KR100204256B1 - 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 희토류-에프이-비 계영구자석분말 및 접합자석 - Google Patents

Abstract

Ti, V, Nb, Ta, Al, 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상을 함유시키므로써, H₂만으로도 자기적 이방성과 내식성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말을 얻을 수 있으므로 재결정입자를 편평화하기 위한 열간소성가공등의 공정이 필요없어 제조비용을 크게 절감할수 있다.

Description

자기적 이방성 및 내식성이 우수한 희토류-Fe-B 계 영구자석분말 및 접합자석

본 발명은 우수한 자기특성(磁氣特性), 특히 우수한 자기적 이방성(磁氣的異方性) 및 내식성이 있는 R (단, R은 Y를 함유하는 희토류원소 중의 적어도 1종류를 말한다.) -Fe-B계 영구자석분말 및 그 R-Fe-B계 영구자석분말을 사용하여 제조한, 접합자석에 관한 것이다.

R-Fe-B계 합금자석분말은 R-Fe-B계 합금이 우수한 자기특성이 있는 영구자석재료로 주목을 받고부터, 주로 접합자석용 자석분말로서 개발되고 있다.

일반적으로 접합자석은 함유되는 자석분말과 같은 성분의 소결자석 등과 비교하여 자기특성은 떨어지지만, 반면에 물리적 강도가 우수하고, 또한 모양을 마음대로 할 수 있다는 등의 이유로, 최근에는 그 이용범위를 급속히 넓혀가고 있다.

이 접합자석은 자석분말과 유기결합체, 금속결합체 등을 결합하여 이루어지는 것으로서, 그 자석분말의 자기특성에 의해서 접합자석의 자기특성이 좌우된다.

전기한 접합자석의 제조에 사용되는 R-Fe-B계 영구자석분말의 한종류로, 일본 특개평1-132106호 공보에 기재된 R-Fe-B계 영구자석분말이 있다. 이 R-Fe-B계 영구자석분말은 강자성상인 R₂Fe₁₄B 형 금속간화합물상(이하, R₂Fe₁₄B 형상이라고 한다)을 주상(主相)으로 하는 R-Fe-B계 모합금(母合金)을 원료로 하고, 이 모합금원료를 소정의 온도범위의 H₂분위기에서 열처리하여 RHx, Fe2B 그리고 나머지 Fe의 각 상에서 상변태를 촉진한 후 탈 H₂공정에서 H₂를 원료에서 제거하여, 재차 강자성상인 R₂Fe₁₄B 형상을 생성한 것으로서, 그 결과 얻어진 R-Fe-B계 영구자석 분말의 조직은, 평균입경 0.05-3μm의 극히 미세한 R₂Fe₁₄B형상의 재결정 조직을 주상으로 한 집합조직으로 이루어지고 있다.

전기한 종래의 재결정집합조직으로 된 R-Fe-B계 영구자석분말은 다음에 열거하는 세가지의 문제점이 있었다.

(1) 자기적 이방성이 있으나, 합금조성이나 제조조건의 미세한 변동에 의하여 자기적 이방성이 저하하는 일이 있어서, 안정되고 우수한 자기적 이방성을 얻기가 어렵다.

(2) 자기적 이방성을 부여하는 방법으로, 일반적으로 R-Fe-B계 영구자석 분말을 열간압연, 열간압출 등의 열간소성가공을 하여 R-Fe-B계 영구자석 분말의 결정을 편평화하는 방법이 알려져 있으며, 전기한 재결정집합조직으로 된 R-Fe-B계 영구자석분말을 이와같은 열간소성가공을 하면 자기적 이방성은 향상되지만, 전기한 열간소성가공은 장소에 따라 가공율의 산포(散布)가 발생하는 일을 피할 수 없어, 안정되고 균일한 자기적 이방성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말을 얻을 수 없을 뿐 아니라, 제조공정이 복잡하게 되어, 제조비용이 높아진다.

