KR20060102482A - 경사기능성 희토류 영구자석 - Google Patents

경사기능성 희토류 영구자석 Download PDF

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Abstract

R1 aR2 bTcAdFeOfMg 조성을 갖는 소결 자석체로서, 이 소결 자석체 내의 (R1, R2)2T14A 정방정으로 이루어지는 주상 결정립의 주위를 둘러싸는 결정립계부에서, 결정립계에 포함되는 R2/(R1+R2)의 농도가 주상 결정립중의 R2/(R1+R2) 농도보다 평균적으로 짙고, 게다가, R2가 자석체 중심으로부터 자석체 표면을 향해서 평균적으로 그 함유 농도가 짙어지도록 분포하고, 결정립계부의 자석체 표면으로부터 적어도 20㎛의 깊이 영역에까지, 결정립계부에 (R1, R2)의 산불화물이 존재하고, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다 높은 경사기능성 희토류 영구자석.
본 발명에 의하면, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다도 높은 자기적 구조를 가져, 효율적으로 내열성을 향상시킨 영구자석을 제공할 수 있다.
경사기능성, 희토류, 영구자석, 보자력, 소결, 산불화물.

Description

경사기능성 희토류 영구자석{FUNCTIONALLY GRADED RARE EARTH PERMANENT MAGNET}
도 1은 실시예 1에서 제작된 자석체 M1 및 비교예 1에서 제작된 연삭가공과 열처리만의 자석체 P1의 각 부위에 있어서의 보자력과, 표면으로부터의 깊이의 관계를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예 1에서 제작된 자석체 M1의 Dy 조성 이미지(a) 및 연삭가공과 열처리만의 자석체 P1의 Dy 조성 이미지(b)를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예 1에서 제작된 자석체 M1의 Dy의 평균농도와 F의 평균농도를 자석 표면으로부터의 깊이에 대해 플롯한 도면이다.
도 4는 실시예 1에서 제작된 자석체 M1의 Nd 조성 이미지(a), O 조성 이미지(b), 및 F 조성 이미지(c)를 도시한 도면이다.
본 발명은 자석체 표층부의 보자력이 내부보다 높은 경사기능을 갖고, 효율적으로 내열성을 향상시킨 고성능 희토류 영구자석에 관한 것이다.
Nd-Fe-B계 영구자석은 그 우수한 자기특성 때문에, 점점 용도가 확대되어 가 고 있다. 최근, 환경 문제에의 대응으로 가전을 비롯하여, 산업기기, 전기 자동차, 풍력발전에 자석의 응용의 폭이 확대됨에 따라, Nd-Fe-B계 자석의 고성능화와 함께 높은 내열성이 요구되고 있다.
본계 자석은 온도의 상승과 함께 보자력이 감소하기 때문에, 보자력의 크기와 자기회로에 있어서의 퍼미언스에 의해, 자석의 사용온도가 한정된다. 따라서, 높은 온도에서 사용할 때는, 보자력을 충분하게 증대시킬 필요가 있었다. 보자력의 증대에 관해서는, 결정립의 미세화를 도모하는, Nd량을 늘린 조성 합금을 사용하거나, 또는 효과가 있는 원소를 첨가하는 등, 여러 접근 방법이 있는 중에서, 현재 가장 일반적인 수법은 Dy나 Tb로 Nd의 일부를 치환한 조성합금을 사용하는 것이다. Nd2Fe14B 화합물의 Nd를 이들 원소로 치환함으로써 화합물의 이방성 자계가 증대하고, 보자력도 증대한다. 한편으로 Dy나 Tb에 의한 치환은 화합물의 포화 자기 분극을 감소시킨다. 따라서, 상기 수법으로 보자력의 증대를 도모하는 것만으로는 잔류 자속밀도의 저하는 피할 수 없다.
또한 종래, 일본 특허 제3471876호 공보(특허문헌 1)에는, 희토류 자석(희토류 원소(R) 중 적어도 1종 이상 함유)을 불소계 가스 분위기 중 또는 불소계 가스를 함유하는 분위기 중에서 불소화 처리하고, 이 자석의 표층부에 그 구성상 중의 R과의 RF3 화합물 또는 ROXFY 화합물(X, Y 각각의 값이 0<X<1.5이고 또한 2X+Y=3을 만족함) 또는 그 두 화합물의 혼합물을 형성시키고, 게다가 200∼1,200℃의 온도에서 열처리를 시행하는 것으로 이루어지는 내식성이 우수한 희토류 자석이 개시되어 있다.
