KR20090051229A

KR20090051229A - 진공 증기 처리 장치

Info

Publication number: KR20090051229A
Application number: KR1020097005484A
Authority: KR
Inventors: 히로시 나가타; 요시노리 신가키
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2009-05-21
Also published as: WO2008032666A1; US20100037826A1; DE112007002158T5; JPWO2008032666A1; TW200823304A; RU2447188C2; RU2009113822A; TWI468536B; CN101517120A; CN101517120B; JP2009149916A

Abstract

증발시킨 금속 원자의 피처리물로의 공급량이 조절 가능하고, 간단한 구조를 갖는 진공 증기 처리 장치를 제공한다. 소정 압력에 유지 가능한 진공 챔버(12)와, 이 진공 챔버 내에 격리하여 설치된 서로 연통하는 처리 용기(2) 및 증발 용기(3)와, 이 처리 용기(S)에 피처리물을 배치함과 아울러 증발 용기에 금속 증발 재료(V)를 배치한 상태로 처리 용기 및 증발 용기의 가열을 가능케 하는 가열 수단(6a, 6b)을 구비한다. 그리고 가열 수단에 의해 처리 용기 및 증발 용기를 각각 가열하여 피처리물을 소정 온도까지 온도 상승시키면서 금속 증발 재료를 증발시키고, 이 증발한 금속 원자가 처리 용기 내의 피처리물 표면에 공급되도록 구성한다.

Description

진공 증기 처리 장치{VACUUM EVAPORATION PROCESSING EQUIPMENT}

본 발명은, 처리실 내에서 피처리물을 가열함과 아울러 증발실 내에서 금속 증발재료를 증발시키고, 이 증발한 금속 원자를 소정 온도의 피처리물 표면에 부착 퇴적시켜 금속막을 형성하거나, 그것에 더하여, 피처리물이 결정 구조를 갖는 경우에는, 피처리물 표면으로의 부착과 동시에 금속 원자를 그 결정립계 내에 확산시키는 처리(진공 증기 처리)를 실시하는 것에 적합한 진공 증기 처리 장치에 관한 것이다.

이런 종류의 진공 증기 처리 장치는, 예를 들면, Nd-Fe-B계 소결자석의 자기 특성 향상을 위해 이용되며, 글래스 관으로 된 밀봉 용기와 전기로로 구성된 것이 알려져 있다. 이 진공 증기 처리 장치에서는, 밀봉 용기 내에 Nd-Fe-B계 소결자석인 피처리물과, Yb, Eu, Sm 중에서 선택된 희토류 금속인 금속 증발 재료를 혼합한 상태로 수납하고, 진공 펌프 등을 개입시켜 소정 압력으로 감압하여 밀봉한 후, 전기로에 수납하고, 이 밀봉 용기를 회전시키면서 가열한다(예를 들면 500℃).

밀폐 용기가 가열되면, 금속 증발 재료가 증발하여 밀폐 용기 내에 금속 증기 분위기가 형성되고, 이 금속 증기 분위기 중의 금속 원자가 대략 같은 온도까지 가열된 소결자석에 달라붙고, 또 부착한 금속 원자가 소결 자석의 결정립계상에 확 산하는 것에 의해, 소결 자석 표면 및 결정립계상에 금속 원자를 균일하게 소망량 도입하여 자화 및 보자력을 향상 또는 회복시키고 있다(특허 문헌 1 및 특허 문헌 2).

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 2002-105503호 공보(예를 들면, 도 1 및 도 2 참조)

특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 2004-296973호 공보(예를 들면, 특허 청구의 범위 기재 참조)

그런데 상기와 같이, 소결 자석의 자기 특성 향상을 위해 소결 자석의 피처리물 표면에의 부착과 동시에 금속 원자를 그 결정립계 내에 확산시키는 처리를 실시하는 경우, 전기로를 제어하여 밀봉 용기를 가열하는 온도는 피처리물인 소결 자석의 가열 온도에 의해 정해진다. 상기 장치에서는, 금속 증발 재료와 피처리물을 혼합한 상태로 배치하기 때문에, 금속 증발 재료도 대략 같은 온도까지 가열되므로, 금속 증기 분위기 중의 금속 원자의 피처리물로의 공급량은 그 온도에서의 증기압에 의해 정해진다. 이 때문에, 일정 온도에 있어서의 금속 증기 분위기 중의 금속 원자의 피처리물에의 공급량을 조절할 수 없는 문제가 있다.

또, 소결 자석의 대략 전면에 걸쳐 금속 원자를 소망량 도입하려면, 밀폐 용기를 회전시키는 구동 기구가 필요하기 때문에, 장치 구성이 복잡하게 되어 고비용을 초래한다. 더욱이, 금속 증발 재료와 피처리물을 혼합한 상태로 배치하기 때문에, 녹은 금속 증발 재료가 직접 피처리물에 부착하는 문제가 있다.

거기서, 상기점에 착안하여, 본 발명의 목적은 증발한 금속 원자의 피처리물로의 공급량을 조절할 수 있고 간단한 구조를 갖는 진공 증기 처리 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 진공 증기 처리 장치는, 소정 압력으로 유지 가능한 진공 챔버와, 이 진공 챔버 내에 격리하여 설치된 서로 연통하는 처리 용기 및 증발 용기와, 이 처리 용기에 피처리물을 배치함과 아울러 증발 용기에 금속 증발 재료를 배치한 상태로 처리 용기 및 증발 용기의 가열을 가능하게 하는 가열 수단을 구비하고, 상기 가열 수단에 의해 처리 용기 및 증발 용기를 각각 가열하여 피처리물을 소정 온도까지 온도 상승 시키면서 금속 증발 재료를 증발시키고, 이 증발한 금속 원자가 처리 용기 내의 피처리물 표면에 공급되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 처리 용기에 피처리물을, 증발 용기에 금속 증발 재료를 각각 세팅하고, 진공 챔버의 감압하에서 가열 수단을 작동시켜 처리 용기와 증발 용기를 각각 가열하고, 일정 압력하에서 금속 증발 재료가 소정 온도에 이르면, 금속 증발 재료가 증발을 개시한다. 이 경우, 피처리물과 금속 증발 재료를 별개의 용기에 수납하고 있으므로, 피처리물이 소결 자석이고, 또한 금속 증발 재료가 희토류 금속일 때에도, 녹은 희토류 금속이 표면 Nd 리치상이 녹은 소결 자석에 직접 부착하지 않는다.

