KR20110096104A

KR20110096104A - Ｎｄ계 소결 자석 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20110096104A
Application number: KR1020107015042A
Authority: KR
Inventors: 코지 미야타; 타케히사 미노와; 하지메 나카무라; 코이치 히로타; 마사카츠 혼시마
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-08-29
Also published as: US20140167895A1; PH12015500458A1; US20110210810A1; MY153537A; CN101939804A; EP2254131A4; CN101939804B; US8695210B2; TWI455160B; DK2254131T3; WO2010064578A1; EP2254131B1; KR101495613B1; TW201036009A; JP2010135529A; EP2254131A1; US9953750B2; TW201443941A; TWI497541B; PH12015500458B1

Abstract

본 발명은 영구자석 회전기에 적합한, 영구자석의 잔류 자속밀도의 저하가 없고, 보자력이 크고, 특히 영구자석 단부의 보자력이 커져, 고온에서도 감자되기 어려운 영구자석 회전기용의 Nd계 소결 자석을 제공할 수 있다.

Description

Ｎｄ계 소결 자석 및 그 제조방법{ND-BASED SINTERED MAGNET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 소결 자석체의 잔류 자속밀도의 저감을 억제하면서 보자력을 증대시킨 Nd계 소결 자석 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 고속회전을 행하는 전기 자동차용 모터나 발전기, FA 모터 등에 최적인 영구자석 회전기에 사용되는 Nd계 소결 자석 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Nd계 소결 자석은 그 우수한 자기특성 때문에, 점점 용도가 넓어져 가고 있다. 최근, 모터나 발전기 등의 회전기의 분야에서도, 기기의 경박단소화, 고성능화, 에너지절약화에 따라, Nd계 소결 자석을 이용한 영구자석 회전기가 개발되고 있다.

회전기 중의 영구자석은, 권선이나 철심의 발열에 의해 고온에 노출되고, 또한 권선으로부터의 반자계에 의해 대단히 감자되기 쉬운 상황하에 있다. 이 때문에, 내열성, 내감자성의 지표가 되는 보자력이 어느 정도 이상 있고, 자력의 크기의 지표가 되는 잔류 자속밀도가 가능한 한 높은 Nd계 소결 자석이 요구되고 있다.

보자력을 향상시키기 위해서는, 몇 가지의 방법이 있다.

Nd계 소결 자석의 잔류 자속밀도 증대는 Nd₂Fe₁₄B 화합물의 체적률 증대와 결정 배향도 향상에 의해 달성되며, 지금까지 여러 프로세스의 개선이 행해져 오고 있다. 보자력의 증대에 관해서는, 결정립의 미세화를 도모하거나, Nd량을 늘린 조성 합금을 사용하거나, 또는 효과가 있는 원소를 첨가하는 등, 여러 접근 방식이 있는 중에서, 현재 가장 일반적인 수법은 Dy나 Tb로 Nd의 일부를 치환한 조성 합금을 사용하는 것이다. Nd₂Fe₁₄B 화합물의 Nd를 이들 원소로 치환함으로써 화합물의 이방성 자계가 증대하고, 보자력도 증대한다. 한편으로, Dy나 Tb에 의한 치환은 화합물의 포화 자기 분극을 감소시킨다. 따라서, 상기 수법으로 보자력의 증대를 도모하는 것만으로는 잔류 자속밀도의 저하는 피할 수 없다.

Nd계 소결 자석은 결정립 계면에서 역자구의 핵이 생성하는 외부 자계의 크기가 보자력이 된다. 역자구의 핵생성에는 결정립 계면의 구조가 강하게 영향을 주고 있어, 계면 근방에서의 결정구조의 흐트러짐이 자기적인 구조의 흐트러짐을 초래하여, 역자구의 생성을 조장한다. 일반적으로는, 결정 계면으로부터 5nm 정도의 깊이까지의 자기적 구조가 보자력의 증대에 기여하고 있는 것으로 생각되고 있다(비특허문헌 1: K. -D. Durst and H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 68(1987)63-75).

본 발명자들은 결정립의 계면 근방에만 약간의 Dy나 Tb를 농화시켜, 계면 근방만의 이방성 자계를 증대시킴으로써 잔류 자속밀도의 저하를 억제하면서 보자력을 증대할 수 있는 것을 발견했다(특허문헌 1: 일본 특공 평5-31807호 공보). 또한, Nd₂Fe₁₄B 화합물 조성 합금과, Dy 또는 Tb가 풍부한 합금을 별도로 제작한 후에 혼합하여 소결하는 제조방법을 확립했다(특허문헌 2: 일본 특개 평5-21218호 공보). 이 방법에서는, Dy 또는 Tb가 풍부한 합금은 소결시에 액상으로 되어, Nd₂Fe₁₄B 화합물을 둘러싸듯이 분포된다. 그 결과, 화합물의 입계 근방에만 Nd와 Dy 또는 Tb가 치환되어, 잔류 자속밀도의 저하를 억제하면서 효과적으로 보자력을 증대할 수 있다.

