급속 응고 공정을 이용한 ZrCo 합금의 제조와 자기적 특성

Abstract

영구자석은 에너지 저장 소재로써 가전기기, 음향기기, 자동차 등 다양한 전기·전자제품에 응용되고 있다. 특히 최근에는 하이브리드 및 전기자동차의 수요가 증가함에 따라 친환경자동차에 필요한 모터의 수도 증가하고 있고, 이에 영구자석 재료에 대한 중요성이 높아지고 있다. 현재까지 이러한 수요에 적합한 영구자석 재료는 희토류를 사용한 Nd 자석이지만, 희토류 자원은 가격이 비싸며, 전체 공급량의 97%를 중국이 차지하고 있기 때문에 안정적인 수급에 제한이 있다. 또한 모터의 작동 환경인 약 200℃에서 Nd 자석의 특성은 급격히 열화된다. 이로 인해 Dy를 첨가하여 어느 정도 특성의 열화를 완화시킬 수 있지만 Dy 또한 희토류 원소라는 문제점이 있다. 이와 같은 한계를 극복하고자, 최근 비희토류 영구자석에 대한 연구가 다양한 접근방법으로 진행되고 있다. 이러한 연구 중, 차세대 영구자석의 잠재적 후보로써 Zr-Co 합금에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Zr-Co 합금은 일반적으로 급속 응고 공정을 통해 제조되며, 이 때 Co, , 의 3가지의 자성 상이 형성된다. 이 중 상만이 경자기적 특성을 가지며, 높은 결정자기이방성 상수(11 )와 큐리온도(~500℃)를 나타낸다고 보고되고 있다. Zr-Co 합금에 대한 연구는 크게 2가지 방향으로 진행되고 있다. 하나는 상의 결정구조에 대한 연구이다. 현재까지 상에 대한 정확한 결정구조는 밝혀지지 않았으나, 급속응고 중 상이 고온에서 magnetic hardness의 특성을 가진 rhombohedral 구조를 형성한 후, 일부가 빠르게 저온상인 orthorhombic 구조로 변태하는 것으로 알려져 있다. 다른 연구방향으로는 여러 가지 원소(B, Mo, Si, Al, Fe, Ni 등)를 첨가하여 자성특성을 향상시키는 것이며, 비교적 최근에는 cluster beam deposition을 이용하여 높은 자기에너지적을 얻을 수 있다는 연구 결과가 보고되었다. 그러나 현재까지 자성특성과 관련된 순수한 Zr-Co 계에 대한 연구는 비교적 많지 않다. 이에 본 연구에서는 급속 응고 공정을 통해 Zr-Co 합금을 제조하였으며, Zr 함량과 냉각속도 그리고 열처리 등의 공정변수가 자성상의 형성과 미세조직 그리고 자성특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 20∼60 m/s의 냉각속도 조건에서, 냉각속도가 증가할수록, 준안정상의 형성이 유리해져 rhombohedral 상의 분율이 orthorhombic 상의 분율보다 커짐을 확인하였고, 이 때 40 m/s의 냉각속도에서 제조된 리본의 보자력은 1854.56 Oe, 자화값은 80.39 emu/g을 나타내었다. 60 m/s의 냉각속도에서는 매우 급속한 냉각으로 인해 결정질과 비정질 영역이 혼재하는 미세조직을 형성하는 것을 관찰하였다. Zr 함량이 14∼18 at%인 조건에 대하여 관찰한 결과, Zr 함량이 증가할수록 Zr-Co 합금의 용탕 온도 증가로 인한 rhombohedral 상의 자유 에너지감소와 조성 차이에 의한 응고 과정 변화로 인해 rhombohedral 상 분율이 증가하였다. 이 때 40m/s의 냉각속도로 제조된 리본의 자화값은 73.18 emu/g, 보자력은 2159.72 Oe로 나타났다. 냉각속도가 60 m/s인 조건으로 제조된 (x=0, 2, 4) 리본에 대하여, 400∼600℃의 온도범위에서 30∼60분 동안 열처리를 실시한 결과, 500℃까지는 결정화가 진행됨에 따라 안정상인 상이 형성되었지만, 보자력은 증가하는 경향을 보였으며, 이는 rhombohedral 상의 절대량 증가에 기인한다고 생각되었다. 600℃ 이상의 온도에서는 과 Co 상으로 분해가 더 진행되며, 이에 보자력이 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 실험을 통해 여러 공정 변수를 제어하여 경자성 상인 rhombohedral 상의 분율을 조절할 수 있다는 것을 관찰하였고, 추가적인 열처리를 통해 보자력을 증가시킬 수 있었다. 추후 더 높은 자성특성을 얻기 위해 rhombohedral 상을 안정화 시키는 연구가 필요하다고 생각된다.