(3) 전기한 열간소성가공으로 전기한 재결정입자를 편평화하면, 편평화한 R-Fe-B계 영구자석분말은, 재결정그대로의 R-Fe-B계 영구자석분말보다도 부식되기 쉬워서, 이 R-Fe-B계 영구자석분말을 공장 등의 고온 다습한 환경에서 장기간 보관하면, 전기한 R- Fe-B계 영구자석분말의 표면이 부식하여 자기특성이 저하한다.

그래서 본 발명자들은, 전기한 열간소성가공을 실시하지 않고 안정되고 우수한 자기적 이방성을 갖는 재결정집합조직의 R-Fe-B계 영구자석분말을 제조하기 위한 연구를 한 결과, 다음의 2가지를 알게 되었다.

(a) Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상의 합계량 0.001-5.0%(%는 원자%, 이하 %는 원자%를 표시한다.)를 함유하는 R₂Fe₁₄B형상을 주상으로 하는 재결정집합조직을 갖는 R-Fe-B계 영구자석분말은 열간소성가공을 하지 않아도 우수한 자기적 이방성을 나타내고, 또한, 우수한 내식성도 나타낸다.

(b) 전기한 재결정집합조직을 구성하는 각각의 재결정입자의 최소지름을 a, 최대지름을 b로 하면, b/a2와 같은 형상이 되는 재결정입자로 구성되는 재결정집합조직을 갖는 R-Fe-B계 영구자석분말은 내식성이 한층 뛰어나고 있다.

이 발명은 이러한 발견을 기초로 하여 이루어진 것으로서, 다음의 2가지의 특징이 있다.

(1) R-Fe-B계 영구자석분말의 각각의 분말이 R을 10-20%, B를 3-20%를 함유하고,

Ti, V, Nb, Ta, Al, 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상의 합계량 0.001-5.0%를 함유하며, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 된 조성과, 평균재결정입자지름 0.05-20μm 및 각각의 재결정입자의 최소지름(a)과 최대지름 (b)과의 비 b/a의 값이 2보다 작은 형상을 갖는 재결정입자로 구성되고, 정방정 구조를 취한 R₂Fe₁₄B형 금속간화합물상을 주상으로 하는 재결정집합조직으로 이루어지는, 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말.

(2) 전기한 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말을 사용하여 제조한 접합자석.

이 발명의 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말은, 용해주조하여 Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상을 함유하는 소정의 성분조성을 갖는 R-Fe-B계 모합금을 제조하고, 이 R-Fe-B계 모합금을 수소가스 분위기 중에서 온도를 상승시켜, 온도500-1000℃의 수소가스 분위기중 또는 수소가스와 불활성가스의 혼합가스 분위기중에서 열처리하고, 이어서, 온도 500-1000℃ 수소가스압력 1Torr 이하의 진공분위기 또는 수소가스분합 1Torr 이하의 불활성가스 분위기가 될 때까지 탈수소처리한 후, 냉각함으로써, 제조된다.

전기한 R-Fe-B계 모합금을 온도 600-1200℃로 균질화처리하는 공정 및 전기한 탈수소처리공정을 거친 후, 온도 300-1000℃로 열처리하는 공정을 추가함으로써, 한층 우수한 자기적 이방성 및 내식성을 갖는 R-Fe-B계 영구자석분말을 제조할 수가 있다.

이와같이 하여 제조된 이 발명의 R-Fe-B계 영구자석분말의 조직은, 입자의 내부 및 입자의 경계부에 불순물이나 변형이 없는 R2Fe14B형 금속관 화합물상의 재결정입자가 집합한 재결정집합조직으로 구성되어 있다.

이 재결정집합조직을 구성하는 재결정입자의 평균재결정입자지름은 0.05-20μm의 범위내에 있으면 충분하지만, 단자구(單磁區, domain) 입자지름의 치수 (약 0.3μm)에 가까운 0.05-3μm의 범위 내에 있는 것이 더욱 바람직하다.