그러나, 상기 방법에서는 2종의 합금 미세분말을 혼합한 상태에서 1,000∼1,100℃라고 하는 고온에서 소결하기 때문에, Dy 또는 Tb가 Nd₂Fe₁₄B 결정립의 계면뿐만아니라 내부까지 확산되기 쉽다. 실제로 얻어지는 자석의 조직 관찰로부터는 결정립계 표층부에서 계면으로부터 깊이 1∼2㎛ 정도까지 확산되어 있고, 확산한 영역을 체적분률로 환산하면 60% 이상이 된다. 또, 결정립 내로의 확산거리가 길어질수록 계면 근방에서의 Dy 또는 Tb의 농도는 저하되어 버린다. 결정립 내로의 과도한 확산을 최대한 억제하기 위해서는 소결 온도를 저하시키는 것이 유효하지만, 이것은 동시에 소결에 의한 치밀화를 저해하기 때문에 현실적인 수법으로 될 수 없다. 핫프레스 등으로 응력을 인가하면서 저온에서 소결하는 방법에서는, 치밀화는 가능하지만 생산성이 극단적으로 낮아진다고 하는 문제가 있다.

한편, 소결 자석을 소형으로 가공한 후, 자석 표면에 Dy나 Tb를 스퍼터에 의해 피착시키고, 자석을 소결 온도보다 낮은 온도에서 열처리함으로써 입계부에만 Dy나 Tb를 확산시켜 보자력을 증대시키는 방법이 보고되어 있다(비특허문헌 2: K. T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa, "Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets", Proceedings of the Sixteen International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, Sendai, p.257(2000), 비특허문헌 3: 마치다 켄이치, 카와사키 히사시, 스즈키 순지, 이토 마사히로, 호리카와 타카시, "Nd-Fe-B계 소결 자석의 입계 개질과 자기특성", 분체 분말야금 협회 강연 개요집, 2004년도 춘계대회, p.202 참조). 이 방법에서는, 더욱 효율적으로 Dy나 Tb를 입계에 농화할 수 있기 때문에, 잔류 자속밀도의 저하를 거의 수반하지 않고 보자력을 증대시키는 것이 가능하다. 또, 자석의 비표면적이 큰, 즉 자석체가 작을수록 공급되는 Dy나 Tb의 양이 많아지므로, 이 방법은 소형 또는 박형의 자석에만 적용 가능하다. 그러나, 스퍼터 등에 의한 금속막의 피착에는 생산성이 나쁘다고 하는 문제가 있었다.

이들 문제점을 해결하고, 양산성이 있고 효율적으로 보자력을 향상할 수 있는 수단으로서 특허문헌 3: WO2006/043348A1호 공보가 개시되어 있다. 이것은, Nd-Fe-B계 소결 자석으로 대표되는 R¹-Fe-B계 소결 자석에 대하여, R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말(또한, R¹∼R⁴는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상)을 자석 표면에 존재시킨 상태에서 가열함으로써 분말에 포함되어 있던 R², R³ 또는 R⁴가 자석체에 흡수되어, 잔류 자속밀도의 감소를 현저하게 억제하면서 보자력을 증대한다. 특히 R³의 불화물 또는 R⁴의 산불화물을 사용한 경우, R³ 또는 R⁴가 불소와 함께 자석체에 고효율로 흡수되어, 잔류 자속밀도가 높고, 보자력이 큰 소결 자석이 얻어지는 것이다. 특허문헌 3에서는, 자석 표면으로부터 흡수처리를 행하기 위하여, 처리를 할 자석체는 소결 자석 블록으로부터 소정 형상으로 연삭된 것으로, 그 크기는 특별히 한정되어 있지 않지만, 「본 발명에서, 자석 표면에 존재시킨 R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 분말로부터 자석체에 흡수되는 R², R³ 또는 R⁴의 양은 자석체의 비표면적이 큰, 즉 치수가 작을수록 많아지므로, 상기 형상의 최대부의 치수는 100mm 이하, 바람직하게는 50mm 이하, 특히 바람직하게는 20mm 이하이고 또한 자기이방성화한 방향의 치수가 10mm 이하, 바람직하게는 5mm 이하, 특히 바람직하게는 2mm 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 자기이방성화한 방향의 치수가 1mm 이하이다.」로 되어 있다. 이것은, 자석체의 넓은 영역에 흡수처리를 노리기 위함으로, 실시예에서도 최종 형상으로 연삭한 것에 흡수처리를 행한 것이 제시되어 있다. 그러나, 영구자석 회전기에 있어서, 감자되기 쉬운 부분은 자석의 일부이며, 반드시 자석체의 넓은 영역에 보자력이 높은 부분이 있을 필요는 없다. 최종 형상까지 작게 하면, 작은 자석을 다루게 되어, 핸들링하기 어려워져 공정 능력을 높일 수 없다는 문제가 생긴다.

