KR20110074573A - 증발 재료 및 증발 재료의 제조 방법 - Google Patents

증발 재료 및 증발 재료의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

높은 생산성으로, 진공 중 또는 감압 불활성 가스 분위기 중에서 Dy를 증발시키면서 열처리함으로써 네오디뮴-철-붕소계의 소결 자석의 보자력을 향상시키는 것에 이용될 수 있고, 염가로 제작가능한 박판 모양의 증발 재료를 제공한다. 본 발명의 증발 재료(1)는 다수의 투공을 갖는 내화 금속제의 심재(1a)를 구비하고, 심재(1a)에, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해시키고, 부착시키고, 응고시켜서 이루어진다. 이 경우, 상기 부착을, 이 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금의 용탕에 상기 심재를 침지하여 끌어올림으로써 행한다.

Description

증발 재료 및 증발 재료의 제조 방법{EVAPORATION MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING EVAPORATION MATERIAL}
본 발명은 증발 재료 및 증발 재료의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 진공 중 또는 감압 불활성 가스 분위기 중에서 디스프로슘(dysprosium)이나 터븀(terbium)을 증발시키면서 열처리함으로써 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron)계의 소결 자석이나 열간 소성 가공 자석의 보자력(coercive force)을 향상시키는 고성능 자석의 제조에 이용되는 증발 재료 및 증발 재료의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 보자력이 비약적으로 향상된 고성능 자석을 얻기 위하여, 처리 상자 내에 네오디뮴-철-붕소계의 소결 자석과, 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb)의 적어도 하나를 포함하는 증발 재료를 서로 이간시켜 수납하고, 이 처리 상자를 진공 분위기에서 가열하여 증발 재료를 증발시키고, 이 증발한 금속 원자의 소결 자석 표면으로의 공급량을 조절하여 이 금속 원자를 부착시키고, 이 부착한 금속 원자를, 소결 자석 표면에 금속 증발 재료로 이루어지는 박막이 형성되지 않도록 소결 자석의 결정립계 및/또는 결정립계 상에 확산시키는 처리(진공 증기 처리)를 수행하는 것이 본 출원인에 의해 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1).
상기 특허 문헌 1에 기재된 것에서는, 증발 재료로서 예를 들어, 작은 덩어리 모양의 것이 이용되어 처리 상자 내에 설치한 소결 자석의 주위에 설치되도록 되어 있다. 이러한 증발 재료를 이용하였을 경우, 체적 점유율이 커지고, 처리 상자로의 자석의 장입량을 증가시킬 수 없고, 상기 처리를 위한 비용이 높아진다고 하는 단점이 있다. 또한, 처리 상자에 소결 자석과 함께, 작은 덩어리 모양의 증발 재료를 수작업으로 설치하는 작업이 귀찮다는 단점도 있다.
이점으로부터, 상기 처리 상자 내에, 서로 접촉하지 않도록 금속 원자의 통과를 허용하는 스페이서를 그 사이에 두어 판 모양의 증발 재료와 소결 자석을 상하 방향으로 교대로 적층하여 수납하는 것이 본 출원인에 의해 제안되어 있다(일본 특허출원 제2008-41555호 참조).
여기서, Dy나 Tb의 박판의 제조 방법으로서는, 예를 들어, 불활성 가스 분위기 중에서 Dy나 Tb의 잉곳(ingot)을 융해하여 슬라브 모양으로 주조하고, 그것을 압연하는 것이 고안될 수 있다. 그러나, Dy나 Tb는 융점이 높고, 극히 활성이기 때문에, 노의 재료(furnace material)나 주형(casting mold)과 반응하므로 불순물 없는 슬라브 모양으로 융해 주조시키는 것이 곤란하다. 게다가, 만일 슬라브 모양으로 융해 주조시키는 것이 가능하였다고 하더라도, 육방 격자의 결정 구조를 가지는 점으로부터 그 가공성이 나쁘고, 또한, 박판 모양으로 압연하기 위해서는, 도중에 소둔(annealing)을 위하여 불활성 가스 중에서 열처리를 복수 회 행할 필요가 생기고, 판 모양의 증발 재료의 제작비가 상승한다는 문제가 생겼다.
특허 문헌 1 : WO 2008/023731
본 발명은 이상의 점을 고려하여, 염가로 제작 가능한 판 모양의 증발 재료를 제공하는 것을 그 제 1 과제로 하는 것이다. 또한, 높은 생산성과 저비용으로 판 모양의 증발 재료를 제조할 수 있는 증발 재료의 제조 방법을 제공하는 것을 그 제 2 과제로 하는 것이다.
상기 제 1 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 증발 재료는 다수의 투공을 가지는 내화 금속제의 심재(core member)를 구비하고, 상기 심재에 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해시키고, 부착시키고, 응고시켜서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해하고, 이 융해시킨 용탕(molten bath)에 심재를 침지하고, 끌어올리거나 융해시킨 것을 심재에 내뿜는다(용사(thermal spraying)). 이때, 심재가 다수의 투공을 가지기 때문에, 그 표면 장력으로 심재의 표면에 융해한 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금이 부착하고, 이 상태에서 융점보다 낮은 온도까지 냉각하면, 응고하여 각 투공이 매립되면서 심재의 표면이 희토류 금속 또는 희토류 금속으로 덮인 판 모양이나 원통 모양 등의 증발 재료가 얻어진다.
이와 같이 본 발명에서는, 희토류 금속이나 그 합금을 슬라브 모양으로 융해 주조시킬 필요는 없고, 또한, 예를 들어, 심재 자체를 판 모양으로 해 두면, 판 모양의 증발 재료가 간단하게 얻어지므로, 특별한 절삭 가공이나 압연 가공 등을 필요로 하지 않고, 절삭 가공 등에 의해 증발 재료로서 이용할 수 없는 부분이 생긴다는 원료 손실을 없앨 수 있는 것과 서로 작용하여 극히 염가로 증발 재료를 제작할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금의 부착을, 이 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금의 용탕에 상기 심재를 침지하고 끌어올림으로써 행하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 용사(thermal spraying)에 의해 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 부착시키는 경우와 비교하여, 심재로의 희토류 금속 또는 희토류 금속의 부착을 용이하게 행할 수가 있고, 게다가, 원료의 낭비를 발생하지 않는 점으로부터, 생산성을 한층 향상할 수 있고, 또한, 한층 더 저비용화를 꾀할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 희토류 금속은 터븀, 디스프로슘 및 홀뮴(holmium) 중에서 선택된 것이다.
또한, 상기 내화 금속은 니오브(niobium), 몰리브덴(molybdenum), 탄탈(tantalum), 티탄(titan), 바나듐(vanadium) 및 텅스텐(tungsten) 중에서 선택된 것이다.
게다가, 상기 심재는 복수의 선재(wire material)를 격자 모양으로 조립하여 이루어진 망재(net member), 전신 금속(expanded metal), 펀칭 메탈 중에서 선택된 것이다.
상기 구성을 구비한 증발 재료는 진공 중 또는 감압 불활성 가스 분위기 중에서, 디스프로슘 및 터븀을 포함하는 증발 재료를 증발(승화)시키면서 열처리함으로써 네오디뮴-철-붕소계의 소결 자석 또는 열간 소성 가공 자석의 보자력을 향상시키는 것에 이용하는 데에 최적이다.
