KR810002071B1 - 영구자석 합금(永久磁石合金) - Google Patents

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내용 없음.

Description

영구자석 합금(永久磁石合金)

제1도는 C, S의 함유량과 주상정화후의 자기 특성을 나타낸 도표,

제2도는 (BH) max가 0.9MGDe이상으로 되는 Nb와 Ti의 성분영역을 나타낸 것이다.

본 발명은 영구자석 합금에 관한 것으로 더욱 상세하게는 알니코(alnico)계 영구자석보다 CO함유량이 적으며 또한 C, S, Nb의 3성분을 동시에 함유시킨 알니코9계 영구자석에 관한 것이다. 일반적으로 소위 알니코계라고 하는 영구자석 합금은 단지 A, Ni, CO, Fe, Cu등의 성분 원소뿐만 아니라 대부분의 자석특성을 개선하기 위한 첨가성분을 포함하는 것이며, 또한 이들 성분간의 조성만이 아니고 결정조직의 방향성, 자장중(磁場中)의 냉각등온처리(冷却等溫處理), 시효처리등의 대단히 많은 인자에 의하여 특성개선이 형해져오고 있다. 이들 인자는 잔류자석밀도(殘留磁石密度) Br, 보자력(保磁力) Hc, 최대자기(最大磁氣)에너지 적(積)(BH)max의 특성을 크게하는 것은 물론이지만, 특히 최대자기 에너지 적(BH)max의 특성개선이 목표로 되어오고 있다. 현재 알니코계 자석중 최대자기 에너지 적(BH) max의 가장 높은 자석은, Ti함유량이 높은 알코니계 자석에 일방향성 응고를 부여하여 결정(結晶)을 이방성화(異方性化)하고 1,200℃이상의 고온에서 용체화(溶體化) 처리후 3℃/sec로 급냉하고 자장중에 있어서 퀴리점(Curie點)이하의 일정 온도로 5∼10분간 보지하며 다시 시효처리를 행하는 것에 의해 최대자기 에너지 적(BH) max≥9.0MGOe인 알니코 9계의 영구자석이다. 이 알니코 9계 영구자석은 대표적인 성분으로서 중량%로 Al 7.2%, Ni 14.0%, CO 34.0%, Cu 4.0%, Ti 5.0%, Fe 잔부(殘部) 또는 Al 7.2%, Ni 13.0%, CO 38.0%, Cu 3.0%, Ti 8.0, Fe 잔부의 것이고 일방향성 응고에 의한 주상정(柱上晶) 결정조직을 가지며 특수한 열처리를 하는 것에 의해 일반 스피이커, 모우터용에 사용되고 있는 알니코 5계 영구자석의 2배이상 높은 최대자기 에너지 적(BH) max를 갖는 것이지만, 그럼에도 불구하고 공업적으로 대량생산이 되고 있지 않는 것이 현재의 상태이다. 그 이유로서는 다음의 두가지 커다란 문제점이 지적되고 있다.

첫째, CO의 함유량이 높기때문에 CO의 사용량이 많고 값이 비싸게 되므로 알니코 9계 영구자석의 용도도 한정되는 것이다. 잔류자속밀도 Br≥10,000 가우스(G), 보자력 Hc≥1,350 에르스테드(De), 최대자기 에너지 적(BH) max 9.0 가우스 에르스테드(MGOe)의 자기 특성을 얻는데는 Co함유량은 34%이상이 필요하게 되며 그러므로 알니코 9계 영구자석에 있어서 Co함유량을 34%이하로 하는 것이 연구되어 왔지만 알니코 9계 영구자석에 있어서 Co함유량을 저감한 경우 Co함유량의 자기특성에 미치는 영향은 매우 민감하고 잔류자속밀도 Br, 보자력 HC, 최대자기 에너지 적(BH) max의 급격한 저하를 가져오고 공업적으로 Co 34% 이하에서 상기와 같은 자기특성을 얻는 것은 매우 관란했다.

다음에 둘째 이유로서는 Ti함유량이 높은 것에 의해 일반적으로 미세한 결정조직을 갖고 있는 죤멜팅(zonnen melting)법, 고온주형법(高

鑄型法), 발열주형법(發熱鑄型法)을 사용하여도 일방향성 응고를 부여하여 양호한 주상정조직(柱狀晶組織)을 하는 것은 곤란하고, 그러므로 S, C, P, Se, Te등을 첨가하면 주상정조직을 형성하는데는 유효하지만 이들 원소의 단독첨가로는 충분한 결정정렬(結晶整列)은 할수가 없다.

