KR20230006556A

KR20230006556A - NdFeB 자석 및 이의 제조 방법 및 응용

Info

Publication number: KR20230006556A
Application number: KR1020227042249A
Authority: KR
Inventors: 빙치앙 시; 레이 리우; 단 마; 윤팅 수
Original assignee: 얀타이 정하이 마그네틱 머티리얼 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2023-01-10
Also published as: CN111653404A; WO2021238867A1; EP4156209A4; US20230207165A1; JP7443570B2; JP2023527854A; CN111653404B; EP4156209A1

Abstract

NdFeB 자석 및 이의 제조 방법 및 응용으로서, 상기 NdFeB 자석은 화학식 R1-R2-Fe-M-B로 표시되고, 상기 NdFeB 자석은 고보자력 영역 및 높은 잔류 자기 영역의 복합 구조를 구비하며; 여기서, R1은 적어도 Nd를 함유하는 희토류 원소이고, R2는 적어도 Dy 및/또는 Tb를 함유하는 중희토류 원소이며, M은 적어도 Co를 함유하는 전이 금속 원소이다. 상기 자석은 소량의 Dy/Tb를 사용할 수 있어, 자석의 자기소거에 대한 고온 내성을 크게 향상하고, 자석 자속의 감소를 억제하며, 임베디드 고속 모터에 적용될 수 있다. 상기 자석을 제조하는 방법은 재료 이용률 및 생산 효율을 크게 향상할 수도 있고, 대량 생산이 가능하다.

Description

NdFeB 자석 및 이의 제조 방법 및 응용

본 발명은 2020년 5월 27일 제출된 출원번호가 202010464304.9이고 발명의 명칭이 “NdFeB 자석 및 이의 제조 방법 및 응용”인 중국특허출원의 우선권을 주장하는 바, 그 모든 내용은 참조로서 본 발명에 인용된다.

본 발명은 NdFeB 자석 분야에 속하는 것으로, 구체적으로는 NdFeB 자석 및 이의 제조 방법 및 응용에 관한 것이다.

소결 NdFeB 자석은 제4대 영구자석 재료로서, 우수한 자성으로 인해 “자석 왕”으로 불리며, 자동차, 풍력발전, 압축기, 엘리베이터 , 및 산업 자동화 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.

고속 모터 작동 시, 권선 및 철심에서 발생하는 열량으로 인해, 모터 중의 소결 NdFeB 자석이 고온 환경에 노출되고, 권선으로부터의 역방향 자기장의 작용으로 인해 열 자기소거가 용이하게 발생한다. 이를 위해서는 고속 모터용 NdFeB 자석이 일정한 보자력을 구비하여 충분한 열 자기소거 내성을 제공함으로써, 자석이 고온에서도 안정적으로 자기장을 출력할 수 있도록 보장하고, 모터의 전력 출력을 확보해야 한다.

종래의 기술에서, 자석의 보자력을 향상하기 위해, 흔히 NdFeB 자석에 Dy(디스프로슘) 및/또는 Tb(테르븀) 등 중희토류 원소를 첨가하여 자석의 이방성을 향상함으로써, 자석의 보자력을 향상하는 목적을 달성한다. 그러나 Nd(네오디뮴) 대신 Dy 및/또는 Tb를 첨가함으로써, Dy-Fe-B 또는 Tb-Fe-B가 형성되고, 양자의 자기 분극 강도가 Nd-Fe-B보다 현저하게 낮아, 자석의 잔류 자기가 감소되며, 즉, 최종적으로 자석이 제공할 수 있는 자기장 강도가 감소되어, 모터 전력이 감소되거나 모터 중 자석강의 사용량을 증가하여 모터의 전력 출력을 보장해야 한다. 동시에, 중희토류는 매장량 및 우수한 특성으로 인해, 매우 고가이며, 자석의 원가도 중희토류의 사용량이 증가함에 따라 크게 향상된다.

최근 몇 년 동안, 중희토류의 사용량을 줄이고, 자석의 보자력 지수를 향상시키는 것은 많은 학자들의 연구 이슈 중 하나가 되었다. 그 중, 미세입자 기술 및 확산 기술은 현재 공인된 가장 효과적인 두 가지 방법이다. 미세입자 기술은 결정립의 크기를 줄이고, 가능한 단일 도메인 결정을 형성하며, 단일 자석 결정립 내부의 자구 수를 줄이고, 결정립 내부 결함을 감소하여, 자석 보자력 향상의 목적을 달성한다. 그러나 미세입자 기술을 통해 획득되는 보자력 향상 효과는 제한적이고, 결정립 크기가 감소함에 따라, 자석 산화 활성이 불가피하게 증가되고, 결정립 크기가 감소되어 자화가 어려운 문제를 초래하는 데 이는, 현재의 장비 툴링의 정확성 및 신뢰성에 대해 더 엄격한 요구를 제기하여, 산업화 대량 생산이 매우 어려워진다. 확산 기술은 Dy 및/또는 Tb 등 중희토류 원소를 정밀하게 투입하여, 자석 표면에서 자석 내부로 확산되도록 하며, 입계에서 농축되어, 자석의 보자력을 향상한다.

