KR20090104091A

KR20090104091A - 성형 장치

Info

Publication number: KR20090104091A
Application number: KR1020097016209A
Authority: KR
Inventors: 히로시 나가타; 요시노리 신가키
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-10-05
Also published as: TW200916236A; JPWO2008084611A1; US20090304833A1; CN101600527A; DE112007003247T5; RU2009130608A; WO2008084611A1

Abstract

자계 중에서 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 합금원료분말의 결정파면이 조합되도록 하여, 극히 높은 배향성을 가지는 성형체를 성형할 수 있는 성형 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 성형 장치(1)는, 자계 또는 전계 중에서 분극하는 분말이 충전되는 캐비티(22)와, 이 캐비티 내에 충전된 분말에 대하여 자장 또는 전장의 인가를 가능하게 하는 자장 또는 전장 발생 수단(4)과, 자계 또는 전계 발생 수단에 의해 자장 또는 전장을 인가한 상태에서 분말을 교반하여 배향시키는 교반수단(54)과, 교반하여 배향한 것에 대하여 자계 또는 전계 중에서 압축력을 가하여 성형하는 가압수단(31, 32)을 구비한다.

Description

성형 장치{FORMING APPARATUS}

본 발명은 분말을 압축 성형하여 성형체를 제작하기 위한 성형 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는, Nd-Fe-B계 영구자석 등의 희토류 영구자석을 제조하는 경우에 이용되는 성형 장치에 관한 것이다.

희토류 영구자석, 특히 Nd-Fe-B계 소결자석(소위 네오디뮴 자석)은 자원적으로 풍부하고 안정적으로 공급이 가능하며 염가인 Nd, B 원소와 철의 조합으로 이루어짐으로써 염가로 제조할 수 있으며, 고자기 특성(최대 에너지적은 페라이트계 자석의 10배 정도)을 가짐으로써 전자기기 등 각종 제품에 이용되며, 최근에는 하이브리드 자동차용의 모터나 발전기로의 채용도 진행 중이다.

Nd-Fe-B계의 소결자석의 제조방법의 일례로서, 분말야금법이 알려져 있고, 이 방법에서는 우선 Nd, Fe, B를 소정의 조성비로 배합하여, 용해, 주조하여 합금 원료를 제작하고, 예를 들어 수소 분쇄 공정을 통해 일단 조분쇄하고, 이어서 예를 들어 제트밀 미분쇄 공정을 통해 미분쇄하여, 합금 원료 분말을 얻는다. 다음으로, 얻어진 합금 원료 분말을 자계 중에 배향(자장배향)시켜, 자장을 인가한 형태로 압축 성형하여 성형체를 얻는다. 그리고 이 성형체를 소정의 조건하에서 소결시켜 소결자석이 제작된다.

자계 중의 압축 성형법으로서, 일반적으로는 1축 가압식의 압축 성형기가 이용되고, 이 압축 성형기는 다이의 관통공에 형성된 캐비티에 합금 원료 분말을 충전하고, 상하 한 쌍의 펀치에 의해 상하 방향으로부터 가압(press)하여 합금 원료 분말을 압축 성형하는 것이나, 한 쌍의 펀치에 의한 압축 성형시, 캐비티에 충전된 합금 원료 분말에서 입자 간의 마찰이나 합금 원료 분말과 펀치에 맞춰놓은 금형의 벽면과의 마찰에 의해 높은 배향성을 얻을 수 없고, 자기 특성의 향상을 꾀할 수 없다. 이러한 점에서 캐비티에 합금원료 분말을 충전한 후, 자기 배향시에 위쪽 펀치 및 아래쪽 펀치의 적어도 한 쪽을 가압방향(press 방향)으로 진동시키는 구조를 가지는 압축성형 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1)

특허문헌 1 : 국제 공개 2002/60677호 공보(예를 들면, 특허청구의 범위의 기재 참조)

이 압축성형 장치에서는 자장 배향시, 위쪽 펀치 및 아래쪽 펀치의 어느 한 쪽에서 진동시키는 것이기 때문에, 캐비티 내에서의 합금원료분말의 입자끼리의 위치 관계는 캐비티 내에 충전한 형태로부터 거의 변하지 않는다. 따라서, 자장 배향 방향에서 서로 인접하는 합금원료 분말의 입자끼리의 결정파면(Nd-Fe-B계의 소결자석의 합금원료분말은, Nd, Fe, B를 배합하고, 용해, 합금화한 후에 분쇄하여 제작되므로, 이 합금원료분말의 표면에는, 결정 파면이 형성되어 있다)이 맞지 않는 경우에는, 결국, 합금원료분말의 입자 간에 틈새가 생겨, 자장 배향 방향으로 합금원료분말의 자화가 용이한 축이 고르게 맞춰지지 않고, 이 상태로 압축성형을 실시하면, 배향이 흐트러져, 고 배향성의 성형체를 얻을 수 없는 문제가 있다.

