KR20010086162A

KR20010086162A - 냉각 롤, 자석 재료의 제조 방법, 리본형 자석 재료, 자석분말 및 결합 자석

Info

Publication number: KR20010086162A
Application number: KR1020017008506A
Authority: KR
Inventors: 아라이아키라; 가토히로시
Original assignee: 구사마 사부로; 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2001-09-08
Also published as: US6536507B1; EP1163965A1; TW514938B; ID30060A; EP1163965A4; CN1335796A; WO2001032334A1; KR100453422B1; CN1258412C

Abstract

본 발명의 자석 재료 제조용 냉각 롤(5)는 롤 기재(51)과 그 외부를 피복하는 표면층(52)로 구성되어 있다. 롤 기재(51)의 구성 재료는 열전도율이 높은 금속 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 표면층(52)는 롤 기재(51)보다 열전도율이 낮은 재료로 구성되어 있으며, 세라믹으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 표면층(52)의 최대 두께(T_max) 및 최소 두께(T_min)가 1.01≤T_max/T_min≤3을 만족하는 표면층(52)를 갖는다. 또한, 롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)는 0.03 내지 8 ㎛이다.

Description

냉각 롤, 자석 재료의 제조 방법, 리본형 자석 재료, 자석 분말 및 결합 자석{COOLING ROLL, PRODUCTION METHOD FOR MAGNET MATERIAL, THIN-BAND-LIKE MAGNET MATERIAL, MAGNET POWDER AND BOND MAGNET}

자석 분말을 결합 수지로 결합하여 이루어지는 결합 자석은 형상 자유도가 넓다는 이점을 가지며, 모터 및 각종 작동기(actuator)에 사용되고 있다.

이러한 결합 자석을 구성하는 자석 재료는 예를 들면 급냉 리본 제조 장치를 이용한 급냉법에 의해 제조된다. 급냉 리본 제조 장치가 단일한 냉각 롤을 구비하는 경우를 단일 롤법이라고 칭한다.

이러한 단일 롤법에서는 소정의 합금 조성의 자석 재료를 가열, 용융하고, 그 용탕을 노즐로부터 사출하여 노즐에 대하여 회전하고 있는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜 이 둘레면과 접촉시킴으로써 급냉, 응고하여 리본형 자석 재료, 즉 급냉 리본을 연속적으로 형성한다. 또한, 이 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 만들고, 이 자석 분말로부터 결합 자석을 제조한다.

이 때, 냉각 롤로서는 열전도율이 높은 구리 또는 구리계 합금, 철 또는 철계 합금 등의 롤(표면 코팅 없음)이 사용되거나, 또는 주로 내구성 향상을 목적으로 롤 기재와 비교하여 열전도율이 낮은 Cr 도금 등의 표면층이 롤 표면에 설치된 것이 사용되고 있다.

그러나, 전자와 같이 표면 코팅이 없는 롤을 사용하는 경우, 얻어지는 급냉 리본의 롤면 (냉각 롤 둘레면과 접촉하는 측의 면)에서는 냉각 속도가 매우 빠르고 쉽게 비정질화되는데 반하여, 프리면(롤면과 반대측의 면)에서는 롤면과 비교하여 냉각 속도가 느리기 때문에 결정 입경의 조대화가 일어나고, 결과적으로 자기 특성이 저하되었다.

한편, 후자에서는 롤 기재와 비교하여 열전도율이 낮은 Cr 도금층 등이 표면층으로서 설치되기 때문에, 상기한 바와 같은 결정 입경의 불균일은 약간 완화되지만, 하기와 같은 문제가 있었다.

통상 Cr 도금을 행하는 경우, 기부상에 전해 도금에 의해 도금층을 형성하는데, 전해 도금을 행하는 경우 기부 표면의 요철 상태 등에 따라 Cr 도금층의 성장 속도가 부분에 따라 크게 다르고, 도금층 표면에도 요철이 현저하게 나타났다. 따라서, 이렇게 얻어진 도금층을 그대로 표면층으로서 사용하면, 표면층의 표면 조도가 크기 때문에 급냉 리본과의 사이에서 발생하는 공극이 커지고, 부분에 따라 냉각 속도가 크게 달라지게 된다. 그 결과, 얻어지는 급냉 리본의 결정 입경의 불균일이 커져 안정된 자기 특성을 얻을 수 없게 되었다.

따라서, 통상 도금 후에 면 형성을 위해 표면의 연삭 가공, 연마 가공 등의 기계 가공이 행해진다. 그러나, 냉각 롤에 대하여 이러한 기계 가공을 행하는 경우 냉각 롤을 회전시켜 행하게 되는데, 이 때 냉각 롤의 편심 회전 및 기계 흔들림, 진동 등의 영향으로 둘레 방향을 따라 균일한 가공을 행할 수 없어 최종적으로 얻어지는 Cr 도금층의 두께가 불균일해지게 되었다.

이와 같이 도금층의 두께가 불균일해지면, 얻어지는 급냉 리본에 대한 열전도성은 부분에 따라 크게 달라진다. 따라서, 급냉 리본의 합금의 결정 입경도 불균일 정도가 커져 안정적으로 높은 자기 특성을 얻지 못하였다.

본 발명은 냉각 롤, 자석 재료의 제조 방법, 리본형 자석 재료, 자석 분말 및 결합 자석에 관한 것이다.

도 1은 자석 재료를 제조하는 장치(급냉 리본 제조 장치)의 구성예를 나타내는 사시도이다.

도 2는 도 1에 나타낸 장치에서의 용탕의 냉각 롤에 대한 충돌 부위 부근의 상태를 나타내는 측단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 각 부호의 설명>

1: 급냉 리본 제조 장치

2: 통체

3: 노즐

4: 코일

5: 냉각 롤

51: 롤 기재

511: 둘레면

52: 표면층

521: 둘레면

6: 용탕

7: 퍼들(puddle)

71: 응고 계면

8: 급냉 리본

81: 롤면

82: 프리면

9A: 화살표

9B: 화살표

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 냉각 롤, 자석 재료의 제조 방법, 리본형 자석 재료, 자석 분말 및 결합 자석에 대하여 첨부 도면에 나타낸 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 자석 재료를 단일 롤법에 의해 제조하는 장치 (급냉 리본 제조 장치)의 구성예를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 장치에서의 용탕의 냉각 롤에 대한 충돌 부위 부근의 상태를 나타내는 측단면도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이 급냉 리본 제조 장치(1)은 자석 재료를 수납할 수 있는 통체(2)와, 이 통체(2)에 대하여 도면 중 화살표 9A 방향으로 회전하는 냉각 롤(5)를 구비하고 있다. 통체(2)의 하단에는 자석 재료의 용탕을 사출하는 노즐 (오리피스) (3)이 형성되어 있다.

통체(2)의 구성 재료로서는 예를 들면 석영, 알루미나, 또는 마그네시아 등의 내열성 세라믹을 들 수 있다.

노즐(3)의 개구 형상으로서는 예를 들면 원형, 타원형, 슬릿형 등을 들 수있다.

또한, 통체(2)의 노즐(3) 근방의 외부에는 가열용 코일(4)가 배치되고, 이 코일(4)에 예를 들면 고주파를 인가함으로써 통체(2) 내부를 가열 (유도 가열)하여 그 내부의 자석 재료를 용융 상태로 한다.

또한, 가열 수단은 이러한 코일(4)로 제한되지 않고, 예를 들면 카본 히터를 이용할 수도 있다.

냉각 롤(5)는 롤 기재(51)과 그 외부 전체 둘레를 피복하는 표면층(52)로 구성되어 있다. 표면층(52)는 둘레면(521)을 형성한다.

롤 기재(51)의 구성 재료는 특별히 한정되지 않지만, 표면층(52)의 열을 보다 빠르게 방산할 수 있도록, 예를 들면 구리 또는 구리계 합금, 철 또는 철계 합금과 같은 열전도율이 높은 금속 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.

롤 기재(51)의 둘레면(511)은 표면층(52)와 접합하는 표면층 접합면을 구성한다. 이 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)는 0.03 내지 8 ㎛이다. 또한, 0.05 내지 5 ㎛인 것이 바람직하고, 0.1 내지 2 ㎛인 것이 보다 바람직하다.

롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra) 값이 지나치게 크면, 그 둘레면(511)에 형성된 표면층(52)의 둘레면(521)의 표면 조도(Ra)도 커져 급냉 리본(8)과의 사이에 생기는 간극이 커지고, 부분에 따라서는 냉각 속도가 크게 달라지게 된다. 그 결과, 결정 입경의 불균일이 커지고 자기 특성이 저하한다. 또한, 롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)의 값은 작을수록 바람직하지만, 0.03 ㎛ 미만인 것은 제작상 곤란한 경우가 있다.

또한, 표면층(52)는 롤 기재(51)보다 열전도율이 낮은 재료로 구성되어 있다. 이에 따라, 급냉 리본(8)의 롤면(81)측과 프리면(82) 측과의 냉각 속도의 차이를 보다 작게 할 수 있어 결정 입경을 균일화시킬 수 있다.

이 때, 표면층(52)의 두께 불균일이 크면 얻어지는 급냉 리본(8)에 대한 열전달 특성은 부분에 따라서 크게 달라져 결정 입경의 불균일이 커지며 안정된 자기 특성을 얻지 못하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위해서 본 발명의 냉각 롤(5)는 표면층(52)의 최대 두께(T_max) 및 최소 두께(T_min)가 하기 수학식 I을 만족하는 표면층(52)을 갖게 된다. 이에 따라, 급냉 리본(8)의 길이 방향에서의 결정 입경의 불균일을 작게 할 수 있어 자기 특성 향상에 기여한다.

수학식 I

1.01≤T_max/T_min≤3

또한, 수학식 I 대신에 수학식 II를 만족하는 것이 바람직하고, 수학식 III을 만족하는 것이 보다 바람직하다.

수학식 II

1.01≤T_max/T_min≤2

수학식 III

1.05≤T_max/T_min≤1.5

T_max/T_min의 값은 작을수록 바람직하지만, 1.01 미만인 것은 제작상 곤란한 경우가 있다. 한편, T_max/T_min의 값이 상기 식 중의 상한치를 넘으면, 표면층(52)의 재질 등에 따라서는 얻어지는 급냉 리본(8)에 대한 열전달 특성이 부분에 따라 크게 달라져 결정 입경의 불균일을 초래하며 안정된 자기 특성을 얻지 못하게 된다.

또한, 표면층(52)가 후술하는 조성이 다른 복수층의 적층체일 경우에는, 이들 의 두께 합계의 최대치를 T_max, 최소치를 T_min.이라고 한다.

여기에서, 표면층(52)의 형성 방법은 상기 화학식을 만족할 수 있는 방법이라면 특별히 한정되지 않지만, 열 CVD, 플라즈마 CVD, 레이저 CVD 등의 화학 증착법 (CVD) 또는 진공 증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등의 물리 증착법 (PVD)이 바람직하다. 이들 방법은 층 형성을 균일하게 행할 수 있기 때문에 표면층(52) 형성 후, 그 표면에 기계 가공을 행하지 않을 수도 있다. 또한, 그 외 전해 도금, 침지 도금, 무전해 도금, 용사 등의 방법을 이용할 수도 있지만, 표면층(52) 형성 후 그 표면에 기계 가공을 행하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 단, 연삭 및 연마와 같은 기계 가공은 아니다. 예를 들면, 세정, 에칭, 부동태화 처리 등의 화학적으로 행하는 표면 처리는 이 범위에 속하지 않는다.

이러한 표면층(52)의 형성에 있어서는 그 형성면인 롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)가 비교적 작기 때문에 막 성장시에 형성되는 표면층(52)가 국소적으로 성장하는 현상이 억제된다. 따라서, 표면층(52)의 둘레면(521)의 표면 조도(Ra)도 작아진다.

표면층(52)의 재질에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, Cr, Ni, Pd, W 등또는 이들을 포함하는 합금 등의 금속층 및 금속 산화물층일 수 있으며, 급냉 리본(8)의 롤면(81)과 프리면(82)와의 냉각 속도의 차이를 보다 작게 할 수 있다는 점에서 세라믹이 바람직하다. 세라믹으로서는 예를 들면 Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, Ti₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, 티탄산 바륨, 티탄산 스트론튬 등의 산화물계 세라믹, AlN, Si₃N₄, TiN, BN 등의 질화물계 세라믹, 흑연, SiC, ZrC, NbC, Al₄C₃, CaC₂, WC 등의 탄화물계 세라믹 또는 이들 중 2개 이상을 임의로 조합한 복합 세라믹을 들 수 있다.

또한, 표면층(52)는 도시한 단층뿐만 아니라, 예를 들면 조성이 다른 복수층의 적층체일 수도 있다. 이 경우, 인접하는 층들은 밀착성이 높은 것이 바람직하고, 그 예로서는 인접하는 층들에 동일한 원소가 포함되어 있는 것을 들 수 있다.

또한, 표면층(52)가 단층으로 구성되어 있는 경우에도 그 조성은 두께 방향으로 균일한 것에 한정되지 않고, 예를 들면 함유 성분이 두께 방향으로 순차 변화하는 것 (경사 재료)일 수도 있다.

표면층(52)의 평균 두께 (상기 적층체의 경우에는 그 두께의 합) T는 특별히 한정되지 않지만, 0.5 내지 50 ㎛ 인 것이 바람직하고, 1 내지 20 ㎛인 것이 보다 바람직하다.

표면층(52)의 평균 두께 T가 지나치게 작으면, 표면층(52)의 재질에 따라서는 급냉 리본(8)의 롤면(81)에서는 냉각 속도가 빠르고 쉽게 비정질화되는데 반하여, 프리면(82)에서는 롤면(81)과 비교하여 냉각 속도가 느리기 때문에 결정 입경의 조대화가 일어나며, 또한 반대로 표면층(52)의 평균 두께 T가 지나치게 크면,급냉 속도가 느리고 결정 입경의 조대화가 일어나 모두 결과적으로 자기 특성이 저하된다.

표면층(52)의 표면 조도(Ra)는 표면층(52)를 구성하는 재료, 조성 등에 따라 다르며, 특별히 한정되지 않지만 0.03 내지 8.5 ㎛인 것이 바람직하고, 0.05 내지 5 ㎛ 정도인 것이 보다 바람직하다.

표면 조도(Ra)가 지나치게 작으면 용탕(6)이 둘레면(521)에 충돌하여 형성되는 퍼들 (물 고임부) (7)에 미끄럼 현상이 발생할 우려가 있다. 이 미끄럼 현상이 현저하면 둘레면(521)과 급냉 리본(8)과의 접촉이 불충분해져 결정 입경이 조대화되고 자기 특성이 저하된다. 한편, Ra가 지나치게 크면 둘레면(521)과 급냉 리본(8)과의 사이에 생기는 간극이 커지고, 후술하는 접촉 시간이 비교적 짧으면 전체적으로 열전달성이 나빠져 자기 특성이 저하한다.

냉각 롤(5)의 반경은 특별히 한정되지 않지만, 통상 50 내지 1000 mm 정도가 바람직하고, 75 내지 500 mm 정도가 보다 바람직하다.

냉각 롤(5)의 반경이 지나치게 작으면 냉각 롤 전체의 냉각 능력이 낮아져 특히 급냉 리본(8)을 연속적으로 생산하는 경우, 시간 경과와 함께 결정 입경의 조대화가 발생하여 높은 자기 특성을 갖는 급냉 리본(8)을 안정하게 얻는 것이 곤란해진다. 또한, 반경이 지나치게 크면 냉각 롤 자체의 가공성이 나쁘고, 경우에 따라서는 가공이 곤란해지며, 또한 장치의 대형화를 초래하게 된다.

본 발명에서의 리본형 자석 재료 및 자석 분말로서는 우수한 자기 특성을 갖는 것이 바람직하며, 이러한 것으로서는 R (단, R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중의 1종 이상)을 포함하는 합금, 특히 R (단, R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중의 1종 이상)과 TM (단, TM은 전이 금속 중의 1종 이상)과 B (붕소)를 포함하는 합금을 들 수 있으며, 하기의 [1] 내지 [4]의 조성을 갖는 것이 바람직하다.

