KR20150071047A - NdFeB 영구자석 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

Nd 25~30wt%, Dy 0.5~6wt%, Tb 0.2~2wt%, Cu 0.1~0.5wt%, B 0.8~2wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 NdFeB 영구자석 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

NdFeB 영구자석 및 그 제조방법 {NdFeB PERMANENT MAGNET AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 고가의 Dy 원소 사용량을 줄임으로써 자석의 원가 절감 및 자기력 향상을 통해 기존보다 저가/고성능의 영구자석을 구현할 수 있도록 하는 NdFeB 영구자석 및 그 제조방법에 관한 것이다.

HEV차량의 연비향상을 위해서는 한정된 크기의 구동모터에서 더 높은 출력을 낼 수 있는 고성능 자석이 필요하다. 종래의 구동모터용 영구자석으로 희토류 영구자석인 NdFeB 소결자석을 사용하는데, 이는 높은 열특성을 위해 Dy나 Tb 등의 고가의 희토류 원소를 사용하고 있다. 이들 원소는 높은 열특성을 부여하지만 자기력을 낮추고, 고가이기 때문에 HEV 차량의 수익성에 악영향을 끼치게 된다.

따라서, 고가의 Dy 원소 사용량을 줄임으로써 자석의 원가 절감 및 자기력 향상을 통해 기존보다 저가/고성능의 영구자석을 개발할 필요가 있었다.

종래기술에서는 Dy나 Tb를 확산하기 위해 성형체를 소결한 후 Near net shape으로 가공하여 중희토류 합금 또는 화합물을 도포하고 확산을 위해 열처리하는 과정을 거쳤다. 이런 공정의 경우 공정의 연속성이 떨어지게 되는데, 본 발명에서는 소결 및 열처리 공정을 한번에 진행하기 때문에 공수가 적고 효율이 높다.

종래에도 입계 확산 기술을 본 발명과 유사하게 소결 공정 중에 확산을 시키려는 시도가 있었다. 성형체에 입계확산 물질을 도포하고 소결로에 투입하여 소결공정을 거치게 하였는데, 소결 공정시 온도가 1000℃ 이상으로 상승하게 되고 보통 진공도가 10^-3Pa 이하이게 된다. Dy는 1000℃에서 10^-1Pa 대에서 증발하므로 증발속도가 너무 빨라 자석에 확산되는 양보다 낭비되어 증발하는 양이 더 많아지게 된다. Tb의 경우 1000℃ 일때 10^-4Pa 구간에서 증발하게 되는데 소결 공정 중에 증발하지는 않지만 높은 온도로 인해 입계로의 확산보다 입자내의 확산이 발생하여 확산 효율이 떨어지게 된다. 또한 성형체에 중희토류를 도포하는 것은 성형체의 산화를 발생시킬 수 있고, 그에 따라서 자석의 특성이 저하가 될 수 있다.

또한 종래 기술의 자석은 소결 후 열처리할 때 Ar 분위기에서 열처리를 하게 되므로 본 기술과 같이 열처리 공정시 입계확산 물질을 증발/증착시킬 수 없게 된다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2006-0102480 A

본 발명은 고가의 Dy 원소 사용량을 줄임으로써 자석의 원가 절감 및 자기력 향상을 통해 기존보다 저가/고성능의 영구자석을 구현할 수 있도록 하는 NdFeB 영구자석 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 NdFeB 영구자석은, Nd 25~30wt%, Dy 0.5~6wt%, Tb 0.2~2wt%, Cu 0.1~0.5wt%, B 0.8~2wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다. Dy와 Tb는 그 성분의 합이 2~7wt%일 수 있다. 또한, Pr 5wt% 이하(0은 불포함)를 더 포함할 수 있다.

NdFeB 영구자석 제조방법은, 상기 NdFeB 영구자석 조성에서 별도로 마련되는 Tb분말의 성분을 제외한 나머지 성분으로 구성된 모합금을 미분쇄하는 분쇄단계; 모합금분말과 Tb분말을 함께 소결하는 소결단계; 및 소결된 자석을 열처리하는 열처리단계;를 포함한다.

Tb분말은 Tb를 포함하는 금속 또는 합금 또는 화합물 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.