여기에서, 상기점에 비추어, 본 발명의 목적은 자계 또는 전계 중에서 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 분말의 결정 파면이 조합되도록 하여, 극히 높은 배향성의 성형체를 얻을 수 있도록 구성한 성형 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1 기재의 성형 장치는 자계 또는 전계 중에서 분극하는 분말이 충전되는 충전실과, 이 충전실 내에 충전된 분말에 대하여 자장 또는 전장의 인가를 가능하게 하는 자장 또는 전장 발생수단, 자계 또는 전계 발생수단에 의해 자장 또는 전장을 인가한 상태로 분말을 교반하여 배향시키는 교반수단, 교반하여 배향한 것에 대하여 자계 또는 전계 중에서 압축력을 더해 성형하는 가공수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 충전실에 충전한 분말을 자계 중 또는 전계 중에서 교반수단에 의해 분말을 교반하여 배향시킬 수 있기 때문에, 충전실에서 분말의 입자끼리의 위치관계가 충전실 내에 충전한 상태에서 변화하여, 자장 또는 전장 배향방향에서 결정파면의 조합으로부터 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 결정파면이 조합되는 기회가 많아지고, 동등한 결정방위관계를 가지는 결정파면이 일단 결합하면, 강고한 결합 체인을 형성함으로써 자장 배향방향에서 결정파면이 틈새 없이 고르게 접합되어, 고 배향성을 가지는 배향체를 얻을 수 있다. 그리고 가압수단에 의해, 동등한 결정방위관계를 가지는 결정파면 끼리 결합한 상태에서 분말의 압축성형이 가능하기 때문에, 높은 배향성을 가지는 성형체를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 동등한 결정방위관계를 가지는 결정파면 끼리 강고히 결합함으로써, 낮은 성형압력에서 고밀도의 성형체를 얻을 수 있다. 그 결과, 성형체의 강도가 강해지고, 불량 발생률이 저하될 수 있다.

상기 교반수단을 충전실 내에 대하여 진퇴가 자유롭게 설치하면, 분말을 압축 성형하여 성형체를 얻기 위한 작업성이 향상되어 좋다.

상기 충전실은 이 충전실 내로 상기 분말의 충전이 시행되는 개구(開口)를 가지고, 상기 교반수단을 충전실 내로 이동시킬 때, 이 개구를 막는 덮개를 상기 교반수단에 일체로 설치해 두면, 교반 중에 분말이 충전실 바깥으로 튀어나가는 것을 방지할 수 있다.

상기 교반수단을 비자성 재료로 구성하면, 예를 들어 자계 중에서 영구자석용 합금원료분말을 교반할 때, 교반수단에 합금원료분말이 부착하여 합금원료분말의 교반이 불충분하게 되어 자계가 흐트러지는 것을 방지할 수 있다.

상기 자계발생수단은 자계의 강도가 5~30k0e의 범위의 정자계를 발생시킬 수 있는 것이 바람직하다. 희토류 영구자석을 제작할 때에 자계의 강도가 5k0e보다 약하면, 고배향성 및 고자기 특성의 것을 얻을 수 없다. 한편, 30k0e보다 강하면, 자계발생장치의 크기가 너무 커지고, 장치의 내구성이 낮아져, 현실적이지 않다.

한편, 상기 자계발생수단은 자계의 강도가 5~50k0e의 범위의 맥동펄스 자계를 발생시킬 수 있는 것도 좋다. 이에 따라, 충전실에 충전한 분말 자체에 대하여 진동을 가하는 것이 가능하여 한층 더 배향성을 향상시킬 수 있다. 단, 자계의 강도가 5k0e보다 약하면, 고배향성 및 고자기 특성의 것을 얻을 수 없다. 한편, 50k0e보다 강하면, 자계발생장치의 크기가 너무 커지고, 장치의 내구성이 낮아져 현실적이지 않다.

또한, 상기 분말은, 예를 들어, 급냉법에 의해 제작한 희토류 자석용 합금원료분말이다. 이로 인해, 합금원료분말이 네모난 입자형이 되어, 하나의 결정파면의 면적을 크게 할 수 있고, 합금원료분말의 입자 간 틈새를 작게 할 수 있으며, 합금원료분말의 유동성을 향상시킴으로써 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 합금원료분말의 결정파면을 조합할 수 있는 기회가 많음과 더불어 배향성을 한층 더 높게 할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 성형 장치를 이용하면, 배향의 흐트러짐 없이 고밀도이며, 고자기특성의 영구자석을 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 성형 장치에서는 자계 또는 전계 중에서 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 분말의 결정파면이 조합되도록 하여, 극히 높은 배향성의 성형체의 제작이 가능하다는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제조 방법을 실시하는 성형 장치를, 대기 위치에서 설명하는 도면이다.