상기 제 2 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 증발 재료의 제조 방법은, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해하고, 이 용탕에 내화 금속제의 기재(base member)를 상기 융해 온도보다 낮은 온도로 유지한 상태에서 침지하고 끌어올림으로써, 상기 기재의 표면에 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금으로 이루어지는 응고체를 형성하는 공정과, 상기 기재로부터 응고체를 이탈시키는 공정과, 상기 이탈된 응고체를 판 모양으로 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해하고, 이 융해시킨 용탕에, 융해 온도보다 낮은 온도, 예를 들어, 상온의 소정 형상의 기재를 침지한다. 이때, 단위 체적 당의 열용량이 큰 기재를 침지하면, 이 기재에 의해 용탕이 급냉되어 이 기재 표면에 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금으로 이루어진 막이 형성된다. 이 상태로부터 기재를 용탕으로부터 끌어올리면, 해당 막이 융점보다 낮은 온도까지 즉시 냉각되어 응고하고, 기재의 표면에, 소정의 두께를 가지는 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금으로 이루어진 응고체가 형성된다. 그리고, 기재에 용탕 금속이 반응하지 않기 때문에, 진동이나 충격 등을 더하는 것만으로, 기재로부터 응고체가 간단하게 이탈할 수 있다. 마지막으로, 이탈된 응고체를 절삭 가공에 의해 판 모양으로 잘라내거나, 또는 절삭 가공 후에 압연 가공이나 프레스 가공을 수행하여 판 모양으로 성형함으로써 판 모양의 증발 재료가 얻어진다. 또한, 본 발명에서, 기재에 용탕을 부착시키기 위해서는, 기재의 단위 체적 당의 열용량이 적어도 2 MJ/㎞3 정도인 것이 필요하다.
이와 같이 본 발명에서는, 희토류 금속이나 그 합금을 슬라브 모양으로 융해 주조시킬 필요는 없고, 게다가, 기재로부터 이탈한 것에 대하여 절삭 가공이나 압연 가공 등의 가공을 수행하면, 적은 공정으로 판 모양의 증발 재료가 얻어지므로, 저비용이며 생산성이 좋은 판 모양의 증발 재료를 제조할 수 있다.
기재로부터 이탈한 것을 절삭 가공 등을 수행하여 판 모양으로 하는 경우, 그 가공이 용이함과 동시에 원료의 낭비가 발생하기 어렵게 하기 위해서는, 상기 기재가 원주 모양 또는 각주 모양인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 상기 기재의 용탕으로의 침지 시간을 증감시켜서, 상기 응고체의 두께를 제어하는 것이 바람직하다.
다른 한편으로, 상기 용탕으로의 침지 시의 상기 기재의 온도를 바꾸어 상기 응고체의 두께를 제어하는 구성을 채용할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 희토류 금속은 터븀, 디스프로슘 및 홀뮴 중에서 선택된 것이다.
또한, 상기 내화 금속은 니오브, 몰리브덴, 탄탈, 티탄, 바나듐 및 텅스텐 중에서 선택된 것이다.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제 1 실시 형태의 증발 재료를 개략적으로 도시하는 평면도 및 단면도이다.
도 2는 상기 제 1 실시 형태의 증발 재료의 제조에 이용되는 딥 장치(dipping apparatus)를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 3의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 제 2 실시 형태의 증발 재료의 제조 공정을 설명하는 도면이다.
도 4는 상기 제 2 실시 형태의 증발 재료의 제조에 이용되는 변형예와 관련되는 딥 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 증발 재료가 이용되는 진공 증기 처리 장치를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 6은 처리 상자로의 증발 재료와 소결 자석의 수납을 설명하는 도면이다.
도 7은 실시예 1에 의해 제조한 증발 재료의 용적률 및 중량을 도시하는 표이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 실시예 1에 의해 제조한 증발 재료의 외관 사진이다.
도 9는 실시예 2에 의해 제조한 증발 재료의 적정 여부를 도시하는 표이다.
도 10은 실시예 3에서 이용한 기재의 각 재료에 있어서의 비열, 비중 및 단위 체적 당의 열용량을 도시하는 표이다.
이하, 예를 들어, 진공 중 또는 감압 불활성 가스 분위기 중에서 Dy를 증발시키면서 열처리함으로써 네오디뮴-철-붕소계의 소결 자석이나 열간 소성 가공 자석의 보자력을 향상시키는 고성능 자석의 제조에 이용되는 본 발명의 실시 형태의 증발 재료(1, 10) 및 이들 증발 재료(1, 10)의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 제 1 실시 형태의 증발 재료(1)은 다수의 투공을 가지는 내화 금속제의 심재(1a)에, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해시키고, 부착시키고, 응고시켜서 이루어진다. 심재(1a)로서는, 니오브, 몰리브덴, 탄탈, 티탄, 바나듐 및 텅스텐 등의 내화 금속제로 이루어지는 선재(W)를 격자 모양으로 조립하고, 판 모양으로 성형한 망재(net member)가 이용된다. 이 경우, 망재(1a)를 구성하는 선재(W)로서는, 그 직경이 0.1 ~ 1.2 mm이며, 투공인 그물코(1b)의 개구는 8 ~ 50 메쉬(mesh)인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 10 ~ 30 메쉬이다. 50 메쉬보다 큰 것에서는, 심재(1a)로서의 강도가 부족하여 양산성에 적합하지 않다. 다른 한편으로, 8 메쉬보다 작은 것에서는, 후술하는 바와 같이 희토류 금속의 용탕에 침지하여 끌어올려도, 이 심재(1a)의 전체 영역에 걸쳐 그물코를 매립하도록 희토류 금속이 부착하는 것이 어렵다는 단점이 있다.
다른 한편으로, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금으로서는, Dy 외에, Tb 또는 이들에 Nd, Pr, Al, Cu 및 Ga 등의 한층 보자력을 높이는 금속을 배합한 합금이 이용된다. 또한, 제 1 실시 형태에서는, 고성능 자석의 제조에 이용되는 것을 예로 들어 설명하고 있기 때문에, Dy를 예시하고 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 홀뮴 등의 다른 희토류 금속이나 그 합금의 증발 재료를 제작하는 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다.
도 2에는, 제 1 실시 형태의 증발 재료(1)의 제조에 이용되는 딥 장치(M1)가 도시되어 있다. 딥 장치(M1)는, 딥 실(dipping chamber)(2a)을 형성하는 융해로(melting furnace)(2)와, 이 융해로(2)의 위쪽에 게이트 밸브(3)를 통해 연결된 준비실(4a)을 형성하는 진공 챔버(4)를 구비한다.
융해로(2)의 바닥에는, Dy의 잉곳이 수납되는 도가니(5)가 배치되어 있다. 도가니(5)는 융해한 Dy와 반응하지 않는 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 산화이트륨(yttria)이나 탄탈 등의 내화 금속성으로 형성되어 있다. 또한, 융해로(2) 내에는, Dy를 가열하여 융해하는 가열 수단(6)이 설치되어 있다. 가열 수단(6)은 도가니(5) 내의 Dy를 융점(1407℃) 이상으로 가열하여 도가니(5) 내의 Dy를 융해시키고, 융해한 Dy를 용탕 상태로 유지할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없고, 예를 들어, 공지의 텅스텐 히터나 탄소 히터를 이용할 수 있고, 또한, 고주파 유도 가열식이나 아크 융해식의 노(furnace)로서 구성할 수도 있다. 또한, 융해로(2)의 측벽에는 가스 도입관(7a)이 접속되고, 도시를 생략한 가스원으로부터 아르곤이나 헬륨 등의 불활성 가스를 소정의 유량으로 딥 실(2a) 내에 도입할 수 있다. 또한, 융해로(2)에는, 딥 실(2a) 내부를 감압하는 진공 펌프(P)가 개폐 밸브(PV1)를 구비한 배기관(P1)을 통해 접속되고, 소정의 진공압으로 진공 흡입하여 유지할 수 있도록 되어 있다.
