Effect of Homogenization Treatment on Magnetic Properties of HDDR Treated Nd-Fe-Ga-Nb-B Alloy

DOI: 10.4150/KPMI.2009.16.4.285

모합금의 균질화처리가

HDDR

^처리된

Nd-Fe-Ga-Nb-B

합금의 자기적 특성에 미치는 영향

유지훈

*

·이상협·김동환·이동원·김병기·최문희^a·김양도^a 한국기계연구원 부설재료연구소

,

^a부산대학교재료공학과

Effect of Homogenization Treatment on Magnetic Properties of HDDR Treated Nd-Fe-Ga-Nb-B Alloy

J. H. Yu

*

, S. H. Lee, D. H. Kim, D. W. Lee, B. K. Kim, M. H. Choi^a and Y. D. Kim^a

Korea Institute of Materials Science, Changwon, 641-010, Korea

a

Pusan National University, Geumjeong gu, Pusan, 609-735, Korea (Received June 18, 2009; Revised July 24, 2009; Accepted August 3, 2009)

Abstract

HDDR treated anisotropic Nd-Fe-B powders have been widely used, due to their excellent mag- netic properties, especially for sheet motors and sunroof motors of hybrid and electric vehicles. Final micro- structure and coercivity of such Nd-Fe-B powders depend on the state of starting mother alloys, so additional homogenization treatment is required for improving magnetic properties of them. In this study, a homogenization treatment was performed at 900~1140

^o

C in order to control the grain size and Nd-rich phase distribution, and at the same time to improve coercivity of the HDDR treated magnetic powders. FE-SEM was used for observing grain size of the HDDR treated powder and EPMA was employed to observe distribution of Nd-rich phase. Mag- netic properties were analyzed with a vibrating sample magnetometer.

Keywords :

HDDR, Anisotropic Nd-Fe-B magnets, Homogenization, Magnetic properties, Coercivity

1. 서 론

최근에너지저감및 환경친화형녹색성장산업이 새로운 이슈로급부상 하면서자동차 산업에서는화 석원료를 사용하는내연기관을전기모터와병행하여 사용하는 하이브리드 차 혹은 환경친화형 에너지원 인 수소등을대체에너지로 활용하여전기를발생시 고 모터를 구동하는 연료전지 차에대한 연구가 활 발히진행되고있다

.

이들환경친화형자동차들은전 기에너지를 이용하여구동되기때문에영구자석형 모 터및 발전기가필연적으로채용되고있고

,

자성소재 측면에서는 에너지 효율을 더욱 향상시키기 위하여 보다우수한 경자기성능을 나타내는희토류영구자 석에 대한 기술수요가 증가하는 추세이다

[1].

또한

,

이들구동용 모터이외에도각종전장모터의성능을 개선하여자동차의경량화

/

소형화를실현하려는연구 가 활발히 진행되고 있는데

,

일본의 아이찌 스틸에 의하면 기존에사용되는페라이트소결자석을

Nd

계 이방성 본드자석으로대체하여모터무게를약

50%

이상감량하여자동차의연비를 개선한연구사례가 보고되고있다

[2, 3].

고성능 이방성 본드자석의 주 원재료로 사용되는

Nd-Fe-B

계 이방성분말은 일반적으로

HDDR(Hydro- genation-Disproportionation-Desorption-Recombination)

공법에 의해 제조되고 있다

. HDDR

공법은 수소화

반응

(Hydrogenation),

상분해

(Disproportionation),

수소 방출

(Desorption)

및 재결합

(Recombination)

의

4

단계 상변화 과정을거쳐 분말내부에 일축배향된 미세

*Corresponding Author : [Tel : +82-55-280-3576; E-mail : [email protected]]

결정립을 형성시킴으로써경자기특성을향상시키는

방법이다

[4, 5].

특별히 이들 영구자석의 성능안정성

을 좌우하는보자력을향상시키기위해서는 미세결

정립을

200~500 nm

크기범위로형성하고비자성상

인

Nd-rich

상을균일하게분포하도록제어하여야 하

는데

[6],

이와 같은 미세조직을 얻기 위한 전제조건

으로 출발합금 제조시 α

-Fe, Nd

2

Fe

17 등과 같은 연 자성 상이제거되고균일한결정립도를갖는합금 인

곳트를얻는것이매우중요하다

[7].