또, C+S 등과 같은 복합첨가를 하면 결정의 정렬은 인정되지만 Co함유량이 34%이하의 알니코 9계 영구자석이라면 원하는 자기특성을 얻을 수는 없다.

본 발명은 전술한 알니코계 영구자석, 특히 알니코 9계 영구자석의 여러가지 문제점을 감안하여 된 것으로 그 목적은 28∼30%의 낮은 Co함유량임에도 불구하고 종래의 높은 Co함유량의 알니코 9계 합금에서 얻어지는 자기특성 이상의 우수한 성질을 갖는 알니코 9계 영구자석을 제공하는 것이다.

본 발명에 관하여 개설하면, 본 발명은 Al 7∼12%, Ni 10∼20%, Co 28∼30%, Cu 1∼7%, Ti 3.0∼6.0%를 주성분으로하여 잔부가 Fe이고 또한 주상정 조직을 갖는 석출경화형(析出硬化型) 영구자석 합금에 있어서 C 0.02∼0.2%, S 0.1∼1.0%, Nb 0.1∼4.0%를 함유하고 Nb와 Ti의 비율이, Nb(중량%)= Ti(중량%)+(7.5∼9) 의식을 만족하는 수치인 것을 특징으로 하는 영구자석 합금에 관한 것이다. 또, 본 발명의 영구자석 합금은 Si＜2%, Zr＜1%, Ta＜3%, Cr＜3%, Mn＜1%, Sn＜1%, B＜0.5% 및 V, Mo, W, Bi, Pb의 어느 것이거나 1종이상을 합계하여 2%이하 함유할수가 있다.

본 발명에 관하여 다음에 상세하게 설명한다.

본 발명에 의하면 종래의 알니코 9계 영구자석에 비교하여 현저하게 Co 함유량을 28∼30%로 저감시켰음에도 불구하고 특정량의 C, S, Nb의 3성분을 동시에 함유시키는 것에 의해 용이하게 주상정화(柱狀晶化)를 촉진시킬수가 있고 또한 Ti와 Nb의 함유량의 비율을 상기의 특정식을 만족하는 수치로 하는 것에 의해 종래의 알니코 9계 영구자석보다도 우수한 자기 특성을 갖는 알니코 9계 영구자석을 얻을 수 있는 것이 인정됐다.

본 발명의 영구자석 합금의 조성에 관하여 설명하면 AL함유량은 7∼12%이고 AL함유량이 7%미만에서는 용체화(溶體化)처리온도가 현저하게 높게되고, 또 용체화 처리후에 급속냉각하지 않으면 원하는 자기 특성을 얻을 수가 없고 한편 AL함유량이 12%를 초과하면 자석이 약하게 된다.

Ni함유량은 10∼20%이고 Ni함유량은 10%미만이라면 잔류자속밀도 Br이 낮아서 실용적이지 못하며 14∼15%라면 보자력 HC, 최대자기에너지 적(BH) max가 최대로 되고 20%를 초과하는 함유량으로 되면 보자력 HC의 저하가 현저하게 된다. Co함유량은 28∼30%이고 종래의 알니코계 영구자석에서 최대자기에너지 적(BH) maxZ9.0M가우스 에르스테드를 얻는데는 Co 34∼40%의 함유량이 필요했으나 본 발명에서는 34%이하, 즉 28∼30%의 Co함유량으로 한 것으로서 28%미만이라면 Nb, C, S, Ti등의 상대적 성분비를 변화시켜도 Co함유량의 저감에 의한 자기 특성의 열화를 보완할 수가 없기 때문이다. 예를들면 제1표는 Ti함유량 4.0%이상, Co함유량 28%이상의 등축정(等軸晶)자석의 조성과 자기 특성을 나타내지만 제1표에서 명확히 나타낸 바와같이 Co함유량이 34%이하라면 잔류 자속밀도 Br, 최대자기 에너지 적(BH)max가 현저히 저하됨을 이해할 수 있다.

