KR100392806B1

KR100392806B1 - 자석 분말 및 결합 자석

Info

Publication number: KR100392806B1
Application number: KR10-2001-0021808A
Authority: KR
Inventors: 아라이아키라; 가토히로시
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2003-07-28
Also published as: US6660178B2; CN1321989A; US20020023697A1; CN1196143C; KR20010098804A; EP1150308A3; JP2002015906A; JP3277932B2; EP1150308A2; TW490685B

Abstract

본 발명은 기계적 강도가 크고, 자기 특성이 우수한 결합 자석을 얻을 수 있는 자석 분말을 제공한다. 본 발명의 자석 분말은 적어도 희토류 원소와 전이 금속으로 구성되며, 그 표면의 적어도 일부에 복수개의 볼록부 또는 홈을 갖는다. 자석 분말의 평균 입경을 a ㎛라고 했을 때 상기 볼록부 또는 홈의 길이는 a/40 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 상기 볼록부 또는 홈은 대략적으로 평행하게 배열되어 있으며, 그 평균 피치가 0.5 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.

Description

자석 분말 및 결합 자석{MAGNETIC POWDER AND BONDED MAGNET}

본 발명은 자석 분말 및 결합 자석에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자석 분말 및 상기 자석 분말로부터 제조된 결합 자석에 관한 것이다.

모터 등의 소형화를 꾀하기 위해서는 그 모터에 사용될 때의(실질적인 퍼미언스(permeance)에 있어서의) 자석의 자속 밀도가 높을 것이 요구된다. 결합 자석의 자속 밀도를 결정하는 인자로서는 자석 분말의 자화 값과 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량(함유율)이 있다. 따라서, 자석 분말 자체의 자화가 그다지 높지 않을 경우에는 결합 자석 중의 자석 분말 함유량을 극단적으로 높이지 않으면 충분한 자속 밀도를 얻을 수 없다.

그런데, 현재 고성능의 희토류 결합 자석으로서 사용되고 있는 것으로서는 희토류 자석 분말인 R-TM-B계 자석 분말(단, R은 1종 이상의 희토류 원소, TM은 1종 이상의 전이 금속)을 사용한 등방성 결합 자석이 대부분을 차지하고 있다. 등방성 결합 자석은 이방성 결합 자석과 비교하여 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 결합 자석의 제조시 자장 배향이 불필요하기 때문에 제조 공정이 간단하며, 그 결과 제조 비용이 저렴해지는 것이다. 그러나 이 R-TM-B계 자석 분말을 사용한 등방성 결합 자석으로 대표되는 종래의 등방성 결합 자석에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

(1) 종래의 등방성 결합 자석에서는 자속 밀도가 불충분하였다. 즉, 사용되는 자석 분말의 자화가 낮기 때문에 결합 자석 중의 함유량(함유율)을 늘리지 않으면 안되었지만, 자석 분말의 함유량을 늘리면 결합 자석의 성형성이 나빠지기 때문에 한계가 있었다. 또한, 성형 조건의 고안 등에 의해 자석 분말의 함유량을 늘렸다고 해도 역시 얻어지는 자속 밀도에는 한계가 있어 이로 인해 모터의 소형화를 꾀할 수 없었다.

(2) 나노콤포지트 자석에서 잔류 자속 밀도가 높은 자석도 보고되어 있지만, 그 경우에는 반대로 보자력이 지나치게 작아 실용적인 모터로서 얻을 수 있는 자속 밀도(실제 사용시의 퍼미언스에 있어서의 자속 밀도)가 매우 낮은 것이었다. 또한, 보자력이 작기 때문에 열적 안정성도 떨어졌다.

(3) 결합 자석의 기계적 강도가 낮았다. 즉, 자석 분말의 자기 특성이 낮기 때문에 이를 보충하기 위해 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량을 늘리지 않으면 안되어(즉, 결합 자석의 밀도를 극단적으로 고밀도화하게 되어), 그 결과 결합 자석은 기계적 강도가 떨어지게 되었다.

본 발명의 목적은 기계적 강도가 크고, 자기 특성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말 및 결합 자석을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노콤포지트 조직)의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노콤포지트 조직)의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노콤포지트 조직)의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 자석 분말에 형성된 볼록부 또는 홈의 형상의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 자석 분말에 형성된 볼록부 또는 홈의 형상의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 자석 분말의 전자 현미경 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 자석 분말 2: 볼록부

10: 연질 자성상 11: 경질 자성상

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 희토류 원소와 전이 금속을 포함하는 자석 분말로서, 그 표면의 적어도 일부에 복수개의 볼록부 또는 홈을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 기계적 강도가 크고, 자기 특성이 우수한 자석을 얻을 수 있는 자석 분말을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 자석 분말에 있어서는 자석 분말의 평균 입경을 a ㎛라고했을 때, 상기 볼록부 또는 홈의 평균 길이가 a/40 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다.

또한, 상기 볼록부의 평균 높이 또는 홈의 평균 깊이는 0.1 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다.

또한, 상기 볼록부 또는 홈이 대략적으로 평행하게 배열되어 있으며, 그 평균 피치는 0.5 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 자석 분말은 냉각 롤을 사용하여 제조된 리본형 자석 재료를 분쇄해서 얻어진 것이 바람직하다. 이에 따라 자기 특성, 특히 보자력이 우수한 자석을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 자석 분말은 평균 입경이 5 내지 300 ㎛인 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 자석 분말은 자석 분말의 전체 표면적에 대하여 상기 볼록부 또는 홈이 형성된 부분의 면적이 차지하는 비율이 15 % 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다.

