KR20150052114A

KR20150052114A - 희토류 자석의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150052114A
Application number: KR1020157007546A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 이치고자키; 노리타카 미야모토; 데츠야 쇼지; 유야 이케다; 아키라 마나베
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-05-13
Also published as: CN104737251A; TWI466141B; BR112015008267A2; JP6044504B2; TW201430873A; RU2595073C1; EP2913831B1; JP2014103386A; BR112015008267B1; WO2014065188A1; EP2913831A4; CA2887984A1; CA2887984C; EP2913831A1; US9905362B2; IN2015DN03164A; KR101632853B1; CN104737251B; US20150287530A1

Abstract

열간 소성 가공을 거쳐 희토류 자석을 제조함에 있어서, 가공 비용을 증가시키지 않고, 제조되는 희토류 자석의 전체 영역에 있어서 배향도가 높고, 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있는 희토류 자석의 제조 방법을 제공한다. 희토류 자석 재료가 되는 분말을 가압 성형하여 성형체 (S) 를 제조하는 단계, 성형체 (S) 에 열간 소성 가공을 실시하여 희토류 자석 (C) 을 제조하는 단계로 이루어지고, 열간 소성 가공은 압출 가공과 업셋 가공의 2 단계의 단계로 이루어지고, 압출 가공에서는 성형체 (S) 를 다이스 (Da) 에 수용하고, 가열 상태의 성형체 (S＇) 를 압출 펀치 (PD) 로 가압하여 두께를 줄이면서 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체 (S") 를 제조하고, 업셋 가공에서는 희토류 자석 중간체 (S") 를 두께 방향으로 가압하여 두께를 줄여 희토류 자석 (C) 을 제조한다.

Description

희토류 자석의 제조 방법{RARE-EARTH-MAGNET PRODUCTION METHOD}

본 발명은 희토류 자석의 제조 방법에 관한 것이다.

란타노이드 등의 희토류 원소를 사용한 희토류 자석은 영구 자석이라고도 불리우며, 그 용도는, 하드 디스크나 MRI 를 구성하는 모터 외에, 하이브리드차나 전기 자동차 등의 구동용 모터 등에 사용되고 있다.

이 희토류 자석의 자석 성능의 지표로서 잔류 자화 (잔류 자속 밀도) 와 보자력을 들 수 있는데, 모터의 소형화나 고전류 밀도화에 의한 발열량의 증대에 대해, 사용되는 희토류 자석에도 내열성에 대한 요구는 한층 높아지고 있어, 고온 사용하에서 자석의 자기 특성을 어떻게 유지할 수 있을지가 당해 기술분야에서의 중요한 연구 과제의 하나로 되어 있다.

희토류 자석으로는, 조직을 구성하는 결정립 (주상 (主相)) 의 스케일이 3 ∼ 5 ㎛ 정도의 일반적인 소결 자석 외에, 결정립을 50 ㎚ ∼ 300 ㎚ 정도의 나노 스케일로 미세화한 나노 결정 자석이 있는데, 그 중에서도, 상기한 결정립의 미세화를 도모하면서 고가의 중희토류 원소의 첨가량을 저감시킬 수 (프리화) 있는 나노 결정 자석이 현재 주목받고 있다.

희토류 자석의 제조 방법의 일례를 개설하면, 예를 들어 Nd-Fe-B 계의 금속 용탕을 급랭 응고시켜 얻어진 미세 분말을 가압 성형하면서 성형체로 하고, 이 성형체에 자기적 이방성을 부여하기 위해 열간 소성 가공을 실시하여 희토류 자석 (배향 자석) 을 제조하는 방법이 일반적으로 적용되고 있다.

이 열간 소성 가공에 관해서는, 지금까지 여러 가지 기술의 개시가 있다. 일반적인 열간 소성 가공은, 자분 (磁粉) 을 성형한 성형체 (벌크체) 를 다이스에 수용하고, 펀치로 성형체를 가압하는 업셋 가공에 의한 것이다. 그러나, 이 업셋 가공에서는, 가공된 희토류 자석에 있어서 인장 응력이 발생하는 최외주 부위에 반드시라고 해도 될 만큼 균열 (미소 균열을 포함한다) 이 발생하는 것이 큰 문제로 되어 있다. 즉, 업셋 가공의 경우에 있어서는, 희토류 자석의 단면 (端面) 에 작용하는 마찰에 의해 외주부가 장출되고, 이것에 의해 인장 응력이 발생한다. 이 인장 응력에 대해, Nd-Fe-B 계의 희토류 자석은 인장 강도가 약하기 때문에 이 인장 응력에서 기인하는 균열의 발생을 억제하는 것이 어렵고, 예를 들어 가공률이 40 ∼ 50 ％ 정도에서 균열이 발생한다고 전해지고 있다. 또, 변형의 분포는 잔류 자화 (Br) 의 불균일함과 등가이며, 특히 50 ％ 이하의 변형 영역에서는 잔류 자화가 현저히 낮고, 재료 수율이 낮아져 있다. 이 문제를 해결하기 위해 마찰 저항을 저감시키는 것을 생각할 수 있지만, 열간에서 윤활되는 종래의 방법에서는 액체 윤활에 의한 방법밖에 없어, 개방계의 업셋 가공에서는 적용이 곤란하다.

이와 같이 희토류 자석에 균열이 발생하면, 배향도를 높이기 위해 형성된 가공 변형이 균열된 지점에서 개방되어, 변형 에너지를 결정 배향에 충분히 향하게 할 수 없어지고, 이것이 잔류 자화의 향상을 방해하는 이유가 되고 있다.

그래서, 이와 같은 업셋 가공시에 균열이 발생하는 등의 과제를 해소하기 위해, 특허문헌 1 ∼ 5 에는, 성형체 전체를 금속 캡슐 내에 봉입한 후에 이 금속 캡슐을 상하의 펀치로 압압 (押壓) 하면서 열간 소성 가공을 실시함으로써, 열간 소성 가공시에 문제가 되고 있는 균열을 해소하면서, 희토류 자석의 자기적 이방성을 향상시킬 수 있다고 주장하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1 ∼ 5 에서 개시된 기술에서는 균열을 해소할 수 있다고 하고 있지만, 이와 같이 금속 캡슐에 봉입하는 방법의 경우에는, 냉각시에 열팽창의 차이 에 의해 열간 소성 가공되어 만들어진 희토류 자석이 금속 캡슐에 의해 강한 구속을 받아, 균열을 일으키는 것이 알려져 있다. 이와 같이 금속 캡슐을 사용한 경우에도 균열이 발생한다는 과제를 회피하기 위해, 특허문헌 6 에는, 다단계로 업셋 가공을 실시함으로써 금속 캡슐을 얇게 하고, 이로써 금속 캡슐에 의한 구속력을 저감시키는 방법이 개시되어 있다. 예를 들어 특허문헌 6 에서는 두께 7 ㎜ 이상의 철판을 사용한 실시예의 개시가 있다. 그러나, 두께 7 ㎜ 이상의 철판에서는 균열을 완전히 방지할 정도까지 두께가 얇아졌다고는 단언할 수 없고, 실제로 균열이 발생하는 것이 알려져 있다. 또한, 업셋 가공 후의 자석 형상이 니어 네트 쉐이프라고 할 수 없고, 마무리 가공이 전면 필수가 되어 재료 수율이 저하되는 것이나, 가공 비용의 상승 등에 따른 가공비 증대와 같은 디메리트가 크다.

