KR20080001021A - Method for producing alloy ribbons(or strips) by the centrifugal solidification process - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 있어서 냉각롤과 그 주요 부품의 정면도1 is a front view of the cooling roll and its main parts in the present invention;
도 2는 본 발명의 있어서 냉각롤과 그 주변 부품의 사시도Figure 2 is a perspective view of the cooling roll and its peripheral parts in the present invention
도 3은 본 발명의 있어서 턴디쉬 및 노즐의 사시도Figure 3 is a perspective view of the tundish and nozzle in the present invention
도 4는 본 발명의 있어서 로울러 및 스크레퍼의 사시도Figure 4 is a perspective view of the roller and the scraper in the present invention
도 5는 본 발명에 의해 제조된 Nd-Fe-B 자석합금의 스트립 외형사진 및 두께 측정결과5 is a strip outline photograph and thickness measurement results of the Nd-Fe-B magnet alloy prepared according to the present invention
도 6은 본 발명에 의해 제조된 Nd-Fe-B 자석합금의 스트립의 상대밀도의 측정결과6 is a measurement result of the relative density of the strip of Nd-Fe-B magnet alloy prepared by the present invention
도 7은 본 발명에 의해 제조된 Nd-Fe-B 자석합금의 스트립의 미세조직7 is a microstructure of the strip of Nd-Fe-B magnet alloy prepared by the present invention
도 8은 본 발명에 의해 제조된 Nd-Fe-B 자석합금의 스트립의 RXD측정결과8 is an RXD measurement result of a strip of Nd-Fe-B magnet alloy prepared by the present invention
도 9는 본 발명에 의해 제조된 Nd-Fe-B 자석합금의 스트립의 SEM분석9 is a SEM analysis of the strip of Nd-Fe-B magnet alloy prepared by the present invention
도 10은 본 발명에 의해 제조된 Nd-Fe-B 자석합금의 스트립의 VSM측정결과10 is a VSM measurement result of the strip of Nd-Fe-B magnet alloy prepared by the present invention
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]
1 : 챔버 3 : 냉각롤1
6 : 합금리본(혹은 스트립) 9 : 턴디쉬6: alloy ribbon (or strip) 9: tundish
10 : 노즐 11 : 로울러10: nozzle 11: roller
11a : 로울러 이동방향 11b: 로울러 지지축11a:
12 : 스크레퍼 12a : 스크레퍼 선단부12:
12b : 스크레퍼 지지축 15: 회수된 합금리본(혹은 스트립)12b: scraper support shaft 15: recovered alloy ribbon (or strip)
16: 합금리본(혹은 스트립) 회수용 가이드16: Guide for recovering alloy ribbon (or strip)
17 : 합금리본(혹은 스트립) 회수 용기 28 : 스크레퍼 접촉용 추17: Alloy ribbon (or strip) recovery container 28: Weight for scraper contact
일반적으로 자성재료(경질/연질 각종 자성재료), 수소저장합금, 2차전지용 음극재료 등의 제조법으로 잘 알려진 급속응고법(RSP)중의 하나인실용 고성능 희토류 영구자석 재료(Sm-Co계, Nd-Fe-B계 및 Sm-Fe-N계 등)와 연질자성재료(아몰퍼스합금, 샌더스트, 퍼멀로이 등), 수소저장합금(LaNi5) 및 2차전지용 음극재료 등의 제조법으로 잘 알려진 급속응고법(Rapid solidification Process)은 가스 분무법(gas atomizer)과 냉각롤 법(rotating chill roller) 2가지 방법으로 대별된다. 특히 후자의 냉각롤 법에 의한 경우, 각각 기능소재의 모합금 분말을 제조할 목적으로 진공 혹은 불활성 분위기 챔버내에서 원료 금속을 고주파 유도로 혹은 아크로를 사용하여 용해하여 대부분 고속으로 회전하는 냉각롤의 외주(outer circumference )에 순간적으로 접촉시켜 1차적으로 합금리본(혹은 스트립) 형태로 제조하여 조분쇄 및 미분쇄 공정을 거쳐 최종적으로 분말을 제조하게 된다. 