또한, 상기 자석 분말은 그 제조 과정에서 또는 제조 후에 1회 이상의 열처리가 행해진 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 자기 특성을 갖는 자석을제공할 수 있다.

또한 본 발명의 자석 분말은 연질 자성상과 경질 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다. 이 경우 상기 경질 자성상 및 연질 자성상의 평균 결정 입경은 모두 1 내지 100 nm인 것이 바람직하다. 이에 따라 자기 특성, 특히 보자력 및 각형성이 우수한 자석을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 상기한 자석 분말을 결합 수지로 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 결합 자석에 관한 것이다. 이러한 결합 자석에 따르면 기계적 강도가 크고, 자기 특성이 우수한 결합 자석을 제공할 수 있다.

이 경우, 상기 결합 자석은 온간 성형에 의해 제조된 것이 바람직하다. 이에 따라 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 향상됨과 동시에 결합 자석 중의 빈 공극률이 낮아진다. 그 결과 고밀도의 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 결합 자석을 제공할 수 있다.

또한, 상기 결합 자석은 자석 분말의 상기 대략적으로 평행하게 배열된 볼록부 사이 또는 대략적으로 평행하게 배열된 홈 내에 결합 수지가 매입되도록 되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 결합 자석을 제공할 수 있다.

또한, 상기 결합 자석은 실온에서의 고유 보자력 H_CJ가 320 내지 1200 kA/m인 것이 바람직하다. 이에 따라 내열성, 착자성이 우수하고, 충분한 자속 밀도를 갖는 자석을 제공할 수 있다.

또한, 상기 결합 자석은 최대 자기 에너지곱(BH)_max이 40 kJ/㎥ 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라 소형이면서 고성능의 모터를 얻을 수 있다.

또한, 상기 결합 자석은 상기 자석 분말의 함유량이 75 내지 99.5 중량%인 것이 바람직하다. 이에 따라 우수한 성형성을 유지하면서 우수한 기계적 강도, 자기 특성을 갖는 결합 자석을 얻을 수 있다.

또한, 상기 결합 자석은 펀칭 전단 시험에 의해 측정되는 기계적 강도가 50 MPa 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라 특히 우수한 기계적 강도를 갖는 결합 자석을 얻을 수 있다.

상술한 또는 그 이외의 본 발명의 목적, 구성 및 효과는 도면에 기초한 이하의 실시예의 설명으로부터 명확해진다.

이하, 본 발명의 자석 분말 및 결합 자석의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 자석 분말은 희토류 원소와 전이 금속을 포함하는 합금 조성을 갖는다. 그 중에서도 다음의 [1] 내지 [5]의 조성을 갖는 것이 바람직하다.

[1] Sm을 주로 하는 희토류 원소와 Co를 주로 하는 전이 금속을 기본 성분으로 하는 것(이하, Sm-Co계 합금이라고 함).

[2] R(단, R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중 1종 이상)과 Fe를 주로 하는 전이 금속(TM)과 B를 기본 성분으로 하는 것(이하, R-TM-B계 합금이라고 함).

[3] Sm을 주로 하는 희토류 원소와 Fe를 주로 하는 전이 금속과 N을 주로 하는 격자간 원소를 기본 성분으로 하는 것(이하, Sm-Fe-N계 합금이라고 함).

[4] R(단, R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중 1종 이상)과 Fe 등의 전이 금속을 기본 성분으로 하고, 연질 자성상과 경질 자성상의 상이 인접하여(입계상을 통해 인접하는 경우도 포함) 존재하는 복합 조직(특히, 나노콤포지트 조직이라고 불리우는 것)을 갖는 것.

[5] 상기 [1] 내지 [4]의 조성 중, 2종 이상을 혼합한 것. 이 경우, 혼합하는 각 자석 분말의 이점을 겸비할 수 있으며 보다 우수한 자기 특성을 쉽게 얻을 수 있다.

Sm-Co계 합금의 대표적인 것으로서는 SmCo₅, Sm₂TM₁₇(단, TM은 전이 금속)을 들 수 있다.

R-Fe-B계 합금의 대표적인 것으로서는 Nd-Fe-B계 합금, Pr-Fe-B계 합금, Nd-Pr-Fe-B계 합금, Nd-Dy-Fe-B계 합금, Ce-Nd-Fe-B계 합금, Ce-Pr-Nd-Fe-B계 합금, 이들의 Fe의 일부를 Co, Ni 등의 다른 전이 금속으로 치환한 것 등을 들 수 있다.

Sm-Fe-N계 합금의 대표적인 것으로서는 Sm₂Fe₁₇합금을 질화하여 제작한 Sm₂Fe₁₇N₃, TbCu₇형 상을 주된 상으로 하는 Sm-Zr-Fe-Co-N계 합금을 들 수 있다. 단, 이들 Sm-Fe-N계 합금의 경우, N은 급냉 리본을 제작한 후, 얻어진 급냉 리본에 적절한 열처리를 행하여 질화함으로써 격자간 원자로서 도입되는 것이 일반적이다.

상기 희토류 원소로서는 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho,Er, Tm, Yb, Lu, 도금 금속을 들 수 있으며, 이들을 1종 또는 2종 이상 포함할 수 있다. 또한, 상기 전이 금속으로서는 Fe, Co, Ni 등을 들 수 있으며, 이들을 1종 또는 2종 이상 포함할 수 있다.