도 2는 도 1에 나타낸 성형 장치의 작동을 설명하는 도면이다.

도 3은 도 1에 나타낸 성형 장치의 작동(배향 공정)을 설명하는 도면이다.

도 4 (a)는 종래 기술의 자장 배향을 설명하는 도면이고, (b)는 본 발명의 교반 자장 배향을 설명하는 도면이다.

도 5는 도 1에 나타낸 성형 장치의 작동(성형 공정)을 설명하는 도면이다.

도 6은 맥동 펄스 자계를 설명하는 도면이다.

도 7은 맥동 펄스 자계의 변형예를 설명하는 도면이다.

도 8 (a) 내지 (c)는, 교반 장치에 이용되는 회전 날개의 다른 형태를 나타내는 도면이다.

(부호의 설명)

1 압축성형기

2 다이

21 관통공

22 캐비티

31, 32 펀치

4 자계발생장치

5 교반장치

54 회전 날개

56 덮개

P 합금원료분말

도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 1은, 본 발명의 성형 장치이며, 성형 장치(1)는, 희토류 영구자석, 특히, Nd-Fe-B계의 소결자석(배향체, 성형체를 포함)을 제작하는 데에 적합하다. 성형 장치(1)는, 가압방향 (press 방향)이 자장 배향방향에 수직인 일축 가압식의 압축성형기이며, 각편(脚片, 11)으로 지지된 베이스 플레이트(12)를 가진다. 베이스 플레이트(12)의 위쪽에는 다이(2)가 배치되고, 베 이스 플레이트(12)를 관통공하는 복수의 지주(13)로 지지되며, 각 지주(13)의 다른 한 쪽 끝이 베이스 플레이트(12)의 아래쪽에 설치한 연결판(14)에 연결되어 있다. 연결판(14)은 구동수단, 예를 들어, 공지의 구조인 유압 실린더의 실린더 로드(15)에 접속되고, 이로 인해 하부 유압 실린더를 작동시켜 연결판(14)을 오르내리게 하면, 다이(2)가 상하 방향(가압 방향 Y)으로 이동이 자유롭게 된다.

다이(2)의 대략 중앙부에는 상하방향의 관통공(21)이 형성되고, 관통공(21)에는 그 아래쪽으로부터 베이스 플레이트(12)의 상면 대략 중앙부에 위쪽으로 향해 설치한 아래쪽 펀치(31)의 삽입이 가능하여, 하부 유압 실린더를 작동시켜 다이(2)를 하강시키면, 관통공(21) 내에 아래쪽 펀치(31)가 삽입되어 관통공(21) 내에 캐비티(충전실, 22)가 정의된다. 캐비티(22)에 대해서는 공지의 구조인 분말공급장치(도시하지 않음)가 진퇴가 자유로우며, 이 분말공급장치에 의해 캐비티(22) 내에, 사전에 무게를 측정한 후술의 합금분말재료가 충전된다.

다이(2)의 위쪽에는 베이스 플레이트(12)에 대향시켜 다이 베이스(16)가 배치된다. 다이 베이스(16)의 하면에는 캐비티(22)에 삽입 가능한 위치로 위쪽 펀치(32)가 설치되어, 상하 한 쌍의 위쪽 펀치(32) 및 아래쪽 펀치(31)가 가압수단을 구성한다. 또한, 다이 베이스(16)의 모서리부에는 상하방향의 관통공이 형성되고, 각 관통공에는 일단이 다이(2)의 상면에 고정된 가이드 로드(17)가 삽통하고 있다. 또한, 다이 베이스(16)의 상면에는 구동수단, 예를 들어 공지의 구조의 유압 실린더(도시하지 않음)의 실린더 로드(18)가 접속되고, 이 유압 실린더를 작동시키면, 가이드 로드(17)에 안내된 다이 베이스(16)가 승강이 자유롭고, 나아가서 위쪽 펀 치(32)가 상하 방향(가압 방향)으로 이동이 자유롭게 되어, 상하방향으로 이동이 자유로운 다이(2)의 관통공(21) 내에 삽입할 수 있다. 이로 인해, 압축 성형시에는, 캐비티(22) 내에서, 상하 한 쌍의 펀치(31, 32)에 의해, 합금원료분말(P)에 압축력이 가해져 성형되어, 소정 형상의 성형체를 얻을 수 있다(성형공정).