일본 특개 2003-282312호 공보(특허문헌 2)에는, 적어도, R-Fe-(B, C)계 소결 자석용 합금 분말과, 희토류 원소의 불소화합물 분말을 혼합하고, 이 혼합 분말을 자장 배향, 압분 성형하여 소결하는 것, 이 경우, 상기 혼합 분말 중에 3∼20중량%의 희토류 원소(바람직하게는 Dy 및/또는 Tb)의 불소화합물을 포함시킴으로써, R-Fe-(B, C)계 소결 자석(단, R은 희토류 원소이며, R의 50% 이상은 Nd 및/또는 Pr로 함)으로서, Nd2Fe14B형 결정으로 주로 구성되는 주상(主相)의 결정립계 또는 입계 삼중점에 입상(粒狀)의 입계상이 형성되고, 상기 입계상이 희토류 원소의 불소화합물을 포함하고, 상기 희토류 원소의 불소화합물의 소결 자석 전체에 대한 함유량이 3∼20중량%의 범위에 있는 착자성이 개선된 R-Fe-(B, C)계 소결 자석, 특히 R-Fe-(B, C)계 소결 자석(단, R은 희토류 원소이며, R의 50% 이상은 Nd 및/또는 Pr로 함)으로서, Nd2Fe14B형 결정으로 주로 구성되는 주상과, 희토류 원소의 불소화합물을 포함하는 입계상을 포함하여 구성되고, 상기 주상 중에 Dy 및/또는 Tb가 포함되고, 이 주상 중에, Dy 및/또는 Tb의 농도가 이 주상 전체에 있어서의 Dy 및/또는 Tb의 농도의 평균값보다 낮은 영역이 형성되어 있는 R-Fe-(B, C)계 소결 자석이 개시되어 있다.
그러나, 이들 제안에서도, 표면 전기저항의 개량의 점에서 충분하지는 않다.
일본 특개 2005-11973호 공보(특허문헌 3)에는, 자석을 감압조 내에 지지하고, 이 감압조 내에서 물리적 수법에 의해 증기 또는 미립자화 한 M원소(단, M은 Pr, Dy, Tb, Ho로부터 선택되는 희토류 원소의 1종 또는 2종 이상) 또는 M원소를 포함하는 합금을 이 자석의 표면의 전부 또는 일부에 증착시켜서 성막하고, 또한 이 자석의 최표면에 노출해 있는 결정 입자의 반경에 상당하는 깊이 이상으로 이 자석 내부에 M원소를 자석 표면으로부터 확산 침투시킴으로써 M원소가 풍부하게 된 결정립계층을 형성하는 것, 이 경우, 결정립계층의 M원소의 농도를 자석의 표면측일 수록 고농도로 풍부하게 함으로써, 자석 표면으로부터의 M원소(단, M은, Pr, Dy, Tb, Ho로부터 선택되는 희토류 원소의 1종 또는 2종 이상)의 확산에 의해 M원소가 풍부한 결정립계층을 갖고, 보자력(Hcj)과 자석 전체에 차지하는 M원소 함유량이 하기의 식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 희토류-철-붕소계 자석이 개시되어 있다.
Hcj ≥ 1+0.2×M(단, 0.05≤M≤10)
단, Hcj: 보자력, 단위(MA/m), M: 자석 전체에 차지하는 M원소 함유량(질량%)
그러나, 이 방법은 생산성이 극단적으로 나빠, 실용적이지 못하다.
[특허문헌 1] 일본 특허 제3471876호 공보
[특허문헌 2] 일본 특개 2003-282312호 공보
[특허문헌 3] 일본 특개 2005-11973호 공보
본 발명은, 상기한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다도 높은 경사기능을 갖고, 효율적으로 내열성을 향상시킨 희토류 영구자석을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 검토를 진행한 결과, 본 발명에 이른 것이다. 더욱 상세하게 설명하면, 일반적으로 자기회로에 편입된 자석은, 자석 전체에서 동일한 퍼미언스를 취하지 못하는, 즉 자석 내부에는 반자계의 크기에 분포가 있다. 예를 들면 판 형상 자석에서, 자극이 넓은 면일 때는, 그 면의 중심부가 가장 큰 반자계를 받는다. 또한 자석의 표층부는, 내부와 비교하여 큰 반자계를 받는다. 따라서, 높은 온도에 노출된 경우, 자석의 표층부로부터 감자가 일어나게 된다. 그래서, 본 발명자들은, Nd-Fe-B계 소결 자석으로 대표되는 R-Fe-B계 소결 자석(R은 Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)에 대하여, 그 표면으로부터 Dy 및/또는 Tb와 불소를 흡수, 침투시킴으로써, 결정립의 계면 근방에만 F나 Dy, Tb가 농화 되어, 보자력이 내부보다 표층부에서 높고, 특히 내부로부터 표층부를 향해서 보자력이 증대하는 경사기능을 갖고, 효율적으로 내열성이 향상되는 것을 발견하고, 본 발명을 완성한 것이다.
즉 본 발명은, 하기 경사기능성 희토류 영구자석을 제공한다.
