Variation of Magnetic Properties of (Nd, Dy)-Fe-B Sintered Magnets with Compaction Conditions

(Nd, Dy)-Fe-B 소결자석의 성형조건에 따른 자기특성 변화

남궁석·이민우·한세준·장태석*

선문대학교대학원재료금속공학과

Variation of Magnetic Properties of (Nd, Dy)-Fe-B Sintered Magnets with Compaction Conditions

S. Namkung, M. W. Lee, S. J. Han, and T. S. Jang ^*

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

(Received October 5, 2011; Revised November 25, 2011; Accepted December 3, 2011)

···

Abstract

In order to improve the remanence of (Nd, Dy)-Fe-B sintered magnets, we investigated the influence of compaction conditions such as packing density, applied field and green density on the magnetic properties. While the remanence decreased with increasing the packing density and green density, it increased with the increase of the applied field. In addition, XRD analysis revealed that the remanence was enhanced as the degree of powder alignment was improved. The green density was more influential on the remanence than the packing density and applied field.

Keywords:

Nd-Fe-B magnet, Compaction, Magnetic property, Alignment of powder

···

1. 서 론

Nd-Fe-B ^{소결자석은 강자성상인} Nd2Fe14B ^{주상과비자}

성상인 Nd-rich ^{계면상으로 이루어져 있다}[1]. Nd2Fe14B

결정구조는 a=0.880 nm^와 c=1.219 nm^{의격자상수를갖는} tetragonal ^구조이며, ^{공간그룹은} P42/mnm^{으로 분류된다} [2]. ^{격자상수를통해서도알수있듯이}, Nd2Fe14B^는 c^축의

길이가더긴형태로서결정자기이방성을갖는다. ^따라서

이방화 특성을 갖는 Nd-Fe-B ^{소결자석은이방화를 극대}

화하기 위하여 젯밀분쇄공정에 의하여 제조된 Nd-Fe-B

단결정 합금분말을 자장성형 공정을 통해 자장방향으로 정렬한후, ^{소결및 열처리단계에서 분말의배향을유지}

하면서액상소결 수축과정을통하여제조된다. ^이러한결

정자기이방성과 큰 보자력 때문에 Nd-Fe-B ^{소결자석은}

현재 알려진 자석 중에 가장 높은 최대자기에너지

((BH)max)^{를 가지며}, VCM, ^핸드폰, ^{오디오시스템과 같이}

소형ㆍ경량화가필요한 부품이나제품에 주로 사용되고

있다[3]. ^{이러한소형ㆍ경량화에는 자석의에너지가 높을}

수록유리하기때문에, ^{잔류자속밀도}(Br)^{를향상시켜자석}

의 최대자기에너지를높이는기술이필요하다.

자석의 (BH)max와직접적으로 관련이있는 Br은다음과

같은 식으로나타낼수 있다[4].

(1)

여기서 Ms는 강자성상인 Nd2Fe14B^{의포화자화}, ^{β는 M}s의 온도계수, (^ρ/^ρ0)^{는 상대밀도}, ^{α는 비자성상의부피비율},

f는 Nd2Fe14B ^{결정립의 배향도를 나타낸다}. ^{소결자석의} (BH)max은 (^µ0Br²/4)^{와유사하기때문에} Br를증가시킴으로 써자석의에너지를향상시킬수있다. ^식 (1)^에나타난 Br 에 영향을 미치는 여러 가지 인자들 중에서, Nd2Fe14B^의

포화자화, ^즉 4^πMs는 16 kG^{로알려져 있고}[5], ^온도계수

는 포화자화값과함께 재료의고유특성으로서 쉽게변화 시킬수가없다. ^{자성상의부피비는} Nd2Fe14B^{의화학양론}

적조성에가깝게합금설계를 함으로써증가시킬수는있 으나화학양론적조성에가까울수록모합금제조과정에서

Fe^{의 정출 가능성이 높아지므로 그한계가 있다}. ^나머지

Br∝Ms⋅ ⋅ ⋅β ρρ

--- 1

–

*Corresponding Author : T. S. Jang,

TEL:

FAX:

E-mail:

인자인상대밀도와결정립배향도는모합금및분말제조,

자장성형, ^소결, ^{열처리 등여러 제조공정에의하여 영향}

을받게된다. ^특히, ^{배향도f는주로분말을자장중에서정}

렬/^{성형하는과정으로부터결정되며}, ^{소결자석제조공정상} Br및 (BH)max의크기를좌우하는중요한역할을한다.