또한, 다이(2)의 외주에는 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)을 자장 배향시키기 위해서 자계발생장치(4)가 설치되어 있다. 자계발생장치(4)는 다이(2)를 양측으로부터 사이에 두도록 대칭으로 배치되고, 연강, 순철이나 퍼멘듀어(permendur) 등의 투자율이 높은 재료제인 한 쌍의 요크(41a, 41b)를 가진다. 양 요크(41a, 41b)에는 코일(42a, 42b)이 감겨져 있고, 각 코일(42a, 42b)에 통전함으로써, 가압 방향(상하 방향 Y)과 직교하는 방향(X)에 정자계가 발생하고, 이로 인해, 캐비티(22) 내에 충전한 합금원료분말(P)을 배향할 수 있다.

자계 중에서 분극하는 분말인 합금원료분말(P)은 다음과 같이 제작된다. 즉, Fe, B, Nd를 소정의 조성비로 배합하고, 급냉법, 예를 들어, 스트립 캐스트법에 의해 0.05mm~0.5mm의 합금을 우선 제작한다. 한편, 원심주조법으로 5mm 정도 두께의 합금을 제작해도 무방하고, 배합 시에 Cu, Zr, Dy, Al이나 Ga를 소량 첨가해도 무방하다. 다음으로, 제작한 합금을 공지의 수소분쇄 공정에 의해 조분쇄하고, 이어서 제트밀 미분쇄 공정에 의해 질소 가스 분위기 중에서 미분쇄하여, 평균 입경 2~10㎛의 합금원료분말을 얻는다. 이 경우, 급냉법을 이용하면, 합금원료분말(P)이 모난 낱알형상이 되어, 하나의 결정파면의 면적이 커질 수 있고, 합금원료분말(P) 상호간의 틈새를 작게 할 수 있다.

상기와 같이 제작한 합금원료분말(P)에는 유동성을 향상시키기 위해 바람직하게는 소정의 혼합배합으로 윤활제가 첨가되어 이 윤활제에 의해 합금원료분말(P)의 표면이 피복된다. 윤활제로서는 금형에 흠집이 나지 않도록 점성이 낮은 고체 윤활제나 액체 윤활제가 이용된다. 고체 윤활제로서 층상 화합물(MoS₂, WS₂, MoSe, 흑연, BN, CF_x 등), 연질금속(Zn, Pb 등), 강질물질(다이아 분말, TiN 분말 등), 유기고분자(PTEE계, 나일론계 지방족계, 고급 지방족계, 지방산 아미드계, 지방산 에스테르계, 금속비누계 등)를 들 수 있고, 특히 스테아린산아연, 에틸렌 아미드, 플루오르 에테르계 그리스를 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 액체 윤활제로서는 천연유지재료(피마자유, 코코넛유, 팜유 등의 식물유, 광물유, 석유계 유지 등), 유기저분자 재료(저급 지방족계, 저급 지방산 아미드계, 저급 지방산 에스테르계)를 들 수 있고, 특히 액상 지방산, 액상 지방산 에스테르, 액상 불소 윤활제를 이용하는 것이 바람직하다. 액체윤활제는 계면활성제와 함께 사용하거나, 용매로 희석시켜 이용되고, 소결 후의 나머지 윤활제의 잔류탄소성분이 자석의 보자력을 저하시키는 점에서 소결 공정에서 제거하기 쉽도록 저 분자량의 것이 바람직하다.

합금원료분말(P)에 고체윤활제를 첨가할 경우, 0.02wt%~0.1wt% 혼합비율로 첨가하면 좋다. 0.02wt%보다 적으면 합금원료분말(P)의 유동성이 향상되지 못하여, 결국 배향성을 향상시키지 못한다. 한편, 0.1wt%를 넘으면, 소결자석을 얻었을 때, 이 소결자석 중에 잔류하는 탄소의 영향을 받아 보자력이 저하한다. 또한, 합금원 료분말(P)에 액체윤활제를 첨가할 경우, 0.05wt%~5wt%의 범위의 비율로 첨가하면 된다. 0.05wt%보다 적으면, 합금원료분말의 유동성이 향상되지 못하고, 결국 배향성을 향상시키지 못할 우려가 있으며, 한편, 5wt%를 넘으면, 소결자석을 얻었을 때, 이 소결자석 중에 잔류하는 탄소의 영향을 받아 보자력이 저하한다. 또한, 윤활제는 고체윤활제와 액체윤활제의 양쪽을 첨가하면, 합금원료분말(P)의 구석구석까지 윤활제가 골고루 퍼지게 되어 더욱 높은 윤활효과에 의해 더욱 높은 배향성을 얻을 수 있다.

