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KR101353605B1 - 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치 - Google Patents

자기이방성 희토류 영구자석 소결장치 Download PDF

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KR101353605B1
KR101353605B1 KR1020110129015A KR20110129015A KR101353605B1 KR 101353605 B1 KR101353605 B1 KR 101353605B1 KR 1020110129015 A KR1020110129015 A KR 1020110129015A KR 20110129015 A KR20110129015 A KR 20110129015A KR 101353605 B1 KR101353605 B1 KR 101353605B1
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KR
South Korea
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permanent magnet
rare earth
sintering apparatus
earth permanent
vacuum chamber
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김주영
오윤석
이영주
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재단법인 포항산업과학연구원
주식회사 포스코
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Abstract

자기이방성 희토류 영구자석 소결장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 프레스 공정을 거쳐 성형된 성형체를 소결하기 위한 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치에 있어서, 외부 공기를 차단할 수 있고, 성형체를 장입하기 위한 시료 장입 장치; 상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 챔버; 및 상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 가열하기 위한 가열로를 포함한다.

Description

자기이방성 희토류 영구자석 소결장치{SINTERING APPARATUS OF RARE-EARTH BASED PERMANENT MAGNET WITH MAGNETIC ANISOTROPY}
본 발명은 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기이방성 희토류 영구자석을 500ppm 이하의 산소농도로 제작할 수 있도록 하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치에 관한 것이다.
일반적으로, NdFeB 소결자석은, 하이브리드카(hybrid car)의 모터용 자석 등으로서 금후 점점 수요가 확대된다고 예측되고 있다. 자동차용 모터에서는 중량의 경감이 더욱 요망되고 있으며, 그 때문에, 보자력(Hc)을 한층 더 크게 하는 것이 요망되고 있다.
NdFeB 소결자석은 Nd2Fe14B(T1) 상과 Nd-rich 또는 Cu-Nd 상으로 이루어지는데, 이상적인 NdFeB 소결자석의 미세구조는 200nm 크기의 T1상이 Nd-rich 또는 Cu-Nd 상으로 둘러싸여 완벽히 자기적으로 고립된 형태를 가지는 것이다. 이것은 T1 상을 단자구 크기인 200nm로 분할하고 그 둘레를 비자성 물질로 감싸 고립시킴으로써 최대 잔류자화값과 보자력을 얻을 수 있기 때문이다.
그러나, 현실적으로 200nm 대의 T1상 대신 5~10um 의 T1상을 가진 자석이 생산되고 있고, 그 이유는 소결자석의 경우 미세분말을 소결시켜 소결체를 얻게 되는데, 200nm 이하의 분말은 산소와의 반응성이 커서 산소농도를 제어하기 어렵기 때문이다.
희토류 자석은, 화학적으로 활성이고 산화하기 쉬운 희토류 원소를 약 30wt％ 포함한다. 희토류 소결자석 제조공정에는, 화학적으로 활성인 희토류 원소를 대량으로 포함하며, 평균 입도가 3㎛ 정도의 미분말을 취급하는 공정이 존재한다.
이렇게 활성화된 희토류 합금의 분말은 대기중에서 급격히 산화되며, RFeB 자석내부의 산소는 비자성 물질인 희토류 산화물을 형성하게 되어 자석의 성질을 저하시키는 주된 요인으로 보고 있다.
이러한 현상은 희토류 합금 분말의 평균 입도가 작아질수록 더욱 심화된다. NdFeB 자석의 최종목표인 200nm 대의 분말의 경우는 최소한의 산소접촉만으로도 급격히 산화될 수 있어 산소농도가 제어되지 않은 장비로 자석을 제작할 경우 오히려 특성이 저하되는 결과를 낳게 된다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 자석 생산 공정중 산소유입이 심한 단계는 성형체(1)를 소결로(3)로 이동시키고 장입하는 단계로, 종래의 챔버형 소결로(3)의 경우는 소결로(3)의 뚜껑(5)을 열어서 성형체(1)를 장입하는 동안 산소 노출이 불가피하여 기존 공정에서는 일정시간 산소 접촉에도 급격한 산화가 일어나지 않는 3~6um 대의 분말을 사용하고 있고 최종 소결 자석의 산소농도는 5000ppm 에서 2000ppm 대를 나타낸다. 일부 실험실 수준에서는 1um 이하의 초 미세 분말을 이용한 자석제조가 이루어지고 있으나 양산공정에는 적합하지 않다.
