Effect of Process Parameters on Microstructure and Magnetic Properties of Sm-Co Alloy Powder Prepared by High Energy Ball Milling

(1)

DOI: 10.4150/KPMI.2010.17.2.130

고에너지 볼밀링된

Sm-Co

합금 분말의 미세조직 및 자성특성에 미치는 공정변수의 영향

김보식·장시영

*

한국항공대학교 항공재료공학과

Effect of Process Parameters on Microstructure and Magnetic Properties of Sm-Co Alloy Powder Prepared by High Energy Ball Milling

Bo Sik Kim and Si Young Chang

*

Department of Materials Engineering, Korea Aerospace University, Gyeonggi-do 412-791, Korea (Received February 14, 2010; Revised March 18, 2010; Accepted March 28, 1010)

Abstract Sm-16.7wt%Co alloy powders were prepared by high energy ball milling under the conditions of various milling time and the content of process control agent (PCA), and their microstructure and magnetic properties were investigated to establish optimum processing conditions. The initial powders employed showed irreg- ular shape and had a size ranging from 5 to 110 ^µ m. After milling for 5 h, the shape of powders changed to round shape and their mean powder size was approximately 5 ^µ m, which consisted of the agglomerated nano-sized par- ticles with 15 nm in diameter. The coercivity was reduced with increasing the milling time, whereas the saturation magnetization increased. As the content of PCA increased, the powder size minutely decreased to approximately 7

µ m at the PCA content of 10 wt%. The XRD patterns showed that the main diffraction peaks disappeared appar- ently after milling, indicating the formation of amorphous structure. The measured values of coercivity were almost unchanged with increasing the content of PCA.

Keywords : High energy ball milling, Sm-Co alloy powder, Microstructure, Magnetic properties

1. 서 론

한방향으로자화를강하게고정시켜큰보자력과높 은 잔류자화비를 갖게 되는 경자성 재료

(Hard magnetic materials)

또는영구자석

(Permanent magnets)

은솔레노이드코일이나전자석과는달리외부로부터 의 전력공급 없이 지속적으로 주위공간에 일정크 기의 자장을만들어 내며비접촉 상태에서 어떤대 상에서힘을가할수있는특수한기능을가진다

.

그 중

Sm-Co

계열 자석은 컴퓨터

,

오디오

,

비디오

,

자 동차등 정밀한기술이 필요한산업에서고성능 희토 류계 영구자석으로서중요하다

.

최근에 기계적합금

화 방법을 이용하여 비정질 구조의

Sm-Co

계 합금

분말을 얻고자하는 연구

[1],

그리고 경자성상과연

자성상으로 이루어진 나노 크기의 분말을제조하여 자성 특성을향상시키고자 하는연구

[2]

가진행되고 있다

.

그러나 최적의특성을갖는 나노크기의분말 을제조하는 것은매우어렵다

.

이러한나노크기재 료의제조방법으로는기상응축법

(Gas Condensation),

전착법

(Electrodeposition),

졸

-

겔법

(Sol-Gel),

기계적

합금화법

(Mechanical Alloying),

화학기상응축법

(Chemical Vapor Condensation)

등의 물리·화학적

방법 및 기계적 방법이 있다

[3, 4].

기상응축법이나

전착등의방법은매우미세한분말을 얻을수 있다 는 장점이 있으나제조 비용이비싸다는 단점이지 적되고있으며

,

화학기상응축법역시 제조된분말의 표면에산화층이생기는문제점이있다

.

본연구에서 사용한 고에너지 볼밀링을 이용한 기계적합금화법

*Corresponding Author : [Tel : +82-2-300-0168; E-mail : [email protected]]

(2)

특성을조사한후

,

나노사이즈분말을얻기위한최 적 공정 조건 및 미세 조직과자성특성과의 연관성 을 명확히하였다

.

2. 실험방법

Sm-16.7 wt%Co

합금분말을이용하여

,

회전속도를

800 rpm

으로 고정하고

,

공정제어제로서

Toluene

(C

6

H

5

CH

3

)

을

7 wt%

첨가한 후

stainless steel ball 100 g

과 분말

5 g(20:1)

의 비율로각각

30

분

, 1, 3, 5

시간동안

Ar

분위기에서 고에너지 볼밀링을 하였 다

.

또한 공정제어제의 영향을 관찰하기 위하여

, Toluene

을

1, 3, 5, 7, 10 wt%

첨가한 후

800 rpm

의 회전속도로

5

시간 동안

stainless steel ball 100 g

과분말

5 g(20:1)

의비율로 밀링하였다

.