(1) R1 aR2 bTcAdFeOfMg 조성(R1은 Sc 및 Y를 포함하고, Tb 및 Dy를 제외한 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상, R2는 Tb 및 Dy로부터 선택되는 1종 또는 2종, T는 Fe 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종, A는 B 및 C로부터 선택되는 1종 또는 2종, M은 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상, a∼g는 합금의 원자%로, 10≤a+b≤15, 3≤d≤15, 0.01≤e≤4, 0.04≤f≤4, 0.01≤g≤11 잔부가 c)을 갖는 소결 자석체로서, 이 소결 자석체 중의 (R1, R2)2T14A 정방정으로 이루어지는 주상 결정립의 주위를 둘러싸는 결정립계부에서, 결정립계에 포함되는 R2/(R1+R2)의 농도가 주상 결정립 중의 R2/(R1+R2) 농도보다 평균적으로 짙고, 게다가, R2가 자석체 중심으로부터 자석체 표면을 향해서 평균적으로 그 함유 농도가 짙어지도록 분포되고, 또한, 결정립계부의 자석체 표면으로부터 적어도 20㎛의 깊이 영역에까지, 결정립계부에 (R1, R2)의 산불화물이 존재하고, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다 높은 것을 특징으로 하는 경사기능성 희토류 영구자석.
(2) 결정립계부에 존재하는 산불화물에 포함되는 Nd 및/또는 Pr의 R1+R2에 대한 원자 분률이, 이 산불화물 및 R3의 산화물(R3는 Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)을 제외한 결정립계부에서의 Nd 및/또는 Pr의 R1+R2에 대한 원자 분률보다도 높은 것을 특징으로 하는 (1) 기재의 경사기능성 희토류 영구자석.
(3) R1이 Nd 및/또는 Pr을 10원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 기재의 경사기능성 희토류 영구자석.
(4) T가 Fe를 60원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3)중 어느 하나에 기재된 경사기능성 희토류 영구자석.
(5) A가 B를 80원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4)중 어느 하나에 기재된 경사기능성 희토류 영구자석.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
본 발명의 희토류 영구자석은 하기 식 (1)로 표시되는 조성을 가지고 있는 것이다.
R1 aR2 bTcAdFeOfMg (1)
여기에서, R1은 Sc 및 Y를 포함하고, Tb 및 Dy를 제외한 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상, R2는 Tb 및 Dy로부터 선택되는 1종 또는 2종, T는 Fe 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종, A는 B(붕소) 및 C(탄소)로부터 선택되는 1종 또는 2종, M은 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이다.
a∼g는 합금의 원자%로, 10≤a+b≤15, 3≤d≤15, 0.01≤e≤4, 0.04≤f≤4, 0.01≤g≤11이며 잔부는 c이다.
이 경우, R1으로서는, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, Er, Yb 및 Lu를 들 수 있고, 바람직하게는 Nd 및 Pr을 주체로 하여, R1 중 Nd 및/또는 Pr이 10원자% 이상, 보다 바람직하게는 50원자% 이상 함유하는 것이 바람직하다.
또, R1과 R2(Tb 및/또는 Dy)의 합계량 a+b는 상기한 바와 같이 10∼15원자% 이지만, 보다 바람직하게는 12∼15원자% 이다. 이 경우, R2의 양 b는 0.01∼8원자%, 보다 바람직하게는 0.05∼6원자%, 보다 바람직하게는 0.1∼5원자%인 것이 바람직하다.
또한, T는 Fe 및/또는 Co이지만, 바람직하게는 60원자% 이상, 특히 70원자% 이상이며, 이 경우, Co는 0원자% 이어도 좋지만, 잔류 자속밀도의 온도안정성을 향상시키는 등의 점에서 1원자% 이상, 보다 바람직하게는 3원자% 이상, 특히 5원자% 이상 함유해도 좋다.
A는, 상술한 바와 같이, B 및/또는 C이지만, A는 B를 80원자% 이상, 특히 85원자% 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다. A의 양 d는 3∼15원자% 이지만, 바람직하게는 4∼12원자%, 보다 바람직하게는 5∼8원자% 이다.
F(불소)의 함유량 e는, 0.01∼4원자% 이지만, 바람직하게는 0.02∼3.5원자%, 특히 0.05∼3.5원자% 이며, 불소함유량이 지나치게 적으면 보자력 증대의 효과가 확인되지 않고, 지나치게 많으면 입계상이 변질되어 보자력이 감소된다.
O(산소)의 함유량 f는 0.04∼4원자% 이지만, 바람직하게는 0.04∼3.5원자%, 특히 0.04∼3원자% 이다.
또한 다른 금속원소(M)의 함유량 g는, 전술한 바와 같이 0.01∼11원자% 이지만, 바람직하게는 0.01∼8원자%, 특히 0.02∼5원자% 이며, 0.05원자% 이상, 특히 0.1원자% 이상 포함되어 있어도 된다.