또한, 보자력, 최대 자기 에너지곱 등의 자기 특성을 향상시키기 위해서, 또는 내열성, 내식성을 향상시키기 위해서 자석 재료 중에는 필요에 따라 Al, Cu, Ga, Si, Ti, V, Ta, Zr, Nb, Mo, Hf, Ag, Zn, P, Ge, Cr, W 등을 함유할 수도 있다.

상기 복합 조직(나노콤포지트 조직)은 연질 자성상(10)과 경질 자성상(11)이 예를 들면, 도 1, 도 2 또는 도 3에 나타낸 패턴(모델)으로 존재하며, 각 상의 두께나 입경이 나노미터 수준으로 존재한다. 그리고, 연질 자성상(10)과 경질 자성상(11)의 상이 인접하여(입계상을 통해 인접하는 경우도 포함) 자기적인 교환 상호 작용을 일으킨다.

연질 자성상의 자화는 외부 자계 작용에 의해 쉽게 그 방향을 바꾸기 때문에, 경질 자성상에 혼재되면 계 전체의 자화 곡선은 B-H 도(J-H 도)의 제2 상현에서 단이 있는 "뱀형 곡선"이 된다. 그러나, 연질 자성상의 크기가 수십 nm 이하로 충분히 작은 경우에는 연질 자성체의 자화가 주위 경질 자성체 자화와의 결합에 의해 충분히 강하게 구속되어, 계 전체가 경질 자성체로서 작용하게 된다.

이러한 복합 조직(나노콤포지트 조직)을 갖는 자석은 주로 이하에 예를 드는 (1) 내지 (5)의 특징을 갖고 있다.

1) B-H 도(J-H 도)의 제 2 상현에서 자화가 가역적으로 스프링 백(springback)한다(이러한 의미로 "스프링 자석"이라고도 함).

2) 착자성이 좋고, 비교적 낮은 자장에서 착자될 수 있다.

3) 자기 특성의 온도 의존성이 경질 자성상 단독의 경우와 비교하여 작다.

4) 자기 특성의 경시 변화가 작다.

5) 미분쇄해도 자기 특성이 열화하지 않는다.

이와 같이, 복합 조직으로 구성되는 자석은 우수한 자기 특성을 갖는다. 따라서, 자석 분말은 이러한 복합 조직을 갖는 것이 특히 바람직하다.

또한, 도 1 내지 도 3에 나타낸 패턴은 일례로서, 이들로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 자석 분말은 그 표면의 적어도 일부에 복수개의 볼록부 또는 홈을 갖고 있다. 이에 따라 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

이러한 자석 분말을 결합 자석 제조에 사용했을 경우, 결합 수지가 홈 내(또는 볼록부 사이)에 매입된다. 이에 따라 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 향상되고, 결합 수지량이 비교적 적더라도 높은 기계적 강도를 얻을 수 있다. 따라서, 자석 분말의 함유량(함유율)을 늘리는 것이 가능하며, 결과적으로 높은 자기 특성의 결합 자석을 얻을 수 있다.

또한, 자석 분말 표면에 볼록부 또는 홈이 설치되어 있기 때문에 자석 분말과 결합 수지의 혼련시 등에 있어서 두 물질의 접촉성(습윤성)이 향상된다. 따라서, 혼련물은 결합 수지가 자석 분말의 주위를 덮는 상태가 되기 쉬우며, 결합 수지량이 비교적 적어도 양호한 성형성을 얻을 수 있다.

이러한 효과에 의해 높은 기계 강도, 높은 자기 특성의 결합 자석을 양호한 성형성으로 제조할 수 있게 된다.

자석 분말의 평균 입경을 a ㎛(a의 바람직한 값에 대해서는 후술함)라고 했을 때 볼록부 또는 홈의 길이는 a/40 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, a/30 ㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다.

볼록부 또는 홈의 길이가 a/40 ㎛ 미만이면 자석 분말의 평균 입경 a의 값 등에 따라서는 상술한 본 발명의 효과가 충분하게 발휘되지 않는 경우가 있다.

볼록부의 평균 높이 또는 홈의 평균 깊이는 0.1 내지 10 ㎛인 것이 바람직하고, 0.3 내지 5 ㎛인 것이 보다 바람직하다.

볼록부의 평균 높이 또는 홈의 평균 깊이가 이러한 범위의 값이면, 자석 분말을 결합 자석 제조에 사용했을 때 볼록부 사이 또는 홈 내에 결합 수지가 필요한 만큼 충분하게 매입됨으로써 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 한층 더 향상되고, 얻어지는 결합 자석의 기계적 강도, 자기 특성이 더욱 향상된다.

볼록부 또는 홈은 임의의 방향으로 형성된 것일 수도 있지만, 일정한 방향성을 갖고 대략적으로 평행하게 배열된 것이 바람직하다. 볼록부 또는 홈은 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이 복수개의 볼록부(2) 또는 홈이 거의 평행하게 대략적으로 평행하게 배열된 것일 수도 있고, 도 5에 나타낸 바와 같이 두 방향으로 연장되어 이들이 서로 교차되는 것일 수도 있다. 또한, 볼록부 또는 홈은 주름형으로 형성된 것일 수도 있다. 또한, 예를 들면 볼록부(또는 홈)가 어느 정도의 방향성을 갖고 존재하는 경우 볼록부(또는 홈)의 길이, 높이(또는 홈의 깊이), 형상 등은 개개의 볼록부(또는 홈)에 대하여 불규칙적일 수도 있다.