입계 확산 기술은 소량의 중희토류를 사용할 수 있기에, 보자력이 크게 향상되도록 하며, 잔류 자기가 현저하게 감소하지 않아, 업계 내의 보편적인 인정을 받고 응용되고 있다. 입계 확산 기술은, NdFeB 산업의 고전적인 확산 이론을 혁신적으로 발전시킨 것으로, 그 주요 원리는, 고온 조건에서, Dy 및/또는 Tb 등 중희토류 원소가 입계상을 따라, 자석 표면에서 자석 중심으로 확산되고, 입계상에 농축되어 존재하며, 주상 결정립 외연층의 Nd를 대체하고, 주상 결정립의 외연에 한 층의 Dy 또는 Tb가 농축된 쉘형 구조를 형성하여, 결정립 외연에서 이방성 장을 향상함으로써, 보자력을 크게 향상시키는 효과를 달성한다. 입계 확산 기술은, 그 확산 추동력이 Dy 및/또는 Tb의 농도차이기 때문에, 자석 내부 깊숙이 침투한 후 자석 표면에서 내부로 Dy 및/또는 Tb의 농도차가 형성되어, 이의 Hcj가 자석의 표면에서 내부로 구배 분포의 현상을 나타내는 것을 초래한다.

자동차 구동 모터용 자석강 또는 에어컨 압축기 모터용 자석강과 같은 고속 작동 모터 임베디드 조립된 자석강은, 실제 운용 과정에서 전체 모터의 온도 상승으로 인한 열 자기소거는 전체적으로 균일하게 발생하는 것이 아니라 모서리 부분, 특히 모터 실리콘 스틸 시트와 접하는 네 모서리에서 자주 발생한다. 그러나 자석의 다른 영역은 오히려 자기소거가 쉽게 발생하지 않는다. 입계 확산 기술은 독특한 Hcj의 분포 법칙으로 인해, 고속 작동되는 임베디드 조립 모터에서 보편적인 인정을 받고 응용되고 있다.

문헌 《Anisotropic diffusion mechanism in grain boundary diffusion processed Nd-Fe-B sintered magnet》에 기재된 바에 따르면, NdFeB 자석이 상이한 방향으로 확산 처리되어 그 확산 효과가 일치하지 않고, 여기서, 자화 방향을 따라 확산되는 것이 가장 효과적이며, 확산 재료가 더 깊은 자석 내부로 확산될 수 있고; 비자화 방향의 경우, 확산 재료의 확산 깊이가 제한되며, 주로 재료의 표층 위치에 집중된다. 이에 따라 자석이 자화 방향으로 확산되는 것을 결정하였고, Hcj가 크게 증가하는 동시에, Br의 감소폭도 조금 크다. 비자화 방향으로 확산될 경우, 대부분의 확산 재료가 자석의 표층 위치에 집중되어 있으므로, 자석 내부 구조가 불균일하고, 직각도가 좋지 않아, 자석의 자기소거에 대한 내성에 영향을 미친다.

일반적으로, 업계의 대부분의 기업이나 학자들은 자화 방향의 확산을 연구하거나, 자석의 6개 면을 모두 확산시켜, 적어도 자화 방향으로의 확산을 보장함으로써 최상의 확산 효과를 얻어 Hcj를 크게 향상시킨다.

특허 문헌 CN 101939804A에 따르면, 자석의 표면에 자화 방향에 평행되는 4개 면을 코팅하면, 자석은 비교적 고보자력을 획득할 수 있고, 특히 자석의 가장자리에서, 고온에서도 쉽게 자기소거되지 않으므로, 영구자석 회전 모터에 적용된다는 것을 기재하였다. 상기 특허 문헌은 모터의 실제 작동 상태와 확산 자석의 특수 법칙을 효과적으로 결합하여, 자석 자기소거에 대한 내성을 보장하는 기초상에서, 자석의 자속을 효과적으로 유지한다. 그러나, 자석의 자화 방향에 평행되는 4개의 표면에 확산 재료를 코팅하면, 자석의 내부 구조가 불균일하고, 직각도가 떨어지는 문제는 여전히 해결되지 않으며, 자기소거에 대한 내성은 향상되었으나 향상에는 한계가 있다. 자화 방향에 평행되는 4개 면의 코팅에 있어서, 침지법을 사용할 경우, 자화 방향에 수직되는 두 개의 대향하는 면을 차단해야 하고, 중력 작용으로 인해 자석 표면에 확산 재료가 불균일하게 분포된다. 마그네트론 스퍼터링을 사용하면 4개 면에 모두 확산 재료를 부착하기 위해 여러 번의 처리가 필요하므로, 생산 효율이 낮고, 대량 생산 원가가 높다.

본 발명은 상기 기술적 과제 및 실제 대량 생산의 어려운 점을 개선하기 위해, NdFeB 자석 및 이의 제조 방법 및 응용을 제공한다.

NdFeB 자석으로서, 화학식 R1-R2-Fe-M-B로 표시되고, 상기 NdFeB 자석은 고보자력 영역 및 높은 잔류 자기 영역의 복합 구조를 구비하며;

상기 화학식에서, R1은 적어도 Nd를 함유하는 희토류 원소이고, R2는 적어도 Dy 및/또는 Tb를 함유하는 중희토류 원소이며, M은 적어도 Co를 함유하는 전이 금속 원소이다.

