Improvement of the Magnetic Properties of (Nd, Dy)-Fe-B Sintered Magnets by Modification of HD and Annealing Processes

(1)

Vol. 17, No. 5, 2010

DOI: 10.4150/KPMI.2010.17.5.359

HD

처리 및 열처리공정 개선에 의한

(Nd, Dy)-Fe-B

소결자석의 자기특성 향상

남궁석·이연호·김문갑·장태석

*

선문대학교대학원재료금속공학과

Improvement of the Magnetic Properties of (Nd, Dy)-Fe-B Sintered Magnets by Modification of HD and Annealing Processes

S. Namkung, Y. H. Lee, M. K. Kim, and T. S. Jang

*

Department of Materials and Metallurgical Engineering, Graduate School, Sunmoon University, Asan, Choongnam 336-708, Korea

(Received June 17, 2010; Revised August 5, 2010; Accepted August 19, 2010)

Abstract In an attempt to optimize the magnetic properties of (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets, hydroge- nation and post-sintering heat treatment processes were investigated at various hydrogenation temperatures and heat treatment temperatures. The coercivity of (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets hydrogenated at 400

^o

C increased to about 1.2 kOe without any detrimental effect on the remanence. Moreover, the coercivity of the magnets was enhanced further by a consecutive 2

^nd

and 3

^rd

step heat treatment. These results eventually leaded to the reduction of the Dy content in a high coercive (> 30 kOe) (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets, as much as 10%.

Keywords : Nd-Fe-B magnets, Hydrogen decrepitation, Jet-milling, Sintering, Heat-treatment

1. 서 론

Nd-Fe-B

소결자석은

1984

년에 등장한

[1, 2]

이후 가장에너지가높은자석이기때문에 소형화와경량 화에 적합하여 컴퓨터의

VCM(voice coil motor)

에 가장많이 적용되어왔다

.

그런데최근들어미래형 자동차

, motor, generator,

그린에너지등 차세대성 장동력산업에서도자성소재및응용부품의 적용이더 욱 중요하게 되면서 이 자석의수요가 크게 증가하 고 있다

.

따라서 이 자석에 대한 연구개발 또한

2000

년대중반까지는부품의소형화와고에너지화를

위해 자석의에너지

((BH)max)

를 극대화하는방향으

로주로진행되어왔으나

,

최근에는응용분야가고성 능 모터분야로 확대되면서 자기적으로 열악한 환경 에서도 사용 가능하도록 보자력

(iHc)

을 극대화하는 방향으로 진행되고 있다

.

하이브리드자동차의 경우

200~220

^o

C

이상에서도안정적으로기능을발휘할수

있도록 상온에서

30 kOe

이상의큰 보자력을 갖는

자석이요구되고있다

[3, 4].

현재

Nd-Fe-B

소결자석의 잔류자화는 이론치의

97%, (BH)max

값도이론치의

92%

까지얻을수있

어

59.5 MGOe[5]

에 이르고 있다

.

그러나보자력은

삼원계

Nd-Fe-B

조성에서이론값의

30%

도얻지못

하고 있어서아직도 개발해야 될 여지가많다

. Nd-

Fe-B

소결자석의보자력은다음과 같은식으로 나타

낼 수있다

[6].

(1)

여기서

H

A는 이방성자장

(anisotropy field), M

s는 포 화자화

(saturation magnetization)

를 나타내며

,

α와

N

eff는 각각 재료상수

(materials constant)

와 감자상수

(demagnetizing factor)

로써 조직의 국부적 불균일성

i c

H = αH

A

– N

eff

M

s

*Corresponding Author : [Tel : +82-41-530-2341; E-mail : [email protected]]

(2)

희토류 원소는

Fe

와 반강자성 결합

(antiferromagnetic coupling)

을 하게 되어

M

s 값을 낮추게 되고

,

결국

자석의

(BH)max

값이 상당히 감소되게 된다

.

또한

중희토류 원소는가격이

Nd

에비해 월등히비싸자 석의 가격을 상승시키며

,

매장량이 많지 않아 이들 원소의고갈사태가야기될우려도있다

.