밀링후에 는

Ar

분위기의글로브 박스내에서분말을채취하 였다

.

초기 분말 및 밀링 후 분말의 크기 및 형상 변화를주사전자현미경및투과전자현미경으로 관찰

하였으며

, Image analyzer

을 이용하여 분말 입자의

크기와형상을정량화하였다

.

또한분말의상및구 조변화를

X

선회절분석기를이용하여관찰하였다

.

분 말의 자성특성은

VSM

을 통하여 상온에서

±12.5

다

.

그림

1

은볼밀링시간에 따른

Sm-Co

합금분말 의 미세조직을

SEM

을 이용하여 관찰한 것이다

.

초

기 분말은크기 범위가

10~115

µ

m

정도로서 각형

상을 나타낸다

.

밀링 후에 분말은 구형의 형상으로 변화하며작아지는 경향을보였다

.

그림

1

로부터 얻어진 밀링 시간에 따른

Sm-Co

합금 분말의 크기와 형상변화를그림

2

에 정량적으 로나타내었으며

,

분말의크기분포를그림

3

에보였 다

. 30

분의 단시간 밀링후 분말의크기는초기 분 말의반정도로작아졌고

,

그후밀링시간이증가함 에 따라 서서히 감소하여

5

시간의 밀링 후에는 약

10

µ

m

의평균크기를 나타내었다

.

또한 초기분말의 표면은 매끈하나밀링후에는거친표면을나타내었 다

.

밀링후의분말크기분포는그림

3

에서보듯이

1~100

µ

m

이내로 초기 분말 크기 분포보다 작은

쪽으로이동하였으며

,

최대분말수를나타내는피크 값도 밀링 시간이증가함에 따라 작은쪽으로 이동 하여평균 분말크기와 같은경향을나타내었다

.

한 편

,

형상인자가

0.63

인초기 분말은밀링시간이 증 가함에따라서서히 증가하여

5

시간밀링후에는약

0.79

까지증가하여구형에가까워짐을알 수있다

.

그림

4

는 밀링 시간에 따른

Sm-Co

합금 분말을

Fig. 1. SEM images showing Sm-Co alloy powders with increasing the milling time.

(3)

분산제를이용하여 분산시킨후

TEM

을이용하여관

찰한 결과이다

. 1

시간 밀링 후에는 약

45 nm

크기

의입자가관찰되고

,

그후밀링시간이증가함에따

라 입자는 작아져

5

시간의 밀링 후에 약

15 nm

의

입자 크기를나타낸다

.

이와같이

TEM

으로 관찰된 입자의 크기는그림

1

에서보여지는거친분말의표 면에 보여지는 작은 결정립형상의 크기와 거의일 치한다

.

이결과로부터그림

1

의밀링된분말은나노 크기의입자응집체임을알수있다

.

밀링시간에따른

Sm-Co

합금분말의

XRD

패턴

을 그림

5

에나타내었다

.

초기분말은

SmCo

5상으로 이루어진 금속간화합물이며

,

밀링 시간이 증가함에 따라피크가없어지고

, 3

시간의밀링후에는초기피

크가거의 사라진다

.

이와 같이피크가 밀링시간에 따라넓어지며사라지는결과로부터분말내입자의

Fig. 2. Mean powder size and shape factor of Sm-Co alloy powders with increasing the milling time.

Fig. 3. Size distribution curves of Sm-Co alloy powders with increasing the milling time.

Fig. 4. TEM images showing Sm-Co alloy powders with increasing the milling time.

Fig. 5. XRD patterns of Sm-Co alloy powders with increasing the milling time.

Fig. 6. Magnetization curves of ball-milled Sm-Co alloy

powders.

(4)

크기가 감소함과 동시에 결정구조가 비정질 구조로 바뀌는것을알수있다

.

밀링시간에따른

Sm-Co

합금분말의자기이력곡

선을그림

6

에나타내었다

.

밀링시간이증가함에따 라 보자력은 감소하고

,

반면에포화자화값은 증가하 는 것을알수 있다

.

그림

7

에 보자력과포화자화값 의 밀링시간에 따른특성변화를정량적으로나타내 었다

.

초기 보자력은 약

7000 Oe

이었지만

5

시간의

밀링후약

1000 Oe

까지감소하였고

,

포화자화값은

약

40 emu/g

에서

5

시간 밀링 후 약

100 emu/g

으 로증가하였다

.

이러한보자력의급격한변화는고에

너지 볼밀링에 따른

SmCo

5 상의 소멸 즉

,

비정질

응집체는약간작아졌다

.