따라서, ^{본 연구에서는자장성형중의 분말정렬도개선}

을통하여결정립배향도를향상시키고자하였다. ^이를위

하여, ^충진밀도, ^인가자장, ^{성형밀도 등자장성형 공정변}

수들이소결자석의 결정립배향도와 자기특성에 미치는 영향을조사하였다.

2. 실험방법

본연구에서는 25 kOe ^{이상의고보자력자석제조를목표}

로 하여 이방성자장이 큰 Dy^{를 첨가하여} Nd12.8Dy2.0Fe76.4

B6.0M2.8(at%, M = Cu, Al, Co, Nb) ^{조성의 합금을 용해한}

후 스트립캐스터를 통해 급속 냉각하여 두께가 약 0.2~

0.4 mm^{인합금스트립을제조하였다}. ^{제조된스트립은} 0.1

MPa^{의 수소압력으로} 400^oC^에서 2^{시간 동안 수소처리를}

실시한후 진공분위기에서 550^oC^{의온도로가열하여 수}

소를제거하였다. ^수소/^{탈수소처리된스트립은젯밀을이}

용하여 약 4~5 ^µm^{의분말로 제조하였다}. ^{충진밀도와 인}

가자장에따른 분말의정렬도를 측정하기위하여 제조된

분말을 1.6~2.2 g/cm^{3의다양한충진밀도로충진한 후인}

가자장을 1.4~2.2 T^{로변경하면서} 3.65 g/cm^{3의성형밀도}

로일축자장성형을하였다. ^또한, ^{성형밀도에따른분말의}

정렬도를 관찰하기위하여, 1.6 g/cm^{3의 충진밀도로충진}

한후 3.18~3.86 g/cm^{3로성형밀도를변경하며} 2.2 T^의자

장하에서 성형하였다. ^{제조된 성형체의 크기는길이} 20 mm, ^폭(^{자장정렬방향}) 11 mm, ^높이 28~32 mm ^였다. ^성

형체는 1070^oC^에서 4^{시간 동안 진공소결 한 후} 850^oC^에

서 2^{시간 동안} 1^{차열처리를 하였고}, 2^{차 및} 3^{차 열처리}

는 각각 530^oC^와 500^oC^에서 2^{시간씩 진공분위기에서 실}

시하였다. ^{제조된소결체의 결정립배향도를측정하기 위}

하여 X-^{선회절분석기}(X-ray diffractometer, Rigaku DMAX

2200)^{를 이용하였고}, ^{자구관찰을위하여 편광광학현미경}

을이용하였다. ^{소결체의자기특성은} BH loop tracer(Magnet physik Permagraph C-300)^{를 이용하여 측정하였으며}, ^상

온에서의 자기특성을 평가하였다.

3. 실험결과 및 고찰

Nd-Fe-B ^{소결자석을제조하기위한자장성형은일반적으}

로 axial die pressing(ADP) ^방법과 transverse die pressing

(TDP) ^{방법으로실시한다}. ADP ^{방법은제품형상에가깝}

게 성형하거나 ring ^{형상과같은제품을성형하기에 적합}

Fig. 1. Variation of (a) (BH)max,(b) iHc and (c) Br with packing densities at different applied magnetic fields.

하지만 정렬도는 TDP ^{방법보다 떨어진다}[4]. ^{따라서 본}

연구에서는 TDP ^{방법을 이용하여 실험하였다}.

그림 1^{은충진밀도}(1.6~2.2 g/cm³)^{와인가자장}(1.4~2.2 T)

의변화에따른 (BH)max, ^{보자력 및} Br의변화를보여주고 있다. ^{그림에서와같이충진밀도가감소할수록}, ^그리고인

가자장이 커질수록 (BH)max가증가하는경향을보이고있

으며, Br 또한 유사한 경향을 보이고 있다. ^{이와 같이} Br

과 (BH)max가 유사한 경향을 보이는 것은서론에서 언급

한바와 같이 (BH)max는 Br의크기에 비례하기때문이다.