대략적으로 평행하게 배열된 볼록부(2) 또는 대략적으로 평행하게 배열된 홈의 평균 피치는 0.5 내지 100 ㎛인 것이 바람직하고, 3 내지 50 ㎛인 것이 보다 바람직하다.

대략적으로 평행하게 배열된 볼록부(2) 또는 대략적으로 평행하게 배열된 홈의 평균 피치가 이러한 범위의 값이면, 상술한 본 발명의 효과가 특히 현저해진다.

볼록부(2) 또는 홈이 형성된 면적은 자석 분말(1)의 전체 표면적의 15 % 이상인 것이 바람직하고, 25 % 이상인 것이 보다 바람직하다.

볼록부(2) 또는 홈이 형성된 면적이 자석 분말(1)의 전체 표면적의 15 % 미만이면, 상술한 본 발명의 효과가 충분하게 발휘되지 않는 경우가 있다.

자석 분말(1)의 평균 입경 a는 5 내지 300 ㎛인 것이 바람직하고, 10 내지 200 ㎛인 것이 보다 바람직하다. 자석 분말(1)의 평균 입경 a가 하한치 미만이면 산화에 따른 자기 특성의 감소가 현저해진다. 또한, 발화의 우려가 있는 등 취급상의 문제도 발생한다. 한편, 자석 분말(1)의 평균 입경 a가 상한치를 넘으면, 후술하는 결합 자석을 제조할 경우 혼련시, 성형시 등에 있어서 조성물의 유동성을 충분하게 얻지 못할 가능성이 있다.

또한, 결합 자석의 성형시 보다 양호한 성형성을 얻기 위해서 자석 분말의 입경 분포는 어느 정도 분산되어 있는(불규칙적인) 것이 바람직하다. 이에 따라 얻어진 결합 자석의 빈 공극률을 감소시킬 수 있고, 그 결과 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량을 동일하게 했을 때 결합 자석의 밀도나 기계적 강도를 보다 높일수 있으며, 자기 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 평균 입경 a는 예를 들면 F.S.S.S.(Fischer Sub-Sieve Sizer)법에 의해 측정할 수 있다.

자석 분말에 대해서는 예를 들면, 비정질 조직(무정형 조직)의 재결정화 촉진, 조직의 균질화 등을 목적으로서 그 제조 공정 또는 제조 후에 1회 이상의 열처리를 행할 수도 있다. 이 열처리의 조건으로서는 예를 들면 400 내지 900 ℃에서 0.2 내지 300분 정도로 할 수 있다.

또한, 이 열처리는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하(예를 들면 1×10^-1내지 1×10^-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스와 같은 비산화성 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 자석 분말은 평균 결정 입경이 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 200 nm 이하인 것이 보다 바람직하며, 10 내지 120 nm 정도가 더욱 바람직하다. 평균 결정 입경이 500 nm를 넘으면 자기 특성, 특히 보자력 및 각형성 향상 효과를 충분하게 꾀하지 못하는 경우가 있다.

특히, 자석 재료가 상기 [4]와 같은 복합 조직을 갖는 경우, 평균 결정 입경 은 1 내지 100 nm인 것이 바람직하며, 5 내지 50 nm인 것이 보다 바람직하다. 평균 결정 입경이 이러한 범위의 크기이면, 연질 자성상(10)과 경질 자성상(11) 사이에서 보다 효과적으로 자기적인 교환 상호 작용을 일으켜 현저한 자기 특성 향상이 확인된다.

이러한 자석 분말은 그 표면의 적어도 일부에 볼록부 또는 홈이 형성되어 있으면 어떠한 방법으로 제조된 것이든 상관없지만, 금속 조직(결정립)을 비교적 쉽게 미세화할 수 있고, 자기 특성, 특히 보자력 등을 향상시키는 데 유효하다는 점에서 냉각 롤을 사용한 급냉법으로 제조된 리본형 자석 재료(급냉 리본)를 분쇄하여 얻어진 것이 바람직하다.

이 경우, 급냉 리본의 롤 면(급냉 리본이 냉각 롤과 접촉하는 면)의 일부를 구성하고 있던 면을 갖는 분말에만 볼록부 또는 홈이 형성된다. 급냉 리본에서 얻어진 분말이라도 그러한 면을 갖지 않는 분말은 상기와 같은 볼록부 또는 홈을 갖지 않는다.

이 경우, 급냉 리본의 분쇄 방법은 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 볼 밀, 진동 밀, 제트 밀, 핀 밀 등의 각종 분쇄 장치, 파쇄 장치를 이용하여 행할 수 있다. 이 분쇄는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하(예를 들면 1×10^-1내지 1×10^-6Torr) 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스와 같은 비산화성 분위기 중에서 행할 수도 있다.

또한, 이러한 볼록부 또는 홈을 갖는 자석 분말은 합금 조성, 냉각 롤의 표면 재질, 표면 성상, 냉각 조건 등을 적절하게 설정함으로써 형성할 수도 있지만, 볼록부 또는 홈의 형상 등을 제어하여 확실하게 형성하기 위해서는 냉각 롤의 둘레면 상에 홈 또는 볼록부를 형성하고, 이것을 급냉 리본에 전사하는 것이 바람직하다.

이와 같이 둘레면 상에 홈 또는 볼록부가 형성된 냉각 롤을 사용했을 경우, 단일 롤 공정에서는 얻어지는 급냉 리본의 적어도 한쪽 면에 상술한 볼록부 또는 홈을 형성할 수 있다. 또한, 이중 롤 공정에 있어서는 둘레면 상에 홈 또는 볼록부가 형성된 냉각 롤을 두 개 사용함으로써 얻어지는 급냉 리본의 대향하는 각각의 한쌍의 면(양면)에 상술한 볼록부 또는 홈을 형성할 수 있다.