이 경우, 본 발명의 희토류 영구자석은, 그 소결 자석체의 F 및 R2가 당해 자석체의 중심으로부터 자석체 표면을 향해서 평균적으로 F 및 R2의 함유 농도가 짙어지도록 분포되어 있다. 즉, 자석체의 표면부에 있어서 F 및 R2의 농도가 가장 높고, 중심을 향해서 그 농도가 점차 저하되어 가는 것이다. 또한, 이 자석체의 중심부에서, F는 존재하지 않아도 되고, 결정립계부의 자석체 표면에서 적어도 20㎛의 깊이까지의 영역에서 그 결정립계부에 R1 및 R2의 산불화물, 전형적으로는 (R1 1 - xR2 x)OF[x는 0∼1의 수]가 존재하고 있으면 된다. 또, 이 소결 자석중의 소위(R1, R2)2T14A 정방정으로 이루어지는 주상 결정립의 주위를 둘러싸는 결정립계부에서, 결정립계에 포함되는 R2/(R1+R2)의 농도가 주상 결정립중의 R2/(R1+R2) 농도보다 평균적으로 짙어져 있는 것이다.
또한, 결정립계부에 존재하는 산불화물에 포함되는 Nd 및/또는 Pr의 R1+R2에 대한 원자분률이, 이 산불화물 및 R3의 산화물(R3는 Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)을 제외한 결정립계부에 있어서의 Nd 및/또는 Pr의 R1+R2에 대한 원자분률 보다도 높은 것이 바람직하다.
본 발명의 희토류 영구자석은, 특히 R-Fe-B계 소결 자석체 표면으로부터 Tb 및/또는 Dy와 불소를 흡수, 침투시킴으로써 얻을 수 있다.
여기에서, 상기 R-Fe-B계 소결 자석체는, 상법에 따라, 모합금을 조분쇄, 미분쇄, 성형, 소결시킴으로써 얻을 수 있다.
이 경우, 모합금은 R, T, A, M을 함유한다. R은 Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이며, 구체적으로는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb 및 Lu를 들 수 있고, 바람직하게는 Nd, Pr, Dy를 주체로 한다. 이들 Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소는 합금 전체의 10∼15원자%, 특히 12∼15원자%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 R 중에 Nd와 Pr 또는 그 어느 1종을 전체 R에 대해 10원자% 이상, 특히 50원자% 이상 함유하는 것이 적합하다. T는 Fe 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종으로, Fe는 합금 전체의 50원자% 이상, 특히 65원자% 이상 함유하는 것이 바람직하다. A는 B 및 C로부터 선택되는 1종 또는 2종으로, b는 합금 전체의 2∼15원자%, 특히 3∼8원자% 함유하는 것이 바람직하다. M은 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 0.01∼11원자%, 특히 0.1∼5원자% 함유해도 좋다. 잔부는 N, O 등의 불가피한 불순물이다.
모합금은 원료 금속 또는 합금을 진공 또는 불활성 가스, 바람직하게는 Ar 분위기중에서 용해한 후, 평탄한 몰드나 북 몰드에 캐스팅 하거나, 또는 스트립 캐스팅에 의해 주조함으로써 얻어진다. 또, 본계 합금의 주상인 R2Fe14B 화합물 조성 에 가까운 합금과 소결 온도에서 액상조제가 되는 R 풍부한 합금을 각각 제작하고, 조분쇄 후에 칭량 혼합하는, 소위 2합금법도 본 발명에는 적용 가능하다. 단, 주상 조성에 가까운 합금에 대해, 주조시의 냉각속도나 합금 조성에 의존하여 α-Fe가 잔존하기 쉬워, R2Fe14B 화합물상의 양을 늘릴 목적으로 필요에 따라서 균질화 처리를 시행한다. 그 조건은 진공 또는 Ar 분위기 중에서 700∼1,200℃에서 1시간 이상 열처리한다. 액상조제가 되는 R 풍부한 합금에 대해서는 상기 주조법 이외에, 소위 액체 급랭법이나 스트립 캐스팅법도 적용할 수 있다.
상기 합금은 통상 0.05∼3mm, 특히 0.05∼1.5mm로 조분쇄 된다. 조분쇄 공정에는 브라운 밀 또는 수소 분쇄가 사용되고, 스트립 캐스팅에 의해 제작된 합금의 경우에는 수소 분쇄가 바람직하다. 조분은, 예를 들면 고압 질소를 사용한 제트 밀에 의해 통상 0.2∼30㎛, 특히 0.5∼20㎛로 미분쇄 된다. 이때, 고압 질소에 미량의 산소를 혼합함으로써 소결체의 산소량이 제어된다. 잉곳 제작시에 혼입하는 산소와 미분으로부터 소결체에 이를 때까지 흡수한 산소를 합하여, 최종적인 소결체에 포함되는 산소량은 0.04∼4원자%, 특히 0.04∼3.5원자%인 것이 바람직하다.