[1] Sm을 주로 하는 희토류 원소와 Co를 주로 하는 전이 금속을 기본 성분으로 하는 것 (이하, Sm-Co계 합금이라고 함).

[2] R (단, R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중의 1종 이상)과 Fe를 주로 하는 전이 금속 (TM)과 B를 기본 성분으로 하는 것 (이하, R-TM-B계 합금이라고 함).

[3] Sm을 주로 하는 희토류 원소와 Fe를 주로 하는 전이 금속과 N을 주로 하는 격자간 원소를 기본 성분으로 하는 것 (이하, Sm-Fe-N계 합금이라고 함).

[4] R (단, R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중의 1종 이상)과 Fe 등의 전이 금속을 기본 성분으로 하며, 연질 자성상과 경질 자성상이 상 인접하여 존재하는 복합 조직 (특히, 나노콤포지트 조직이라고 칭하는 것)을 갖는 것.

Sm-Co계 합금의 대표적인 것으로서는 SmCo₅, Sm₂TM₁₇(단 TM은 전이 금속)을 들 수 있다.

R-Fe-B계 합금의 대표적인 것으로서는 Nd-Fe-B계 합금, Pr-Fe-B계 합금, Nd-Pr-Fe-B계 합금, Nd-Dy-Fe-B계 합금, Ce-Nd-Fe-B계 합금, Ce-Pr-Nd-Fe-B계 합금, 여기에서의 Fe의 일부를 Co, Ni 등의 다른 전이 금속으로 치환한 것 등을 들 수 있다.

Sm-Fe-N계 합금의 대표적인 것으로서는 Sm₂Fe₁₇합금을 질화하여 제작한Sm₂Fe₁₇N₃, TbCu₇형 상을 주상으로 하는 Sm-Zr-Fe-Co-N계 합금을 들 수 있다.

상기 희토류 원소로서는 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 도금 금속을 들 수 있으며, 이들을 1종 또는 2종 이상 포함할 수 있다. 또한, 상기 전이 금속으로서는 Fe, Co, Ni 등을 들 수 있으며, 이들을 1종 또는 2종 이상 포함할 수 있다.

또한, 보자력, 최대 자기 에너지곱 등의 자기 특성을 향상시키기 위해서 또는 내열성, 내식성을 향상시키기 위해서 자석 재료 중에는 필요에 따라 Al, Cu, Ga, Si, Ti, V, Ta, Zr, Nb, Mo, Hf, Ag, Zn, P, Ge 등을 함유시킬 수도 있다.

상기 복합 조직 (나노콤포지트 조직)은 연질 자성상과 경질 자성상을 가지며, 각 상의 두께 및 입경이 나노미터 수준 (예를 들면 1 내지 100 nm)으로 존재한다. 또한, 연질 자성상과 경질 자성상이 상 인접하여 자기적인 교환 상호 작용을 일으킨다.

연질 자성상의 자화는 외부 자계의 작용에 의해 쉽게 그 방향을 바꾸기 때문에, 경질 자성상에 혼재시키면 계 전체의 자화 곡선은 B-H 도(J-H 도)의 제2 상현에서 단이 있는 "사형 곡선"이 된다. 하지만, 연질 자성상의 크기가 수 십 nm 이하로 충분히 작은 경우에는 연질 자성체의 자화가 주위 경질 자성체의 자화와의 결합에 의해 충분히 강하게 구속되어 계 전체가 경질 자성체로서 작용하게 된다.

이러한 복합 조직 (나노콤포지트 조직)을 갖는 자석은 주로 이하에 나타내는 특징 1) 내지 5)를 갖는다.

1) B-H 도(J-H 도)의 제2 상현에서 자화가 가역적으로 스프링 백된다 (이러한 의미에서 "스프링 자석"이라고도 함).

2) 착자성이 양호하고, 비교적 낮은 자장에서 착자될 수 있다.

3) 자기 특성의 온도 의존성이 경질 자성상 단독의 경우와 비교하여 작다.

4) 자기 특성의 경시 변화가 작다.

5) 미세 분쇄해도 자기 특성이 열화되지 않는다.

상술한 R-TM-B계 합금에 있어서, 경질 자성상 및 연질 자성상은 예를 들면 이하와 같은 것이다.

경질 자성상: R₂TM₁₄B계 (TM은 Fe 또는 Fe와 Co), 또는 R₂TM₁₄BQ계 (Q는 Al, Cu, Ga, Si, Ti, V, Ta, Zr, Nb, Mo, Hf, Ag, Zn, P, Ge 등 중 1종 이상)

연질 자성상: TM (특히 α-Fe, α-(Fe, Co)), 또는 TM과 Q와의 합금상

냉각 롤(5)의 둘레 속도는 합금 용탕의 조성, 표면층(52)의 구성 재료 (조성), 둘레면(521)의 표면 성상 (특히, 둘레면(521)의 용탕(6)에 대한 습윤성) 등에 의해 그 바람직한 범위가 다르지만, 자기 특성 향상을 위해 통상 5 내지 60 m/sec인 것이 바람직하고, 10 내지 45 m/sec인 것이 보다 바람직하다.

냉각 롤(5)의 둘레 속도가 지나치게 느리면 급냉 리본(8)의 체적 유량 (단위 시간 당 사출되는 용탕(6)의 체적)에 따라서는 급냉 리본(8)의 평균 두께 t가 커져 결정 입경이 증대되는 경향을 나타내고, 반대로 냉각 롤(5)의 둘레 속도가 지나치게 빠르면 대부분이 비정질 조직이 되어 모두 그 후에 열처리를 행했다고 해도 자기 특성의 충분한 향상을 도모할 수 없게 된다.

이러한 급냉 리본 제조 장치(1)은 챔버 (도시하지 않음) 안에 설치되며, 상기 챔버 내에 불활성 가스 및 그 밖의 분위기 가스가 충전된 상태에서 작동한다. 특히, 급냉 리본(8)의 산화를 방지하기 위해서 분위기 가스는 불활성 가스인 것이 바람직하다. 불활성 가스로서는 예를 들면 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 등을 들 수 있다.

통체(2) 내의 용탕(6)의 액면에는 챔버 내압 보다 높은 소정의 압력이 가해진다. 이 통체(2) 내의 용탕(6)의 액면에 작용하는 압력과 챔버 내의 분위기 가스의 압력과의 차압에 의해 용탕(6)은 노즐(3)으로부터 사출된다.

급냉 리본 제조 장치(1)에서는 통체(2) 내에 자석 재료를 넣고, 코일(4)에 의해 가열하고 용융하여, 이 용탕(6)을 노즐(3)으로부터 사출하면 도 2에 나타낸 바와 같이 냉각 롤(5)의 둘레면(521)에 충돌하여 퍼들 (물 고임부) (7)을 형성한 후, 회전하는 냉각 롤(5)의 둘레면(521)에 끌리면서 급속하게 냉각되고 응고되어 급냉 리본(8)이 연속적 또는 단속적으로 형성된다. 이와 같이 하여 형성된 급냉 리본(8)은 곧바로 그 롤면(81)이 둘레면(521)로부터 도 1 중의 화살표 9B의 방향으로 진행한다. 또한, 도 2 중 용탕의 응고 계면(71)을 점선으로 나타내었다.

또한, 급냉 리본(8)을 실제로 제조할 때에는 반드시 노즐(3)을 냉각 롤(5)의 회전 중심(54)의 바로 위에 설치하지 않을 수도 있으며, 예를 들면 냉각 롤(5)의 위치는 동일하고, 노즐(3)을 도 2 중 왼쪽 방향으로 약간 이동한 위치에 설치하여 급냉 리본(8)을 제조할 수도 있다.

이상과 같이 하여 얻어진 급냉 리본(8)은 그 폭(w) 및 두께가 될 수 있는 한 균일한 것이 바람직하다. 이 경우, 급냉 리본(8)의 평균 두께(t)는 10 내지 50 ㎛ 정도가 바람직하고, 15 내지 40 ㎛ 정도가 보다 바람직하다.