이어서, 본 발명의 결합 자석에 대하여 설명한다.

본 발명의 결합 자석은 상술한 자석 분말을 결합 수지로 결합하여 이루어지는 것이 바람직하다.

결합 수지(결합제)는 열가소성 수지, 열경화성 수지 중 어느 하나일 수 있다.

열가소성 수지로서는 예를 들면 폴리아미드(예: 나일론 6, 나일론 46, 나일론 66, 나일론 610, 나일론 612, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6-12, 나일론 6-66); 열가소성 폴리이미드; 방향족 폴리에스테르 등의 액정 중합체; 폴리페닐렌옥시드; 폴리페닐렌술파이드; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체 등의 폴리올레핀; 변성 폴리올레핀; 폴리카보네이트; 폴리메틸메타크릴레이트; 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르; 폴리에테르; 폴리에테르에테르케톤; 폴리에테르이미드; 폴리아세탈 등; 또는 이들을 주로 하는 공중합체, 블렌드체, 중합체 합금 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

이들 중에서도 성형성이 특히 우수하고, 기계적 강도가 높은 점으로부터 폴리아미드, 내열성 향상의 점에서 액정 중합체, 폴리페닐렌술파이드를 주로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 열가소성 수지는 자석 분말과의 혼련성도 우수하다.

이러한 열가소성 수지는 그 종류, 공중합화 등에 따라 예를 들면 성형성을 중시한 것이나, 내열성, 기계적 강도를 중시한 것과 같이 광범위한 선택이 가능해지는 이점이 있다.

한편, 열경화성 수지로서는, 예를 들면 비스페놀형, 노볼락형, 나프탈렌계 등의 각종 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르(불포화 폴리에스테르) 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

이들 중에서도 성형성이 특히 우수하고 기계적 강도가 높으며, 내열성이 우수한 점으로부터 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지가 바람직하며, 에폭시 수지가 특히 바람직하다. 또한, 이들 열경화성 수지는 자석 분말과의 혼련성, 혼련 균일성도 우수하다.

또한, 사용되는 열경화성 수지(미경화)는 실온에서 액형일 수도, 고형(분말형)일 수도 있다.

이러한 본 발명의 결합 자석은, 예를 들면 다음과 같이 하여 제조된다.

자석 분말과 결합 수지와 필요에 따라 첨가제(산화 방지제, 윤활제 등)를 혼합, 혼련하여 결합 자석용 조성물(컴파운드)을 제조하고, 이 결합 자석용 조성물을 사용하여 압축 성형(프레스 성형), 압출 성형, 사출 성형 등의 성형 방법에 의해 무자장 중에서 원하는 자석 형상으로 성형한다. 결합 수지가 열경화성 수지의 경우에는 성형 후, 가열 등에 의해 경화한다.

이 때, 혼련은 상온하에서 행해질 수도 있지만, 사용되는 결합 수지가 연화를 개시하는 온도 또는 그 이상의 온도에서 행해지는 것이 바람직하다. 특히, 결합 수지가 열경화성 수지의 경우, 결합 수지가 연화를 개시하는 온도 이상의 온도에서 내지는 결합 수지가 경화를 개시하는 온도 미만의 온도에서 혼련되는 것이 바람직하다.

이러한 온도에서 혼련함으로써 혼련의 효율성이 향상되고, 상온에서 혼련하는 경우와 비교하여 보다 단시간에 균일하게 혼련이 가능해짐과 동시에, 결합 수지의 점도가 낮아진 상태에서 혼련되기 때문에 자석 분말과 결합 수지의 밀착성이 향상되고, 자석 분말 표면에 설치된 볼록부 또는 홈 내에도 연화 또는 용융된 결합 수지가 효율적으로 매입된다. 그 결과, 컴파운드 중의 빈 공극률을 작게 할 수 있다. 또한, 컴파운드 중의 결합 수지의 함유량(함유율) 감소에도 기여한다.

또한, 상기 각종 방법에 의한 성형은 상기 결합 수지가 연화 또는 용융 상태가 되는 온도에서 행해지는 것이 바람직하다(온간 성형).

이러한 온도에서 성형함으로써 결합 수지의 유동성이 향상되고, 결합 수지량이 적은 경우에도 높은 성형성을 확보할 수 있다. 또한, 결합 수지의 유동성이 향상됨으로써 자석 분말과 결합 수지의 밀착성이 향상되고, 자석 분말 표면에 설치된 볼록부 사이 또는 홈 내에도 연화 또는 용융된 결합 수지가 효율적으로 매입된다. 따라서, 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 향상됨과 동시에 얻어지는 결합 자석 중의 빈 공극률은 낮아진다. 그 결과, 고밀도의 자기 특성, 기계적 강도가 높은결합 자석을 얻을 수 있다.

기계적 강도를 나타내는 지표 중 하나로서 일본 전자 재료 공업회 표준 규격 "결합 자석의 소형 시험편에 의한 펀칭 전단 시험 방법"(EMAS-7006)에 의한 펀칭 전단 시험에 의해 얻어지는 기계적 강도를 들 수 있는데, 본 발명의 결합 자석에서는 이 기계적 강도가 50 MPa 이상인 것이 바람직하며, 60 MPa 이상인 것이 보다 바람직하다.