다른 한편으로, 진공 챔버(4)도 또한 준비실(4a) 내부를 감압할 수 있도록 구성되어 있다. 이 경우, 진공 챔버로부터의 배기관(P2)은 개폐 밸브(PV1)의 진공 펌프(P) 측에서 배기관(P1)에 접속되어, 배기관(P2)에 개설한 다른 개폐 밸브(PV2)의 개폐를 제어하여 동일한 진공 펌프(P)에서 진공 흡입할 수 있도록 되어 있다. 또한, 진공 챔버(4)의 측벽에는 가스 도입관(7b)이 접속되어, 도시를 생략한 가스원으로부터 아르곤이나 헬륨 등의 불활성 가스를 소정의 유량으로 준비실(4a) 내에 도입할 수 있다.
진공 챔버(4)의 하나의 측벽에는, 심재(1a)의 출입용의 개폐문(4b)이 설치되고, 또한, 상벽 내면에는, 딥 실(2a) 내의 도가니(5)의 위쪽에 위치시켜서 전자식의 호이스트(hoist)(8)가 매달려 설치되어 있다. 호이스트(8)는 모터(8a)를 갖는 드럼(8b) 및 이 드럼(8b)에 감겨진 와이어(8c)로 이루어지는 권상 기구와, 와이어(8c)의 선단에 장착된 훅 블록(8d)을 구비한 것이다. 그리고, 호이스트(8)에 의해, 준비실(4a) 내에서 훅 블록(8d)으로의 심재(1a)의 착탈이 행해지는 착탈 위치와, 딥 실(2a) 내에서 도가니(5) 내의 용탕으로 훅 블록(8d)에 장착된 심재(1a)가 그 전체에 걸쳐 침지되는 딥 위치(dipping position)와의 사이에서 이 심재(1a)가 이동되도록 되어 있다.
여기서, 훅 블록(8d)은 융해한 Dy와 반응하지 않는 몰리브덴이나 탄탈 등의 내화 금속성으로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 또한, 훅 블록(8d)을 대신하여, 와이어(8c)의 단부에, 복수 매의 심재(1a)를 소정의 간격을 갖고 늘어놓아 유지하는 내화 금속제의 홀더(도시하지 않음)를 설치하고, 복수 매의 심재(1a)를 동시에 Dy의 용탕에 침지할 수 있도록 구성하여도 좋다.
다음으로, 도 2에 도시하는 딥 장치(M1)를 이용한 제 1 실시 형태의 증발 재료(1)의 제조에 대해 설명한다. 먼저, 딥 실(2a)의 도가니(5)에 Dy의 잉곳을 설정하고, 게이트 밸브(3)를 닫아 이 딥 실(2a)을 격리한 후, 진공 펌프(P)를 작동시킴과 동시에 개폐 밸브(PV1)를 열어서 진공 흡입을 개시한다. 그것과 동시에, 가열 수단(6)을 작동시켜서 가열을 개시한다. 그리고, 딥 실(2a) 내부를 소정 압력(예를 들어, 1Pa)으로 유지하면서 가열을 행하여, Dy가 승화하기 시작하는 온도(약 800 ℃)에 이르면, 가스 도입관(7a)을 통해 Ar 가스를 딥 실(2a) 내에 도입한다.
여기서, Ar 가스의 도입을 행하는 것은 Dy가 승화하고 비산하여 손실되는 것을 방지하기 위한 것이며, 딥 실(2a)의 압력이 15 ~ 200 kPa, 바람직하게는 50 ~ 100 kPa가 되도록 Ar 가스가 도입된다. 이 상태에서 가열을 계속하여 융점에 이르면 Dy가 융해하고, 가열 수단(6)의 작동을 제어하여 융점보다 높은 일정 온도로 용탕 온도(예를 들어, 1440℃)를 유지한다.
한편, 준비실(4a)에서는, 개폐문(4b)이 닫힌 상태에서 개폐 밸브(PV2)를 열어서 진공 펌프(P)에 의해 소정의 진공압(예를 들어, 1Pa)으로 일단 감압되고, 준비실(4a) 내의 탈가스가 행해진다. 이때, 호이스트(8)의 훅 블록(8d)은 착탈 위치에 있다. 진공 흡입 개시 후 소정 시간이 경과하면, 개폐 밸브(PV2)를 닫음과 동시에, 준비실(4a)이 대기압이 될 때까지 Ar 가스를 도입하고, 준비실(4a)을 대기압으로 되돌린다. 이 상태에서, 개폐문(4b)을 열어서 심재(1a)를 반입하고, 훅 블록(8d)에 매달아 장착되도록 설정한다. 그리고, 개폐문(4b)을 닫은 후, 개폐 밸브(PV2)를 다시 열어서 진공 펌프(P)에 의해 준비실(4a)을 진공 흡입한다. 이것에 의해, 심재(1a)의 침지 준비가 완료된다.
다음으로, 용탕 온도가 소정 온도로 유지된 상태에서, 준비실(4a) 내에 가스 도입관(7b)을 통해 딥 실(2a)과 동일한 압력에 이를 때까지 Ar 가스를 도입한다. 그리고, 딥 실(2a) 및 준비실(4a)이 동일한 압력이 되면, 게이트 밸브(3)를 열고, 이 상태에서 권취 수단의 모터(8a)를 정회전시키고, 훅 블록(8d)을 통해 심재(1a)를 준비실(4a)로부터 딥 실(2a)로 향해 하강시킨다. 심재(1a)가 하강하면, 이 심재가 Dy의 용탕에 순차적으로 침지되어 가서 딥 위치에 도달한다.
딥 위치에 도달하면, 권취 수단의 모터(8a)를 역회전시켜서 훅 블록(8d)을 통해 심재(1a)를 용탕으로부터 순차적으로 끌어올려 간다. 여기서, 심재(1a)가 망재(W)로 이루어지기 때문에, 심재(1a)를 용탕에 침지해 가면, 이 심재(1a)의 Dy의 용탕에 대한 습윤성(wettability)이 좋다는 점으로부터 심재(1a)의 그물코(1b) 중에 Dy의 용탕이 침투한다. 이 상태에서는, 심재(1a)의 단위 면적 당의 열용량이 작기 때문에, 심재(1a) 주위의 용탕은 액상(liquid state)이며, 심재(1a)를 용탕으로부터 순차적으로 끌어 올려지면, 용탕으로부터 끌어 올려진 부분에서는, 그 표면 장력에 의해 각 그물코(1b)가 매립되면서 심재(1a)의 표면이 덮이도록 Dy가 부착한 상태가 되어, 용탕으로부터 끌어 올려져 즉시 융점보다 낮은 온도까지 냉각됨으로써 응고하여 간다. 그리고, 심재(1a)가 용탕으로부터 완전히 끌어 올려지면, 판 모양의 증발 재료(1)가 얻어진다. 또한, 이때의 심재(1a)의 끌어올리는 속도는 Dy가 각 그물코(1b) 중에서 응고할 수 있는 것, Dy 부착량이 균일하고 가능한 한 커지는 것 등을 고려하여 적절하게 설정된다.
그리고, 훅 블록(8d)이 장착 위치에 도달하면, 게이트 밸브(3)를 닫는다. 이 상태에서, 준비실(4a) 내에 Ar 가스를 더욱 도입하고(예를 들어, 100 kPa), 소정 시간 냉각한다. 냉각 후, 준비실(4a) 내에 Ar 가스를 더욱 도입하여 대기압으로 되돌리고, 개폐문(4b)을 열어서 증발 재료(1)를 반출한다.