그리고 증발 용기 내에서 증발한 금속 원자가 처리 용기에 공급되어 처리 용기 내에서 직접 또는 충돌을 반복하여 복수의 방향에서 피처리물로 이동하여 부착 퇴적한다. 피처리물이 결정 구조를 갖는 경우에는, 소정 온도로 가열된 피처리물 표면에 부착한 금속 원자가 그 결정립계 내에 확산한다. 그때, 피처리물이 배치되는 처리 용기와 금속 증발 재료가 수납되는 증발 용기로 분리했기 때문에, 피처리물과 금속 증발 재료를 독립하여 가열하는 것이 가능하게 되고, 피처리물의 가열 온도에 무관하게 증발 용기를 임의의 온도로 가열하여 증발 용기 내의 증기압을 변화시켜, 증발한 금속 원자의 피처리물로의 공급량을 조절할 수 있다.

상기 증발 용기에 금속 증발 재료의 배치를 가능으로 하는 받침 접시를 마련하면, 증발한 금속 원자의 피처리물로의 공급량을 더욱더 조절할 수 있어 좋다.

또, 상기 받침 접시의 개구된 상면 또는 처리 용기 및 증발 용기 상호간의 연통로에, 증발한 금속 원자의 처리 용기로의 공급량을 조절하는 조절판을 설치해 두면, 조절판을 설치하지 않는 경우에는, 받침 접시 상면의 개구 면적에 따라 금속 증발 재료의 증발량이 정해지고, 조절판을 설치했을 경우에는, 그 조절판을 통해 처리 용기 내에 도달하는 금속 원자의 양이 감소하고, 금속 증발 재료의 피처리물에의 공급량을 조절할 수 있다. 이 경우, 받침 접시의 개구된 상면 면적을 증감하여, 일정 온도하에 있어서의 금속 증발 재료의 증발량을 증감하도록 해도 좋다. 또, 처리 용기와 증발 용기 연통로의 단면적을 변화시켜, 이 연통로를 통해 처리 용기 내에 도달하는 금속 원자의 양을 증감해도 좋다.

상기 처리 용기는, 상면이 개구된 상자부와 이 개구한 상면에 착탈이 자유로운 덮개부로 구성된 제1의 상자체이고, 이 제1의 상자체를 진공 챔버 내에 넣고 꺼내는 것이 자유로우며 진공 챔버를 감압하는 것에 수반하여 제1의 상자체 내부 공간이 소정 압력으로 감압되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 처리 용기 감압용의 진공 배기 수단은 별도로 필요하지 않고, 저비용화가 도모되고, 게다가, 예를 들면 금속 증발 재료의 증발을 정지시킨 후, 처리 용기를 일단 꺼내지 않고 그 내부를 소정 압력으로 한층 더 감압할 수 있다. 또, 진공 챔버 내에 피처리물을 수납한 처리 용기를 넣는 꺼내는 것을 자유롭게 하는 것에 의해 진공 챔버 내에서 상자체 내에 피처리물을 넣고 꺼내는 기구 등이 불필요하게 되어, 장치 자체는 간단한 구조이다. 이 경우, 복수개의 상자체를 진공 챔버 내에 수납하여 동시에 처리할 수 있도록 하면, 대량 생산에도 대응할 수 있다.

이 경우, 상기 처리 용기의 바닥면으로부터 소정의 높이 위치에서 피처리물의 배치를 가능케 하는 받침부를 구비하고, 이 받침부는, 복수개의 선재를 배치하여 구성되어 있으면, 예를 들면, 증발 용기에서 증발시킨 금속 원자가 직접 또는 충돌을 반복하여 복수의 방향으로부터 피처리물의 대략 전면에 걸쳐 공급되기 때문에, 피처리물을 회전시키는 회전 기구 등은 불필요하고, 장치 구성을 간단하게 할 수 있어 좋다.

한편, 상기 증발 용기는 상면이 개구된 상자부와 이 개구된 상면에 착탈이 자유로운 덮개부로 구성된 제2의 상자체이고, 이 제2의 상자체를 진공 챔버 내에 넣고 꺼내는 것이 자유로우며 진공 챔버를 감압하는 것에 수반하여 제2의 상자체의 내부 공간이 소정 압력으로 감압되는 것이 바람직하다.

또, 상기 처리 용기, 증발 용기 및 가열 수단을 금속 증발 재료와 반응하지 않는 재료, 또는 적어도 표면에 금속 증발 재료와 반응하지 않는 재료를 안감막으로서 형성한 것으로 구성해 두면, 금속 증기 분위기 중에 다른 금속 원자가 침입하는 것을 방지할 수 있어 좋다. 또, 금속 증발 재료의 회수가 용이하게 되어, 특히 자원적으로 부족하고, 안정공급을 바랄 수 없는 Dy나 Tb가 금속 증발 재료일 때 특히 유효하게 된다.

또, 상기 피처리물이 철-붕소-희토류계의 소결 자석이고, 상기 금속 증발 재료가 Dy, Tb 중 적어도 하나를 포함하는 것이면, 증발한 Dy나 Tb의 금속 원자의 소결 자석으로의 공급량을 조절하여 소결 자석 표면에 금속 원자를 부착시키고, 이 부착한 금속 원자를 소결 자석 표면에 Dy, Tb로 된 박막이 형성되기 전에 소결 자석의 결정립계상에 확산할 수 있어 좋다.