그러나 이와 같이 제 조된 모합금 리본(혹은 스트립)의 양측 표면(냉각롤 접촉면과 비접촉면)과 내부의 미세조직은 냉각속도의 차이, 즉, 제조된 자석합금의 리본(혹은 스트립)의 미세조직과 두께(0.2-0.5mm범위)는 냉각롤의 회전속도와 노즐 사이즈나 용탕온도 등에 의한 용탕의 공급속도 등의 공정변수에 따라 더욱 차이가 있을 뿐만 아니라, 그 들의 공정변수의 제어가 매우 어렵기 때문에 급속냉각되어 응고된 결정질 합금리본(혹은 스트립)은 그 미세조직이 불 균질하기 때문에 적절한 열처리를 행하여도 자석합금 분말의 자기적 특성이 저하되는 것이 큰 문제점으로 지적되어 왔다. 실용 예로서, 실용 Nd-Fe-B계 및 Sm-Fe-N계 영구자석 합금리본이나 스트립을 제조할 경우, α-Fe 정출(晶出), 미세조직의 조대화 및 미세편석 등이 발생하게 되어 자석합금의 자기적 특성이 저하하는 것으로 알려져 있다.Generally high performance rare earth permanent magnet material (Sm-Co-based, Nd-), which is one of the rapid solidification methods (RSP), which is generally known for manufacturing magnetic materials (hard / soft various magnetic materials), hydrogen storage alloys, and anode materials for secondary batteries. Rapid solidification (Rapid), a well-known method of manufacturing Fe-B-based and Sm-Fe-N-based materials, soft magnetic materials (such as amorphous alloys, sand dust, permalloy, etc.), hydrogen storage alloys (LaNi5) and anode materials for secondary batteries The solidification process is roughly classified into two methods: gas atomizer and rotating chill roller. In particular, in the latter cooling roll method, the raw metal is melted using a high frequency induction furnace or an arc furnace in a vacuum or inert atmosphere chamber for the purpose of producing a master alloy powder of a functional material, respectively. After instantaneous contact with the outer circumference, it is first manufactured in the form of alloy ribbon (or strip), and finally powder is processed through coarse and fine grinding processes. However, both surfaces (cold roll contact surface and non-contact surface) and the internal microstructures of the mother alloy ribbon (or strip) thus manufactured are different from the cooling rate, that is, the microstructure of the ribbon (or strip) of the manufactured magnetic alloy. The thickness (range of 0.2-0.5mm) is not only different depending on the process variables such as the rotational speed of the cooling roll and the supply speed of the melt by the nozzle size or the melt temperature, but also because the control of their process variables is very difficult. The rapid cooling and solidification of the crystalline alloy ribbon (or strip) has been pointed out that the magnetic properties of the magnet alloy powder are deteriorated even after proper heat treatment because the microstructure is heterogeneous. As a practical example, when manufacturing practical Nd-Fe-B-based and Sm-Fe-N-based permanent magnet alloy ribbons or strips, α-Fe crystallization, coarsening of microstructures and micro segregation may occur. It is known that the magnetic properties of the magnet alloy are lowered.
