KR20080078531A - 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법 - Google Patents

레이디얼 이방성 자석의 제조 방법 Download PDF

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KR20080078531A
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

다이스와, 코어와, 상하 펀치를 구비한 원통 자석용 성형 금형의 캐비티 내에 자석분을 충전하고, 상기 자석분에 자기장을 인가하고, 상하 펀치에 의해 자석분을 가압하여 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 성형하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법에 있어서, 상부 펀치를 부분 가압 가능하게 분할 형성하고, 금형 캐비티 내에 충전한 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 성형할 때, 상부 펀치의 분할부와 하부 펀치로 자석분을 부분 가압하고, 자석분의 이 부분 가압부를 충전 밀도의 1.1배 이상 성형체 밀도 미만까지 고밀도화하고, 그 후 앞서 부분 가압한 압력 이상의 압력으로 캐비티 내의 모든 자석분을 상하 펀치 전체로 가압하여 본성형하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법.
원통 자석, 포화 자속 밀도, 자석분, 수평 자기장 수직 성형법, 캐비티, 펀치, 레이디얼 이방성 자석

Description

레이디얼 이방성 자석의 제조 방법{METHOD FOR PREPARING RADIALLY ANISOTROPIC MAGNET}
본 발명은 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법에 관한 것이다.
페라이트나 희토류 합금과 같은 결정 자기 이방성 재료를 분쇄하고, 특정 자기장 중에서 프레스 성형을 행하여 제작되는 이방성 자석은 스피커, 모터, 계측기, 기타 전기 기기 등에 널리 사용되고 있다. 이 중 특히 레이디얼 방향으로 이방성을 갖는 자석은 자기 특성이 뛰어나며, 자유로운 착자가 가능하고, 또한 세그먼트 자석과 같은 자석 고정용 보강의 필요도 없기 때문에 AC 서보 모터, DC 브러시리스 모터 등에 사용되고 있다. 특히 최근에는 모터의 고성능화에 따라 길이가 긴 레이디얼 이방성 자석이 요구되어 왔다. 레이디얼 배향을 갖는 자석은 수직 자기장 수직 성형법 또는 후방 압출법에 의해 제조되는데, 수직 자기장 수직 성형법은 프레스 방향으로부터 코어를 통하여 자기장을 대항(對抗) 방향으로부터 인가하여 레이디얼 배향(配向)을 얻는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 1에 레이디얼 이방성 자석을 제조하는 수직 자기장 수직 성형기의 설명도를 도시하였다. 여기서, 도면에서 1은 성형기 가대, 2는 배향 자기장 코일, 3은 다이스, 4는 상부 코어, 5는 하부 코어, 6은 상부 펀치, 7은 하부 펀치, 8은 충전 자석분(粉)이다. 이 수직 자기장 수직 성형기에 있어서, 코일에 의해 발생한 자계는 코어, 다이스, 성형기 가대, 코어가 될 자로를 형성시키고 있다. 이 경우, 자기장 누설 손실 저하를 위하여, 자로를 형성하는 부분의 재료에는 강자성체를 이용하며, 주로 철계 금속이 사용된다. 그러나, 자석분을 배향시키기 위한 자기장 강도는 아래와 같이 하여 결정되게 된다. 코어 지름을 B(자석분 충전 내경), 다이스 지름을 A(자석분 충전 외경), 자석분 충전 높이를 L이라 한다. 상하 코어를 통과한 자속이 코어 중앙에서 부딪쳐서 대항하여 다이스에 이른다. 코어를 통과한 자속량은 코어의 포화 자속 밀도로 결정되며, 철제 코어에서 자속 밀도가 20kG 정도이다. 따라서, 자석분 충전 내외경에서의 배향 자기장은 상하 코어를 통과한 자속량을 자석분 충전부의 내면적 및 외면적으로 나눈 것이 되며,
2·π·(B/2)2·20/(π·B·L)=10·B/L…내주,
2·π·(B/2)2·20/(π·A·L)=10·B2/(A·L)…외주
가 된다. 외주에서의 자기장은 내주보다 작으므로, 자석분 충전부 전체에 있어서 양호한 배향을 얻으려면 외주에서 10kOe 이상 필요하고, 이 때문에 10·B2/(A·L)=10이 되고, 따라서 L=B2/A가 된다. 성형체 높이는 충전분의 높이의 약 절반이며, 소결 시 다시 80% 정도가 되므로, 자석의 높이는 매우 작아진다. 이와 같이 코어 형상에 따라 배향 가능한 자석의 높이가 결정되게 되며, 수직 자기장 수직 성형기를 이용하여 대항하는 자기장에 의해 레이디얼 자석을 제작하는 방법에서는 길이가 긴 제품을 제조하기가 어려웠다.
또한 후방 압출법은 설비가 대규모이고 제품 수율이 나빠 저렴한 자석을 제조하기가 어려웠다.
이와 같이 레이디얼 이방성 자석은 어떤 방법에 있어서도 제조가 곤란하며, 저렴하게 대량으로 제조하기가 어렵고, 레이디얼 이방성 자석을 이용한 모터도 매우 비용이 비싸지게 된다는 불리함이 있었다.