이상 설명한 것처럼, 본 발명의 진공 증기 처리 장치는, 간단한 구조를 가지고, 게다가, 증발한 금속 원자의 피처리물로의 공급량이 조절될 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 진공 처리 장치의 구성을 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 2는 도 1에 나타낸 받침 접시를 확대하여 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명의 진공 증기 처리 장치를 이용하여 제작한 영구자석의 단면을 모식적으로 설명하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시에 의해 제작한 영구자석의 표면 확대 사진이다.

도 5는 실시예 1에 의해 제조한 영구자석의 자기 특성을 나타내는 표이다.

(부호의 설명)

1 진공 증기 처리 장치

12 진공 챔버

2 상자체(처리 용기)

20 처리실

21 상자부

22 덮개부

3 상자체(증발 용기)

4 연통로

5 가열 수단

61 받침 접시 증발 용기

62 조절판(덮개체)

S 피처리물

V 금속 증발 재료

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 1은 본 발명의 진공 증기 처리 장치이며, 진공 증기 처리 장치(1)는 터보 분자 펌프, 크라이오 펌프, 확산 펌프 등의 진공 배기 수단(11)을 개입시켜 소정 압력(예를 들면, 1×10^-5Pa)까지 감압하여 유지할 수 있는 진공 챔버(12)를 갖는다. 진공 챔버(12)에는, 처리 용기(2) 및 증발 용기(3)가 상하 방향으로 나란히 배치되어 있다. 처리 용기(2) 및 증발 용기(3)는 연 통로(4)를 개입시켜 서로 연통하고, 소망하는 처리에 따라 적당히 선택되는 피처리물(S)과 금속 증발 재료(V)가 처리 용기(2) 및 증발 용기(3)에 각각 배치되고, 증발 용기(3)에서 증발시킨 금속 원자를 연통로(4)를 개입시켜 처리 용기(2) 내의 피처리물(S)에 공급할 수 있다.

처리 용기(2)는 상면을 개구한 직방체 형상의 상자부(21)와 개구한 상자부(21)의 상면에 착탈이 자유롭게 장착되는 덮개부(22)로 구성된 제1의 상자체이며, 진공 챔버(12) 내에 넣고 꺼내는 것이 자유롭다. 덮개부(22)의 바깥 둘레부에는 아래로 굴곡 시킨 플랜지(22a)가 그 전체 둘레에 걸쳐 형성되고, 상자부(21)의 상면에 덮개부(22)를 장착하면, 플랜지(22a)가 상자부(21)의 외벽에 끼워맞춤하여(이 경우, 메탈 씰 등의 진공 실은 설치하지 않음), 진공 챔버(12)와 격리된 처리실(20)이 정의된다. 그리고 진공 배기 수단(11)을 개입시켜 진공 챔버(12)를 소정 압력(예를 들면, 1×10^-5Pa)까지 감압하면, 처리실(20)이 진공 챔버(12)보다 대략 반 자리수 높은 압력(예를 들면, 5×10^-4Pa)까지 감압되게 된다.

처리실(20)의 용적은, 금속 증발 재료(V)의 평균 자유 경로를 고려하여 증발한 금속 원자가 직접 또는 충돌을 반복하여 복수의 방향으로부터 피처리물(S)에 공급되도록 설정된다. 또, 상자부(21) 및 덮개부(22)의 벽면의 두께는, 후술하는 가열 수단에 의해 가열되었을 때, 열변형하지 않도록 설정되어 있다.

또, 처리실(20) 내에는, 바닥면으로부터 소정 높이 위치에 복수개의 선재(예를 들면, φ0.1~10㎜)를 격자 모양으로 배치한 받침부(21a)가 형성되고, 이 받침 부(21a)에 복수개의 피처리물(S)을 늘어 놓아 배치할 수 있다. 이것에 의해, 처리 용기(2) 아래 쪽에 위치하는 증발 용기(3) 내에서 증발시킨 금속 원자가, 연통로(4)를 통해 처리실(20) 내에서 직접 또는 충돌을 반복하여 복수의 방향으로부터 피처리물의 대략 전면에 걸쳐 공급된다. 이것에 의해, 상자체(2) 자체 또는 상자체(2) 내에서 피처리물(S)을 회전시키거나 할 필요가 없다.

한편, 증발 용기(3)는 직방체 형상으로 형성한 제2의 상자체이며, 제2의 상자체(3)는 진공 챔버(12)에 출입이 자유롭고, 진공 챔버(12)와 격리된 증발실(30)을 정의한다. 제2의 상자체(3)의 상면에는 원형의 개구(31)가 설치되고, 이 개구(31)를 둘러싸서 윗쪽으로 연장하도록 증발실(30)과 연통하는 통 모양의 연통로(4)가 일체로 설치되어 있다. 그리고 제l의 상자체(2)의 바닥면에 원형의 개구(2a)를 마련하고, 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3)를 진공 챔버(12) 내에서 소정 위치에 설치하면, 연통로(4)의 상면이 상자체(2)의 아래쪽 면과 면접촉함과 아울러, 개구(2a)가 연통로(4) 상단의 개구와 일치하여 처리실(20) 및 증발실(50)을 서로 연통한다. 즉, 증발실(50)로부터 연통로(4)를 거쳐 처리실(20)로 통하는 진공 챔버(12)와 격리된 공간이 정의된다. 이것에 의해, 증발실(30)은, 진공 배기 수단(11)을 개입시켜 진공 챔버(12)를 감압할 때, 처리실(20)을 개입시켜 진공 배기되고, 이 처리실(20) 및 증발실(30)이 진공 챔버(12)보다 대략 반 자리수 높은 압력까지 감압된다.

