 치환하는 것에 의해 향상된다. Al, Si, S, Ni, Cu, Zn, Ga, Ag, Pt, Au, Pb중 일종 또는 이종을 총 0.05 내지 2at%의 량으로 Fe를 치환하는 것에 의해 감자 곡선의 모난 정도가 개선되고 Br 및 (BH)max가 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 박막 자석의 제조를 위한 특정 조건을 설명한다.
본 발명에서, 전술한 특정 조성의 합금욕은 특정 선단 속도로 회전하는 한 쌍의 롤러 사이나 또는 단일의 냉각 롤러에 대해 30kPa 미만의 감소된 압력하의 불활성 가스 분위기에서 주조된다. 이 주조 공정으로부터, 두께가 70 내지 300㎛이며, 결정 조직중 90%가-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 혼합상과 혼재된 Fe3B 화합물로 이루어진 연속 주조 합금이 제조된다. 더욱이, 박막 자석을 제조함에 있어서는 각 성분 상의 평균 결정 입경이 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻는데 필요한 10 내지 50㎚ 범위인 미세 결정 조직인 것이 매우 중요하다.
합금욕의 연속 주조 과정중에, 분위기 압력은 본 발명의 특징으로서 특정된다. 주조 압력이 30kPa 이상인 경우, 냉각 롤러와 합금욕 사이에 가스가 포획되어 주조 합금의 급냉 조건의 균일성을 손상케하며, 그에 따라 거친-Fe을 포함하는 금속 조직이 얻어짐으로써 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없게 된다. 그러므로, 합금의 급냉 분위기는 30kPa 이하, 바람직하게는 10kPa 이하이다. 분위기 가스는 합금욕의 산화를 방지하기 위해 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤을 사용한다.
전술한 연속 주조 방법에서, 결정립 성장을 목적으로 한 열처리는 주조 합금의 평균 결정 입경이 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻는데 필요한 10 내지 50㎚ 범위의 평균 결정 입경이 아닌 경우에 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우, 결정립 성장은 발생되지 않으며, 10㎚ 이상의 평균 결정 입경이 얻어지지 않는다. 상기 열처리 온도가 700℃ 보다 큰 경우, 결정립 성장은 발견되지만, iHc, Br 및 감자 곡선의 모난 정도가 저하되며 전술한 자기적 특성이 얻어지지 않는다. 그러므로, 열처리 온도는 500 내지 700℃ 범위에 있어야 한다. 더욱이, 자기적 특성을 최대화하기 위한 열처리 온도는 조성에 좌우된다.
열처리에서, 분위기는 산화 방지를 위해 아르곤이나 질소 가스의 불활성 가스 분위기 또는 1.33Pa 이하의 진공인 것이 바람직하다. 자기적 특성은 열처리 시간에 의존하지 않지만, 열처리 시간이 6시간을 초과하는 경우에는 시간 경과에 따라 Br이 다소 저하하는 경향이 있다. 그러므로, 열처리 시간은 6시간 미만인 것이 바람직하다.
합금욕의 주조 공정에는 단일 냉각롤이나 이중 롤을 사용하는 연속 주조 방법이 채용될 수 있다. 주조 합금의 두께가 300㎛를 초과하는 경우, 수백 ㎚의 거친-Fe, Fe2B이 정출되기 때문에, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없다. 또한, 주조 합금의 두께가 70㎛ 미만인 경우, 주조 합금의 결정 조직이 감소하고 비정질 상이 증가한다. 이는 열처리를 통해 비정질 상을 결정화할 것을 필요하게 한다. 비정질 상의 결정화를 위한 가열은 합금의 온도를 상승시키며, 급냉 직후 이러한 합금의 가열은 이미 정출된 결정 조직의 결정립 성장을 야기한다. 이에 따라, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻는데 필요한 10 내지 50㎚ 범위의 평균 결정 입경 보다 큰 입경을 갖는 금속 조직이 얻어진다. 따라서, 10kG 보다 큰 Br은 얻어지지 않는다. 결국, 주조 조건은 주조 합금의 두께가 70 내지 100㎛인 것을 필요로 한다.