따라서, 본 출원인은 길이가 긴 원통의 레이디얼 자석을 다련 성형으로 대량 생산하기 위하여, 종래의 수직 자기장 수직 프레스를 이용하지 않고, 강자성 코어를 배치한 수평 자기장 수직 프레스로 자기장 인가 후, 자기장 방향과 자석분을 상대적으로 회전시키고, 그 후 다시 자기장 인가하여 성형하는 방법, 즉
"원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질로 포화 자속 밀도 5kG이상을 갖는 강자성체를 이용하고, 금형 캐비티 내에 충전한 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 자석분에 배향 자계를 인가하여 성형함으로써 레이디얼 이방성 링 자석을 제조하는 방법으로서, 하기 (i)∼(v)
(i)자기장 인가 중 자석분을 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시킨다,
(ⅱ)자기장 인가 후, 자석분을 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
(ⅲ)자기장 인가 중 자기장 발생 코일을 자석분에 대하여 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시킨다,
(iv)자기장 인가 후, 자기장 발생 코일을 자석분에 대하여 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
(v)복수의 코일 쌍을 이용하여, 하나의 코일 쌍에 자기장 인가한 후, 다른 코일 쌍에 자기장을 인가한다
는 조작 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 자석분에 대하여 일 방향보다 많은 방향에서 자기장을 인가하여 가압 성형으로 제조되며, 자석 전반에 걸쳐 링 자석의 중심축과 레이디얼 이방성 부여 방향이 이루는 각도가 80° 이상 100° 이하인 레이디얼 이방성 링 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 링 자석의 제조 방법."
을 제안하였다(일본 특허 공개 2004-111944호 공보).
이 방법에 있어서, 수평 자기장 프레스 내에 강자성 코어를 배치함으로써 인가된 자기장은, 도 3(b)와 같이 자기장 인가 방향 부근에서 레이디얼 배향이 된다. 이 때, 자기장 인가 방향에 대하여 수직 방향에서는 레이디얼 배향이 되지 않았다. 따라서, 충전 자석분과 자기장 인가 방향을 상대적으로 회전시킨 후, 약한 자기장을 인가하고, 이전 번의 자기장 인가 시 레이디얼 배향이 되지 않은 부위를 레이디얼 배향으로 한다. 이러한 약한 자기장을 이용하면, 자기장 인가 방향의 수직 방향에서의 배향의 흐트러짐이 일어나지 않는다. 이와 같이 하여 둘레 방향 전체에 걸쳐 레이디얼 배향을 얻을 수 있다. 그러나, 성형 직전의 인가 자기장의 강도가 너무 세면 자기장 수직 방향에서 그 때까지 형성되어 있던 레이디얼 배향이 흐트러지게 된다. 또한 너무 약하면 자기장 인가 방향에서 직전의 자기장 인가 시에 형성된 흐트러진 배향을 레이디얼 배향으로 할 수 없다. 따라서, 균일한 레이디얼 배향을 얻을 수 있는지 여부는 성형 직전의 자기장 강도에 크게 좌우되며, 따라서 보다 안정적으로 생산을 행하는 방법이 요망되었다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 2004-111944호 공보
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 자기 특성이 뛰어나고, 다련, 길이가 길고 균일한 레이디얼 이방성 자석을 용이하게, 게다가 대량으로 안정적으로 저렴하게 제조할 수 있는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 원주형 중공부를 갖는 다이스와, 이 중공부 내에 배치되어 원통형 캐비티를 형성하는 원주형 코어와, 상기 캐비티 내를 상하 방향 슬라이딩 가능하게 배열 설치된 상하 펀치를 구비한 원통 자석용 성형 금형의 상기 캐비티 내에 자석분을 충전하고, 상기 다이스의 외측에서 코어의 지름 방향을 따라 상기 자석분으로 자기장을 인가하고, 상기 상하 펀치에 의해 자석분을 가압하여 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 성형하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법에 있어서, 적어도 상기 상부 펀치를 상기 자기장의 인가 방향에서 둘레 방향으로 각각 ±10°이상 ±80°이하의 영역에서 자석분을 부분 가압 가능하게 분할 형성함과 동시에, 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속 밀도 0.5T 이상을 갖는 강자성체를 이용하여 금형 캐비티 내에 충전한 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 성형할 때, 자석분에 배향 자기장을 인가 중 또는 인가 후, 자기장 인가 방향에서 둘레 방향으로 ±10°이상 ±80°이하의 영역에서 이 영역에 대응하는 상부 펀치의 분할부와 하부 펀치로 자석분을 부분 가압하고, 자석분의 이 부분 가압부를 자기장 인가 전의 충전 밀도의 1.1배 이상 성형체 밀도 미만까지 고밀도화하는 예비 성형을 행하고,
(i)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 자석분을 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
(ⅱ)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 자기장 발생 코일을 자석분에 대하여 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
(ⅲ)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 앞서 인가한 코일 쌍에 대하여 소정 각도 벗어난 위치에 배치된 코일 쌍으로부터 다시 자기장을 인가한다
는 조작의 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 이 두 번째의 자기장 인가 중 또는 자기장 인가 후에, 또는 필요에 따라 상기 예비 성형 및 상기 (i)∼(ⅲ)의 조작 중 적어도 하나의 조작을 반복한 후, 앞서 부분 가압한 이상의 압력으로 캐비티 내의 모든 자석분을 상하 펀치 전체로 가압하여 본성형하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법을 제공한다.
이 경우, 상기 예비 성형 및 본성형 중 또는 예비 성형 및 본성형 전에 행하는 자기장 인가에 있어서, 인가하는 자기장의 강도가 모두 159.5kA/m∼797.7kA/m인 것이 바람직하다. 또한, 상부 펀치의 분할 수가 균등하게 4, 6 또는 8분할된 것이 바람직하다. 더욱이, 필요에 따라 하부 펀치도 분할하도록 하여도 좋으나, 이 경우, 하부 펀치의 분할 영역을 상부 펀치의 분할 영역과 일치시키는 것이 바람직하다. 즉, 하부 펀치가 상기 자기장의 인가 방향에서 둘레 방향으로 각각 ±10° 이상 ±80° 이하의 영역에서 자석분을 부분 가압 가능하게 분할 형성되고, 상기 상부 펀치의 분할부와 이에 대향하는 하부 펀치의 분할부로 자석분을 부분 가압하도록 하는 것이 바람직하다.