분쇄단계에서는 모합금을 3~6㎛의 사이즈로 미분쇄할 수 있다.

소결단계는 1000~1100℃에서 3~5시간 수행할 수 있다.

소결단계는 10^-3~10^-2Pa의 진공분위기에서 수행할 수 있다.

열처리단계는 10^-5~5×10^-5Pa, 850~950℃ 분위기에서 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 NdFeB 영구자석 및 그 제조방법에 따르면, 고가의 Dy 원소 사용량을 줄임으로써 자석의 원가 절감 및 자기력 향상을 통해 기존보다 저가/고성능의 영구자석을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 NdFeB 영구자석 제조방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 NdFeB 영구자석 제조방법의 순서도로서, 본 발명에 따른 NdFeB 영구자석은, Nd 25~30wt%, Dy 0.5~6wt%, Tb 0.2~2wt%, Cu 0.1~0.5wt%, B 0.8~2wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다. Dy와 Tb는 그 성분의 합이 2~7wt%일 수 있다. 또한, Pr 5wt% 이하(0은 불포함)를 더 포함할 수 있다.

NdFeB 영구자석 제조방법은, 상기 NdFeB 영구자석 조성에서 별도로 마련되는 Tb분말의 성분을 제외한 나머지 성분으로 구성된 모합금을 미분쇄하는 분쇄단계; 모합금분말과 Tb분말을 함께 소결하는 소결단계; 및 소결된 자석을 열처리하는 열처리단계;를 포함한다. 그리고, Tb분말은 Tb를 포함하는 금속 또는 합금 또는 화합물 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.

한편, 분쇄단계에서는 모합금을 3~6㎛의 사이즈로 미분쇄할 수 있다. 소결단계는 1000~1100℃에서 3~5시간 수행할 수 있다. 소결단계는 10^-3~10^-2Pa의 진공분위기에서 수행할 수 있다. 열처리단계는 10^-5~5×10^-5Pa, 850~950℃ 분위기에서 수행할 수 있다. 열처리단계는 Ar을 소량 포함하는 진공 분위기에서 수행할 수 있다.

본 발명에서는 자석의 성형체와는 별도로 Tb 또는 Tb 화합물/합금을 넣되, 같은 그라파이트 재질의 밀폐된 상자에 배치시키게 된다. 그라파이트 상자로 인해 소결 공정시 상자 내부는 소결로보다 반단계 높은 진공도를 유지하게 되고(예를 들어 소결로 내부의 진공도가 10^-3Pa 일 경우 그라파이트 상자 내부의 진공도는 5×10^-2Pa 정도를 유지한다) 그로 인해 Tb는 증발이 되지 않고 보존되었다가 소결 공정 후 열처리 공정시 10^-5Pa의 분위기, 850~950℃에서 Tb를 증발시켜 자석에 증착되도록 유도한다.

증기압과 열처리 온도로 Tb의 증발 속도를 조절하며, 과잉 증발할 경우 Ar 가스를 소량 주입하여 진공도/온도를 조절하여 Tb의 증발/증착 속도를 조절한다. 열처리 온도는 Tb가 입계로만 확산될 수 있도록 특정 온도 이하로 유지해야 한다.

종래 기술의 자석은 보자력 30kOe 이상의 특성을 나타내기 위해서는 모합금에 Dy을 9~10wt% 사용해야만 했다. 본 발명은 모합금의 Dy 함량을 4~6wt% 대로 대폭 줄이고 소량의 Tb를 Grain boundary를 따라 확산시킴으로써 보자력을 6~10kOe 가량 향상시켜서 30kOe이상을 달성하였다.

또한, 고가의 Dy 원소 사용량을 10wt%에서 6wt%로 40% 가량 줄임으로써 자석의 재료비를 절감할 수 있었다. 게다가 Dy 원소는 보자력은 향상시켜주지만 자기력을 떨어트리기 때문에 Dy원소 사용량이 줄어듦에 따라 자기력은 5~8% 향상되었다.

본 발명의 실시예와 그에 대비하는 비교예의 조성을 기재하면 아래와 같다.