열전도성을 고려했을 때, 연속 주조 공정에 사용되는 냉각 롤러는 알루미늄 합금, Cu, Fe, 황동, W 또는 청동으로 제조될 수 있다. Cu 또는 Fe(및 그 합금도 가능)가 그 기계적 강도와 경제성의 측면에서 바람직하다. 여타의 재료는 열전도성이 양호하지 않으므로 바람직하지 않으며; 그들 재료는 합금욕을 충분히 냉각시킬 수 없으며, 수백 ㎚의 거친-Fe, Fe2B이 정출되기 때문에, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없다.
다음은 Cu 냉각 롤러를 사용한 경우에 적용되는 것으로, Cu 냉각 롤러는 중심선 조도 Ra0.8㎛, 최대 높이 Rmax3.2㎛, 10곳에서의 평균 조도 Rz3.2㎛인 표면 조도를 가진다. 롤러의 선단 속도가 10m/s를 초과하는 경우, 주조 합금의 두께는 70㎛ 미만으로 되며, 주조 합금에 포함된 결정 조직이 감소되며, 비정질 상이 증가한다. 롤러의 선단 속도가 2m/s 미만인 경우, 주조 합금의 두께는 300㎛ 보다 크다. 결국, 수백 ㎚의 거친-Fe, Fe2B이 정출되기 때문에, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없다. 결국, Cu 롤러의 선단 속도는 2 내지 10m/s의 범위내에 있어야 한다.
다음은 전술한 Cu 롤러와 동일한 표면 조도를 갖는 Fe 냉각 롤러를 사용하는 경우에 적용되는 것이다. Fe 롤러는 Cu 롤러에 비해 합금욕에 대한 습윤성이 양호하다. 그러므로, 롤러의 선단 속도가 7m/s를 초과하는 경우, 주조 합금의 두께는 70㎛ 미만으로 되며, 주조 합금에 포함된 결정 조직이 감소되며, 비정질 상이 증가한다. 이것은 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 결국, Fe 롤러의 선단 속도는 2 내지 7m/s, 바람직하게는 2.5 내지 5.5m/s의 범위내에 있어야 한다.
더욱이, 다음은 한 쌍의 롤러에 의한 급냉의 경우에 적용되는 것으로, 한 쌍의 롤러는 전술한 Fe 롤러가 대향 배열되고 그 2개의 롤러에 의해 합금욕이 냉각되는 방식을 취한다. 2개의 롤러간 간격이 0.5mm 이상이면, 그 롤러간을 통과하는 합금욕은 냉각 롤러에 접촉되지 않아서 냉각되지 않음으로써 거친-Fe을 포함하는 금속 조직이 생성된다. 상기 간격이 0.005mm 미만인 경우, 합금욕은 롤러 사이로부터 흘러 넘치게 되어 연속 주조가 불가능하게 된다. 결국, 2개의 롤러간 간격은 0.005 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.2mm의 범위에 있어야 한다.
2개의 Fe 롤러의 선단 속도가 8m/s를 초과하면, 주조 합금에 포함된 결정 조직이 감소하고 비정질 상이 증가한다. 또한, 상기 속도가 1m/s 미만인 경우, 수백 ㎚의 거친-Fe, Fe2B이 정출되기 때문에, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없다. 결국, 롤러의 선단 속도는 1 내지 8m/s, 바람직하게는 1.5 내지 5m/s 범위내에 있어야 한다.
연속 주조 공정에서 얻어진 연속 박막 자석을 미리 정해진 형태로 가공하는데 사용되는 방법은 압연에 의해 제조된 박막 금속 재료의 가공을 위한 에칭법과, 초음파 가공법을 포함한다. 초음파를 이용한 다이 절삭은 박막 자석을 균열없이 미리 정해진 형태로 가공할 수 있다는 점에서 바람직하다.
또한, 미리 정해진 형태의 박막 자석으로 가공시, 다이 절삭으로부터는 박막 자석의 스크랩이 만들어진다. 이들 스크랩은 분쇄되어, iHc2kOe, Br7kG의 자기적 특성을 갖는 등방성 영구 자석 분말로서 사용된다. 분말의 입자 크기는 압축 성형된 결합 자석에 사용되는 자석 분말의 용도로서 20 내지 300㎛인 것이 바람직하며, 사출 성형된 결합 자석에 사용되는 자성 분말의 용도로서 50㎛ 미만이다.