본 연구에서는 저

Nd(15 at%

이하

)

를 함유하는 이방성본드자석용

Nd-Fe-B

계합금제조시필연적으 로 형성되는 α

-Fe

편석을효과적으로제거하고균일 한 결정립도를 얻기 위하여

900~1140

^o

C

범위에서 균질화처리실험을진행하였으며

,

균질화처리조건 과 최종적으로

HDDR

반응에의하여얻어지는분말 의 미세조직및자기특성과의연관성에대한연구를 진행하였다

.

2. 실험방법

Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal조성의모합금은아르곤 분 위기에서 유도가열방식에 의하여 용해된 후

, Chill mold cast

에 의해합금 인곳트

(Less Common Metals Ltd.,

영국

)

로제작되었다

. SEM

및

XRD

를이용하여 제작된인곳트가함유하는상분포를분석한결과

,

인 곳트는주상인

Nd

2

Fe

14

B

상 이외에다량의 α

-Fe

편 석을 포함하고 불균일한 미세조직을 형성하고 있음 을 알수있었으며

,

주조된함금이함유하는 α

-Fe

를 제거하기 위하여 진공및 알곤 분위기의 변환이 가 능한

Alumina tube furnace

를사용하여균질화처리 를 진행하였다

.

합금을 약

10 mm

^Φ 크기로조분쇄 하여 튜브로에장입하고 초기진공을

2

^×

10

⁻⁵

torr

이 하로 유지한 후

,

고온에서 합금의 산화혹은

Nd

증

발을 억제하기 위하여 아르곤 가스를

1.1 atm

까지

주입하였다

.

균질화 처리는

900~1140

^o

C

온도범위에 서 각각

24

시간진행하였으며

,

균질화처리후 냉각 구간에서 α

-Fe

재생성을억제하기 위하여

900

^o

C

까 지 냉각속도를

0.5

^o

C/min

으로 유지하였고

,

그 이후 상온까지 로냉하였다

.

각각의조건으로 균질화처리

된 합금은

HDDR

공정에의하여 이방성분말로제작

되어 균질화처리조건의변화와미세조직형성의연 관성을관찰하였다

.

균질화 처리 전

/

후에 합금의 미세조직과 α

-Fe

제

거 여부는

XRD, SEM-EDS

를이용하여관찰하였고

,

각각의 균질화 처리 조건으로 얻어진 모합금은

HDDR

처리에 의하여 분말로 제작한 후

1.2 T

정

렬자장으로분말을배향하고

VSM

을이용하여 정렬

자장에평행한 방향으로

M-H

곡선을측정하여자기

특성을 분석하였다

.

또한

,

제조된

HDDR

분말들의 결정립도와 분말 내부의 상분포는

FE-SEM

및

EPMA

를이용하여조사하였다

.

3. 실험결과 및 고찰

HDDR

공법은

Nd-Fe-B

계 합금을수소분위기에서

유지함으로써 주상인

Nd

2

Fe

14

B

상이 수소를흡수하 여

Nd

2

Fe

14

BH

X 상을 형성

(Hydrogenation)

하도록유 도하고

,

다시 동일한수소분위기에서

600~900

^o

C

범 위로합금을가열하여

Nd

2

Fe

14

BH

X→α

-Fe+Fe

2

B+NdH

X

으로 상분해

(Disproportionation)

시킨 후

, 10

⁻¹

torr

이하 진공 중 수소제거에 의한 α

-Fe+Fe

2

B+NdH

X→

Nd

2

Fe

14

B

재결합

(Desorption and Recombination)

과정 을 거치면서 합금 내부에수십

~

수백

nm

크기의 미 세한결정립을형성시키는방법이다

[8].

본 실험에서 는 우선 사용된

Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal 조성합금의 수소화 및 상분해 반응온도를 확인하기 위하여

0.4~2.0 atm

수소분위기에서

800

^o

C

까지

5

^o

C/min.

속도로온도를상승시키면서

DTA(Differential Thermal Analysis)

및

TPA(Thermal Pressure Analysis)

를 동 시에 측정해본 결과

, 170~270

^o

C

및

735~780

^o

C

범 위에서두 번의흡열반응이일어났으며

,

두반응모 두 모합금이 수소를 흡수하면서 수소압력이 감소하 는반응임을 알수있었다

.