평균 두께(t)가 지나치게 작으면 비정질 조직이 차지하는 비율이 많아져 그 후에 열처리를 행한다고 해도 자기 특성의 충분한 향상을 도모할 수 없게 된다. 또한, 평균 두께(t)가 지나치게 작으면 급냉 리본(8)의 기계적 강도가 저하하여 연속된 길이의 급냉 리본(8)을 얻지 못하고, 조각형 또는 분말형이 되며, 그 결과 냉각이 불균일해지고 자기 특성의 불균일이 발생한다. 또한, 단위 시간 당 생산성도 떨어진다.

또한, 평균 두께(t)가 지나치게 크면 열전달이 급냉 리본(8)의 내부 열전도에 의해 지배되어 프리면(82) 측의 결정 입경이 조대화되는 경향을 나타내기 때문에 자기 특성의 충분한 향상을 도모할 수 없다.

또한, 얻어진 급냉 리본(8)에 대해서는 예를 들면 비정질 조직 (무정형 조직)의 재결정화 촉진, 조직의 균질화 등을 목적으로서 열처리를 행할 수도 있다. 이 열처리 조건으로서는 예를 들면 400 내지 900 ℃에서 0.5 내지 300분 정도일 수 있다.

또한, 이 열처리는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하 (예를 들면 1×10^-1내지 1×10^-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스 중과 같은 비산화성 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 하여 얻어진 급냉 리본 (리본형 자석 재료) (8)은 미세 결정 조직, 또는 미세 결정이 비정질 조직 중에 포함되는 조직이 되며 우수한 자기 특성을 얻을 수 있다.

또한, 이상에서는 급냉법으로서 단일 롤법을 예로 들어 설명했지만, 이축 롤법을 사용할 수도 있다. 이러한 급냉법은 금속 조직 (결정 입경)을 미세화할 수 있기 때문에 결합 자석의 자석 특성, 특히 보자력 등을 향상시키는 데 유효하다.

이상과 같이 하여 얻어진 급냉 리본(8)을 분쇄함으로써 본 발명의 자석 분말을 얻을 수 있다.

분쇄 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 볼 밀, 진동 밀, 제트 밀, 핀 밀 등의 각종 분쇄 장치, 파쇄 장치를 이용하여 행할 수 있다. 이 경우, 분쇄는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하 (예를 들면 1×10^-1내지 1×10^-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스와 같은 비산화성 분위기 중에서 행할 수도 있다.

또한, 얻어진 자석 분말에 대해서는 예를 들면 분쇄에 의해 발생한 변형에 따른 영향 제거, 결정 입경의 제어를 목적으로서 열처리를 행할 수도 있다. 이 열처리 조건으로서는 예를 들면 350 내지 850 ℃에서 0.5 내지 300분 정도일 수 있다.

또한, 이 열처리는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하 (예를 들면 1×10^-1내지 1×10^-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스와 같은 비산화성 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.

이러한 자석 분말을 사용하여 결합 자석을 제조하는 경우, 상기 자석 분말은 결합재 (결합 수지)와의 결합성 (습윤성)이 우수하기 때문에 이 결합 자석은 기계적 강도가 높고, 열안정성 (내열성), 내식성이 우수한 것이 된다. 따라서, 상기 자석 분말은 결합 자석 제조에 적합하며, 제조된 결합 자석은 신뢰성이 높은 것이 된다.

이상과 같은 자석 분말은 평균 결정 입경이 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 200 nm 이하인 것이 보다 바람직하며, 10 내지 100 nm 정도가 더욱 바람직하다. 평균 결정 입경이 지나치게 크면 우수한 자기 특성, 특히 보자력 및 각형성 향상을 충분하게 도모할 수 없기 때문이다.

또한, 자석 재료가 상기 [1] 내지 [3]과 같은 단상 조직인가, 아니면 상기 [4]와 같은 복합 조직인가를 불문하고, 또한 상기 급냉 리본(8)에 대한 열처리 및 자석 분말에 대한 열처리의 유무 및 열처리 조건에 상관없이 평균 결정 입경은 상기 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 자석 분말의 평균 입경은 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 결합 자석 (희토류 결합 자석)을 제조하기 위한 것일 경우, 자석 분말의 산화 방지와 분쇄에 의한 자기 특성 열화 방지를 고려하여 0.5 내지 150 ㎛ 정도가 바람직하고, 1 내지 80 ㎛ 정도가 보다 바람직하다. 또한, 후술하는 바와 같은 소량의 결합 수지로 성형시의 양호한 성형성을 얻기 위해서 자석 분말의 입경 분포는 어느 정도 분산되어 있는 것 (불균일한 것)이 바람직하다. 이에 따라 얻어진 결합 자석의 빈구멍률을 감소시킬 수 있고, 결합 자석의 기계적 강도를 보다 높여 자기 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이러한 자석 분말은 동일 조성의 것 뿐만아니라, 다른 2종 이상 조성의 자석 분말을 혼합한 것일 수도 있다. 예를 들면, 상기 [1] 내지 [4]의 조성 중 2종 이상을 혼합한 것을 들 수 있다. 이 경우, 혼합하는 각 자석 분말의 이점을 병유할 수가 있어 보다 우수한 자기 특성을 쉽게 얻을 수 있다.

또한, 다른 2종 이상 조성의 자석 분말을 혼합하는 경우, 혼합하는 자석 분말의 조성별로 그 평균 입경이 다를 수도 있다. 또한, 이러한 혼합 분말의 경우, 다른 2종 이상 조성의 자석 분말 중 1종 이상이 상술한 본 발명의 방법에 의해 제조된 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 분말형 자석 재료는 결합 자석 제조에 사용하는 것으로 한정되지 않고, 예를 들면 소결 자석 제조에 사용할 수도 있다.

이어서, 본 발명의 결합 자석에 대하여 설명한다.

본 발명의 결합 자석은 상술한 자석 분말을 결합 수지와 같은 결합재 (바인더)로 결합하여 이루어지는 것이다.

결합 수지로서는 열가소성 수지, 열경화성 수지 중 어느 하나일 수 있다.

열가소성 수지로서는 예를 들면 폴리아미드 (예: 나일론 6, 나일론 46, 나일론 66, 나일론 610, 나일론 612, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6-12, 나일론 6-66), 열가소성 폴리이미드, 방향족 폴리에스테르 등의 액정 중합체, 폴리페닐렌옥시드, 폴리페닐렌술파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체 등의 폴리올레핀, 변성 폴리올레핀, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리아세탈 등, 또는 이들을 주로 하는 공중합체, 블렌드체, 중합체 합금 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

이들 중에서도 성형성이 특히 우수하고, 기계적 강도가 높은 점에서 폴리아미드, 내열성 향상의 점에서 액정 중합체, 폴리페닐렌술파이드를 주로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 열가소성 수지는 자석 분말과의 혼련성도 우수하다.

이러한 열가소성 수지는 그 종류, 공중합화 등에 따라 예를 들면 성형성을 중시한 것 및 내열성, 기계적 강도를 중시한 것과 같이 광범위한 선택이 가능해진다는 이점이 있다.

한편, 열경화성 수지로서는 예를 들면 비스페놀형, 노볼락형, 나프탈렌계 등의 각종 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 (불포화 폴리에스테르) 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

이들 중에서도 성형성이 특히 우수하고 기계적 강도가 높으며 내열성이 우수하다는 점에서 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지가 바람직하고, 에폭시 수지가 특히 바람직하다. 또한, 이들 열경화성 수지는 자석 분말과의 혼련성, 혼련의 균일성도 우수하다.

또한, 사용되는 열경화성 수지 (미경화)는 실온에서 액형일 수도, 고형 (분말형)일 수도 있다.

또한, 본 발명에서는 탄성을 갖는 결합재로서 예를 들면 천연 고무 (NR), 이소프렌 고무 (IR), 부타디엔 고무 (BR, 1,2-BR), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 등의 부타디엔계 고무, 클로로푸렌 고무 (CR), 부타디엔-아크릴로니트릴 고무 (NBR) 등의 디엔계 특수 고무, 부틸 고무 (IIR), 에틸렌-프로필렌 고무 (EPM, EPDM), 에틸렌-아세트산 비닐 고무 (EVA), 아크릴계 고무 (ACM, ANM), 할로겐화부틸 고무 (X-IIR) 등의 올레핀계 고무, 우레탄 고무 (AU, EU) 등의 우레탄계 고무, 히드린 고무 (CO, ECO, GCO, EGCO) 등의 에테르계 고무, 다황화 고무 (T) 등의 폴리술피드계 고무, 실리콘 고무 (Q), 불소 고무 (FKM, FZ), 염소화폴리에틸렌 (CM) 등의 각종 고무 및 스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리염화비닐계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 트랜스 폴리이소프렌계, 불소 고무계, 염소화폴리에틸렌계 등의 각종 열가소성 엘라스토머를 사용하여 가요성 (유연성)을 갖는 결합 자석으로 할 수도 있다.