바람직하게, 상기 NdFeB 자석에서 R2의 함량은 ≤1.0 wt%이고, 예를 들면 ≤0.8 wt%이며, 바람직하게는 ≤0.5 wt%이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 NdFeB 자석은 R2 함량이 높은 고보자력 영역 및 R2 함량이 낮은 높은 잔류 자기 영역을 구비한다. 예를 들어, 상기 고보자력 영역 및 높은 잔류 자기 영역의 분포는 기본적으로 도 1에 도시된 바와 같다.

여기서, 상기 높은 잔류 자기 영역의 표층과 자석 내부 약 1 mm 위치의 R2 농도차는 △1≤0.1%이고,

여기서, 상기 고보자력 영역의 표층과 상기 NdFeB 자석 내부 약 1 mm 위치의 R2 농도차는 △2≥0.15%이다.

여기서, 상기 △2/△1≥1.5이고, 바람직하게는 △2/△1≥2이며, 예시적으로는 △2/△1=5.5, 6.33, 7.4이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 고보자력 영역의 폭은 1-5mm이고, 바람직하게는 1.5-4mm이며, 중심 영역은 높은 잔류 자기 영역을 구비하여, 자석 자속의 감소를 효과적으로 방지할 수 있다. 여기서, 상기 고보자력 영역은 표층으로부터 자석 내부까지 연장되는 것으로 정의되고, R2의 농도차가 1%일 경우, 즉 고보자력 영역의 폭이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 NdFeB 자석은 기본적으로 도 1에 도시되는 바와 같은 구조를 구비한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 R1은 Nd 원소를 제외하고도, 란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu) 및 스칸듐(Sc) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, NdFeB 자석에서 상기 R1의 함량은 28-32 wt%이고, 예를 들면 29-31 wt%이며, 예시적으로는 28 wt%, 29 wt%, 30 wt%, 31 wt%, 32 wt%이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 R2는 Dy 및/또는 Tb원소를 제외하고도, 가돌리늄(Gd), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 M은 Co를 제외하고도, Cu, Ga, Zr, Ti, Al, Mn, Zn 및 W 등 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있고; 예를 들어, M은 Co, Al, Cu 및 Ga 중 적어도 하나로부터 선택된다.

본 발명의 실시형태에 따르면, NdFeB 자석에서 상기 Co의 함량은 1-3 wt%이고, 예를 들면 1.5-2.5 wt%이며, 예시적으로는 1 wt%, 1.5 wt%, 2 wt%, 2.5 wt%, 3 wt%이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, NdFeB 자석에서 Co를 제외한 M의 나머지 전이 금속 원소의 함량은 ≤2 wt%이고, 예를 들면 ≤1.5 wt%, 또는 ≤1 wt%이며, 예시적으로는 0.1 wt%, 0.15 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%, 0.35 wt%, 0.4 wt%, 0.5 wt%, 0.6 wt%, 0.7 wt%, 0.8 wt%, 0.9 wt%, 1.0 wt%이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, NdFeB 자석에서 상기 B의 함량은 0.5-1.3 wt%이고, 예를 들면 0.8-1.05 wt%이며, 예시적으로는 0.8 wt%, 0.9 wt%, 0.98 wt%, 1.0 wt%, 1.05 wt%이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 NdFeB 자석에는 C, N 중 적어도 하나와 같은 불가피한 불순물이 더 포함된다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 NdFeB 자석은 우수한 자기소거에 대한 내성을 구비한다. 예를 들어, 자석강의 작동 온도에서, NdFeB 자석의 직각도는 ≥0.9이다. 자석의 자기소거에 대한 내성은, 주로 자석 자체의 자기소거에 대한 내성 및 모터의 작동 부하점에 따라 결정된다. 작동 온도에서 자석의 직각도는, 자석의 자체 자기소거에 대한 내성과 모터 작동 부하점의 매칭 관계를 결정하고, 직각도가 높을 수록, 자석 자체의 자기소거에 대한 내성이 더 높고, 모터 작동 부하점의 영향을 적게 받는다.

본 발명은,

R1-Fe-M-B 기반 구조의 베이스 자석을 제조 또는 준비하여, 적어도 Dy 및/또는 Tb를 함유하는 중희토류 원소 R2가 상기 베이스 자석 표면의 두 개의 대향하는 면에 막을 형성하도록 한 다음, 확산 처리를 수행하여, R2 원소가 베이스 자석 입계를 따라 자석 표면에서 내부로 확산되고, 입계에서 농축되어, 상기 NdFeB 자석을 얻는 단계를 포함하되;

여기서, 상기 R1, R2, M 및 B는 모두 위와 같은 의미와 함량을 갖는 상기 NdFeB 자석의 제조 방법을 더 제공한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 베이스 자석은 본 분야에 공지된 방법을 사용하여 제조될 수 있고, 예를 들면 제련, 제분, 압착 및 열처리 등 단계를 통해 제조될 수 있다.

예를 들어, 위와 같은 각 원소 함량에 따라 원료 분말을 준비하고, 원료 분말을 가열하여(예를 들면 1400-1520 ℃) 용강으로 용화하며, 급속 냉각한 후, 핵을 형성하고, 결정화하며, 점차 성장하여 합금 플레이크를 형성한다.

예를 들어, 상기 제분은 제트 밀 분쇄 방식을 사용하여, 평균 입경이 1-5 μm, 바람직하게는 2-4 μm인 제트 밀 분말을 얻는다.