[표 1]

이 경향은, Co-Ti 위 관계에서, Co함유량에 대하여 Ti함유량을 변화시켜도 같으며 또 이들 성분의 자석에 주상정화 첨가물로서의 C, S, Se, Te, Pb등을 단독 또는 복합첨가하여 최적량으로 하여도 역시 최대자기 에너지 적(BH)max

9.0M 가우수 에르스테드에는 도저히 미치지 못하는 작은 자기 특성밖에 얻을 수가 없었다. 이러한 점에서 알니코 9계 영구자석에서 함유량 34%이하로 최대자기 에너지 적(BH)max

9.0M 가우스 에르스테드의 것을 만들수 없었던 것이다. 따라서, Co함유량을 28∼30%로 종래의 Co함유량 34%보다 낮게하고 한편 자기특성이 우수한 영구자석을 얻는데는 Co함유량을 낮게하는 것에 의한 상기의 불이익을 해소하는 것이 필요하며 본 발명에 의하면 Ti함유량의 적정화 및 C, S, Nb의 3성분을 동시에 복합섬유하는 것에 의해 이 관계가 해결됐다. Ti는 영구자석의 보자력 Hc를 향상시키기 위하여 유효하나 결정을 미세화하여 잔류 자속밀도를 열화시키므로 이 면에서 3.0∼6.0%의 범위가 바람직하다. 더우기 Ti함유량 3.0∼6.0%에서 Co함유량 28∼30%와 종래보다 낮은 Co함유량이라도 C, S, Nb의 3성분을 함유시킨 것에 의해 잔류 자속밀도 Br, 보자력 HC, 최대자기 에너지 적(BH)max 및 각형화(角型化)의 향상에 효과가 있는 것을 발견했다.

이와같이 Ti함유량을 3.0∼6.0%로 하고 이하 설명하는 C, S의 함유량 및 Nb의 함유량 나아가서 Ti와 Nb의 관계를 특정하는 것에 의해 Co함유량 28∼30%로 낮아도 자기 특성이 양호한 영구자석을 얻을 수 있는 것이다. 예를들면 제2표는 Al 7.2∼7.5%, Ni 14.0∼14.3%, Co 28∼30%, Cu 3.5∼4.0%, Ti 5.0∼5.2%를 주성분으로 하고 나머지가 실질적으로 Fe로된 영구자석에 있어서 C, S, Nb를 함유시킨 경우의 주상정화 처리후의 자기 특성을 나타낸 것이다.

[표 2]

제2로 명확히 나타낸 것처럼 Co함유량 28∼30%라면 최대자기 에너지 적(BH)max는 S단독일 때 4.8, 단독일때 5.6, S+Nb 일때6.3 C+Nb일때 4.5 및 C+S일때에 가장 양호하여 7.3이다. 그러나 C+S+Nb의 3성분을 함유할때는 Co함유량 28∼30%라도, 9.2∼10.0M 가우스 에르스테드의 최대자기 에너지 적(BH)max에서 자기특성이 현저하게 향상된다.

제1도는 C, S의 함유량과 주상정화후의 자기특성을 나타낸 것이다.

공시성분(供試成分)은 Al 7%, Ni 14.5%, Co 29.8%, Cu 3.5%, Ti 5%, Nb 1.5%로 하여 C, S를 변화시킨 것이다. 이 도면에서 명확한 바와같이 C와 S의 함유량이 특정의 범위에 있을때에 특히 특성이 양호하게 된다.

제2도는 (BH)max가 9.0MGOe이상으로 되는 Nb와 Ti의 성분영역을 나타낸 것이다. Ti는 Nb와 상관이 있고, Ti 3∼6% 이외로는 Nb의 효과는 전혀 얻을 수 없고, 한편 Nb는 Ti 3∼6%내의 범위라면 0.1∼4.0가 아니면 최적 자기특성은 얻을질 수 없다.

이 공시성분은 Al 7%, Ni 14.5%, Co 29.8%, Cu 3.5%, C 0.1%, S 0.3%로서 Nb, Ti를 변화시킨 것이다. Nb와 Ti의 함유량은 7Nb(중량%)+10Ti(중량%)=52.5와 7Nb(＂)+10Ti(＂)=63의 선의 범위내에 있는 것이 필요하다.

이점에서, Ti함유량이 감소하면 Nb함유량을 증대시킬 필요가 있고 Ti함유량이 증가하면 Nb함유량을 낮게하지 않으면 안되지만 최소한 0.1%이상 함유하지 않으면 효과는 없다.

또한 Ti함유량도 6.0%를 초과하면 높은 자기특성은 얻어질 수 없게된다.

한편 바람직한 Nb와 Ti의 함유량은 각각 0.5∼3.0, 4.0∼5.5%이다.

