Magnetic Properties of (Nd, Dy)-Fe-B Sintered Magnets Mixed with Dy Compounds

DOI: 10.4150/KPMI.2011.18.1.029

Dy

(Nd, Dy)-Fe-B

남궁석·이민우·조인식·박영덕·임태환·이성래^a·장태석*

선문대학교 대학원 재료금속공학과, ^a고려대학교 신소재공학부

Magnetic Properties of (Nd, Dy)-Fe-B Sintered Magnets Mixed with Dy Compounds

S. Namkung, M. W. Lee, I. S. Cho, Y. D. Park, T. H. Lim S. R. Lee^a, and T. S. Jang^*

Department of Materials and Metallurgical Engineering, Graduate School,

Sunmoon University, Asan, Choongnam 336-708, Korea

a

Department of Materials Science and Engineering, Korea University, Seoul 136-713, Korea

(Received January 5, 2011; Revised January 26, 2011; Accepted January 31, 2011) Abstract

In order to increase the coercivity of (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets without much reduction of remanence, small amount of Dy compounds such as Dy

O

and DyF

was mixed with (Nd, Dy)-Fe-B powder.

After mixing, the coercivity of (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets apparently increased with the increase of Dy com- pound in the mixture. Addition of DyF

was more effective than Dy

O

for the improvement of coercivity. Reduc- tion of the remanence by the addition of Dy compound, however, was larger than expected mostly due to unresolved coarse Dy compound in the magnet. EPMA analysis revealed that Dy was diffused throughout the grains in the magnet mixed with DyF

whereas Dy was rather concentrated around grain boundaries in the magnet mixed with Dy

O

.

Keywords :

Dy, Nd-Fe-B magnet, Dy

O

, DyF

, Magnetic property

1. 서 론

Nd-Fe-B 소결자석은 지금까지 알려진 자석 중에서 가장 높은 최대자기 에너지적((BH)max)을 갖는 자석 으로 부품의 소형화, 경량화에 적합하여 VCM, 핸드 폰, 오디오 시스템, 네비게이션 등에 폭넓게 응용되 어 왔다. 따라서 그 동안 더 높은 최대자기 에너지적 ((BH)max)을 갖는 자석을 개발하기 위한 연구가 활발 히 진행되어 왔고, 이미 58 MGOe를 상회하는 고특 성 Nd-Fe-B 소결자석이 개발된 바 있다[1]. 그러나 최근 에너지 저감 및 환경친화형 녹색성장사업이 이 슈화되면서, 자동차산업에서는 전기모터를 사용하는 하이브리드 자동차와 전기자동차에 대한 연구가 활 발히 진행되고 있다. 이들 자동차들은 공통적으로 전 기에너지를 이용하여 구동되기 때문에 영구자석형 모

터 및 발전기가 채용되고 있고, 자동차 부품의 소형·

경량화와 에너지 효율 향상을 위하여 더 높은 성능 의 희토류 영구자석을 요구하고 있다.

자석이 고온(200~220^oC)에서 구동되는 하이브리드 자동차의 모터에 적용되기 위해서는 높은 열적 능력 을 필요로 한다. 그러나 Nd-Fe-B 소결자석은 큐리온 도가 낮고, 보자력의 온도계수(≒0.55%/^oC)가 커서 높은 온도에서 보자력이 크게 감소하는 단점이 있다.

이러한 단점은 이방성 자장이 큰 Dy 또는 Tb를 첨 가하여 보자력을 향상시킴으로써 극복할 수 있다. 그 런데, 이러한 중희토류 원소는 Fe와 반강자성결합을 하게 되어 포화자화값을 낮추게 되고, 결국 자석의 (BH)max 값이 감소하게 된다. 또한 Nd에 비해 상당 히 고가이며 매장량도 많지 않아 현재와 같은 추세 로 사용된다면 자원고갈을 야기할 수도 있다. 따라서

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

구된다

.

,

,

,

분포차이가발생하게된다

[2-4].

이에본연구에서는보다효과적이고경제적인보 자력 향상 방안을 모색하고자

, Dy

Dy

을

(Nd, Dy)-Fe-B

결자석을제조함으로써 강자성입자들표면으로부터 의

Dy

,

이에따른전반적자기특성의변화를조사하였다

.

2. 실험방법

본 연구에서는

Nd

Dy

TM

B

0.2~0.4 mm

.

0.1 MPa

400

C

2

시간 동안 수소처리를 실시한 후 진공 분위기에서

550

C

.

/

탈수소 처리한 스트립은 젯밀을 이용하여 분쇄하였 으며약

5~6

m

.

Dy

O

DyF

합하였다

.

1.9 T

일축자장성형을 한후

, 1070

C

4

.

850

C

2

1

차 열처리를 하였고

,

530

C

500

C

2

1

2

.

,

(Scanning electron microscopy; Hitachi S-

대한분말도포함되어 있음을 알수 있었다

.

2 wt%(

Dy

8.1 wt%

)

Nd

Dy

TM

B

2

.

Nd

Dy

TM

B

. Dy

O

Dy

Fig. 1. SEM images of Dy

O

powder observed at (a) high

magnification and (b) low magnification.

인할수있었다

.

,

(B

)

((BH)

)

,

,

(BH)

+

H

.

Dy

O

(

5

.) Dy

O

.

그림

3

Planetary mill

30

.

1

m

,

.

Dy

6.9~8.1 wt%

,

0.5~2 wt%

Nd

Dy

TM

B

, Dy

O

혼합에의한보자력증가정도를비교하기위하여용

해공정을 통해

Dy

8.1 wt%

이용해서도 소결자석을제조하였다

.

4

.

그림에나타난바와같이

Dy

O

,

.