반대로 보자력은 충진밀도가 커질수록, ^{또한 인가자장이}

감소할수록 증가하는 경향을 보이고 있으나, ^{충진밀도가}

2.2 g/cm^{3에이르면인가자장의크기에관계없이전반적으}

로보자력이다시감소함에따라, ^{충진밀도에따른보자력}

의증가에는 어느한계가 있음을알수있다. ^{충진밀도는}

정자장을인가하기 전의분말의 밀집상태를나타내는 것 으로, ^{충진밀도가 낮을수록 분말들이 자장방향으로 회전}

하기위한공간이충분하기때문에자장이인가되었을 때 쉽게정렬이된것으로보이며, ^{충진밀도가증가하면분말}

들간에충분한 공간이확보되지 않아배향도가 낮아지는 것으로 보인다. ^{따라서 더충분한 공간을 확보하고자 더}

낮은충진밀도를구현하려 하였으나, 1.6 g/cm^{3 이하의충}

진밀도로 성형할경우 성형다이의 공간부족으로 측정을 위한 최소한의크기를 얻을수 없어서그 이하의 충진밀 도는구현하지못하였다. ^또한, ^{인가자장은분말이회전할}

수 있는힘을 부여해주는 것으로써자장의 세기가 커질 수록분말의 정렬에도움이되는것으로판단된다.

NdFeB ^{자성분말은} 4~5 ^µm^{의단결정 분말들로 이루어}

져있으며, ^{성형공정중에분말이압력을받게되면분말의}

크기가작아서작은압력으로는높은성형밀도를얻을수

없으며, ^{변형이쉽게되지않아} spring-back^{이발생하여성}

형체에쉽게크랙이발생하게 된다[6]. ^{따라서성형밀도에}

따른 자기특성의 변화를조사하기 위한 시편은 성형 후

손으로 다룰수있는 3.1 g/cm^{3 이상의성형밀도와성형체}

가깨지지않는 3.9 g/cm^{3이하의성형밀도로제조하였다}.

이때충진밀도는 1.6 g/cm³, ^{인가자장은} 2.2 T^{로고정하였}

다. ^{성형밀도가증가하면그림} 2^{에나타낸바와같이보자}

력은 증가하나 (BH)max는 감소하는경향을 보이고있다.

성형과정에서는충진된분말을정자장이인가된상태에서 목표하는 성형밀도까지 압력을가하여성형하게된다. ^따

라서충진된분말은초기인가자장에의해정렬된위치에 서 빈공간으로 위치이동을 하게되고, ^{이와같은성형치}

밀화 과정을통해 일정부분단결정 분말들의배향틀어짐 이 필연적으로일어나게 된다. ^{따라서성형밀도가증가하}

면서분말의정렬이틀어짐에 따라결정립배향도는감소

하여 (BH)max가감소한것으로판단된다.

일반적으로, NdFeB ^{소결자석의보자력은 식} (2)^와같이

결정립의 배향도와 관계가있다[7].

(2)

여기서, ^K1은 자기결정이방성상수(magneto-crystalline anisotropy constant), Ms는포화자화(saturation magnetization),

α_k는결정에너지의불균일성에의한 pinning ^또는 nucleation

에 의한효과(the pinning or nucleation effect of the inho- mogeneity of the crystalline energy), ^αΨ는배향이 틀어진 결정립(misalignment of grains)^{을 의미한다}. ^따라서, ^앞에

서언급한충진밀도의증가, ^{인가자장의감소}, ^{성형밀도의}

증가에 의한보자력의증가는주로결정립배향이흐트러 진것에기인하는것으로, ^{보자력과정렬도의관계에대한}

기존의 연구결과[8]^{와도잘일치하고 있다}.

결정립 배향도를 좀더 정확하게비교하고자 소결자석 의결정립정렬방향에대한 XRD ^{분석을실시하여} texture coefficient^{를 계산하였고}, ^{이를 인가자장}, ^충진밀도, ^성형

밀도에 따른 Br의변화와비교하여그림 3^{에나타내었다}. Texture coefficient^는식 (3)^{을이용하여 구하였다}.