(발명의 효과)
본 발명의 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법에 따르면, 다련, 길이가 긴 제품의 제조가 용이하고, 또한 자기 특성이 뛰어난 균일한 레이디얼 이방성 자석을 저렴하면서 대량으로 안정적으로 제공할 수 있어 산업상의 이용 가치가 매우 높다.
도 1은 레이디얼 이방성 원통 자석을 제조할 때 사용하는 종래의 수직 자기장 수직 성형 장치를 도시한 설명도로서, (a)는 종단면도, (b)는 (a)도에서의 A-A'선 단면도이다.
도 2는 원통 자석을 제조할 때 사용하는 수평 자기장 수직 성형 장치의 일 실시예를 도시한 설명도로서, (a)는 평면도, (b)는 종단면도이다.
도 3은 원통 자석을 제조할 때 사용하는 수평 자기장 수직 성형 장치에서 자기장 발생 시의 자력선의 모습을 모식적으로 도시한 설명도로서, (a)는 본 발명에 따른 성형 장치의 경우, (b)는 종래의 성형 장치의 경우이다.
도 4는 원통 자석을 제조할 때 사용하는 성형 장치 내에서 예비 성형을 행한 후의 모습을 도시한 설명도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 원통 자석의 성형 시, 자기장 중 배향을 행하기 위한 수평 자기장 수 직 성형 장치의 설명도로서, 특히 모터용 자석의 수평 자기장 수직 성형기이다. 여기서, 도 1의 경우와 마찬가지로, 1은 성형기 가대, 2는 배향 자기장 코일, 3은 다이스를 나타내며, 그리고 5a는 코어를 나타낸다. 6은 상부 펀치, 7은 하부 펀치, 8은 충전 자석분이며, 그리고 9는 폴 피스(pole pieces)를 나타낸다.
즉, 다이스(3)는 원주형 중공부를 가지며, 이 중공부 내에 이 중공부의 직경보다 작은 직경의 원주형 코어(5a)가 삽입되고, 다이스(3)와 코어(5a)와의 사이에 원통형 캐비티가 형성되고, 이 캐비티에 자석분(8)이 충전, 성형되어, 이 캐비티에 상응하는 형상의 자석이 성형되는 것이다. 이 경우, 상기 상하 펀치(6, 7)는 각각 상기 캐비티에 상하 방향 슬라이딩 가능하게 삽입되어, 캐비티 내의 충전 자석분(8)을 누르는 것이다. 또한 상기 캐비티 내의 자석분으로는 다이스(3)의 외측에서 코어(5a)의 지름 방향을 따라 자기장이 인가된다.
여기서, 본 발명에 있어서는, 상기 상부 펀치가 상기 자기장의 인가 방향에서 둘레 방향으로 각각 ±10° 이상 ±80° 이하의 영역, 바람직하게는 ±30° 이상 ±60° 이하의 영역에서 자석분을 부분 가압할 수 있도록 분할되어 있다. 이 경우, 하부 펀치는 분할하지 않고 일체형으로 하는 것이 바람직한데, 상부 펀치와 동일하게 분할하여도 좋다.
또한 본 발명에 있어서는, 상기 금형의 코어(5a)의 적어도 일부, 바람직하게는 전체를 포화 자속 밀도 0.5T(5kG) 이상, 바람직하게는 0.5∼2.4T(5∼24kG), 더욱 바람직하게는 1.0∼2.4T(10∼24kG)의 강자성체로 형성한다. 이러한 코어 재질로는 철계 재료, 코발트계 재료, 철-코발트계 합금재 및 이들의 합금재 등 자성을 갖는 재료를 들 수 있다.
이와 같이 포화 자속 밀도 0.5T 이상을 갖는 강자성체를 코어에 사용하면, 자석분에 배향 자계를 인가하는 경우, 자속은 강자성체 표면으로 수직으로 들어가려고 하기 때문에 레이디얼에 가까운 자력선을 그리게 된다. 따라서, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 자석분 충전부의 자계 방향을 레이디얼 배향에 근접시킬 수 있다. 이에 대하여, 종래에는 코어(5b)를 비자성 또는 자석분과 동등한 포화 자속 밀도를 갖는 재료로 형성하고 있으며, 이 경우, 자력선은 도 3(b)에 도시한 바와 같이 서로 평행하며, 상기 도면에 있어서 중앙 부근은 레이디얼 방향인데, 상측 및 하측으로 갈수록 코일에 의한 배향 자기장 방향이 된다. 코어를 강자성체로 형성하여도 코어의 포화 자속 밀도가 0.5T 미만인 경우, 코어는 쉽게 포화되어 버려, 강자성 코어를 사용하였음에도 불구하고 자기장은 도 3(b)에 가까운 상태가 된다. 이에 더하여, 0.5T 미만에서는 충전 자석분의 포화 밀도(자석의 포화 자속 밀도×자석분 충전 밀도/자석 진밀도)와 같아지며, 충전 자석분 및 강자성 코어 내에서의 자속의 방향은 코일의 자계 방향과 같아지게 된다. 한편, 코어의 일부에 0.5T 이상의 강자성체를 사용하였을 때에도 상기와 동일한 효과가 얻어져 유효하나, 전체가 0.5T 이상의 강자성체로 이루어지는 코어를 사용하는 것이 바람직하다.
