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JP6925693B2 - 磁石粉末の製造方法および磁石粉末 - Google Patents
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JP6925693B2 - 磁石粉末の製造方法および磁石粉末 - Google Patents

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Description

[関連出願との相互引用]
本出願は、2018年8月24日付韓国特許出願第10−2018−0099499号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれている。
本発明は、磁石粉末の製造方法および磁石粉末に関する。より具体的には、NdFeB系磁石粉末の製造方法およびそのような方法で製造された磁石粉末に関する。
NdFeB系磁石は、希土類元素であるネオジム(Nd)および鉄、ホウ素(B)の化合物であるNdFe14Bの組成を有する永久磁石であって、1983年に開発された以後に30年間汎用永久磁石として使用されてきた。このようなNdFeB系磁石は、電子情報、自動車工業、医療機器、エネルギー、交通などの様々な分野で使われる。特に最近の軽量、小型化の傾向に合わせて工作機器、電子情報機器、家電用電子製品、携帯電話、ロボット用モータ、風力発電機、自動車用小型モータおよび駆動モータなどの製品に使用されている。
NdFeB系磁石の一般的な製造としては、金属粉末冶金法に基づいたストリップ(Strip)/モールドキャスティング(mold casting)またはメルトスピニング(melt spinning)方法が知られている。先ず、ストリップ(Strip)/モールドキャスティング(mold casting)方法とは、ネオジム(Nd)、鉄(Fe)、ホウ素(B)等の金属を加熱によって溶融させてインゴットを製造し、結晶粒粒子を粗粉砕し、微細化工程によってマイクロ粒子を製造する工程である。これを繰り返して粉末を収得し、磁場下でプレッシング(pressing)および焼結(sintering)過程を経て非等方性焼結磁石を製造する。
また、メルトスピニング(melt spinning)方法では、金属元素を溶融させた後、速い速度で回転するホイール(wheel)に注いで急冷し、ジェットミル粉砕後、高分子にブレンドしてボンド磁石を形成するか、又はプレッシングして磁石に製造する。
しかし、このような方法ではいずれも粉砕過程が必須として求められ、粉砕過程の時間が長く必要とされ、粉砕後粉末の表面をコートする工程が求められる問題がある。また、既存のNdFe14Bマイクロ粒子は原材料を溶融(1500−2000℃)および急冷させて得た固まりを粗粉砕および水素破砕/ジェットミルの多段階処理をして製造するため粒子形状が不規則であり、粒子微細化に限界がある。
最近、磁石粉末を還元−拡散方法で製造する方法が注目されている。例えば、Nd、Fe、Bを混合してCaなどで還元する還元−拡散工程によって均一なNdFeB微細粒子を製造することができる。しかし、このような方法はマイクロ鉄粉末(主にカルボニル鉄粉末(carbonyl iron powder))を出発物質として活用するため鉄粒子の大きさ以下の磁石粒子を製造することが不可能であり、マイクロ鉄粉末が高価であるため生産コストが高い問題がある。
また、磁石粉末を焼結して焼結磁石を得る過程では、摂氏1000度〜1250度の温度範囲で焼結を行って緻密化させて真密度を得る。前記温度区間で焼結を行う際には必ず結晶粒の成長を伴うが、このような結晶粒の成長は保磁力を減少させる要因として作用する。結晶粒の大きさと保磁力の関係は[数式1]に示すように実験的に明らかになっている。
[数式1]
HC=a+b/D(HC:磁気モーメント、aおよびb:定数、D:結晶粒大きさ)
前記数式1によれば、焼結磁石の保磁力は結晶粒の大きさが大きくなるほど減少する傾向を示す。説明すると、焼結中の結晶粒成長(初期粉末の大きさの1.5倍以上)が発生して異常粒子成長(一般の結晶粒大きさの2倍以上の大きさ)が生じて、初期粉末が有し得る理論保磁力より大きく減少する。
そのため、焼結中の結晶粒の成長を抑制するための方法として、HDDR(Hydrogenation,disproportionation,desorption and recombination)工程、ジェットミル粉砕により初期粉末の大きさを減少させる方法、2次相を形成できる元素を添加して三重点を形成させて結晶粒界の移動を抑制する方法などがある。
しかし、前述した多様な方法により焼結磁石の保磁力はある程度確保することができるが、工程自体が非常に複雑で、依然として焼結時の結晶粒成長抑制に対する効果はまだ微々たるものである。また、結晶粒移動などによって微細構造が大きく変わって焼結磁石の特性が減少する、添加元素によって磁気特性が減少するなどのまた他の問題が発生する。