또, 증발실(30)에는, 단면이 오목한 모양의 받침 접시(51)가 설치되고, 과립상 또는 벌크상의 금속 증발 재료(V)를 수납할 수 있다. 받침 접시(51)의 개구한 상면에는, 동일 지름의 구멍(52a)이 그 전면에 걸쳐 복수개 설치된 덮개체(52)가 착탈 자유롭게 설치되고, 이 덮개체(52)가, 연통로(4)를 통해 처리실(20)로의 증발한 금속 원자의 공급량을 조절하는 조절판의 역할을 수행한다. 이것에 의해, 덮개체(52)를 설치하지 않은 경우에는, 받침 접시(51) 상면의 개구 면적에 따라 금속 증발 재료의 증발량이 정해지나, 덮개체(52)를 설치한 경우에는, 이 덮개체(52)를 통해 처리실(20)에 도달하는 금속 원자의 양이 감소하여, 금속 증발 재료(V)의 피처리물(S)로의 공급량을 조절할 수 있다. 이 경우, 받침 접시(51)의 개구한 상면의 면적을 증감하여 일정 온도하에 있어서의 금속 증발 재료의 증발량을 증감해도 좋다. 또, 덮개체(52)의 표면적에 대한 구멍(52a)의 총 개구 면적을 변화시켜, 덮개체(52)를 통해 처리실(20) 내에 도달하는 금속 원자의 양을 증감해도 좋다.

그런데 금속 증발 재료(V)가 Dy, Tb일 때, 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3)나 연통로(4)로서 일반의 진공 장치로 자주 이용되는 Al₂O₃제의 것을 이용하면, 증발한 Dy나 Tb와 Al₂O₃가 반응하여 그 표면에 반응 생성물을 형성함과 아울러, Al 원자가 금속 증기 분위기 중에 침입할 우려가 있다. 이 때문에, 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3), 연통로(4) 및 받침 접시(51)(덮개체(52)를 포함)를, 예를 들면, Mo, W, V, Ta 또는 이들의 합금(희토류 첨가형 Mo 합금, Ti 첨가형 Mo 합금 등을 포함)이나 CaO, Y₂O₃, 혹은 희토류 산화물로 제작하거나, 또는 이들 재료를 다른 단열재의 표면에 안감막으로서 성막한 것으로 구성하고 있다. 이것에 의해, 금속 증기 분위기 중에 다른 금속 원자가 침입하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 예를 들면 상자 체(2, 3)의 벽면에 부착한 금속 증발 재료(V)의 회수가 용이하게 된다. 제1의 상자체(2) 내의 받침부(21a)를 구성하는 선재도 또한 금속 증발 재료와 반응하지 않는 재료로 구성되어 있다.

또, 진공 챔버(12)에는, 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3)를 각각 독립하여 가열할 수 있는 2개의 가열 수단(6a, 6b)이 설치되어 있다. 각 가열 수단(6a, 6b)은 동일한 형태를 갖고, 예를 들면, 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3)의 주위를 둘러싸도록 설치되고, 내측에 반사면을 구비한 Mo제의 단열재와, 그 내측에 배치되어 Mo제의 필라멘트를 갖는 전기 가열 히터로 구성된다. 그리고 각 가열 수단(6a, 6b)에 의해, 감압하에서 제1 및 제2의 상자체(2, 3)를 가열하고, 상자체(2, 3)를 개입시켜 간접적으로 처리실(20) 및 증발실(30)을 가열하는 것에 의해, 처리실(20) 및 증발실(30) 내를 대략 균등하게 가열할 수 있다.

그리고 한쪽의 가열 수단(6a)에 의해 처리실(20)을 가열하여 피처리물(S)을 소정 온도로 가열하여 유지함과 아울러 다른 쪽의 가열 수단(6b)에 의해 증발실(30)을 가열하여 금속 증발 재료(V)를 증발시키고, 증발한 금속 원자를 처리실(20) 내에 배치한 피처리물(S) 표면에 공급하여 부착시켜 금속막을 형성하거나, 그것에 더해, 피처리물이 결정 구조를 갖는 경우에는, 피처리물 표면에의 부착과 동시에 금속 원자가 그 결정립계 내에 확산할 수 있다.

금속 증발 재료(V)를 증발시켰을 때, 예를 들면, 제1의 상자체(2)가 상자부(21)의 상면에 덮개부(22)를 장착한 구조(대략 밀폐 구조)이기 때문에, 증발한 원자의 일부가 상자부(21)와 덮개부(22)의 간격을 통해 상자체(2)의 외측으로 유출 할 우려가 있지만, 상자체(2)의 주위를 둘러싸도록 마련한 가열 수단(3)을 구성하는 단열재도, 금속 증발 재료(V)와 반응하지 않는 재료로 구성했기 때문에, 진공 챔버(12)의 내부가 오염되지 않고, 또, 금속 증발 재료의 회수가 용이하게 된다.

또, 진공 챔버(12)에는, Ar 등의 희가스의 도입을 가능케 하는 가스 도입 수단이 설치되고(도시하지 않음), 이 가스 도입 수단은, 진공 증기 처리를 소정 시간 실시하고 각 가열 수단(6a, 6b)의 작동을 정지시킨 후, 예를 들면 10 KPa의 Ar 가스를 도입하여 제2의 상자체(3) 내에서의 금속 증발 재료(V)의 증발을 정지시키는 역할을 수행한다.