상기와 같이 제작한 합금원료분말(P)을 다이(2)의 관통공(21)에 형성한 캐비티(22)에 충전한 후, 상하 한 쌍의 펀치(31, 32)에 의해 상하방향으로부터 가압하여 합금원료분말(P)이 압축성형되나, 그 때, 높은 배향성을 얻을 수 있도록 하여, 자기 특성의 향상을 꾀할 필요가 있다. 여기에서, 본 실시 형태에서는 교반장치(5)를 캐비티(22)에 대하여 진퇴가 자유롭게 설치하도록 하였다. 그리고 합금원료분말(P)을 충전실인 캐비티(22)에 충전한 후, 상하 한 쌍의 펀치(31, 32에) 의한 압축성형(성형공정)에 앞서, 자계발생장치(4)의 각 코일(41a, 42b)에 통전하여 정자계를 발생시킨 상태(자계중)에서 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)을 교반시키면서 자장배향이 가능하도록(배향공정), 성형 장치(1)를 구성하였다.

교반장치(5)는 다이(2)의 윗면에 평행하게 설치한 지지판(51)을 가지고, 지지판(51)의 윗면에는 공지의 구조를 가지는 액압 실린더(52)가 설치되어 있다. 지지판(51)의 하측에 돌출된 액압 실린더(52)의 실린더 로드(52a)에는 공지의 구조인 에어 구동형의 모터(53)가 부착되어, 실린더 로드(52a)의 긴 방향 축선상에 위치하 게끔 배치한 모터(53)의 회전축(53a)에는 회전날개(54)가 부착되어(회전교반), 회전축(53a) 및 회전날개(54)가 교반수단을 구성한다. 회전날개(54)는 스크류 날개(프로펠러 날개) 식이며, 회전축(53a) 및 회전날개(54)는 비자성 재료, 예를 들어, 18-8 스테인레스 제이다. 회전축(53a) 및 회전날개(54)를 비자성 재료제로 함으로써, 자계 중에서 합금원료분말을 교반할 때에 교반수단에 합금원료분말(P)이 부착되고, 합금원료분말(P)의 교반이 불충분하게 되어, 자계가 흐트러지는 것을 방지할 수 있다.

지지판(51)은 상하 방향(X)과 직각 방향으로 연장되는 2개의 안내 레일(55)에 부착되어, 안내 레이스(55)를 따라 지지판(51)을 슬라이드 시키는 것에 의해, 교반장치(5)가 캐비티(22)에 대하여 진퇴가 자유롭게 된다. 이 경우, 공급 장치도, 같은 안내 레일(55)에 부착되어 캐비티(22)에 대하여 진퇴가 자유롭게 되도록 해도 좋다. 그리고 안내 레일(55)에 설치한 스토퍼(도시하지 않음)에서 정지하면, 상하 한 쌍의 펀치(31, 32)의 긴 방향 축선상에 회전축(53a)이 위치하도록 위치 결정된다. 또한, 모터(5)3의 회전축(53a)에는 비자성 재료제의 덮개판(56)이 부착되고, 이 덮개(56)는 실린더(52)를 작동시켜 회전날개(54)를 캐비티(22) 내의 소정 위치까지 하강시킬 때, 다이(2)의 윗면에 접하여 관통공(21)의 위쪽을 막아, 교반 중에 합금분말재료(P)가 캐비티(22)의 밖으로 튀어나가는 것을 방치하는 역할을 한다.

이로 인해, 합금원료분말(P)을 자장 배향할 때에, 합금원료분말(P)에 윤활제를 첨가함으로써 합금원료분말의 유동성이 향상하는 것과, 자장을 인가하면서 캐비티(22) 내에 충전한 유동성이 높은 합금원료분말(P)을 교반함으로써 캐비티(22) 내 에서의 합금원료분말(P)의 입자끼리의 위치관계가 캐비티(22) 내에 충전한 상태에서 변화함과 더불어, 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 합금원료분말(P)의 결정파면이 조합되는 기회가 많아지고, 동등한 결정방위관계를 가지는 결정파면 끼리 일단 결합하면 강고한 결합 체인을 형성함으로써, 자장배향방향에서 결정파면이 틈새 없이 접합되어 고르게 된다. 이 상태에서 압축성형을 함으로써, 배향이 흐트러지지 않는 고밀도의 성형체(M)가 되고(도 5 참조), 성형체의 강도가 강해져, 불량 발생률을 낮출 수 있음과 아울러, 고자기 특성의 성형체(M, 영구자석)를 얻을 수 있다. 이 경우, 캐비티(22) 내에 충전되는 합금원료분말(P)에 수지 바인더를 혼합해두면, 고자기 특성의 희토류 본드 자석(성형체)을 얻을 수 있다.