이와 같이 제 1 실시 형태에서는, Dy를 슬라브 모양으로 융해 주조시킬 필요는 없고, 또한, 심재(1a) 자체를 판 모양으로 하는 것만으로, Dy로 만들어진 판 모양 증발 재료(1)를 제작할 수 있기 때문에, 특별한 절삭 가공이나 압연 가공 등을 필요로 하지 않고, 절삭 가공 등에 의해 증발 재료로서 이용할 수 없는 부분이 생긴다고 하는 원료 손실을 없앨 수 있는 것과 서로 작용하여 극히 염가로 증발 재료(1)가 얻어진다.
여기서, 후술하는 바와 같이, 제 1 실시 형태의 증발 재료(1)를 고성능 자석의 제조에 이용하였을 경우에는, 심재(1a)에 부착한 Dy가 소모하여 오면, 심재(1a)의 그물코(1b)의 개소에서 구멍이 열리기 시작하게 된다. 이 때문에, 증발 재료(1)의 소모 상황이 시인될 수 있고, 증발 재료(1)의 교환 시기 등의 판단 등에 유리하다.
또한, 상기와 같이 증발 재료(1)가 소모하였을 때에는, 어떤 전처리를 행하는 일 없이, 이 소모한 증발 재료(1)를 이용하여 상기와 동일한 순서로 Dy의 용탕에 침지하고 끌어올림으로써 증발 재료(1)의 재생이 가능해진다. 그 결과, 사용이 끝난 증발 재료(1)에 부착, 잔존한 Dy는 스크랩이 되는 일 없이, 그대로 재이용할 수 있어서, 자원적으로 부족하고 고가인 Dy, Tb 등의 희토류 원자를 매우 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 상기 제 1 실시 형태에서는, 심재(1a)로서 판 모양으로 형성한 것을 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 통 모양으로 성형한 망재를 이용하여 통 모양의 증발 재료를 제작하고, 링 모양의 소결 자석, 열간 소성 가공 자석을 제조하기 위한 증발 재료로 하여도 좋다. 또한, 심재(1a)는 소정 직경의 투공이 다수 형성된 것이면 좋고, 망재를 대신하여, 전신 금속 또는 펀칭 메탈을 이용할 수도 있다.
또한, 상기 제 1 실시 형태에서는, Dy의 부착을 Dy의 잉곳을 융해한 용탕으로 심재(1a)를 침지하고 끌어올림으로써 행하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 용사에 의해 심재(1a)에 Dy를 부착시키도록 하여도 좋다. 또한, 상기 제 1 실시 형태에서는, 심재(1a)를 1회의 침지로 행하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 침지하는 방향을 바꾸어 복수 회로 나누어 행하도록 하여도 좋다.
다음으로, 도 3을 참조하여 제 2 실시 형태의 증발 재료(10)를 설명한다. 증발 재료(10)는 Dy를 융해하고, 이 Dy의 용탕에 기재(10a)를 상기 융해 온도보다 낮은 온도로 유지한 상태에서 침지하고 끌어올림으로써, 기재(10a)의 표면에 Dy로 이루어지는 응고체(10b)를 형성하는 공정(응고체 형성 공정)과, 기재(10a)로부터 응고체(10b)를 이탈시키는 공정(이탈 공정)과, 이탈한 응고체(10b)를 판 모양으로 가공하는 공정(가공 공정)을 거쳐서 제조된다.
기재(10a)로서는, 응고체(10b)의 형성 후에 판 모양으로 가공하는 것을 고려하여, 니오브, 몰리브덴, 탄탈, 티탄, 바나듐 및 텅스텐 등의 내화 금속제로 이루어지는 것 중에서 속이 꽉 찬 각주 모양이나 원주 모양의 것이 이용된다. 또한, 기재(10a)로서는, 단위 체적 당의 열용량이 2.5 MJ/㎞3 정도의 것을 이용한다. 2 MJ/㎞3보다 열용량이 작으면, 후술하는 바와 같이 Dy의 용탕에 침지하였을 때, 기재(10a) 자체가 급격하게 온도가 상승하여 그 표면에 형성된 Dy 막이 재융해하고, 응고체(10b)가 효율적으로 형성될 수 없다.
한편, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금으로서는, Dy 외에, Tb 또는 이것들에 Nd, Pr, Al, Cu 및 Ga 등의 한층 보자력을 높이는 금속을 배합한 합금이 이용된다. 또한, 제 2 실시 형태도 또한 고성능 자석의 제조에 이용되는 것을 예로 들어 설명하고 있기 때문에, Dy를 예시하고 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 홀뮴 등의 다른 희토류 금속이나 그 합금의 증발 재료를 제작하는 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다.
응고체 형성 공정에서는, 도 4에 도시하는 딥 장치(M2)가 이용될 수 있다. 딥 장치(M2)는 상기 제 1 실시 형태에서 이용한 딥 장치(M1)(도 2 참조)와 거의 동일한 구성을 가지지만, 호이스트(80)의 와이어(81)의 선단에는, 훅 블록(8d)을 대신하여 기재(10a)의 세로 방향의 일단부를 파지하는 클램프(82)가 설치되어 있다. 그리고, 호이스트(80)에 의해, 준비실(4a) 내에서 클램프(82)로의 기재(10a)의 착탈이 행해지는 착탈 위치와, 딥 실(2a) 내에서 도가니(5) 내의 용탕에 클램프(82)로 파지된 기재(10a)가 그 클램프(82)로 파지된 개소를 제외한 대부분이 침지되는 딥 위치와의 사이에서, 이 기재(10a)를 이동하게 하도록 되어 있다. 또한, 도 4에서는, 딥 장치(M1)와 동일한 부품에 대하여 동일한 부호를 붙이고 있다.
클램프(82)는 상기 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 융해한 Dy와 반응하지 않는 몰리브덴이나 탄탈 등의 내화 금속성으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 와이어(8c)의 선단에 도시를 생략한 지그(jig)를 통해 복수 개의 클램프(82)를 줄지어 설치하고, 복수 개의 기재(1a)를 동시에 Dy의 용탕에 침지할 수 있도록 구성하여도 좋다.
이하, 도 4에 도시하는 딥 장치(M2)를 이용하여 각주 모양의 기재(10a)의 표면에 응고체(10b)를 형성하고, 이어서, 이 응고체(10b)를 가공하여, 판 모양의 증발 재료(10)를 얻는 경우에 대해 설명한다.
먼저, 딥 실(2a)의 도가니(5)에 Dy의 잉곳을 설정하고, 게이트 밸브(3)를 닫아 이 딥 실(2a)을 격리한 후, 진공 펌프(P)를 작동시킴과 동시에 개폐 밸브(PV1)를 열어서 진공 흡입을 개시한다. 그것과 동시에 가열 수단(6)을 작동시켜서 가열을 개시한다. 그리고, 딥 실(2a) 내를 소정 압력(예를 들어, 1Pa)으로 유지하면서 가열을 행하여, Dy가 승화하기 시작하는 온도(약 800 ℃)에 이르면, 가스 도입관(7a)을 통해 Ar 가스를 딥 실(2a) 내에 도입한다.
여기서, Ar 가스의 도입을 행하는 것은 Dy의 증발을 억제하기 위한 것이며, 딥 실(2a)의 압력이 15 ~ 105 kPa, 바람직하게는 80 kPa가 되도록 Ar 가스가 도입된다. 이 상태에서 가열을 계속하여 융점에 이르면 Dy가 융해하고, 가열 수단(6)의 작동을 제어하여 융점보다 높은 일정 온도로 용탕 온도(예를 들어 1440 ℃)를 유지한다.