또한, NdFeB 자석의 미세구조를 균일한 크기로 만들기 위해서는 소결 후 급냉 과정이 필수적인데, 이는 냉각하는 과정에서 입자가 비정상적으로 커지는 이상립 성장(Abnormal grain growth)을 막기 위해서이다. 종래의 챔버형 소결로(3)의 경우에는 소결로(3) 본체를 냉각 시키기 위해서 대량의 비활성 기체(N2 또는 Ar)를 냉각시켜 흘려보내는 방식으로 냉각시키고 있으나 이 방법은 별도의 기체 냉각 장치가 필요하고 냉각속도 또한 충분한 속도에 이르지 못하고 있다.
본 발명은 프레스 공정을 거친 성형체를 산소와 접촉시키지 않고 소결할 수 있으며, 종래의 방식보다 성형체를 빠른 냉각 속도로 냉각할 수 있고, 최종 산소농도 500ppm 내외인 균일한 입도를 가지는 NdFeB 자석의 생산을 가능하게 하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프레스 공정을 거쳐 성형된 성형체를 소결하기 위한 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치에 있어서,
외부 공기를 차단할 수 있고, 성형체를 장입하기 위한 시료 장입 장치;
상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 챔버; 및
상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 가열하기 위한 가열로를 포함하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치가 제공된다.
상기 시료 장입 장치는 상기 성형체가 장입되고, 상기 가열로에 의하여 가열되기 위한 가열 튜브; 및
상기 진공 챔버 및 상기 가열 튜브와 각각 분리 가능하게 결합되고, 상기 진공 챔버를 개폐하기 위한 밸브를 포함할 수 있다.
상기 가열 튜브의 내부는 산소농도 0.1% 이하의 불활성 기체 분위기 상태로 밀폐될 수 있다.
상기 밸브는 밸브 몸체와; 상기 밸브 몸체에 결합되고 상기 밸브를 개폐하기 위한 개폐부재; 및 상기 개폐부재와 결합되고 상기 개폐부재를 작동시키기 위한 손잡이부재를 포함할 수 있다.
상기 시료 장입 장치는 상기 밸브 몸체와 상기 진공 챔버를 분리 가능하게 서로 결합시켜 주는 제1 결합부를 포함할 수 있다.
상기 시료 장입 장치는 상기 밸브 몸체와 상기 가열 튜브를 분리 가능하게 서로 결합시켜 주는 제2 결합부를 포함할 수 있다.
상기 진공 챔버에는 상기 진공 챔버를 진공 상태로 만들어주기 위한 진공 펌프가 연결될 수 있다.
상기 가열로에는 상기 가열 튜브가 삽입되기 위한 삽입부가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 프레스 공정을 거친 성형체를 산소와 접촉시키지 않고 소결할 수 있으며, 종래의 방식보다 성형체를 빠른 냉각 속도로 냉각할 수 있고, 최종 산소농도 500ppm 내외인 균일한 입도를 가지는 NdFeB 자석의 생산을 가능하게 하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 성형체 장입 상태를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 가열 상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 급냉 상태를 도시한 개략도이다.
도 4는 종래기술에 따른 성형체 이송 상태를 도시한 개략도이다.
도 5는 종래기술에 따른 가열 상태를 도시한 개략도이다.
도 6은 종래기술에 따른 급냉 상태를 도시한 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 성형체 장입 상태를 도시한 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 가열 상태를 도시한 개략도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 급냉 상태를 도시한 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치는, 프레스 공정을 거쳐 성형된 성형체를 소결하기 위한 장치이다.
이러한 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치는, 외부 공기를 차단할 수 있고, 성형체(100)를 장입하기 위한 시료 장입 장치(10);
상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 챔버(20); 및
상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 가열하기 위한 가열로(30)를 포함할 수 있다.
상기 시료 장입 장치(10)는 상기 성형체(100)가 장입되고, 상기 가열로(30)에 의하여 가열되기 위한 가열 튜브(11); 및
상기 진공 챔버(20) 및 상기 가열 튜브(11)와 각각 분리 가능하게 결합되고, 상기 진공 챔버(20)를 개폐하기 위한 밸브(13)를 포함할 수 있다.
상기 가열 튜브(11)는 상기 가열로(30)에 의하여 용이하게 가열될 수 있도록 원통체 형상으로 형성될 수 있다.
상기 가열 튜브(11)의 내부는 산소농도 0.1% 이하의 불활성 기체 분위기 상태로 밀폐될 수 있다.
상기 불활성 기체로는 예컨대, 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스로 이루어질 수 있다.
상기 밸브(13)는 밸브 몸체(15)와; 상기 밸브 몸체(15)에 결합되고 상기 밸브(13)를 개폐하기 위한 개폐부재(17); 및 상기 개폐부재(17)와 결합되고 상기 개폐부재(17)를 작동시키기 위한 손잡이부재(19)를 포함할 수 있다.