미분말은 자계중 압축성형기로 성형되어 소결노에 투입된다. 소결은 진공 또는 불활성 가스 분위기 중, 통상 900∼1,250℃、 특히 1,000∼1,100℃에서 행해진다. 얻어진 소결 자석은 정방정 R2Fe14B 화합물을 주상으로 하여 60∼99체적%, 특히 바람직하게는 80∼98체적% 함유하고, 잔부는 0.5∼20체적%의 R이 풍부한 상, 0∼10체적%의 B가 풍부하는 상, 0.1∼10체적%의 R의 산화물 및 불가피한 불순물에 의해 생성한 탄화물, 질화물, 수산화물 중 적어도 1종 또는 이들 혼합물 또는 복합물로 이루어진다.
얻어진 소결 블록은 소정 형상으로 연삭된다. 이 다음, 본 발명의 특징인 자석체 표층부의 보자력이 내부보다도 높은 자기적 구조를 부여하기 위해서, Tb 및/또는 Dy를 주체로 하는 희토류 원소 및 F를 자석체 표면으로부터 흡수시킨다.
처리법의 일례로서, Tb 및/또는 Dy와, 불소 원자를 포함하는 분말을 상기 소결 자석체 표면에 존재시키고, 자석과 분말은 진공 또는 Ar, He 등의 불활성 가스 분위기 중에서 소결 온도(Ts라고 칭함) 이하의 온도, 바람직하게는 200∼(Ts-5)℃, 특히 250∼(Ts-10)℃에서 0.5∼100시간, 특히 1∼50시간 열처리한다. 이 처리에 의해 Tb 및/또는 Dy와 불소는 자석 표면으로부터 자석 내에 흡수되고, 자석내에 존재하고 있던 희토류 원소의 산화물은 F와 반응하여 산불화물로 화학변화 한다.
또한, 자석 내에 존재하는 R(Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소)의 산불화물이란 바람직하게는 ROF이지만, 이것 이외의 ROmFn(m, n은 임의의 정수)이나, 금속원소에 의해 R의 일부를 치환했거나 또는 안정화된 것 등, 본 발명의 효과를 달성할 수 있는 R과 산소와 불소를 포함하는 산불화물을 가리킨다.
이때, 자석체 내에 흡수되는 F량은, 사용하는 분말의 조성, 입도, 처리시에 자석 표면을 둘러싸는 공간 내에 존재시키는 비율, 자석의 비표면적, 처리온도·시간에 의해 변화되지만, 0.01∼4원자%, 특히 0.05∼3.5원자%인 것이 바람직한데, 특히 자석체 표면층에 있어서의 보자력의 증대의 점에서 0.1∼3.5원자%인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.15∼3.5원자% 이며, 이것을 위해 자석체 표면에 F를 0.03∼30mg/cm2, 특히 0.15∼15mg/cm2 공급, 흡수시키는 것이 바람직하다.
또, 상기 처리에 의해 Tb 및/또는 Dy 성분도 입계근방에 농화하여 이방성을 증대시키지만, 이 경우, 자석체 내에 흡수되는 Tb, Dy의 합계량은, 0.005∼2원자%, 보다 바람직하게는 0.01∼2원자%, 더욱 바람직하게는 0.02∼1.5원자% 이며, 자석체 표면에 Tb, Dy를 합계로 0.07∼70mg/cm2, 특히 0.35∼35mg/cm2 공급, 흡수시키는 것이 바람직하다.
얻어진 자석체에 있어서의 표면층의 보자력은 내부의 그것과 비교하여 높은 값을 나타낸다. 이것들의 보자력의 차는 상한을 정하는 것은 아니지만, 내부와 표층부에서의 퍼미언스가 0.5∼30%정도 상이한 것을 고려하면, 표층부의 보자력은 내부(자석체 표면으로부터 2mm 이상의 깊이의 부위)의 보자력보다도 5∼150%, 보다 바람직하게는 10∼150%, 더욱 바람직하게는 20∼150% 높은 것이 바람직하다.
또한, 자석체의 각 부위에 있어서의 보자력에 대해서는, 자석체를 잘게 잘라, 개개의 소편(小片)의 자기특성을 측정함으로써 알 수 있다.
이상과 같이 해서 얻어진 본 발명의 영구자석 재료는, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다도 높은 경사기능을 갖고, 내열성을 향상시킨 영구자석으로서 사용할 수 있고, 특히 각종 모터, 픽업의 액추에이터 등에 대한 용도에 유용하다.
(실시예)
이하, 본 발명의 구체적 태양에 대해 실시예 및 비교예로써 상세히 설명하지 만, 본 발명의 내용은 이것에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1, 비교예 1]
Nd가 13.5원자%, Al이 0.5원자%, Cu가 0.4 원자%, B가 6.0원자%, Fe가 잔부로 이루어지는 박판 형상의 합금은, 순도 99질량% 이상의 Nd, Cu, Al, Fe 메탈과 페로보론을 소정량 칭량하고 Ar 분위기 중에서 고주파용해하고, 동제 싱글 롤에 용탕을 붓는 스트립 캐스팅법에 의해 제작되었다. 이 합금을 소위 수소 분쇄에 의해 30메시 이하의 조분말로 만들었다.