예를 사용하여 영구자석 회전기의 감자되기 쉬운 부분이, 자석 전체면이 아니고 국부적인 것을 설명한다. 예를 들면, AC 서보모터에는, 도 4에 도시하는 바와 같은 레이디얼 에어갭형의 영구자석 회전기가 사용되고 있다. 이 영구자석 회전기는, 로터 코어(1)의 표면에, 자석(2)을 붙인 회전자(3)와, 공극을 통하여 배치된 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어(11)와 티스(teeth)에 감긴 코일(12)로 이루어지는 고정자(13)로 구성되어 있다. 도 4에 도시하는 영구자석 회전기의 경우, 영구자석의 극수는 6, 티스의 수는 9이며, 영구자석 내의 화살표는 영구자석의 자화의 방향을 나타내고 있다. 영구자석은 평행한 자장 중에서 배향이 이루어지고, 용이 자화방향은 자석의 중심선에 평행으로 되어 있다. 또한 코일은 티스에 집중감기로 감겨, U상, V상 및 W상의 3상의 Y 결선으로 되어 있다. 코일의 검은 동그라미 표시는 코일의 감기 방향이 앞쪽, × 표시는 코일의 감기 방향이 안쪽인 것을 의미하고 있다.

고정밀도의 토크 제어를 필요로 하는 AC 서보모터 등의 토크는 맥동이 작은 것이어야 한다. 따라서, 영구자석이 회전했을 때에 고정자의 슬롯과 영구자석의 위치관계로부터, 공극의 자속 분포가 변화되는 것에 기인하는 코깅 토크(코일에 전류를 흘리지 않은 상태에서의 토크)나 코일의 전류를 흘려서 구동했을 때의 토크 리플이 발생하는 것은 바람직하지 않다. 토크 리플은 제어성을 나쁘게 하는 이외에 소음의 원인도 된다. 코깅 토크를 저감하는 방법으로서, 도 4에 도시하는 바와 같은 영구자석의 단부 형상이 중앙부보다 얇아지도록 한다. 이 방법에 의해, 자속 분포의 변화가 큰 자극의 전환 부분인 영구자석 단부에서의 자속 분포가 매끄럽게 되어, 코깅 토크를 저감할 수 있다.

코일에 전류를 흘리면, 스테이터 코어 부분에 그려진 화살표의 방향으로 계자되어, 회전자를 반시계방향으로 회전시킨다. 이 때, 영구자석 세그먼트의 회전방향의 후방(도 4의 ○로 둘러싼 부분)에 해당되는 자석 단부는 계자가 영구자석의 자화와 역방향으로 되므로 감자되기 쉬운 상황으로 되어 있다. 감자되면 구동 토크를 낮출 뿐만 아니라, 부분적인 자장 불균일에 의해 코깅 토크를 증대한다고 하는 문제가 생긴다.

일본 특공 평5-31807호 공보 일본 특개 평5-21218호 공보 WO2006/043348A1호 공보

K. -D. Durst and H. Kronmuller, "THE COERCIVE FIELD OF SINTERED AND MELT-SPUN NdFeB MAGNETS", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 68(1987)63-75 K. T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa, "Effect of Metal-Coating and Consecutive Heat Treatment on Coercivity of Thin Nd-Fe-B Sintered Magnets", Proceedings of the Sixteen International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, Sendai, p.257(2000) 마치다 켄이치, 카와사키 히사시, 스즈키 순지, 이토 마사히로, 호리카와 타카시, "Nd-Fe-B계 소결 자석의 입계 개질과 자기특성", 분체 분말야금협회 강연 개요집, 2004년도 춘계대회, p.202

본 발명은, 상기한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 영구자석 회전기에 적합한 자석으로서, 감자되기 쉬운 부분의 보자력이 높고, 게다가 생산성이 높은 Nd계 소결 자석 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

상기한 바와 같이, 영구자석 회전기의 영구자석에서는, 감자되기 쉬운 부분은 국부적이며, 따라서 영구자석 회전기의 영구자석은 이 감자되기 쉬운 부분의 보자력을 향상하는 것이 요망된다.

본 발명자들은 자화방향으로 충분히 두꺼운 Nd계 소결 자석(Nd₂Fe₁₄B계를 기본으로 하는 희토류 소결 자석)의 자화방향에 수직한 면 이외의 면으로부터 내부를 향한 Dy 또는 Tb의 확산반응을 행하고, 표면 근방에서의 보자력이 자석체 내부의 보자력보다 커져 있는 Nd계 소결 자석을 제작한 다음, 자화방향에 대하여 수직방향으로부터 절삭날, 와이어 쏘우 등을 사용하여 절단가공하여, 1개의 블록으로부터 소정 크기의 자석을 복수개 얻고, 이 경우, 확산처리할 때의 자석 블록의 크기는, 바람직하게는 Dy 또는 Tb가 확산반응하는 자화방향에 수직한 방향의 최대 치수를 100mm 이하, 보다 바람직하게는 50mm 이하, 특히 바람직하게는 10mm 이하, 확산반응하지 않는 자화방향의 최대 길이를 30mm 이상, 보다 바람직하게는 100mm 이상으로 함으로써, 이와 같이 큰 자석체의 상태로 Dy 또는 Tb를 흡수처리할 수 있으므로, 이 공정의 처리능력이 향상된 것을 발견한 것이다.