본 발명에 따른 박막 자석의 결정 상은 각 성분의 상의 평균 결정 입경이 10 내지 50㎚ 범위에 있고 또 약한 자기적 특성의 Fe3B 화합물과,-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 약한 자기적 특성의 화합물이 혼재되어 있는 미세 결정체로 이루어진다. 박막 자석을 구성하는 조직의 평균 결정 입경이 50㎚를 초과하는 경우, 감자 곡선의 모난 정도와 Br이 저하하여, Br10kG의 자기적 특성을 얻을 수 없게 된다. 또한, 평균 결정 입경은 작을수록 바람직하지만 10㎚가 하한치인데, 이는 10㎚ 미만인 경우, iHc가 당연히 떨어지기 때문이다.
실시예
실시예 1
표 1에 나타낸 조성(No.1-17)의 제제를 위해, 순도 99.5% 이상의 Fe,Al,Si,S,Ni,Cu,Co,Ni,Cr,Zn,Ga,Ag,Pt,Au,Pb,B,Nd,Pr,Dy 등의 금속을 사용하였다. 이들 금속을 총 30g이 되도록 중량을 달고, 바닥에 0.8mm 직경의 오리피스를 갖는 수정 도가니에 집어 넣고, 표 1의 급냉 압력으로 유지된 아르곤 분위기에서 고주파 가열을 이용하여 용융시켰다. 욕(浴)이 1300℃의 융점에 도달한 이후에, 욕 표면을 아르곤 가스로 가압하였고, 상온에서, 표 1에 나타낸 선단 속도로 회전하는 Cu 냉각 롤러의 표면상의 0.7mm 높이에서 욕을 연속 주조하였다. 그에 따라, 2 내지 3mm의 폭과 100 내지 300㎛ 두께의 연속 박막 자석을 마련하였다.
도 1은 No.2의 시험편에 대한 Cu-KX-선 회절 패턴을 나타낸다. 도 1에서 보여지는 바와 같이, 획득된 박막 자석은-Fe, Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물 상과 Fe3B 화합물이 혼재된 금속 조직을 갖는 것이 확인되었다. 또한, No.4,16,17을 제외한 시험편 모두는 평균 결정 입경이 10 내지 50㎚인 미세 결정 조직을 가지고 있었다.
표 2는 획득된 박막 자석의 자기적 특성을 나타낸다. 이들 특성은 초음파 가공을 이용하여 5mm 디스크로 절단된 미리 정해진 형태의 박막 자석을 사용하여 VSM으로써 측정하였다.
실시예 2
표 1의 No.4,16,17의 시험편은 평균 결정 입경이 10㎚ 미만이었다. 그러므로, 박막 자석을 아르곤 가스하에서 10분간 600℃로 유지한 후 열처리하여 평균 결정 입경을 10㎚ 보다 크게 하였다. 표 2는 획득된 박막 자석의 자기적 특성을 나타낸다. 이들 특성은 실시예 1에서와 같이 미리 정해진 형태로 가공된 박막 자석을 사용하여 VSM으로써 측정하였다. 또한, No.5-17의 시험편의 각 성분 상에서 Fe의 일부를 Al,Si,S,Ni,Cu,Co,Ni,Cr,Zn,Ga,Ag,Pt,Au,Pb로 치환하였다.
실시예 3
No.2,3,5,6,13의 시험편의 경우, VSM 측정을 위해 다이 절삭후 박막 자석의 스크랩을 연마기로 분쇄하는 것을 통해 등방성 영구 자석 분말을 마련하였다. 이 분말의 입자 직경은 25 내지 300㎛였고, 평균 입경은 150㎛였다. 표 3은 VSM을 사용하여 측정된 자성 분말의 자기적 특성을 나타낸다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 방법으로, 표 1의 No.18-21의 조성으로 만들기 위해 순도 99.5% 이상의 Fe, B, R을 사용하여, 표 1의 주조 조건으로 연속 주조 합금을 마련하였다. 도 1은 획득된 시험편의 Cu-KX-선 회절 패턴을 나타낸다. X-선 회절 패턴의 결과로부터 결정된 바와 같이, No.18의 시험편은 자력이 나타나지 않는 비정질 합금이었다. No.19의 시험편은 주로-Fe 상으로 이루어진 금속 조직이었다. 또한, No.20의 시험편은-Fe, Nd2Fe23B3으로 이루어진 비(非)자성 상의 조직이었고, No.21의 시험편은 No.19의 시험편과 마찬가지로 주로-Fe로 이루어진 금속 조직이었다. 표 2는 VSM으로 측정된 No.18-21의 시험편의 자기적 특성을 나타낸다.