계속해서, 조분말은 고압 질소 가스를 사용한 제트 밀로, 분말의 질량 중위 입경 3.7㎛로 미분쇄 되었다. 얻어진 혼합 미분말을 대기에 접촉시키지 않고 질소분위기하에 15kOe의 자계중에서 배향시키면서, 약 1ton/cm2의 압력으로 성형했다. 이어서, 이 성형체를 대기에 접촉시키지 않고 Ar 분위기의 소결노 내에 투입하고, 1,050℃에서 2시간 소결하여 자석 블록을 제작했다. 자석 블록은 직경 20mm×두께(배향방향) 14mm 치수로 전면 연삭가공 했다. 또한, 이 자석체의 퍼미언스의 평균값은 2이다.
자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 아세트산 수용액으로 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정공정이 포함되어 있다.
다음에 불화 디스프로슘의 에탄올 분산액을 제작하고, 이것에 48kHz의 초음파를 인가하면서 자석체를 1분간 담갔다. 끌어 올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 또한, 불화 디스프로슘의 평균 분말입경은 5㎛ 이며, 에탄올과의 혼합 비율은 50질량% 로 했다. 이때의 불화 디스프로슘의 공급량은 0.8mg/cm2 이었다. 이것에 Ar 분위기 중 900℃에서 1시간이라는 조건으로 흡수 처리를 시행하고, 또한 520℃에서 1시간 시효처리 하고 급랭함으로써 본 발명의 자석체를 얻었다. 이것을 자석체 M1이라 칭한다. 비교를 위해 불화 디스프로슘을 부착시키지 않고 열처리를 시행한 자석체도 제작했다. 이것을 P1이라 칭한다.
자석체 M1, P1의 자기특성을 표 1에 나타냈다. 또, 자석 조성을 표 2에 나타냈다. 불화 디스프로슘의 흡수 처리를 시행하지 않은 자석(P1)과 비교하여, 본 발명에 의한 자석은, 거의 동등한 자기특성을 나타내고 있다. 이들 자석체에 관해서, 50∼200℃에서 1시간 방치한 후, 전자속량을 측정했다. 실온(25℃)에 있어서의 전자속량에 대해 5% 감자한 온도를 최대 사용온도로 정의하고, 그 결과도 표 1에 병기했다. M1은, P1과 거의 동등한 보자력임에도 불구하고, 최대 사용온도는 20℃ 상승했다.
계속해서, M1 및 P1을, 배향방향(14mm의 방향)을 따른 0.5mm의 두께의 박판으로 잘라내고, 또한 그 중심부를 4×4mm로 잘라냈다. 4×4×두께 0.5mm의 소편 자석의 보자력을 원래 블록의 표면으로부터의 거리에 대해 플롯 한 것을 도 1에 도시했다. P1은 일정값을 취하고 있는 것에 반해, M1에서는 표층부에서는 높고, 내부에서는 P1과 동일한 보자력을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 이들 소편 자석은, 블록 자석의 표층부로부터 내부에 걸친 각 부위의 보자력을 보이고 있다고 할 수 있고, 본 발명에 의한 자석체 M1은 자석 내부에 보자력의 분포가 있어, 표층부에서 높은 값을 취하고 있는 것을 알 수 있었다.
EPMA에 의한 자석체 M1, P1의 표층부 부근에서의 Dy 조성 이미지를 도 2(a) 및 (b)에 각각 나타낸다. 자석 원료합금에는 Dy는 포함되어 있지 않기 때문에, P1에서는 Dy의 존재를 나타내는 밝은 콘트라스트는 확인되지 않는다. 한편, 본 발명의 불화 디스프로슘을 사용하여 흡수처리한 자석 M1에서는 결정립계에만 Dy가 농화되어 있다. 도 3에, Dy 흡수처리한 자석 M1에 있어서의 평균 Dy 농도와 평균 F 농도의 깊이 방향에 대한 변화를 플롯 했다. 입계에 농화되어 있는 Dy와 F는 자석 내부로 갈수록, 그 농도가 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
도 4에는, M1의 도 2와 동일 시야에서의 Nd(도 4(a)), O(도 4(b)), F(도 4(c))의 조성 이미지를 도시했다. 흡수된 불소는, 자석 내에 이미 존재하고 있던 산화 네오디뮴과 반응하여, 산불화 네오디뮴이 생성되어 있는 것을 알았다.
이상으로부터, Dy의 입계에의 농화, 산불화물의 분산, Dy와 F의 농도 구배, 및 자석 내부에 있어서의 보자력의 분포를 특징으로 하는 자석체에 있어서, 적은 Dy량으로 높은 내열성을 발현시키는 것이 가능하게 되었다.