本発明の実施例が解決しようとする課題は、前記のような問題を解決することであり、本発明の実施例は、還元−拡散方法で磁石粉末を製造する際に工程コストを節減し、磁石粉末の焼結工程時に結晶粒成長を抑制させて高い保磁力特性を有する磁石粉末の製造方法およびそのような方法で製造された磁石粉末を提供する。
前記のような課題を解決するための本発明の一実施例による磁石粉末の製造方法は、酸化鉄の還元反応で鉄粉末を製造する段階;前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物を22MPa以上の圧力で加圧成形した成形体を加熱して磁石粉末を製造する段階;および前記磁石粉末の表面に有機フッ化物をコートする段階を含む。
前記鉄粉末を製造する段階は、還元剤の存在下で、アルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属の酸化物中の一つと酸化鉄の混合物を不活性ガスの雰囲気下で還元反応させる段階を含み得る。
前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物は、前記鉄粉末に、前記酸化ネオジム、前記ホウ素および前記カルシウムが添加されて製造され得る。
前記鉄粉末を製造する段階は、還元剤の存在下で、有機溶媒下に湿式混合された酸化ネオジムおよび酸化鉄の混合物を還元反応させて鉄粉末および酸化ネオジム含有混合物を製造する段階を含み得る。
前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物は、前記鉄粉末および前記酸化ネオジム含有混合物に、前記ホウ素および前記カルシウムが添加されて製造され得る。
前記酸化鉄の還元反応には還元剤が使用され、前記還元剤はアルカリ金属の水素化物およびアルカリ土類金属の水素化物のうちの少なくとも一つを含み得る。
前記鉄粉末を製造する段階は、四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して還元反応で得た鉄粉末から副産物を除去する段階、そして副産物が除去された鉄粉末を溶媒で洗浄して乾燥する段階をさらに含み得る。
前記磁石粉末を製造する段階は、還元−拡散法によって行われ得る。
前記成形体を加熱する段階は、前記成形体を不活性ガスの雰囲気下で摂氏800度〜1,100度の温度で加熱する段階を含み得る。
前記磁石粉末を製造する段階の後に、前記成形体を粉砕して粉末を得た後、四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して副産物を除去する段階、そして前記副産物が除去された粉末を溶媒で洗浄して乾燥する段階をさらに含み得る。
前記有機フッ化物は、ペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含有量がC6〜C17に該当する化合物のうち少なくとも一つ以上を含み得る。
前記有機フッ化物は、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:PerFluoro Octanoic Acid)を含み得る。
前記有機フッ化物をコートする段階は、前記磁石粉末と前記有機フッ化物を有機溶媒の中で混合および乾燥する段階を含み得る。
前記混合および乾燥する段階は、前記磁石粉末、前記有機フッ化物および前記有機溶媒を混合してターブラミキサで粉砕する段階をさらに含み得る。
前記有機溶媒は、アセトン、エタノールまたはメタノールであり得る。
前記磁石粉末は粒度が1.2〜3.5マイクロメーターであるNdFe14B粉末を含み得る。
前記磁石粉末を加熱して焼結磁石を製造すると、前記焼結磁石の結晶粒表面にネオジム酸化物の被膜が形成され得る。
前記結晶粒の粒度は、1〜5マイクロメーターであり得る。
本発明の実施例によれば、従来のように鉄粉末を別に添加して使用するのではなく、酸化鉄の還元反応で提供された鉄粉末を使用して還元−拡散法で磁石粉末を提供することができる。したがって、本発明の実施例によって製造される磁石粉末の粒子形状は規則的で、かつマイクロメーター以下の大きさを有する超微細粒子で提供され得、これと同時に高価な微細鉄粉末を使用しないので製造工程コストを節減することができる。
また、磁石粉末の粒子表面に有機フッ化物コーティングを形成させることによって、焼結過程で磁石粉末粒子の結晶粒成長を初期粉末の大きさ水準に抑制することができ、焼結前の成形工程で磁石粉末の粒子表面にコートされた有機フッ化物の潤滑作用により高い緻密度の磁石粉末の製造が可能である。