본 발명의 경우 Nd 25~30wt%, Dy 0.5~6wt%, Tb 0.2~2wt%, Cu 0.1~0.5wt%, B 0.8~2wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, Dy와 Tb는 그 성분의 합이 2~7wt%일 수 있다. 또한, Pr 5wt% 이하(0은 불포함)를 더 포함할 수도 있다.

이하, 상기 표의 비교예 및 실시예의 제조방법과 물성에 관하여 설명한다.

1) 비교예 1,2,3

비교예 1,2,3의 경우 순도 99 wt% 이상의 Nd, Dy, Fe, Cu 금속과 페로보론을 이용하여 진공 분위기 중에서 용해시킨 후, 구리 소재의 롤을 이용하여 스트립 캐스팅법에 의해 Nd₂₂Dy₉B₁Co_{0 .5}Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금 박판을 제조하였다. 합금 박판을 실온에서 0.11 MPa의 수소 가스에 노출시켜 수소와 반응시킨 후, 진공 배기를 행하면서 500 ℃까지 가열하여 부분적으로 수소를 방출시키고 냉각시킨 후에 고압 질소를 이용한 제트 밀에서 분말 평균 입도 5㎛로 미분쇄하였다. 이 미분말을 윤활제와 섞어 믹싱한 후 질소분위기에서 3T 자계 중에서 배향하면서 약 1ton/㎤의 압력으로 성형하였다. 이 성형체를 그라파이트 재질의 상자에 배치하고 진공 분위기의 소결로에 투입하여 1075℃에서 4시간 소결하고, 900℃, 700℃, 500℃에서 각각 1시간 열처리하여 자석 블럭을 제조하였다. 자석 블럭은 15×50×두께 6mm 치수로 절단, 연삭 가공 후 질산, 증류수에서 세정, 건조하였다. 이 자석을 M1(비교예 1)이라고 한다.

위와 동일한 방법으로, Nd₂₄Dy₇B₁Co_{0 .5}Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금 박판으로 소결체를 제조하였다. 소결공정까지 마친 자석에 평균 입도 5㎛인 TbF₃ 분말을 이소프로필알콜과 혼합하여 골고루 분산시킨 뒤 스프레이 방식으로 TbF₃ 분말이 1wt%가 되도록 도포한 뒤 즉시 열풍기로 건조시켰다. 건조시킨 자석을 Ar이 소량 포함된 진공 분위기의 열처리로에 투입하여 900℃에서 8시간 열처리를 실시하고 700℃, 500℃에서 각각 1시간 열처리 하였다. 이 자석을 D1(비교예 3)이라고 한다.

TbF₃ 분말을 도포하지 않고 동일한 열처리를 실시한 자석 M2(비교예 2)도 제조하였다.

비교예의 자석 M1, M2, D1의 자기특성의 경우 Br, iHc는 BH tracer로 측정했으며, 열감자율은 착자된 자석 M1을 200℃에서 2시간 열을 가한 후 flux meter로 측정한 flux 변화량으로 평가하였다. 화학조성 분석은 ICP와 XRF로 실시하였다. 종래의 방법으로 Tb가 확산된 자석 D1의 경우 M2에 비해 iHc는 5.35kOe 향상되었고, Br은 0.32kG 감소하였다. 따라서, 종래의 Tb가 확산 방법에 따르더라도 보자력은 향상됨을 알 수 있다.

2) 비교예 4, 실시예 1

Nd₂₅Dy₅B₁Co_{0 .5}Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금 박판을 제조하였다. 합금 박판을 실온에서 0.11 MPa의 수소 가스에 노출시켜 수소와 반응시킨 후, 진공 배기를 행하면서 500 ℃까지 가열하여 부분적으로 수소를 방출시키고, 냉각시킨 후에 고압 질소를 이용한 제트 밀에서 분말 평균 입도 5㎛로 미분쇄 하였다. 이 미분말을 윤활제와 섞어 믹싱한 후 질소분위기하 3T 자계 중에서 배향하면서 약 1ton/㎤의 압력으로 성형하였다. 그라파이트 재질의 상자에 평균입도 4㎛인 Tb-Cu 분말을 일정 공간에 배치하고 다른 공간에 성형체를 배치하였다. 그라파이트 재질의 두껑으로 상자를 밀폐시키고 소결로에 투입하여 1075℃, 10^-3Pa의 진공 분위기에서 4시간 소결하였다. 소결 공정이 끝난 후 Tb-Cu 분말을 증발 시키기 위해 1×10^-5~5×10^-5Pa의 진공 분위기, 900~950℃에서 열처리를 실시하였다. Tb의 증발 속도를 조절하기 위해 소량의 Ar을 주입하여 온도 및 진공도를 컨트롤하며 24시간 열처리를 실시한 후 700℃, 500℃에서 각각 1시간 열처리하였다. 이 자석을 A1(실시예 1)이라고 한다.