즉, 본 발명은 이하의 Nd 소결 자석, 그 제조방법을 제공한다.

청구항 1:

Nd계 소결 자석 블록에 대하여, 자화방향에 수직한 면을 제외한 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말 또는 Dy 또는 Tb 불화물의 분말 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 피복하고, 그 후 고온처리하여 Dy 또는 Tb를 블록 내부에 확산시키고, 이어서 자석체의 자화방향에 수직한 면으로 블록을 절단하여, 절단면의 보자력이 외주부에서 높고 내주부일수록 낮아지는 분포를 갖고, 자화방향으로는 일정한 보자력 분포를 갖는 Nd계 소결 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석의 제조방법.

청구항 2:

블록을 절단하여 얻어진 자석편의 자화방향에 수직한 면을 연삭가공하고, 상기 자석편을 C형 또는 D형의 형상으로 한 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 Nd계 소결 자석의 제조방법.

청구항 3:

상기 자석 블록의 크기가, Dy 또는 Tb가 확산하는 자화방향에 수직한 방향의 최대 치수가 100mm 이하, 자화방향의 최대 길이가 30mm 이상인 청구항 1 또는 2 기재의 Nd계 소결 자석의 제조방법.

청구항 4:

청구항 1 기재의 제조방법에 의해 얻어진, 절단면의 보자력이 외주부에서 높고 내주부일수록 낮아지는 분포를 갖고, 자화방향으로는 일정한 보자력 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석.

청구항 5:

자화방향에 수직한 면이 연삭가공되어, C형 또는 D형의 형상으로 형성된 청구항 4 기재의 Nd계 소결 자석.

청구항 6:

영구자석 회전기의 영구자석용인 청구항 4 또는 5 기재의 Nd계 소결 자석.

도 1은 본 발명의 자석 블록을 설명하는 사시도로, (A)는 확산처리한 상태, (B)는 블록을 절단한 상태를 도시한다.
도 2는 본 발명의 자석의 보자력의 분포 상태를 설명하는 도면으로, (A)는 자화방향에 수직한 면, (B)는 자화방향을 따라 중앙부에서 절단한 상태를 도시한다.
도 3은 본 발명의 자석의 형상을 설명하는 도면으로, (A)는 장방형상, (B)는 D자 형상, (C)는 C자 형상의 자석을 도시한다.
도 4는 6극 9슬롯의 표면 자석 구조형 모터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 5는 4극 6슬롯의 매립 자석 구조형 모터의 일례를 설명하는 단면도이다.
도 6은 6극 9슬롯의 표면 자석 구조형 모터의 일례를 설명하는 단면도이다.

본 발명에 따른 Nd계 소결 자석은, Nd계 소결 자석 블록에 대하여, 자화방향에 수직한 면을 제외한 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말 또는 Dy 또는 Tb 불화물의 분말 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 피복하고, 그 후 고온처리하여 Dy 또는 Tb를 블록 내부에 확산시키고, 이어서 자석체의 자화방향에 수직한 면으로 블록을 절단함으로써 얻어지며, 절단면의 보자력이 외주부에서 높고 내주부일수록 낮아지는 분포를 갖고, 자화방향으로는 일정한 보자력 분포를 갖는 것으로, 이 Nd계 소결 자석은 영구자석 회전기에 적합한 영구자석의 잔류 자속밀도의 저하가 없고, 보자력이 크고, 특히 영구자석 단부의 보자력이 커져서 고온에서도 감자되기 어려워, 영구자석 회전기의 자석으로서 유효하게 사용할 수 있는 것이다.

여기에서, 상기 Dy 또는 Tb가 확산처리되는 Nd계 소결 자석 블록의 자석 합금 조성으로서는 공지의 Nd계 자석 합금 조성이면 되고, 구체적으로는 원자%로서 Nd, Pr, Dy가 10∼15원자%, B가 3∼15원자%, 그 밖의 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta, W 중 1종 이상이 0∼11원자%이며, 잔부는 Fe이고 50원자% 이상이다. 또한, Fe의 일부, 0원자%를 초과하여 40원자% 이하를, Co로 해도 된다.

이러한 Nd계 소결 자석 블록을 얻는 방법으로서는, 공지의 방법을 채용할 수 있다.

Dy 또는 Tb의 흡수처리의 방법으로서는 비특허문헌 3의 스퍼터 막에 의한 방법이나, 특허문헌 3의 자석의 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말 또는 Dy 또는 Tb 불화물 분말 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 도포하고, 그 후 고온에서 확산시키는 방법이 채용된다. 이들 방법은, 잔류 자속밀도의 저감이 없고, 자석의 표면 근방에서의 보자력을 높일 수 있으므로, 회전기용의 자석에 사용한 경우, 고출력이고 내열성이 우수한 회전기로 되는 것을 기대할 수 있다.