한편, 준비실(4a)에서는, 개폐문(4b)이 닫힌 상태에서 개폐 밸브(PV2)를 열어서 진공 펌프(P)에 의해 소정의 진공압(예를 들어, 1Pa)으로 일단 감압되고, 준비실(4a) 내의 탈가스가 행해진다. 이때, 준비실(4a)은 상온이며, 또한, 호이스트(80)의 클램프(82)는 착탈 위치에 있다. 진공 흡입 개시 후 소정 시간이 경과하면, 개폐 밸브(PV2)를 열리게 함과 동시에, 준비실(4a)이 대기압이 될 때까지 Ar 가스를 도입하고, 준비실(4a)을 대기압으로 되돌린다. 이 상태에서, 개폐문(4b)을 열어서 상온의 기재(10a)를 반입하고(도 3의 (a) 참조), 클램프(82)에 의해 기재(10a)의 세로 방향 일단부를 파지시킴으로써 설정한다. 그리고, 개폐문(4b)을 닫은 후, 개폐 밸브(PV2)를 재차 열어서 진공 펌프(P)에 의해 준비실(4a)을 재차 진공 흡입한다. 이것에 의해, 기재(10a)의 침지 준비가 완료된다.
다음으로, 용탕 온도가 소정 온도로 유지된 상태에서, 준비실(4a) 내에 가스관(7b)을 통해 딥 실(2a)과 동일한 압력에 이를 때까지 Ar 가스를 도입한다. 그리고, 딥 실(2a) 및 준비실(4a)이 동일한 압력이 되면, 게이트 밸브(3)를 열고, 이 상태에서 권취 수단의 모터(8a)를 정회전시키고, 클램프(82)를 통해 기재(10a)를 준비실(4a)로부터 딥 실(2a)로 향해 하강시킨다. 기재(10a)가 하강하게 되면, 이 기재(10a)가 Dy의 용탕에 순차적으로 침지되어 가서 딥 위치에 도달한다. 그리고, 딥 위치에서 소정 시간만 유지한다. 이 경우, 유지하는 시간은 기재(10a)의 열용량과, 얻으려고 하는 응고체(10b)의 두께에 따라 적절하게 설정된다. 단, 소정의 시간을 넘어서 침지하면, 기재(10a) 표면에 형성된 Dy의 막이 재융해하여 버리기 때문에, 이것을 고려하여 유지하는 시간이 설정된다.
상기 상태에서 소정 시간 경과하면, 권취 수단의 모터(8a)를 역회전시켜 클램프(82)를 통해 기재(10a)를 용탕으로부터 순차적으로 끌어올려 간다. 여기서, 단위 체적 당의 열용량이 2.5 MJ/㎞3 정도인 기재(10a)를 침지함으로써, 기재(10a)를 용탕에 침지하였을 때에, 기재(10a)로 용탕이 급냉되어 이 기재(10a) 표면에 부착하여 Dy로 이루어지는 막이 소정의 막 두께로 형성된다. 이 상태에서 용탕으로부터 끌어올리면, 이 막이 융점보다 낮은 온도까지 즉시 냉각되어 응고하고, 기재(10a)의 표면에 응고체(10b)가 형성된다(도 3의 (b) 참조). 또한, 이때의 기재(10a)의 끌어올리는 속도는 용탕으로의 지그 침지 시간을 고려하여 적절하게 설정된다.
그리고, 클램프(82)가 장착 위치에 도달하면, 게이트 밸브(3)를 닫는다. 이 상태에서, 준비실(4a) 내에 Ar 가스를 더욱 도입하여(예를 들어, 100 kPa) 소정 시간 냉각한다. 냉각 후, 준비실(4a) 내에 Ar 가스를 더욱 도입하여 대기압으로 되돌리고, 개폐문(4b)을 열어서 기재(10a)의 표면에 응고체(10b)가 형성된 것을 꺼낸다.
다음으로, 기재(10a)로부터 응고체(10b)를 이탈시킨다. 이 경우, 기재(10a) 중에서 클램프(82)로 파지된 부분에는 응고체(10b)가 형성되어 있지 않다. 이 때문에, 응고체(10b)를 고정한 상태에서 기재(10a)의 상기 부분에 적절하게 진동을 더하면서 인장력을 더함으로써 기재(10b)를 뽑아낼 수 있다. 한편, 도 3의 (c)에 도시하는 바와 같이, 이 도면 중에서 쇄선으로 도시하는 파단선을 따라 기재(10a)의 세로 방향 타측에서의 응고체(10b)를 절삭 가공 등에 의해 절단하고, 기재(10a)의 세로 방향의 측면을 노출시킨다. 그리고, 도 3의 (d)에 도시하는 바와 같이, 기재(10a)에 충격 또는 가압력 등을 더하여 응고체(10b)가 밀어내도록 하여도 좋다. 이와 같이, 기재(10a)와 용탕 금속이 반응하지 않기 때문에, 진동이나 충격 등을 더하는 것만으로, 기재(10a)로부터 응고체(10b)가 간단하게 이탈할 수 있다.
마지막으로, 예를 들어, 도 3의 (e)에 도시하는 바와 같이, 이 도면 중에서 쇄선으로 도시하는 파단선을 따라 응고체(10b)를 절삭 가공 등으로 절단하면, 판 모양의 증발 재료(10)가 얻어진다(도 3의 (f) 참조). 이와 같이 제 2 실시 형태에서는, Dy를 슬라브 모양으로 융해 주조시킬 필요는 없고, 게다가, 기재(10a)로부터 이탈한 것을 절삭 가공하는 것 뿐이기 때문에, 저비용이며 생산성이 좋은 판 모양의 증발 재료(10)를 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같이 제작한 증발 재료(10)를 한층 더 압연하여 사용하여도 좋다. 여기서, 종래 기술과 같이, 슬라브를 제작하여 박판으로 압연하면, 육방 격자의 결정 구조를 가지는 점으로부터 그 가공성이 나쁘고, 박판 모양으로 압연하기 위해서는 도중에 소둔을 위한 열처리를 할 필요가 있어서, 제작 비용이 상승하는 문제가 있었지만, 본 방법으로 제작한 것은 처음부터 수 mm의 박판 모양이며, 동시에, 급냉하고 있음으로써 조직이 미세하다는 점으로부터, 압연성이 풍부하여 소둔의 필요가 없는 1 mm 이하까지 압연할 수 있다.
또한, 상기 제 2 실시 형태에서는, 기재(10a)로서 각주 모양의 것을 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 원주 모양을 이용할 수가 있다. 이 경우에는, 기재(10a)로부터 이탈한 단면 링 모양의 응고체를 단면 반원 형상이 되도록 세로 방향을 따라 절단하고, 이것을 압연이나 프레스 성형하여 판 모양의 증발 재료를 얻도록 하여도 좋다.
또한, 상기 제 2 실시 형태에서는, 딥 위치에서의 침지 시간을 바꾸어 응고체(10b)의 두께를 제어하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 용탕으로의 침지 시의 기재(10a)의 온도를 바꾸어 응고체(10b)의 두께를 제어하는 것도 할 수 있다. 이 경우, 진공 챔버(4) 내에 공지의 냉각 수단을 조립하여 기재(10a)의 온도를 조절하면 좋다.