이들두반응온도에서얻 어지는 상들을 확인하기 위하여 모합금을 수소

1 atm

에서

300

^o

C

및

790

^o

C

온도에서수소반응을시킨 후

XRD

를 이용하여 상분석을 실시한 결과

, 170~270

^o

C

반응온도에서는

Nd

2

Fe

14

BH

X가형성되고

, 735~780

^o

C

에서는 α

-Fe+Fe

2

B+NdH

X 상분해가일어남 을 확인하였다

.

또한

,

그림

1

에서 보는 바와 같이

DTA

및

TPA

를 측정한 결과에 의하면 수소압력을

0.4 atm

에서

2 atm

까지 증가함에 따라 수소화 및

상분해 온도가 각각

170

^o

C

및

735

^o

C

까지 감소하였 는데

,

이는상기두반응모두수소를흡수하는반응 이므로 수소압력이증가함에 따라수소화 반응이촉

진된것에기인한것으로판단된다

.

본드자석용분말로사용되는

Nd-Fe-B

계합금의보 자력은 결정립도가

Nd

2

Fe

14

B

결정의단자구 크기

(

약

260 nm)

에 근접하도록 감소하고

[9]

분말내부에

Nd-

rich

상의분포가균일할수록증가하는데

,

분말의 미

세구조를 미세하고 균일하게 얻기 위해서는 모합금 의 결정립도 및 상분포를 제어하는 것이 중요하다

[10].

본 실험에사용한

Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal 조성 합금은 유도용해후

Chill mold cast

에 의하여제조

되었으며

as-cast

상태에서 얻어진 미세구조는 그림

2(a)

와 같다

.

그림에서 보는 바와 같이 합금은

Nd

2

Fe

14

B

및

Nd-rich

상 이외에 다량의 α

-Fe

가 포 함되어있음을 알 수 있는데

,

이는

Nd-Fe-B

상태도

[9]

에서 예측할 수 있는 바와 같이

Nd

함량이

15

at%

이하의 합금조성에서는 용해 후 냉각시

1040~1155

^o

C

구간에서 α

-Fe

가평형상으로석출하고

다시 상온까지 냉각되면서 α

-Fe

으로 상변화한 것에 기인한것이다

. As-cast

상태에서 얻어진 α

-Fe

를제 거하기 위하여

900~1140

^o

C

온도범위에서각각

24

시 간 균질화 처리를실시한하여 얻어진합금의 미세 조직은 그림

2 (b)~(d)

과같다

.

예측한 바와같이균 질화 온도가 증가함에 따라 α

-Fe

는 점차 감소하여

1140

^o

C

에서균질화처리한합금의경우 α

-Fe

는거의 제거됨을알수있었으나

,

동시에

Nd-rich

가점차성

장하여결정립계혹은그 삼중점에

pocket

을형성하

면서조대해짐을볼수 있다

.

As-cast

및

900~1140

^o

C

온도범위에서 균질화 처 리된 합금을

1 atm

의 수소분위기 하에서

790

^o

C

의 온도에서

30

분간유지하는조건으로수소화 및상분 해 반응을 실시하였고

,

동일 온도에서

30

분 동안

10

⁻⁵

torr

까지진공배기에의해재결합반응을완료한

후

, XRD

를 이용하여 상분포를 조사한결과는 그림

3

과 같다

.

모든 균질화 처리 조건에서

Nd

2

Fe

14

B

를 주상으로 형성하고 있으며

(a) as-cast

의 경우 α

-Fe

가 존재하고 있으나

, (b)~(d) 900~1140

^o

C

균질화 처리의 경우 α

-Fe

가 거의 존재하지 않았는데

,

이는

모합금이 함유하는 소량의 α

-Fe

는

HDDR

과정에

의하여대부분제거되었기 때문인것으로판단된다

.

이들

HDDR

처리된 분말을 자장 중에 정렬하고

VSM

을 이용하여정렬방향으로

M-H

관계를 측정한

2

상한감자곡선은그림

4

와같다

.

자기특성측정결과 에서 볼 수 있듯이

chill mold cast

에 의하여 제조 된

Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal 합금은 균질화처리에 의

하여 보자력을

4~8 kOe

이상크게 향상시킬수 있

었으며

,

균질화 처리 온도가 감소함에 따라 보자력 향상효과가증가하여

900~1000

^o

C

범위에서균질화

처리한 모함금의 경우

10 kOe

이상의우수한 보자

력을보여주고있다

.

