KR0140468B1 - 영구자석 제조방법 - Google Patents

Abstract

RE-TM-B 영구자석을 원형 튜브를 사용하여 제조한다. 튜브를 상부 펀치와 하부 펀치 사이에 위치시키고, 자성 분말을 넣는다. 자성 분말을 넣은 후, 400 내지 1000℃의 온도에서 상부 펀치로 열간압축한다. 그러면 분말은 등방성 영구자석 성형체가 된다. 이어서, 필요한 경우에는, 이 영구자석 성형체를 400 내지 1000℃ 온도에서 열간가공하여 이방성 영구자석을 제조한다.

Description

영구자석 제조방법

제1a도 내지 제1e도는 본 발명의 바람지한 실시예에 따른 열간압축(hot pressing) 및 다이업셋(die upsetting) 작업을 도시한 도면.

제2a도 내지 제2c도는 본 발명의 다른 바람직한 실시예로서, 튜브 내에 있는 등방성 영구자석 성형체를 다이업셋 작업을 통해 이방성 영구자석을 제조하는 공정을 도시한 도면.

제3a도 및 제3b도는 본 발명의 제3의 바람직한 실시예에 따라, 다이업셋 작업을 도시한 도면.

제4a도 내지 제4d도는 본 발명의 제4의 바람직한 실시예로서, 튜브에 충진된 분말의 열간압축 및 다이업셋 작업을 도시한 도면.

제5a도 내지 제5d도는 본 발명의 제5의 바람직한 실시예로서, 종래 방법으로 제조한 등방성 영구자석 성형체의 다이업셋 작업을 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10,50:자성 분말12,52,72:(금속)튜브

14,54,74:등방성 영구자석 성형체16,56,76:이방성 영구자석

22,32:상부 펀치24,34:하부 펀치

26,36;가열기

본 발명은 영구자석 제조방법에 관한 것으로, 특히 튜브 내에 있는 자성 분말을 열간압축하여 고밀도 등방성 자석을 만들고, 이를 열간가공하여 등방성 자석에 자기적 이방성을 부여하는 영구자석 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하나 또는 그 이상의 희토류원소(RE)(rare earth element), 하나 또는 그 이상의 천이금속(TM)(transition metal) 및 붕소(B)(boron)로 구성된 RE-TM-B 영구자석의 제조방법에는 두 가지가 있다. 그 중 하나는, RE-TM-B계 영구자석 인코트(ingot)를 가루로 만든 분말을 자계중에서 성형하고, 1000℃ 이상의 온도에서 소결 및 열처리하는 방법이다. 이를 소결법(sintering method)이라고 한다. 이 방법은 분말 재료를 높은 온도에서 처리하여야 하므로, 비용이 많이 드는 복잡한 방법이며, 또한 재료가 쉽게 산화된다.

두번째 방법은 용융 합금(molten alloy)을 급속 응고하여 얻은 비정질 및/또는 미세 결정 입자의 자성 분말을 금형에 넣고; 이 자성 분말을 열간압축하여 고밀도의 등방성 영구자석 성형체(densified isotropic magnet compact)를 얻으며; 이 성형체를 다이업셋 금형에 넣고 또는 금형이 없는 상태에서 약 700℃의 온도에서 열간가공(hot working)함으로써, 이방성 영구자석(anisotropic magnet)을 제조하는 방법이다. 이를 열간가공법(hot working method)이라 한다. 이 방법은 소결법보다 간단하며, 사용하는 재료가 산화될 가능성은 적다. 그러나, 열간압축 금형 및/또는 열간가공 다이업셋 금형을 높은 압력 및 온도에서 반복 사용해야 하므로, 금형이 쉽게 변형되거나 파손되는 경향이 있다. 따라서, 그러한 변형 및 파손 문제를 최소화하기 위해서는, 높은 강성 및 경도를 가진 재질로 제작한 금형을 사용하여야 한다.또한, 자석은 다양한 크기와 다양한 형상을 가질 수 있기 때문에, 다양한 크기/형상 조건에 맞는 금형들을 경질재료로 제작하는 작업은 상당한 비용이 드는 어려운 작업이다.

따라서 본 발명의 기본적인 목적은 고가의 금형을 사용하지 않고 구리와 스테인레스 스틸 튜브를 이용하여 이방성 영구자석을 제조하는 경제적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 측면에 따르면, 적어도 하나의 가압부재를 갖는 가압장치를 사용하여, 하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 영구자석을 제조하는 방법에 있어서: (a) 상기하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 자성 분말을 튜브형 부재내에 상기 튜브형 부재와 동일한 높이로 넣는 단계와; (b) 상기 자성 분말을 고밀도의 자석이 되도록 하고, 열간 가공에 의해 상기 자석에 자기 이방성을 제공하도록, 400 내지 1000℃의 온도에서 상기 가압 부재를 하나의 행정으로 작용시켜, 상기 자성 분말 및 튜브형 부재를 함께 열간압축 및 열간 가공하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이러한 목적과 특징들을 첨부한 도면을 첨부하여 상세히 설명한다.