예를 들어, 압착 전에, 상기 제트 밀 분말에 본 분야에 공지된 윤활제를 첨가하고, 충분히 혼합한 후, 외부 자기장의 작용하에, 분말을 압착한다.

예를 들어, 상기 열처리의 온도는 1050-1100 ℃이고, 예시적으로는 1070 ℃, 1075 ℃이며; 상기 열처리의 보온 시간은 200-400 min이고, 예시적으로는 270 min, 300 min이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 베이스 자석은 규칙적인 육면체이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 두 개의 대향하는 면은 베이스 자석의 자기 방향에 수직되지 않고 베이스 자석 형성 시 압착 방향(즉 자화 방향)에 수직되지 않는 두 개의 대향하는 면이다. 구체적으로는 도 2에 도시된 바와 같다. R2 원소는 이 두 개의 대향하는 면에서 막을 형성하고, 확산 중희토류 원소의 유효 사용률을 더 효과적으로 향상하여, 중희토류 원소의 낭비를 방지할 수 있으며, 자석 잔류 자기 감소의 영향을 최소화 할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 R2 원소가 베이스 자석 표면에 막을 형성하는 방식은 본 분야에 공지된 방식을 선택할 수 있고, 진공증착법, 마그네트론 스퍼터링, 코팅 등 방법을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 베이스 자석의 두 개의 대향하는 면에, 동일한 양의 R2 원소를 진공증착, 마그네트론 스퍼터링 또는 코팅한다. 예시적으로, 각각의 면에서, R2 원소의 사용량은 ≤0.5 wt%이고, 예를 들면 0.4 wt%, 0.2 wt%이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 확산 처리의 진공도는 ＜10^-2Pa이다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 확산 처리를 수행할 경우 먼저 1차 가열 후 보온을 수행한 다음 급속 냉각하고, 다시 2차 가열 및 보온을 수행한 후, 확산 처리를 완료한다. 예를 들어, 상기 1차 가열의 온도는 850-950 ℃이고, 예를 들면 880-930 ℃이며, 예시적으로는 900 ℃이다. 예를 들어, 상기 1차 보온의 시간은 500-700 min이고, 예를 들면 550-650 min이며, 예시적으로는 600 min이다. 예를 들어, 상기 급속 냉각의 온도는 15-40 ℃이고, 예를 들면 20-35 ℃이며, 예시적으로는 25 ℃(실온)이다. 예를 들어, 상기 급속 냉각의 속도는 5-30 ℃/min이고, 예를 들면 10-20 ℃/min이며, 예시적으로는 5 ℃/min, 10 ℃/min, 15 ℃/min, 20 ℃/min, 25 ℃/min, 30 ℃/min이다. 예를 들어, 상기 2차 가열의 온도는 500-600 ℃이고, 예를 들면 520-580 ℃이며, 예시적으로는 550 ℃이다. 예를 들어, 상기 2차 보온의 시간은 200-300 min이고, 예를 들면 220-270 min이며, 예시적으로는 240 min이다.

본 발명은 상기 방법에 의해 제조되는 NdFeB 자석을 더 제공한다.

본 발명은 임베디드 모터에서 상기 NdFeB 자석의 응용을 더 제공한다.

본 발명은 상기 NdFeB 자석을 포함하는 자석강을 더 제공한다.

본 발명은 상기 NdFeB 자석 및/또는 자석강을 포함하는 임베디드 모터를 더 제공한다. 바람직하게, 상기 NdFeB 자석 및/또는 자석강은 상기 모터에 임베디드 조립된다.

본 발명의 NdFeB 자석은 소량의 Dy/Tb를 사용할 수 있어, 자석의 자기소거에 대한 고온 내성을 크게 향상하고, 자석 자속의 감소를 억제하며, 임베디드 고속 모터에 적용될 수 있다. 상기 자석을 제조하는 방법은 재료 이용률 및 생산 효율을 크게 향상할 수도 있고, 대량 생산이 가능하다.

발명자는, 중희토류 원소의 확산 방향이 자석 C축에 평행될 경우, 중희토류 원소의 확산 깊이는 자석 자화 방향에 평행되는 방향을 따라 가장 크고, 확산 효과가 가장 우수하며, 중희토류 원소는 자석 내부에 확산되어, 자석 표면으로부터 자석 중심 영역까지 보자력의 구배 분포를 형성할 수 있는 것을 발견하였다. 그러나 임베디드 모터에 응용되는 자석은, 자기소거가 용이하게 발생하는 영역은 단지 가장 표면적인 층이고, 내부에서는 자기소거가 거의 발생하지 않으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 즉 자석 내부로 확산되는 중희토류 원소는 낭비되고, 확산 과정에서 불가피하게 주상 결정립 내부로 확산되어, 자석의 잔류 자기가 감소되어, 모터의 출력 전력 크기에 영향을 미친다.

발명자는 또한, 자석의 압착 방향에 수직되는 표면에 중희토류의 막을 형성하고, 확산할 경우, 자화 방향의 확산에 비해, 확산 깊이가 매우 얕고, 보자력의 증가폭이 비교적 낮으며, 자석의 작동 온도에서 직각도는 ＜0.9로서 매우 낮고, 모터 작동시 자석의 자기소거에 대한 내성에 큰 영향을 미치는 것을 발견하였다. 그러나 자석의 압착 방향에 수직되지 않고, 자화 방향에 수직되지 않는 자석의 두 개의 대향하는 면에 중희토류의 막을 형성하고, 확산할 경우, 중희토류 원소의 확산 깊이는 마찬가지로 작지만, 자석의 보자력 증가폭은 자석의 압착 방향 확산과 자화 방향 확산 사이에 있으며, 작동 온도에서 직각도는 ≥0.9이다.