따라서, 그러한 문제점을 개선하기 위한 수단으로 개발된 H.Kanekiyo 등에 의한 미국 특허기술(US 6790296)에 의하면, 급속 냉각롤의 외주에 용탕의 접촉시간을 지속시킬 목적으로 냉각롤의 수직 상방향으로부터 회전방향에 대하여 가능한 후방(11시 시계방향)으로 용탕을 접촉시키는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 종래의 단롤법이나 쌍롤법에 비하여 냉각 롤에 용탕의 접촉시간이 약간 증가됨으로써 합금리본(혹은 스트립)의 냉각속도가 증가할 수 있으나, 냉각 롤에 접촉되어 냉각되면서 불안정하게 비산하는 각도와 합금리본의 냉각속도 등을 고려하여 적절하게 조절하는 것은 매우 어려울 뿐만 아니라, 그 효과 또한 미미할 것으로 판단된다. 한편 이와 같은 현상은, Nd-Fe-B계 영구자석 합금리본(혹은 스트립)을 제조할 경우, 합금리본(혹은 스트립)의 부위(部位)에 따라 냉각속도가 다르기 때문에, 예를 들면, 상부(냉각롤과의 비접촉면)와 하부(냉각롤과의 접촉면)에는 얻고자하는 α-Fe, Nd2Fe14B 및 Fe-B 등의 화합물이 생성되지만, 중심부에는 열처리 후에도 그들의 화합물이 거의 존재하지 않고, 첨가원소의 편석, 미세조직의 조대화 및 불균질 등이 발생하여 자석합금의 자기적 특성이 저하하는 것으로 알려져 있으며, 이와 같은 현상은 실제 양산공정의 경우에도 전체 합금리본의 10%정도가 얻어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 문제를 개선하기 위한 실용기술의 일환으로 일본특허공개(특개평11-238612)로 공지된 기술에 의하면, 급속응고되어 얻어진 합금리본(혹은 스트립)을 우선 미분쇄하여 자성체 선별법 등으로 부적절한 입자(예를 들면, 자기적 특성이 낮은 분말입자)를 제거함으로써 자기적 특성을 향상시키는 방법으로서, 공정의 증가 등으로 생산성저하에 따른 제조공정 코스트에 문제가 있을 것으로 판단된다.Therefore, according to the US patent technique (US 6790296) by H. Kanekiyo et al., Developed as a means to improve such a problem, it rotates from the vertical upward direction of the cooling roll for the purpose of maintaining the contact time of the molten metal on the outer circumference of the rapid cooling roll. A method of contacting the molten metal as far back as possible (11 o'clock clockwise) is suggested. However, this method can increase the cooling rate of the alloy ribbon (or strip) by slightly increasing the contact time of the molten metal to the cooling roll compared to the conventional single roll method or twin roll method, but it scatters unstable as it cools in contact with the cooling roll. Considering the angle and the cooling rate of the alloy ribbon, it is not only difficult to adjust properly, but also the effect is considered to be insignificant. On the other hand, such a phenomenon is that when the Nd-Fe-B permanent magnet alloy ribbon (or strip) is manufactured, the cooling rate varies depending on the portion of the alloy ribbon (or strip). Compounds such as α-Fe, Nd 2 Fe 14 B, and Fe-B to be obtained are formed in the non-contact surface with the cooling roll) and the lower portion (contact surface with the cooling roll), but their compounds are hardly present in the center even after the heat treatment. In addition, segregation of added elements, coarsening of microstructures, and heterogeneity are known to reduce magnetic properties of the magnet alloy. It is known to be obtained. Therefore, according to a technique known as Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 11-238612 as part of a practical technique for improving such a problem, an alloy particle (or strip) obtained by rapid solidification is first pulverized and improper particles by magnetic screening. As a method of improving the magnetic properties by removing (for example, powder particles having low magnetic properties), it is considered that there is a problem in the manufacturing process cost due to the decrease in productivity due to the increase in the process.
또한 일본 특허기술(특개평11-209804 및 특개평11-297519)에 공지된 기술에 의하면, 전통적인 원심주조법을 이용한 기술의 일예로서, 원심력에 의해 보다 치밀한 자석합금의 미세조직이 얻어질 수 있겠지만, 원통형 내부에 응고되는 합금의 두께에 따라 냉각속도에 의한 미세조직에 큰 차이는 물론, 응고된 합금을 금형으로부터 분리 회수하여 조분쇄 등의 제조공정의 증가로 인해 생산 코스트가 상승하게 되는 것이 단점일 것으로 판단되며, 실제로 이상과 같은 특허기술의 구체적인 실효성이나 채택여부에 관한 보고는 전무한 실정이다.In addition, according to techniques known in Japanese Patent Applications (Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-209804 and 11-297519), as an example of a technique using a conventional centrifugal casting method, a finer structure of a magnetic alloy can be obtained by centrifugal force. It is a disadvantage that the production cost increases due to the increase in the manufacturing process such as coarse pulverization by separating and recovering the solidified alloy from the mold as well as a large difference in the microstructure due to the cooling rate depending on the thickness of the alloy solidifying inside the cylinder. In fact, there is no report on the specific effectiveness or adoption of the above patented technology.