전기한 치수를 갖는 각각의 재결정입자는 최소지름( a )과 최대지름( b )의 비가 b/a2 가 되는 형상을 갖는 것이 바람직하고, 이 형상을 갖는 재결정입자는 각각의 분말조직의 모든 재결정입자의 50용량% 이상 함유할 필요가 있다.

전기한 최소지름( a )과 최대지름( b )의 비 b/a가 2보다 작은 재결정입자의 형상을 갖게 되므로써, R-Fe-B계 영구자석분말의 보자력(保磁力)이 개선되고, 또, 내식성도 향상되어, 종래의 열간소성가공을 하여 얻어진 자기적 이방성을 갖는 R-Fe-B계 영구자석분말보다도 내식성에서 우수하고, 자기적 이방성에 산포가 없으며, 수율이 좋고, 안정되어, 우수한 자기특성을 얻을 수 있다.

또, 이와 같이 하여 제조된 이 발명의 R-Fe-B계 영구자석분말의 재결정 조직은 입계상(粒界相)이 거의 존재하지 않아, 실질적으로 R₂Fe₁₄B형 금속간화합물상만으로 구성된 재결정집합조직을 갖게 되므로, 입계상이 없는 못만큼 자화값을 높힐 수 있으며, 또, 입계상을 개재하여 진행되는 부식을 억제하고, 또한, 열간소성가공에의한 응력변형도 없으므로, 응력부식의 가능성도 적고, 내식성이 향상되는 것이라고 생각된다.

따라서, 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 이 발명의 R-Fe-B계 영구자석 분말을 사용하여 제조한 접합자석도 우수한 자기적 이방성 및 내식성을 갖게 되는 것이다.

다음에 이 발명의 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말의 성분조성 및 평균 재결정입자지름을 전기와 같이 한정한 이유에 대해서 설명한다.

( a ) R

R은 Nd, Pr, Tb, Dy, La, Ce, Ho, Er, Eu, Sm, Gd, Tm, Yb, Lu 및 Y 중의 1종류 또는 2종류 이상의 원소를 나타내는 것이며 일반적으로 Nd를 주체로 하고, 이것에 그밖의 회로류원소를 첨가하여 사용되지만, 특히 Td, Dy 및 Pr은 보자력 iHc를 향상시키는 효과가 있고, R의 함유량이 10%보다 낮아도, 또, 20%보다 높아도 영구자석분말의 보자력이 저하하고, 우수한 자기특성을 얻을 수 없다. 따라서, R의 함유량은 10-20%의 범위로 하였다.

(b)B

B의 함유량이 3%보다 낮아도, 또, 20%보다 높아도 영구자석분말에 보자력이 저하하여, 우수한 자기특성을 얻을 수 없기 때문에, B의 함유량은 3-20%의 범위로 하였다.

또, B의 일부로 N, P, F, C종의 1종류 또는 2종류로 바꾸어놓아도 좋다.

(c) Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si는 R -Fe-B계 영구자석분말의 성분으로서 함유되고, 보자력을 향상시키고, 또, 우수한 자기적 여방성 및 내식성을 안정적으로 부여하는 작용을 하지만, Ti, V, Nd, Ta, Al 및 Si종의 1종류 또는 2종류 이상의 합계함유량은 0.001% 미만으로는 소망의 효과를 얻을 수 없고, 반면에, 5.0%를넘어 함유하면 자기특성이 저하한다.

따라서, Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상의 합계함유량은 0.001-5.0% 범위로 하였다.

또, Co, Ni, Cu, Zn, Ca, Ge, Zr, Mo, Hf, W중의 적어도 1종류를 0.001-5.0% 함유하여도 우수한 자기적 여방성 및 내식성을 갖는 R-Fe-B계 영구자석분말을 얻을 수 있다.