플레이크 제련 공정에서 냉각 결정화 성장 시, 주상 결정립이 접촉면에서 자유면으로 성장할 경우, C축에 수직으로 성장하고, 플레이크의 단면에 나타나며, 주상의 C축은 인접한 두 개의 입계상에 수직된다. 플레이크가 HD 파쇄될 경우, 입계 부분으로부터 끊어지고, 즉 주상 결정립의 표면은 C축이 가리키는 전단 및 후단에, 모두 입계상의 일부가 동반된다. 제트 밀을 통해 미세한 분말로 분쇄되고, 자화에서 압착될 경우, 주상 결정립은 자기장의 작용으로 편향된 다음 압착할 경우, 압착 방향에 수직되는 결정립 사이에는 입계상이 없거나 극히 얇은 입계상이 나타나며, 압착 방향에 평행되는 결정립 사이의 입계상은 비교적 두껍다. 고액 소결 단계에서, 비교적 두꺼운 입계상은 액상으로 용융되어, 주상 결정립의 성장을 촉진하는 플럭스 역할을 하거나; 모세관 장력의 원리를 통해 인접한 두 개의 주상 결정립 사이를 채워 입계상을 형성하거나; 비교적 큰 삼각형의 입계상 또는 비교적 두꺼운 이원형 입계상을 형성하며, RE 원소의 활발한 속성으로 인해, 희토류 산화물과 같은 불순물 화합물이 쉽게 형성된다. 따라서, 압착 방향에 평행되는 입계상은 균일성이 좋지 않아, 불순물이 많고, 변위 확산 반응이 쉽게 발생하지 않으며, 압착 방향을 따라 확산되는 자석의 보자력 증가폭이 작고, 직각도가 낮아진다. 압착 방향에 수직되는 방향에서는, 입계상이 없거나 입계상이 비교적 얇아, 소결 시 압착 방향에 평행되는 입계상의 액화 충전을 통해, 입계상이 회복되어, 연속적이고 균일하며 얇은 입계상이 형성되고, 변위 확산 반응이 쉽게 발생하지만, 자석의 C축에 수직되며, 확산 깊이 및 효과가 자화 방향 확산에 비해 떨어진다. 따라서, 압착 방향 및 확산 방향에 동시에 수직되는 확산은, 확산 깊이 및 확산 효과가 모터 작동 시 실제 용이하게 자기소거되는 자석의 영역과 고도로 중합되어, 중희토류의 효과적인 응용을 달성하고, 직각도가 ≥0.9인 것을 보장하며, 자석의 자기소거에 대한 내성을 보장할 수 있다.

자석의 자화 방향에 수직되는 표면에 중희토류의 막을 형성하지 않으므로, 자화 방향에 수직되는 표면의 대부분 영역의 중희토류 함량이 비교적 낮고, 이의 잔류 자기의 감소가 현저하게 억제되었으며, 자석의 자속 크기를 유지하는 것을 효과적으로 보장하였다. 특허 문헌 CN 101939804A에서 자석의 자화 방향에 수직되는 표면외에도 자석 블록의 4개의 표면에 막을 형성하고, 확산하는 것에 비해, 본 발명은 단지 자석의 두 개의 대향하는 면에 막을 형성하고, 확산하여, 생산 공정을 간소화하였을 뿐만 아니라, 중희토류의 사용량을 낮추고, 산업화 생산의 가능성이 크게 향상되며, 임베디드 고속 모터 응용 분야에 적용되고, 임베디드 고속 모터가 작동 온도에서 고속 작동될 경우, 용이하게 자기소거되는 영역이 바로 자석과 모터의 실리콘 스틸 시트 소자가 접촉되는 모서리 위치이므로, 모서리에 고보자력이 구비될 경우, 자석강의 고온 열 자기소거 현상의 발생을 효과적으로 방어할 수 있다. 임베디드 모터 중의 자석강은 자기소거가 발생하는 표층 영역 범위가 비교적 작고; 확산으로 획득되는 고보자력 영역은 자석의 용이하게 자기소거되는 영역에 대응된다(도 3에 도시된 바와 같음). 도 3에 도시되는 임베디드 조립 방식은, 자석의 자기소거에 대한 내성을 효과적으로 향상할 수 있고, 자석 자속의 감소를 현저하게 억제한다.

도 1은 본 발명의 NdFeB 자석의 높은 잔류 자기 영역 및 고보자력 영역의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 NdFeB 자석의 확산면의 모식도이다.
도 3은 임베디드 모터(a) 및 자석강(b)의 구조 모식도이다.
도 4는 보자력과 확산 깊이의 관계도이다.

아래에 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 해결수단을 더 상세하게 설명한다. 이해해야 할 것은, 하기의 실시예는 단지 본 발명을 예시적으로 설명 및 해석하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호 범위를 한정하려는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 상술한 내용에 기반하여 구현되는 기술은 모두 본 발명이 보호하고자 하는 범위 내에 속한다.