금속 증발 재료(V)의 증발을 정지한 후, 진공 배기 수단(11)을 개입시켜 진공 챔버(12)를 감압하면, 처리실(20) 및 증발실(30)이 진공 챔버(12)보다 대략 반자리수 높은 압력까지 감압된다. 이것에 의해, 금속 증발 재료(V)의 증발 정지 후, 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3)를 일단 꺼내는 일 없이, 처리실(20)을 소정 압력으로 감압할 수 있다. 또, 제1의 각 상자체(2)를 상자부(21)와 덮개부(22)로 구성했기 때문에, 상자체(2) 자체의 구조도 또한 간단하게 되고, 나아가, 덮개부(21)를 떼면, 상면을 개구한 것에 의해 상자체(2)로의 피처리물(S)의 출입도 용이하게 할 수 있고, 진공 챔버(12) 내에서 제1의 상자체(2) 내에 피처리물(S) 등을 넣고 꺼내는 기구 등이 불필요하게 되어 진공 증기 처리 장치(1) 자체를 간단한 구조로 할 수 있고, 게다가, 복수조의 제1 및 제2의 상자체(2)를 수납 가능하게 하면, 대량의 피처리물(S)에 대해 동시 처리할 수 있기 때문에, 높은 생산성을 달성할 수 있다. 또, 진공 챔버(11) 내에 가열 수단(3)을 마련한 것에 대해 설명했지만, 상자체(2) 를 소정 온도로 가열할 수 있는 것이면 좋고, 진공 챔버(11)의 외측에 가열 수단을 배치해도 좋다.

덧붙여, 본 실시 형태에서는, 증발 용기(3)를 구성하는 제2의 상자체(3)에 받침 접시(51)을 마련하고, 조절판의 역할을 수행하는 덮개체(52)를 장착한 것에 대해 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 금속 증발 재료(V)는 제2의 상자체(3) 바닥면에 설치해도 좋고, 한편으로, 연통로(4)에 복수의 구멍이 설치된 조절판을 마련하여 증발한 금속 원자의 처리실(20)로의 공급량을 조절하도록 해도 좋다.

또, 본 실시의 형태에서는, 증발 용기(3)로서 제2의 상자체에 연통로(4)를 일체로 마련한 것에 대해 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 증발 용기(3)를, 상기 처리 용기(2)와 같이, 상자부와 덮개부로 구성하고, 덮개부를 뗀 상태로 금속 증발 재료(V)의 배치를 할 수 있도록 해도 좋다. 더욱이, 본 실시 형태에서는, 처리 용기(2)와 증발 용기(3)를 상하에 배치한 것에 대해 설명했지만, 진공 챔버(12) 내의 배치는 이것에 한정되는 것은 아니고, 또한, 증발 용기(2)는 진공 챔버에 고정하여 마련할 수도 있다.

다음에, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기 진공 증기 처리 장치(1)를 이용한 진공 증기 처리에 의한 소결 자석(S)의 자화 및 보자력의 향상 처리를 설명한다. 피처리물인 Nd-Fe-B계의 소결 자석(S)을 공지의 방법으로 다음과 같이 제작한다. 즉, Fe, B, Nd를 소정의 조성비로 배합하여 공지의 스트립캐스팅법에 의해 0.05㎜~ 0.5㎜의 합금을 먼저 제작한다. 한편으로, 공지의 원심 주조법으로, 5㎜ 정도 두께 의 합금을 제작하도록 해도 좋다. 또, 배합시, Cu, Zr, Dy, Tb, Al이나 Ga을 소량 첨가해도 좋다. 그 다음에, 제작한 합금을 공지의 수소 분쇄 공정에 의해 일단 분쇄하고, 계속해서, 제트밀 미분쇄 공정에 의해 미분쇄한다.

그 다음에, 자계 배향하여 금형으로 직방체나 원주 등 소정 형상으로 성형한 후, 소정의 조건하에서 소결시켜 상기 소결자석이 제작된다. 소결 자석(S)의 제작 각 공정에 대해 조건을 각각 최적화하여, 소결 자석(S)의 평균 결정 입경이 1㎛~5㎛의 범위, 또는 7㎛~20㎛의 범위가 되도록 하면 좋다.

평균 결정 입경을 7㎛ 이상으로 하면, 자계 성형시의 회전력이 커짐과 아울러 배향도가 좋고, 게다가, 결정립계의 표면적이 작아져 단시간에 Dy, Tb의 적어도 하나를 효율적으로 확산할 수 있어 높은 보자력을 갖는 영구자석(M)을 얻을 수 있다. 덧붙여, 평균 결정 입경이 25㎛를 초과하면, 하나의 결정 입자 중에 다른 결정 방위를 포함하는 입자의 비율이 극단적으로 많아져 배향도가 나빠지고, 그 결과, 영구자석의 최대 에너지적, 잔류 자속밀도, 보자력이 각각 저하한다.

한편, 평균 결정 입경을 5㎛ 미만으로 하면, 단일 자구 결정립의 비율이 많아지고, 그 결과, 매우 높은 보자력을 갖는 영구자석을 얻을 수 있다. 평균 결정 입경이 1㎛보다 작아지면, 결정립계가 미세하고 복잡하게 되므로 확산 공정을 실시하는데 필요한 시간이 극단적으로 길어져, 생산성이 나쁘다. 소결 자석(S)으로는, 산소 함유량이 적을 수록 Dy나 Tb의 결정립계상에의 확산 속도가 빨라지기 때문에, 소결 자석(S) 자체의 산소 함유량이 3000 ppm 이하, 바람직하게는 2000 ppm 이하, 보다 바람직하게는 1000 ppm 이하이면 좋다.

다음에, 상자부(21)의 받침부(21a)에 상기 방법으로 제작한 소결 자석(S)을 놓음과 아울러, 제2의 상자체(3)의 받침 접시(51) 내에 금속 증발 재료(V)인 Dy를 설치한다. 그리고 진공 챔버(12) 내에서 가열 수단(6b)에 의해 주위를 둘러싸일 수 있는 소정 위치에 제2의 상자체(3)를 설치함과 아울러, 상자부(21)의 개구한 상면에 덮개부(22)를 장착한 제1의 상자체(2)를 진공 챔버(12) 내에서 가열 수단(6a)에 의해 주위를 둘러싸일 수 있는 소정 위치에 상자체(2)를 설치한다(이것에 의해, 진공 챔버(12)내에서 소결 자석(S)과 금속 증발 재료(V)가 떨어져 배치된다: 도 1 참조).