이 경우, 본 발명의 Nd계 소결 자석 블록은, 직방체 형상이 바람직하고, 도 1(도면 중, 100은 Nd계 소결 자석 블록을 나타냄)에 도시하는 바와 같은 Dy 또는 Tb의 확산하는 자화방향에 수직한 방향의 치수(L₁, L₂) 중 최대 치수(L₁)가 100mm 이하, 바람직하게는 50mm 이하, 특히 바람직하게는 20mm 이하, 확산반응하지 않는 자화방향의 최대 길이(L₃)가 30mm 이상이며, 바람직하게는 100mm 이상의 Nd계 소결 자석체의 자화방향에 수직한 면(S₁) 이외의 면(S₂)으로부터 Dy 또는 Tb를 내부를 향하여 주로 결정립계를 경유하여 확산시켜, 자석 표면 근방의 보자력을 향상시킨다. 또한, 도 1에서는, 수직한 면(S₁) 이외의 면(S₂) 전체면으로부터 Dy 또는 Tb를 확산처리하고 있다. 또, 상기 자화방향에 수직한 방향의 치수는, 적어도 1mm 이상, 특히 3mm 이상인 것이 바람직하고, 자화방향의 길이의 상한은 반드시 제한되지는 않지만, 200mm 이하, 특히 150mm 이하인 것이 바람직하다.

이 자석 블록은 Dy나 Tb의 산화물 또는 불화물 또는 상기 합금의 분말을 물, 에탄올 등의 유기용매에 분산시키고, 원하는 자석부분에 스프레이나 도포에 의해 부분 피막 또는 도포 불필요 부분(자화방향의 바닥면)에 테이핑, 필름화 등을 시행하고, 분산액에 침지하여 자석에 산화물 또는 불화물 또는 상기 합금의 피막을 원하는 위치에 형성시킨다.

도막을 형성시킨 후, 350℃∼자석의 소결 온도 이하의 온도에서 30초∼100시간, 바람직하게는 1분∼8시간 흡수 열처리시킨다. 더욱 바람직하게는 200℃∼소결 온도 이하에서 1분∼10시간 정도 시효처리를 시행한다.

이와 같이 처리된 블록의 자석을, 본 발명에서는, 도 1(B)에 도시하는 바와 같이, 자화방향에 대하여 수직방향으로 절삭날, 와이어 쏘우 등을 사용하여 절단가공하고, 각각 적층시켜 사용할 수 있고, 모터나 발전기에 사용되는 자석의 자화방향 치수인 1mm에서 20mm의 치수로 복수개의 자석편(100a)을 얻는 것으로, 큰 블록을 Dy나 Tb의 확산, 흡수처리할 수 있으므로, 이 공정의 처리능력이 향상된 것이다. 이 방법으로 얻어진 자석의 보자력 분포의 모습을 도 2에 나타낸다. 자석 표면 근방에서 보자력이 높아지고 있다.

도 2(A)는, 자화방향에 수직한 면(S₁)에서의 보자력의 분포를 나타내고, 이 경우, 상기 면(S₁) 이외의 면(S₂)의 전체면으로부터 Dy나 Tb를 확산처리시킨 상태를 나타내며, 상기 면(S₁)의 외주부(P)가 보자력이 향상된 부분, 중앙부(C)가 보자력이 향상되지 않은 부분이다. 또한 도 2(B)는 자화방향을 따라 중앙부에서 절단한 상태를 나타낸다.

도 4에 도시하는 표면 자석 구조 회전기에 사용되는 자석은 감자되기 쉬운 부분이 국부적이며, 게다가, 자화방향에 평행한 면 주변에 형성되어 있는 것을 설명하고 있는데, 도 5에 도시하는 매립 자석 구조 회전기에서도 동일하다. 도 5의 로터는 전자 강판을 적층한 로터 요크(10)에 영구자석(2)이 매립된 4극 구조이다. 스테이터는 전자 강판을 적층한 6슬롯 구조이며, 각 티스에는 집중감기로 코일이 감겨 있고, 코일(12)은 U상, V상, W상의 3상 Y결선으로 되어 있다. 도 5에 도시하는 U, V, W의 첨자의 +와 -는 코일의 감기 방향을 나타내는 것으로, +는 지면에 대하여 나오는 방향, -는 들어가는 방향을 의미한다. 로터와 스테이터의 위치관계가 도 5의 상태에서, U상에 여현파의 교류전류, V상에 U상보다 120° 위상이 진행된 교류전류, W상에 U상보다 240° 위상이 진행된 교류전류를 흘림으로써 영구자석의 자속과 코일의 자속의 상호작용으로 로터는 반시계방향으로 회전한다. 또한, 도 5 중, 14는 스테이터 요크이다.