그라파이트 상자에 Tb-Cu를 넣지 않은 자석도 제조하였고, 이를 B1(비교예 4)이라고 한다. 자석 B1과 A1을 BH tracer로 자기특성 측정하였고, 그 결과를 상기 표에 나타내었다.

Nd₂₅Dy_{1 .3}B₁Co_0.5Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금으로 비교예 4와 동일한 조건으로 자석을 제조하고 이를 M3(비교예 5)라고 한다. 자기특성 및 화학조성 결과를 상기 표에 표시하였다. 본 발명의 실시예 1인 A1과 비교예 4인 B1을 비교시, Tb가 확산됨에 따라 보자력이 10.39kOe 향상되었으며 잔류자속밀도는 0.04kG가 저하되어 전류자속밀도에서는 거의 차이가 없는 것을 알 수 있었다.

일반적인 NdFeB 제조 공법으로 제조된 M3(비교예 5)와 실시예 1의 A1을 비교시 잔류자속밀도 차이는 0.09kG, 보자력은 1.43kOe로 거의 동등 수준이지만 사용된 중희토류 함량은 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. Tb는 Dy에 비해 보자력이 2배 가량 높지만 가격도 2배 가량 비싸다. 따라서 Tb 함량을 Dy 함량으로 환산하게 되면 비교예 5의 M3는 Dy 9.7wt%에 준하는 중희토류를 사용했으며 실시예 1DML A1은 Dy 6.6wt%에 준하는 중희토류를 사용했기 때문에 Dy 사용량 30% 저감 효과가 있는 것을 알 수 있다.

3) 실시예 2, 비교예 6

Nd_{27 .5}Pr_{0 .5}Dy_{1 .9}B₁Co_0.5Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금 박판으로 성형체를 제조하였다. 그라파이트 상자에 평균입도 4㎛인 Tb-Cu 분말을 일정 공간에 배치하고 다른 공간에 성형체를 배치하였다. 그라파이트 재질의 두껑으로 상자를 밀폐시키고 소결로에 투입하여 1075℃, 10^-3Pa의 진공 분위기에서 4시간 소결하였다. 소결 공정이 끝난 후 Tb-Cu 분말을 증발 시키기 위해 1×10^-5~5×10^-5Pa의 진공 분위기 및 900~950℃에서 Tb의 증발 속도를 조절하지 않고 10시간 열처리를 실시하였다. 확산을 위한 열처리를 실시한 후 700℃, 500℃에서 각각 1시간 열처리 하였다. 이 자석을 A2(실시예 2)라고 한다. 반면, Tb-Cu 분말을 넣지 않고 제조한 자석은 B2(비교예 6)라고 한다.

4) 비교예 7

Nd_{26 .5}Tb_{4 .5}B₁Co_0.5Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금으로, 비교예 6(B2)과 동일한 조건으로 자석을 제조하며 자석 M4(비교예 7)라고 한다. 자석 B2(비교예 6), A2(실시예 2), M4(비교예 7)의 자기특성 측정 결과 및 화학조성을 상기 표에 나타내었다.

본 발명의 실시예 2의 A2는 비교예 6 B2에 비해 보자력이 8.02kOe 향상되었으며 잔류자속밀도는 0.12kG 감소하는 결과를 보였다. 비교예 7인 M4와 비교시 보자력은 동등 수준이나, 잔류자속밀도가 0.41kG 높고 중희토류 사용량도 획기적으로 적음을 알 수 있다. Tb함량을 Dy함량으로 환산시 실시예인 A2는 비교예인 M4에 비해 Dy 사용량이 약 60%나 적은 것을 알 수 있다.