(3)

여기서, ^{I(hkl)은측정된상대강도}, ^I0(hkl)은 JCPDS ^카드에

서의 상대강도, ^{n은회절면의 수이다}[9]. ^그림 3^에나타난

바와같이 Br^와 texture coefficient^{의변화는서로잘일치}

하는것을알수있다. ^{앞에서설명한바와같이인가자장}

이 증가할수록 Br이 증가하며, ^이는 texture coefficient ^값

의 변화에서도 알수 있듯이결정립 배향도의증가에 따 른 것이다. ^{충진밀도와 성형밀도가 증가하면결정립배향}

의틀어짐에 의해 Br이감소하는 것은그림 3(b), (c)^에나

타난 것처럼 texture coefficient^{의변화를 통해 확인할 수}

있었다. ^또한, NdFeB ^{소결자석에서의이러한결정립배향}

Hci 2K1

Ms

---αkαΨ–Neff(4πMs)

=

Texture Coefficient I hkl( ) I0(hkl) --- 1

n--- I hkl( ) I0(hkl) ---

∑

⁄

=

Fig. 2. Variation of (BH)max and iHc as a function of green densities.

틀어짐은 그림 3^{에나타난바와같이}, texture coefficient^의

측정상의 오차를 감안하더라도, ^{충진밀도나 인가자장의}

변화보다는성형밀도의 변화에의해 크게좌우되는 것을

알 수있었다.

이방성 소결자석에서의 결정립배향 상태를파악할 수 있는 다른 방법으로편광현미경을 이용하여 자구패턴을 관찰하는 방법이 있다. ^{편광현미경으로영구자석의 자구}

를 관찰하게되면 결정립내의자구패턴이 자장방향과자 장직각방향으로 서로다른형상을갖게되므로, ^자구패턴

의 관찰에의하여미세조직 정렬도를 확인할수있다. ^그

러나, ^{배향이틀어진각도에따라자구형상의구분이쉽지}

않기 때문에 정량화하기에는 어려움이 있다. ^성형밀도

3.18^과 3.86 g/cm^{3로각각성형하여소결한소결체에대하}

여편광현미경으로관찰한자구패턴을그림 4^{에나타내었}

다. ^{그림은자장방향에수직한방향에서자구를관찰한것}

으로서 줄무늬(stripe)^{의자구이미지가관찰되어야자장방}

향으로정렬된것이다. ^그러나, 3.86 g/cm^{3으로성형한소결}

체의경우, ^그림 4(b)^{에표시된바와같이줄무늬가아닌자}

장방향에 평행하게 관찰할 때 보이는 자구이미지(maze

pattern)^{와각도가틀어져보이는형상이관찰되었다}.

4. 결 론

성형공정의 주요변수인 충진밀도, ^인가자장, ^성형밀도

의변화에따른 NdFeB ^{소결자석의자기특성변화를조사}

하였다. ^{이를통하여충진밀도와 성형밀도가증가하면 소}

결체의결정립배향틀어짐이증가하고, ^{이로인해보자력}

은 증가하는 반면, Br은감소하는 것을 확인하였다. ^반면 Fig. 3. Variation of texture coefficient and B^r as a function of (a) magnetic fields, (b) packing densities, and (c) green densities.

Fig. 4. Magnetic domain images of NdFeB sintered magnets prepared at the green density of (a) 3.18 g/cm³ and (b) 3.86 g/cm³.

에 인가자장의 경우 그 세기가 증가할수록 결정립 배향도 가 증가하면서 B_r도 증가하였다.

따라서, B_r의 향상을 통하여 최적의 (BH)_max 값을 얻기 위해서는 인가자장의 세기를 최대로 하고, 충진밀도와 성 형밀도를 가능한 최저로 하여 자성분말을 성형하는 것이 바람직하다고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업의 연구비 지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.

참고문헌

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Crystallographic Methods, Principles and Data, 3

(Ed.), McGraw Hill, New York, (1966) 205.

이 논문을 지난 30여 년간 한국분말야금학회 발전 및 기술개발에 큰 업적을 남기신 울산대학교 권영순 교수님의 정년을 기념하여 헌정합니다.