용융 방사 공정으로 제조된 ThMn12 구조를 갖는 Sm-Fe-Ti 합금의 자기 특성과 미세조직

Abstract

Neodymium permanent magnet(Nd2Fe14B) discovered in the mid-80’s has the strongest magnetic performance ((BH)max ~50 MGOe) among commercial magnets and is most widely used throughout the industry. For example, the neodymium magnets should be used in electric vehicle motors requiring high power. Because the neodymium magnets have a sharp drop in the magnetic performance at high temperature(>150℃), a noticeable amount of Dysprosium(Dy) or Turbium(Tb) should be added to increase their coercivity. This indicates that Dy addition is essential to use in motors or other applications exposed to high temperature. However, due to the limited amount of Dy element and its supply chain resources, the development of the alternatives has been strongly demanded. Recently, SmFe12-based compounds with the ThMn12 crystal structure have been studied widely as a candidate for new permanent magnets due to their excellent intrinsic magnetic properties. It was found that Sm(Fe, Co, Ti)12-based compounds displayed excellent magnetic properties (saturation magnetization(Ms) 1.4 ~ 1.8 T, anisotropy field(Ha) 7 ~ 12 T), which are comparable to those of neodymium magnets (Ms 1.6 T, Ha 7 T). Furthermore, they have excellent thermal stability without any heavy rare earth elements. Although SmFe12-based compounds have a high anisotropy field, the actual coercivity is less than 10% of their anisotropy field. Thus, the recent research has been focused on identifying the cause of their low coercivity for improving the coercivity. In the case of neodymium magnets, the coercivity is greatly depending on the grain size and the Nd content on grain boundaries. Up to now, there has been few studies examining the relationship between the coercivity behavior and the Sm distribution in SmFe12-based compounds. In this study, the magnetic properties of the Sm-Fe-Ti alloy composed of only three basic elements were investigated closely while changing initial Sm content and subsequent heat treatment conditions. In addition, factors governing the coercivity of the compounds were studied based on the results of observation of the microstructure and magnetic domain structures. In addition, C element was added to investigate the effect of nano-precipitates in the matrix on the coercivity by investigating changes in magnetic properties and microstructures. In the SmFe12-based compounds prepared by melt-spinning process, the highest coercivity measured in this experiment was 6.3 kOe in a Sm1.02Fe10.95Ti1.04 sample heat treated at 850°C for 15 minutes. It was observed that as the Sm content increased, the heat treatment temperature(TA) to obtain the maximum coercivity of each samples also