(d)평균재결정입자지름

R-Fe-B계 영구자석분말의 각각의 분말조직을 구성하는 재결정입자의 평균재결정입자지름이 0.05μm 보다 작으면 자화시키기가 곤란해지므로 바람직하지 않고, 반면에 20μm보다 크면 보자력이나 각형성이 저하하여 우수한 자기특성을 얻을 수 없으므로 바람직하지 않다.

따라서, 평균재결정입자지름은 0.05-20μm이 범위로 하였다.

이 경우, 평균재결정입자지름은 단자구 입자지름에 가까운 0.05-3m가 더욱 바람직하다.

이상 R-Fe-B계 영구자석분말에 대해서는 설명했지만, 전기한 한정범위는 전기한 R-Fe-B계 영구자석분말에 한정되지 않고, 전기한 R-Fe-B계 영구자석분말로 제조된 R-Fe-B계 접합자석에 대해서도 해당되는 것이다.

[실시예]

이 발명을 실시예 및 비교예에 의거하여 구체적으로 설명한다.

실시예1-46, 비교예1-14, 및 종래에1-2

플라즈마용해법으로 융해해서 주조하여 얻어진 표1에 표시된 Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상을 함유하는 각종 합금잉고트(合金 ingot)와 전기한 Ti, V, Nb, Ta, Al, Si중의 어느 것도 함유하지 않는 합금잉고트를 각각 알곤가스 분위기중에서, 온도1140℃의 상태로 20시간을 유지하면서 균질화처리를 한 후, 이 균질화처리된 합금잉고트를 약 20mm크기의 육면체로 절단하여, 원료합금으로 하였다.

이 원료합금을 1기압의 수소분위기 중에서 실온으로부터 840℃까지 가열하고, 이 상태에서4 시간동안 일처리를 한 후,이어서 830℃에서 진공도 1×10^-1Torr이하가 될 때까지 탈수소를 한 후, 알곤가스를 유입시켜서 급냉시켰다. 이러한 탈수소처리를 끝낸후, 650℃ 알곤가스 분위기중에서 일처리를 하였다.

얻어진 원료합금을 유발(乳鉢)로 가볍게 분쇄하여, 평균입도 40μm인 실시에1-46, 비교예1-14 및 종래예1의 자석분말을 얻었다.

또, 전기한 종래예1의 탈수소처리를 끝낸 원료합금의 일부를 다시 680℃ 1×10^-3Torr의 진공상태에서 밀도비 98%까지 고온압축하고, 계속해서 750℃에서 높이의 1/4이 될 때까지 소성가공을 한 후, 이 입방체를 평균입자지름40μm의 크기로 분쇄하여, 종래예2의 자석분말을 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 전기한 실시예1-46, 비교예1-14 및 종래의 1-2의 R-Fe-B계 영구자석분말의 평균재결정입자지름 및 최대지름/최소지름이 2보다 작은 재결정입자의 함유량(용량%)을 측정한 후, 이들 R-Fe-B계 영구자석분말을 선별하여 입자지름 50-420μm범위의 분말입자만을 선택하고, 이들 분말을 각각 100g씩 취(取)하여 온도 80℃, 습도 95%의 분위기속에서 1000시간동안 방치하는 습윤시험을 실시한 후, 분말의 산화에 의한 중량변화를 측정하여 중량변화율(중량%)로 고쳐서 그 결과를 표1에 표시하였다.

전기한 실시예1-46, 비교예1-14 및 종래예1-2의 R-Fe-B계 영구자석분말을 3.0중량%의 에폭시수지와 혼합하여, 25koe의 횡자장(橫磁場) 및 무자장(無磁場)상태에서 6Ton/㎠의 압력으로 프레스성형한 후, 계속해서 온도 120℃의 상태에서 두시간동안 열경화처리를 하여, 실시예1-46, 비교예1-14 및 종래예1-2의 접합자석을 제조하고, 전기한 횡자장상태에서 프레스성형하여 얻어진 본드자석 및 무자장상태에서 프레스성형하여 얻어진 본드자석의 자기특성을 각각 측정, 비교하여, 자기적 이방성을 평가하였다.