[실시예 2, 비교예 2]
Nd가 12.0원자%, Dy가 1.5원자%, Al이 0.5원자%, Cu가 0.4원자%, B가 6.0원자%, Fe가 잔부로 이루어지는 박판 형상의 합금은, 순도 99질량% 이상의 Nd, Dy, Cu, Al, Fe 메탈과 페로보론을 소정량 칭량하고 Ar 분위기 중에서 고주파용해하고, 동제 싱글 롤에 용탕을 붓는 스트립 캐스팅법에 의해 제작되었다. 이 합금을 소위 수소 분쇄에 의해 30메시 이하의 조분말로 만들었다.
계속해서, 조분말은 고압 질소 가스를 사용한 제트 밀로, 분말의 질량 중위 입경 4.2㎛로 미분쇄 되었다. 얻어진 혼합 미분말을 대기에 접촉시키지 않고 질소분위기하에 15kOe의 자계 중에서 배향시키면서, 약 1ton/cm2의 압력으로 성형했다. 이어서, 이 성형체를 대기에 접촉시키지 않고 Ar 분위기의 소결노 내에 투입하고, 1,060℃에서 2시간 소결하여, 자석 블록을 제작했다. 자석 블록은 직경 10mm×두께(배향 방향) 7mm 치수로 전면 연삭가공 했다. 또한, 이 자석체의 퍼미언스의 평균값은 2이다.
자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 질산 수용액으로 세정하고 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정공정이 포함되어 있다.
다음에 불화 테르븀의 순수 분산액을 제작하고, 이것에 48kHz의 초음파를 인가하면서 자석체를 1분간 담갔다. 끌어 올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 또한, 불화 테르븀의 평균 분말입경은 10㎛ 이며, 물과의 혼합비율은 50질량%로 했다. 이때의 불화 테르븀의 공급량은 1.2mg/cm2 이었다. 이것에 Ar 분위기 중에 800℃에서 5시간이라는 조건으로 흡수 처리를 시행하고, 또한 510℃에서 1시간 시효처리 하여 급냉함으로써 본 발명의 자석체를 얻었다. 이것을 자석체 M2라 칭한다. 비교를 위해 불화 테르븀을 부착하지 않고 열처리를 시행한 자석체도 제작했다. 이것을 P2라 칭한다.
자석체 M2 및 P2의 자기특성과 실시예 1에서 나타낸 정의에 기초하는 최대 사용 온도를 표 1에 나타냈다. 또, 자석 조성을 표 2에 나타냈다. 불화 테르븀의 흡수 처리를 시행하지 않은 자석 (P2)와 비교하여, 본 발명에 의한 자석은, 거의 동등한 잔류 자속밀도와 높은 보자력을 보였고, 최대 사용온도는 45℃ 상승했다. EPMA 에 의한 자석체 M2, P2의 Tb 및 F의 분포는, 실시예 1에서 나타낸 Dy 및 F의 분포와 동일했다. 소편으로 잘라낸 자석의 보자력에 관해서도, 실시예 1과 동일한 분포가 측정되었다.
이상으로부터, Tb의 입계에의 농화, 산불화물의 분산, Tb와 F의 농도 구배, 및 자석 내부에서의 보자력의 분포를 특징으로 하는 자석체에 있어서, 적은 Tb량으로 높은 내열성을 발현시키는 것이 가능하게 되었다.
[실시예 3∼7, 비교예 3∼7]
Nd가 11.5원자%, Pr이 1.0원자%, Dy가 1.0원자%, Al이 0.5원자%, Cu가 0.3원자%, M'(Cr, Ni, Mo, Zr 또는 Ti)이 1.0원자%, B가 5.8원자%, Fe가 잔부로 이루어지는 박판 형상의 합금을, 순도 99질량% 이상의 Nd, Pr, Dy, Al, Fe, Cu, Co, Ni, Mo, Zr, Ti 메탈과 페로보론을 소정량 칭량하고 Ar 분위기 중에서 고주파용해하고, 동제 싱글 롤에 용탕을 붓는 스트립 캐스팅법에 의해 제작되었다. 이 합금을 소위 수소 분쇄에 의해 30메시 이하의 조분말로 만들었다.
계속해서, 조분말은 고압 질소 가스를 사용한 제트 밀로, 분말의 질량 중위 입경 5.1㎛로 미분쇄 되었다. 얻어진 혼합 미분말을 대기중에서 15kOe의 자계중에서 배향시키면서, 약 1ton/cm2의 압력으로 성형했다. 이어서, 이 성형체를 Ar 분위기의 소결노 내에 투입하고, 1,060℃에서 2시간 소결하여, 자석 블록을 제작했다. 자석 블록은 직경 10mm×두께(배향 방향) 7mm치수로 전면 연삭가공 했다. 또한, 이 자석체의 퍼미언스의 평균값은 2이다.
자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 질산 수용액으로 세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정공정이 포함되어 있다.