그림

9

는그림

8

으로부터얻어진공정제어제의함

량에 따른

Sm-Co

합금 분말의 크기와 형상변화를

정량적으로 나타낸 결과이다

.

공정제어제의 함량이 증가할수록분말응집체의 크기가미세하게감소하여 공정제어제의 함량이

10 wt%

일 때 약

7 ^µ m

의 분말 크기를보여준다

.

그리고분말 응집체의 형상인자는 공정제어제의함량에관계없이약

0.8

정도로서거의 일정하여구형에가까운형상을보임을알수있다

.

그림

10

은공정제어제의함량에따른

Sm-Co

합금 분말의입도분포를나타낸것이다

.

공정제어제의함 량이 증가할수록최대 분말 수의 피크가작은 입도 쪽으로 약간이동하여 작은입도의 분말이 증가하는 분포를나타내었다

.

그림

11

은공정제어제의함량에따른

Sm-Co

합금 분말입자의미세조직을

TEM

을이용하여관찰한것 이다

.

공정제어제를 첨가하지 않고 밀링 한 입자의

크기는 약

15 nm

의 크기를 나타내었고

, 5 wt%

또

Fig. 7. Coercivity H

c

and saturation magnetization M

s

of ball-milled Sm-Co alloy powders.

Fig. 8. SEM images showing Sm-Co alloy powders with the content of PCA.

(5)

는

10 wt%

첨가하였을 때의 입자의 크기도 역시 거의일치하는크기를 나타내는것으로보아공정제

어제첨가의영향은관찰되지 않았다

.

공정제어제의 함량에 따른

Sm-Co

합금 분말의

XRD

분석결과를 그림

12

에 나타내었다

.

공정제어 제를첨가하지않고

5

시간동안밀링한분말의 피크 와 공정제어제의 함량을 증가시키면서 측정한 밀링 한 분말의피크는큰차이가 없었다

.

공정제어제의함량에 따른

Sm-Co

합금분말의자 기이력곡선을 그림

13

에 나타내었다

.

그래프에서보 면 공정제어제의 함량을 증가시키면서 측정한 이력 곡선은 공정제어제를 첨가하지 않고

5

시간동안 밀 링한이력곡선과큰 차이가없었다

.

그리고그림

14

에보자력과포화자화값의 밀링시간에따른특성변 화를 정량적으로 나타낸 결과에서 보듯이보자력과 포화자화값은공정제어제의함량이증가함에따라크

게 변화하지않고 각각

65 Oe

와

115 emu/g

을 나타

내었다

.

이상의 결과로부터공정제어제의 함량은 고

Fig. 9. Mean powder size and shape factor of Sm-Co alloy powders with the content of PCA.

Fig. 10. Size distribution curves of ball-milled Sm-Co alloy powders.

Fig. 11. TEM images showing Sm-Co alloy powders with the content of PCA

Fig. 12. XRD patterns of Sm-Co alloy powders with the

content of PCA.

(6)

에너지볼밀한

Sm-Co

합금분말의 미세조직을크게 변화시키지않으며

,

또한자성특성에도영향을미치 지 않는다고판단된다

.

4. 결 론

본 연구에서는 고에너지 볼밀링으로 제조된

Sm- Co

합금분말의공정변수에 따른미세조직과자성특 성을 조사하였다

.

밀링 시간이증가할수록분말응집 체의크기는감소하였으며

,

형상은구형에가깝게변 화하였다

.

약

35

µ

m

의 평균크기를 갖는 초기 분말 은

5

시간의밀링 후에 약

10

µ

m

크기의 구형으로

바뀌며

,

약

15 nm

의입자의응집체로이루어졌다

.

밀

링에 의한 분말입자의 미세화와 비정질구조의형 성에기인하여보자력은밀링시간이 증가함에따라 감소하였고

,

포화자화값은증가하였다

.

공정제어제함 량의 증가에 따라서 분말응집체의 크기는감소되었 으나

,

입자의 크기와형상 및결정구조와같은 미세 조직뿐만아니라자성특성에도영향을미치지않았다

.

감사의 글

본연구는 지식경제부소재원천기술개발사업의연 구비지원으로수행되었습니다

.

참고문헌

[1] Y. Liu, M. P. Dallimore and P. G. McCormick: J. Mag.

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[7] J. S. Benjamin and T. E. Volvin: Metall. Trans., 5

(1974) 1929.

[8] B. S. Kim, S. Y. Chang: Modern Phys. Lett. B., ²³ (2009) 3919.

Fig. 13. Magnetization curves of ball-milled Sm-Co alloy powders.

Fig. 14. Coercivity H

c

and saturation magnetization M

s

of

ball-milled Sm-Co alloy powders.