본 발명은 전술한 바와 같이 종래의 급속응고장치의 문제점을 해결하기 위한 수단으로써, 회전하는 냉각롤의 외측 원주가 아니라, 내측 원주에 용융합금을 공급시켜 원심력이 부가되도록 함과 동시에 비교적 오래 안정적으로 접촉되도록 하여 냉각시켜 응고시킨 후, 스크레퍼(scraper)를 이용하여 스트립(혹은 리본)을 제거하여 회수하는 수단으로부터 이루어진다.The present invention is a means for solving the problems of the conventional rapid solidification apparatus as described above, by supplying the molten alloy to the inner circumference, not the outer circumference of the rotating cooling roll, so that centrifugal force is added and stable for a relatively long time. After contact is allowed to cool to solidify and then the strip (or ribbon) is removed using a scraper to recover.
이러한 본 발명은, 특히 용융합금의 냉각시, 냉각속도의 증가, 합금조직의 치밀화 및 미세화, 일방향 응고특성 향상 및 미세편석 저하 등에 의한 효과에 따라 목적용 합금(자성재료, 수소저장합금, 2차전지용 음극재료 등)의 제조에 적당한 제조방법으로 사용될 수 있으며, 특히 희토류 영구자석용 합금의 자기적 특성 향상이 예상된다.The present invention, in particular, when cooling the molten alloy, according to the effect of increasing the cooling rate, densification and miniaturization of the alloy structure, improve the unidirectional coagulation characteristics and decrease the segregation of the alloy (magnetic material, hydrogen storage alloy, secondary It can be used as a manufacturing method suitable for the production of battery negative electrode material, etc., in particular, the magnetic properties of the rare earth permanent magnet alloy is expected to improve.
도 1은 본 발명에 의한 진공챔버(1), 냉각롤(3), 턴디쉬(9), 노즐(10), 로울러(11), 스크레퍼(12) 및 주요 구성부품을 개략적으로 나타낸 정면도이다. 본 발명에 의한 급냉장치의 진공챔버는 산화되기 쉬운 희토류원소를 포함하는 자석합금 제조시 산소를 제거 및 불황성 가스로 치환하기 위해 일반적인 로터리 펌프 및 확산펌프와 연결이 기본적으로 필요하며, 그 밖에도 냉각롤 구동장치, 합금용해용 고주파 유도로, 냉각수 공급장치에 연결되는 냉각롤 구동 축 등이 구성됨으로써 이루어진다. 특히 냉각롤 내부에는 냉각효과 혹은 연속적인 작업으로 인해 냉각롤 내측표면의 온도상승을 피하기 위해 적절한 냉매(물, 공기, 액체질소 등)가 순환되도록 설계되는 것이 바람직하다.1 is a front view schematically showing a
도 2는 본 발명에 있어서 냉각롤(3), 로울러(11), 스크래퍼(12), 턴디쉬(9) 등으로 구성되는 냉각장치의 구성품을 부분적으로 나타낸 사시도이다. 냉각롤(3) 및 로룰러(11)의 재료는 열전도도가 크며 열충격에 견딜 수 있는 Cu 및 Cu합금(Cu-Be alloy 등) 등이 바람직하며, 냉각롤 내측 직경은 목적 합금리본(혹은 스트립)의 조업 용량이나 냉각롤 회전속도 및 합금리본(혹은 스트립)의 미조조직 등의 제조공정 변수에 직접적인 영향을 줄 있다. 따라서 목적 합금의 조업량(kg/일일)에 따라 크기를 조절할 수 있으며, 최적의 운전조건을 위해서는 냉각롤 내측 크기에 따라 그의 회전속도 및 노즐 사이즈 등을 조절함으로써 이루어진다.2 is a perspective view partially showing the components of a cooling device composed of a