그 다음에, 진공 배기 수단(11)을 개입시켜 진공 챔버(12)를 소정 압력(예를 들면, 1×10^-4Pa)에 이를 때까지 진공 배기하여 감압하고(처리실(20) 및 증발실(30)은 대략 반자리수 높은 압력까지 진공 배기된다), 진공 챔버(12)가 소정 압력에 이르면, 각 가열 수단(6a, 6b)을 작동시켜 처리실(20) 및 증발실(30)을 가열한다. 처리실(20) 내의 소결 자석(S)이 소정 온도까지 가열되어 유지되고, 한편, 감압하에서 증발실(20) 내의 온도가 소정 온도에 이르면, 받침 접시(51) 내의 Dy가 증발을 개시한다. Dy가 증발을 개시했을 경우, 소결 자석(S)과 Dy를 떨어뜨렸기 때문에, 녹은 Dy가 표면 Nd 리치상이 녹은 소결 자석(S)에 직접 부착하지는 않는다. 그리고 증발한 Dy의 금속 원자가 연통로(4)를 통해 처리실(20) 내에 공급되고, 직접 또는 처리실(20) 내에서 충돌을 반복하여 복수의 방향으로부터 소정 온도의 소결 자석(S) 표면을 향해 공급되어 부착하고, 이 부착한 Dy가 소결 자석(S)의 결정립계상 에 확산되어 영구자석(M)을 얻을 수 있다.

이 경우, 가열 수단(6a)을 제어하여 처리실(20) 내의 온도, 나아가서는 소결자석(S)의 온도를 800℃~1100℃의 범위로 한다. 처리실(20) 내의 온도(나아가서는, 소결 자석(S)의 가열 온도)가 800℃보다 낮으면, 소결 자석 표면에 부착한 Dy 원자의 결정립계층으로의 확산 속도가 늦어져, 소결 자석(S) 표면에 박막이 형성되기 전에 소결 자석의 결정립계상에 확산시켜 균일하게 퍼지게 할 수 없는 우려가 있다. 한편으로, 1100℃를 넘는 온도에서는, Dy가 결정립 내에 과잉으로 확산할 우려가 있고, Dy가 결정립 내에 확산하면, 결정립 내의 자화를 크게 떨어뜨리기 때문에, 최대 에너지적 및 잔류 자속밀도가 한층 더 저하하게 된다.

또, 가열 수단(6b)을 제어하여 증발실(20) 내의 온도, 나아가서는 금속 증발 재료(V)의 온도를 800℃~1200℃의 범위로 한다(Dy의 증기압은 약 1×10^-3~5Pa이 된다). 금속 증발 재료의 가열 온도가 800℃보다 낮으면, 결정립계상에 Dy나 Tb를 확산시켜 균일하게 퍼지게 하도록 소결 자석(5) 표면에 Dy나 Tb의 금속 원자를 공급할 수 있는 증기압에 이르지 못한다. 한편, 1200℃를 넘는 온도에서는, 금속 증발 재료의 증기압이 너무 높아져 증발한 Dy 원자가 소결 자석(S) 표면에 과잉 공급되고, 소결 자석 표면에 금속 증발 재료로 된 박막이 형성될 우려가 있다. 그것에 더해, 받침 접시(51)의 표면에 덮개체(52)를 장착하여, 처리실(20)로의 Dy 원자의 양을 감소시켰다.

이것에 의해, Dy의 증발량을 감소시키면서 증기압을 낮게 하는 것으로, 소결 자석(S)으로의 Dy 원자의 공급량이 억제되고, 소결 자석(S)의 평균 결정 입경을 소정 범위에서 일정하게 하면서 소결 자석(S)을 소정 온도 범위에서 가열하는 것에 의해 확산 속도가 빨라지게 되어, 소결 자석(S) 표면에 부착한 Dy 원자를 소결 자석(S) 표면에서 퇴적하여 Dy층(박막)을 형성하기 전에 소결 자석(S)의 결정립계상에 효율적으로 확산시켜 균일하게 퍼지게 할 수 있다(도 3 참조). 그 결과, 영구자석(M)의 표면 열화가 방지되고, 또, 소결 자석 표면에 가까운 영역의 입계 내에 Dy가 과잉으로 확산하는 것이 억제되어 결정립계상에 Dy 리치상(Dy를 5~80% 범위에서 포함하는 상)을 갖고, 더욱이 결정립의 표면 부근에만 Dy가 확산하는 것에 의해, 자화 및 보자력이 효과적으로 향상 또는 회복되고, 게다가, 마무리 가공이 불필요한 생산성이 뛰어난 영구자석(M)을 얻을 수 있다.

그런데 상기 소결 자석(S)을 제작한 후, 와이어 커팅 등에 의해 소망하는 형상으로 가공하는 경우가 있다. 그때, 상기 가공에 의해 소결 자석 표면의 주상(主相)인 결정립에 크랙이 생겨 자기 특성이 현저하게 열화하는 경우가 있다. 그러나 상기 진공 증기 처리를 가하면, 표면 부근의 결정립의 크랙 안쪽에 Dy 리치상이 형성되므로, 자화 및 보자력을 회복할 수 있다.

또, 종래의 네오디뮴 자석에서는 녹 방지 대책이 필요하기 때문에 Co를 첨가하고 있었지만, Nd와 비교하여 극히 높은 내식성, 내후성(耐候性)을 갖는 Dy의 리치상이 표면 부근 결정립의 크랙 안쪽이나 결정립계상에 존재하므로, Co를 이용함이 없이, 극히 강한 내식성, 내후성을 갖는 영구자석이 된다. 덧붙여, 소결자석의 표면에 부착한 Dy를 확산시키는 경우, 소결자석(S)의 결정립계에 Co를 함유하는 금 속간 화합물이 없기 때문에, 소결자석(S) 표면에 부착한 Dy, Tb의 금속 원자는 더 효율적으로 확산된다.