코일에 의한 배향 자기장 방향에 대하여 90°인 방향에서는 레이디얼 배향이 되지 않는 경우가 있다. 자기장 중에 강자성체가 있는 경우, 자속은 강자성체로 수직으로 들어가려고 하여 강자성체로 끌어당겨지기 때문에, 강자성체의 자기장 방향 면에서는 자속 밀도가 상승하고, 수직 방향에서는 자속 밀도가 저하한다. 따라 서, 금형 내에 강자성 코어를 배치한 경우, 충전 자석분에 있어서 강자성 코어의 자기장 방향부에서는 강한 자기장에 의해 양호한 배향이 얻어지고, 수직 방향부에서는 별로 배향되지 않는다. 이를 보완하기 위하여, 자석분을 코일에 의한 발생 자기장에 대하여 상대적으로 회전시키고, 불완전 배향부를 자기장 방향의 강한 자기장부로 다시 배향한다.
그러나 이 때, 인가 자기장이 강하면 인가 자기장 방향에 수직한 방향으로 다시 레이디얼 배향을 흐트러뜨리게 되고, 또한 너무 약하면 자기장 인가 방향에서 흐트러져 있던 레이디얼 배향을 교정할 수 없다. 따라서, 성형 직전의 자기장 강도에 따라 균일한 레이디얼 배향이 얻어지는지가 크게 좌우되게 되어, 자석의 안정적인 생산이 어려워진다.
따라서 본 발명에 있어서는, 자기장 인가 중 또는 그 직후 한 번 형성된 자기장 인가 방향에서의 레이디얼 배향을 분할되어 이 부분만 가동 가능한 상부 펀치 또는 하부 펀치 중 어느 하나, 또는 상하 두 펀치에 의해 가압하여 예비 성형을 행함으로써 레이디얼 방향 이외의 자기장이 인가되어도 자석분이 회전을 일으키는 것을 억제한다. 이와 같이 하여, 최초의 자기장 인가 시에 예비 성형을 행하고, 그 후 회전 자기장 인가 로 본성형에 이르는 다단 성형을 행함으로써 균일한 레이디얼 배향을 갖는 성형체를 얻을 수 있다. 예비 성형 및 본성형은 자기장 인가 후에도 행할 수 있는데, 자기장 중에서 행함으로써 고배향이 얻어져 바람직하다.
예비 성형의 영역 기재에 있어서 자기장 인가 방향 0° 방향과 180° 방향은 동일하기 때문에, ±90°에서는 360° 즉 전역을 의미한다고 하자.
예비 성형 시의 가압부는 자기장 인가 방향에서 ±10° 이상의 영역에서 행할 것이 필요하다. 이보다 좁은 경우에는 본성형 시의 자기장 인가에서 레이디얼 배향이 흐트러지는 부위가 발생하기 때문이다. 예비 성형 시의 가압부가 자기장 인가 방향에서 ±80°를 초과하는 경우에는 인가 자기장의 수직 방향 근방까지 예비 성형을 행하게 되고, 레이디얼 배향이 아닌 부분까지 예비 성형을 행하게 되기 때문에 ±80° 이하가 좋다. 바람직하게는 ±30° 이상 ±60° 이하의 영역에서 행하는 것이 좋다.
펀치 분할 수는 4 이상이며, 바람직하게는 4, 6, 8분할이고, 균등하게 분할된 것이다. 분할 수가 8분할보다 많은 경우, 펀치 분할 수가 짝수에서는 펀치 분할 수의 1/2회의 예비 성형의 횟수이어도 좋으나, 분할 수가 많아지면 성형 택트가 길어지게 된다. 또한 홀수 분할을 한 경우에는 분할 수와 같은 수의 예비 성형을 하게 되어, 성형 택트가 길어지게 되어 생산성이 악화된다.
한편, 펀치의 분할은 상부 펀치를 상기와 같이 분할하고, 하부 펀치는 종래와 동일한 원통형의 형태로 하는 것이 바람직한데, 상부 펀치 및 하부 펀치 모두를 분할하여도 좋다.
펀치 분할 수가 많은 경우에는 본성형의 자기장 인가로 레이디얼 배향이 흐트러지거나 배향되지 않은 부분을 성형하거나 하는 경우는 없으나, 상기 분할 성형 영역을 벗어난 부분에서 예비 성형을 행하려면 분할 수가 많아지고, 성형 택트가 길어지기 때문에 8분할 이하가 바람직하다.
예비 성형의 가압의 정도는 충전 밀도의 1.1배 이상이어야 한다. 이보다 낮 은 가압에서는 예비 성형을 하였음에도 불구하고 본성형 시의 자기장 인가 시에 레이디얼 배향을 흐트러뜨리기 때문이다. 예비 성형의 가압에 의해 본성형 시의 자석분 밀도 이상이 되면, 본성형 후의 성형체에 밀도 불균일이 발생하고, 갈라짐이나 변형의 원인이 되므로 본성형 시의 자석분 밀도 미만이다. 바람직하게는, 예비 성형 시의 가압 정도로서 충전 밀도의 1.3배 이상 성형체 밀도의 90% 이하로 하는 것이 좋다.