또한, 상기 제 2 실시 형태에서는, Dy의 잉곳을 융해한 용탕에 기재(10a)를 침지하고 끌어올림으로써 행하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 처리실 내에서 Dy를 증발시켜서 Dy 증기 분위기를 형성하고, Dy 증기 분위기 중에 예를 들어, 상온의 기재(10a)를 반입하고, 양자의 온도차로 Dy를 부착 퇴적시켜서 냉각함으로써 변형예에 따른 응고체를 형성하는 것도 가능하다. 이러한 처리 장치는 본 출원인에 의해 국제 출원되어 국제 공개된 WO 2006/100968호 공보에 기재되어 있기 때문에, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
다음으로, 상기 제 1 및 제 2 실시 형태에서 제조한 본 발명의 판 모양의 증발 재료(1 또는 10)를 이용한 고성능 자석의 제조에 대해 설명한다. 고성능 자석은 소정 형상으로 형성된 공지의 네오디뮴-철-붕소계의 소결 자석(S)의 표면에 상기 증발 재료(1)(10)를 증발시키고, 그 증발한 Dy 원자를 부착시키고, 소결 자석(S)의 결정립계 및/또는 결정립계 상에 확산시켜서 균일하게 널리 퍼지게 하는 일련의 처리(진공 증기 처리)를 동시에 행하여 제작된다. 이러한 진공 증기 처리를 수행하는 진공 증기 처리 장치를 도 5를 이용하여 이하에 설명한다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 진공 증기 처리 장치(M3)는 터보 분자 펌프, 크라이오 펌프(cryo pump), 확산 펌프 등의 진공 배기 수단(11)을 통해 소정 압력(예를 들어 1×10-5 Pa)까지 감압하여 유지할 수 있는 진공 챔버(12)를 가진다. 진공 챔버(12) 내에는, 후술하는 처리 상자(20)의 주위를 둘러싸는 단열재(13)와, 그 안쪽에 배치한 발열체(14)가 설치되어 있다. 단열재(13)는 예를 들어 Mo로 만들어지며, 또한, 발열체(14)로서는, Mo로 만들어진 필라멘트(도시하지 않음)를 가지는 전기 히터이며, 도시를 생략한 전원으로부터 필라멘트에 통전하고, 저항 가열식으로 단열재(13)에 의해 둘러싸이고, 처리 상자(20)가 설치되는 공간(15)을 가열할 수 있다. 이 공간(15)에는 예를 들어, Mo로 만들어진 장착 테이블(16)이 설치되어, 적어도 1개의 처리 상자(20)가 장착될 수 있도록 되어 있다.
처리 상자(20)는 상면을 개구한 직방체 형상의 상자부(21)와, 개구한 상자부(21)의 상면에 착탈 가능한 뚜껑부(22)로 구성되어 있다. 뚜껑부(22)의 바깥 둘레부에는 아래쪽으로 굴곡시킨 플랜지(22a)가 그 전체 주변에 걸쳐 형성되고, 상자부(21)의 상면에 뚜껑부(22)를 장착하면, 플랜지(22a)가 상자부(21)의 외벽에 끼워맞추어져(이 경우, 메탈 밀봉 등의 진공 밀봉은 설치되어 있지 않다), 진공 챔버(12)와 격리된 처리실(20a)이 형성된다. 그리고, 진공 배기 수단(11)을 작동시켜서 진공 챔버(12)를 소정 압력(예를 들어, 1×10-5 Pa)까지 감압하면, 처리실(20a)이 진공 챔버(12)보다 높은 압력(예를 들어, 5×10-4 Pa)까지 감압된다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 처리 상자(20)의 상자부(21)에는, 소결 자석(S) 및 상기 실시 형태의 증발 재료(1)가 서로 접촉하지 않도록 스페이서(30)를 사이에 두어 상하로 겹쳐 쌓아 양자가 수납된다. 스페이서(30)는 상자부(21)의 횡단면보다 작은 면적이 되도록 복수 개의 선재(예를 들어,
Figure pct00001
0.1 ~ 10 mm)를 격자 모양으로 조립하여 구성한 것이며, 그 바깥 둘레부가 대략 직각으로 위쪽으로 굴곡되어 있다. 이 굴곡된 개소의 높이는 진공 증기 처리해야 할 소결 자석(S)의 높이보다 높게 설정되어 있다. 그리고, 이 스페이서(30)의 수평 부분에 복수 개의 소결 자석(S)이 동일 간격으로 나열되어 장착된다. 또한, 소결 자석 중에서 표면적이 큰 부분이 증발 재료(1)(10)와 대향하도록 장착하는 것이 바람직하다. 또한, 스페이서(30)는 판재나 봉재로 구성하여도 좋고, 소결 자석(S) 상호의 사이에 적절하게 배치하면, 하단의 소결 자석(S)이 상단의 소결 자석(S)의 하중을 받아서 변형되는 것이 방지될 수 있어서 좋다.
그리고, 상자부(21)의 바닥 면에 증발 재료(1)(10)를 설치한 후, 그 위쪽에 소결 자석(S)을 나란히 설치한 스페이서(30)를 장착하고, 또한, 다른 증발 재료(1)(10)를 장착한다. 이와 같이 하여, 처리 상자(20)의 상단부까지 증발 재료(1)와 소결 자석(S)의 복수 개가 나란히 설치된 스페이서(30)를 계층 모양으로 교대로 겹쳐 쌓아 간다. 또한, 최상층의 스페이서(30)의 위쪽에 있어서는, 뚜껑부(22)가 근접하여 위치하기 때문에, 증발 재료(1)를 생략하는 것도 할 수 있다.
그리고, 이와 같이 소결 자석(S)과 증발 재료(1)(10)를 상자부(21)에 양자를 먼저 설치하고, 상자부(21)의 개구한 상면에 뚜껑부(22)를 장착한 후, 테이블(16) 상에 처리 상자(20)를 설치한다. 다음으로, 진공 배기 수단(11)을 통해 진공 챔버(12)를 소정 압력(예를 들어, 1×10-4 Pa)에 이를 때까지 진공 배기하여 감압하고, 진공 챔버(12)가 소정 압력에 이르면, 가열 수단(14)을 작동시켜서 처리실(20a)을 가열한다.
감압 하에서 처리실(20a) 내의 온도가 소정 온도에 이르면, 처리실(20a)의 Dy가 처리실(20a)과 대략 동일한 온도까지 가열되어 증발을 개시하고, 처리실(20a) 내에 Dy 증기 분위기가 형성된다. 그때, 도시를 생략한 가스 도입 수단으로부터 일정한 도입량으로 진공 챔버(3) 내에 Ar 등의 불활성 가스를 도입한다. 이것에 의해, 불활성 가스가 처리 상자(20) 내에도 도입되어, 이 불활성 가스에 의해 처리실(20a) 내에서 증발한 금속 원자가 확산된다. Ar 등의 불활성 가스의 도입 압력은 1 k ~ 30 kPa가 바람직하고, 2k ~ 20 kPa가 더욱 바람직하다.
또한, 이 Dy의 증발량을 제어하기 위하여, 가열 수단(14)을 제어하여 처리실 내의 온도를 800 ℃ ~ 1050 ℃, 바람직하게는 850 ℃ ~ 950 ℃의 범위로 설정한다(예를 들어, 처리실 내의 온도가 900 ℃ ~ 1000 ℃인 때, Dy의 포화 증기압은 약 1×10-2 ~ 1×10-1 Pa가 된다).