다음에 불화 테르븀과 산화 네오디뮴을 질량 분률로 90:10으로 혼합한 분말의 에탄올 분산액을 제작하고, 이것에 48kHz의 초음파를 인가하면서 자석체를 1분간 담갔다. 끌어 올린 자석은 진공 데시케이터에 놓여지고, 실온에서 로터리 펌프에 의한 배기분위기하에서 30분간 건조시켰다. 또한, 불화 테르븀과 산화 네오디뮴의 평균 분말입경은, 각각 10㎛, 1㎛ 이며, 에탄올과의 혼합비율은 50질량%로 했다. 이때의 불화 테르븀의 공급량은 1.5∼2.3mg/cm2 이었다. 이것에 Ar 분위기 중에 900℃에서 3시간이라는 조건으로 흡수 처리를 시행하고, 또한 500℃에서 1시간 시효처리 하고 급랭함으로써 본 발명의 자석체를 얻었다. 이들 자석체를 첨가원소가 M'=Cr, Ni, Mo, Zr, Ti의 순으로 자석체 M3∼7이라 칭한다. 비교를 위해 불화 테르븀 및 산화네오디뮴을 부착시키지 않고 열처리를 시행한 자석체도 제작했다. 이것들도 동일하게 P3∼7이라 칭한다.
자석체 M3∼7 및 P3∼7의 자기특성과 실시예 1에서 나타낸 정의에 기초하는 최대 사용온도를 표 1에 나타냈다. 또, 자석 조성을 표 2에 나타냈다. 불화 테르븀의 흡수 처리를 시행하지 않은 자석과 비교하여, 본 발명에 의한 자석은, 거의 동등한 자기특성을 나타내고 있지만, 최대 사용온도는 20∼30℃ 상승했다. EPMA에 의한 자석체 M3∼7, P3∼7의 Tb 및 F의 분포에 대해서도, 실시예 1에서 나타낸 Dy 및 F의 분포와 동일했다. 또한, 소편으로 잘라낸 자석의 보자력에 관해서도, 실시예 1과 동일한 분포가 측정되었다.
이상으로부터, Tb의 입계에의 농화, 산불화물의 분산, Tb와 F의 농도 구배, 및 자석 내부에서의 보자력의 분포를 특징으로 하는 자석체에 있어서, 적은 Tb량으로 높은 내열성을 발현시키는 것이 가능하게 되었다.
Figure 112006007685523-PAT00001
Figure 112006007685523-PAT00002
분석값은, 희토류 원소에 대해서는, 실시예, 비교예와 동등한 시료를 왕수에 의해 전량 녹이고, ICP법에 의해 구했다. 산소에 대해서는 불활성 가스 융해 적외 흡수 측정법으로, 불소에 대해서는 수증기 증류-알푸슨 비색법으로 구했다.
본 발명에 의하면, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다도 높은 자기적 구조를 가져, 효율적으로 내열성을 향상시킨 영구자석을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. R1 aR2 bTcAdFeOfMg 조성(R1은 Sc 및 Y를 포함하고, Tb 및 Dy를 제외한 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상, R2는 Tb 및 Dy로부터 선택되는 1종 또는 2종, T는 Fe 및 Co로부터 선택되는 1종 또는 2종, A는 B 및 C로부터 선택되는 1종 또는 2종, M은 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상, a∼g는 합금의 원자%로, 10≤a+b≤15, 3≤d≤15, 0.01≤e≤4, 0.04≤f≤4, 0.01≤g≤11 잔부가 c)을 갖는 소결 자석체로서, 이 소결 자석체 중의 (R1, R2)2T14A 정방정으로 이루어지는 주상 결정립의 주위를 둘러싸는 결정립계부에서, 결정립계에 포함되는 R2/(R1+R2)의 농도가 주상 결정립 중의 R2/(R1+R2) 농도보다 평균적으로 짙고, 게다가, R2가 자석체 중심으로부터 자석체 표면을 향해서 평균적으로 그 함유 농도가 짙어지도록 분포되고, 또한, 결정립계부의 자석체 표면으로부터 적어도 20㎛의 깊이 영역에까지, 결정립계부에 (R1, R2)의 산불화물이 존재하고, 자석체 표층부의 보자력이 내부보다 높은 것을 특징으로 하는 경사기능성 희토류 영구자석.
  2. 제 1 항에 있어서, 결정립계부에 존재하는 산불화물에 포함되는 Nd 및/또는 Pr의 R1+R2에 대한 원자 분률이, 이 산불화물 및 R3의 산화물(R3는 Sc 및 Y를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)을 제외한 결정립계부에서의 Nd 및/또는 Pr의 R1+R2에 대한 원자 분률보다도 높은 것을 특징으로 하는 경사기능성 희토류 영구자석.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, R1이 Nd 및/또는 Pr을 10원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 경사기능성 희토류 영구자석.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, T가 Fe를 60원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 경사기능성 희토류 영구자석.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, A가 B를 80원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 경사기능성 희토류 영구자석.
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