또, 종래 기술에 없는 정도로 성형체의 전면에 금속 캡슐을 덮도록 하여 이 금속 캡슐의 두께를 작게 해 나간 경우에, 변형 속도가 1/sec 이상에서는 캡슐이 부서져, 가공된 희토류 자석에는 불연속의 요철이 발생하여 배향에 흐트러져, 높은 잔류 자화를 기대하기 어려워진다.

그래서, 종래 일반적으로 적용되고 있는 업셋 가공으로 바꿔, 열간 소성 가공으로서 압출 가공을 적용하여 성형체에 변형을 부여하는 방법을 생각할 수 있다.

예를 들어 특허문헌 7 에는, 예비 성형체로부터 압출 성형되는 영구 자석에 있어서의 압출 단면 (斷面) 의 X 방향의 치수를 좁히고, 이것과 직교하는 Y 방향의 치수를 넓힘으로써, 예비 성형체에 대한 영구 자석에 있어서의 압출 방향의 변형 ε₁ 과, Y 방향의 변형 ε₂ 의 변형비 ε₂/ε₁ 이 0.2 ∼ 3.5 의 범위가 되도록 압출 가공하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 종래의 압출 가공은 일반적으로 원고리상으로 압출하는 것이지만, 특허문헌 7 에서 개시하는 방법은 판상으로 압출하는 것이다.

즉, 이 방법은 압축 방향과 이것에 수직인 방향의 연신을 제어함으로써 배향도를 높이는 것이지만, 실제로 이와 같은 직교 방향의 연신을 정치하게 제어하기 위한 성형형의 형상은 복잡한 것이 되지 않을 수 없어, 설비 비용 증대는 불가피하다. 더하여, 압출 가공은 진행 방향으로 균일한 변형을 도입할 수 있는데, 성형형과의 마찰 면적이 커, 가공품은 그 중심에 낮은 변형 영역이 형성되기 쉽다. 이 이유는, 압출 가공은 압축력과 전단력의 부여에 의해서만 가공을 가능하게 하는 것이고, 이 때문에 인장에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있는 것이지만, 이것은 반대로 말하면, 항상 마찰이 가해져 있기 때문에 압출품의 표면이 고변형 영역이 되고, 중심이 저변형 영역이 되기 때문이다.

이 압출 가공에 대하여 추가로 언급하면, 예를 들어 Nd-Fe-B 계의 희토류 자석을 열간 소성 가공에 의해 결정 배향시킴에 있어서, 800 ℃ 가까운 온도에서 200 ㎫ 정도의 힘이 작용하기 때문에 고온 고강도의 재질의 성형형이 요구된다. 예를 들어, 잉코넬이나 초경 등이 성형형의 소재로서 바람직하지만, 이들 초경 소재 금속은 모두 난삭재로, 가공 비용이 큰 부담이 된다. 또, 특허문헌 7 에서 개시된 기술과 같이 판상으로 압출하는 압출 가공에 있어서는, 그 형상때문에 압출품의 모서리부에 대한 응력 집중이 원고리상의 압출품과 비교하여 커지고, 성형형의 내구성이 저하되어 하나의 성형형으로 생산할 수 있는 양이 적어져, 이것도 가공 비용 증가의 요인이 된다. 실제로, 특허문헌 7 에서 개시된 기술에 관해서는, 가공품의 성능 향상이 주장되고 있지만, 압출 형상은 삼차원적인 복잡 형상으로, 금형을 분할하지 않으면 가공할 수 없기 때문에 가공 비용의 증가는 보다 현저한 것이 된다.

이상으로부터, 열간 소성 가공을 거쳐 희토류 자석을 제조함에 있어서, 가공 비용을 증가시키지 않고, 제조되는 희토류 자석의 전체 영역에 있어서 양호하게 변형이 초래되어, 배향도가 높고, 따라서 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있는 제조 방법의 개발이 갈망되고 있다.

일본 공개특허공보 평2-250920호 일본 공개특허공보 평2-250922호 일본 공개특허공보 평2-250919호 일본 공개특허공보 평2-250918호 일본 공개특허공보 평4-044301호 일본 공개특허공보 평4-134804호 일본 공개특허공보 2008-91867호

본 발명은 상기한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 열간 소성 가공을 거쳐 희토류 자석을 제조함에 있어서, 가공 비용을 증가시키지 않고, 제조되는 희토류 자석의 전체 영역에 있어서 양호하게 변형이 초래되어, 배향도가 높고, 따라서 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있는 희토류 자석의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 희토류 자석의 제조 방법은, 희토류 자석 재료가 되는 분말로서, RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 1 단계, 상기 성형체에 이방성을 부여하는 열간 소성 가공을 실시하여 희토류 자석을 제조하는 제 2 단계로 이루어지고, 상기 제 2 단계에 있어서의 열간 소성 가공은, 압출 가공을 실시하여 희토류 자석 중간체를 제조하고, 희토류 자석 중간체에 대해 업셋 가공을 실시하여 희토류 자석을 제조하는 2 단계의 단계로 이루어지고, 압출 가공에서는, 성형체를 다이스에 수용하고, 그 성형체를 압출 펀치로 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조하는 것이고, 업셋 가공에서는, 판상의 희토류 자석 중간체를 그 두께 방향으로 가압하여 그 두께를 줄여 희토류 자석을 제조하는 것이다.

본 발명의 제조 방법은, 열간 소성 가공에 있어서, 압출 가공, 업셋 가공의 순서로 열간 소성 가공을 실시함으로써, 압출 가공시에 발생하기 쉬운 압출 가공품 (희토류 자석 중간체) 의 중앙 영역의 저변형 영역에 대해, 다음의 업셋 가공에 의해 높은 변형을 부여함으로써, 제조되는 희토류 자석의 전체 영역에 대해 양호하게 고변형을 부여할 수 있고, 따라서 배향도가 높고, 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있는 것이다.

본 발명의 제조 방법은, 제 1 단계로서, 희토류 자석 재료가 되는 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조한다.

여기서, 본 발명의 제조 방법이 제조 대상으로 하는 희토류 자석에는, 조직을 구성하는 주상 (결정) 의 입경이 200 ㎚ 이하 정도인 나노 결정 자석은 물론, 입경이 300 ㎚ 이상인 것, 나아가서는 입경이 1 ㎛ 이상인 소결 자석이나 수지 바인더로 결정립이 결합된 본드 자석 등이 포함된다. 그 중에서도, 최종적으로 제조되는 희토류 자석의 주상의 평균 최대 치수 (평균 최대 입경) 가 300 ∼ 400 ㎚ 정도나 그 이하가 되도록 열간 소성 가공 전의 단계의 자분의 주상의 치수가 조정되어 있는 것이 바람직하다.

액체 급랭으로 미세한 결정립인 급랭 박대 (급랭 리본) 를 제조하고, 이것을 조 (粗) 분쇄 등을 하여 희토류 자석용 자분을 제조하고, 이 자분을 예를 들어 다이스 내에 충전하여 펀치로 가압하면서 소결하여 벌크화를 도모함으로써 등방성의 성형체를 얻는다.

