KR930011237B1

KR930011237B1 - 이상혼합형 희토류계 영구자석의 제조방법

Info

Publication number: KR930011237B1
Application number: KR1019910011891A
Authority: KR
Inventors: 최승덕; 양충진; 이우영; 변갑식
Original assignee: 포항종합제철 주식회사; 정명식; 재단법인산업과학기술연구소; 백덕현
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1993-11-29
Also published as: KR930003182A

Abstract

내용 없음.

Description

이상혼합형 희토류계 영구자석의 제조방법

본 발명은 각종 소형정밀모터, 음향기기, 전자기기 및 의료기기에 사용되는 희토류계 영구자석에 관한 것으로, 보다 상세히는 Nd-Fe-B계 영구자석 합금에 Nd-리치(rich) 상인 Nd(_1-x)Fex 합금을 첨가(혼합)하여 희토류계 영구자석을 제조함으로써, 자기적 특성이 우수한 이상 혼합형(multi-phase blended) 희토류계 영구자석을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근, 희토류계 영구자석을 뛰어난 자기특성을 나타내고 있어 자석응용제품의 소형 및 경량화등의 요구에 부합됨으로 인해 각종 소형정밀모터, 음향기기 및 전자기기로부터 의료기기에 이르기까지 그 수요가 날로 증가하고 있는데, 이와같은 희토류계 영구자석은 최대자기에너지적{(B.H)max}이 20MGOe를 넘는 것으로 R-CO계 (R=희토류금속)와 R-Fe-B계 자석으로 분류된다.

이들 희토류 자석합금으로부터 영구자석을 제조하는 방법으로는 분말 야금법(미국특허 4,770,724호)과 급냉법(미국특허 4,756,775호)등이 알려져 있다.

상기 미국특허 4,770,724호는 분말야금법을 이용한 것으로 원하는 조성물을 용해하여 모합금을 주조(casting)한 다음 조분쇄, 미분쇄 공정을 거쳐 단자구(single magnetic domain) 크기의 분말로 제조하여 자장중에서 성형한 후, 소결 및 시효처리 과정을 통해 영구자석을 제조하는 방법이다.

그러나, 이 방법은 분말제조시 조분쇄, 미분쇄 공정을 요하기 때문에 공정이 복잡할 뿐만 아니라 분쇄공정 도중에 분말내부에 결합이 생기거나 산화가 되기 쉬워 불활성 분위기를 요하므로 제조경비가 높게 되어 자기적 특성이 우수함에도 불구하고 특수용도에만 실용화되고 있어 시장확대에 어려운 점이 많다.

또한, 미국특허 4,757,775호는 급냉기술을 이용한 것으로 자성모합금을 석영관에 장입한 다음 유도전류를 통하여 용해한 후, 고속으로 회전하는 금속회전체 표면에 용사시킴으로써 급속냉각된 자성물질을 리본(ribbon) 상태로 얻은 후, 이를 분쇄하여 분말을 얻고 이 분말을 자장중 성형한 후 소결과정과 시효과정을 통하여 자기 특성이 열등한 소결자석을 만들거나, 또는 급속냉각된 분말을 직접 사용하여 수지자석 또는 고무자석을 제조하는 방법이다.

이와 같은 기술로 얻어지는 리본은 미국특허 4,770,724호 기술에 의해 얻어지는 모합금 주괴(ingot)에 비하여 분쇄가 용이하고, 일단 제조된 분말은 산화가 잘되지 않는다는 장점이 있으나, 유도전류를 통한 용해도중 석영과 용탕이 반응하기 때문에 대량생산에 어려움이 많으며, 결정질의 급냉분말을 소결처리하여 자석으로 만들 경우 자기특성이 등방성을 띄게 되어 열등한 잔류자속밀도(residnal magnetization)을 나타내기 때문에 최대자기어네지적(maximul energy product)이 상당히 낮다는 단점이 있다.