상기 시료 장입 장치(10)는 상기 밸브 몸체(15)와 상기 진공 챔버(20)를 분리 가능하게 서로 결합시켜 주는 제1 결합부(40)를 포함할 수 있다.
상기 제1 결합부(40)는 상기 밸브 몸체(15)의 일단부에 형성된 수나사; 및 상기 진공 챔버(20)의 내부에 형성되어 상기 수나사부와 결합되기 위한 암나사로 이루어질 수 있다.
상기 제1 결합부(40)는 상기 밸브 몸체(15)와 상기 진공 챔버(20)를 분리 가능하게 결합시킬 수 있으면 이러한 나사 체결 방식에 한정되지 않는다.
또한, 상기 시료 장입 장치(10)는 상기 밸브 몸체(15)와 상기 가열 튜브(11)를 분리 가능하게 서로 결합시켜 주는 제2 결합부(50)를 포함할 수 있다.
상기 제2 결합부(50)는 상기 밸브 몸체(15)의 타단부에 형성된 암나사; 및 상기 가열 튜브(11)의 내부에 형성되어 상기 암나사와 결합되기 위한 수나사로 이루어질 수 있다.
상기 제2 결합부(50)는 상기 밸브 몸체(15)와 상기 가열 튜브(11)를 분리 가능하게 결합시킬 수 있으면 이러한 나사 체결 방식에 한정되지 않는다.
또한, 상기 진공 챔버(20)는 일정한 압력 이하, 예컨대 10-7 torr 이하의 진공도로 진공 처리될 수 있다.
상기 진공 챔버(20)에는 상기 진공 챔버(20)를 진공 상태로 만들어주기 위한 진공 펌프(21)가 연결될 수 있다.
상기 가열로(30)는 이동장치(미도시)에 의하여 상하 방향, 또는 좌우 방향으로 이동될 수 있다. 상기 이동장치는 자동 또는 수동으로 상기 가열로를 이동할 수 있다.
상기 가열로(30)에는 상기 가열 튜브(11)가 삽입되기 위한 삽입부(31)가 형성될 수 있으며, 상기 삽입부는 상기 가열 튜브를 용이하게 삽입 또는 분리될 수 있도록 상기 가열 튜브의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
상기 삽입부(31)는 상기 가열 튜브(11)를 완전히 둘러싸면서 용이하게 가열할 수 있도록 상기 가열 튜브(11)의 형상과 동일한 원통형으로 형성될 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치의 작동에 대해서 설명한다.
먼저, 상기 시료 장입 장치(10)의 상기 밸브(13)와 상기 가열 튜브(11)는 분리된 상태로 있고, 상기 밸브(13)와 상기 진공 챔버(20)도 분리된 상태로 있으며, 또한, 상기 가열로(30)도 상기 진공 챔버(20) 및 상기 가열 튜브(11)와 분리되어 있다.
이러한 상태에서, 예컨대, 산소농도 0.1% 이하의 불활성 기체 분위기 하에서 미분쇄 되고 성형된 성형체(100)를 상기 가열 튜브(11)의 내부에 장입한 후, 상기 제2 결합부(50)의 수나사와 암나사를 결합하여 상기 밸브 몸체(15)와 상기 가열 튜브(11)를 결합시킨다.
이 때, 상기 손잡이부재(19)를 조작하여 상기 밸브(13)의 개폐부재(17)를 닫아주면, 상기 가열 튜브(11)의 내부, 즉 상기 성형체는 산소농도 0.1% 이하의 불활성 기체 상태로 밀폐된다.
그리고, 상기 제1 결합부(40)의 수나사와 암나사를 결합하여 상기 밸브 몸체(15)와 상기 진공 챔버(20)를 도 1에 도시된 바와 같이 결합시킨 후, 상기 손잡이부재(19)를 조작하여 상기 밸브(13)의 개폐부재(17)를 열어주면, 상기 진공 챔버(20)에 의하여 상기 가열 튜브(11)의 내부가 진공 상태, 예컨대 10-7 torr 이하의 진공도로 유지할 수 있게 되므로 상기 가열 튜브(11)의 내부는 저 산소농도 상태를 유지할 수 있다.
이와 같이, 상기 가열 튜브(11)가 상기 진공 챔버(20)에 결합된 상태에서, 상기 진공 챔버(20)와 결합된 상기 시료 장입 장치(10)를 상기 가열로(30) 근처로 이동하여, 상기 시료 장입 장치(10)를 상기 가열로(30)와 일정한 거리를 두고 위치시킨 후, 상기 시료 장입 장치(10)의 가열 튜브(11)의 중심선과 상기 가열로(30)의 중심선을 일치시킨다.
그리고, 상기 이동장치가 작동되어 상기 가열로(30)를 상기 가열 튜브(11)쪽으로 전진 이동시켜, 상기 가열 튜브(11)가 도 2에 도시된 바와 같이 상기 가열로(30)의 삽입부(31)에 완전히 둘러싸이게 한 후, 상기 가열로(30)를 작동시켜 상기 가열 튜브(11)를 가열시키고, 상기 성형체(100)를 소결시킨다.
상기 성형체(100)의 소결이 완료되면, 상기 이동장치가 작동되어 상기 가열로(30)를 상기 가열 튜브(11)와 분리될 수 있도록 후진 이동시켜, 상기 가열 튜브(11)가 도 3에 도시된 바와 같이 상기 삽입부(31)로부터 완전히 빠져 나오게 한다.
그리고, 상기 가열 튜브(11)가 상기 가열로(30)와 완전히 분리된 상태에서, 상기 시료 장입 장치(10)의 가열 튜브(11)가 도 3의 화살표와 같이 외부의 냉각 기체, 예컨대 질소 또는 아르곤 가스, 공기 등의 순환에 의하여 급속 냉각되므로, 빠른 냉각속도로 냉각될 수 있다.
이 때, 상기 성형체(100)의 소결 온도는, 예컨대 800~1190도 사이이고, 냉각속도는 예컨대, 평균 200도/분 이상일 수 있다. 상기와 같은 공정을 통하여 만들어진 자석의 산소농도는 500ppm 이하로 될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 시료 장입 장치 11: 가열 튜브
13: 밸브 20: 진공 챔버
21: 진공 펌프 30: 가열로
31: 삽입부 40: 제1 결합부
50: 제2 결합부