냉각롤(3) 내측에 설치되는 로울러(11)는, 용융합금(8)이 턴디쉬(9)와 노즐(10)을 통과여 냉각롤 내측에 안정적으로 접촉 및 냉각되어 합금리본(혹은 스트립)의 형태(15)로 스크레퍼(12)에 의해 제거될 때까지 안정적으로 접촉될 수 있도록 하기 위한 수단으로써, 상기의 냉각롤 내측 원주의 중하단부(시계의 3시-4시 방향)에 접촉되도록 설치하되, 고정하지 않고 로울러(11) 및 로울로 홀더의 자중 혹은 추(혹은 용수철)를 이용하여 로울러 지지축(11b)을 중심으로 시계추처럼 좌우로 이동할 수 있도록 설치하는 것이 바람직하다. 또한 그의 재질은 냉각롤의 재료의 특성과 유사한 소재를 사용하여 과열되지 않도록 하는 것이 바람직하다.In the
스크레퍼(12)는 급속 냉각되어 응고된 합금리본(혹은 스트립)을 냉각롤 내측으로부터 제거하기 위한 것으로서, 반드시 로울러 하단부에 설치하되, 그 선단부에는 고속도 공구강(혹은 초경합금)(12a)을 부분적으로 부착하여 사용한다. 또한 스크레퍼(12)는 그의 지지축(12b)을 중심으로 상기의 로울러(11)와 마찬가지로 스크 레퍼 자체의 중량 혹은 추(28) 등을 이용하여 냉각롤(3) 내측에 반드시 접촉되어 합금리본(혹은 스트립)(6)(15)을 효과적으로 제거할 수 있도록 설치함으로써 이루어진다.The
도 3은 본 발명에 있어서, 냉각롤(3) 내측 원주에 목적용 용융합금을 공급하기 위한 턴디쉬(9)와 노즐(10)을 나타낸 것이다. 이 때 노즐(10)의 내경 사이즈는 냉각롤(3) 사이즈 및 합금리본의 조업량 등을 고려하여 적절하게 설계되어야 하며, 특히 원통형보다는 직사각형으로 제작하여 용융금속이 냉각롤 내측 원주에 가능한 평평하게 공급 및 접촉될 수 있도록 하되, 노즐하단과 냉각롤 접촉거리는 너무 떨어지게 설치되지 않도록 주의한다.FIG. 3 shows the tundish 9 and the
도 4는 냉각롤(3)과 스크레퍼(12)의 조립도를 나타낸 것으로서, 특히 로울러 지지축(11b)과 스크레퍼 지지축(12b)에는 그들의 원활한 구동 및 작동을 위해 베어링을 사용하여 제작하는 것이 바람직하다.Figure 4 shows the assembly of the
도 5와 도 6은 본 발명에 의한 실시예로서, 냉각롤 회전속도를 300rpm에서 700rpm까지 변화시켜 제조한 (a) Nd-Fe-B계 합금리본(혹은 스트립)의 시료모양과 두께, 그리고 (b) 비중을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 예상된 바와 같이 냉각롤(3) 회전속도 증가에 따라 합금리본(혹은 스트립)시료(15) 두께는 감소하였지만, 그들 시료의 비중은 반대로 증가함을 알 수 있었다. 그러한 이유는 냉각롤 회전속도에 따른 원심력의 변화에 따른 증거라고 할 수 있다.5 and 6 is an embodiment according to the present invention, the sample shape and thickness of the (a) Nd-Fe-B alloy ribbon (or strip) prepared by changing the cooling roll rotational speed from 300rpm to 700rpm, and ( b) shows the result of measuring specific gravity. As expected, although the thickness of the alloy ribbon (or strip)
도 7 및 도 8은 전술한 Nd-Fe-B계 합금리본(스트립) 시료의 미세조직과 XRD 패턴을 나타낸 것으로서, 냉각롤 회전속도 증가에 따른 냉각속도의 증가로 합금리 본(스트립) 시료의 결정질 미세조직이 더욱 미세해짐을 확인 수 있었다.7 and 8 show the microstructure and the XRD pattern of the above-described Nd-Fe-B-based alloy ribbon (strip) sample, the crystalline quality of the alloy ribbon (strip) sample with the increase of the cooling rate according to the increase in the rotational speed of the cooling roll It could be confirmed that the microstructure becomes more fine.