앞서그림

2(b)~(d)

에서확인한바와같이

1140

^o

C

조건에서균질화처리한합금의경우 α

-Fe

가완전히 제거된 미세조직을얻을수 있었으나자기특성을비 교해 보면 균질화 처리 후 α

-Fe

가 다소 존재하는

900~1000

^o

C

조건보다 보자력이오히려크게감소한

결과가얻어졌으며

,

그 원인을규명하기위하여각각 의 균질화처리조건으로제조된 모합금을이용하여

HDDR

처리를 완료한 분말들의 결정립도 및 분말

내부의

Nd-rich

균일분포도를 조사하여 보았다

. FE-

SEM

을이용하여두분말의파단면을조사해본결과

,

Fig. 1. The variations of (a) hydrogenation and (b) dis- proportionation temperatures of Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal

alloys measured by DTA and TPA.

분말들의결정립도는약

200~300 nm

범위로유사하 게 관찰되었으나

,

반면에 그림

5

와 같이

EPMA

를 이용하여 각각분말내부의

Nd-rich

상의균일분포도 를 조사한결과에의하면

Nd-rich

상은수

~

수십

nm

크기로 분포하고 있으며

1140

^o

C

균질화 처리 조건

(

그림

5(b))

은

1000

^o

C

균질화처리조건

(

그림

5(a))

과 비교해볼때 상대적으로조대한

Nd-rich

분포를형 성하고있음을 확인하였다

.

따라서모합금의 균질화 처리시 온도를증가시키면 α

-Fe

제거에는 효과적이 나

1000

^o

C

이상의높은온도에서는 조대한

Nd-rich

상이형성되고

,

이것이

HDDR

처리후에도분말내

부에조대한

Nd-rich

분포가얻어지는원인을제공하

Fig. 2. SEM images of Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal

alloys homogenized for 24 hours at the temperature of (a) as received, (b) 900

^o

C, (c) 1000

^o

C and (d) 1140

^o

C.

Fig. 3. XRD patterns of HDDR treated powders obtained from Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal

alloys homogenized for 24 hours at the temperature of (a) as received, (b) 900

^o

C, (c) 1000

^o

C and (d) 1140

^o

C.

Fig. 4. Demagnetization curves of HDDR treated powders

depending on homogenization conditions.

는 것으로판단된다

.

한편

,

초기모합금이 함유하는 α

-Fe

는

HDDR

의 최종 공정인 재결합

(

^α

-Fe+Fe

2

B+

NdH

X→

Nd

2

Fe

14

B)

과정에서 일정부분 제거가 되므로 모합금이소량의초정 α

-Fe

를함유하는것은자기특 성 저하에 크게영향을주지않는것으로판단된다

.

결과적으로

Nd-Fe-B

계

HDDR

분말의 보자력은 결

정립도와 더불어

Nd-rich

상의크기및균일도에 의

하여결정되며

,

모합금의결정립도및 상분포제어가

분말내부에균일한

Nd-rich

상을얻기위한중요한

변수임을알 수있었다

.

4. 결 론

유도가열 및

chill mold cast

에 의해 제조된

Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal조성의 모합금을이용하여균

질화 처리가

HDDR

처리후 분말의보자력에 미치

는 영향에 대해조사해본 결과 다음과 같은결론을 얻었다

.

1. 900~1140

^o

C

범위의균질화처리는모합금의미 세조직을 균일하게개선하고보자력을증가시키는데 효과적이었으며

, 900~1000

^o

C

에서 균질화 처리한 모 합금의경우수소압력

: 1 atm,

온도

: 790

^o

C,

유지시 간

: 30

분의조건으로수소화및상분해반응을실시 하고 동일 온도에서

30

분 동안

10

⁻⁵

torr

까지 진공 배기에의해재결합 반응과정을거침으로써

10 kOe

이상의우수한보자력이얻어졌다

.

2. Nd-Fe-B

계

HDDR

분말의 보자력은

Nd-rich

상의 크기 및 균일도에 의하여결정되는 것으로판

단되며 균일한

Nd-rich

상을 얻기 위하여모합금의

결정립도및 상분포제어가중요하다

.

감사의 글

본연구는 지식경제부소재원천기술개발사업의연 구비지원으로수행되었습니다

.

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Fig. 5. EPMA analysis of HDDR treated powder obtained from Nd

12.5

B

6.4

Ga

0.3

Nb

0.2

Fe

bal

alloys homogenized for 24 hours at

(a) 1000

^o

C and (b) 1140

^o

C.

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