결합 자석 중의 자석 분말의 함유량(함유율)은 특별히 한정되지 않으며, 통상은 성형 방법이나 성형성과 고자기 특성과의 양립을 고려하여 결정된다. 구체적으로는 75 내지 99.5 중량% 정도가 바람직하고, 85 내지 97.5 중량% 정도가 보다 바람직하다.

특히, 결합 자석이 압축 성형에 의해 제조된 경우에는 자석 분말의 함유량은 90 내지 99.5 중량% 정도가 바람직하고, 93 내지 98.5 중량% 정도가 보다 바람직하다.

또한, 결합 자석이 압출 성형 또는 사출 성형에 의해 제조된 경우에는 자석 분말의 함유량은 75 내지 98 중량% 정도가 바람직하고, 85 내지 97 중량% 정도가 보다 바람직하다.

본 발명에서는 자석 분말 표면의 적어도 일부에 볼록부 또는 홈이 설치되어 있기 때문에 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 크다. 따라서, 사용하는 결합 수지량을 적게 했을 때에도 높은 기계적 강도를 얻을 수 있다. 따라서, 자석 분말의 함유량(함유율)을 늘리는 것이 가능하며, 결과적으로 높은 자기 특성의 결합 자석을 얻을 수 있다.

결합 자석의 밀도 ρ는 포함되는 자석 분말의 비중, 자석 분말의 함유량, 빈 공극률 등의 요인에 따라 결정된다. 본 발명의 결합 자석에 있어서 그 밀도 ρ는 특별히 한정되지 않지만, 5.3 내지 6.6 Mg/㎥ 정도가 바람직하고, 5.5 내지 6.4 Mg/㎥ 정도가 보다 바람직하다.

본 발명의 결합 자석의 형상, 치수 등은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 형상에 있어서는 원주형, 각기둥형, 원통형(링형), 원호형, 평판형, 만곡판형 등 모든 형상이 가능하며, 그 크기도 대형에서 초소형까지 모든 크기가 가능하다. 특히, 소형화, 초소형화된 자석에 유리한 것은 본 명세서 중에서 자주 설명한 바와 같다.

본 발명의 결합 자석은 보자력(실온에서의 고유 보자력) H_CJ가 320 내지 1200 kA/m인 것이 바람직하며, 400 내지 800 kA/m이 보다 바람직하다. 보자력이 상기 하한치 미만에서는 역자장이 가해졌을 때 소자(demagnetization)가 현저해지며, 또한 고온에서의 내열성이 떨어진다. 또한, 보자력이 상기 상한치를 넘으면 착자성이 저하된다. 따라서, 보자력 H_CJ를 상기 범위로 함으로써 결합 자석(특히, 원통형 자석)에 다극 착자 등을 행할 경우 충분한 착자 자장을 얻지 못하는 경우에도 양호한 착자가 가능해지고, 충분한 자속 밀도를 얻을 수 있어 고성능의 결합 자석을 제공할 수 있다.

본 발명의 결합 자석은 최대 자기 에너지곱(BH)_max이 40 kJ/㎥ 이상인 것이바람직하고, 50 kJ/㎥ 이상인 것이 보다 바람직하며, 70 내지 120 kJ/㎥인 것이 더욱 바람직하다. 최대 자기 에너지곱(BH)_max이 40 kJ/㎥ 미만이면 모터용으로 사용했을 때 그 종류, 구조에 따라서는 충분한 토크를 얻지 못한다.

실시예

이어서, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

실시예 1

냉각 롤을 구비한 급냉 리본 제조 장치를 사용하여 이하에 설명하는 방법으로 합금 조성이 (Nd_0.75Pr_0.2Dy_0.05)_8.9Fe_ba1Co_8.0B_5.7로 표시되는 자석 분말을 얻었다.

냉각 롤로서 그 둘레면 상에 홈이 형성된 것을 준비하였다. 이 홈의 평균 깊이, 평균 길이 및 대략적으로 평행하게 배열된 홈의 평균 피치의 조건이 상이한 5종의 냉각 롤을 준비하였다.

이들 각 냉각 롤을 구비한 급냉 리본 제조 장치를 사용하여 단일 롤 공정에 의해 급냉 리본을 제조하였다.

우선, Nd, Pr, Dy, Fe, Co, B의 각 원료를 칭량하여 모합금 주괴를 주조하였다.

급냉 리본 제조 장치가 수납되어 있는 챔버 안을 탈기시킨 후, 불활성 가스(헬륨 가스)를 도입하여 원하는 온도 및 압력의 분위기로 하였다.

그 후, 모합금 주괴를 용해하여 용탕으로 하고, 더욱 냉각 롤의 둘레 속도를 28 m/초로 하였다. 분위기 가스의 압력을 60 kPa, 용탕의 분사압을 40 kPa로 한후, 용탕을 냉각 롤의 둘레면을 향해 분사하여 급냉 리본을 연속적으로 제작하였다. 얻어진 급냉 리본의 두께는 모두 약 17 ㎛였다.

이렇게 해서 얻어진 각 급냉 리본을 분쇄한 후, 아르곤 가스 분위기 중에서 675 ℃×300초의 열처리를 행함으로써 자석 분말(샘플 No.1 내지 No.5)을 얻었다.

또한, 비교예로서 둘레면이 편평한(홈이나 볼록부를 갖지 않는) 냉각 롤을 사용하여 동일하게 자석 분말을 얻었다(샘플 No.6 내지 No.7).

각 자석 분말의 평균 입경 a의 값을 표 1에 나타내었다.