영구자석 회전기에 사용되는 영구자석의 단면 형상은, 도 3에 도시하는 바와 같은 제조하기 쉬운 장방형[도 3(A)]이나, 회전기의 유기 전압파형을 매끄럽게 하거나, 코깅 토크를 저감하거나 하여 토크의 맥동을 억제하기 위하여 자석 단부를 얇게 한 D형[도 3(B)]이나 C형[도 3(C)](문자 D나 C의 형태와 유사) 등이 선택된다. 장방형의 경우에는, 절단한 채, 또는, 절단면을 매끈하게 하는 정도로 연삭함으로써 얻어진다. 또, C형 또는 D형의 경우에는, 절단한 자석의 자화방향에 수직한 면을 소정의 형상으로 연삭가공한다. 소정의 형상으로 가공하여 얻어진 자석의 보자력의 분포 상태는, 보자력을 높인 면으로부터의 가공을 행하지 않으므로, 도 2의 분포와 기본적으로 변함은 없다. 즉, 영구자석 회전기에서 감자되기 쉬운 자화방향에 평행한 면의 표면 근방에서, 보자력이 높게 되어 있다. 특히 D형이나 C형의 자석은, 자화방향에 평행한 면의 표면 근방에 해당되는 자석 단부가 얇게 되어 반자계가 커져서 감자되기 쉽게 되어 있다. 이 부분의 보자력을 크게 할 수 있으면 내감자 특성을 향상할 수 있으므로 본 발명은 특히 D형이나 C형의 자석에 유효하다.

실시예

이하, 본 발명의 구체적 태양에 대하여 실시예를 가지고 상세히 설명하지만, 본 발명의 내용은 이것에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1, 2 및 비교예 1]

<실시예 및 비교예의 자기특성>

순도 99질량% 이상의 Nd, Co, Al, Fe 메탈과 페로보론을 소정량 칭량하여 Ar 분위기 중에서 고주파 용해하고, 이 합금 용탕을 Ar 분위기 중에서 구리제 단롤에 주탕하는 소위 스트립 캐스팅법에 의해 박판 형상의 합금으로 했다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 13.5원자%, Co가 1.0원자%, Al이 0.5원자%, B가 5.8원자%, Fe가 잔부이며, 이것을 합금 A로 칭한다. 합금 A에 수소를 흡장시킨 후, 진공배기를 행하면서 500℃까지 가열하여 부분적으로 수소를 방출시키는, 소위 수소 분쇄에 의해 30메시 이하의 조분말로 했다. 또한 순도 99질량% 이상의 Nd, Tb, Fe, Co, Al, Cu 메탈과 페로보론을 소정량 칭량하고, Ar 분위기 중에서 고주파 용해한 후, 주조했다. 얻어진 합금의 조성은 Nd가 20원자%, Tb가 10원자%, Fe가 24원자%, B가 6원자%, Al이 1원자%, Cu가 2원자%, Co가 잔부이며, 이것을 합금 B로 칭한다. 합금 B는 질소분위기 중, 브라운밀을 사용하여 30메시 이하로 조분쇄되었다.

계속해서, 합금 A 분말을 90질량%, 합금 B 분말을 10질량% 칭량하고, 질소 치환한 V 블렌더 중에서 30분간 혼합했다. 이 혼합분말은 고압 질소 가스를 사용한 제트밀에서, 분말의 질량 중위입경 4㎛로 미분쇄되었다. 얻어진 혼합 미분말을 질소분위기하에 15kOe의 자계중에서 배향시키면서, 약 1ton/cm²의 압력으로 성형했다. 이어서, 이 성형체를 Ar 분위기의 소결노 내에 투입하고, 1,060℃에서 2시간 소결하고, 51mm×17mm×두께110mm(110mm가 자기 이방성화한 방향)의 영구자석 블록을 제작했다. 영구자석 블록을 다이아몬드 지석(砥石)에 의해 도 3에 도시하는 바와 같은 직방체 자석으로 전체면 연삭가공했다. 그 치수는 L=50mm, W=16mm, T=109mm(T는 자기 이방성화한 방향)이다. 연삭가공된 자석체를 알칼리 용액으로 세정한 후, 산세정하여 건조시켰다. 각 세정의 전후에는 순수에 의한 세정공정이 포함되어 있다.

다음에 평균 분말입경(마이크로 트랙에 의한 측정)이 5㎛의 불화디스프로슘을 질량분률 50%로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 자화방향의 2면을 테이프로 덮은 자석체를 1분간 담갔다. 끌어올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 그 후 2면을 덮은 테이프를 떼어냈다. 이 때의 불화디스프로슘에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45%였다. 이것에 Ar 분위기 중 900℃에서 1시간이라고 하는 조건으로 흡수 처리를 시행하고, 또한 500℃에서 1시간 시효처리하여 급랭한 자석체를, 자화방향에 수직한 면으로부터 다이아몬드 커터로 3.6mm 두께의 블록으로 절단하고, 자화방향에 수직한 면을 곡률이 형성된 다이아몬드 지석으로 연삭가공을 행하여, D 형으로 마무리했다. 최종 형상은, 도 3에 있어서, L=50mm, W=16mm, 원호부의 곡률 반경 12mm이고, 자화방향의 두께(T)는 3.5mm로 했다. 이 D형 자석체를 M1으로 했다. 비교를 위해 열처리만 시행하고, 동일하게 D형으로 가공한 것을 자석체 P1으로 했다.