그러므로

Dy

나

Tb

의사용을최대한억제하면서도높은보자력을 얻을 수 있는 방법

,

즉

α

는 향상시키고

N

eff는 감소 시키는 기술을개발하는 것이 필요하다

.

즉

,

자석의 전반적인 미세조직 특성을 개량함으로써 조직의불 균일성에의해보자력이감소하는것을방지할수있 는 요소기술들의 개발이필요하다

.

이에본연구에서는

Nd-Fe-B

소결자석 제조를위 한 단계별 단위기술들의 개선 및 최적화를 통하여 소결자석의자기적특성

,

특히보자력향상을도모하 고자하였으며

,

그중에서수소처리공정및후열처 리 공정의 개선이 자기적특성에 미치는영향에대 하여조사하였다

.

2. 실험방법

본 연구를 위하여

Nd

32.6-x

Dy

x

Fe

bal

B

1

TM(x=1.6~9.8

wt%)

조성의합금을용해한후스트립캐스터를통해

급속냉각하여두께가약

0.2~0.4 mm

인합금스트립

을제조하였다

.

제조된스트립은수소처리온도에따

른변화를관찰하기위하여

0.1 MPa

의수소압력으로

20~500

^o

C

의온도구간에서각각

2

시간동안수소처리 를실시한후진공분위기에서

550

^o

C

의온도로가열 하여수소를 제거하였다

.

수소

/

탈수소 처리한스트립

은 젯밀을이용하여 분쇄하여약

5~6

µ

m

의 분말을

제조하였다

.

이렇게제조된분말은

1.9 T

의자장하에 서 일축자장성형을 한 후

,

진공 분위기에서 소결

(1070

^o

C

에서

4hr)

을 하였다

.

소결후에는

850

^o

C

에서

2

시간 동안

1

차 열처리를 하였고

, 2

차 및

3

차 열처 리는각각

530~590

^o

C

와

485~515

^o

C

에서각각

2

시간 씩진공분위기에서실시하여최적의열처리조건을수 립하고자하였다

.

제조된분말의 입도

,

형상및분포

3. 실험결과 및 고찰

본 연구는 하이브리드 자동차의 구동모터에 사용 될 자석

,

즉상온에서의 보자력이

30 kOe

이상이면 서동시에 영구자석성능지수로불리는

((BH)max + iHc)

의 값이

65

이상인 고보자력

,

고특성

Nd-Fe-B

자석의개발을목표로실험을진행하였다

.

이를위하 여 우선 총 희토류량

(total rare earth: TRE) 32.6

wt%

중의

Dy

비율을

5~30%

까지 변화시키며 일정

한조건에서소결자석을제조한후자기적특성을측 정하여그결과를그림

1

에나타내었다

.

그림에서보 는바와같이

,

이방성자장이큰

Dy

의함량이증가할

Fig. 1. Variation of (a) coercivity and energy product and (b)

performance index of sintered magnets with Dy content.

(3)

수록 보자력이 증가하고 있으며

,

반대로

(BH)max

값은

Fe

와의반강자성결합에 의해감소하고있음을 알 수 있다

.

또한 영구자석 성능지수

,

즉

((BH)max +iHc)

값은 그림

1(b)

에 나타낸바와같이

Dy

함량 이 증가할수록증가하고 있으며

, 30 kOe

이상의보 자력과 함께

65

이상의 성능지수를 얻기 위해서는

Dy

의 함량이

9.8 wt%(TRE

중

30%)

는 되어야 하 는것을알수 있다

.

이와같은결과를토대로

,

공정 개선에의해

Dy

함량을줄이면서도보자력을 향상시 키고 나아가 성능지수도 향상시키기 위한 후속실험 은 일차적으로

TRE

중

Dy

의 비율이

25%

인

,

즉

Dy

함량이

8.1 wt%

인

Nd

24.5

Dy

8.1

Fe

bal

B

1

TM

조성의

합금을이용하여진행하였다

.

그림

2

는수소처리온도를

20~500

^o

C

까지 변화시키 며제조한 분말을이용하여제조한 소결자석의감자 곡선을 보여주고있다

.