달리 설명되지 않는 한, 하기 실시예에서 사용되는 원료 및 시약은 모두 시중에 판매되는 상품이거나, 공지된 방법을 통해 제조할 있다.

실시예에서 중희토류 원소의 농도차 측정 방법은 하기와 같다.

높은 잔류 자기 영역: 자석 면의 중심 위치의 표층에서 자화 방향에 수직되고 자석 내부로 연장되어, 1*1*1 mm의 작은 시험편을 각각 가공하며, 산 침지에 의해 전체를 녹인 후, 분광법으로 R2 함량 및 R2 함량차 △1을 측정한다.

고보자력 영역: 상기 영역에서 멀어지는 높은 잔류 자기 영역의 하나의 측면을 표층으로 정의하고, 표층에서 자석 내부로 연장되어, 1*1*1 mm의 작은 시험편을 각각 가공하며, 산 침지에 의해 전체를 녹인 후, 분광법으로 R2 함량 및 R2 함량차 △2를 측정한다.

본 발명에 관한 직각도는 최종 자석을 샘플의 표준 크기로 하여, 자기 측정기를 통해 테스트한다. 본 발명에 관한 보자력의 구배 분포는 자석에 1*1*1 mm의 시험편을 가공하여, 강력 펄스 PFM06 장비로 테스트하는 것이다.

실시예 1

R1-Fe-M-B 기반 자석을 제조하고, 하기와 같은 비율에 따라 원료 합금을 제조하며, 여기서, R1은 Nd이고, 함량은 30.5 wt%이며; Co의 함량은 1.5 wt%이고; M은 Al, Cu 및 Ga이고, 함량은 각각 0.1 wt%, 0.1 wt% 및 0.15 wt%이며; B의 함량은 0.95%이고, 나머지는 Fe, 및 C, N 등과 같은 불가피한 불순물이다. NdFeB 베이스 자석의 구체적인 제조 과정은 하기와 같다.

a) 제련: 진공 유도 용해로를 사용하여, 상기 준비된 원재료를 도가니에 넣고, 1480 ℃로 가열하며, 원재료를 용강으로 용화하고, 충분히 용해된 용강을 담금질 롤에 붓고, 급속 냉각하여, 롤 표면에 핵을 형성하며, 결정화하고, 점차 성장하여, 합금 플레이크를 형성한다.

b) 제분: 획득한 합금 플레이크에 대해 HD 파쇄 처리를 수행한 다음, 제트 밀 분쇄하여, 평균 입경 SMD가 3.0 μm인 제트 밀 분말을 획득한다.

c) 압착: 제트 밀 분말에 0.3 wt%의 윤활제를 첨가하고, 믹서로 120 min 동안 혼합한 후, 가압기의 필름 캐비티에 붓고, 2.5 T의 외부 자기장 작용하에, 압착 성형한다.

d) 소결: 압착된 초벌기물을 소결로에 넣고, 1075 ℃의 온도에서 300 min 동안 보온한 다음, 20 ℃/min의 냉각 속도에 따라 실온으로 급속 냉각하여, 소결 NdFeB 베이스 자석을 제조한다.

베이스 자석을 10-10-10 mm의 소편으로 가공하고, 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여, 표 1에 따라 베이스 자석 표면의 Dy 금속 스퍼터링 코팅을 수행한다.

표 1 자석 표면의 Dy 금속의 상이한 코팅 위치 개략도

실험 번호	Dy 금속 코팅 위치
1	없음
2	자화 방향에 수직되는 두 개의 대향하는 면, 각각의 면에 자석 0.4 wt%의 Dy를 스퍼터링한다
3	압착 방향에 수직되는 두 개의 대향하는 면, 각각의 면에 자석 0.4 wt%의 Dy를 스퍼터링한다
4	자화 방향에 수직되지 않고, 압착 방향에 수직되지 않는 두 개의 대향하는 면, 각각의 면에 자석 0.4 wt%의 Dy를 스퍼터링한다

다음, 표 1의 방식을 사용하여 처리된 자석을 확산로 장비에 각각 넣고 확산 처리하여, 진공 충전도가 ＜10^-2 Pa에 도달한 다음, 900 ℃까지 가열하고, 600 min 동안 보온하며, 15 ℃/min의 속도로 실온까지 급속 냉각한 후 다시 550 ℃까지 가열하고, 240 min 동안 보온하여, 자석 완제품을 얻는다. 완제품의 자기 성능 및 성분을 테스트하고, 테스트 결과는 표 2와 같다.