또한, 본 발명의 결합 자석은 등방성일 수도, 이방성일 수도 있지만, 제조의 용이성으로부터 등방성인 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 결합 자석은 예를 들면 다음과 같이 하여 제조된다. 자석 분말과 결합 수지와 필요에 따라 첨가제 (산화 방지제, 윤활제 등)를 포함하는 결합 자석용 조성물 (컴파운드)을 제조하고, 이 결합 자석용 조성물을 사용하여 압축 성형 (프레스 성형), 압출 성형, 사출 성형, 캘린더 성형 등의 성형 방법에 의해 자장 중 또는 무자장 중에서 원하는 자석 형상으로 성형한다. 결합 수지가 열경화성 수지인 경우에는 성형 후 가열 등에 의해 경화한다.

여기에서, 상기의 성형 방법 중 압출 성형 및 사출 성형 (특히, 사출 성형)은 형상 선택의 자유도가 넓고 생산성이 높다는 등의 이점이 있지만, 이들 성형 방법에서는 양호한 성형성을 얻기 위해서 성형기 내에 화합물의 충분한 유동성을 확보해야 하기 때문에, 압축 성형과 비교하여 자석 분말의 함유량을 늘리는 것, 즉 결합 자석을 고밀도화하는 것이 불가능하였다. 하지만, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 높은 자속 밀도를 얻을 수 있고, 그에 따라 결합 자석을 고밀도화하지 않아도 우수한 자기 특성을 얻을 수 있기 때문에 압출 성형, 사출 성형에 의해 제조되는 결합 자석에도 그 이점을 갖게 할 수 있다.

결합 자석 중의 자석 분말의 함유량 (함유율)은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 성형 방법 및 성형성과 고자기 특성과의 양립을 고려하여 결정된다. 구체적으로는 75 내지 99.5 중량% 정도가 바람직하고, 85 내지 98 중량% 정도가 보다 바람직하다.

특히, 결합 자석이 압축 성형에 의해 제조될 경우에는 자석 분말의 함유량은 90 내지 99.5 중량% 정도인 것이 바람직하고, 93 내지 98.5 중량% 정도인 것이 보다 바람직하다.

또한, 결합 자석이 압출 성형 또는 사출 성형에 의해 제조될 경우에는 자석 분말의 함유량은 75 내지 98 중량% 정도인 것이 바람직하고, 85 내지 97 중량% 정도인 것이 보다 바람직하다.

결합 자석의 밀도(ρ)는 포함되는 자석 분말의 비중, 자석 분말의 함유량,빈 구멍률 등의 요인에 의해 결정된다. 본 발명의 결합 자석에 있어서, 그 밀도(ρ)는 특별히 한정되지 않지만, 결합재로서 상술한 바와 같은 결합 수지 (열가소성 수지, 열경화성 수지)를 사용한 결합 자석의 경우에는 5.0 g/㎤이상인 것이 바람직하고, 5.5 내지 6.6 g/㎤정도인 것이 보다 바람직하다. 또한, 가요성 (유연성)을 갖는 결합 자석의 경우에는 5.0 g/㎤미만일 수 있다.

본 발명에서는 자석 분말의 자속 밀도, 보자력이 비교적 크기 때문에 결합 자석으로 성형했을 경우 자석 분말의 함유량이 많은 경우는 물론 함유량이 비교적 적은 경우에도 우수한 자기 특성 (높은 보자력 및 최대 자기 에너지곱)을 얻을 수 있다.

본 발명의 결합 자석은 보자력(H_CJ)가 320 내지 900 kA/m 정도인 것이 바람직하고, 400 내지 720 kA/m 정도인 것이 보다 바람직하다. 보자력이 상기 하한치 미만에서는 모터의 용도에 따라서는 역자장이 가해졌을 때 소자(demagnetization)가 현저해지고, 또한 고온에서의 내열성이 떨어진다. 또한, 보자력이 상기 상한치를 넘으면 착자성이 저하된다. 따라서, 보자력(H_CJ)를 상기 범위로 함으로써 결합 자석 (특히, 원통형 자석)에 다극 착자 등을 행하는 경우 충분한 착자 자장을 얻지 못할 때에도 양호한 착자가 가능해져 충분한 자속 밀도를 얻을 수 있으며, 고성능의 결합 자석, 특히 모터용 결합 자석을 제공할 수 있다.

본 발명의 결합 자석은 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]이60 kJ/㎥이상인 것이 바람직하고, 65 kJ/㎥ 이상인 것이 보다 바람직하며, 70 내지 130 kJ/㎥인 것이 더욱 바람직하다. 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]이 60 kJ/㎥ 미만이면 모터용으로 사용했을 경우, 그 종류, 구조에 따라서는 충분한 토크를 얻지 못하는 경우가 있다.

본 발명의 결합 자석의 형상, 치수 등은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 형상에 있어서는 원주형, 각주형, 원통형 (링형), 원호형, 평판형, 만곡판형 등 모든 형상일 수 있으며, 그 크기도 대형에서 초소형까지 모든 크기의 것일 수 있다.

본 발명의 목적은 자기 특성이 우수하고, 신뢰성이 높은 자석을 제공할 수 있는 냉각 롤, 자석 재료의 제조 방법, 리본형 자석 재료, 자석 분말 및 결합 자석을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 하기 (1) 내지 (24)의 본 발명에 의해 달성된다.

(1) 본 발명의 제1 냉각 롤은 자석 재료 제조용의 냉각 롤로서, 상기 냉각 롤의 롤 기재의 외부 전체 둘레에 표면층을 가지며, 상기 표면층의 최대 두께(T_max) 및 최소 두께(T_min)가 1.01≤T_max/T_min≤3의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

(2) 본 발명의 제2 냉각 롤은 자석 재료 제조용의 냉각 롤로서, 롤 기재와그 외부 전체 둘레에 설치된 표면층을 가지며, 상기 롤 기재의 표면층과의 접합면의 표면 조도(Ra)가 0.03 내지 8 ㎛인 것을 특징으로 하는 것이다.

(3) 상기 표면층은 그 표면에 기계 가공을 행하지 않고 제조된 것이 바람직하다.

(4) 상기 표면층은 화학 증착법 (CVD) 또는 물리 증착법 (PVD)에 의해 형성된 것이 바람직하다.

(5) 상기 표면층은 세라믹으로 구성되는 것이 바람직하다.

(6) 상기 표면층의 평균 두께는 0.5 내지 50 μm인 것이 바람직하다.

(7) 상기 표면층의 표면 조도(Ra)는 0.03 내지 8 ㎛인 것이 바람직하다.

(8) 상기 냉각 롤의 반경이 50 내지 1,000 mm인 것이 바람직하다.

(9) 상기 자석 재료는 희토류 원소와 전이 금속과 붕소를 포함하는 합금인 것이 바람직하다.

(10) 본 발명의 제1 자석 재료의 제조 방법은 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 한 항에 따르는 냉각 롤을 사용하여 급냉법에 의해 리본형 자석 재료를 제조하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(11) 본 발명의 제2 자석 재료의 제조 방법은 분위기 가스 중에서 자석 재료의 용탕을 노즐로부터 사출하고, 상기 노즐에 대하여 회전하고 있는 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 한 항에 따르는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜 냉각 고화하여 리본형 자석 재료를 제조하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(12) 상기 분위기 가스는 불활성 가스인 것이 바람직하다.

(13) 상기 냉각 롤의 둘레 속도가 5 내지 60 m/sec인 것이 바람직하다.

(14) 얻어지는 리본형 자석 재료의 평균 두께가 10 내지 50 μm인 것이 바람직하다.

(15) 얻어지는 리본형 자석 재료는 연질 자성상과 경질 자성상이 상 인접하여 존재하는 복합 조직을 갖는 것이 바람직하다.

