KR20190042371A - 자석 분말 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계 및 상기 분말을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정하는 단계를 포함한다.

Description

자석 분말 및 이의 제조 방법{Magnet powder and method for preparation thereof}
본 발명은 자석 분말 및 이의 제조 방법에 대한 것이다. 보다 구체적으로, NdFeB계 합금 분말의 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 NdFeB계 합금 분말에 대한 것이다.
NdFeB계 자석은 희토류 원소인 네오디뮴(Nd) 및 철, 붕소(B)의 화합물인 Nd2Fe14B의 조성을 갖는 영구자석으로서, 1983년 개발된 이후에 30년 동안 범용 영구자석으로 사용되어 왔다. 이러한 NdFeB계 자석은 전자 정보, 자동차 공업, 의료 기기, 에너지, 교통 등 여러 분야에서 쓰인다. 특히 최근 경량, 소형화 추세에 맞춰서 공작 기기, 전자 정보기기, 가전용 전자 제품, 휴대 전화, 로봇용 모터, 풍력 발전기, 자동차용 소형 모터 및 구동 모터 등의 제품에 사용되고 있다.
NdFeB계 자석의 일반적인 제조는 금속 분말 야금법에 기초한 스트립(Strip)/몰드캐스팅(mold casting) 또는 멜트 스피닝(melt spinning)방법이 알려져 있다. 먼저, 스트립(Strip)/몰드캐스팅(mold casting) 방법의 경우, 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B) 등의 금속을 가열을 통해 용융시켜 잉곳을 제조하고, 결정립 입자를 조분쇄하고, 미세화 공정을 통해 마이크로 입자를 제조하는 공정이다. 이를 반복하여, 분말을 수득하고, 자기장하에서 프레싱(pressing) 및 소결(sintering) 과정을 거쳐 비등방성 소결 자석을 제조하게 된다.
또한, 멜트 스피닝(melt spinning) 방법은 금속 원소들을 용융시킨 후, 빠른 속도로 회전하는 휠(wheel)에 부어서 급냉하고, 제트 밀링 분쇄 후, 고분자로 블렌딩 하여 본드 자석으로 형성하거나, 프레싱 하여 자석으로 제조한다.
그러나, 이러한 방법들은 모두 분쇄 과정이 필수적으로 요구되며, 분쇄 과정에서 시간이 오래 소요되고, 분쇄 후 분말의 표면을 코팅하는 공정이 요구되는 문제점이 있다.
최근 자석 분말을 칼슘 환원-확산 방법으로 제조하는 방법이 주목되고 있다. 그러나 이러한 방법으로 제조하는 경우 NdFeB계 분말 입자의 산화칼슘(CaO)이 남아있게 되고, 이를 효과적으로 제거하는 방법이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 환원-확산 방법으로 제조한 분말을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정하여, 간단하게 자석 분말로부터 CaO를 제거할 수 있는 자석 분말의 제조 방법 및 이러한 방법으로 처리된 자석 분말 입자를 제공하고자 한다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계, 상기 분말을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정하는 단계를 포함한다.
상기 극성 비수계 유기용매는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 가용성 염은 NH4NO3, NH4Cl, NH4OAc, LiNO3, NaNO3, 및 KNO3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계는, 산화네오디뮴, 붕소, 철을 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 2차 혼합물을 800°C 내지 1100°C의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계에서, 일부 칼슘은 불화물의 형태로 혼합될 수 있다.
상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계에서, 마그네슘이 더 포함될 수 있다.
상기 분말을 세정하는 단계에서 CaO가 제거될 수 있다.
상기 분말을 세정하는 단계는 2회 이상 반복될 수 있다.
상기 분말을 세정하는 단계는 수계 용매를 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말은, 가용성 염이 용해된 비수계 용매를 이용하여 세정되어 CaO가 제거될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 세정 방법은 환원-확산 방법으로 제조한 분말을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정하여, 간단하게 자석 분말로부터 CaO를 제거할 수 있고 세정 과정에서 제조된 분말의 산화를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 세정된 자석 분말의 XRD 패턴을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따라 세정된 자석 분말의 XRD 패턴을 도시한 것이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은, Nd2Fe14B 자석 분말의 제조방법일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은 Nd2Fe14B계 합금 분말의 제조 방법일 수 있다. Nd2Fe14B 합금 분말은 영구자석으로 네오디뮴 자석이라고 지칭하기도 한다. 이제 본 발명의 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계, 상기 분말을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정하는 단계를 포함한다.