本発明の実施例1および2による酸化鉄(Fe)還元後の鉄粉末のXRDパターンを示すグラフである。 実施例2〜4による磁石粉末のXRDパターンを示すグラフである。 比較例1および2による磁石粉末のXRDパターンを示すグラフである。 実施例1による酸化鉄(Fe)還元後の鉄粉末のSEM写真である。 図4Aに示すSEM写真の倍率を変更して示すSEM写真である。 実施例2による磁石粉末のSEM写真である。 図5Aに示すSEM写真の倍率を変更して示すSEM写真である。 実施例2と3による磁石粉末のM−Hデータを示すグラフである。 実施例2と3による磁石粉末のM−Hデータを示すグラフの原点の部分を拡大して示すグラフである。 実施例5により製造した焼結磁石の破断面に対するSEM写真である。 実施例6により製造した焼結磁石の破断面に対するSEM写真である。 比較例3により製造した焼結磁石の破断面に対するSEM写真である。
以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施例について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で具現され得、ここで説明する実施例に限定されない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
前述したように、今までは、磁石粉末の製造時に原材料を摂氏1500度〜2000度の高温で溶融した後急冷させて得た固まりの粗粉砕および水素破砕/ジェットミル工程を必ず経ることにより、2〜3マイクロメーターのNdFe14B粒子を得ることができた。しかし、このような方法の場合、原材料を溶融するために高温の温度が必要であり、これを再び冷却後粉砕する工程が求められて工程時間が長く複雑である。また、このように粗粉砕されたNdFe14B磁石粉末に対して耐腐食性を強化し、電気抵抗性などを向上させるために別途の表面処理過程が求められる。
これに対し、本発明では既存の多段階粉砕工程なしで酸化鉄を還元した鉄粉末を使用して還元−拡散工程によって磁石粒子を製造できるので、従来に比べて工程効率性を増加させることができる。
また、既存の還元−拡散過程ではカルボニル鉄粉末(carbonyl iron powder)等のマイクロ鉄粉末を使用するため、マイクロメーター以下の大きさを有する鉄粉末粒子を製造することが不可能であった。ここで、マイクロメーター以下の大きさとは1マイクロメーター以下の大きさを意味する。しかし、本発明は酸化鉄を還元させて得た鉄粉末を還元−拡散過程に使用するという特徴があり、また、前記鉄粉末はマイクロメーター以下の大きさを有するので、最終的に超微細磁石粒子を製造することができる。
また、既存の金属冶金方法および鉄粉末を使用する還元−拡散過程は、高価な鉄粉末の使用により生産コストが高いという問題があるが、本発明によれば原料物質として酸化鉄を使用してコストを減らすことができるという長所がある。
このような本発明の一実施例による磁石粉末の製造方法は、酸化鉄の還元反応で鉄粉末を製造する段階;前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物を22MPa以上の圧力で加圧成形した成形体を加熱して磁石粉末を製造する段階;および前記磁石粉末の表面に有機フッ化物をコートする段階を含む。
以下、本発明の磁石粉末の製造方法についてさらに具体的に説明する。
本発明で前記鉄粉末を製造する段階は、酸化鉄の還元反応のために、後述する2種の方法のうち選ばれたいずれか一つの方法を用いることができる。
本発明の第1実施形態による磁石粉末の製造方法において、前記鉄粉末を製造する段階は、還元剤の存在下で、アルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属の酸化物中の一つと酸化鉄の混合物を不活性ガスの雰囲気下で還元反応させる段階を含み得る。好ましくは、前記酸化鉄と混合される物質はアルカリ土類金属の酸化物のうちいずれか一つであり得、例えば酸化カルシウムが使用され得る。
前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物は、前記鉄粉末に、前記酸化ネオジム、前記ホウ素および前記カルシウムが添加されて製造され得る。
本発明の第2実施形態による磁石粉末の製造方法において、前記鉄粉末を製造する段階は、還元剤の存在下で、有機溶媒下に湿式混合された酸化ネオジムおよび酸化鉄の混合物を還元反応させて鉄粉末および酸化ネオジム含有混合物を製造する段階を含み得る。
前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物は、前記鉄粉末および前記酸化ネオジム含有混合物に、前記ホウ素および前記カルシウムが添加されて製造され得る。
特に、前記鉄粉末を製造するための酸化鉄の還元反応段階は、高い温度で高圧条件において行うことを特徴とする。
この時、酸化ネオジム、ホウ素、鉄および還元剤の混合物を高温で加熱する段階で高圧が加えられない場合、混合物中にCaOのような副産物が過量存在するので、還元反応が行われない。