여기서, 자석분에 인가하는 자기장에 대해서는 수평 자기장 수직 성형 장치에서 발생하는 자기장이 큰 경우, 예컨대 도 3(a)의 코어(5a)가 포화되어 버려 도 3(b)에 가까운 상태가 되고, 배향 자계가 지름 방향 배향의 원통 자석의 자계에 가까워져 레이디얼 배향이 되지 않게 된다. 따라서, 가압 직전 또는 가압 중에 발생하는 자기장은 797.7kA/m(10kOe) 이하가 바람직하다. 한편, 강자성 코어를 사용하면 자속이 코어에 집중되기 때문에 코어 주변에서는 코일에 의한 자기장보다 큰 자기장이 얻어진다. 그러나, 자기장이 너무 작으면 코어 주변에 있어서도 배향에 충분한 자기장이 얻어지지 않게 된다. 또한 자기장 인가 방향에 대하여 수직 방향에서는 예비 성형 시에는 회전시키고 다시 레이디얼 배향으로 하는 공정이 있으며, 본성형의 경우에는 예비 성형이 이루어진 상태에 있으므로 자기장에 의해 배향이 잘 흐트러지지 않는 상태에 있기 때문에, 코일로부터 발생하는 자기장의 강도는 자기장 인가 전 레이디얼 배향이 되지 않은 자기장 인가 방향에서 충분한 레이디얼 배향이 얻어지는 159.5kA/m(2kOe) 이상이 좋다.
여기서 말하는 수평 자기장 수직 성형에서 발생하는 자기장이란 강자성체로 부터 충분히 떨어진 장소에서의 자기장 또는 강자성 코어를 제거하고 측정하였을 때의 자기장의 값을 의미하는 것이다.
본 발명에 있어서는, 먼저 상기 캐비티 내에 소정량의 자석분을 충전하고, 159.5∼797.7kA/m(2∼10kOe)의 자기장을 인가한다(자기장 인가). 그리고, 이 자기장 인가와 동시 또는 자기장 인가 후, 바람직하게는 자기장 인가 중, 상기 ±10° 이상 ±80° 이하, 특히 ±30° 이상 ±60° 이하의 영역을 이 부분이 분할된 부분의 상부 펀치와 하부 펀치(하부 펀치가 분할된 경우에는 상기 영역에 대응하는 하부 펀치의 분할부)에 의해 이 영역을 누르고(부분 가압하고), 이 부분 가압부를 자기장 인가 전에서의 자석분 충전 밀도의 1.1배 이상 성형체 밀도 미만의 밀도, 바람직하게는 충전 밀도의 1.3배 이상 성형체 밀도의 90% 이하가 되도록 성형한다(예비 성형). 따라서, 자석분의 부분 가압부(예비 성형부)는 상기 밀도로 고밀도화되는데, 자석분의 부분 가압되지 않은 부분은 초기의 분말 상태인 채로 남는다.
이어서,
(i)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 자석분을 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
(ⅱ)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 자기장 발생 코일을 자석분에 대하여 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
(ⅲ)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 앞서 인가한 코일 쌍에 대하여 소정 각도 벗어난 위치에 배치된 코일 쌍으로부터 다시 자기장을 인가한다
는 조작 중 적어도 하나의 조작을 행한다(회전 및 두 번째의 자기장 인가).
이 경우, 상기 각도의 선정은 적당히 이루어지는데, 바람직하게는, 예비 성형되지 않은 영역의 중심 방향과 자기장 방향이 ±10° 이하가 되는 각도로 회전하는 것이 바람직하다. 또한 이 경우에 인가하는 자기장은 상기와 동일하다.
이와 같이 첫 번째의 자기장 인가, 예비 성형, 회전, 두 번째의 자기장 인가, 본성형이라는 일련의 순서에 있어서, 레이디얼 배향도를 보다 향상시킬 목적으로 본성형 전에 예비 성형, 회전, 자기장 인가의 단계를 1회 이상 행하여도 좋다.
또한 본성형 후의 성형체 밀도(성형체의 중량/성형체의 부피)는 3.0∼4.7g/cm3, 바람직하게는 3.5∼4.5g/cm3가 바람직하다.
이와 같이 본 발명에 있어서는, 복수 회로 나누어 부분 가압 성형을 행하는 것이 바람직한데, 이 경우, 자기장을 인가하면서 성형하는 방법, 및 일단 자기장 인가를 행하고, 그 후에 자기장 발생을 중지하고 성형하는 방법 중 어느 것에 의해서도 좋으나, 자기장 인가하면서 성형하는 것이 바람직하다. 이 때, 인가하는 자기장의 세기는 어느 경우에도 2∼10kOe가 바람직하다.
한편, 얻어진 성형체가 레이디얼 배향이 되는지의 여부는 예비 성형 또는 본성형 시의 인가 자기장에 따라 결정되기 때문에, 예비 성형 및 본성형 이외의 자기장 인가에 관해서는 797.7kA/m(10kOe)를 초과하는 자기장을 인가하여도 무방하다.
본 발명은 상기와 같이 자석분의 부분 가압을 1회 또는 복수 회 반복한 후 본성형하는 것인데, 본성형은 앞서 부분 가압한 압력 이상의 압력으로 캐비티 내의 모든 자석분을 상하 펀치 전체로 균등하게 가압함으로써 행하는 것이며, 이 경우, 통상의 수평 자기장 수직 성형법에 의해 자석분에 배향 자계를 인가하여, 일반적인 성형압 0.29∼1.96Pa(0.3∼2.0t/cm2)로 성형하고, 다시 소결, 시효 처리, 가공 처리 등을 실시하여 소결 자석을 얻을 수 있다.