increased. In Sm0.92Fe11.07Ti1.02, Sm1.02Fe10.95Ti1.04 and Sm1.12Fe10.87Ti samples, the maximum coercivity and TA were were 5.7 kOe at 825°C, 6.3 kOe at 850°C and 5.0 kOe at 875°C, respectively. This indicates that the increase of the Sm content retarded the formation of the ThMn12 phase. In addition, when the composition of the above sample is the closest to SmFe11Ti, the maximum coercivity was obtained, indicating the importance of the structural perfectness and the compositional homogeneity of the ThMn12 phase. The hysteresis loops of Sm1.02Fe10.95Ti1.04 samples heat treated at different TA showed that the initial slope decreases with increasing TA. In addition, from the results of measuring the coercivity and the remanence while changing the maximum applied field for the sample, the coercivity mechanism of this compound would have the domain wall pinning type. As TA increased above the temperature at which the maximum coercivity was obtained, the coercivity gradually decreased in all the samples with different compositions. The microstructures and magnetic domain structures of samples showed that grains with a domain size, expecting the highest coercivity, were obtained above the optimum annealed temperatures. The microstructures showed that the sharp grain boundaries were observed in the samples annealed in higher temperatures. Thus, this indicates that the depinning on grain boundaries played a critical role in reducing the coercivity of SmFe12-based compounds. When TiC was formed in alloy, no improvement in coercivity could be observed. The coercivity of the SmFe11Ti1+xCx (x = 0, 0.05, 0.1, 0.2) sample heat treated at 850°C for 15 minutes was measured to be about 6.2 kOe regardless of the TiC content. As a result of microstructural analysis, it was found that TiC formed grains independently from the matrix and had a coarse grain size(>100 nm) compared to that of the matrix(about 30 nm). Since this morphology did not satisfy the nano-distributed state in the matrix required to act as an effective pinning site, the improvement in the coercivity was hard to be obtained. This study aimed to understand the low coercivity behavior of Sm-Fe-Ti compounds with a ThMn12 crystal structure prepared by melt-spinning process. As a result, it was found that the morphological development of grain boundary structure played an important role in determining the coericivity. Thus the further detailed morphological analysis of grain boundaries should be carried out to enhance the magnetic properties of the compounds.|80년대 중반 발견된 네오디뮴 영구자석(Nd2Fe14B)은 상용 자석 중 가장 강력한 자기적 성능((BH)max ~50 MGOe)을 보유하여 산업 전반전으로 널리 사용되고있다. 고출력을 요하는 전기 자동차 모터의 경우에는 네오디뮴 자석이 가장 널리 사용된다. 네오디뮴 자석은 고온(>150℃)에서 자기적 성능이 급격히 떨어지는데, 디스프로슘(Dy)이나 터브늄(Tb) 원소가 소량 첨가될 경우 열적 안정성이 크게 개선된다. 