제1a도 및 제1b도에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자성분말(10)을 튜브에 넣는 단계와, 고밀도의 등방성 영구자석 성형체(4)를 얻기 위하여 자성 분말(10)을 열간압축하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

이방성 영구자석(16)이 필요한 경우에는, 제1c도 내지 제1e도에 도시한 바와 같이, 등방성 영구자석 성형체(14)를 열간가공할 수도 있다. 열간가공 작업은 다이업셋 가공에 의해 이루어져, 등방성 영구자석 성형체(14)는 자기 이방성을 갖게 된다.

본 발명에서는, 하나 또는 그 이상의 희토류원소(RE), 하나 또는 그 이상의 천이금속(TM) 및 붕소(B)를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 희토류원소로는 대체로 Nd를 사용하지만, 부분적으로 또는 전부를 Pr로 대체할 수도 있다. 천이금속의 경우에는 Fe가 바람직하지만, 부분적으로 또는 전부를 Co로 대체할 수도 있다.

자성 분말(10)은 RE-TM-B 영구자석 재료의 용융합금을 급속 냉각하여 제조한 영구자석 재료를 분발화하여 만든다. 중공 튜브(12)는 원하는 형상과 크기의 영구자석(16)을 생산할 수 있는 구조로 되어 있다. 튜브(12)의 길이는 담겨진 자성분말(10)의 높이보다 길은 것이 바람직하다. 이 튜브(12)는 예를 들면, 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 상자성 또는 비자성 금속으로 만드는 것이 바람직하며, 철과 같은 강자성 금속으로 만들 수도 있다.

제1a도에 도시한 바와 같이, 열간압축 장치(20)는 상부 펀치(22), 하부 펀치(24) 및 가열기(heater)(26)를 갖는다. 상부 펀치(22)는 튜브(12) 내에 꼭 맞게 들어가는 구조일 수도 있다. 그러나 튜브(12)의 내면으로부터 사이를 두고 약간 떨어지게 하여, 상부 펀치(22)가 튜브 내에서 미끄러질 수 있는것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서는 상부 펀치(22)는 둥근 형상이다. 그러나, 상부 펀치(22)의 형상은 튜브(12)의 단면에 맞추어 변경될 수 있음을 이해하여야 한다. 상부 펀치(22)는 가압 수단(도시되지 않음)에 부착되어 있다. 하부 펀치(24)도 튜브(12)내에 딱맞게 들어가는 구조일 수 있다. 그러나 튜브(12)의 내면으로부터 사이를 두고 약간 떨어지게 하여, 튜브(12)를 하부 펀치(24)에 쉽게 장착하게 할 수도 있다. 마찬가지로, 하부 펀치(24)의 형상은 튜브(12)의 단면과 맞추어 변경될 수도 있다. 하부 펀치(24)도 가압 수단에 부착되어 있다. 가열기(26)가 상부 펀치(22), 하부 펀치(24) 및 튜브(12)를 둘러싸고 있다.

제1c도는 다이업셋 장치(30)를 도시하고 있다. 이 다이업셋 장치(30)는 상부펀치(32), 하부 펀치(34) 및 가열기(36)를 갖는다. 상부 펀치(32)에 있는 평탄한 펀치면(33)은 공작물은 완전히 덮을 정도로 넓다. 상부 펀치(32)는 가압 수단(도시되지 않음)에 부착되어 있다. 또한, 하부 펀치(34)에 있는 평탄한 펀치면(35)도 공작물을 완전히 덮을 정도로 충분히 넓다. 하부 펀치(34)도 가압 수단에 부착되어 있다. 가열기(36)가 다이업셋 장치(30)를 둘러싸고 있다.

다시 제1a도를 참조하면, 바람직한 실시예의 제1단계는 튜브(12)에 자성분말(10)을 넣는 것이다. 상부 펀치(22)는 제1a도에 도시한 바와 같이, 자신의 최상의 위치로 올라가 있어, 튜브(12)를 쉽게 위치시킬 수 있다. 튜브(12)를 하부 펀치(24) 위에 장착하고, 이어서, 자성 분말(10)을 호퍼(hopper)(도시되지 않음)로부터 튜브(12)에 부어 넣는다.