(16) 본 발명의 리본형 자석 재료는 상기 (10) 내지 (15) 중 어느 한 항에 따르는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 것이다.

(17) 본 발명의 자석 분말은 상기 (10) 내지 (15) 중 어느 한 항에 따르는 방법에 의해 제조된 리본형 자석 재료를 분쇄하여 얻어진 것을 특징으로 하는 것이다.

(18) 상기 자석 분말은 그 제조 과정에서 또는 제조 후에 1회 이상의 열처리가 행해진 것이 바람직하다.

(19) 상기 자석 분말은 평균 결정 입경이 500 nm 이하의 단상 조직 또는 복합 조직을 갖는 것이 바람직하다.

(20) 상기 자석 분말은 평균 입경이 0.5 내지 150 μm인 것이 바람직하다.

(21) 본 발명의 결합 자석은 상기 (17) 내지 (20) 중 어느 한 항에 따르는 자석 분말을 결합재로 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

(22) 상기 자석 분말의 함유량은 75 내지 99.5 %인 것이 바람직하다.

(23) 보자력 H_CJ가 320 내지 900 kA/m 이상인 것이 바람직하다.

(24) 최대 자기 에너지곱 (BH)_max이 60 kJ/㎥ 이상인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

실시예 1

이하에 설명하는 방법으로 합금 조성이 (Nd_0.9Dy_0.1)_8.9Fe_bal.Co_7.8B_5.6Al_0.7인 급냉 리본을 얻었다.

우선 Nd, Fe, Co, B, Al의 각 원료를 칭량하여 고주파 유도 용해로에서 아르곤 가스 중에 용해, 주조하여 모합금 주괴를 제조한 후, 이 주괴로부터 약 15 g의 샘플을 절단하였다.

도 1에 나타낸 구성의 급냉 리본 제조 장치(1)을 준비하고, 바닥부에 노즐 (원형 오리피스) (3)을 설치한 석영관 내에 상기 샘플을 넣었다.

구리로 제조된 롤 기재(51) (직경 200 mm, 폭 30 mm)의 둘레면에 대하여 화학 증착법 (CVD)에 의해 증착을 행하고, 표면층(52)를 갖는 냉각 롤(5)를 얻었다 (No.1 내지 3, 6). 이 때, 화학 증착은 열 CVD에 의해 행하였다. 표면층의 재질에 따라 소정의 합성 반응 가스를 선택하였다. 합성 온도도 재질에 따라 다르지만, 약 800 내지 1500 ℃에서 CVD를 행하였다.

또한, 상기와 동일한 조건의 롤 기재(51)의 둘레면에 대하여 물리 증착법 (PVD)을 행하여 표면층(52)를 갖는 냉각 롤(5)를 얻었다 (조건 No.4, 5). 이 때, 물리 증착은 이온 플레이팅에 의해 행하였다. 기판 온도를 대략 250 내지 800 ℃로 유지하고, 표면 재질에 따라 반응 가스를 선택하며, 가속 전압은 50 내지 300 V로 하였다.

또한, 조건 No.5 및 6에서 표면층(52)는 조성이 다른 2층을 적층한 것으로 하였다.

또한, 비교예로서 상기와 동일한 조건의 롤 기재(51)의 둘레면에 전해 도금에 의해 Cr층을 형성하였다. 그 후, Cr층에 연삭 연마 가공을 행하여 표면층(52)로 하였다 (조건 No.7). 또한, 연삭 가공은 원통 연삭 정반을 사용하고, 연마 가공은 #1500의 연마지로 행하였다.

이와 같이 하여 얻어진 No.1 내지 7의 냉각 롤(5)에 대하여 표면층(52)의 평균 두께(t), T_max, T_min, 표면 조도(Ra)를 측정하였다.

표면층(52)의 두께는 표면층을 설치하기 전의 롤 기재와, 표면층을 설치한 후의 롤 각각에 대하여 미리 위치를 정하고 나서 확대 투영기로 외부 치수를 측정한 값으로부터 산출하였다. 둘레면(521) 상에서 둘레 방향으로 등간격의 120군데의 점에서 표면층(52)의 두께를 측정하여 이 평균치를 평균 두께(t)라고 하고, 이 120군데에서 측정한 최고치를 T_max, 최저치를 T_min이라고 하였다.

표면 조도(Ra)는 평균 두께(t), T_max, T_min와 동일하게 하여 둘레면(521) 상의 등간격의 12군데의 점에서 표면 조도를 측정하여 그 평균치를 구하였다.

냉각 롤(5)의 표면층(52)의 재질, 평균 두께(t), T_max/T_min, 표면 조도(Ra)을 표 1에 나타내었다.

급냉 리본 제조 장치(1)이 수납되어 있는 챔버 내를 탈기시킨 후, 헬륨 가스를 도입하여 원하는 온도 및 압력의 분위기로 하였다.

그 후, 석영관 내의 주괴 샘플을 코일(4)로 고주파 유도 가열하여 용해하고, 또한 냉각 롤(5)의 둘레 속도를 16 m/sec, 용탕의 분사압 (석영관의 내압과 분위기압과의 차압)을 40 kPa, 분위기 가스의 압력을 60 kPa로 하여 용탕을 냉각 롤(5)의 회전 중심의 바로 위에서 냉각 롤(5)의 정상부 둘레면(521)을 향하여 분사하고, 급냉 리본을 연속적으로 제조하였다.

얻어진 각각의 급냉 리본에 대하여 두께 약 5 cm의 급냉 리본을 절단하고, 다시 거기에서 길이 약 7 mm의 샘플을 5 샘플 연속 제작하여 각각의 샘플에 대하여 평균 두께(t), 평균 결정 입경 및 자기 특성을 측정하였다.

평균 두께(t)는 마이크로 스코프에 의해 1 샘플에 대하여 20군데의 측정점에서 측정하여 이것을 평균한 값으로 하였다. 평균 결정 입경은 전자 현미경에 의한조직 관찰 결과로부터 구하였다. 자기 특성은 진동 시료형 자력계 (VSM)를 사용하여 보자력 [H_CJ](kA/m)및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max](kJ/㎥)을 측정하였다. 이들의 결과를 표 2에 나타내었다.

이들 결과로부터 밝혀진 바와 같이 조건 No.1 내지 6 (본 발명)에서 얻어진 급냉 리본은 높은 자기 특성을 안정하게 얻을 수 있는 것이 확인되었다.

이에 대하여 조건 No.7 (비교예)에서 얻어진 급냉 리본은 자기 특성이 낮을 뿐만아니라, 연속된 리본에서 추출한 샘플임에도 불구하고 자기 특성의 불균일이 컸다.

실시예 2

이어서, 실시예 1의 조건 No.1 내지 6에서 얻어진 급냉 리본에 아르곤 가스 분위기 중에서 680 ℃×300초의 열처리를 행한 후, 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 얻었다.

얻어진 자석 분말에 대하여 그 상 구성을 분석하기 위해서 Cu-Kα를 사용하여 회절각 20°내지 60°에서 X선 회절 분석을 행하였다. 회절 패턴으로부터 경질 자성상인 R₂(Fe·Co)₁₄B형 상과, 연질 자성상인 α-(Fe, Co)형 상의 회절 피크를 확인할 수 있었고, 투과형 전자 현미경 (TEM)에 의한 관찰 결과로부터 모두 복합 조직 (나노콤포지트 조직)을 형성하고 있는 것이 확인되었다.

얻어진 자석 분말의 평균 입경을 각각 표 3에 나타내었다.

이어서, 이상과 같이 하여 얻어진 각 자석 분말에 에폭시 수지 (결합 수지)와 소량의 히드라진계 산화 방지제를 혼합하고, 이들을 혼련하여 결합 자석용 조성물 (컴파운드)을 제조하였다. 이 때, 자석 분말과 에폭시 수지의 배합 비율 (중량비)은 각 샘플에 대하여 거의 동일한 값으로 하였다.

이어서, 이 컴파운드를 분쇄하여 분말형으로 하고, 이 분말형 물질을 칭량하여 압축 장치의 금형 내에 충전하고, 압력 7 ton/㎠으로 압축 성형 (무자장 중)하여 성형체를 얻었다.