얻어진 자석 분말에 대하여 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 이들의 표면 형상을 관찰하였다. 샘플 No.1 내지 No.5(본 발명)의 자석 분말 표면에는 각 냉각 롤의 둘레면에 형성된 홈에 대응하는 볼록부가 형성되어 있는 것이 확인되었다. 한편, 샘플 No.6, No.7(모두 비교예)의 자석 분말 표면에는 이러한 볼록부 또는 홈의 존재는 확인되지 않았다.

샘플 No.2(본 발명)의 자석 분말에 대하여 그 전자 현미경 사진을 도 6에 나타내었다.

각 자석 분말 표면에 형성된 볼록부의 높이, 길이 및 대략적으로 평행하게 배열된 볼록부의 피치를 측정하였다. 또한, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 관찰 결과로부터 각 자석 분말에 있어서 전체 표면적에 대하여 볼록부 또는 홈이 형성된 부분의 면적이 차지하는 비율을 구하였다. 이들의 값을 표 1에 나타내었다.

또한, 각 자석 분말에 대하여 그 상 구성을 분석하기 위해 Cu-Kα를 사용하여 회절각(2θ)이 20°내지 60°인 범위에서 X선 회절을 행하였다. 회절 패턴으로부터 경질 자성상인 R₂(Fe·Co)₁₄B형 상과, 연질 자성상인 α-(Fe, Co)형 상의 회절 피크를 확인할 수 있었고, 투과형 전자 현미경(TEM)에 의한 관찰 결과로부터 모두 복합 조직(나노콤포지트 조직)을 형성하고 있는 것이 확인되었다. 또한, 각 자석 분말에 대하여 각 상의 평균 결정 입경을 측정하였다. 이들의 값을 표 1에 나타내었다.

각 자석 분말에 에폭시 수지와 소량의 하이드라진계 산화 방지제를 혼합하고, 이들을 100 ℃×10분간 혼련(온간 혼련)하여 결합 자석용 조성물(컴파운드)을 제작하였다.

이 때, 자석 분말, 에폭시 수지, 하이드라진계 산화 방지제의 배합 비율(중량 비율)은 샘플 No.1 내지 No.6에 대해서는 각각 97.5 중량%, 1.3 중량%, 1.2 중량%로 하고, 샘플 No.7에 대해서는 97.0 중량%, 2.0 중량%, 1.0 중량%로 하였다.

이어서, 이 컴파운드를 분쇄하여 입상으로 하고, 이 입상물을 칭량하여 압축 장치의 금형 내에 충전하고, 무자장 중에서 온도 120 ℃, 압력 600 MPa로 압축 성형(온간 성형)하여 냉각하고 탈형시킨 후, 170 ℃에서 에폭시 수지를 가열 경화시켜 직경 10 mm×높이 7 mm의 원주형 결합 자석(자기 특성, 내열성 시험용)과 10 mm각×두께 3 mm의 평판형 결합 자석(기계적 강도 측정용)을 얻었다. 또한, 평판형 결합 자석은 각 자석 분말마다 5개씩 제작하였다.

샘플 No.1 내지 No.5(본 발명) 및 샘플 No.7(비교예)의 결합 자석은 양호한 성형성으로 제조할 수 있었다.

원주형의 각 결합 자석에 대하여 자장 강도 3.2 MA/m의 펄스 착자를 행한 후, 직류 자기 자속계[도에 고교(주)제조, TRF-5BH]를 사용하여 최대 인가 자장 2.0 MA/m에서 자기 특성(보자력 H_CJ, 잔류 자속 밀도 Br 및 최대 자기 에너지곱(BH)_max)을 측정하였다. 측정시의 온도는 23 ℃(실온)였다.

이어서, 내열성(열적 안정성) 시험을 행하였다. 이 내열성은 각 결합 자석을 100 ℃×1시간의 환경하에서 유지한 후, 실온까지 복귀시켰을 때의 불가역 감자율(초기 감자율)을 측정하여 평가하였다. 불가역 감자율(초기 감자율)의 절대치가 작을수록 내열성(열적 안정성)이 우수하다.

또한, 평판형의 각 결합 자석에 대하여 펀칭 전단 시험에 의해 기계적 강도를 측정하였다. 시험기로는 (주)시마즈 세이사꾸쇼 제조의 오토-그래프를 사용하고 원형 펀치(외경 3 mm)에 의해 전단 속도 1.0 mm/분으로 행하였다.

또한, 기계적 강도를 측정한 후, 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 각 결합 자석의 파단면 상태를 관찰하였다. 그 결과, 샘플 No.1 내지 No.5(본 발명)의 결합 자석에서는 대략적으로 평행하게 배열된 볼록부 사이에 결합 수지가 효율적으로 매입되어 있는 상태가 확인되었다.

자기 특성의 측정, 내열성 시험, 기계적 강도의 측정 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2로부터 명확한 바와 같이 샘플 No.1 내지 No.5(본 발명)의 결합 자석에서는 자기 특성, 내열성, 기계적 강도가 모두 우수하였다.

이에 대하여 샘플 No.6(비교예)의 결합 자석에서는 기계적 강도가 낮고, 샘플 No.7(비교예)의 결합 자석에서는 자기 특성이 낮았다. 이것은 이하와 같은 이유에 따르는 것이라고 추정된다.

샘플 No.1 내지 No.5(본 발명)의 결합 자석에서는 자석 분말 표면에 볼록부가 대략적으로 평행하게 배열되어 있기 때문에 이 볼록부 사이에 결합 수지가 효율적으로 매입된다. 따라서, 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 증대되고 적은 결합 수지량으로도 높은 기계적 강도를 얻을 수 있다. 또한, 사용되는 결합 수지량이 적기 때문에 결합 자석의 밀도가 커지고, 결과적으로 자기 특성도 높아졌다.