조성(at%) 조성(at%) 조성(at%) 조성(at%) 선단 속도 급냉 분위기 압력
Fe B R M m/s kPa
실시예 1 79.5 18.5 Nd2 - 2 1.3
2 78.5 18.5 Nd3 - 5 1.3
3 78.5 17 Nd3.5+Pr1 - 3 5.0
4 75 20 Nd4+Dy1 - 7 10.0
5 78 15 Nd4 Co3 2 2.0
6 71.5 18.5 Nd5 Cr5 3 3.0
7 79.5 17 Nd3 Al0.5 4 4.0
8 76.5 18.5 Nd4 Si1 5 5.0
9 69 18.5 Nd4.5 S1 5 6.0
10 76 20 Nd5 Ni1.5 5 7.0
11 75 20 Nd2.5+Pr1 Cu1.5 4 8.0
12 76.5 18.5 Nd2+Pr2 Zn1 2 9.0
13 75.5 18.5 Nd2+Pr3 Ga1 3 10.0
14 76.5 18.5 Nd4 Ag1 3 1.3
15 78 18 Nd3.5 Pt0.5 5 2.0
16 76.5 18.5 Nd4.5 Au0.5 8 0.5
17 75.5 18.5 Nd5 Pb1 10 5.0
비교예 18 78.5 18.5 Nd3 - 20 1.3
19 78.5 18.5 Nd3 - 5 75.0
20 75.5 18.5 Nd6 - 5 1.3
21 86 10 Nd4 - 5 1.3
자기적 특성 자기적 특성 자기적 특성
Br(kG) iHc(kOe) (BH)max(MGOe)
실시예 1 15.0 2.0 13.5
2 13.7 2.7 15.0
3 11.4 4.2 14.7
4 10.3 5.0 13.2
5 12.3 4.3 15.3
6 10.1 6.9 12.9
7 13.4 3.0 18.7
8 12.6 3.5 17.3
9 12.0 4.0 17.1
10 11.5 4.4 16.6
11 13.0 3.3 17.5
12 12.2 3.6 16.8
13 11.6 4.5 16.9
14 12.4 3.5 17.2
15 12.9 3.2 17.6
16 12.1 4.1 17.2
17 11.7 4.6 16.7
비교예 18 - - -
19 7.2 1.6 3.7
20 6.5 0.9 0.6
21 6.5 3.7 4.2
자기적 특성 자기적 특성 자기적 특성
Br(kG) iHc(kOe) (BH)max(MGOe)
실시예 2 11.6 2.7 8.8
3 9.7 4.2 9.6
5 10.5 4.3 9.9
6 8.6 6.9 8.4
13 9.9 4.5 11.0
본 발명은 70 내지 300㎛ 두께의 박막 자석을 저비용으로 제공할 수 있다. 이전에는 산업 설비로써 저비용으로 대량 생산할 수 없었던 그러한 박막 자석은 자기 회로의 소형화에 기여할 수 있고 강한 자기적 특성의 페라이트 자석에 비해 비용상의 효용을 가진다. 이러한 제조는 희토류 원소의 함량이 낮은 특정 조성의 합금욕을, 특정 선단 속도로 회전하는 한 쌍의 롤러 사이나 단일 회전 롤러로써 30kPa 이하의 감소된 압력의 불활성 가스 분위기하에서 연속 주조하는 것에 의해 달성된다. 그에 따라 연속 주조된 박막 자석이 직접 얻어진다. 이러한 박막 자석은, Fe3B 화합물이-Fe, Nd2Fe14B로 된 화합물과 혼재되어 있고, 다른 특성으로서, 두께가 70 내지 300㎛이고, 10 내지 50㎚의 평균 결정 입경을 가지며, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 가지며, 영구 자석으로서의 용도로 내구성을 갖는 결정 조직으로 되어 있다. 또한, 10㎚ 이하의 평균 결정 입경을 갖는 미세 조직이 얻어지는 경우, 특정의 결정립 성장을 목적으로 한 열처리를 행하며, 그에 따라 각 성분 상의 평균 결정 입경이 10 내지 50㎚로 되고, 얻어진 박막 자석은 iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성을 가진다.