이것에 의해, Ar 등의 불활성 가스의 분압을 조절하여 Dy의 증발량을 제어하고, 이 불활성 가스의 도입에 의해 증발한 Dy 원자를 처리실(20a) 내에서 확산시킴으로써, 소결 자석(S)으로의 Dy 원자의 공급량을 억제하면서 그 표면 전체에 Dy 원자를 부착시키는 것과, 소결 자석(S)을 소정 온도 범위에서 가열하는 것에 의해 확산 속도가 빨라지는 것이 서로 작용하여, 소결 자석(S) 표면에 부착한 Dy 원자를, 소결 자석(S) 표면에서 퇴적하여 Dy 층(박막)을 형성하기 전에 소결 자석(S)의 결정립계 및/또는 결정립계 상으로 효율적으로 확산시켜서 균일하게 널리 퍼지게 할 수가 있다.
그 결과, 자석 표면이 열화되는 것이 방지되고, 또한, 소결 자석 표면에 가까운 영역의 입계(grain boundary) 내에 Dy가 과잉으로 확산하는 것이 억제되고, 결정립계 상으로 Dy가 풍부한 상(Dy-rich phase)(Dy를 5 ~ 80 %의 범위에서 포함하는 상)을 가지고, 게다가, 결정립의 표면 부근에만 Dy가 확산함으로써, 자화 및 보자력이 효과적으로 향상 또는 회복하고, 더욱이, 마무리 가공이 불필요한 생산성이 뛰어난 고성능 자석이 얻어진다.
마지막으로, 상기 처리를 소정 시간(예를 들어, 4 ~ 48 시간)만 실시한 후, 가열 수단(14)의 작동을 정지시킴과 동시에, 가스 도입 수단에 의한 불활성 가스의 도입을 일단 정지한다. 계속해서, 불활성 가스를 재차 도입하고(100 kPa), 증발 재료(1, 10)의 증발을 정지시킨다. 그리고, 처리실(20a) 내의 온도를 예를 들어, 500 ℃까지 일단 내린다. 계속해서, 가열 수단(14)을 재차 작동시키고, 처리실(20a) 내의 온도를 450 ℃ ~ 650 ℃의 범위로 설정하고, 한층 보자력을 향상 또는 회복시키기 위하여 열처리를 수행한다. 그리고, 대략 실온까지 급냉하고, 처리 상자(20)를 진공 챔버(12)로부터 꺼낸다.
실시예 1
실시예 1에서는, 도 2에 도시하는 딥 장치(M1)를 이용하여 증발 재료(1)를 제작하였다. 심재(1a)로서, 선재의 재질, 선재의 선 직경 및 메쉬를 각각 바꾸어 100 mm × 100 mm의 판 모양으로 성형한 것을 준비하였다(도 7 중의 시료 1 내지 시료 9). 또한, 비교예로서 100 mm × 100 mm로 판 두께가 0.5 mm인 Mo으로 만들어진 판재(시료 10)를 준비하였다. 또한, 부착시키는 희토류 금속으로서 Dy(조성비 99%)를 이용하였다. 그리고, 이하의 동일 조건 하에서 시료 1 내지 시료 10에 대하여 동일한 처리를 수행하였다.
먼저, 도가니(
Figure pct00002
300×300 mm) 내에 Dy의 잉곳 160 kg을 설정하고, 게이트 밸브(3)를 닫아서 이 딥 실(2a)를 격리한 후, 진공 펌프(P)를 작동시켜서 진공 흡입을 개시하고, 그것과 동시에 가열 수단(6)을 작동시켜서 가열을 개시하였다. 그리고, 딥 실(2a) 내부를 1 Pa로 유지하면서 가열을 행하고, Dy의 온도가 800 ℃에 이르면, 가스 도입관(7a)을 통해 Ar 가스를 딥 실(2a) 내에 도입하였다.
한편, 준비실(4a)에서는, 개폐문(4b)이 닫힌 상태에서 진공 펌프(P)에 의해 1 Pa로 일단 감압하여 1 분간 유지하고, 준비실(4a) 내의 탈가스를 행한 후, 준비실(4a)이 대기압으로 될 때까지 Ar 가스를 도입하였다. 그리고, 개폐문(4b)을 열어 상기 시료 1 내지 시료 10을 반입하고, 호이스트(8)의 훅 블록(8d)에 각각 설정하였다. 그리고, 개폐문(4b)을 닫은 후, 진공 펌프(P)에 의해 준비실(4a)을 재차 진공 흡입하였다.
딥 실(4a)에서는, 가열에 의해 1400 ℃를 넘으면, Dy의 잉곳이 융해하기 시작하고, 가열 수단을 제어하여 용탕 온도가 1440 ℃로 유지되도록 하였다. 다음으로, 준비실(4a) 내에 가스 도입관(7b)을 통하여 딥 실(2a)과 동일한 압력에 이를 때까지 Ar 가스를 도입하고, 딥 실(2a) 및 준비실(4a)이 동일한 압력이 되면, 게이트 밸브(3)를 열어 이 상태에서 권취 수단의 모터(8a)를 정회전시키고, 훅 블록(8d)을 통해 심재(1a)를 준비실(4a)로부터 딥 실(2a)로 향해 하강시킨다. 이 경우의 하강 속도는 0.1 m/s로 설정하였다. 그리고, 이 심재가 Dy의 용탕에 순차적으로 침지되어 가서 딥 위치에 도달한다. 딥 위치에 도달하면, 권취 수단의 모터(8a)를 역회전시켜서 훅 블록(8d)을 통해 심재(1a)를 용탕으로부터 순차적으로 끌어올려 갔다. 이때의 상승 속도는 0.05 m/s로 설정하였다.
그리고, 훅 블록(8d)이 착탈 위치에 도달하면, 게이트 밸브(3)를 닫는다. 이 상태에서, 준비실(4a) 내의 압력이 100 kPa로 유지되도록 Ar 가스를 도입하여 1분간 냉각하였다. 냉각 후, 준비실(4a) 내에 Ar 가스를 더욱 도입하여 대기압으로 되돌리고, 개폐문(4b)을 열어 증발 재료(1)를 반출하였다.
도 7은 선재의 재질, 선재의 선 직경 및 메쉬를 각각 바꾸어 상기 조건으로 증발 재료(1)를 제조하였을 때의 용적률(Dy가 부착하고 있지 않은 영역) 및 Dy의 중량을 도시하는 표이며, 도 8은 시료 2(도 8의 (a) 참조) 및 시료 5(도 8의 (b) 참조)의 외관 사진을 도시한다. 이것에 의하면, 시료 1 및 시료 2에서는, Dy가 효과적으로 부착되지 않고, 증발 재료로서 형성할 수 없는 것을 알았다. 한편, 시료 3 및 시료 9에서는, 심재(1a)의 전체 영역에 걸쳐 각 그물코가 매립되면서 심재(1a)의 표면이 덮이도록 Dy가 부착되어 있고, 특히, 시료 4 내지 시료 6에서는, 45 g을 넘는 중량으로 Dy를 부착할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 2
실시예 2에서는, 도 2에 도시하는 딥 장치(M1)를 이용하고, 또한, 심재(1a)로서는 실시예 1의 시료 5를 이용하여, 딥 위치로부터 심재(1a)를 끌어올릴 때의 상승 속도를 변화시킨 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 증발 재료(1)를 제작하였다.