가공전의 M1, P1과 같은 형상의 자석체에 대하여, 평균 분말입경이 5㎛의 불화테르븀을 질량분률 50%로 에탄올과 혼합하고, 이것에 초음파를 인가하면서 자화방향의 2면을 테이프로 덮은 자석체를 1분간 담갔다. 끌어올린 자석은 즉시 열풍에 의해 건조시켰다. 그 후 2면을 덮은 테이프를 떼어냈다. 이 때의 불화테르븀에 의한 자석 표면 공간의 점유율은 45%였다. 이것에 Ar 분위기 중 900℃에서 1시간이라고 하는 조건으로 흡수처리를 시행하고, 또한 500℃에서 1시간 시효처리하여 급랭하고, M1과 동일한 절단가공과 연삭가공을 행하여, D형의 자석체를 얻었다. 이것을 자석체 M2로 칭한다.

이들 자석의 자기특성을 표 1에 나타냈다. 1변 1mm의 입방체로 자기특성 시료를 잘라내고, 자석 각 부의 자기특성(VSM에 의한)을 평가했다. 디스프로슘의 흡수 처리를 시행하지 않은 자석(P1)의 보자력에 대하여, 본 발명에 의한 영구자석은 표면 근방에서 500kAm^-1의 보자력 증대가 확인되었다. 자석 내부는 표면으로부터 8mm의 거리가 있으므로, 디스프로슘이 흡수되지 않고, 보자력에 변화가 없었다. 상세하게 보자력의 분포를 조사한 바, 표면으로부터 6mm까지 보자력 증대가 확인되었다. 또, 테르븀의 흡수 처리를 시행한 자석(M2)은 시행하지 않은 자석(P1)의 보자력에 대하여 800kAm^-1의 보자력 증대가 확인되었다. 본 발명의 영구자석의 잔류 자속밀도의 저하는 5mT로 미미한 것이었다. 비교를 위해, 합금 A의 Nd의 일부를 Dy로 치환한 조성 합금을 사용하여 영구자석을 제작하고, 500kAm^-1의 보자력 증대를 도모한 바, 잔류 자속밀도는 50mT 저하했다.

자석체(M1)의 SEM에 의한 반사 전자상과 EPMA에 의해, 자석에는 Dy 및 F가 관찰되었다. 처리전의 자석에는 Dy 및 F는 포함되어 있지 않으므로, 자성체(M1)에 있어서의 Dy 및 F의 존재는 본 발명의 흡수처리에 의한 것이다. 흡수된 Dy는 결정립계 근방에만 농화되어 있다. 한편, 불소(F)도 입계부에 존재하고, 처리전부터 자석 내에 포함되어 있는 불가피한 불순물인 산화물과 결합하여 산불화물를 형성하고 있다. 이 Dy의 분포에 의해, 잔류 자속밀도의 저하를 최소한으로 억제하면서 보자력을 증대시키는 것이 가능하게 되었다.

본 발명의 특징은, 최종 형상으로 가공하기 전의 큰 블록으로 흡수처리할 수 있으므로, 이 공정의 처리능력이 향상되는 것에 있다. 예를 들면, 실시예에서는, 자화방향 109mm의 블록을 절단하여 25개의 자석이 얻어진다. 도포하는 자석체의 수를 비교하면 25배의 차이가 있고, 그만큼 도포 시간의 차로서 나타난다.

자석체의 형상 차이의 예로서 L=50mm, W=16mm, 내측의 반경 19mm, 외측의 반경 12mm(외측의 반경의 중심은 내측의 반경의 중심보다 10.5mm 치우친 점에 있음), 자화방향의 두께(T)는 3.5mm의 C형 자석을 동일한 수법으로 제작했다. 형상이 상이할 뿐이며, 자기특성은 표 1에 나타내는 것과 동일하게 되었다.

<실시예 및 비교예의 D형 자석을 사용한 모터 특성>

본 발명의 자석(M1, M2) 및 비교예의 자석(P1)을 영구자석 모터에 포함시켰을 때의 모터 특성에 대하여 설명한다. 영구자석 모터는 도 4에 도시하는 표면 자석형 모터이다. 로터는 0.5mm의 전자 강판을 적층한 것의 표면에 영구자석이 붙여져 있고 6극 구조로 되어 있다. 로터의 외경 치수는 45mm, 길이 50mm로 되어 있다. 스테이터는 0.5mm의 전자 강판을 적층한 9슬롯 구조로, 각 티스에는 집중감기로 코일이 15턴 감겨 있고, 코일은 U상, V상, W상의 3상 Y결선으로 되어 있다. 로터와 스테이터의 공극은 1mm이다. 도 4에 도시하는 코일의 검은 동그라미 표시는 코일의 감기 방향이 앞쪽, × 표시는 코일의 감기 방향이 안쪽인 것을 의미하고 있다. 코일에 전류를 흘리면, 스테이터 코어 부분에 그려진 화살표 방향으로 계자되어, 회전자를 반시계방향으로 회전시킨다. 이 때, 영구자석 세그먼트의 회전방향의 후방(도 4의 자석에서 ○로 둘러싼 부분)은 계자가 영구자석의 자화와 역방향으로 되므로 감자되기 쉬운 상황으로 되어 있다.