칼슘 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계는, 산화네오디뮴, 붕소, 철을 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계, 상기 2차 혼합물을 800°C 내지 1100°C의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 제조 방법은 산화네오디뮴, 붕소, 철과 같은 원재료를 혼합하고, 800°C 내지 1100°C의 온도에서 원재료들의 환원 및 확산에 의해 Nd2Fe14B 합금 분말을 형성한다. 이 단계에서, 합금 분말의 크기가 수 마이크로미터 단위로 형성되기 때문에, 별도의 분쇄 공정이 필요하지 않다. 보다 구체적으로, 본 실시예에서 제조되는 자석 분말의 크기는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있다. 특히, 원재료로 사용되는 철 분말의 크기를 조절하여 제조되는 합금 분말의 크기를 조절할 수 있다.
다만, 이러한 칼슘 환원-확산 방법으로 자석 분말을 제조하는 경우 상기 제조 과정에서 생성되는 부산물인 산화 칼슘이 형성되며, 이를 제거하는 공정이 요구된다.
본 기재의 일 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은, 칼슘 환원-확산 방법에 의하여 제조된 NdFeB계 분말을 가용성 염이 용해된 극성을 가진 비수계 유기용매를 이용하여 세정하고, 이러한 방법으로 NdFeB계 분말에서 CaO를 제거한다.
기존에는 CaO의 제거를 위하여, 증류수 또는 염기성 수용액 등을 이용하여 세정하였다. 그러나 이러한 세정 과정에서 제조된 자석 분말 입자가 수용액 내의 산소에 노출되고, 수용액 내에 잔존하는 산소에 의해 제조된 자석 분말 입자의 표면 산화가 이루어지는 문제점이 있다.
또한, 유기산 수용액을 사용하여 CaO를 제거하는 경우, 이러한 과정에서 pH가 산성으로 변화되고, 생성된 주상 입자의 표면이 부식될 가능성이 있다. 즉, CaO를 제거하기 위해 유기산 수용액을 사용하는 과정에서 제조된 분말 내에 포함된 Nd 및 Fe가 손실될 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은 기존의 수계 세정공정을 회피하여, 가용성 염을 극성 비수계 유기용매에 녹여 환원 부산물과 효율적으로 반응하게 유도함으로써, 분말입자를 물에 접촉하지 않고 세정을 진행할 수 있다. 따라서 제조된 자석 분말 입자의 산화를 예방할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법은 극성 비수계 유기용매 내에서 가용성 염과 환원 부산물의 반응을 유도함으로써 수계 세정법보다 간편하며, Ca를 효과적으로 제거할 수 있다.
이때, 가용성 염이 용해되는 극성 비수계 유기용매는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
또한, 상기 가용성 염은 암모늄 염일 수 있다. 구체적으로, 상기 가용성 염은 NH4NO3, NH4Cl, NH4OAc, LiNO3, NaNO3, 및 KNO3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 세정 과정에서, Ca의 제거는 하기 반응식 1 또는 2와 같은 반응으로 이루어질 수 있다.
[반응식 1]
CaO + 2NH4NO3 → Ca(NO3)2 + 2NH3 (gas) + H2O
[반응식 2]
CaO + 2NH4Cl → CaCl2 + 2NH3 (gas) + H2O
이러한 세정은 2회 이상 반복될 수 있다.
그러면 이하에서 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 분말의 제조 방법에 대하여 설명한다.
실시예 1: NH 4 NO 3 이용하여 세정
Nd-2O3 3.2679g, B 0.1000 g, Fe 7.2316 g, Ca 1.75159 g를 금속 불화물(CaF2, CuF2) 및 Mg 0.1376g과 균일하게 혼합한다. 금속 불화물은 입자의 입도 및 크기를 제어한다.