한편, 자석분으로는 특별히 제한되지 않으나, Nd-Fe-B계의 원통 자석을 제조하는 경우에 적합할뿐만 아니라, 페라이트 자석, Sm-Co계 희토류 자석, 각종 본드 자석 등의 제조에 있어서도 유효하나, 모두 평균 입자 직경 0.1∼100μm, 특히 0.3∼50μm의 합금분을 이용하여 성형하는 것이다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1∼3]
각각 순도 99.7 질량%의 Nd, Dy, Fe, Co, M(M은 Al, Si, Cu)과 순도 99.5 질량%의 B를 이용하여, 질량%로 Nd30Dy2.5Fe62.8Co3B1Al0.3Si0.3Cu0.1의 합금을 진공 용해로에서 용해 주조하여 잉곳을 제작하였다. 이 잉곳을 조 크러셔(jaw crusher) 및 브라운 밀로 조분쇄하고, 다시 질소 기류 중 제트 밀 분쇄에 의해 평균 입자 직경 4.8μm의 미분말을 얻었다. 이 분말을 도 2에 도시한 바와 같은 포화 자속 밀도 1.9T(19kG)의 철제의 강자성 코어를 배치한 수평 자기장 수직 성형 장치 중에 자석분의 충전 밀도 2.66g/cm3로 충전하였다. 이 경우, 상부 펀치 분할 수는 4이고, 하부 펀치는 분할되지 않은 원통형 형태로 하였다. 코일의 발생 자기장 638.2kA/m(8kOe)로 자기장을 인가하면서 자기장 방향에 대하여 ±45°의 영역에서 이 영역에 대향하는 상부 펀치 분할부와 하부 펀치에 의해 가압하고, 이 가압 부분이 충전 밀도의 1.3배의 밀도 3.46g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 예비 성형 후의 캐비티 내의 자석분의 모습을 도 4에 도시하였다. 화살표 A는 인가 자기장 방향을 나타낸다. 그 후, 코일을 90° 회전시키고, 이어서 동일하게 398.8kA/m(5kOe)의 자기장 중에 있어서 다시 배향시키고, 0.49Pa의 성형압으로 상하의 모든 펀치를 이용하여 본성형하였다. 이 때의 성형체 밀도는 4.18g/cm3이었다.
실시예 2로서는, 수평 자기장 수직 성형 장치에서 실시예 1과 동일한 자석분을 사용하고, 자석분의 충전 밀도 2.28g/cm3로 충전하고, 코일의 발생 자기장 478.6kA/m(6kOe)의 자기장 중에 있어서 배향하면서 자기장 방향에 대하여 ±45°의 영역에서 상부 펀치의 분할부와 하부 펀치에 의해 가압하고, 이 가압 부분이 충전 밀도의 1.5배인 3.42g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 다이스와 코어 및 펀치와 함께 자석분을 90° 회전시키고, 이어서 319.1kA/m(4kOe)의 자기장 중에 있어서 0.49Pa(0.5t/cm2)의 성형압으로 상하의 모든 펀치를 이용하여 본성형하였다. 이 때의 성형체 밀도는 4.18g/cm3이었다.
실시예 3 으로는 상부 펀치의 분할 수는 6이고, 하부 펀치는 분할되지 않은 원통형 형태로 한 것을 사용하고, 실시예 1과 동일한 자석분을 이용하여 2.9g/cm3로 충전하고, 수평 자기장 수직 성형 장치에서 코일의 발생 자기장 877.5kA/m(11kOe)의 자기장 중에 있어서 배향시킨 후, 다이스와 코어 및 펀치와 함께 자석분을 90° 회전시키고, 다시 코일의 발생 자기장 797.7kA/m(10kOe)의 자기장 중에 있어서 배향시켰다. 나아가, 다이스와 코어 및 펀치와 자석분을 90° 회전시키고, 398.8kA/m(5kOe)의 자기장을 인가 후, 직전에 인가한 자기장 방향에 대하여 ±60° 의 영역에서 이 영역이 충전 밀도의 1.15배의 밀도 3.34g/cm3가 될 때까지 이 영역에 대향하는 상부 펀치 분할부와 하부 펀치에 의해 예비 성형을 행하였다. 그 후, 다이스와 코어 및 펀치와 함께 자석분을 90° 회전시키고, 이어서 동일하게 398.8kA/m(5kOe)의 자기장 중에 있어서 다시 배향시키고, 0.39Pa(0.4t/cm2)의 성형압으로 상하의 모든 펀치를 이용하여 본성형하였다. 이 때의 성형체 밀도는 3.8g/cm3이었다.
이들 성형체는 진공 중 1090℃에서 1시간 소결을 하고, 계속하여 530℃에서 1시간의 열처리를 행하여 φ30mm×φ25mm×L30mm의 원통 자석을 얻었다. 얻어진 소결체에는 갈라짐, 결락, 커다란 변형은 보이지 않았다. 이와 같이 하여 얻어진 소결 원통 자석으로부터 둘레 방향 2mm, 원통 축 방향 2.5mm의 시험편을 잘라내었다. 자석을 잘라낸 곳은 원통 자석 가운데 부분, 본성형 시의 자기장 인가 방향을 0°라 하였을 때 0°, 45°, 90°, 135° 및 180°(이 때 180°도 자기장 인가 방 향임)의 5곳이다. 이들 시험편에 있어서, 진동 시료형 자력계 VSM으로 잔류 자화 Br[T] 자기 측정을 행하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[비교예 1∼4]
비교예 1로서는 실시예 1과 예비 성형 이외에는 동일한 조건으로 하여, 예비 성형을 행하지 않고 성형하였다.
비교예 2로서는 실시예 1과 예비 성형 이외에는 동일한 조건으로 하여, 예비 성형을 전체 영역(±90°)에서 행하여 성형체를 얻었다.