도 9는 끌어올릴 때의 상승 속도를 0.005 ~ 1 m/s로 변화시켰을 때에 증발 재료로서 이용할 수 있는 것인지 그 적정 여부를 판단하였다. 여기서, 도 9 중에서, 시각적 검사로 외부 표면에 스플래쉬(splash)가 발생하여 양산에 적합하지 않다고 판단된 것을 「x」로 하였다. 이것에 의하면, 0.01 ~ 0.5 m/s의 속도 범위이면, 효율적으로 증발 재료(1)를 제작할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3
실시예 3에서는, 도 4에 도시하는 딥 장치(M2)를 이용하여 기재(10a)의 표면에 응고체(10b)를 제작하였다. 기재(10a)로서, Mo로 만들어지는
Figure pct00003
200 mm × 300 mm로 가공한 원주 모양의 것(시료 1), 및 □ 150 mm × 300 mm로 가공한 각주 모양의 것(시료 2)을 각각 준비하였다. 또한, 시료 1에 대해서는, 기재(10a)로서 C, Si, Mg, Nb, Ta, Ti, W, Mo, V 또는 Cu로 만들어지는 것을 준비하는 것으로 하였다. 또한, 부착시키는 희토류 금속으로서 Dy(조성비 99%)를 이용하였다. 그리고, 이하의 동일 조건 하에서 시료 1 및 시료 2에 대해서 처리를 수행하였다.
먼저, 도가니( 300 × 500 mm) 내에 Dy의 잉곳(100g)을 설정하고, 게이트 밸브(3)를 닫아서 이 딥 실(2a)을 격리한 후, 진공 펌프(P)를 작동시켜서 진공 흡입을 개시하고, 그것과 동시에 가열 수단(6)을 작동시켜서 가열을 개시하였다. 그리고, 딥 실(2a) 내부를 1 Pa로 유지하면서 가열을 행하고, Dy의 온도가 800 ℃에 이르면, 가스 도입관(7a)을 통해 Ar 가스를 딥 실(2a) 내에 도입하였다.
한편, 준비실(4a)에서는, 개폐문(4b)이 닫힌 상태에서 진공 펌프(P)에 의해 1 Pa로 일단 감압하여 2분간 방치하고, 준비실(4a) 내의 탈가스를 행한 후, 준비실(4a)이 대기압이 될 때까지 Ar 가스를 도입하였다. 그리고, 개폐문(4b)을 열어 상기 시료 1 및 시료 2를 반입하고, 호이스트(8)의 클램프(82)에 각각 설정하였다. 그리고, 개폐문(4b)을 닫은 후, 진공 펌프(P)에 의해 준비실(4a)을 재차 진공 흡입하였다.
딥 실(4a)에서는, 가열에 의해 1407 ℃에 이르면, Dy의 잉곳이 융해하기 시작하고, 가열 수단을 제어하여 용탕 온도가 1500 ℃로 유지되도록 하였다. 다음으로, 준비실(4a) 내에 가스 도입관(7b)을 통해, 딥 실(2a)과 동일한 압력에 이를 때까지 Ar 가스를 도입하고, 딥 실(2a) 및 준비실(4a)이 동일한 압력이 되면, 게이트 밸브(3)를 열어 이 상태에서 권취 수단의 모터(8a)를 정회전시키고, 클램프(82)를 통해 기재(1a)를 준비실(4a)로부터 딥 실(2a)을 향해 하강시킨다. 이때의 하강 속도는 0.05 m/s로 설정하였다. 그리고, 이 기재(10a)가 Dy의 용탕에 순차적으로 침지되어 가서 딥 위치에 도달한다. 딥 위치에 도달하면, 5초간 유지하고, 그 후, 권취 수단의 모터(8a)를 역회전시켜서 클램프(82)를 통해 기재(10a)를 용탕으로부터 순차적으로 끌어올렸다. 이때의 상승 속도는 0.02 m/s로 설정하였다.
그리고, 클램프(82)가 착탈 위치에 도달하면, 게이트 밸브(3)를 닫는다. 이 상태에서, 준비실(4a) 내의 압력이 100 kPa로 유지되도록 Ar 가스를 도입하고, 2분간 냉각하였다. 냉각 후, 준비실(4a) 내에 Ar 가스를 더욱 도입하여 대기압으로 되돌리고, 개폐문(4b)을 열어 반출하였다.
도 10은 시료 1의 기재(1a)의 각 재료에 있어서의 비열, 비중 및 단위 체적 당의 열용량을 도시하는 표이다. 이것에 의하면, Nb, Ta, Ti, W, Mo 또는 V로 이루어지는 기재(10a) 및 시료 2의 경우에는, 기재(10a) 중에서 용탕에 침지된 부분에는, 대략 균등한 두께로 Dy의 응고체가 형성되어 있음을 확인할 수 있고, 이것들로부터 단위 체적 당의 열용량(비열 × 비중)이 2 ~ 3 MJ/㎞3의 재료가 좋다는 것을 알았다. 한편, C, Si 또는 Mg로 이루어지는 기재의 경우에는, Dy가 대부분 부착하지 않고, 또한, Cu로 이루어지는 기재의 경우에는, Dy의 용탕이 굳어져 버렸다. 또한, 응고체를 고정하여 기재(10a)에 인장력을 더하였는데, 용이하게 심재가 응고체로부터 뽑아낼 수 있고, 고체의 두께를 측정하였는데 2.0 mm였다. 또한, 이것을 공지 방향으로 압연하였는데, 0.3 mm로 가공할 수가 있었다.
1, 10 : 증발 재료 1a, 10a : 심재
1b : 그물코(투공) 10b : 응고체
W : 선재 Dy (희토류 금속)
M1, M2 : 딥 장치

Claims (12)

  1. 다수의 투공을 가지는 내화 금속제의 심재를 구비하고, 상기 심재에, 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해시키고, 부착시키고, 응고시켜서 이루어지는 것을 특징으로 하는 증발 재료.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부착을, 이 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금의 용탕에 상기 심재를 침지하고 끌어올림으로써 행하는 것을 특징으로 하는 증발 재료.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 희토류 금속은 터븀(terbium), 디스프로슘(dysprosium) 및 홀뮴(holmium) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 증발 재료.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내화 금속은 니오브(niobium), 몰리브덴(molybdenum), 탄탈(tantalum), 티탄(titan), 바나듐(vanadium) 및 텅스텐(tungsten) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 증발 재료.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 심재는 복수의 선재(wire material)를 격자 모양으로 조립하여 이루어진 망재(net member), 전신 금속(expanded metal) 또는 펀칭 메탈 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 증발 재료.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    진공 중 또는 감압 불활성 가스 분위기 중에서, 디스프로슘 및 터븀을 포함하는 증발 재료를 증발시키면서 열처리함으로써 네오디뮴-철-붕소계의 소결 자석 또는 열간 소성 가공 자석의 보자력을 향상시키는 것에 이용되는 것을 특징으로 하는 증발 재료.
  7. 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금을 융해하고, 이 용탕에 내화 금속제의 기재를 상기 융해 온도보다 낮은 온도로 유지한 상태에서 침지하고 끌어올림으로써, 상기 기재의 표면에 희토류 금속 또는 희토류 금속의 합금으로 이루어지는 응고체를 형성하는 공정과,
    상기 기재로부터 응고체를 이탈시키는 공정과,
    상기 이탈한 응고체를 판 모양으로 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 재료의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기재가 원주 모양 또는 각주 모양인 것을 특징으로 하는 증발 재료의 제조 방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 기재의 용탕으로의 침지 시간을 증감시켜서 상기 응고체의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 증발 재료의 제조 방법.
  10. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용탕으로의 침지 시의 상기 기재의 온도를 바꾸어 상기 응고체의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 증발 재료의 제조 방법.
  11. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희토류 금속은 터븀, 디스프로슘 및 홀뮴 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 증발 재료의 제조 방법.
  12. 청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내화 금속은 니오브, 몰리브덴, 탄탈, 티탄, 바나듐 및 텅스텐 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 증발 재료의 제조 방법.
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