이 성형체는, 예를 들어 나노 결정 조직의 RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종으로, 보다 구체적으로는 Nd, Pr, Nd-Pr 중 어느 1 종 혹은 2 종 이상) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 금속 조직을 가지고 있다.

제 1 단계에서 제조된 성형체에 대해, 제 2 단계에서 이방성을 부여하는 열간 소성 가공을 실시함으로써 배향 자석인 희토류 자석을 제조한다.

제 2 단계는, 압출 가공을 실시함으로써 희토류 자석 중간체를 제조하고, 다음으로 이 희토류 자석 중간체에 대해 업셋 가공을 실시함으로써 희토류 자석을 제조하는 2 단계의 단계로 구성되어 있다.

압출 가공에서는, 제 1 단계에서 제조된 성형체를 다이스에 수용하고, 성형체를 압출 펀치로 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조한다. 이 압출 가공에 있어서는, 크게 2 개의 가공 형태가 있다. 그 하나의 가공 방법은, 판상의 중공을 갖는 압출 펀치를 사용하고, 이 압출 펀치로 성형체를 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 압출 펀치의 중공에 성형체의 일부를 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조하는 가공 방법으로, 이른바 후방 압출 방법 (펀치의 압출 방향과 반대 방향으로 성형체를 압출하면서 희토류 자석 중간체를 제조하는 방법) 에 의한 것이다. 한편, 다른 하나의 가공 방법은, 판상의 중공을 갖는 다이스를 사용하여 이 다이스에 성형체를 수용하고, 중공을 구비하지 않은 펀치로 성형체를 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 다이스의 중공으로부터 성형체의 일부를 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조하는 가공 방법으로, 이른바 전방 압출 방법 (펀치의 압출 방향으로 성형체를 압출하면서 희토류 자석 중간체를 제조하는 방법) 에 의한 것이다. 어느 방법이라도, 이 압출 가공에서는, 압출 펀치로 가압되어 만들어진 희토류 자석 중간체에 있어서, 이 압출 펀치에 의한 가압 방향과 수직인 방향으로 이방성이 발생하여 온다. 즉, 압출 펀치가 갖는 판상의 중공에 있어서의 판상의 두께 방향으로 이방성이 발생한다.

이 단계에서 제조되는 희토류 자석 중간체는, 그 중앙 영역에 있어서 외측 영역에 비해 낮은 변형 영역으로 되어 있기 때문에 이방성이 불충분하다.

그래서, 압출 가공으로 압출되어 만들어진 판상의 희토류 자석 중간체에 있어서, 이방축 방향으로 되어 있는 희토류 자석 중간체의 두께 방향으로 그 희토류 자석 중간체를 가압하는 업셋 가공을 실시한다. 이로써, 희토류 자석 중간체의 두께를 줄여 그 중앙의 저변형 영역에 양호하게 변형을 부여하여 중앙의 이방성을 양호한 것으로 하여, 전체적으로 이방성이 양호하고 잔류 자화가 높은 희토류 자석이 제조된다.

또, 본 발명에 의한 희토류 자석의 제조 방법의 바람직한 실시형태로서, 압출 가공에서의 가공률이 50 ∼ 80 ％ 이고, 업셋 가공에서의 가공률이 10 ∼ 50 ％인 형태를 들 수 있다.

상기한 2 종류의 가공에 있어서의 가공률의 수치 범위는 본 발명자들의 검증에 의해 특정된 것이다. 압출 가공에 있어서는, 가공률이 50 ％ 보다 낮으면 압출 시점에서의 잔류 자화가 낮기 때문에, 다음의 업셋 가공에 있어서의 가압량을 크게 해야 하고, 결과적으로 제조된 희토류 자석의 외주에 균열이 발생하기 쉬워진다. 한편, 가공률이 80 ％ 를 초과하는 범위에서는 압출 가공시의 변형이 지나치게 크기 때문에 결정 조직에 균열이 발생하기 쉽고, 결과적으로 잔류 자화가 저하되기 쉽다. 이러한 검증 결과로부터, 압출 가공시의 가공률의 상하한값이 규정되어 있다.

한편, 업셋 가공에 있어서는, 가공률이 10 ％ 미만에서는 희토류 자석 중간체의 중심에 변형을 충분히 부여할 수 없고, 결과적으로 전체적으로 높은 잔류 자화를 갖는 희토류 자석을 얻기 어렵다. 또, 가공률이 50 ％ 를 초과하면 제조된 희토류 자석의 외주에 있어서 인장 응력에서 기인한 균열이 발생하기 쉽다. 이러한 검증 결과로부터, 업셋 가공시의 가공률의 상하한값이 규정되어 있다.

또한, 제 2 단계에서 제조된 희토류 자석 (배향 자석) 에 대해, Nd-Cu 합금, Nd-Al 합금, Pr-Cu 합금, Pr-Al 합금 등의 개질 합금을 입계 확산시켜, 보자력이 한층 높아진 희토류 자석으로 해도 된다. Nd-Cu 합금의 공정 (共晶) 온도는 520 ℃ 정도, Pr-Cu 합금의 공정 온도는 480 ℃ 정도, Nd-Al 합금의 공정 온도는 640 ℃ 정도, Pr-Al 합금의 공정 온도는 650 ℃ 정도이고, 모두 나노 결정 자석을 구성하는 결정립의 조대화를 초래하는 700 ℃ ∼ 1000 ℃ 를 크게 밑돌고 있기 때문에 희토류 자석이 나노 결정 자석인 경우에 특히 바람직하다.

또, 희토류 자석 재료가 되는 분말의 RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 에 관하여, RE 의 함유 비율이 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 이고, 제조된 희토류 자석의 주상의 평균 입경이 300 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

RE 가 29 질량％ 미만에서는 열간 소성 가공시에 균열이 발생하기 쉬워져, 배향성이 매우 나빠지는 것, RE 가 29 질량％ 를 초과하면 열간 소성 가공의 변형은 부드러운 입계에서 흡수되어, 배향성이 나빠질 뿐만 아니라 주상률이 작아지기 때문에 잔류 자화가 작아지는 것에 의한 것이다.

또, 본 발명에 의한 희토류 자석의 제조 방법의 바람직한 실시형태로서, 압출 가공으로 제조된 판상의 희토류 자석 중간체에 있어서, 압출 가공시의 압출 방향을 L 방향, 압출 가공시의 압출 방향에 직교하는 방향을 W 방향, L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면에 직교하는 방향으로서 판상의 희토류 자석 중간체의 두께 방향을 용이 (容易) 자화 방향인 C 축 방향으로 한 경우에, 업셋 가공 후의 희토류 자석의 W 방향의 잔류 자화 Br(W) 과, L 방향의 잔류 자화 Br(L) 의 비로 나타내는 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하는 것이다.

희토류 자석의 용이 자화 방향 (C 축 방향) 으로 이방성을 부여하기 위해, 이 C 축 방향에 직교하는 평면을 규정하는 L 방향축과 W 방향축의 쌍방의 축 방향의 이방성을 없애거나, 혹은 가급적 줄이는 것이 본 실시형태의 제조 방법이다.