비교예 3으로서는 실시예 2에서의 예비 성형 부분의 자석분 밀도를 충전 밀도의 1.05배인 2.39g/cm3로 하고 그 이외에는 모두 실시예 2와 동일해지도록 하여 성형체를 얻었다.
비교예 4로서는 실시예 3에서의 예비 성형 부분의 자석분 밀도가 4.56g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 그 이외에는 모두 실시예 3과 동일해지도록 하여 성형체의 전체 밀도가 4.30g/cm3인 성형체를 얻었다. 이 때 50%의 성형체에서 갈라짐, 결락이 발생하였다.
이들 비교예의 성형체는 실시예와 마찬가지로, 진공 중 1090℃에서 1시간 소결을 하고, 계속하여 530℃에서 1시간의 열처리를 행하여 φ30mm×φ25mm×L30mm의 원통 자석을 얻었다. 비교예 4에 의해 얻어진 소결체의 45%에 갈라짐이 확인되었고, 전체에 커다란 변형이 확인되었다. 다른 것에 있어서는 갈라짐, 결락, 커다란 변형 모두 보이지 않았다. 이와 같이 하여 얻어진 소결 원통 자석으로부터 둘레 방향 2mm, 원통 축 방향 2.5mm의 시험편을 잘라내었다. 자석을 잘라낸 곳은 원통 자석 가운데 부분, 본성형 시의 자기장 인가 방향을 0°라 하였을 때 0°, 45°, 90°, 135° 및 180°(이 때, 180°도 자기장 인가 방향임)의 5곳이다. 이들 시험편을 진동 시료형 자력계(VSM)로 잔류 자화 Br[T]의 측정을 행하였다. 결과를 실시예와 함께 표 1에 나타내었다.
Figure 112007019040241-PCT00001
표 1에서, 실시예 1∼3은 비교예 1∼3에 비해 높은 잔류 자화를 나타내며,또한 각 부위간 불균일도 적다는 것을 알 수 있다. 이에 더하여, 비교예 4는 성형체에 갈라짐, 결락이 발생하여 생산성이 나쁘므로, 실시예 1∼3 혹은 이들에 준하는 방법에 의해 뛰어난 레이디얼 이방성 자석의 제조를 행할 수 있음을 알 수 있다.
[실시예 4, 5]
실시예 4로서 각각 순도 99.7 질량%의 Nd, Dy, Fe, Co, M(M은 Al, Cu)과 순도 99.5 질량%의 B를 이용하여, 질량%로 Nd30Dy2.8Fe63.9Co1.9B1Al0.2Cu0.2의 합금을 진공 용해로에서 용해 주조하여 잉곳을 제작하였다. 이 잉곳을 조 크러셔 및 브라운 밀로 조분쇄하고, 다시 질소 기류 중 제트 밀 분쇄에 의해 평균 입자 직경 4.5μm의 미분말을 얻었다. 이 분말을 도 2에 도시한 바와 같은 포화 자속 밀도 1.9T(19kG)의 철제의 강자성 코어를 배치한 수평 자기장 수직 성형 장치 중에 자석분의 충전 밀도 2.66g/cm3로 충전하였다. 이 때의 상하 펀치의 분할 수는 각각 6이며, 모두 60°로 제작한 것을 사용하였다. 코일의 발생 자기장 717.8kA/m(9kOe)로 자기장을 인가 후, 다시 319.0kA/m(4kOe)로 자기장을 인가하면서 자기장 방향에 대하여 ±30°의 영역에서 이 영역에 대향하는 각각 2개의 상하 펀치에 의해 충전 밀도의 1.3배의 밀도 3.46g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 그 후에 코일을 60° 회전시키고, 이어서 동일하게 717.8kA/m(9kOe)로 자기장을 인가 후, 다시 319.0kA/m(4kOe)로 자기장을 인가하면서 자기장 방향에 대하여 ±30°의 영역에서 이 영역에 대향하는 각각 2개의 상하 펀치에 의해 밀도 3.46g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 그 후, 코일을 상기와 동일한 방향으로 60° 회전시키고, 398.8kA/m(5kOe)의 자기장 중에 있어서 다시 배향시키고, 0.49Pa의 성형압으로 상하의 모든 펀치를 이용하여 본성형하였다. 이 때의 성형체 밀도는 4.1g/cm3이었다.
실시예 5로서 실시예 4와 동일한 자석분을 이용하여 실시예 4와 동일한 형상으로 상하 펀치를 8분할(각각 45°의 각도로 제작한 것)한 금형 내에 자석분의 충전 밀도 2.4g/cm3로 충전하였다. 코일의 발생 자기장 398,8kA/m(5kOe)로 자기장을 인가하면서 자기장 방향에 대하여 ± 22.5°의 영역에서 이 영역에 대향하는 각각 2개의 상하 펀치에 의해 충전 밀도의 1.5배의 밀도 3.6g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 그 후, 코일을 45°회전시키고, 이어서 398.8kA/m(5kOe)의 자기장을 인가하면서 자기장 방향에 대하여 ±22.5°의 영역에서 이 영역에 대향하는 각각 2개의 상하 펀치에 의해 밀도 3.6g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하고, 그 후 다시 코일을 상기와 동일한 방향으로 45° 회전시키고, 이어서 398.8kA/m(5kOe)로 자기장을 인가하면서 자기장 방향에 대하여 ±22.5°의 영역에서 이 영역에 대향하는 각각 2개의 상하 펀치에 의해 밀도 3.6g/cm3가 될 때까지 예비 성형을 행하였다. 코일을 45° 회전시키고, 398.8kA/m(5kOe)의 자기장 중에 있어서 배향시키고, 0.6Pa의 성형압으로 상하의 모든 펀치를 이용하여 본성형하였다. 이 때의 성형체 밀도는 4.3g/cm3이었다.