5) 비교예 8, 9, 10

Nd₂₅Dy_{1 .3}Tb_{4 .2}B₁Co_0.5Cu_{0 .15}Al_{0 .25}Ga_{0 .15}Fe_bal(wt%) 조성의 합금 박판으로 자석 성형체를 제조하였다. DyF₃ 분말을 성형체에 1wt% 도포하고 그라파이트 플레이트에 배치하여 각각 진공 분위기 1050℃, 1060℃, 1070℃에서 소결하였다. 소결 후 Ar이 소량 포함된 진공 분위기의 열처리로에 투입하여 900℃에서 8시간 열처리를 실시하고 700℃, 500℃에서 각각 1시간 열처리 하였다. 이를 각각 D2(비교예 8), D3(비교예 9), D4(비교예 10)이라고 한다.

비교예 8, 9, 10의 D2, D3, D4의 자기특성 측정 결과 및 화학조성을 상기 표에 나타내었다. 동일 합금으로 입계확산 물질인 DyF₃를 도포하지 않은 비교예 5의 M3 자석도 함께 비교하였다.

측정 결과, 낮은 온도(1050℃, 1060℃)에서 소결 및 확산처리를 실시한 비교예 D2 및 D3는 낮은 소결 온도로 인해 낮은 수치의 잔류자속밀도와 보자력을 나타내었다. 1070℃의 소결을 거친 비교예 D4 자석은 M3 자석과 유사한 수준의 자기특성을 나타내며 보자력은 0.24kOe 높으나 오차 수준에 불과하였다. EPMA 분석을 통해 Dy 원소를 맵핑한 결과 입계로의 확산보다 입자 내로의 확산이 발생하여 입계확산의 효과가 없었던 것으로 판단되며, 낮은 소결 온도로 인해 소결화가 미흡하여 특성이 저하된 것으로 판단된다.

각 자석에서 Dy와 Tb의 분포형상을 보기 위해 EPMA 장비로 맵핑한 결과과, 비교예 D1은 Dy를 확산했기 때문에 Grain boundary에 Dy의 분포가 많은 것을 볼 수 있었다. 본 발명의 실시예인 A2는 Tb를 확산하였으며 역시 Grain boundary에 Tb가 집중 분포되어 있는 것을 볼 수 있었다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 NdFeB 영구자석 및 그 제조방법에 따르면, 고가의 Dy 원소 사용량을 줄임으로써 자석의 원가 절감 및 자기력 향상을 통해 기존보다 저가/고성능의 영구자석을 구현할 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S100 : 분쇄단계 S200 : 소결단계
S300 : 열처리단계

Claims (9)

1. Nd 25~30wt%, Dy 0.5~6wt%, Tb 0.2~2wt%, Cu 0.1~0.5wt%, B 0.8~2wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 NdFeB 영구자석.
2. 청구항 1에 있어서,
   Dy와 Tb는 그 성분의 합이 2~7wt%인 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석.
3. 청구항 1에 있어서,
   Pr 5wt% 이하(0은 불포함)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석.
4. 청구항 1의 NdFeB 영구자석 조성에서 별도로 마련되는 Tb분말의 성분을 제외한 나머지 성분으로 구성된 모합금을 미분쇄하는 분쇄단계;
   모합금분말과 Tb분말을 함께 소결하는 소결단계; 및
   소결된 자석을 열처리하는 열처리단계;를 포함하는 NdFeB 영구자석 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   Tb분말은 Tb를 포함하는 금속 또는 합금 또는 화합물 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석 제조방법.
6. 청구항 4에 있어서,
   분쇄단계에서는 모합금을 3~6㎛의 사이즈로 미분쇄하는 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석 제조방법.
7. 청구항 4에 있어서,
   소결단계는 1000~1100℃에서 3~5시간 수행되는 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석 제조방법.
8. 청구항 4에 있어서,
   소결단계는 10^-3~10^-2Pa의 진공분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석 제조방법.
9. 청구항 4에 있어서,
   열처리단계는 10^-5~5×10^-5Pa, 850~950℃ 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 NdFeB 영구자석 제조방법.

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