또한 도 9는 상기 시료를 XRD로 상분석을 행한 결과로서, Nd-Fe-B계 자석합금에서 얻어질 수 있는 Nd2Fe14B상과 Nd-rich phase 상이 얻어짐을 확인하였다. 또한 이들 상은 전자현미경의 EDX 점분석에 의해 화학조성을 분석결과 거의 일치하였다.In addition, FIG. 9 shows that the Nd 2 Fe 14 B phase and the Nd-rich phase phase that can be obtained from the Nd-Fe-B magnet alloy are obtained as a result of the phase analysis of the sample by XRD. In addition, these phases were almost in agreement with the chemical composition by EDX point analysis of electron microscope.
도 10은 상기의 전 시료를 막자사발로 분쇄하여 진동 시료형 자성측정장치(VSM)를 사용하여 자기적 특성을 측정한 결과로서, 회전속도가 비교적 저속인 300rpm에서 600rpm까지 증가할 경우에는 특히 보자력이 증가하였지만, 그 이상의 700rpm의 시료는 오히려 감소하였다.10 is a result of measuring the magnetic properties by using a vibrating specimen type magnetic measuring device (VSM) by grinding all the above samples in a mortar, especially when the rotational speed is increased from 300rpm to 600rpm at a relatively low speed Although this increased, samples of more than 700 rpm were rather reduced.
본 발명에 의한 급냉장치는 활성금속인 희토류 원소를 포함하는 각종 희토류 영구자석용 합금이나 수소저장재료 및 2차전지용 음극소재등 다양한 기능성 소재합금을 분말화하기 위한 1차적인 수단으로서, 종래의 냉각롤 외주에 용융금속을 접촉시키지 않고, 비교적 저속으로 회전하는 냉각롤 내측에 용융금속을 접촉시켜 급속응고시킴으로써, 합금의 응고조직의 미세화, 치밀화, 편석 저하 및 일방향 응고특성 향상 등에 따른 제품의 고품질 및 균질화 뿐만 아니라, 제품 생산성의 증대 및 설비비의 절감에 따른 경제적 효과에도 매우 유리하다.The quenching apparatus according to the present invention is a primary means for pulverizing various functional material alloys such as alloys for rare earth permanent magnets containing rare earth elements as active metals, hydrogen storage materials and negative electrode materials for secondary batteries. By contacting the molten metal to the inside of the cooling roll, which rotates at a relatively low speed, and rapidly solidifying the molten metal without contacting the outer circumference of the roll, the high quality of the product due to the miniaturization, densification, segregation, and unidirectional solidification characteristics of the alloy are improved. As well as homogenization, it is very advantageous for the economic effect of the increase of product productivity and the reduction of equipment cost.
또한 본 발명에 의한 급냉장치는, 종래 외측원주에 공급시키는 냉각롤에 의한 급냉장치에 비하여 냉각효과의 상승효과에 의해 0.5mm이상 두께의 합금리본(혹 은 스트립)의 제조가 가능하기 때문에 생산성 향상은 물론, 냉각롤 회전속도를 1000rpm이하의 비교적 저속으로도 조업이 가능하기 때문에 제조장치 및 그에 따른 설비비의 절감으로 인한 경제적 효과도 기대할 수 있다.In addition, the quenching apparatus according to the present invention is improved in productivity since the alloy ribbon (or strip) having a thickness of 0.5 mm or more can be manufactured by the synergistic effect of the cooling effect as compared to the quenching apparatus by the cooling rolls fed to the outer circumference. Of course, the cooling roll rotational speed can be operated even at a relatively low speed of less than 1000rpm can be expected economic effects due to the reduction of the manufacturing apparatus and equipment costs accordingly.
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