이에 대하여 샘플 No.6(비교예)의 결합 자석에서는 사용한 결합 수지의 양은 본 발명의 결합 자석과 동량이지만, 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 본 발명의 결합 자석과 비교하여 낮고 기계적 강도가 저하되어 있었다.

또한, 샘플 No.7(비교예)의 결합 자석에서는 성형성, 기계적 강도를 향상시키기 위해 결합 수지의 함유량(함유율)을 늘렸기 때문에 상대적으로 자석 분말의 함유량(함유율)이 저하하고, 그에 따라 자기 특성이 낮아졌다.

샘플 No.	자석 분말의 평균입경 a(㎛)	볼록부의 평균 높이(㎛)	볼록부의 평균 길이(㎛)	대략적으로 평행하게 배열된볼록부의평균 피치(㎛)	볼록부 또는 홈이 형성된 부분의 면적이 자석 분말의 전체 표면적에서 차지하는 비율(%)	평균 결정 입경(nm)
1(본발명)	25	0.3	6	1.0	17	37
2(본발명)	120	1.5	55	10.0	33	26
3(본발명)	85	2.2	38	35.3	21	31
4(본발명)	160	3.3	70	62.3	39	35
5(본발명)	200	4.5	112	95.1	42	38
6(비교예)	120	-	-	-	-	42
7(비교예)	75	-	-	-	-	40

샘플 No.	자석 분말의 함유율(%)	H_CJ(kA/m)	Br(T)	(BH)_max(kJ/m³)	불가역 감자율 (%)	기계적강도(MPa)
1(본발명)	97.5	533	0.86	102	-4.6	80
2(본발명)	97.5	571	0.88	118	-2.9	83
3(본발명)	97.5	563	0.88	112	-3.1	86
4(본발명)	97.5	550	0.87	107	-3.5	90
5(본발명)	97.5	528	0.86	99	-4.9	92
6(비교예)	97.5	472	0.84	92	-8.5	48
7(비교예)	97.0	512	0.79	80	-5.4	88

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

·자석 분말 표면의 적어도 일부에 볼록부 또는 홈이 설치되어 있기 때문에 자석 분말과 결합 수지의 결착력이 증대되고, 높은 기계적 강도의 결합 자석을 얻을 수 있다.

· 적은 결합 수지량으로도 성형성이 양호하고, 높은 기계적 강도의 결합 자석을 얻을 수 있기 때문에 자석 분말의 함유량(함유율)을 늘릴 수 있고, 또한 빈 공극률도 감소되어 결과적으로 높은 자기 특성의 결합 자석을 얻을 수 있다.

·자석 분말이 연질 자성상과 경질 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성됨으로써 더욱 우수한 자기 특성을 발휘하며, 특히 고유 보자력과 각형성이 향상된다.

·고밀도화가 가능하기 때문에 종래의 등방성 결합 자석과 비교하여 보다 작은 체적의 결합 자석으로 동등 이상의 자기 특성을 발휘할 수 있다.

·자석 분말과 결합 수지의 밀착성이 높기 때문에 고밀도의 결합 자석에 있어서도 높은 내식성을 갖는다.

또한, 본 발명은 상술한 실시예로 한정되는 것이 아니며, 이하의 청구 범위 내에서 여러 가지 변경 및 개질이 가능한 것을 유의해 주기 바란다.

Claims

희토류 원소와 전이 금속을 포함하는 자석 분말로서,

그 표면의 적어도 일부에 복수개의 볼록부 또는 홈이 병설되어 있되, 그 평균 피치가 0.5 내지 95.1 ㎛이고, 상기 자석 분말 평균 입경이 5 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 1 항에 있어서,

자석 분말의 평균 입경을 a ㎛로 했을때, 상기 볼록부 또는 홈의 평균 길이가 a/40 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 1 항에 있어서,

상기 볼록부의 평균 높이 또는 홈의 평균 깊이가 0.1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
삭제
제 1 항에 있어서,

냉각 롤을 사용하여 제조된 리본형 자석 재료를 분쇄하여 얻어지는 것을 특징으로하는 자석 분말.
삭제
제 1 항에 있어서,

자석 분말의 전체 표면적에 대하여 상기 볼록부 또는 홈이 형성된 부분의 면적이 차지하는 비율이 15 % 이상인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 1 항에 있어서,

제조 과정에서 또는 제조 후에 1회 이상의 열처리가 행해진 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 1 항에 있어서,

연질 자성상과 경질 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 9 항에 있어서,

상기 경질 자성상 및 연질 자성상의 평균 결정 입경이 모두 1 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 자석 분말을 결합 수지로 결합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 11 항에 있어서,

온간 성형에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 11 항에 있어서,

상기 자석 분말의 병설된 볼록부 사이 또는 병설된 홈 내에 상기 결합 수지가 매입된 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 11 항에 있어서,

실온에서의 고유 보자력 H_cJ가 320 내지 1200 kA/m인 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 11 항에 있어서,

최대 자기 에너지곱(BH)_max이 40 kJ/㎥ 이상인 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 11 항에 있어서,

상기 자석 분말의 함유량이 75 내지 99.5 중량%인 것을 특징으로 하는 결합 자석.
제 11 항에 있어서,

펀칭 전단 시험에 의해 측정되는 기계적 강도가 50 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 결합 자석.