L 방향은 압출 가공시의 압출 방향으로, 따라서, 압출 가공에 의해 제조된 희토류 자석 중간체에 있어서는, W 방향에 대한 연신은 매우 작은 데에 반해 L 방향에 대한 연신은 크다. 그 때문에, 희토류 자석 중간체에 있어서, L 방향의 자기 특성은 크게 개선되는 한편으로 W 방향의 자기 특성의 개선은 적다.

그래서, 압출 가공에 이어지는 업셋 가공 (단조 가공) 에 있어서, 이번에는 L 방향에 대한 연신에 대해 W 방향에 대한 연신을 크게 함으로써, 제조된 희토류 자석의 L 방향의 자기 특성과 W 방향의 자기 특성을 동일한 정도로 할 수 있고, L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 면내의 이방성을 없앨 수 있고, 결과적으로 이 L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 면에 직교하는 용이 자화 방향 (C 축 방향) 의 이방성을 높여, 희토류 자석의 잔류 자화 : Br 을 향상시킬 수 있다.

본 발명자들의 검증에 의하면, W 방향의 잔류 자화 : Br(W) 과, L 방향의 잔류 자화 : Br(L) 의 비로 나타내는 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정함으로써, 높은 C 축 방향의 잔류 자화가 얻어지는 것이 특정되어 있다.

또한, 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되는 업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되는 것도 특정되어 있다.

여기서, 업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하는 방법의 실시형태로서, 제조되는 희토류 자석 중간체를 수용하여 업셋 가공을 실시할 때의 형의 치수를 조정해 두고, 상기 비율이 되는 치수의 형을 사용하는 방법을 들 수 있다.

또, 다른 방법으로는, 압출 가공으로 제조된 판상의 희토류 자석 중간체의 L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면의 치수를 조정해 두는 방법이 있다. 즉, 평면에서 보았을 때 사각형의 희토류 자석 중간체를 측면 구속이 없는 상태에서 상하로부터 펀치 등으로 압압하여 찌부러뜨린 경우, 상하의 펀치와 중간체의 상하면 사이에 발생하는 마찰력에 의해, 단변을 따른 방향에 대한 중간체의 연신은 장변을 따른 방향에 대한 연신에 비해 높은 연신을 나타낸다. 이 작용을 이용하기 위해, 업셋 가공시의 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록, 압출 가공으로 제조된 판상의 희토류 자석 중간체의 L 방향과 W 방향의 길이를 조정하여, 치수가 조정된 희토류 자석 중간체에 업셋 가공을 실시하는 것이다.

이상의 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 희토류 자석의 제조 방법에 의하면, 열간 소성 가공에 있어서, 압출 가공, 업셋 가공의 순서로 열간 소성 가공을 실시함으로써, 압출 가공시에 발생하기 쉬운 압출 가공품 (희토류 자석 중간체) 의 중앙 영역의 저변형 영역에 대해, 다음의 업셋 가공에 의해 높은 변형을 부여함으로써, 제조되는 희토류 자석의 전체 영역에 대해 양호하게 고변형을 부여할 수 있고, 따라서 배향도가 높고, 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있다.

도 1 은 1(a), 1(b) 의 순서로 본 발명의 희토류 자석의 제조 방법의 실시형태 1 의 제 1 단계를 설명한 모식도이다.
도 2 는 제 1 단계에서 제조된 성형체의 마이크로 구조를 설명한 도면이다.
도 3(a) 는 제조 방법의 실시형태 1 의 제 2 단계 중, 압출 가공 방법을 설명한 모식도이고, 3(b) 는 도 3a 의 b-b 화살표도이다.
도 4(a) 는 압출 가공에 의해 제조된 희토류 자석 중간체의 일부를 절단하고 있는 상황을 설명한 모식도이고, 4(b) 는 제 2 단계에 있어서의 업셋 가공 방법을 설명한 모식도이다.
도 5 는 압출 가공 및 업셋 가공시의 가공품의 변형 분포를 설명한 도면이다.
도 6 은 제조된 본 발명의 희토류 자석 (배향 자석) 의 마이크로 구조를 설명한 도면이다.
도 7 은 제조 방법의 실시형태 2 의 제 2 단계를 설명한 모식도이다.
도 8 은 가공률 70 ％ 의 압출 가공에 의한 희토류 자석의 부위마다의 잔류 자화 향상률에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 는 가공률 25 ％ 의 업셋 가공에 의한 희토류 자석의 부위마다의 잔류 자화 향상률에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 은 가공률 70 ％ 의 압출 가공 및 가공률 25 ％ 의 업셋 가공에 의한 희토류 자석의 부위마다의 잔류 자화 향상률에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11 은 압출 가공의 가공률과 잔류 자화의 관계에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 12 는 압출 가공과 업셋 가공 각각의 가공률과 잔류 자화의 관계에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 13 은 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 각 방향의 연신율의 관계를 특정하는 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 14 는 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 용이 자화 방향의 잔류 자화 :
Br 의 관계를 특정하는 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 15 는 면내 이방성 지수와 C 축 방향의 잔류 자화 : Br 의 관계를 특정하는 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 16 은 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 면내 이방성 지수와 C 축 방향의 잔류 자화 : Br 의 관계를 특정하는 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 17 은 L 방향의 연신과 W 방향의 연신의 차가 큰 경우에 있어서의 희토류 자석의 L 방향 및 W 방향의 결정 조직의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 18 은 L 방향의 연신과 W 방향의 연신의 차가 작은 경우에 있어서의 희토류 자석의 L 방향 및 W 방향의 결정 조직의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 희토류 자석의 제조 방법의 실시형태를 설명한다. 또한, 도시예는 나노 결정 자석인 희토류 자석의 제조 방법을 설명한 것이지만, 본 발명의 희토류 자석의 제조 방법은 나노 결정 자석의 제조에 한정되는 것이 아니고, 결정립이 상대적으로 큰 소결 자석 (예를 들어 1 ㎛ 정도의 입경인 것) 등의 제조에 적용할 수 있는 것은 물론이다. 또, 도시예의 제 2 단계에 있어서의 압출 가공은, 판상의 중공을 갖는 압출 펀치를 사용하고, 이 압출 펀치로 성형체를 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 압출 펀치의 중공에 성형체의 일부를 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조하는 가공 방법 (후방 압출 방법) 이지만, 도시예 이외에도, 판상의 중공을 갖는 다이스를 사용하여 이 다이스에 성형체를 수용하고, 중공을 구비하지 않는 펀치로 성형체를 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 다이스의 중공으로부터 성형체의 일부를 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조하는 가공 방법 (전방 압출 방법) 이어도 되는 것은 물론이다.

(희토류 자석의 제조 방법의 실시형태 1)

도 1a, b 는 그 순서로 본 발명의 희토류 자석의 제조 방법의 실시형태 1 의 제 1 단계를 설명한 모식도이고, 도 2 는 제 1 단계에서 제조된 성형체의 마이크로 구조를 설명한 도면이다. 또, 도 3a 는 제조 방법의 실시형태 1 의 제 2 단계 중, 압출 가공 방법을 설명한 모식도이고, 도 3b 는 도 3a 의 b-b 화살표도이다. 또한, 도 4a 는 압출 가공에 의해 제조된 가공품의 일부를 절단하여 중간체를 제조한 상태를 설명한 모식도이고, 도 4b 는 제 2 단계에 있어서의 업셋 가공 방법을 설명한 모식도이다.

