Nd-Fe-B 소결자석의 제조 및 보자력 향상기구에 관한 연구

Abstract

Nd계 희토류 영구자석은 우수한 자기적 특성으로 인해 자기공명영상 (MRI), 보이스코일모터 (VCM), 광픽업 장치, 헤드폰, 고성능 소형모터, 휴대폰, CD-ROM, 에어컨 등 각종 전기, 전자기기에 사용되고 있다. 특히 최근 에너지 절감 및 환경친화형 산업이 세계적인 중요한 이슈로 부각 되면서 하이브리드 및 수소연료 자동차의 구동모터 및 발전기용으로 희토류계 영구자석에 대한 관심이 높아지고 있고, 그 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 현재 개발된 Nd-Fe-B 소결자석의 경우, 그 최대자기에너지적은 이론치인 64 MGOe에 거의 근접해져 있으나 큐리온도가 315oC 정도로 낮고 비교적 낮은 온도에서도 자기적 성능의 열화가 심하게 진행된다는 단점이 있기 때문에 다양한 분야로의 응용이 제한되어 왔다. 이를 극복하고 200oC 이상의 고온에서 사용하기 위해서 Nd-Fe-B 영구자석의 최소 보자력이 30 kOe으로 커야 한다. 일반적으로 Nd-Fe-B 소결자석은 강자성상인 Nd2Fe14B와 비자성상인 Nd-rich로 이루어져 있다. 여러 연구들을 통해 Nd-Fe-B 소결자석의 보자력은 Nd2Fe14B와 Nd-rich상의 미세구조에 민감하게 영향을 받는다는 것이 밝혀지고 있어, 현재 새로운 합금설계 및 공정의 최적화를 통해 보자력을 향상 시킴으로써 이러한 단점을 보완하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다. 본 연구에서는 높은 자기적 특성을 가지는 Nd-Fe-B 소결자석의 제조를 위하여, 스트립 캐스팅 (strip casting)과 젯밀 (jet-milling) 공정을 통해 Nd-Fe-B 자성분말을 제조한 후 20 kOe의 자장을 인가하여 성형체를 제조하였다. 또한, 미세구조의 개선을 통해 보자력 특성을 향상시키기 위해 신소결공정으로서 이단소결법 (two-step sintering)을, 열처리 공정으로 반복 열처리 (cyclic heat treatment)와 반복수렴 열처리 (convergence heat treatment) 공정을 개발/적용하였으며, 그 변수의 제어를 통해 고보자력 Nd-Fe-B 소결 자석 제조의 최적 조건을 확립하였다. 본 연구에서 적용된 이단 소결은 첫번째 스텝 온도 1050-1100oC, 두번째 스텝 온도 950oC에서 최장 20 시간까지 소결하였으며, cyclic과 convergence는 350-450oC 구간에서 최대 16 cycle의 열처리를 진행하였다. 특히, 이단 소결을 통하여 소결 중에 결정립 성장 억제 및 크기 분포를 균일화시켜 보자력 특성을 향상시키고, cyclic과 convergence 열처리를 통해 비자성상인 Nd-rich 상과 강자성상인 Nd2Fe14B 간의 미세구조 개선 및 Nd2Fe14B상 내에 자구벽 크기보다 미세 결함 형성을 유도함으로서 Nd-Fe-B 소결 자석의 보자력을 향상시키는 연구를 진행하였다. 그 결과, 새로운 소결법인 이단 소결을 통해 효과적으로 결정립 성장을 억제하여 약 2~4 kOe의 보자력 향상이 있었다. 또한 새로운 개념의 추가적인 열처리법인 cyclic 및 convergence 열처리를 통해 Nd-rich상을 이용한 미세구조의 개선 및 Nd2Fe14B상 내에 미세 결함 형성을 통해 약 1.5~2 kOe의 보자력이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 이러한 신소결법 및 열처리 공정의 적용을 통하여 생기는 Nd-Fe-B 소결자석의 미세구조적 개선에 관한 고찰과 보자력 기구간의 관계를 정립하고 제안하였다.; Nd-Fe-B sintered magnets have been widely applied to high performance permanent magnets, such as magnetic resonance imaging (MRI), voice coil motor (VCM), optical pick-up device, speaker, air conditioner, driving motor for electric vehicles and etc. However, their applications are limited due to poor thermal stability. Magnetic properties, such as coercivity and remanence, decrease dramatically with increasing temperature and disappear permanently over a certain temperature. For magnetic applications at high temperature (over 200oC), such as driving motors for electric vehicle, a coercivity over 30 kOe at room temperature is required to overcome the thermal effects. Nd-Fe-B sintered magnets are normally composed of Nd2Fe14B hard magnet phase as a matrix and Nd-rich phase on grain boundary. Many researchers have shown that the coercivity of Nd-Fe-B magnets was sensitive to microstructure. Therefore, modifications of a sintering process and a heat treatment have been important methods for better homogeneous microstructure and smaller grain size, resulting in enhancement of the coercivity. In this study, three kinds of new methods were introduced to perform better magnetic properties of the Nd-Fe-B sintered magnet. 1. A two-step sintering process, which is a kind of diffusion-controlled sintering method, was employed for the sintering of Nd-Fe-B powder to obtain homogeneous grain size and restrain grain growth during sintering process. The two-step sintering was designed that the sample is first heated to a high temperature T1 and then held for a certain time after rapid cooling down to a lower temperature T2. The green compact was heated at temperature between 1050-1100oC as T1. The second step was holding at 950oC up to 20 hours. Densification over 98% by the two-step sintering was obtained with less than 6 μm of Nd2Fe14B grain size. Moreover, the two-step sintering process had uniform grain size distribution which led to the improved magnetic properties. 2. A cyclic heat treatment, which was performed repeatedly in certain temperature regions, was conducted in order to control microstructures and induce stresses. Up to 16 cycles of heat-treatment were performed under a vacuum (< 1.0 ⅹ10-5 torr) at a heating/cooling rate of 10oC/min, from 350oC to 450oC. The concept of cyclic heat treatments is to use the difference of thermal expansion coefficients between the Nd2Fe14B and the Nd-rich phases. In this way, the Nd-rich phases at boundary junctions would effectively penetrate into the grain boundaries between the Nd2Fe14B grains to distribute the Nd-rich phases around the Nd2Fe14B grains. In addition to, the defects in the Nd2Fe14B grains formed by thermal stress during cyclic heat treatment caused pinning of the domain wall motion and successfully increased the coercivities. 3. A convergence heat treatment was carried out at certain temperature regions to control microstructure and restrain crack formation for the coercivity enhancement. The convergence heat treatment is experimentally similar to the cyclic heat treatment, but the temperature region is reduced as the number of cycle increases and finally converged at a certain temperature. The mechanism of convergence heat treatments is similar to the cyclic heat treatment. However, the cyclic heat treatment can be performed only for limited cycles because cracks tend to form as the number of cycle increases due to the accumulation of thermal stresses by repeated thermal expansion and shrinkage. For the microstructure modification, the convergence heat-treatment was performed up to 8 cycles under vacuum with the heating/cooling rate of 10oC/min from 350oC to 450oC. The cracks, which formed during the cyclic heat treatment and caused decrease of magnetic properties, were controlled up to 8 cycles of the convergent heat treatment.