그림에나타난바와같이

,

수 소처리온도가 증가할수록

,

잔류자화값은 유사한 반 면

,

보자력은 증가하는 경향을 보이면서

400

^o

C

에서 수소처리한 분말을 사용한 경우 다른 경우보다

1 kOe

이상증가한 보자력값을나타내고있다

.

그러나

500

^o

C

에서수소처리하였을때에는 다시보자력이감 소하였다

.

이와같은보자력변화 원인을찾고자 분 말 및소결체에대한미세구조를분석하였다

.

그림

3

과

4

는 수소처리 후 젯밀링하여제조된분

말의

SEM

사진과 입도분석결과를보여준다

.

그림에

Fig. 2. Demagnetization curves of the sintered magnets fabricated with the powder hydrogen decrepitated at 20~

500

^o

C. Fig. 3. SEM images of the powders hydrogen decrepitated at 20~500

^o

C. Fig. 4. Particle size distribution of the powders hydrogen

decrepitated at 20~500

^o

C.

(4)

서알 수있는바와같이다양한 온도에서수소처리 한후 젯밀에의하여제조된 분말의입도및형상에 서는 눈에 띄는 큰 차이점을 찾을 수 없었다

.

다만

400

^o

C

에서수소처리된분말의경우미분발생이 비교 적 적고 조분이 약간 더 많은 것을 알 수 있었다

.

이들 분말을 사용하여 제조한소결체의 결정입도나 분포도 그림

5

에 나타난것처럼큰차이점을보이지 않았다

.

일반적으로 수소처리 후의 스트립은그림

6

에 나 타낸것과같이외곽으로부터수소를 흡수하면서양

파껍질 모양으로균열

(crack)

이존재하여내ㆍ외부간

불균일한수소흡수형태를보인다

.

이와같은불균일 한수소흡수를제어하고자 수소처리온도에변화를준 것이며

,

수소처리온도에따라보자력이변화하는것 은 그림

7

에예시된것과 같이온도에 따라분말의 형태가 미시적으로 변화하기 때문인것으로 판단된

다

.

즉

, 25~300

^o

C

에서수소처리한후제조된분말은

역자구 생성의 원인이되는

Nd-rich

상이 어느 정도

Fig. 5. SEM images of fracture surface of the sintered magnets fabricated with the powder hydrogen decrepitated at 20~500

^o

C. Fig. 6. SEM image of a (Nd, Dy)-Fe-B strip after hydro- genation.

Fig. 7. Schematic diagram of the powders after hydrogen decrepitation at different temperatures.

(5)

분말입자 내부에 포함되면서 분쇄가 되는데 비해

, 400

^o

C

에서 수소처리된분말은그러한부분이없이분

말외부에

Nd-rich

상이비교적고르게분포하여소결

후 보다균일하게자기절연층을형성해주기때문에

보자력이증가한것으로추정된다

. 500

^o

C

에서수소처

리한경우에는

Nd-rich

상의분리가 지나치게일어나

면서많은부분이독립된 미분으로존재하면서분급 과정에서 이탈되거나 소결 후

Nd-rich pocket

형태 로 존재하면서보자력 증가에크게기여하지못하는 것으로생각된다

.

그러나이와같이수소처리 후분 쇄된분말에서의 미시적인

Nd-rich

상의분포변화는 분석및 관찰이 용이하지않으며

,

이의정밀관찰과 분석을위한후속연구가진행중이다

.

일반적으로

Nd-Fe-B

소결자석의 열처리는

850

^o

C

에서

1

차로 실시하고 다시

500

^o

C

부근에서

2

차로

실시하는 등 총

2

회에 걸쳐 실시한다

.

여기서

2

차 열처리 온도인

500

^o

C

부근에서의 열처리는 보자력

향상에 큰 영향을준다

[7-9].

이에 본 연구에서는

2

차 열처리온도를 세분하여

2

차

, 3

차열처리를 진행 하였고

,

그림

8

에열처리온도에따른보자력의변화 를 나타내었다

.