도 1a 에서 나타내는 바와 같이, 예를 들어 50 ㎪ 이하로 감압한 Ar 가스 분위기의 도시하지 않은 노 중에서, 단 (單) 롤에 의한 멜트스피닝법에 의해 합금 잉곳을 고주파 용해시키고, 희토류 자석을 부여하는 조성의 용탕을 구리 롤 (R) 에 분사하여 급랭 박대 (B) (급랭 리본) 를 제조하고, 이것을 조분쇄한다.

조분쇄된 급랭 박대 중, 최대 치수가 200 ㎚ 정도이거나 그 이하의 치수의 급랭 박대 (B) 를 선별하여, 이것을 도 1b 에서 나타내는 바와 같이 초경 다이스 (D) 와 이 중공 내를 슬라이딩하는 초경 펀치 (P) 로 획성된 캐비티 내에 충전한다. 그리고, 초경 펀치 (P) 로 가압하면서 (X 방향) 가압 방향으로 전류를 흘려 통전 가열함으로써, 나노 결정 조직의 Nd-Fe-B 계의 주상 (50 ㎚ ∼ 200 ㎚ 정도의 결정 입경) 과, 주상의 주위에 있는 Nd-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 사각기둥상의 성형체 (S) 를 제조한다 (제 1 단계). 또한, RE 의 함유 비율은 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 인 것이 바람직하다.

여기서, 입계상을 구성하는 Nd-X 합금은, Nd 와, Co, Fe, Ga 등 중 적어도 1 종 이상의 합금으로 이루어지고, 예를 들어, Nd-Co, Nd-Fe, Nd-Ga, Nd-Co-Fe, Nd-Co-Fe-Ga 중 어느 1 종, 혹은 이들 2 종 이상이 혼재된 것으로, Nd 리치인 상태로 되어 있다.

도 2 에서 나타내는 바와 같이, 성형체 (S) 는 나노 결정립 (MP) (주상) 사이를 입계상 (BP) 이 충만되는 등방성의 결정 조직을 나타내고 있다.

제 1 단계에서 사각기둥상의 성형체 (S) 가 제조되면, 도 3 에서 나타내는 압출 가공을 실시한 후, 이 압출 가공으로 제조된 희토류 자석 중간체에 대해 도 4 에서 나타내는 업셋 가공을 실시하여, 이 압출 가공 및 업셋 가공으로 이루어지는 열간 소성 가공에 의해 희토류 자석 (배향 자석) 을 제조한다 (제 2 단계). 이하, 제 2 단계를 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 도 3a 에서 나타내는 바와 같이, 다이스 (Da) 에 제 1 단계에서 제조된 성형체를 수용하고, 고주파 코일 (Co) 로 다이스 (Da) 를 가열하여 가열 상태의 성형체 (S') 를 형성한다. 또한, 성형체의 수용에 앞서, 다이스 (Da) 의 내면이나 압출 펀치 (PD) 의 판상의 중공 (PDa) 의 내면에는 윤활제를 도포해 둔다.

판상의 중공 (PDa) 을 구비하는 압출 펀치 (PD) 로 가열 상태의 성형체 (S') 를 가압하고 (Y1 방향), 이 가압에 의해 가열 상태의 성형체 (S') 는 그 두께를 줄이면서 일부는 판상의 중공 (PDa) 에 압출되어 간다 (Z 방향).

여기서, 이 압출 가공시의 가공률은, (t0-t1)/t0 으로 나타내고, 60 ∼ 80 ％ 의 가공률로 가공되는 것이 바람직하다.

이 압출 가공에 의해, 도 4a 에서 나타내는 희토류 자석 중간체 (S") 가 제조된다. 이 희토류 자석 중간체 (S") 중, 두께 (t1) 를 갖는 판상의 부분만을 컷하여, 정규의 희토류 자석 중간체로서 다음의 업셋 가공에 적용한다.

즉, 도 4b 에서 나타내는 바와 같이, 상하의 펀치 PM (앤빌) 사이에 두께 (t1) 의 희토류 자석 중간체 (S") 를 재치 (載置) 하고, 고주파 코일 (Co) 로 펀치 (PM) 를 가열하고, 희토류 자석 중간체 (S") 를 가열하면서 상방의 펀치 (PM) 로 희토류 자석 중간체 (S") 의 두께 방향으로 가압하여 (Y1 방향), 그 두께를 당초의 t1 에서 t2 로 줄임으로써 배향 자석인 희토류 자석 (C) 이 제조된다.

여기서, 이 업셋 가공시의 가공률은, (t1-t2)/t1 로 나타내고, 10 ∼ 30 ％ 의 가공률로 가공되는 것이 바람직하다.

또한, 열간 소성 가공의 압출 가공 및 업셋 가공시의 변형 속도는 0.1/sec 이상으로 조정되어 있다. 또, 열간 소성 가공에 의한 가공도 (압축률) 가 큰 경우, 예를 들어 압축률이 10 ％ 정도 이상인 경우의 열간 소성 가공을 강가공이라고 칭할 수 있다.

압출 가공 및 업셋 가공시의 가공품의 변형 분포를 설명한 도 5 로부터 분명한 바와 같이, 최초의 압출 가공에 의해 제조된 희토류 자석 중간체는 그 표면에 높은 변형 영역이 형성되는 한편으로, 그 중심은 낮은 변형 영역이 되어, 외측의 영역에 비해 중심의 이방성이 불충분하다.

그래서, 이 희토류 자석 중간체에 업셋 가공을 실시함으로써, 표면이 높은 변형 영역은 유지되면서, 중심이 낮은 변형 영역에 양호하게 변형이 부여되어, 중심도 높은 변형 영역이 되어, 제조된 희토류 자석은 전체적으로 높은 변형 영역을 갖는 것이 된다.

이와 같이, 제 2 단계에 있어서, 압출 가공, 업셋 가공의 순서로 열간 소성 가공을 실시함으로써, 압출 가공시에 발생하기 쉬운 희토류 자석 중간체의 중앙 영역의 저변형 영역에 대해, 다음의 업셋 가공에 의해 높은 변형을 부여함으로써, 제조되는 희토류 자석의 전체 영역에 대해 양호하게 고변형을 부여할 수 있고, 따라서 배향도가 높고, 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있다.

압출 가공 및 업셋 가공의 2 단계의 가공으로 이루어지는 열간 소성 가공에 의해 제조된 희토류 자석 (C) (배향 자석) 은, 도 6 에서 나타내는 바와 같이 나노 결정립 (MP) 이 편평 형상을 이루고, 이방축과 거의 평행한 계면은 만곡되거나 굴곡되어 있어, 자기적 이방성이 우수한 희토류 자석 (C) 으로 되어 있다.