したがって、本発明では酸化鉄の還元反応時に高温で一定範囲の高圧条件で加圧を行い、過量の副産物によって粒子がよく拡散されない問題を解決して円滑に磁石粉末を生成することができる。好ましくは、前記第1実施形態および第2実施形態で、前記混合物に加えられる圧力は22MPa以上であり得る。仮に前記混合物に加えられる圧力が22MPaより小さいと、粒子の拡散がよく起きないので反応が行われない。ここで圧力の下限値以上の条件を満足すると、十分な粒子の拡散によって磁石粉末を形成するための合成反応が起きる。さらに好ましくは35MPa以上であり得る。
圧力が大きくなるに従い粒子の拡散が十分に大きくなるので、合成反応がよく行われ得る。後述する本願の実施例1、2、3、4において、35MPaの圧力値の他に100MPa、150MPaおよび200MPaの加圧条件でも合成反応がよく行われることを確認することができた。しかし、加圧する圧力値が無限に大きくなるのは好ましくない。すなわち、第1実施形態および第2実施形態において、前記混合物に加えられる圧力が200MPaより大きいと圧力を加える過程で混合した粉末が不均一になり、同様に反応が行われない。これについては後述する比較例2により説明する。
具体的に説明すると、本発明では、アルカリ金属の水素化物またはアルカリ土類金属の水素化物を還元剤として使用するので、酸化鉄の還元段階でアルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物が生成され、このような酸化物は副産物として作用する。このような酸化物が過量存在することによって、常圧であるか本願より低いか過度に高い圧力では磁石粉末の製造反応が行われない。
しかし、本発明による実施例ではCaH等のような還元剤の使用とともに前記混合物を前記数値範囲のような高圧で加圧成形するので、過量生成される副産物による問題を解決することができる。
この時、前記副産物の除去過程としては、前記第1、2実施形態のように還元反応の段階に応じて2回あるいは1回の洗浄および除去工程を実施し得る。すなわち、第1実施形態では2回の洗浄および除去工程を行い、第2実施形態では1回の洗浄および除去工程を行い得る。
例えば、前記第1実施形態は、酸化鉄および酸化カルシウムと還元剤を混合後、鉄粉末を製造し、副産物である酸化カルシウムを洗浄および除去した後、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを混合して以後の還元合成段階を行う。この段階で生成された酸化カルシウムを再び洗浄および除去しなければならないので、第1実施形態の副産物(CaO)の洗浄および除去工程は2回行われ得る。
また、前記第2実施形態は、酸化ネオジムと酸化鉄および還元剤の混合物を還元反応させた後、洗浄および副産物の除去なしにホウ素およびカルシウムを混合して還元合成段階を行う。副産物の洗浄および除去工程は合成反応後に行う。したがって、第2実施形態による副産物の洗浄および除去工程は1回行う。
この時、前記第1実施形態および第2実施形態はいずれも磁性に優れたNdFeB焼結磁石粒子を製造することができるが、工程数をさらに減らすと洗浄過程で発生し得る粒子の酸化を最小化することができ、NdとFeの均一な混合でNdFeB磁石粒子がさらによく形成されるため、好ましくは第2実施形態を行い得る。すなわち、第1実施形態と第2実施形態はいずれも酸化鉄の還元過程で副産物が発生し得るが、その中で第1実施形態は酸化鉄の還元過程でアルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属の酸化物中の一つを追加で入れることができるため、第1実施形態の副産物が第2実施形態の副産物よりはるかに多く生じ得る。したがって、第1実施形態では反応中間に洗浄過程を行わなければ合成反応が行われないため、2回の洗浄過程を行うことが好ましい。そして、第2実施形態では比較的副産物が少なく酸化鉄還元過程後に洗浄を行わなくても合成が行われ得るため、洗浄過程を一回のみ行ってもよい。
このような本発明の第1実施形態および第2実施形態において、前記酸化鉄としてはこの分野に良く知られている物質が使用可能であり、例えば酸化第一鉄(FeO)、酸化第二鉄(Fe)、またはこれらの混合形態(Fe)がある。
前記還元反応は、摂氏300度〜400度の温度で熱処理する段階を含み得る。
前記還元剤としては、アルカリ金属の水素化物またはアルカリ土類金属の水素化物を使用し得る。好ましくは、前記還元剤としてはCaH、NaH、MgHおよびKHからなる群より選ばれた少なくともいずれか一つが使用され得る。
また、前記第1実施形態による前記鉄粉末を製造する段階は、四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して還元反応で得た鉄粉末から副産物を除去する段階、そして副産物が除去された鉄粉末を溶媒で洗浄して乾燥する段階をさらに含み得る。