모터에 사용되거나 기타 고온 환경에 노출되는 네오디뮴 자석에는 Dy가 필수적으로 첨가된다. 그런데 중희토류인 Dy가 갖는 한정적인 매장량과 공급 안정성에 대한 문제로 인해 대안이 필요한 상황이다. 최근 ThMn12 결정 구조를 갖는 SmFe12 기반 합금은 이론적으로 예측된 뛰어난 자기적 특성으로 인해 차세대 영구자석으로써 많은 연구가 진행되고있다. 영구 자석의 세기와 안정성에 관련된 특성은 포화자화(saturation magnetization, Ms)와 보자력(coercivity, Hc)으로 나타낼 수 있으며, 이론적인 최대 보자력은 이방성자계(anisotropy field, Ha)과 관련되어있다. Sm(Fe, Co, Ti)12 기반 합금은 네오디뮴 자석(Ms 1.6 T, Ha 7 T)에 준하는 자성 특성(Ms 1.4 ~ 1.8 T, Ha 7 ~ 12 T)을 가지며 중희토류 첨가 없이도 열적안정성이 우수한 것으로 알려져 있다. SmFe12 기반 합금은 이론적으로 매우 높은 이방성자계를 가짐에도 불구하고, 실제 보자력은 이방성자계의 10%도 채 구현되지 못하고 있다. 따라서, 최근 연구 동향은 이 합금의 낮은 보자력에 대한 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 보자력을 향상시키는 데에 초점이 맞추어져 있다. 네오디뮴 자석의 경우 Nd 함량에 따라 보자력이 크게 바뀌며 이는 미세조직적인 차이에서 기인한다. 그러나 아직까지 SmFe12 기반 합금에서 Sm 함량에 따른 보자력 거동을 살펴본 연구는 없다. 이에 따라 본 연구에서는 기본적인 원소로 구성된 Sm-Fe-Ti 합금에서 Sm 함량과 열처리 조건을 변화시키면서 자기 특성 변화를 면밀하게 조사하고자 하였다. 더불어 미세조직과 자구 구조를 관찰한 결과를 토대로 본 합금의 보자력을 지배하는 인자에 대해 고찰하였다. 또한 자구벽 이동에 영향을 미칠 수 있는 기지조직 내의 미세 석출물이 보자력에 미치는 영향을 조사하기 위해 TiC를 첨가하였으며, 이에 따른 자기 특성과 미세조직 변화에 대하여 살펴보았다. 용융 방사 장치를 이용하여 제조된 SmFe12 기반 합금에서, 본 실험에서 보자력 특성은 850℃에서 15 분간 열처리된 Sm1.02Fe10.95Ti1.04 시료에서 6.3 kOe으로 가장 높은 값을 나타내었다. 상기 시료의 조성은 SmFe11Ti에 가장 가까운 조성으로, 시료의 보자력은 ThMn12 구조의 조성적 균질도에 영향을 많이 받는 것으로 사료된다. Sm 함량이 증가함에 따라 시료의 최대 보자력을 얻기 위한 열처리 온도도 함께 증가하는 것으로 관찰되었다. Sm0.92Fe11.07Ti1.02와 Sm1.02Fe10.95Ti1.04, Sm1.12Fe10.87Ti 시료에서 최대 보자력 및 열처리 온도는 각각 5.7 kOe, 6.3 kOe, 5.0 kOe 및 825℃, 850℃, 875℃으로 관찰되었다. 이는 Sm 함량 증가에 따라 ThMn12 결정 구조의 형성이 지연되기 때문인 것으로 사료된다. Sm1.02Fe10.95Ti1.04 시료의 열처리 온도 별 자화곡선을 살펴본 결과, 자화곡선의 초기 기울기와 보자력은 서로 비례하는 관계를 나타내었다. 또한, 해당 시료에 대해 최대 인가자장에 변화를 주면서 보자력과 잔류자화를 측정한 결과로부터, 본 합금의 보자력 기구는 자구벽 고착형(pinning type)일 것으로 판단된다. 세 가지 시료에서 각각 최대 보자력을 보인 온도 이상으로 열처리 온도가 증가할수록 각 시료의 보자력은 점차 감소하였다. 보자력 감소의 원인을 파악하기 위해 850℃와 950℃에서 15 분간 열처리된 Sm1.02Fe10.95Ti1.04 시료의 미세조직과 자구 구조를 관찰하였다. 850℃에서 열처리된 경우 결정립 크기와 자구 크기는 각각 약 30 nm 및 100 nm으로 관찰되었으며, 여러 개의 결정립들이 하나의 자구를 형성하고 있는 상태인 것으로 추측할 수 있다. 열처리 온도가 950℃으로 증가함에 따라 결정립 크기는 약 250 nm으로 매우 조대해졌으며, 자구 크기 또한 이와 비슷한 크기를 나타내었다. 또한, 950℃에서 열처리된 경우의 결정립계는 850℃에 비하여 더욱 뚜렷하고 각진 형태를 나타내었다. 열처리 온도가 다른 두 시료 간에 이러한 결정립계 상태의 차이로 인하여 보자력이 감소하였을 것으로 추측된다. TiC 첨가에 따른 자구벽 이동 에너지 증가에 의한 보자력 향상에 관련된 효과는 관찰할 수 없었으며, 850℃에서 15 분간 열처리된 SmFe11Ti1+xCx (x = 0, 0.05, 0.1, 0.2) 시료의 보자력은 TiC 함량에 관계없이 약 6.2 kOe으로 측정되었다. 미세조직적인 분석 결과 TiC는 기지상과 독립적인 결정립을 형성하였으며 기지상(약 30 nm)에 비하여 조대한 결정립 크기(>100 nm)를 갖는 것이 다수 발견되었다. 이러한 분포는 적절한 pinning site로써 작용하기 위해 요구되는 기지상내에 미소 분포된 형상을 만족하지 못하며 보자력의 변화를 기대할 수 없으므로, 보다 세심한 시편 준비를 통한 평가가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 용융 방사를 통해 ThMn12 결정 구조를 갖는 Sm-Fe-Ti 기반 합금의 보자력 거동에 대한 이해를 시도하였다. 그 결과 보자력의 크기는 ThMn12 결정 구조의 완벽성과 결정립계 상태에 매우 민감한 것으로 파악되었다. 따라서 매우 세심한 열처리 조건의 확립이 보자력 향상에 중요한 인자임을 알 수 있었다.