이들 성형체는 진공 중 1080℃에서 1시간 소결을 하고, 계속하여 500℃에서 1시간의 열처리를 행하여 φ50mm×φ45mm×L30mm의 원통 자석을 얻었다. 얻어진 소결체에는 갈라짐, 결락, 커다란 변형은 보이지 않았다. 이와 같이 하여 얻어진 소결 원통 자석으로부터 둘레 방향 2mm, 원통 축 방향 2.5mm의 시험편을 잘라내었다. 자석을 잘라낸 곳은 원통 자석 가운데 부분, 본성형 시의 자기장 인가 방향을 0°라 하였을 때 실시예 4는 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°및 180°(이 때 180°도 자기장 인가 방향임)의 7곳, 실시예 5는 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°, 112.5°, 135°, 157.5° 및 180°(이 때 180°도 자기장 인가 방향임)의 9곳이다. 이들 시험편에 있어서, 진동 시료형 자력계 VSM으로 잔류 자화 Br[T] 자기 측정을 행하였다. 결과를 표 2, 3에 나타내었다.
Figure 112007019040241-PCT00002
Figure 112007019040241-PCT00003
실시예 4, 5에서 얻어진 자석을 10극으로 착자하고, 12슬롯의 스테터에 삽입하고, 3rpm 시의 코깅 토크와 유기 전력을 측정하였다. 실시예 4는 코깅 토크 9.6mNm, 유기 전력 7.1V/krpm, 실시예 5는 코깅 토크 8.9mNm, 유기 전력 6.9V/krpm이었다.
표 2, 3에서, 실시예 4, 5는 높은 잔류 자화를 나타내고, 또한 각 부위간의 불균일도 매우 적음을 알 수 있다. 이에 더하여, 모터 특성도 양호하며, DC 브러시리스 모터나 AC 서보 모터에 적합한 레이디얼 이방성 자석의 제조를 행할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법에 따르면, 다련, 길이가 긴 제 품의 제조가 용이하고, 또한 자기 특성이 뛰어난 균일한 레이디얼 이방성 자석을 저렴하면서 대량으로 안정적으로 제공할 수 있어 산업상의 이용 가치가 매우 높다.

Claims (4)

  1. 원주형 중공부를 갖는 다이스와, 이 중공부 내에 배치되어 원통형 캐비티를 형성하는 원주형 코어와, 상기 캐비티 내를 상하 방향 슬라이딩 가능하게 배열 설치된 상하 펀치를 구비한 원통 자석용 성형 금형의 상기 캐비티 내에 자석분을 충전하고, 상기 다이스의 외측에서 코어의 지름 방향을 따라 상기 자석분으로 자기장을 인가하고, 상기 상하 펀치에 의해 자석분을 가압하여 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 성형하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법에 있어서, 적어도 상기 상부 펀치를 상기 자기장의 인가 방향에서 둘레 방향으로 각각 ±10°이상 ±80°이하의 영역에서 자석분을 부분 가압 가능하게 분할 형성함과 동시에, 원통 자석용 성형 금형의 코어의 적어도 일부의 재질에 포화 자속 밀도 0.5T 이상을 갖는 강자성체를 이용하여 금형 캐비티 내에 충전한 자석분을 수평 자기장 수직 성형법에 의해 성형할 때, 자석분에 배향 자기장을 인가 중 또는 인가 후, 자기장 인가 방향에서 둘레 방향으로 ±10°이상 ±80°이하의 영역에서 이 영역에 대응하는 상부 펀치의 분할부와 하부 펀치로 자석분을 부분 가압하고, 자석분의 이 부분 가압부를 자기장 인가 전의 충전 밀도의 1.1배 이상 성형체 밀도 미만까지 고밀도화하는 예비 성형을 행하고,
    (i)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 자석분을 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
    (ⅱ)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 자기장 발생 코일을 자석분에 대하여 금형 둘레 방향으로 소정 각도 회전시키고, 그 후 다시 자기장을 인가한다,
    (ⅲ)상기 첫 번째의 자기장 인가 후, 앞서 인가한 코일 쌍에 대하여 소정 각도 벗어난 위치에 배치된 코일 쌍으로부터 다시 자기장을 인가한다
    는 조작의 중 적어도 하나의 조작을 행하고, 이 두 번째의 자기장 인가 중 또는 자기장 인가 후에, 또는 필요에 따라 상기 예비 성형 및 상기 (i)∼(ⅲ)의 조작 중 적어도 하나의 조작을 반복한 후, 앞서 부분 가압한 이상의 압력으로 캐비티 내의 모든 자석분을 상하 펀치 전체로 가압하여 본성형하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 성형 및 본성형 중 또는 예비 성형 및 본성형 전에 행하는 자기장 인가에서, 인가하는 자기장의 강도가 모두 159.5kA/m∼797.7kA/m인 것을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상부 펀치의 분할 수가 균등하게 4, 6 또는 8분할된 것임을 특징으로 하는 레이디얼 이방성 자석의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 하부 펀치가 상기 자기장의 인가 방향에서 둘레 방향으로 각각 ±10° 이상 ±80° 이하의 영역에서 자석분을 부분 가압 가능하게 분할 형성되어, 상기 상부 펀치의 분할부와 이에 대향하는 하부 펀치의 분할부로 자석분을 부분 가압하도록 한 것을 특징으로 하는 레이디얼 이 방성 자석의 제조 방법.
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