具体的には、前記鉄粉末を製造するための酸化鉄の還元反応後、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物が還元副産物として生成され得るため、このような還元副産物を除去することが好ましい。したがって、本発明の一実施例では、前記副産物を四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して除去した後、溶媒洗浄工程および乾燥工程を経て鉄粉末を得ることができる。
前記四級アンモニウム系メタノール溶液としては、NHNO−MeOH溶液、NHCl−MeOH溶液またはNHAc−MeOH溶液を使用し得、好ましくはNHNO−MeOH溶液が使用され得る。また、前記溶液の濃度は0.1M〜2Mであり得る。
前記溶媒で洗浄する段階は、メタノール、エタノールなどのアルコールとアセトンのような有機溶媒を使用し得るが、その種類は制限されない。
また、前記第2実施形態による前記鉄粉末を製造する段階において、湿式混合のために使用する有機溶媒としてエタノール、メタノール、アセトンなどのような有機溶媒を使用し得るが、その種類は制限されない。このような場合、使用される粉末を溶媒に溶解しなくてもよいため、有機溶媒を使用して分散液ないし懸濁液状態にすることができる溶媒であればいずれも使用可能である。
前記工程によって得られた鉄粉末は微細大きさで製造されて磁石粉末の製造工程に直ちに用いることができるため、本発明は従来のような高価なマイクロメーター単位大きさの鉄粉末を使用しなくてもよい。本発明の一実施例により前記酸化鉄の還元反応で得た鉄粉末の粒度は、0.1〜1マイクロメーターであり得る。
一方、前記磁石粉末を製造する段階は、還元−拡散法によって行われ得る。この時、前記還元−拡散法としては、後述する2種の方法のうち選ばれたいずれか一つの方法を用い得る。
本発明の第1実施形態による磁石粉末の製造方法において、前記還元−拡散法で前記磁石粉末を製造する段階は、酸化鉄の還元反応で製造された鉄粉末に、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを添加して混合物を製造する段階、前記混合物を22MPa以上の圧力で加圧成形して成形体を製造する段階、そして前記成形体を加熱して磁石粉末を製造する段階を含み得る。
本発明の第2実施形態による磁石粉末の製造方法において、前記還元−拡散法で前記磁石粉末を製造する段階は、酸化鉄の還元反応で製造された鉄粉末および酸化ネオジムを含む混合物にホウ素およびカルシウムを添加して混合物を製造する段階、前記混合物を22MPa以上の圧力で加圧成形して成形体を製造する段階、そして前記成形体を加熱して磁石粉末を製造する段階を含み得る。上述したように、第2実施形態の場合、生成される副産物(例、CaO)の洗浄および除去過程は工程中に1回のみ実施すればよく、2回実施しなければならない第1実施形態に比べて工程数を減らすことができるという長所があり、NdとFeを均一に混合することができ、NdFeB磁石粒子がさらによく形成されるという長所がある。
前記第1実施形態および第2実施形態において、前記成形体を加熱する段階は、前記成形体を不活性ガスの雰囲気下で摂氏800度〜1,100度の温度で加熱する段階を含み得る。
前記加圧成形した成形体は、油圧プレス、タッピング(Tapping)および冷間等方圧加圧法(Cold Isostatic Pressing,CIP)からなる群より選ばれた加圧法を用いて製造され得る。
前記加熱は、不活性ガスの雰囲気で摂氏800度〜1100度の温度で10分〜6時間行われ得る。加熱時間が10分以下である場合、粉末が十分に合成されず、加熱時間が6時間以上である場合、粉末の大きさが粗大になり1次粒子どうしが固まる問題があり得る。
前記成形体を加熱して反応させ、前記成形体を粉砕して粉末を得た後に、四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して副産物を除去する段階、そして副産物が除去された粉末を溶媒で洗浄する段階をさらに含み得る。
前記溶媒で洗浄する段階は、メタノール、エタノールなどのアルコールとアセトンのような有機溶媒を使用し得るが、その種類は制限されない。
前記四級アンモニウム系メタノール溶液としては、NHNO−MeOH溶液、NHCl−MeOH溶液またはNHAc−MeOH溶液を使用し得、好ましくはNHNO−MeOH溶液が使用され得る。また、前記溶液の濃度は0.1M〜2Mであり得る。
また、本発明で不活性ガスの雰囲気はAr、He雰囲気であり得る。
また、鉄粉末を製造する段階および磁石粉末を製造する段階において、乾燥工程は真空乾燥工程を行い得、その方法は制限されない。
本発明において、各成分の混合のためにボールミル(Ball−Mill)、ターブラミキサ(Turbula mixer)等が用いられ得る。