다음으로, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 성형 장치(1)를 이용한 Nd-Fe-B계 소결자석의 제조에 대하여 설명한다. 우선, 다이(2) 및 아래쪽 펀치(31)의 각 상면이 면 하나에 있으며, 위쪽 펀치(32)가 상단에 위치하는 대기 위치로부터(도 1 참조), 액압 실린더를 작동시켜 다이(2)를 소정위치까지 상승시켜, 관통공(21) 내에 캐비티(22)를 정의한다. 다음으로, 도시하지 않은 분말공급장치에 의해, 사전에 무게를 측정하여 윤활제를 소정의 혼합 비율로 첨가한 합금원료분말(P)을 캐비티(22) 내에 충전하고, 분말공급장치를 퇴거시킨다. 이 경우, 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)의 충전밀도는 합금원료분말(P)의 치우침 방지나 교반 시에 움직일 수 있는 자유도를 남기기 위해 2.2~3.9g/cc로 설정된다(도 2 참조).

다음으로, 교반장치(5)를 상하 한 쌍의 펀치(31, 32)의 긴 방향 축선상에 모터(53)의 회전축(53a)이 위치하도록 이동시킨다(도 2 참조). 그리고 액압 실린 더(52)를 개입시켜 모터(53) 및 덮개판(56)을 하강시켜 덮개(56)가 다이(2)의 윗면에 면접촉하여 관통공(21)의 윗면을 막음과 아울러, 회전 날개(54)가 캐비티(22) 내에 충전된 합금원료분말(P) 내에 매설된다(도 3 참조). 이 상태에서, 자계발생장치(4)의 코일(42a, 42b)에 통전하고, 자계 중에 모터(53)를 작동시켜 회전 날개(54)를 캐비티(22) 내에서 회전시킨다(배향공정). 이 경우, 높은 배향성을 얻기 위해, 5k0e~30k0e, 바람직하게는 10k0e~26k0e의 범위의 정자계 중에서 교반장치(5)에 의한 교반을 실행하는 것이 바람직하다. 자계의 강도가 5k0e보다 약하거나 30k0e보다 강하면 고배향성 및 고자기 특성을 얻을 수 없다. 또한, 캐비티(22) 내에 충전한 합금원료분말(P)이 전체적으로 혼합될 수 있도록 회전 날개(54)의 회전수는 100~50000rpm, 바람직하게는 4000rpm으로 설정하고, 소정시간(1~5초간) 동안만 작동시킨다.

이로 인해, 종래방법과 같이, 위쪽 펀치 또는 아래쪽 펀치에 의해 진동을 가했다 하더라도, 도 4(a)에 도시하듯이 자장 배향 방향으로 서로 이웃하는 합금원료분말(P1) 상호의 결정파면이 만나지 않는 경우에는, 합금원료분말(P1) 상호 간에 틈새가 남아, 자장배향방향으로 합금원료분말(P1)이 고르지 않고, 이 상태에서 압축 성형하면 배향이 흐트러진다. 이에 대해, 본 실시 형태와 같이, 자장을 인가한 상태로 합금원료분말(P)을 교반하여 배향하면, 캐비티(22) 내에서의 합금원료분말(P)의 입자끼리의 위치관계가, 캐비티(22) 내에 충전한 상태로부터 변화하여, 보다 동등한 결정방위관계를 가지는 합금원료분말(P)의 결정파면이 조합되는 기회가 많아지며, 동등한 결정방위관계를 가지는 결정파면 끼리 일단 결합하면 강고한 결 합 체인을 형성함으로써, 도 4(b)에 도시하는 것과 같이, 막대 모양을 만들 듯이 자장배향방향에서 결정파면이 틈새 없이 접합되어 자장배향방향으로 가지런해진다.

다음으로, 자계 중에서 합금원료분말(P)의 교반이 종료되면, 회전 날개(54)가 다이(2)의 위쪽에 떨어진 위치까지 실린더 로드(52a)를 상승시킨 후, 안내 레일(55)을 따라 교반장치(5)를 슬라이드 시켜 퇴거시킨다. 이 경우, 코일(42a, 42b)에의 통전은 정지하지 않는다. 그리고 다이 베이스(16)를 하강시켜, 관통공(22)의 상측으로부터 위쪽 펀치(32)를 관통공(21)에 삽입하고, 자장을 인가한 상태에서 상하 한 쌍의 펀치(31, 32)에 의해 캐비티(22) 내에서 합금원료분말(P)의 압축성형을 개시한다.

소정시간 경과 후에 코일(42a, 42b)에의 통전을 정지하고, 이 상태에서 최대압력에서의 압축성형을 행한다. 마지막으로, 위쪽 펀치(32)를 서서히 상승시킨 후 서서히 감압하여 압축성형이 종료되어 성형체(M)가 형성된다(성형공정). 이로 인해, 합금원료분말이 마치 막대 모양을 이루도록 자장배향방향으로 결정파면이 틈새 없이 접합되어 자장배향방향으로 고르게 모인 상태에서 압축성형을 행하기 때문에, 배향의 흐트러짐이 없는 고밀도 성형체(M, 영구자석)를 얻을 수 있으며, 자기 특성도 향상된다.