이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, Nd-Fe-B계 영구자석합금에 Nd 리치상으로 Nd(_1-x)Fex 합금을 혼합하여 희토류계 영구자석을 제조함으로써, 잔류자속밀도(Br), 보자력(Hc) 및 최대자기에너지적 {(B.H)max}와 같은 자기적 특성이 우수한 이상 혼합형 희토류계 영구자석의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적달성을 위해, 본 발명은 Nd-Fe-B계 영구자석 합금을 급속냉각기를 통해 합금분말을 직접제조한 후, 미세분말로 분쇄하여 성형한 후 소결하는 공정을 포함하는 이상혼합형 희토류 영구자석의 제조방법에 있어서, 상기 영구자석 합금이, (a)=10-20원자%, (b)=60-80원자%, (c)=3-10원자％가 함유된 Nd(a)Fe(b)B(c)를 주성분으로 하고, 여기에 Nd 리치상인 Nd(_1-x)Fex(X는 0.1-0.7임)이 주성분 100중량%에 대해 1-15중량% 첨가되어 조성됨을 구성의 특징으로 한다. 또한, 상기 본 발명에 있어서 Nd 리치상으로는 Nd₃Fe, ND₇Fe₃또는 NdFe₂이 사용되는 것이 바람직하다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기 Nd(a)Fe(b)B(c)에 있어서, Nd는 10원자% 이하일 경우에는 강자성상인 Nd₂Fe₁₄B 상이 부족하게 되어 자기특성이 저하되고, 20원자% 이상일 경우에는 Nd가 비자성이므로 잔류자속밀도가 저하하기 때문에 그 함량을 10-20원자%로 하는 것이 바람직하다.

또한 Fe는 60원자% 이하일 경우에는 역시 강자성상인 Nd₂Fe₁₄B 상이 부족하게 되어 자기특성이 저하되고, 80원자% 이상일 경우에는 포화자화는 크게 되나 α-Fe가 과잉으로 존재하게 되어 보자력이 현저히 감소하기 때문에 그 함량을 60-80원자%로 하는 것이 바람직하다.

또한, B는 3원자％ 이하일 경우에는 강자성 Nd₂Fe₁₄B상이 부족하게 되어 자기적 특성이 저하하고, 10원자％ 이상일 경우에는 비자성인 B-리치상의 과잉존재로 인하여 잔류자속밀도가 저하하기 때문에 그 함량을 3-10원자％로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 급속냉각에 있어서는 급속냉각기로, 축출형 용융회전기를 사용하여 미세결정질의 급속냉각형 리본을 얻을 수 있도록 6-15m/sec의 급속냉각기의 회전속도(wheel speed)로 냉각시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 분말을 외부자장중 냉간성형하게 되면 대부분이 미세분말을 외부자장이 흐르는 방향으로 분말내의 자구(magnetic domain)들이 평행하게 되려는 경향으로 인하여 각 분말내의 자화용이한 축이 외부자장 방향으로 나열하게 되는데, 여기서 성형조건은 통상적인 것으로 15-20KOe의 외부자장중에서 1.5-4.0ton/㎠으로 하는 것이 바람직하다.

이러한 자기 이방성을 갖는 성형압분체를 진공 또는 불활성 분위기에서 소결처리하여 치밀화를 시킨다.

이때, 소결조건은 1000-1200℃에서 1-2시간 행하는 것이 바람직하다. 여기서, 소결온도 1000℃ 이하에서는 소결온도가 낮아 충분한 밀도화가 일어나지 않기 때문에 잔류자속밀도가 저하하고, 1200℃ 이상에서는 소결온도가 지나치게 높아 결정립성장에 의한 보자력의 감소가 현저하기 때문에 소결온도를 1000-1200℃로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 미세분말의 입도는 1㎛ 이하일 경우에는 산화에 의한 화재의 위험이 있으며 5㎛ 이상일 경우에는 입도의 조대로 인해 보자력의 저하를 가져오기 때문에 그 입도를 1-5㎛로 하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

Nd-Fe-B계 합금 및 Nd₃Fe, Nd₇Fe₃, 또는 NdFe₂합금을 각각 아르곤 분위기중 플라즈마 아크로 완전용용한 후 축출형 용융회전기(본 발명자들에 의해 기출원된 특허출원 89-7624호)에 의해 10-100마이크로미터 두께 및 500-1000마크로미터의 폭을 갖고 리본형상을 갖는 급냉분말을 제조하였으며, 이때의 냉각속도, 즉 냉각회전체의 회전속도는 9m/sec로 하였다.