前記鉄粉末を製造する段階および磁石粉末を製造する段階において、還元反応および還元−拡散法を行う際のその反応器としては、SUSチューブを用い得る。
本発明の一実施例によれば、上述した方法で製造された磁石粉末を提供することができる。
このような磁石粉末は、酸化鉄の還元反応で製造された微細な鉄粉末を使用して還元−拡散法で製造されるので、その大きさを微細に調節することができ、規則的な粒子形状を有する磁石粉末を提供することができる。
好ましくは、前記磁石粉末はNdFeB磁石粉末として、1.2〜3.5マイクロメーターあるいは1.3〜3.1マイクロメーターあるいは2〜3マイクロメーター大きさのNdFe14B粉末を含み得る。
一方、本発明の一実施例による磁石粉末の製造方法は、磁石粉末の表面に有機フッ化物をコートする段階を含む。前記有機フッ化物は、ペルフルオロ化合物(PFC:Perfluorinated Compound)としてペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含有量がC6〜C17に該当する化合物中の一つ以上を含み、その中で特に、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:PerFluoro Octanoic Acid)を含むことが好ましい。
前記ペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含有量がC6〜C17に該当する化合物は、ペルフルオロヘキサン酸(Perfluorohexanoic Acid(PFHxA,C6))、ペルフルオロヘプタン酸(Perfluoroheptanoic Acid(PFHpA,C7))、ペルフルオロオクタン酸(Perfluorooctanoic Acid(PFOA,C8))、ペルフルオロノナン酸(Perfluorononanoic Acid(PFNA,C9))、ペルフルオロデカン酸(Perfluorodecanoic Acid(PFDA,C10))、ペルフルオロウンデカン酸(Perfluoroundecanoic Acid(PFUnDA,C11))、ペルフルオロドデカン酸(Perfluorododecanoic Acid(PFDoDA,C12))、ペルフルオロトリデカン酸(Perfluorotridecnoic Acid(PFTrDA,C13))、ペルフルオロテトラデカン酸(Perfluorotetradecanoic Acid(PFTeDA,C14))、ペルフルオロヘキサデカン酸(Perfluorohexadecanoic Acid(PFHxDA,C16))およびペルフルオロヘプタデカン酸(Perfluoroheptadecanoic Acid(PFOcDA、C17))に該当する。
有機フッ化物をコートする段階は、前記磁石粉末と前記有機フッ化物を有機溶媒の中で混合および乾燥する段階を含み得、さらに具体的には、前記磁石粉末、前記有機フッ化物および前記有機溶媒をターブラミキサで粉砕する段階をさらに含み得る。
また、前記有機溶媒は、前記有機フッ化物が溶解される限り、その種類は特に制限されないが、アセトン、エタノールまたはメタノールであることが好ましい。
一方、有機フッ化物がコートされた磁石粉末を焼結して焼結磁石を製造することができる。
焼結過程は有機フッ化物がコートされた磁石粉末にNdHのような焼結補助剤を添加して均質化した後、均質化された混合粉末を黒鉛モールドに入れて圧縮し、パルス磁場を加えて配向して焼結磁石用成形体を製造する段階を含み得る。前記焼結磁石用成形体を真空の雰囲気で摂氏1030度〜1070度の温度で加熱してNdFeB焼結磁石を製造する。
焼結を行う時必ず結晶粒成長を伴うが、このような結晶粒の成長は保磁力を減少させる要因として作用する。
焼結過程で発生する結晶粒成長を抑制するために磁石粉末にフッ化物粉末などを混合できるが、磁石粉末にフッ化物が均等に分布されず加熱中のフッ化物の拡散が十分に起きない場合、焼結過程での結晶粒成長を十分に抑制できない。しかし、本発明の一実施例では、フッ化物の乾式混合の代わりに有機フッ化物を有機溶媒に溶解させて磁石粉末と混合することによって、磁石粉末の表面に有機フッ化物が均等に分布したコーティング層を形成することができる。磁石粉末の表面に有機フッ化物コーティングが均等に分布して物質拡散を効果的に抑制するので、そうではない場合と比較して焼結過程での結晶粒成長を初期磁石粉末の大きさ程度に制限することができる。したがって、結晶粒成長の制限により、焼結磁石の保磁力減少を最小化することができる。
前記結晶粒の粒度は1〜5マイクロメーターであり得る。
また、磁石粉末の表面にコートされた前記有機フッ化物によって潤滑作用が可能である。前記潤滑作用により高い緻密度を有する焼結磁石用成形体を製作することができ、前記焼結磁石用成形体を加熱すると高密度、高性能のNdFeB焼結磁石の製造が可能である。