표1의 결과로, 이 발명의 Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si중의 1종류 또는 2종류 이상을 포함하는 R-Fe-B계 영구자석분말을 실시예1-46의 횡자장상태에서 프레스성형하여 얻어진 본드자석과 비교하여, 자기특성, 특히 최대에너지적(energy積) (BHmax) 및 잔류자속밀도(Br)가 우수하고, 자기적 이방성이 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

그러나 비교예1-14에 표시되듯이, Ti, V, Nb, Ta, Al 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상의 함유량이 이 발명의 조건에서 벗어나면 자기적 이방성이 저하되고, 평균재결정입자지름 또는 R과 B과 이 발명의 조건에서 벗어나면(표1에서 이 발명의 조건에서 벗어난 값에 ※표를 붙혀 표시하였다.)

자기특성이 저하되며, 종래예1에서 볼 수 있듯이, Ti, V, Nb, Ta, Al, Si을 그 어느 것도 함유하지 않는 것은 같은 제조조건으로는 충분한 자기적 이방성을 갖지 못하는 동시에, 내식성이 뒤떨어지며, 또한, 자기적 이방성을 갖게하기 위한 열간소성가공을 실시해서 재결정입자를 편평화하여, 재결정입자의 최대지름/최소지름의 값이 2미만인 재결정입자가 약 40용량%밖에 존재하지 않는 종래예2의 R-Fe-B계 영구자석분말은, 실시예1-46의 Ti, V, Nb, Ta, Al, 및 Si 중의 1종류 또는 2종류이상을 함유하는 R-Fe-B계 영구자석분말과 비교하여, 자기적 이방성은 별로 뒤떨어지는 것은 아니지만, 습윤시험에 의한 중량 변화율이 커지므로 내식성이 저하되고 있는것도 알 수 있다.

이 발명은, Ti, V, Nb, Ta, Al, Si 중의 1종류 또는 2종류 이상을 함유시키므로써, H₂처리법만으로 자기적 이방성 및 내식성이 현저하게 우수한 R-Fe-B계 영구자석분말을 얻을 수 있기 때문에, 종래와 같은 열간소성가공등의 자기적이방화 방법을 취할 필요가 없고, 제조비용을 대폭 삭감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. Y를 함유하는 희토류원소중의 적어도 1종류(이하 R로 표시한다.)와 Fe, B,를 주성분으로 하는 R-Fe-B계 영구자석분말의 각각의 분말이, 원자백분율에서

   R : 10-20%

   B : 3-20%

   Ti, V, Nb, Ta, Al, 및 Si 중의 1종류 또는 2종류 이상의 합계량 0.001-5.0%를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 된 조성과, 정방정구조로 된 R2Fe14B형 금속간 화합물을 주상으로 한 재결정입자가 집합한 재결정집합조직을 갖고, 전기한 재결정집합조직은, 각각의 재결정입자의 최소지름( a )과 최대지름( b )의 비 b/a의 값이 2미만인 형상의 재결정입자가 전체 재결정입자의 50용량% 이상 차지하고, 또한 전기한 재결정집합조직을 구성하는 재결정입자의 평균재결정입자지름이 0.05-20μm인 것을 특징으로 하는, 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 희토류 - Fe- B계 영구자석분말.
2. 제1항에 있어서 전기한 평균 재결정입자지름이 바람직하게는 0.05-3μm인 것을 특징으로 하는, 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 희토류 - Fe- B계 영구자석분말.
3. 제1항 또는 2항에 있어서, 전기한 재결정입자가 집합한 재결정집합조직이 실질적으로 R₂Fe₁₄B형 금속간 화합물상만으로 이루어지는 것을 특징으로하는, 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 희토류 - Fe- B계 영구자석분말.
4. 제1항 또는 2항, 3항에 있어서, 자기적 이방성 및 내식성이 우수한 희토류- Fe- B계 영구자석분말로 제조된 것을 특징으로 하는, 희토류- Fe- B계 접합자석.