마지막으로, 상기 처리를 소정 시간(예를 들면, 4~48시간)까지 실시한 후, 가열 수단(6a, 6b)의 작동을 정지시킴과 함께, 도시하지 않은 가스 도입 수단을 개입시켜 처리실(20) 및 증발실(30) 내에 10 KPa의 Ar 가스를 도입하여, 금속 증발 재료(V)의 증발을 정지시킨다. 그 다음에, 처리실(20) 내의 온도를 예를 들면 500℃까지 일단 내린다. 계속해서, 가열 수단(6a)을 다시 작동시켜, 처리실(20) 내의 온도를 450℃~650℃의 범위로 설정하고, 보자력을 더욱 향상 또는 회복시키기 위해서 영구자석의 왜곡을 제거하는 열처리를 실시한다. 마지막으로, 대략 실온까지 급냉하고, 진공 챔버(11)를 벤팅하여 제1 및 제2의 각 상자체(2, 3)를 진공 챔버(12)에서 꺼낸다.

덧붙여, 본 실시 형태에서는, 금속 증발 재료로서 Dy를 이용하는 것을 예로 설명했지만, 최적 확산 속도를 빠르게 할 수 있는 소결자석(S)의 가열 온도 범위(900℃~1000℃ 범위)에서, 증기압이 낮은 Tb를 이용할 수 있고, 또는 Dy, Tb의 합금을 이용하여도 좋다. 금속 증발 재료(V)가 Tb인 경우, 증발실(30)을 900℃~120℃ 범위로 가열하면 좋다. 900℃보다 낮은 온도에서는, 소결자석(S) 표면에 Tb 원자를 공급할 수 있는 증기압에 이르지 못한다.

또, 본 실시 형태에서는, 진공 증기 처리 장치(1)의 적용예로서, Nd-Fe-B계 소결자석의 자기 특성을 향상시키는 것에 대해 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 초경 재료, 경질 재료나 세라믹스 재료 제작에 본 발명의 진공 증기 처리 장치(1)를 이용할 수 있다.

즉, 분말야금법으로 제작되는 초경 재료, 경질 재료나 세라믹스 재료는, 주상과 소결시에 액상이 되는 입계상(바인더상)으로 되고, 일반적으로, 이 액상은, 그 전량을 주상과 혼합한 상태로 분쇄해 원료 분말로 하고, 공지의 성형법에 의해 원료 분말을 성형한 후, 소결하여 제작되지만, 상기 진공 증기 처리 장치(1)를 이용하여 제작하는 경우, 먼저, 주상만(이 경우, 일부에 액상 성분을 포함하는 것이어도 좋다)을 분쇄하여 원료 분말로 하고, 공지의 성형법에 의해 원료 분말을 성형한 후, 상기 진공 증기 처리에 의해, 소결전, 소결시 또는 소결 후에 액상성분을 공급한다.

이것에 의하면, 성형한 주상에 대해 나중에 액상 성분을 공급하는 것으로, 주상과의 반응시간을 짧게 할 수 있고, 입계상에 고농도로 응집할 수 있는 등, 특수한 입계상 성분을 만들어 낼 수 있다. 그 결과, 기계적 강도, 특히, 높은 인성치를 갖는 초경 재료, 경질 재료나 세라믹스 재료를 제작하는 것이 가능하게 된다.

예를 들면, 평균 입경 0.5㎛의 SiC 분말과 C분말(카본 블랙)을 10:1 몰비로 혼합하여 원료 분말을 얻은 후, 이 원료 분말을 공지의 방법으로 성형하여 소정 형상의 성형체(주상)를 얻는다. 그리고 이 성형체를 피처리물(S)로 함과 아울러 금속 증발 재료(V)를 Si로 하여 제1 및 제2의 상자체(2, 3) 내에 수납하고, 진공 챔버(12) 내에서 가열 수단(6a, 6b)에 의해 주위를 둘러쌀 수 있는 소정 위치에 각 상자체(2, 3)를 설치한다.

그 다음에, 진공 배기 수단(11)을 개입시켜 진공 챔버(12)를 소정 압력(예를 들면, 1×10^-5Pa)에 이를 때까지 진공 배기하여 감압하고, 각 가열 수단(6a, 6b)을 작동시켜 처리실(20) 및 증발실(30)을 소정 온도(예를 들면, 1500℃~1600℃)로 가열한다. 감압하에서 증발실(30) 내의 온도가 소정 온도에 도달하면, 증발실(30) 내의 Si가 증발을 개시하여 처리실(20)에 Si 원자가 공급되고, 이 상태로 소정 시간(예를 들면, 2시간) 유지하면, 성형체인 주상의 소결과 동시에 Si인 액상 성분이 공급되어 탄화규소 세라믹스가 제작된다.

상기에 의해 제작한 탄화규소 세라믹스는, 1400MPa을 넘는 절곡 강도를 갖고, 또한 그 파괴 인성치는 4 MPa·㎥이다. 이 경우, 평균 입경 0.5㎛의 Si을 SiC 분말과 C분말(카본 블랙)의 혼합 분말을 10:2의 몰비로 혼합하여 원료 분말을 얻은 후, 이 원료 분말을 공지의 방법으로 성형하고, 소결하여 얻은 것(절곡강도: 340 MPa, 파괴 인성치: 2.8 MPa·㎥)과 비교해서 높은 기계적 강도를 가지고 있었다. 덧붙여, 소정의 조건(1600℃, 2시간)하에서 성형체를 소결한 후, 진공 증기 처리 장치(1)를 이용하여, Si인 액상 재료의 성분을 공급하여 탄화규소 세라믹스를 얻어도, 상기와 동등한 기계적 강도를 얻을 수 있다.

(실시예 1)

Nd-Fe-B계의 소결자석으로서, 조성이 30Nd-1B-0.1Cu-2Co-밸런스Fe, 소결자석(S) 자체의 산소 함유량이 500 ppm 및 평균 결정 입경이 3㎛로, φ40×10㎜의 원주 형상으로 가공한 것을 이용했다. 이 경우, 소성자석(S)의 표면을 100㎛ 이하의 표면 거칠기를 갖도록 마무리 가공한 후, 에칭액을 이용하여 세정한 후 물로 씻어냈다.