Cu의 함유량은 1∼7%이고, Cu함유량이 1.0∼4.0%면 보자력 HC가 최대로 되고, 7%를 넘으면 보자력 HC가 현저하게 저하한다.

또한 C함유량은 0.02∼0.2% S함유량은 0.1∼1.0%이고, C함유량 0.2%, S함유량 1.0%를 초과하면 보자력이 저하하고, 또한 C함유량 0.02%, S함유량 0.1% 미만이라면 이 효과가 없게 된다. 따라서 이 C, S는 주상정화 첨가물이고, 등축정에서는 보자력 HC, 최대자기 에너지 적(BH) max의 저하를 가져오지만 주상정화에는 유효하며 따라서 주상정화만을 생각하면 C, S의 첨가는 그양이 많은만큼 주상정화는 촉진되지만 주상정화후의 자기 특성은 반드시 양호하지는 않으며 C, S의 첨가에 의한 주상정화 촉진에 의한 자기특성의 향상과 C, S첨가에 의한 자기특성이 열화하는 모순이 있으나 상기와 같은 C, S의 함유량으로 하는 것에 의해 이 문제는 해결할수가 있다.

본 발명의 영구자석 합금의 다른 특징의 하나는 Co함유량이 낮으므로(α+γ) 서로의 영역이 좁고 따라서 이(α+γ) 서로의 영역을 급속 냉각할 필요가 없다. 다시 말해서 균열(Crack)의 발생을 동반하지 않는다는 점이다. 또한 영국특허 제987,636호 명세서에는 Co함유량 30%이하의 영구자석이 기재되어 있지만 그 주상정화에는 죤 멜팅 방식이 기재되어 있고 실험적으로도 가열주형에 의해 주상정화를 행하는 것은 매우 곤란하다.

그렇지만 본 발명에서는 주상정화에 가열주형을 사용할수가 있고 이 상위는 공지의 영국특허가 Nb 및 S의 병용인데 대하여 본 발명은 Nb, S, 및 C의 3자를 함유시킨 것이다. 주상정화가 가열주형에 의해 실시되는 것은 대형 및 임의형상의 자석의 제조를 가능하게 하는 것이다.

다음으로 가열주형에 의한 본 발명의 영그자석 합금의 제조 방법에 관하여 설명한다.

적당한 용해로에서 원하는 조성으로 되는 바와같이 각 성분을 용해하고 칠 프레이트(Chill plate)상에 1,000℃∼1100℃로 가열된 주형을 설치하고 이 주형에 1700℃∼1730℃의 용탕(溶湯)을 주입(鑄翔), 응고중에 방향성을 부여하여 주상정조직을 가져와서 30mm(Φ)×80mm(ℓ)의 시료를 제조했다. 이 시료를 1250℃로 20분간 용채화 처리를 행한후 실온(室溫)까지 냉각을 행한다. 그후 등온자장처리(登

磁場處理)를 행한다. 따라서, 각종 성분에 있어서 최적등온처리온도로 시효처리를 행하여 영구자석을 제조했다.

표 3으로 본 발명의 영구자석 합금과 본 발명 이외의 영구자석 합금에 관한 조성과 자기 특성에 관해서 나타낸다.

[표 3]

이상 설명한 바와같이 본 발명의 영구자석 합금은 상기에 설명한 조성으로서 Co함유량을 종래의 알니코 9계 영구자석보다 매우 낮게하여도 C, S, Nb의 3성분을 함유시키는 것에 의해 우수한 자기특성을 갖는 것이며, 따라서 Co함유량이 28∼30%로 낮기 때문에(α+γ) 상영역(相領域)이 좁고, 따라서 (α+γ) 상영역을 급속냉각할 필요가 없으며 대형의 알니코 9계 영구자석을 균열 발생등이 없게 만들수가 있고 또한 가열주형에 의해 여러가지 형상의 영구자석을 용이하게 만들 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (1)

1. Al 7∼12%, Ni 10∼20%, Co 28∼30%, Cu 1∼7%, Ti 3.0∼6.0%를 주성분으로 하여 잔부가 Fe이고 또한 주상정조직(柱狀晶組織)을 가진 석출경화형(析出硬化型) 영구자석 합금에 있어서 C 0.02∼0.2%, S 0.1∼1.0%, Nb 4.0%를 함유하고 Nb와 Ti의 비율이 52.5≤7Bn+10Ti≤63의 식을 만족하는 수치인 것을 특징으로 하는 영구자석 합금.

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