, 2 wt%

(

Dy 8.1 wt%)

, Dy

O

(

2)

.

,

,

즉 용해공정에서

8.1 wt%

Dy

,

,

5

의 소결자석 파단면 사진에나타난바와 같이 응집 된분말들이분해되지 않고덩어리 형태로존재하고 있기때문인것으로판단된다

.

분말들을

EDS

Dy

소가 집중된

,

Dy

O

.

Dy

O

Fig. 2. Demagnetization curves of sintered magnets: (a) before mixing and (b) after mixed with 2 wt% Dy

O

.

Fig. 3. SEM images of milled Dy

O

powder observed at (a) high magnification and (b) low magnification.

Fig. 4. Demagnetization curves of sintered magnets mixed

with 0.5~2 wt% Dy

O

and the one made by conventional

method.

지 않고혼합한 실험에서와동일하게비자성상을증 가시키는역할을하여궁극적으로잔류자속밀도를더

욱 감소시킨것으로보인다

[11].

그림

6

Dy

DyF

.

DyF

1

µ

m

,

6(b)

Dy

O

.

DyF

자석내의

Dy

6.9~8.1 wt%

0.6

~2.4 wt%

DyF

Nd

Dy

TM

B

.

7

. Dy

O

(

4)

DyF

,

((BH)

)

.

Dy

O

.

흥미롭게도

DyF

Dy

O

4

DyF

2

knee point

.

2

knee point

Dy

토류원소가 함유된고보자력

Nd-Fe-B

Fig. 6. SEM images of DyF

powder observed at (a) high magnification and (b) low magnification.

Fig. 7. Demagnetization curves of sintered magnets mixed

with 0.6~2.4 wt% DyF

and the one made by conventional

method.

이력곡선에서 일반적으로 나타나는 현상으로, 소결 후 보자력을 향상시키기 위한 2차 열처리의 조건에 따라서도 그 크기가 달라지나 아직 그 원인은 확실 하게 밝혀지지 않고 있다. 일반적으로는 Dy가 첨가 되었을 때 Dy의 확산이 균일하게 일어나지 않는 어 떠한 부분에서 국지적으로 Dy-rich (Nd, Dy)2Fe14B 상들이 형성되면서 이방성자장은 크나 포화자화가 낮 은 이들 상으로부터 유발된 것으로 추측되고 있다.

또한 한 연구에 의하면[12], Nd-rich 삼중점 부근에 서의 Nd36Fe64-xAlx(2 < x < 4) 상 형성도 이 2번째 knee point 발생과 관계가 있는 것으로 추정되고 있다.

한편, 그림 8에 보이는 것처럼 DyF3 분말을 이용

하여 제조한 소결자석에서도 DyF3 분말이 부분적으 로 분해되지 않고 응집되어 있는 것을 알 수 있었다.

이 때에도 Dy2O3를 혼합한 그림 5에서와 같이 응집 된 분말 주위로 기공이 관찰되었다. 이러한 기공들은 소결체의 상대밀도를 낮추게 되며, 이에 따라 잔류자 속밀도가 더욱 감소한 것으로 판단된다[11]. 이러한 응 집현상은 첨가 분말의 혼합과 분산이 균일하게 이루어 지지 않아 일어난 것으로, 혼합의 균일도 및 분산도를 향상시키기 위한 후속 연구를 필요로 하고 있다.

그림 9는 Dy2O3와 DyF3를 혼합하여 제조한 소결 자석의 EPMA 결과를 보여주고 있다. 그림 9(a)에서 와 같이 Dy와 O가 집중된 상이나, (b)에서와 같이 Nd-rich 삼중점상에 F가 집중된 것이 종종 관찰되었 는데, Dy와 O가 집중된 상은 Dy2O3의 응집에 의해 분해되지 못하고 잔존한 부분으로 여겨지며, F가 집 중된 삼중점에서는 알려진 바와 같이 NdOF상이 형 성된 것으로 판단된다. 또한, Dy의 분포를 보면 Dy2O3를 혼합한 소결자석에서는 결정립 계면주위에 비교적 집중되어 있는 반면, DyF3를 혼합한 소결자 석에서는 Dy가 결정립내에서 고르게 분포하고 있는 것을 보여주고 있다. 따라서 DyF3를 혼합하였을 때 Dy2O3를 혼합한 경우보다 보자력은 더 증가하나 잔 류자속밀도는 더욱 감소하는 것은 결정립내에 Dy가 고르게 분포하면서 Fe와의 반강자성결합이 더 증가 하였기 때문인 것으로 생각된다. 이러한 두 소결자석

Fig. 8. SEM image of fracture surface of a sintered magnet mixed with 2.4 wt% DyF

.

Fig. 9. EPMA mapping images and line profiles of sintered magnets mixed with (a) 2.0 wt% Dy

O

and (b) 2.4 wt% DyF

.

것으로

, Dy

O

Dy

DyF

Dy

F

, F

Nd-rich

Nd

NdOF

[2, 3, 10].

산소농도의 증가는 가장 산화가 쉽게 일어나는

Nd-rich

,

하면액상소결을방해하고자기적특성에 영향을주 게 된다

[13, 14].

, Dy

O

.

Dy

Dy

화합물 혼합전후의소결자석내산소농도변화를조 사하여 표

1

. DyF

2 wt%

270 ppm

정도 증가하였으나

, Dy

O

0.6

wt%

500 ppm

나타내었다

. Dy

O

Dy

O

이지만

, 5000 ppm

특성에크게영향을미치지않는것으로생각된다

.

4. 결 론

본 연구를 통하여

Dy

Nd-Fe-B

것을 확인하였으며

,

.

Dy

본연구는 지식경제부소재원천기술개발사업의연 구비지원으로수행되었으며

,

.

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