탈형시킨 후, 150 ℃의 가열에 의해 에폭시 수지를 경화시켜 (큐어 처리) 직경 10 mm×높이 7 mm의 원주형 등방성 결합 자석을 얻었다.

각 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량, 각 결합 자석의 밀도(ρ)을 각각 표 3에 나타내었다.

이들 결합 자석에 대하여 자장 강도 3.2 MA/m의 펄스 착자를 행한 후, 직류 자기 자속계로 최대 인가 자장 2.0 MA/m에서 보자력 (H_CJ) 및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]를 측정하였다. 측정시의 온도는 23 ℃ (실온)였다. 이들의 결과를 표 3에 나타내었다.

이어서, 내열성 시험을 행하였다. 이 내열성은 결합 자석을 100 ℃×1시간의 환경하에 유지한 후, 실온으로 되돌렸을 때의 비가역 소자율 (초기 소자율)을 측정하여 평가하였다. 비가역 소자율 (초기 소자율)의 절대치가 작을수록 내열성 (열안정성)이 우수하였다. 측정 결과 얻어진 비가역 소자율을 표 3에 나타내었다.

이들의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 실시예 2에서 얻어진 조건 No.1 내지 6의 결합 자석에서는 모두 우수한 자기 특성 (높은 보자력 (H_CJ) 및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]) 및 양호한 온도 특성 (낮은 비가역 소자율)을 얻을 수 있었다.

실시예 3

이하에 설명하는 방법으로 합금 조성이 (Nd_0.7Pr_0.2Dy_0.1)_9.0Fe_bal.Co_8.0B_5.7Si_0.5인 급냉 리본(8)을 얻었다.

우선 Nd, Pr, Dy, Fe, Co, B, Si의 각 원료를 칭량하여 고주파 유도 용해로에서 아르곤 가스 중에 용해, 주조하여 모합금 주괴를 제조한 후, 이 주괴으로부터 약 15 g의 샘플을 절단하였다.

구리로 제조된 롤 기재 (직경 200 mm, 폭 30 mm)의 둘레면에 연삭 가공 및 연마 가공을 행하여 원하는 표면 조도(Ra)를 갖는 롤 기재(51)을 6종류 제작하였다. 또한, 연삭 가공은 원통 연삭 정반 또는 시반(施盤)을 사용하여 행하고, 연마 가공으로서 퍼프 연마를 행하였다. 특히, 조건 No.1에 대해서는 경면 가공을 행하였다.

이렇게 해서 얻어진 냉각 롤(5)에 대하여 롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)를 측정하였다.

표면 조도(Ra)는 둘레면(521) 상의 등간격의 12군데의 점에서 광학적 방법에 의해 측정하여 그 평균치를 구하였다.

얻어진 롤 기재(51)의 둘레면(511)에 대하여 화학 증착법 (CVD) 또는 물리 증착법 (PVD)에 의해 증착을 행하고, 표면층(52)를 갖는 냉각 롤(5)를 얻었다 (조건 No.1 내지 6). 이 때, 화학 증착은 열 CVD에 의해 행하였다. 표면층의 재질에 따라 소정의 합성 반응 가스를 선택하였다. 합성 온도도 재질에 따라 다르지만, 약 800 내지 1500 ℃에서 CVD를 행하였다. 또한, 물리 증착은 이온 플레이팅에 의해 행하였다. 기판 온도를 대략 250 내지 800 ℃로 유지하고, 표면 재질에 따라 반응 가스를 선택하며, 가속 전압은 50 내지 300 V로 하였다.

또한, 비교예로서 이하에 설명하는 방법으로 Cr층을 표면층(52)로서 갖는 냉각 롤(5)를 2종류 제작하였다 (조건 No.7, 8).

우선, No.1 내지 6의 냉각 롤 제작에 사용한 것과 동일한 조건의 구리로 제조된 롤 기재(51)의 둘레면(511)에 연삭 가공 및 연마 가공을 행하고, 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)가 각각 8.2 ㎛, 4.5 ㎛인 롤 기재(51)을 제작하였다. 이 롤 기재(51)의 둘레면(511)에 전해 도금에 의해 Cr층을 형성하였다. 그 후, 형성된 Cr층에 대하여 표면 기계 가공을 행하지 않고, 그대로 표면층(52)로 한 것을 조건 No.7의 냉각 롤로 하였다.

또한, 전해 도금 후, 형성된 Cr층에 연삭 가공 및 연마 가공을 행하여 표면층(52)로 한 것을 조건 No.8의 냉각 롤로 하였다. 또한, 연삭 가공 및 연마 가공은 롤 기재(51)에서 행한 방법과 동일한 방법으로 행하였다.

이렇게 하여 얻어진 조건 No.1 내지 8의 냉각 롤(5)에 대하여 표면층(52)의 평균 두께(t), 표면층(52)의 둘레면(521)의 표면 조도(Ra)를 측정하였다.

표면층(52)의 두께는 형광 X선형 막후계에 의해 측정하였다. 둘레면(521) 상에서 둘레 방향으로 등간격인 120군데의 점에서 표면층(52)의 두께를 측정하고, 그 평균치를 평균 두께(t)라고 하였다.

표면 조도(Ra)는 롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)와 동일하게 측정하였다.

롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra), 표면층(52)의 형성 방법, 재질, 평균 두께(t), 표면 조도(Ra)를 표 4에 나타내었다.

그 후, 석영관 내의 주괴 샘플을 코일(4)로 고주파 유도 가열하여 용해하고, 또한 냉각 롤(5)의 둘레 속도를 17 m/sec, 용탕의 분사압 (석영관의 내압과 분위기압과의 차압)을 40 kPa, 분위기 가스의 압력을 60 kPa로 하여 용탕을 냉각 롤(5)의 회전 중심의 바로 위에서 냉각 롤(5)의 정상부 둘레면(521)을 향하여 분사하고, 급냉 리본(8)을 연속적으로 제조하였다.

얻어진 각각의 급냉 리본에 대하여 길이 약 5 cm의 급냉 리본을 절단하고, 다시 거기에서 길이 약 7 mm의 샘플을 5 샘플 연속 제작하여 각각의 샘플에 대하여 평균 두께(t), 평균 결정 입경 및 자기 특성을 측정하였다.

평균 두께(t)는 마이크로 스코프에 의해 1 샘플 당 20군데의 측정점에서 측정하여 이것을 평균한 값으로 하였다. 평균 결정 입경은 전자 현미경에 의한 조직 관찰 결과로부터 구하였다. 자기 특성은 진동 시료형 자력계 (VSM)를 사용하여 보자력 (H_CJ) (kA/m) 및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max](kJ/㎥)을 측정하였다. 이들의 결과를 표 5에 나타내었다.

이에 대하여 조건 No.7 및 8 (비교예)에서 얻어진 급냉 리본은 낮은 자기 특성 밖에 얻을 수 없었다. 또한, 조건 No.8에서 얻어진 급냉 리본에 대해서는 연속된 리본에서 추출한 샘플임에도 불구하고 자기 특성의 불균일이 컸다.

실시예 4

이어서, 실시예 3의 조건 No.1 내지 6에서 얻어진 급냉 리본에 아르곤 가스 분위기 중에서 690 ℃×300초의 열처리를 행한 후, 이들 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 얻었다.

얻어진 자석 분말의 평균 입경을 각각 표 6에 나타내었다.

이들 결합 자석에 대하여 자장 강도 3.2 MA/m의 펄스 착자를 행한 후, 직류 자기 자속계로 최대 인가 자장 2.0 MA/m에서 보자력 (H_CJ) 및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]를 측정하였다. 측정시의 온도는 23 ℃ (실온)였다. 이들의 결과를 표 6에 나타내었다.

이어서, 내열성 시험을 행하였다. 이 내열성은 결합 자석을 100 ℃×1시간의 환경하에 유지한 후, 실온으로 되돌렸을 때의 비가역 소자율 (초기 소자율)을 측정하여 평가하였다. 비가역 소자율 (초기 소자율)의 절대치가 작을수록 내열성 (열안정성)이 우수하였다. 측정 결과 얻어진 비가역 소자율을 표 6에 나타내었다.

실시예 5

이하에 설명하는 방법으로 2종류의 냉각 롤(5)를 제작하였다.