자성 분말(10)을 넣은 후, 열간압축 작업이 시작된다. 제1b도에 도시한 바와 같이, 상부 펀치(22)를 아래로 이동시켜, 400 내지 1000℃ 바람직하기로는 700 내지 800℃의 온도에서, 예를 들면, 0.1 내지 0.5톤/cm²의 압력을 자성 분말(10)에 가함으로써, 고밀도의 등방성 영구자석 성형체(14)를 만든다. 이 압력은 튜브 재료의 강도와 튜브(12)의 두께에 따라 변경될 수도 있다. 온도는, 예를 들면, 저항 가열기와 같은 가열기(26)에 의해 제공된다. 400℃ 보다 낮은 온도에서는 가공성이 떨어지며; 1000℃ 보다 높은 온도에서는 입자가 조대화할 수도 잇다. 압축성형을 완료한 후에는, 상부 펀치(22)를 자신의 최상의 위치로 이동시킨 다음, 튜브(12)의 부분을 톱과 같은 적절한 수단으로 제거하여, 튜브(12)로부터 등방성 영구자석 성형체(14)를 꺼낸다.

필요한 경우에는 열간압축 작업에 이어서, 제1c도 내지 제1e도에 도시한 바와 같은 다이업셋 작업을 수행한다. 등방성 영구자석 성형체(14)를, 예를 들면, 로보트 팔과 같은 적절한 수단으로 다이업셋 장치(30)의 하부 펀치(34)위에 위치시킨다. 이어서, 상부 펀치(32)를 아래로 이동시켜, 400 내지 1000℃, 바람직하기로는 700 내지 800℃의 온도에서, 예를 들면, 약 2톤/cm²의 압력을 등방성 영구자석 성형체(14)에 가한다. 이 온도는 가열기(36)에 의해 얻어진다. 위의 가압 과정중에, 등방성 영구자석 성형체(14)는 소성 변형되어 그 높이가 감소한다. 소성변형에 의해 등방성 영구자석 성형체(14)는 자기적 이방성을 갖게 되어, 이방성 영구자석(16)이 된다. 이방성 영구자석(16)의 자화 용이축은 가압방향의 축과 대체로 평행을 이룬다. 이 이방성 영구자석(16)을 분쇄하여 이방성 영구자석 분말을 제조할 수도 있다.

제2a도 내지 제2c도는 다이업셋 작업에 관한 본 발명의 제2의 바람직한 실시예를 도시한다. 제2a도의 다이업셋 장치(30)는 제1c도의 장치와 구조면에서 동일하다.

상세하게 설명하면, 열간압축하여 등방성 영구자석 성형체(14)를 얻을 후, 등방성 영구자석 성형체(14)의 높이만큼의 튜브(12)의 부분이 남도록, 예를 들면, 톱과 같은 적절한 수단으로 잘라낼 수도 있다. 성형체(14)이상의 튜브(12)의 부분을 제거한 후, 제2a도에 도시한 바와 같이, 다이업셋 작업을 시작한다. 튜브(12) 및 등방성 영구자석 성형체(14)를 함께 열간가공하면, 튜브(12)로 둘러싸인 이방성 영구자석(16)을 얻을 수 있다. 이방성 영구자석(16)이 튜브(12)내에 있으면, 이후의 작업, 예를 들면, 착자와 같은 작업을 할 경우, 영구자석의 손상을 피할 수 있어서 바람직하다.

제3a도 및 제3b도는 제3의 바람직한 실시예를 도시한다. 제3a도에 도시한 다이업셋 장치의 구조는 제1a도에 도시한 장치와 구조면에서 동일하다. 이 바람직한 실시예에서는, 연속적인 열간 압축/열간 가공에 의해 이방성 영구자석(16)이 얻어진다. 즉, 전술한 제1a도 및 제1b도의 공정 후, 튜브(12)의 불필요한 부분을 제거하지 않고, 계속해서 열간 가공을 행한다. 그 후, 튜브(12)의 불필요한 부분을 제거하여, 튜브(12)로 둘러싸인 영구자석을(16)을 얻는다.

제4a도 내지 제4d도에, 본 발명의 제4의 바람직한 실시예에 의거한 제조방법을 설명하기 위한 단면도가 도시되어 있다. 이 예에서도, 열간압축과 다이업셋 작업은 연속적으로 행해지지만, 각 공정이 다이업셋 작업으로 행해지는 점이 제3실시예와 다른 점이다. 즉, 자성 분말(50)을 중공 튜브(52)와 같은 높이까지 넣고, 상부 펀치(32)를 하방으로 이동시켜서 중공 튜브(52)와 함께 압축하여, 자성 분말(50)을 고밀도의 등방성 영구자석 성형체(54)로 한 후, 계속해서 가압하는 것에 의해서 중공튜브(52)로 둘러싸인 이방성 영구자석(56)이 얻어진다.