그림

8(a)

는

1

차 열처리온도를

850

^o

C, 3

차 열처리온도를

500

^o

C

로 각각 고정한 후

, 2

차열처리온도만을

500~590

^o

C

로변화시키며열처리 를 실시한결과를보여준다

.

그림에나타난바와같 이

, 2

차열처리를

530

^o

C

에서실시하였을때가장우

수한 보자력이 얻어졌다

.

또한 그림

8(b)

는 그림

8 (a)

에서가장우수한결과를보인

530

^o

C

에서

2

차열 처리를실시한 후

3

차열처리 온도를변화시킨결과 를보여주는 것으로

,

선행된실험과 같이

500

^o

C

에서

3

차열처리를실시한경우가장큰보자력을나타내

었다

(

그림

9

의 자기이력곡선 변화 참조

).

그러나잔 류자속밀도는열처리 온도의변화에 관계없이큰차 이를나타내지않았다

.

Nd-Fe-B

소결자석의 보자력이

500

^o

C

부근의

2

차

열처리에 의해서 크게 증가하는 것은

magnetic

decoupling

에 의해 보자력을 생성하는데 필수적인

Nd-rich

계면상에서의 구조

,

화학적 변화

,

특히

Nd

산화물의형성과깊은 관계가있는것으로알려져있 다

[9]. Park

등은

500

^o

C

에서 열처리한 후에는

Nd- rich

계면에서형성되는

Nd

2

O

3상의구조가

hexagonal

type

에서

cubic type

으로 변하면서 주상인 강자성

(Nd,Dy)

2

Fe

14

B

상과 비자성

Nd-rich

상 사이의

lattice

mismatching

을줄여줌으로써역자구 생성요인이감

Fig. 8. Variation of coercivity of the sintered magnets with

(a) 2

^nd

and (b) 3

^rd

heat treatment temperatures. Fig. 9. Improvement of coercivity of the sintered magnets

by modification of process parameters.

(6)

때문인것으로생각된다

.

앞에서 보여주었던수소처리및 열처리실험의 결 과들을종합한결과를그림

9

에나타내었다

.

그림에서 와같이잔류자속밀도의변화는거의없었으며

,

수소 처리를

400

^o

C

에서실시한분말을이용하여제조한소

결자석의 보자력은 약

1.2 kOe

증가하였고

(

그림

9 (b)),

최적화된수소처리조건과열처리조건을결합한

,

즉 수소처리를

400

^o

C

에서 실시하고

,

열처리를

2

차

530

^o

C, 3

차

500

^o

C

에서실시한경우 보자력이약

2.2 kOe

증가하는것

(

그림

9(c))

을알수있었다

.

이와같 이 수소처리및 열처리 공정 개선에 의해 보자력이 증가함으로써

Dy

의 함량을

1.7 wt%

감소시키고도

65

이상의영구자석성능지수를얻을수있었다

. 4. 결 론

고보자력

(Nd, Dy)-Fe-B

소결자석의제조를 위하

여 다양한 조건에서 수소처리 및 소결후 열처리를 실시한후자기특성의변화를관찰하였다

. 400

^o

C

에서 수소처리한 분말을사용할경우

,

소결자석의보자력 이 약

1.2 kOe

증가하였고

,

소결 후

3

차 열처리를

실시할경우약

1 kOe

의보자력이증가하였다

.

이와

같은 최적의수소처리 공정 및 열처리 공정을 적용 할 경우잔류자속밀도의 저하없이약

2.2 kOe

의보

감사의 글

본연구는 지식경제부소재원천기술개발사업의연 구비지원으로수행되었으며

,

이에감사드립니다

.

참고문헌

[1] M. Sagawa, S. Fujimura, H. Yamamoto and Y. Mat- sura: J. Appl. Phys., ⁵⁵ (1984) 2083.

[2] J.J. Croat, J.F. Herbst, R.W. Lee and F.E. Pinkerton: J.

Appl. Phys., ⁵⁵ (1984) 2078.

[3] Y. Kaneko; Proc. 16

^th

Int. Workshop on REPM and their Applications, 2 (2000) 83.

[4] H. Nagata and M. Sagawa: Proc. 17

^th