상기와 같이 제조된 급냉리본에 대하여 X-선 회절분석을 행하고, 이에 대한 결과를 하기표 1에 나타내었으며, 표 1로부터 알 수 있는 바와같이 모두 0.5-1마이크로미터의 결정질 조직으로 나타났다.

[표 1]

상기와 같이 제조된 급냉리본을 혼합하여 아르곤 분위기하에서 아트리터를 사용하여 5마이크로미터 이하의 평균입도로 분쇄하였다. 이와 같이 분쇄된 미분말을 비자성의 스테인레스 금형에 담고 1.5t/㎠의 수직압력으로 성형하였으며, 이때 16KOe의 외부자장을 수직방향과 직각방향으로 흘려보내 분말의 일방향 배열을 도모하였으며, 이렇게 준비된 압분체를 1080℃에서 1시간 진공과 아르곤 분위기에서 소결처리하여 영구자석을 치밀화시켰다. 상기와 같은 조건으로 치밀화된 각각의 실시예에 대하여 실온에서의 자기적 특성을 측정하여 하기표 2에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 급속냉각에 의해 얻은 Nd₃Fe(NdFe 또는 NdFe2)분말을 원래의 영구자석조성에 혼합하여 자장중 성형과 소결등을 거쳐서 최종 소결체로 만들면 혼합하지 않은 종래의 자석에 비하여 15-40% 정도의 최대자기 에너지적이 향상됨을 알 수 있다.

또한, 1-15중량%의 Nd₃Fe(Nd₇Fe₃또는 NdFe₂)의 Nd-리치상이 존재할 때 자기적 특성이 가장 우수함을 알 수 있다.

이때, Nd-리치상인 Nd₃Fe등은 융융점이 낮기 때문에 소결과정중 먼저 용해하여 기지조직인 Nd-Fe-B 결정립의 액상소결을 유발시켜 과도한 입자성장없이 자석의 치밀화를 이루게 하며, 분말과 분말사이의 결정립 경계를 따라 균일한 얇은 막(film) 형태로 생성되어 반자화(magnetization revernal) 과정중 역자구의 핵생성 가능성을 극소화 해주는 동시에 자구(magnetic domain)이동중 자벽고착의 역할을 도모하게 되어 영구자석의 보자력 향상에 기여하게 되는데, 이들의 첨가량이 1% 이하로 첨가되었을 경우에는 액상의 생성이 부족하고, 15% 이상 첨가되었을 경우에는 과도한 액상으로 인한 결정립성장과 더불어 자성이 약한 Nd-리치상의 증가로 인하여 자기특성의 저하가 초래된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Nd-Fe-B계 영구자석 합금에 Nd 치리상으로 Nd(_1-x)Fex 합금을 일정량 혼합하여 금속냉각에 의해 희토류계 영구자석을 제조함으로써, 잔류자속밀도, 보자력 및 최대자기에너지적의 자기적 특성이 우수한 이상혼합형 희토류계 영구자석을 얻게 되는 효과가 있다.

Claims

Nd-Fe-B계 영구자석 합금을 급속냉각기를 통해 6-15m/sec의 냉각속도로 냉각하여 미세결정질의 급속냉각형 리본을 제조한 후, 1-5㎛의 미세분말로 분쇄하고 성형한 다음 1000-1200℃ 온도에서 소결하는 공정을 포함하는 희토류계 영구자석의 제조방법에 있어서, 상기 영구자석합금이, 원자%로 (a)=10-20%, (b)=60-80%, (c)=3-10%를 함유하는 Nd(a)Fe(b)B(c)를 주성분으로 하고, 여기에 Nd 리치상으로Nd(_1-x)Fex(단_X는 0.1-0.7임)가 주성분 100중량％에 대해 1-15중량％ 첨가되어 조성됨을 특징으로 하는 이상혼합형 희토류계 영구자석의 제조방법.
제1항에 있어서, Nd 리치상이 Nd₃Fe, Nd₇Fe₃또는 NdFe₂중에서 선택되는 1종임을 특징으로 하는 이상혼합형 희토류계 영구자석의 제조방법.