표 2 자석 완제품의 성능 및 성분 집계표

실험 번호	중희토류 농도차(%)			고보자력 영역 폭(mm)	보자력 (kA/m)	Hk/Hcj	자기 모멘트 (mWb·cm)
실험 번호	△1	△2	△2/△1	고보자력 영역 폭(mm)	보자력 (kA/m)	Hk/Hcj	자기 모멘트 (mWb·cm)
1	-	-	-	0	1055	0.98	0.1406
2	-	-	-	-	1513	0.97	0.1392
3	0.05	0.37	7.4	1.2	1346	0.85	0.1402
4	0.04	0.22	5.5	2.4	1476	0.93	0.1398

상기 실험을 비교하여, 실험 1, 2, 3, 4를 비교하고, 보자력과 직각도 및 자기 모멘트 지표를 종합적으로 비교하면, 실험 4의 종합 성능이 가장 높고, 고보자력 영역의 폭은 2.4 mm이며, 모터 고속 작동 시 용이하게 자기소거되는 영역을 커버할 수 있다. 나아가, 확산 방향에 따라 시험편을 가공하여, 보자력과 확산 깊이의 관계를 테스트하면, 도 4에 도시된 바와 같다. 보다시피, 실험 2는 자화 방향을 따라 확산되고, 그 보자력 평균값이 가장 높으며, 확산 깊이를 따른 파동이 가장 작고; 실험 3은 압착 방향을 따라 확산되고, 그 보자력은 확산 표면에서 날카로운 피크가 형성되며, 자석 내부 1 mm 위치에 들어가면, 그 보자력이 급격히 감소되고, 중심 위치의 보자력은 비확산 자석과 거의 동일하며; 실험 4에 있어서, 그 보자력은 자석 표층 0-3 mm에서 성능이 계단형으로 감소되고, 최외층의 보자력은 실험 2의 자화 방향 확산, 즉 최표층의 자기소거에 대한 내성이 실험 2보다 우수하며, ＞3 mm 부분에서 점차 평탄해지는 경향이 있고, 보자력은 비확산 자석에 비해 약 250 kA/m 높으며, 자기소거에 대한 내성도 어느 정도 향상된다.

실시예 2

R1-Fe-M-B 기반 자석을 제조하고, 하기와 같은 비율에 따라 원료 합금을 제조하며, 여기서, R1은 Nd이고, 함량은 31 wt%이며; Dy의 함량은 0.5 wt%이고, Co의 함량은 2.0 wt%이며; M은 Al, Cu 및 Ga이고, 함량은 각각 0.15 wt%, 0.15 wt% 및 0.1 wt%이며; B의 함량은 0.98%이고, 나머지는 Fe, 및 C, N 등과 같은 불가피한 불순물이다. NdFeB 베이스 자석의 구체적인 제조 과정은 하기와 같다.

a) 제련: 진공 유도 용해로를 사용하여, 상기 준비된 원재료를 도가니에 넣고, 1460 ℃로 가열하며, 원재료를 용강으로 용화하고, 충분히 용해된 용강을 담금질 롤에 붓고, 급속 냉각하여, 롤 표면에서 핵을 형성하며, 결정화하고, 점차 성장하여, 합금 플레이크를 형성한다.

b) 제분: 획득한 합금 플레이크에 대해 HD 파쇄 처리를 수행한 다음, 제트 밀 분쇄하여, 평균 입경 SMD가 2.8 μm인 제트 밀 분말을 획득한다.

c) 압착: 제트 밀 분말에 0.2 wt%의 윤활제를 첨가하고, 믹서로 180 min 동안 혼합한 후, 가압기의 필름 캐비티에 붓고, 2.5 T의 외부 자기장 작용하에, 압착 성형한다.

d) 소결: 압착된 초벌기물을 소결로에 넣고, 1070 ℃에서 270 min 동안 보온한 다음, 10 ℃/min의 냉각 속도에 따라 실온까지 급속 냉각하여, 소결 NdFeB 베이스 자석을 제조한다.

베이스 자석을 40-8-20 및 40-8-2.5의 정사각형 조각으로 각각 가공하고(20 및 2.5 방향은 자화 방향 두께임), 표 3에 따라 베이스 자석 표면에 코팅법으로 Tb 금속을 코팅한다.

표 3 자석 표면의 Tb 금속의 상이한 위치 처리 개략도

실험 번호	자석 크기	Tb 금속 코팅 위치
5	40-8-2.5	없음
6	40-8-20	40*20의 두 개의 대향하는 면, 각각의 단일 면에 자석 0.2 wt%의 Tb를 균일하게 코팅한다
7	40-8-2.5	40*8의 두 개의 대향하는 면, 각각의 단일 면에 자석 0.2 wt%의 Tb를 균일하게 코팅한다

다음, 표 3에 따라 처리된 자석을 확산로 장비에 넣고 확산 처리하여, 진공 충전도가 ＜10-2 Pa에 도달한 다음, 900 ℃까지 가열하고, 600 min 동안 보온하며, 15 ℃/min의 속도로 실온까지 급속 냉각한 후 다시 550 ℃까지 가열하고 240 min 동안 보온하여, 자석 완제품을 얻는다. 실험 6에서 확산 처리된 40-8-20의 정사각형 조각을 40-8-2.5의 시험편으로 가공하여, 실험 5 및 실험 7의 시험편과 함께 자기 성능 및 성분을 테스트한다. 테스트 결과는 표 4와 같다.

표 4 자석 완제품의 성능 및 성분 집계표

실험 번호	Tb 함량(%)			고보자력 영역 폭(mm)	Hcj(kA/m)		Hk/Hcj	자기 모멘트 (mWb·cm)
실험 번호	△1	△2	△2/△1	고보자력 영역 폭(mm)	표층	3mm 부분	Hk/Hcj	자기 모멘트 (mWb·cm)
5	-	-	-	0	1256	1248	0.99	0.1071
6	0.03	0.19	6.33	2.0	2224	1984	0.95	0.1056
7	-	-		-	2068	2013	0.97	0.1049

실험 6은 실험 7에 비해, 3mm 위치에서 보자력이 조금 낮지만, 최표층의 보자력은 실험 7에 비해 156kA/m 높으며, 외부 자기장이 자석의 자기소거에 대한 작용을 효과적으로 방어할 수 있고; 동시에 자기 모멘트는 약 0.6% 높으며, 자기 모멘트의 감소를 효과적으로 방지하였고, 자석 자기장의 효율적인 출력을 보장하였다.