성형공정에서 성형압력은 0.1~1t/㎠, 보다 바람직하게는 0.2~0.7t/㎠의 범위로 설정된다. 0.1t/㎠보다 낮은 성형압력에서는 성형체가 충분한 강도를 가지지 못하여, 예를 들어, 압축 성형기의 캐비티(22)로부터 추출할 때에 깨져버린다. 한편, 1t/㎠를 넘는 성형압력에서는 높은 성형압력이 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)에 성형압력이 과잉으로 높게 가해지게 되어, 배향을 무너뜨리며 성형하게 됨과 동시에, 성형체에 금이 가거나 깨짐 현상이 발생할 우려가 있다. 또한, 성형공정에서 자계의 강도는, 5k0e~30k0e의 범위로 설정된다. 자계의 강도가 5k0e보다 약하면, 고배향성 및 고자기 특성의 것을 얻을 수 없다. 한편, 50k0e보다 강하면, 자계발생장치의 크기가 너무 커지게 되어 현실적이지 못하다.

다음으로, 예를 들어 3k0e의 역자장을 인가하여 탈자화를 행한 후에 다이(2)를 하강 단까지 하강시키면, 캐비티(22) 내의 성형체(M)가 다이(16) 윗면으로 추출되어, 다이 베이스(16)를 상승시켜 위쪽 펀치(32)를 상승 단까지 이동시킨 후에 성형체를 추출한다. 마지막으로 얻어진 성형체를 도시하지 않은 소결로 내에 수납하여, 예를 들어 Ar 분위기 하에서 소정온도(1000℃)에서 소정시간 소결(소결공정)하고, 나아가 소정온도(500℃), Ar 분위기 중에서 소정시간 시효처리하여, 소결자석(Nd-Fe-B계의 소결자석)을 얻을 수 있다.

본 실시의 형태에서는, 성형방향이 자계의 방향과 수직인 일축 가압식의 것에 대하여 설명했으나, 이에 한정되는 것이 아니고, 성형방향과 자계의 방향이 평행이 되어도 무방하다. 또한, 본 실시의 형태에서는 교반 및 성형 시의 배향 자장으로서, 단위 시간당 자계의 강도가 변화하지 않는 정자계를 이용하도록 했으나, 이에 한정되는 것이 아니라, 도 6에 도시하듯이 단위 시간당 자계의 강도가 일정의 주기에서 변화하는 맥동 펄스 자계를 이용해도 무방하다. 이 경우, 도 7에 도시하듯이, 역자장이 인가되도록 하여도 무방하다.

이로 인해, 합금자성분말(P)의 교반 및 성형 시에 합금원료분말(P)에 대하여 진동을 가할 수 있기 때문에 한층 더 배향성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 펄스의 주기는 1㎳~2s가 바람직하고, 또한 비출력 시간은 500㎳ 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 이 범위를 초과하면, 강고한 결합 체인이 끊어져 버려, 높은 배향성을 얻을 수 없다. 또한, 맥동 펄스 자장을 인가하는 경우, 이 피크 치를 5~50k0e의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 자계의 강도가 5k0e보다 약하면, 고배향성 및 고자기 특성의 것을 얻을 수 없다. 한편, 50k0e보다 강하면, 자계발생장치의 크기가 너무 커져 현실적이지 못하다.

또한, 본 실시의 형태에서는 교반수단으로서 스크류 날개식의 회전 날개(54)를 이용하는 것에 대하여 설명했으나(회전교반), 이에 한정되는 것이 아니라, 유압 실린더(52)의 실린더 로드(52a)의 선단에 에어 실린더 등의 구동수단을 설치한 직사각형의 주걱(도시하지 않음)을 부착하여 이 주걱을 합금원료분말(P)에 매설한 상태로 캐비티(22)의 반경 방향 전체 길이에 걸쳐 수평으로 소정의 주기로 왕복 이동시키도록 해도 좋다(수평교반). 회전교반 또는 수평교반 시에 실린더 로드(52a)를 상하로 움직여 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)이 전체적으로 혼합되도록 해도 좋다.