도시하는 배향 자석 (C) 에 관하여, RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종, 혹은 이들의 중간 생성물인 Di (디디뮴)) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 금속 조직을 가지고 있고, RE 의 함유 비율이 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 이며, 제조된 희토류 자석의 주상의 평균 입경은 300 ㎚ 로 되어 있는 것이 좋다. RE 의 함유 비율이 상기 범위에 있음으로써, 열간 소성 가공시의 균열의 발생 억제 효과가 한층 높고, 높은 배향도를 보증할 수 있다. 또, RE 의 함유 비율이 상기 범위임으로써, 높은 잔류 자화를 보증할 수 있는 주상의 크기를 확보할 수 있다.

(희토류 자석의 제조 방법의 실시형태 2)

다음으로, 도 7 을 참조하여 희토류 자석의 제조 방법의 실시형태 2 를 설명한다. 여기서, 도 7 은 제 2 단계 이외의 실시형태를 설명한 모식도이다. 즉, 제조 방법의 실시형태 2 의 제 1 단계는 제조 방법의 실시형태 1 과 동일하고, 제 2 단계에 개량을 가한 것이다.

제 1 단계에서 제조된 성형체 (S) 는, 용이 자화 방향인 C 축 방향과, 이 C 축 방향과 직교하는 면을 형성하는 L 방향축 및 W 방향축을 가지고 있다. 또한, 제 2 단계의 압출 가공시의 압출 방향을 이 L 방향 (L 방향축을 따른 방향), 압출 가공시의 압출 방향에 직교하는 방향을 W 방향 (W 방향축을 따른 방향) 으로 한다.

제 2 단계의 압출 가공에 의해 제조된 희토류 자석 중간체 (S") (두께 t₀) 에 있어서는, 압출 가공시의 압출 방향이 L 방향인 것으로부터, W 방향에 대한 연신이 적은 데에 반해 L 방향에 대한 연신은 크다 (L₀ ＞ W₀). 그 때문에, 희토류 자석 중간체 (S") 에 있어서, L 방향의 자기 특성은 크게 개선되는 한편으로 W 방향의 자기 특성의 개선은 적다. 그래서, 압출 가공에 이어지는 업셋 가공에 있어서, 이번에는 L 방향에 대한 연신에 대해 W 방향에 대한 연신을 크게 함으로써 (W₁ - W₀ ＞ L₁ - L₀), 제조된 희토류 자석 (C) (두께 t₁) 의 L 방향의 자기 특성과 W 방향의 자기 특성을 동일한 정도로 하고, L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 면내의 이방성을 없앨 수 있다. 그리고, 이 결과, 이 L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 면에 직교하는 용이 자화 방향 (C 축 방향) 의 이방성을 높여, 희토류 자석의 잔류 자화 : Br 을 향상시키는 것이 가능해진다.

그 때문에, 희토류 자석 중간체 (S") 를 수용하는 형 (型) 의 치수를 조정하고, 형에 희토류 자석 중간체 (S") 를 수용하여 단조하고, 업셋 가공 후의 희토류 자석 (C) 의 W 방향의 잔류 자화 Br(W) 과, L 방향의 잔류 자화 Br(L) 의 비로 나타내는 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정한다.

여기서, 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되는 업셋 가공시의 W 방향의 연신과 L 방향의 연신의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율은, 대략 1 ∼ 2.5 의 범위가 되는 것을 알 수 있다. 그래서, 이와 같은 쌍방의 연신율이 되도록 업셋 가공시에 사용하는 형의 치수를 조정해 두고, 이와 같이 치수가 조정된 형을 이용하여 희토류 자석 중간체 (S") 를 단조함으로써, W 방향의 연신과 L 방향의 연신을 정치하게 제어할 수 있다.

또, 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하, 혹은 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위로 하기 위한 방법으로서, 압출 가공으로 제조된 판상의 희토류 자석 중간체의 L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면의 치수를 미리 조정해 두는 방법이 있다.

평면에서 보았을 때 사각형의 희토류 자석 중간체를 측면 구속이 없는 상태에서 상하로부터 펀치 등으로 압압하여 찌부러뜨린 경우, 상하의 펀치와 희토류 자석 중간체의 상하면 사이에 발생하는 마찰력에 의해, 단변을 따른 방향에 대한 중간체의 연신은 장변을 따른 방향에 대한 연신에 비해 높은 연신을 나타낸다. 이 방법은 이와 같이 장변과 단변의 연신의 차이를 이용하는 것으로, 업셋 가공시의 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록, 압출 가공으로 제조된 판상의 희토류 자석 중간체의 L 방향과 W 방향의 길이를 조정하고, 치수가 조정된 희토류 자석 중간체에 업셋 가공을 실시하는 것이다.

[압출 가공과 업셋 가공에 의한 효과를 확인한 실험과 그 결과]

본 발명자들은 압출 가공과 업셋 가공의 조합에 의해, 희토류 자석이 전체적으로 잔류 자화를 향상시킬 수 있는 것을 확인하기 위한 실험을 실시하였다.

(시험체의 제조 방법 그 1)

희토류 합금 원료 (합금 조성은 at％ 로, Fe-30 Nd-0.93 B-4 Co-0.4 Ga) 를 소정량 배합하고, Ar 분위기중에서 용해시킨 후, 그 용탕을 φ 0.8 ㎜ 의 오리피스로부터 Cr 도금을 실시한 Cu 제의 회전 롤에 사출하여 급랭시켜 합금 박편을 제조하였다. 이 합금 박편을 Ar 분위기중에서 커터밀로 분쇄하고 체로 쳐, 0.2 ㎜ 이하의 희토류 합금 분말을 얻었다. 다음으로, 이 희토류 합금 분말을 20 × 20 × 40 ㎜ 사이즈의 초경 다이스에 수용하고, 상하를 초경 펀치로 봉지 (封止) 하였다. 다음으로, 이것을 챔버에 세트하여, 10^-2 ㎩ 로 감압하고, 400 ㎫ 를 부하시키고, 고주파 코일로 가열해 650 ℃ 로 가열하여 프레스 가공하였다. 프레스 가공 후, 60 초 유지하여 다이스로부터 성형체 (벌크체) 를 꺼내, 열간 가공용 성형체로 하였다.

다음으로, 도 3 에서 나타내는 다이스에 성형체를 수용하고, 고주파 코일로 다이스를 가열하고, 다이스로부터의 전열에 의해 성형체를 800 ℃ 정도로 승온시키고, 스트로크 속도 25 ㎜/sec (변형 속도 1/sec 정도) 로 가공률 70 ％ 의 압출 가공을 실시하였다. 그 후, 제조된 중간체를 다이스로부터 꺼내, 도 4 에서 나타내는 바와 같이 판상 부분의 중간체만을 잘라내고, 잘라낸 판상의 중간체를 도 4b 에서 나타내는 바와 같이 다이스 (앤빌) 상에 재치하고, 동일하게 고주파 코일로 앤빌을 가열하고, 다이스로부터의 전열에 의해 중간체를 800 ℃ 로 가열하고, 스트로크 속도 4 ㎜/sec (변형 속도 1/sec 정도) 로 가공률 25 ％ 의 업셋 가공을 실시하여 희토류 자석의 시험체를 얻었다.