감자의 정도를 평가하기 위하여, 모터를 120℃의 온도에 2시간 노출한 전후의 구동토크의 차를 측정했다. 우선, 실온에서 각 코일당 실효값 50A의 3상전류로 회전시켰을 때의 구동토크를 측정하고, 다음에 모터를 오븐(120℃)에 넣고 동일하게 50A의 전류로 회전시켰다. 이것을, 오븐에서 꺼내고 실온으로 되돌리고 동일하게 50A로 회전시켰을 때의 구동토크를 측정했다. 감자에 의한 토크 감소율=(오븐에 넣은 후의 실온의 구동토크-오븐에 넣기 전의 실온의 구동토크)/(오븐에 넣기 전의 실온의 구동토크)로 했다.

감자에 의한 구동토크 감소율의 값을 표 2에 나타낸다. 비교예 1의 보자력이 작은 자석을 사용한 모터는 감자를 나타냈다. 120℃의 환경에서는 상용할 수 없는 것을 알 수 있었다. 이에 반해, 실시예 1, 2에서 본 발명의 처리에 의해 보자력을 증가시킨 자석을 사용한 모터는 120℃에서 감자가 관측되지 않았다. 자석 중앙부의 보자력은 비교예도 실시예도 동일했지만, 영구자석 모터에서 감자되기 쉬운 부분이 자석 단부이며, 본 발명의 처리는 자석 단부의 보자력을 보다 증대할 수 있기 때문에, 감자되기 어려운 모터로 되었다.

<실시예 및 비교예의 C형 자석을 사용한 모터 특성>

본 발명의 자석(M1, M2) 및 비교예의 자석(P1)을 영구자석 모터에 넣었을 때의 모터 특성에 대하여 설명한다. 영구자석 모터는 도 6에 도시하는 것으로, 스테이터는 도 4의 D형 자석을 사용한 모터와 동일한 것이다. 로터는 0.5mm의 전자 강판을 적층한 것의 표면에 C형의 영구자석이 붙여져 있고, 6극 구조로 되어 있다. 로터의 외경치수는 45mm, 길이 50mm로 되어 있다.

D형 자석을 사용한 모터와 같이, 120℃에서의 감자 특성을 평가했다. 결과를 표 3에 나타낸다. 비교예 1의 보자력이 작은 자석을 사용한 모터는 감자를 나타냈다. 120℃의 환경에서는 사용할 수 없는 것을 알 수 있었다. 또한, D형 자석을 사용한 모터보다 감자가 적은 이유는, 자석 단부의 두께가 C형 자석쪽이 두껍기 때문이다. 이에 반해, 실시예 1, 2에서 본 발명의 처리에 의해 보자력을 증가시킨 자석을 사용한 모터는 120℃에서 감자가 관측되지 않았다. 자석 중앙부의 보자력은 비교예도 실시예도 동일했지만, 영구자석 모터에서 감자되기 쉬운 부분이 자석 단부이며, 본 발명의 처리는 자석 단부의 보자력을 보다 증대할 수 있기 때문에, 감자되기 어려운 모터가 되었다.

실시예는 영구자석 모터이지만, 영구자석 발전기도 동일한 구조이며, 본 발명의 자석을 적용할 수 있고, 본 발명의 효과는 동일하다.

1 로터 코어
2 자석
3 회전자
10 로터 요크
11 스테이터 코어
12 코일
13 고정자
14 스테이터 요크
100 Nd계 소결 자석 블록
100a 자석편

Claims

Nd계 소결 자석 블록에 대하여, 자화방향에 수직한 면을 제외한 표면에 Dy 또는 Tb 산화물 분말 또는 Dy 또는 Tb 불화물의 분말 또는 Dy 또는 Tb를 포함하는 합금 분말을 피복하고, 그 후 고온처리하여 Dy 또는 Tb를 블록 내부에 확산시키고, 이어서 자석체의 자화방향에 수직한 면으로 블록을 절단하고, 절단면의 보자력이 외주부에서 높고 내주부일수록 낮아지는 분포를 갖고, 자화방향으로는 일정한 보자력 분포를 갖는 Nd계 소결 자석을 얻는 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 블록을 절단하여 얻어진 자석편의 자화방향에 수직한 면을 연삭가공 하여, 상기 자석편을 C형 또는 D형의 형상으로 한 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자석 블록의 크기가 Dy 또는 Tb가 확산하는 자화방향에 수직한 방향의 최대 치수가 100mm 이하, 자화방향의 최대 길이가 30mm 이상인 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석의 제조방법.
제 1 항에 기재된 제조방법에 의해 얻어진, 절단면의 보자력이 외주부에서 높고 내주부일수록 낮아지는 분포를 갖고, 자화방향으로는 일정한 보자력 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석.
제 4 항에 있어서, 자화방향에 수직한 면이 연삭가공되어, C형 또는 D형의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 영구자석 회전기의 영구자석용인 것을 특징으로 하는 Nd계 소결 자석.