또한, 회전 교반할 경우의 회전 날개(54)에 대해서는 교반 중에 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)이 전체적으로 혼합되도록 교반이 가능한 것이라면, 특별히 한정되지 않고, 기류를 발생시키는 것이어도 무방하나, 교반 중에 합금원료분말을 분쇄하기 어려운 형상인 상태가 바람직하다. 도 7에 도시하듯이, 회전 날개로서, 예를 들어, 회전축에 90도씩 각도를 이동하여 대략 L자의 판편(54a)을 설치한 패들 날개 식의 것(도 7(a) 참조), 나사 모양으로 날개(54b)를 설치한 리본 날개 식의 것(도 7(b) 참조)이나 회전축에 평행으로 연장되는 판편(54c)을 가지는 앵커 날개 식의 것(도 7(c) 참조)을 이용해도 좋고, 선택한 회전 날개의 종류에 따라 회전 횟수 및 교반 시간이 적절히 설정된다. 한편, 교반수단으로서 회전교반이나 수평교반 뿐 아니라, 실린더 로드(52a)의 선단에 가스 노즐을 부착하여 비자성 재료로 된 교반수단을 구성하고, 고압 가스를 간헐적으로 또는 연속으로 분사하여 캐비티(22) 내의 합금원료분말(P)을 교반하도록 해도 무방하다.

또한, 본 실시 형태에서는 일축 가압식의 성형 장치(1)를 이용하여 분말을 성형하는 것에 대하여 설명했으나, 이에 한정되는 것이 아니라, 고무 몰드를 이용한 정수압형으로서 성형 장치(도시하지 않음)를 구성해도 좋다. 이 경우, 충전실을 구성하는 고무 몰드에 합금원료분말(P)을 충전한 후, 교반장치(5)에 의해 자계 중에서 교반하는 배향공정이 실시된다. 한편, 일축 가압식의 성형 장치(1)에 의한 성형공정에서 얻어진 성형체(M)를 정수압 성형 장치를 이용하여 한층 더 성형하는 제2 성형공정을 실시해도 좋다. 이로 인해, 성형체의 금이나 깨짐현상의 발생을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 성형 장치(1)를 이용하여 합금원료분말(P)을 자계 중에서 교반하면서 자장 배향시켜 배향체를 제작하고, 계속해서, 자장을 인가한 상태에서 압축성형을 실행하여 성형체를 제작했으나, 예를 들어, 상기와 같이 얻어진 합금원료분말을 윗면이 개구된 Mo제의 상자체에 충전하여, 상기 교반장치(5)에 의해 정자계 중에서 소정 시간 교반하고, 교반장치(5)를 퇴거시킨 후에, 탈자화는 하 지 않고, 덮개의 윗면 개구에 Mo제 덮개를 장착한 후, 자계를 감쇠하고, 덮개를 장착한 상자체를 그대로 소결로에 넣어 소결을 행하여 영구자석(소결체)을 제작해도 좋다. 이 경우, 자계의 강도를 12k0e로 설정하고, 상자체를 7㎝의 입방체로 형성하고, 교반장치(5)의 회전 수를 40000rpm, 교반 시간을 2초로 설정하여 소결체를 얻은 시점에, Br=15.01kG, (BH)max=55.1MG0e로, 배향도 99%의 평균자석 특성을 얻을 수 있었다.

나아가, 본 실시 형태에서는 소결자석의 제조를 예로서 설명했으나, 자계 또는 전계 중에서 분극하는 분말을 배향시켜 배향체를 제작하고, 이 배향체를 압축 성형하는 것이라면, 본 발명의 성형 장치(1)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 소정의 분말을 자계 중에서 성형한 후, 소결하여 만들어지는 질화규소(Si₃N₄) 소결체의 제조를 들 수 있다.

Claims

자계 또는 전계 중에서 분극하는 분말이 충전되는 충전실과, 이 충전실 내에 충전된 분말에 대하여 자장 또는 전장의 인가를 가능하게 하는 자장 또는 전장 발생 수단과, 자계 또는 전계 발생 수단에 의해 자장 또는 전장을 인가한 상태에서 분말을 교반하여 배향시키는 교반수단과, 교반하여 배향한 것에 대하여 자계 또는 전계 중에서 압축력을 가하여 성형하는 가압수단을 구비한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 교반수단을 충전실 내에 대하여 진퇴가 자유롭게 설치한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 충전실은 이 충전실 내로의 상기 분말의 충전이 행해지는 개구를 가지고, 상기 교반수단을 충전실 내에 이동시켰을 때, 이 개구를 막는 덮개를 상기 교반수단에 일체로 설치한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
청구항 1 내지 청구항 3의 어느 한 항에 있어서, 상기 교반수단을 비자성 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
청구항 1 내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 자계 발생 수단은 자계의 강도가 5~30k0e의 범위의 정자계를 발생할 수 있는 것을 특징으로 하는 성형 장치.
청구항 1 내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 상기 자계 발생 수단은 자계의 강도가 5~50k0e의 범위의 맥동 펄스 자계를 발생할 수 있는 것을 특징으로 하는 성형 장치.
청구항 1 내지 청구항 6의 어느 한 항에 있어서, 상기 분말은, 급냉법에 의해 제작한 희토류 자석용 합금원료분말인 것을 특징으로 하는 성형 장치.