위에서, 본 발명의 실시형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 사상과 원리 내에 진행된 임의의 보정, 등가 대체, 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.

Claims

NdFeB 자석으로서,
상기 NdFeB 자석은 화학식 R1-R2-Fe-M-B로 표시되고, 상기 NdFeB 자석은 고보자력 영역 및 높은 잔류 자기 영역의 복합 구조를 구비하며;
상기 화학식에서, R1은 적어도 Nd를 함유하는 희토류 원소이고, R2는 적어도 Dy 및/또는 Tb를 함유하는 중희토류 원소이며, M은 적어도 Co를 함유하는 전이 금속 원소인 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석.
제1항에 있어서,
상기 NdFeB 자석에서 R2의 함량은 ≤1.0 wt%이고, 예를 들면 ≤0.8 wt%이며, 바람직하게는 ≤0.5 wt%인 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 NdFeB 자석은 R2 함량이 높은 고보자력 영역 및 R2 함량이 낮은 높은 잔류 자기 영역을 구비하고; 바람직하게, 상기 고보자력 영역 및 높은 잔류 자기 영역의 분포는 기본적으로 도 1에 도시된 바와같으며;
바람직하게, 상기 높은 잔류 자기 영역의 표층과 자석 내부 1 mm 위치의 R2 농도차는 △1≤0.1%이고;
바람직하게, 상기 고보자력 영역의 표층과 상기 NdFeB 자석 내부 1 mm 위치의 R2 농도차는 △2≥0.15%이며;
바람직하게, 상기 △2/△1≥1.5이고, 바람직하게는 △2/△1≥2이며;
바람직하게, 상기 고보자력 영역의 폭은 1-5 mm이고, 바람직하게는 1.5-4 mm이며, 중심 영역은 높은 잔류 자기 영역을 구비하고; 상기 고보자력 영역은 표층으로부터 자석 내부까지 연장되는 것으로 정의되며, R2의 농도차가 1%일 경우, 즉 고보자력 영역의 폭인 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 R1은 Nd 원소를 제외하고도, 란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu) 및 스칸듐(Sc) 중 적어도 하나를 더 포함하고;
바람직하게, NdFeB 자석에서 상기 R1의 함량은 28-32 wt%인 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 R2는 Dy 및/또는 Tb 원소를 제외하고도, 가돌리늄(Gd), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 더 포함하고;
바람직하게, 상기 M은 Co를 제외하고도, Cu, Ga, Zr, Ti, Al, Mn, Zn 및 W 중 적어도 하나를 더 포함하며;
바람직하게, NdFeB 자석에서 상기 Co의 함량은 1-3 wt%이고;
바람직하게, NdFeB 자석에서 Co를 제외한 M의 나머지 전이 금속 원소의 함량은 ≤2 wt%이며;
바람직하게, NdFeB 자석에서 상기 B의 함량은 0.5-1.3 wt%이고;
바람직하게, 상기 NdFeB 자석에는 불가피한 불순물이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 NdFeB 자석의 제조 방법으로서,
R1-Fe-M-B 기반 구조의 베이스 자석을 제조 또는 준비하여, 적어도 Dy 및/또는 Tb를 함유하는 중희토류 원소 R2가 상기 베이스 자석 표면의 두 개의 대향하는 면에 막을 형성하도록 한 다음, 확산 처리를 수행하여, R2 원소가 베이스 자석 입계를 따라 자석 표면에서 내부로 확산되고, 입계에서 농축되어, 상기 NdFeB 자석을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 베이스 자석은 규칙적인 육면체이고;
바람직하게, 상기 두 개의 대향하는 면은 자석의 자화 방향에 수직되지 않고 자석 형성 시 압착 방향에 수직되지 않는 두 개의 대향하는 면이며;
바람직하게, 상기 R2 원소가 자석 표면에 막을 형성하는 방식은 진공증착법, 마그네트론 스퍼터링 또는 코팅법을 포함하나 이에 한정되지 않고; 바람직하게, 자석의 두 개의 대향하는 면에, 동일한 양의 R2 원소를 진공증착, 마그네트론 스퍼터링 또는 코팅하며;
바람직하게, 상기 확산 처리의 진공도는 ＜10^-2 Pa이고;
바람직하게, 상기 확산 처리를 수행할 경우 먼저 1차 가열 후 보온을 수행한 다음 급속 냉각하고, 다시 2차 가열 및 보온을 수행한 후, 확산 처리를 완료하는 것을 특징으로 하는 NdFeB 자석의 제조 방법.
임베디드 모터에서 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 NdFeB 자석의 응용.
자석강으로서,
상기 자석강에는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 NdFeB 자석이 포함되는 것을 특징으로 하는 자석강.
임베디드 모터로서,
상기 모터에는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 NdFeB 자석 및/또는 제9항에 따른 자석강이 포함되는 것을 특징으로 하는 임베디드 모터.