도 8 은 가공률 70 ％ 의 압출 가공에 의한 희토류 자석의 부위마다의 잔류 자화 향상률에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 또, 도 9 는 가공률 25 ％ 의 업셋 가공에 의한 희토류 자석의 부위마다의 잔류 자화 향상률에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 또한 도 10 은 가공률 70 ％ 의 압출 가공 및 가공률 25 ％ 의 업셋 가공에 의한 희토류 자석의 부위마다의 잔류 자화 향상률에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.

도 8 로부터, 압출 가공에 의한 가공품에서는, 그 표면의 잔류 자화에 비해 중심의 잔류 자화는 10 ％ 정도 낮아져 있다. 한편, 도 9 로부터, 업셋 가공에 의한 가공품에서는, 그 표면의 잔류 자화에 비해 중심의 잔류 자화가 반대로 10 ％ 정도 높아져 있다. 그리고, 도 10 으로부터, 이들 압출 가공과 업셋 가공에 의한 가공품은, 그 표면도 중심도 동일한 정도의 잔류 자화로 되어 있고, 압출 가공의 단계에서 잔류 자화가 낮은 중심 부근의 잔류 자화가 업셋 가공에 의해 향상되어, 전체적으로 동일한 정도의 높은 잔류 자화를 갖는 가공품이 되어 있는 것이 실증되어 있다.

[압출 가공, 업셋 가공 각각의 가공률의 최적 범위를 특정하기 위한 실험과 그 결과]

본 발명자들은 또한, 압출 가공, 업셋 가공 각각의 가공률의 최적 범위를 특정하기 위한 실험을 실시하였다. 이 실험에서는, 압출 가공과 업셋 가공 각각의 가공에 있어서의 가공률을 여러 가지 변화시켜 시험체를 제조하고, 각각의 시험체의 자기 특성 (잔류 자화와 보자력) 을 측정하였다. 압출 가공과 업셋 가공 각각의 가공률과 각각의 시험체의 자기 특성의 결과를 이하의 표 1 에 나타낸다. 또, 도 11 은 표 1 중에서 압출 가공만의 경우를 취출하여 그래프화한 것이고, 도 12 는 표 1 의 결과를 모두 그래프화한 것이다.

(주기) 보자력 단위 kOe 를 SI 단위 (kA/m) 로 환산하는 경우에는 79.6 을 곱하여 보자력을 산출.

표 1 및 도 11 로부터, 압출 가공에 관하여, 압출 가공시의 가공률이 50 ％ 미만인 범위에서는, 압출 시점에서의 잔류 자화가 낮기 때문에 업셋 가공시의 가공량이 커지고, 결과적으로 제조된 희토류 자석의 외주부에 균열이 발생한다. 한편, 압출 가공시의 가공률이 80 ％ 를 초과하는 범위 (도 11 의 영역 Ⅱ) 에서는, 압출 시점에서의 변형이 지나치게 크기 때문에 결정 조직에 균열이 발생하고, 결과적으로 제조된 희토류 자석의 잔류 자화가 저하된다.

이에 반해, 압출 가공시의 가공률이 50 ％ ∼ 80 ％ 인 범위 (도 11 의 영역 Ⅰ) 에서는 희토류 자석의 잔류 자화가 가장 높아진다. 그러나, 희토류 자석의 중심 부분의 변형량이 낮기 때문에 이 압출 가공만으로는 희토류 자석의 모든 영역을 높은 잔류 자화로 할 수는 없다. 또한, 압출 가공시의 가공률 50 ％ 인 쪽이 90 ％ 보다 잔류 자화의 값이 작지만, 그 후에 업셋 가공을 가함으로써 잔류 자화를 높일 수 있고, 또, 압출 가공시의 가공률이 90 ％ 인 경우에는 균열이 발생하여, 업셋 가공을 가할 수 없다.

그래서, 가공률이 50 ％ ∼ 80 ％ 인 범위에서 압출 가공을 실시함과 함께 업셋 가공을 실시하는 것이지만, 표 1 및 도 12 로부터, 업셋 가공시의 가공률이 10 ％ 미만인 범위 (도 12 의 영역 Ⅱ) 에서는, 희토류 자석의 중심에 변형을 충분히 부여할 수 없어, 희토류 자석의 모든 영역을 높은 잔류 자화로 할 수 없는 것이, 원주 모델에 대해 단순히 업셋 가공을 실시한 경우의 변형 분포를 평가하는 본 발명자들에 의한 CAE 해석으로부터 특정되어 있다 (그 때의 마찰 계수는 0.3 으로 설정).

한편, 업셋 가공의 가공률이 50 ％ 정도보다 높은 범위에서는, 희토류 자석의 외주부에 있어서 인장 응력에서 기인한 균열이 발생하는 것이, 영역 Ⅱ 와 동일하게 본 발명자들에 의한 CAE 해석으로부터 특정되어 있다.

이와 같이, 본 발명자들에 의한 실험과 CAE 해석의 결과로부터, 가공률이 50 ∼ 80 ％ 인 범위에서 압출 가공을 실시하고, 이어서 가공률이 10 ∼ 50 ％ 인 범위에서 업셋 가공을 실시함으로써, 균열을 발생시키지 않고, 전체적으로 높은 잔류 자화를 가져, 자기 특성이 우수한 희토류 자석이 얻어지는 것이 실증되어 있다.

[업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율을 변화시켰을 때의 자기 특성을 검증한 실험과 그 결과]

본 발명자들은 희토류 자석의 용이 자화 방향 (C 축 방향) 에 대한 이방성을 높여, 이로써 잔류 자화가 높은 희토류 자석을 제조함에 있어서, 압출 가공시에 발생한 압출 방향 (L 방향) 과 이에 직교하는 방향 (W 방향) 의 연신의 차이를 업셋 가공시에 완화시킴으로써, 압출 가공으로 제조된 희토류 자석 중간체의 L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면 내에 있어서의 이방성을 해소하고, 이 평면에 직교하는 방향 (C 축 방향) 의 이방성을 높일 수 있는 기술 사상에 이르렀다. 그래서, 업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율이 상이한 5 개의 시험체를 제조하여, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 각방향의 연신율의 관계를 특정하고, 또한, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 용이 자화 방향의 잔류 자화 : Br 의 관계를 특정하였다.

(시험체의 제조 방법 그 2)

시험체의 제조 방법에 관하여, 판상 부분의 중간체만을 잘라낼 때까지는 앞에 서술한 시험체의 제조 방법 그 1 과 동일하고, 그 후, 고주파 코일로 앤빌을 가열하고, 다이스로부터의 전열에 의해 중간체를 800 ℃ 로 가열하고, 스트로크 속도 4 ㎜/sec (변형 속도 1/sec 정도) 로 가공률 30 ％ 의 업셋 가공을 실시하여 희토류 자석의 시험체를 얻었다.

시험체에 관하여, 도 7 에서 나타내는 희토류 자석의 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율 : {(W₁ - W₀)/W₀}/{L₁ - L₀)/L₀} 을 0.4 ∼ 2.5 까지의 5 단계로 제어하였다. 이하, 표 2 에 각 시험체의 W 방향, L 방향의 연신율, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율 등을 나타내고, W 방향의 연신/L 방향의 연신과 각 방향의 연신율의 관계를 도 13 에 나타낸다.

다음으로, 5 개의 시험체의 잔류 자화 (C 축 방향의 자화) 를 측정하였다. 측정 결과를 이하의 표 3 과 도 14 에 나타낸다.