一方、焼結のための加熱時、前記磁石粉末と前記磁石粉末の表面にコートされた有機フッ化物が反応し、焼結磁石の結晶粒界面にネオジム酸化物の被膜が形成され得る。ネオジム酸化物は磁石粉末表面の酸素と反応して形成されたものであるため、磁石粉末内部への酸素拡散を最小化することができる。したがって、磁石粒子の新たな酸化反応が制限され、焼結磁石の耐食性が向上し、希土類元素が酸化物の生成に不要に消費されることを抑制して高密度の希土類焼結磁石の製造が可能である。
以下、具体的な実施例および比較例により本発明による磁石粉末の製造方法について説明する。
実施例1:酸化鉄を還元反応させた後の磁石粉末の製造
Fe 10g、CaH 9.45g、CaO 10gを、ターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて混合した。混合物を任意の形のSUSチューブに入れ、不活性ガス(Ar)雰囲気下に350℃で2時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了した後、1M NHNO−MeOH溶液を使用して副産物であるCaOを除去してアセトンで洗浄した後、真空乾燥した。乾燥したサンプルにNd 3.6g、B 0.1g、Ca 2.15gを入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。油圧プレスを用いて35MPaの圧力を加えて混合物を成形した後、任意の形のSUSチューブに入れて不活性ガス(Ar)雰囲気下において950℃で1時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了した後サンプルを砕いて粉末にした後、NHNO−MeOH溶液を使用して副産物であるCaOを除去し、アセトンで洗浄して洗浄過程を終えた後真空乾燥してNdFeB系磁石粉末を得た。
実施例2:酸化ネオジムおよび酸化鉄を還元反応させた後の磁石粉末の製造
Nd 13g、Fe 27gを、エタノールを使用してボールミル(Ball−Mill)を用いて均一に湿式混合した後、混合物を真空雰囲気下に900℃で1時間乾燥した。乾燥されたサンプルにCaH 25.62gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。混合物を任意の形のSUSチューブに入れて不活性ガス(Ar)雰囲気下において350℃で2時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了したサンプルにB 0.3gとCa 5.5gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。
油圧プレスを用いて35MPaの圧力を加えて混合物を成形した後、任意の形のSUSチューブに入れて実施例1で提示された方法で反応させて後処理を行い、NdFe14B粉末を得た。
実施例3:酸化ネオジムおよび酸化鉄を還元反応させた後の磁石粉末の製造
Nd 10.84g、Fe 30gを、エタノールを使用してボールミル(Ball−Mill)を用いて均一に湿式混合した後、混合物を真空雰囲気下において900℃で1時間乾燥した。乾燥されたサンプルにCaH 28.5gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。混合物を任意の形のSUSチューブに入れて不活性ガス(Ar)雰囲気下において350℃で2時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了したサンプルにB 0.3gとCa 4.5gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。
油圧プレスを用いて35MPaの圧力を加えて混合物を成形した後、任意の形のSUSチューブに入れて実施例1で提示された方法で反応させて後処理を行い、NdFe14B粉末を得た。
実施例4:酸化ネオジムおよび酸化鉄を還元反応させた後の磁石粉末の製造
Nd 6.1g、Fe 18.65gを、エタノールを使用してボールミル(Ball−Mill)を用いて均一に湿式混合した後、混合物を真空雰囲気下において900℃で1時間乾燥した。乾燥されたサンプルにCaH 16.27gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。混合物を任意の形のSUSチューブに入れて不活性ガス(Ar)雰囲気下において350℃で2時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了したサンプルにB 0.19gとCa 2.61gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。油圧プレスを用いて35MPaの圧力を加えて混合物を成形した後、任意の形のSUSチューブに入れて実施例1で提示された方法で反応させて後処理を行い、NdFe14B粉末を得た。