다음에, 상기 진공 증기 처리 장치(1)를 이용해 상기 방법에 따라 소성자석 (S) 표면에 Dy 원자를 부착시키고, 소성자석(S) 표면에 Dy의 박막이 형성되기 전에 결정립계상에 확산시켜 영구자석(M)을 얻었다(진공 증기 처리). 이 경우, 처리실(20) 내의 받침부(21a)에 소결자석(S)을 놓음과 아울러, 금속 증발 재료로서 순도 99.9%의 Dy를 이용하여 10g의 총량으로 벌크상의 것을 처리실(20)의 바닥면에 배치했다.

그 다음에, 진공 배기 수단을 작동시켜 진공 챔버를 1×10^-4Pa까지 일단 감압(처리실 내의 압력은 5×10^-3Pa)함과 아울러, 가열 수단(3)에 의한 처리실(20)의 가열 온도를 975℃로 설정했다. 그리고 처리실(20)의 온도가 975℃에 도달한 후, 이 상태로 4시간, 상기 진공 증기 처리를 실시했다.

(비교예 1)

비교예 1로서 Mo 보드를 이용한 종래의 저항 가열식의 증착 장치(VFR-200M/알박 기공 주식회사제)를 이용하여 상기 실시예 1과 같은 소결자석(S)에 대해 성막 처리를 행했다. 이 경우, Mo 보드 상에 4g의 Dy를 설치하고, 진공 챔버를 1×10^-3 P a까지 감압한 후, Mo 보드에 150 A의 전류를 흘려 30분간 성막 했다.

도 6은, 상기 처리를 실시하여 얻은 영구자석의 표면 상태를 나타내는 사진 으로, (a)는 소결자석(S)(처리 전)의 표면 사진이다. 이것에 의하면, 상기 처리 전을 나타내는 소결자석(S)에서는, 결정립계상인 Nd 리치상의 공극이나 입자 분리 자취 등의 검은 부분이 보이지만, 비교예 1과 같이, 소결자석의 표면이 Dy층(박막)으로 덮이면, 검은 부분이 사라지는 것을 알 수 있다(도 5 (b) 참조). 이 경우, Dy층의 막 두께를 측정했는데, 20㎛이었다. 그것에 대해, 실시예 1에서는, 처리 전을 나타내는 소결자석(S)과 같이, Nd 리치상의 공극이나 입자 분리 자취 등의 검은 부분이 보이고 있고, 처리 전의 소결자석의 표면과 대략 동일한 상태이며, 또, 중량의 변화가 있는 것으로부터, Dy층이 형성되기 전에 Dy가 결정립계상에 효율적으로 확산되고 있는 것을 알 수 있다(도 5 (c) 참조).

도 7은, 상기 조건으로 영구자석(M)을 얻었을 때의 자기 특성을 나타내는 표이다. 덧붙여, 비교예로서 처리 전의 소결자석(S)의 자기 특성을 나타낸다. 이것에 의하면, 진공 증기 처리 전의 소결자석(S)의 보자력이 11.3 KOe 이었던 것에 대해, 실시예 1에서는, 최대 에너지적이 49.9 MGOe로, 잔류 자속밀도가 14.3 kG로, 보자력이 23.1 KOe로, 보자력이 향상되는 것을 알 수 있다.

Claims

소정 압력에 유지 가능한 진공 챔버와, 이 진공 챔버 내에 격리하여 설치된 서로 연통하는 처리 용기 및 증발 용기와, 이 처리 용기에 피처리물을 배치함과 아울러 증발 용기에 금속 증발 재료를 배치한 상태로 처리 용기 및 증발 용기의 가열을 가능케 하는 가열 수단을 구비하고, 상기 가열 수단에 의해 처리 용기 및 증발 용기를 각각 가열하여 피처리물을 소정 온도까지 온도 상승시키면서 금속 증발 재료를 증발시키고, 이 증발한 금속 원자가 처리 용기 내의 피처리물 표면에 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 증발 용기에 금속 증발 재료의 배치를 가능케 하는 받침 접시를 마련한 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 받침 접시의 개구한 상면 또는 처리 용기 및 증발 용기 상호간의 연통로에 증발한 금속 원자의 처리 용기로의 공급량을 조절하는 조절판을 설치한 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1 내지 청구항 3의 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 용기는 상면이 개구된 상자부와 이 개구된 상면에 착탈이 자유로운 덮개부로 구성되는 제1의 상자체이며, 이 제1의 상자체를 진공 챔버 내에 넣고 꺼내는 것이 자유롭고, 진공 챔버 를 감압하는데 따라 제1의 상자체의 내부 공간이 소정 압력으로 감압되는 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1 내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 용기의 바닥면으로부터 소정의 높이 위치에서 피처리물의 배치를 가능케 하는 받침부를 구비하고, 이 받침부는 복수개의 선재를 배치하여 구성된 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1 내지 청구항 5의 어느 한 항에 있어서, 상기 증발 용기는, 상면이 개구된 상자부와 이 개구된 상면에 착탈이 자유로운 덮개부로 구성되는 제2의 상자체이며, 이 제2의 상자체를 진공 챔버 내에 넣고 꺼내는 것이 자유롭고, 진공 챔버를 감압함에 따라 제2의 상자체의 내부 공간이 소정 압력으로 감압되는 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1 내지 청구항 6의 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 용기, 증발 용기 및 가열 수단을 금속 증발 재료와 반응하지 않는 재료, 또는 적어도 표면에 금속 증발 재료와 반응하지 않는 재료를 안감막으로서 형성한 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.
청구항 1 내지 청구항 7의 어느 한 항에 있어서, 상기 피처리물이 철-붕소- 희토류계의 소결 자석이고, 상기 금속 증발 재료가 Dy, Tb 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 증기 처리 장치.