Claims (8)

  1. 프레스 공정을 거쳐 성형된 성형체를 소결하기 위한 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치에 있어서,
    외부 공기를 차단할 수 있고, 성형체를 장입하기 위한 시료 장입 장치;
    상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 챔버; 및
    상기 시료 장입 장치와 분리 가능하게 결합되고, 상기 시료 장입 장치에 장입된 성형체를 가열하기 위한 가열로
    를 포함하고,
    상기 시료 장입 장치는 상기 성형체가 장입되고, 상기 가열로에 의하여 가열되기 위한 가열 튜브; 및
    상기 진공 챔버 및 상기 가열 튜브와 각각 분리 가능하게 결합되고, 상기 진공 챔버를 개폐하기 위한 밸브를 포함하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열 튜브의 내부는 산소농도 0.1% 이하의 불활성 기체 분위기 상태로 밀폐되는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브는 밸브 몸체와; 상기 밸브 몸체에 결합되고 상기 밸브를 개폐하기 위한 개폐부재; 및 상기 개폐부재와 결합되고 상기 개폐부재를 작동시키기 위한 손잡이부재를 포함하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시료 장입 장치는 상기 밸브 몸체와 상기 진공 챔버를 분리 가능하게 서로 결합시켜 주는 제1 결합부를 포함하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시료 장입 장치는 상기 밸브 몸체와 상기 가열 튜브를 분리 가능하게 서로 결합시켜 주는 제2 결합부를 포함하는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진공 챔버에는 상기 진공 챔버를 진공 상태로 만들어주기 위한 진공 펌프가 연결되는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가열로에는 상기 가열 튜브가 삽입되기 위한 삽입부가 형성되는 자기이방성 희토류 영구자석 소결장치.
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