제5a도 내지 제5d도는 본 발명의 제5의 바람직한 실시예를 도시한다. 이 바람직한 실시예에 따르면, 튜브(72)에 등방성 영구자석 성형체(74)를 삽입하는 단계와, 자기 이방성을 부여하기 위하여 등방성 영구자석 성형체(74)를 열간 가공하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

제5a도에 도시한 바와 같이, 종래 방법으로 제조한 등방성 영구자석 성형체(74)를 튜브(72)에 삽입한다. 튜브(72)의 높이는 등방성 영구자석 성형체(74)와 대체로 동일하다. 등방성 영구자석 성형체(74)를 넣은 후, 튜브(72) 내에 있는 등방성 영구자석 성형체(74)를 제5b도에 도시한 바와 같이, 하부 펀치(34) 위에 위치시킨다. 그런 후, 상부 펀치(32)로 튜브(72) 내에 있는 등방성 영구자석 성형체(74)를 가압하여 이를 소성변형시킨다. 이렇게 하여 이방성 영구자석(76)이 제조된다.

위에서 설명한 바와 같이, 열간압축 금형 및/또는 다이업셋 금형을 사용하지 않고도 영구자석을 제조할 수 있다.

본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였지만, 당업자가 여기에 변경이나 수정을 가하여도 특허청구범위에 기재된 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않는다는 사실을 알 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 적어도 하나의 가압 부재를 갖는 가압 장치를 사용하여, 하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 영구자석을 제조하는 방법에 있어서:(a) 상기 하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 자성 분말을 튜브형 부재내에 상기 튜브형 부재와 동일한 높이로 넣는 단계와; (b) 상기 자성 분말을 고밀도의 자석이 되도록 하고, 열간 가공에 의해 상기 자석에 자기 이방성을 제공하도록, 400 내지 1000℃의 온도에서 상기 가압 부재를 하나의 행정으로 작용시켜, 상기 자성 분말 및 튜브형 부재를 함께 열간압축 및 열간 가공하는 단계를 포함하는 영구자석 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 튜브형 부재는 금속으로 이루어진 영구자석 제조방법.
3. 각기 적어도 하나의 가압 부재를 갖는 제1 및 제2가압 장치를 사용하여, 하나 또는 그 이상의 희토류 원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 영구자석을 제조하는 방법에 있어서: (a) 상기 하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 자성 분말을 튜브형 부재 내에 넣는 단계와; (b) 상기 자성 분말이 자석 성형체가 되도록, 400 내지 1000℃의 온도에서 상기 제1가압 장치에 있는 상기 가압 부재를 작용시켜, 상기 튜브형 부재 내에 있는 상기 자성 분말을 열간압축하는 단계와; (c) 상기 자석 성형체의 높이 이상의 상기 튜브형 부재의 부분을 제거하는 단계와; (d) 상기 자석 성형체에 자기 이방성을 주기 위하여, 400 내지 1000℃의 온도에서 상기 제2가압 장치에 있는 상기 가압 부재를 작용시켜, 상기 자석 성형체와 튜브형 부재를 함께 열간가공하는 단계를 포함하는 영구자석 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 튜브형 부재는 금속으로 이루어진 영구자석 제조방법.
5. 적어도 하나의 가압 부재를 갖는 가압 장치를 사용하여, 하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 영구자석을 제조하는 방법에 있어서:(a) 상기 하나 또는 그 이상의 희토류원소, 하나 또는 그 이상의 천이금속 및 붕소를 함유하는 등방성 자석 성형체를 튜브형 부재 내에 넣는 단계와; (b) 상기 등방성 자석 성형체를 소성변형시켜 이방성 자석이 되도록, 400 내지 1000℃의 온도에서 상기 가압 부재를 작용시켜, 상기 등방성 자석 성형체와 상기 튜브형 부재를 함께 열간가공하는 단계를 포함하는 영구자석 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 튜브형 부재는 금속으로 이루어진 영구자석 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 열간 압축 단계는 700 내지 800℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 열간 가공 단계는 700 내지 800℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 열간 압축 단계 및 열간 가공 단계는 700 내지 800℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.
10. 제3항에 있어서, 상기 열간 압축 단계는 700 내지 800℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.
11. 제3항에 있어서, 상기 열간 가공 단계는 700 내지 800℃의 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.
12. 제3항에 있어서, 상기 열간 압축 단계 및 열간 가공 단계는 700 내지 800℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.
13. 제5항에 있어서, 상기 열간 가공 단계는 700 내지 800℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 제조방법.