혼합물을 임의의 모양의 틀에 담아 탭핑(tapping) 한 후 혼합물을 불활성 가스(Ar, He) 분위기에서 950°C 에서 30분 내지 6시간 동안 튜브 전기로 안에서 반응시킨다. 반응이 종료된 후 성형물을 H2 gas 분위기에서 수소 흡장을 하여 입자분리를 유도시킨 후 모르타르로 갈아 분말로 만든다. 다음, 환원 부산물인 Ca, CaO를 제거하기 위해 세정과정을 진행한다. NH4NO3 6.5g 내지 7.0g를 합성된 분말과 균일하게 섞어준 뒤 ~200ml의 Methanol 에 담가 효과적인 세정을 위해 균질기(homogenizer) 및 초음파 세정(ultra sonic)을 번갈아 1회 혹은 2회 반복 진행한다. 다음, 같은 양의 메탄올로 잔류 CaO와 NH4NO3의 반응 산물인 Ca(NO)3를 제거해주기 위해 맑은 메탄올을 얻을 수 있을 때까지 2회 정도 반복한다. 마지막으로 아세톤으로 헹군 후 진공 건조를 하여 세정을 마무리하고 단일상 Nd2Fe14B 분말입자를 얻는다. 이렇게 세정된 Nd2Fe14B 분말입자의 XRD 패턴을 도 1에 나타내었다.
실시예 2: NH- 4 Cl을 이용하여 세정
실시예 1에서 제시된 방법으로 분말입자를 합성 후 수소흡장을 진행하고 모르타르로 곱게 갈아준 후 세정과정을 진행한다. NH4Cl ~5g 을 합성된 분말과 균일하게 섞어 준 뒤 에탄올 또는 메탄올에 담가 균질기를 이용하여 빠르게 반응시켜준다. 실시예 1에서 제시된 방법과 같이 세정을 반복하고 아세톤으로 헹군 후 진공 건조하여 단일 상 Nd2Fe14B 분말입자를 얻는다. 이렇게 세정된 Nd2Fe14B 분말입자의 XRD 패턴을 도 2에서 나타내었다.
상기 실시예 1 및 실시예 2의 세정 전 후의 ICP 함량과, ONH 함량을 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
ICP 함량 [wt%]
시료명 Nd Fe B Ca Mg
세정 전 22.7 59.2 1.00 12.0 0.21
NH4NO3 26.1 71.7 1.16 <0.01 0.14
NH4Cl 26.2 71.4 1.16 <0.01 0.15
O, N, H 함량 [wt %]
시료명 O N H
세정 전 7.45 4.47 0.338
NH4NO3 0.487 0.039 0.025
NH4Cl 0.795 0.222 0.061
상기 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 세정 전후에 Ca의 함량이 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다. 또한, 표 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 세정 전후에 O의 함량이 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 기재에 따른 자석 분말의 제조 방법은 CaO 부산물을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정함으로써, 물에 포함된 산소에 의한 자석 분말의 산화를 막고, CaO를 효과적으로 제거할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계;
    상기 분말을 가용성 염이 용해된 극성 비수계 유기용매를 이용하여 세정하는 단계를 포함하는 자석 분말의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 극성 비수계 유기용매는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 자석 분말의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 가용성 염은 NH4NO3, NH4Cl, NH4OAc, LiNO3, NaNO3, 및 KNO3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 자석 분말의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 환원-확산 방법으로 NdFeB계 분말을 제조하는 단계는,
    산화네오디뮴, 붕소, 철을 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 2차 혼합물을 800°C 내지 1100°C의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 자석 분말의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계에서,
    일부 칼슘은 불화물의 형태로 혼합되는 자석 분말의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 1차 혼합물에 칼슘을 첨가 및 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계에서,
    마그네슘이 더 포함되는 자석 분말의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 분말을 세정하는 단계에서 CaO가 제거된 자석 분말의 제조 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 분말을 세정하는 단계는 2회 이상 반복되는 자석 분말의 제조 방법.
  9. 제1항에서
    상기 분말을 세정하는 단계는 수계 용매를 사용하지 않는 자석 분말의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 세정된 NdFeB계 자석 분말.
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