Claims (7)

  1. iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성, 70 내지 300㎛의 두께, 10 내지 50㎚의 평균 결정 입경을 갖는 미세 결정으로 이루어진 미세 결정 조직을 가지며, 그 결정 조직의 90%는-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물 상과 혼재되어 있는 Fe3B 화합물로 되어 있는 박막 자석에 있어서,
    박막 자석의 조성은 Fe100-x-yBxRy(R은 Pr,Nd 또는 Dy중 일종 또는 이종)로 나타내어지며, 상기 조성을 특정하는 x,y는 15x30at%, 1y5at%를 만족하는 것을 특징으로 하는 박막 자석.
  2. iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성, 70 내지 300㎛의 두께, 50㎚ 이하의 평균 결정 입경을 갖는 미세 결정으로 이루어진 미세 결정 조직을 가지며, 그 결정 조직의 90%는-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물 상과 혼재되어 있는 Fe3B 화합물로 되어 있는 영구 자석을 직접 얻기 위한 미세 결정 조직의 박막 자석을 제조하기 위한 방법으로서,
    Fe100-x-yBxRy(R은 Pr,Nd 또는 Dy중 일종 또는 이종)의 조성으로 나타내어지며, 상기 조성 범위를 특정하는 x,y는 15x30at%, 1y5at%를 만족하는 그러한 합금욕을, 특정 선단 속도로 회전하는 한 쌍의 롤러 사이나 단일 회전 롤러상에서 30kPa 이하의 감소된 압력의 불활성 가스 분위기하에서 연속 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자석 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, iHc2kOe, Br10kG의 자기적 특성, 10 내지 50㎚ 범위의 평균 결정 입경을 갖는 미세 결정 합금으로 된 영구 자석을 얻기 위한, 미세 결정 조직의 박막 자석 제조 방법으로서,
    70 내지 300㎛ 두께의 주조 합금을 급냉한 후 상기 합금욕이 10㎚ 이하의 평균 결정 입경을 가질 때, 결정립 성장을 목적으로 500 내지 700℃의 온도 범위에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자석 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 미세 결정 조직을 가지는 상기 박막 자석은 상기 얻어진 영구 자석을 다이 절삭하여 미리 정해진 형태로 가공하는 것을 특징으로 하는 박막 자석 제조 방법.
  5. 자기적 특성이 iHc2kOe, Br7kG인 등방성 영구 자석 분말을 얻기 위해 미세 결정 조직을 갖는 등방성 영구 자석 분말을 제조 하기 위한 방법으로서,
    50㎚ 이하의 평균 결정 입경을 갖는 미세 결정으로 이루어지며, 그 결정 조직의 90%는-Fe, Nd2Fe14B 결정 조직을 갖는 화합물 상과 혼재되어 있는 Fe3B 화합물로 되어 있는 그러한 70 내지 300㎛ 두께의 박막 자석을 다이 절삭한 후, 다이 절삭 스크랩을 3 내지 500㎛의 평균 입경으로 분쇄하는 단계를 포함하며,
    상기 박막 자석은, Fe100-x-yBxRy(R은 Pr,Nd 또는 Dy중 일종 또는 이종)의 조성으로 나타내어지며, 상기 조성을 특정하는 x,y는 다음값을 만족하는 그러한 합금욕을, 특정 선단 속도로 회전하는 한 쌍의 롤러 사이나 단일 회전 롤러상에서 30kPa 이하의 감소된 압력의 불활성 가스 분위기하에서 연속 주조하는 것에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 등방성 영구 자석 분말 제조 방법.
  6. 제2항 또는 제5항에 있어서, 단일 냉각 롤러를 사용한 연속 주조시, 롤러의 선단 속도는 Cu 롤러의 경우 2 내지 10m/s이고, Fe 롤러의 경우, 2 내지 7m/s인 것을 특징으로 하는 미세 결정 조직의 박막 자석 제조 방법.
  7. 제2항 또는 제5항에 있어서, 한 쌍의 냉각 롤러를 사용하는 경우, 대향 롤러간의 간격은 0.005 내지 0.5mm이고, 선단 속도는 1.5 내지 5m/s인 것을 특징으로 하는 미세 결정 조직의 박막 자석 제조 방법.
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