표 1 과 도 14 로부터, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1.0 에서 변곡점을 만나고, 1.0 ∼ 2.5 의 범위에서는 높은 값의 잔류 자화가 유지되어 있는 것을 확인할 수 있다. 시험체 No.3 ∼ 5 의 잔류 자화가 높은 것은, L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면 (C 축 방향에 직교하는 평면) 내에 있어서의 면내 이방성이 작아져 있는 결과이다.

또한, 후술하는 별도의 실험 결과로부터, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 2.5 를 초과한 범위에서는 면내 이방성 지수가 1.20 을 초과하고, 1.20 이하로 하는 규정 범위를 일탈함으로써, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율의 범위는 1.0 ∼ 2.5 의 범위가 바람직한 범위라고 규정할 수 있다.

[면내 이방성 지수와 잔류 자화의 관계, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 면내 이방성 지수의 관계를 각각 특정한 실험과 그 결과]

본 발명자들은 다수의 시험체를 제조하여, 면내 이방성 지수와 희토류 자석의 잔류 자화 (C 축 방향의 자속 밀도) 의 관계를 특정하였다. 여기서, 면내 이방성 지수란, 업셋 가공 후의 희토류 자석의 W 방향의 잔류 자화 Br(W) 과, L 방향의 잔류 자화 Br(L) 의 비로 나타내는 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이다. 실험의 결과를 도 15 에 나타낸다.

도 15 로부터, 면내 이방성 지수가 1.2 에서 잔류 자화의 변곡점을 만나고, 1.2 이하의 범위에서는 1.37 T 전후의 높은 잔류 자화가 얻어지는 것을 확인할 수 있다. 이 실험 결과로부터, 업셋 가공 후의 희토류 자석의 W 방향의 잔류 자화 Br(W) 과, L 방향의 잔류 자화 Br(L) 의 비로 나타내는 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하는 것으로 하였다.

다음으로, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 면내 이방성 지수의 관계에 대해서도 검증하였다. 실험 결과를 도 16 에 나타낸다.

도 16 으로부터, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율과 면내 이방성 지수의 상관 그래프와 면내 이방성 지수 1.2 이하의 범위와, 앞에 서술한 W 방향의 연신율/L 방향의 연신율의 범위 1.0 ∼ 2.5 는 거의 일치한다. 그리고, W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 2.5 를 초과하는 범위에서는 면내 이방성 지수가 1.2 를 초과하는 것이 상정된다. 이 결과로부터, 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하거나, 혹은 업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하는 것으로 하였다.

[면내 이방성 지수가 상이한 시험체의 조직 관찰과 그 결과]

본 발명자들은 또한, 표 2, 3 에 나타내는 각 시험체의 면내 이방성 지수를 특정하였다. 그 결과를 이하의 표 4 에 나타낸다. 또, 면내 이방성 지수가 1.2 를 초과하는 시험체 No.1 과 1.2 이하의 시험체 No.4 의 조직을 관찰하였다. 각각의 SEM 이미지를 도 17, 18 에 나타낸다.

도 17 의 SEM 이미지로부터, 면내 이방성 지수가 1.2 를 초과하는 시험체 No.1 에서는, L 방향의 배향 상태는 양호한 한편으로, W 방향의 배향 상태는 나쁘고, 결과적으로 C 축 방향의 잔류 자화는 1.337 로 낮은 값이 되어 있다.

한편, 도 18 의 SEM 이미지로부터, 면내 이방성 지수가 1.2 이하인 시험체 No.4 에서는, L 방향의 배향 상태, W 방향의 배향 상태는 동일한 정도의 배향 상태이고, 결과적으로 C 축 방향의 잔류 자화는 1.370 로 높은 값이 되어 있다.

이 관찰 결과로부터, 면내 이방성 지수가 1.2 이하로 낮고, 면내의 2 축의 배향 상태가 동일한 정도인 경우에, C 축 방향의 잔류 자화가 1.37 전후로 높은 희토류 자석이 얻어지는 것이 확인되었다.

이상, 본 발명의 실시형태를 도면을 이용하여 상세히 서술해 왔지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 설계 변경 등이 있더라도, 그것은 본 발명에 포함되는 것이다.

R : 구리 롤
B : 급랭 박대 (급랭 리본)
D : 초경 다이스
P : 초경 펀치
PD : 압출 펀치 (앤빌)
PDa : 판상의 중공
Da : 다이스
Co : 고주파 코일
PM : 펀치 (앤빌)
S : 성형체
S' : 가열 상태의 성형체
S" : 희토류 자석 중간체
C : 희토류 자석 (배향 자석)
RM : 희토류 자석
MP : 주상 (나노 결정립, 결정립, 결정)
BP : 입계상

Claims

희토류 자석 재료가 되는 분말로서, RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 1 단계,
상기 성형체에 이방성을 부여하는 열간 소성 가공을 실시하여 희토류 자석을 제조하는 제 2 단계로 이루어지고,
상기 제 2 단계에 있어서의 열간 소성 가공은, 압출 가공을 실시하여 희토류 자석 중간체를 제조하고, 희토류 자석 중간체에 대해 업셋 가공을 실시하여 희토류 자석을 제조하는 2 단계의 단계로 이루어지고,
압출 가공에서는, 성형체를 다이스에 수용하고, 그 성형체를 압출 펀치로 가압하여 성형체의 두께를 줄이면서 압출하여 판상의 희토류 자석 중간체를 제조하는 것이고,
업셋 가공에서는, 판상의 희토류 자석 중간체를 그 두께 방향으로 가압하여 그 두께를 줄여 희토류 자석을 제조하는 것인 희토류 자석의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 압출 가공에서의 가공률은 50 ∼ 80 ％ 이고, 상기 업셋 가공에서의 가공률은 10 ∼ 50 ％ 인 희토류 자석의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
압출 가공으로 제조된 판상의 희토류 자석 중간체에 있어서, 압출 가공시의 압출 방향을 L 방향, 압출 가공시의 압출 방향에 직교하는 방향을 W 방향, L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면에 직교하는 방향으로서 판상의 희토류 자석 중간체의 두께 방향을 용이 (容易) 자화 방향인 C 축 방향으로 한 경우에,
업셋 가공 후의 희토류 자석의 W 방향의 잔류 자화 Br(W) 과, L 방향의 잔류 자화 Br(L) 의 비로 나타내는 면내 이방성 지수 : Br(W)/Br(L) 이 1.2 이하가 되도록 업셋 가공시의 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하는 희토류 자석의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록 L 방향의 연신과 W 방향의 연신을 조정하는 희토류 자석의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록 업셋 가공시의 형의 치수를 조정하고, 그 형에 희토류 자석 중간체를 수용하여 업셋 가공을 실시하는 희토류 자석의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
업셋 가공시의 W 방향의 연신율과 L 방향의 연신율의 비율 : W 방향의 연신율/L 방향의 연신율이 1 ∼ 2.5 의 범위가 되도록 압출 가공으로 제조된 희토류 자석 중간체의 L 방향축과 W 방향축으로 형성되는 평면의 치수를 조정하여, 업셋 가공을 실시하는 희토류 자석의 제조 방법.