구리로 제조된 2종류의 롤 기재(51) (직경 200 mm, 폭 30 mm)의 둘레면(511)에 연삭 가공 및 연마 가공을 행하여 한쪽은 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)가 1.0 ㎛ (조건 No.9), 다른쪽은 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)가 12 ㎛ (조건 No.10)인 롤 기재(51)을 제작하였다. 또한, 연삭 가공 및 연마 가공 및 표면 조도(Ra)의 측정은 실시예 3과 동일하게 하여 행하였다.

이들 롤 기재(51)에 각각 CVD에 의해 평균 두께(t)가 10 ㎛인 NbC의 표면층(52)를 형성하였다. 표면층(52)의 둘레면(521)의 표면 조도(Ra)의 측정도 실시예 1과 동일하게 하여 행하였다. 롤 기재(51)의 둘레면(511)과 표면층(52)의 둘레면(521)의 표면 조도(Ra)의 측정치를 표 7에 나타내었다.

이와 같이 하여 얻어진 2종류의 냉각 롤(5)를 사용하여 제작된 실시예 3과 동일한 조성의 급냉 리본을 아르곤 가스 분위기 중에서 675 ℃×600초로 열처리한 후, 진동 시료형 자력계를 사용하여 보자력 (H_cJ)(kA/m), 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max](kJ/㎥)을 측정하였다. 이들의 결과를 표 7에 나타내었다.

이들 결과로부터 밝혀진 바와 같이 롤 기재(51)의 둘레면(511)의 표면 조도(Ra)를 본 발명의 범위로 함으로써 높은 자기 특성을 얻을 수 있었다.

실시예 6

이어서, 실시예 5에서 얻어진 2종류의 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 얻었다.

얻어진 자석 분말의 평균 입경을 각각 표 8에 나타내었다.

이어서, 이상과 같이 하여 얻어진 각 자석 분말을 사용하여 실시예 2와 동일하게 하여 직경 10 mm×높이 7 mm의 원주형 등방성 결합 자석을 얻었다.

각 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량, 각 결합 자석의 밀도(ρ)을 각각 표 8에 나타내었다.

이들 결합 자석에 대하여 자장 강도 3.2 MA/m의 펄스 착자를 행한 후, 직류 자기 자속계로 최대 인가 자장 2.0 MA/m에서 보자력 (H_CJ) 및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]를 측정하였다. 측정시의 온도는 23 ℃ (실온)였다. 이들의 결과를 표 8에 나타내었다.

이어서, 내열성 시험을 행하였다. 이 내열성은 결합 자석을 100 ℃×1시간의 환경하에 유지한 후, 실온으로 되돌렸을 때의 비가역 소자율 (초기 소자율)을 측정하여 평가하였다. 비가역 소자율 (초기 소자율)의 절대치가 작을수록 내열성 (열안정성)이 우수하였다. 측정 결과 얻어진 비가역 소자율을 표 8에 나타내었다.

이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 결합 자석은 우수한 자기 특성 (높은 보자력 (H_CJ) 및 최대 자기 에너지곱 [(BH)_max]) 및 양호한 온도 특성 (낮은 비가역 소자율)을 얻을 수 있는데 반하여, 비교예에서는 낮은 자기 특성 및 온도 특성 밖에 얻을 수 없었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

· 얻어진 급냉 리본의 롤면측과 프리면측의 조직 차이 및 길이 방향에서의 조직 차이를 작게 하는 것, 특히 냉각 속도 차이에 따른 결정 입경의 차이를 작게 할 수 있어 결과적으로 우수한 자기 특성을 갖는 자석 재료, 자석 분말을 얻을 수 있으며, 그로부터 제조된 결합 자석도 우수한 자기 특성을 발휘한다.

· 특히, 냉각 롤에 형성되는 표면층의 구성 재료, 두께, 표면 조도, 냉각 롤의 반경, 둘레 속도, 급냉 리본의 두께 등, 자석 분말의 입경 (입도), 평균 결정 입경 등을 바람직한 범위로 설정함으로써 더욱 우수한 자기 특성을 얻을 수 있다.

· 종래의 결합 자석과 비교하여 보다 작은 체적의 결합 자석으로 동등 이상의 자기 특성을 발휘할 수 있기 때문에 보다 소형으로 고성능 모터 등을 제조하는 것이 가능하다.

· 높은 자기 특성을 얻을 수 있기 때문에 결합 자석의 제조시 고밀도화를 추구하지 않아도 충분히 만족할 수 있는 자기 특성을 얻을 수 있고, 그 결과 성형성 향상과 함께 치수 정밀도, 기계적 강도, 내식성, 내열성 등의 향상을 도모할 수있고, 신뢰성이 높은 결합 자석을 쉽게 제조할 수 있게 된다.

· 또한, 고밀도화가 요구되지 않기 때문에 압축 성형법과 비교하여 고밀도의 성형이 어려운 압출 성형법 또는 사출 성형법에 의한 결합 자석 제조에도 적합하며, 이러한 성형 방법으로 성형된 결합 자석에서도 상술한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 결합 자석의 성형 방법의 선택 폭, 나아가 그에 따른 형상 선택의 자유도가 넓어진다.

본 발명의 결합 자석은 소형으로 고성능 모터에 적용할 수 있기 때문에 포켓 벨 (삐삐) 및 휴대용 전화기 등의 휴대용 전자 기기에 사용하기에 적합하다.

Claims

자석 재료 제조용의 냉각 롤로서, 상기 냉각 롤의 롤 기재의 외부 전체 둘레에 표면층을 가지며, 상기 표면층의 최대 두께(T_max) 및 최소 두께(T_min)가 1.01≤T_max/T_min≤3의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 냉각 롤.
자석 재료 제조용의 냉각 롤로서, 롤 기재와 그 외부 전체 둘레에 설치된 표면층을 가지며, 상기 롤 기재의 표면층과의 접합면의 표면 조도(Ra)가 0.03 내지 8 ㎛인 것을 특징으로 하는 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면층이 그 표면에 기계 가공을 행하지 않고 제조된 것인 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면층이 화학 증착법(CVD) 또는 물리 증착법(PVD)에 의해 형성된 것인 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면층이 세라믹으로 구성되는 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면층의 평균 두께가 0.5 내지 50 ㎛인 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면층의 표면 조도(Ra)가 0.03 내지 8 ㎛인 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 냉각 롤의 반경이 50 내지 1,000 mm인 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 자석 재료가 희토류 원소, 전이 금속 및 붕소를 포함하는 합금인 냉각 롤.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 냉각 롤을 사용하여 급냉법에 의해 리본형 자석 재료를 제조하는 것을 특징으로 하는 자석 재료의 제조 방법.
분위기 가스 중에서 자석 재료의 용탕을 노즐로부터 사출시키고, 이를 상기 노즐에 대하여 회전하고 있는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜 냉각 고화하여 리본형 자석 재료를 제조하는 것을 특징으로 하는 자석 재료의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 분위기 가스가 불활성 가스인 자석 재료의 제조 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 냉각 롤의 둘레 속도가 5 내지 60 m/sec인 자석 재료의 제조 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

얻어지는 리본형 자석 재료의 평균 두께가 10 내지 50 ㎛인 자석 재료의 제조 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

얻어지는 리본형 자석 재료가 연질 자성상과 경질 자성상이 상 인접하여 존재하는 복합 조직을 갖는 것인 자석 재료의 제조 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 리본형 자석 재료.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 리본형 자석 재료를 분쇄하여 얻어진 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 17 항에 있어서,

자석 분말이 그 제조 과정에서 또는 제조 후에 1회 이상의 열처리가 행해진 것인 자석 분말.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

평균 결정 입경이 500 nm 이하인 단상 조직 또는 복합 조직을 갖는 자석 분말.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

평균 입경이 0.5 내지 150 ㎛인 자석 분말.
제 16 항 또는 제 17 항에 따른 자석 분말을 결합재로 결합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 21 항에 있어서,

상기 자석 분말의 함유량이 75 내지 99.5 %인 결합 자석.
제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

보자력(H_cJ)가 320 내지 900 kA/m 이상인 결합 자석.
제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,

최대 자기 에너지곱[(BH)_max]이 60 kJ/㎥ 이상인 결합 자석.