実施例5:磁石粉末をPFOAでコーティング(ターブラミキサで2時間粉砕)
NdFeB系磁石粉末10gとペルフルオロオクタン酸(PFOA)50mg、直径5mmジルコニアボール60g、アセトンあるいはメタノールなどの有機溶媒125mlを密閉プラスチック瓶に入れてターブラミキサで2時間粉砕する。このような方法で、粒度が0.5マイクロメーター〜10マイクロメーターであり、PFOAコートされたNdFeB系磁石粉末を製造した。前記NdFeB系磁石粉末10gに焼結補助剤として1gのNdH粉末を添加して均質化させた。その後、前記均質化された混合物を黒鉛モールドに入れて圧縮し、パルス磁場を加えて配向して焼結磁石用成形体を製作した後、真空の雰囲気で摂氏1030度〜1070度の温度で2時間加熱してNdFeB系焼結磁石を製造した。
実施例6:磁石粉末をPFOAでコーティング(ターブラミキサで4時間粉砕)
実施例5と同様の粉砕条件においてターブラミキサで4時間粉砕して、PFOAコートされたNdFeB系磁石粉末を得る。前記NdFeB系磁石粉末を実施例5と同じ条件で加熱してNdFeB系焼結磁石を製造した。
比較例1:35MPa以下の圧力による磁石粉末の製造
Nd 10.84g、Fe 30gを、エタノールを使用してボールミル(Ball−Mill)を用いて均一に湿式混合した後、混合物を真空雰囲気下において900℃で1時間乾燥した。乾燥されたサンプルにCaH 28.5gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。混合物を任意の形のSUSチューブに入れて不活性ガス(Ar)雰囲気下において350℃で2時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了したサンプルにB 0.3gとCa 4.5gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。タッピング方法を用いて10Mpaの圧力を加えて混合物を成形した後、任意の形のSUSチューブに入れて実施例1で提示された方法で反応させて後処理を行い、NdFeB系磁石粉末を得た。
比較例2:200MPa以上の圧力による磁石粉末の製造
Nd 6.1g、Fe 18.65gを、エタノールを使用してボールミル(Ball−Mill)を用いて均一に湿式混合した後、混合物を真空雰囲気下において900℃で1時間乾燥した。乾燥されたサンプルにCaH 16.27gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。混合物を任意の形のSUSチューブに入れて不活性ガス(Ar)雰囲気下において350℃で2時間チューブ電気炉の中で反応させた。反応が終了したサンプルにB 0.19gとCa 2.61gをさらに入れてターブラミキサ(Turbula mixer)を用いて再混合した。CIPを用いて220Mpaの圧力を加えて混合物を成形した後、任意の形のSUSチューブに入れて実施例1で提示された方法で反応させて後処理を行い、NdFeB系磁石粉末を得た。
比較例3:PFOAコートされていないNdFeB系混合粉末
NdFeB系磁石粉末20g、直径5mmのジルコニアボール100gを密閉プラスチック瓶に入れてペイントシェーカーで40分間粉砕して、粒度が0.5〜20マイクロメーターであり、PFOAがコートされていないNdFeB系磁石粉末を製造した。前記NdFeB系磁石粉末20gに、焼結補助剤として2gのNdH粉末を添加して均質化させた。前記均質化された混合物を実施例5と同じ条件で加熱してNdFeB系焼結磁石を製造した。
実験例1:XRDパターン
実施例1〜4および比較例1〜2で製造された磁石粉末に対して、XRDパターンを分析して図1〜3に示す。図1は本発明の実施例1および2による酸化鉄(Fe)還元後の鉄粉末のXRDパターンを示すグラフである。図2は実施例2〜4による磁石粉末のXRDパターンを示すグラフである。図3は比較例1および2による磁石粉末のXRDパターンを示すグラフである。図1で1〜2の数値は実施例1〜2を示し、図2で2〜4の数値は実施例2〜4を示す。また、図3で1〜2の数値は比較例1〜2を示す。
図1を見ると、酸化鉄(Fe)還元後に鉄粉末が生成されたことを確認することができる。図2の実施例2〜4の場合には、NdFe14B粉末の単一相が形成されている。これに対し、図3の比較例1〜2の場合には、合成反応時の多量のCaOによって磁石粉末を反応させるための成形体製造時の圧力が過度であるか不足し、NdFe14B合成が行われず、Feが還元粉状態で残っている。
実験例2:磁石粉末の走査電子顕微鏡イメージ
実施例1および2の磁石粉末に対して走査電子顕微鏡(SEM)を用いて大きさを測定して図4A〜図5Bに示す。図4Aは実施例1による酸化鉄(Fe)還元後の鉄粉末のSEM写真である。図4Bは図4Aに示す実施例1による酸化鉄(Fe)還元後の鉄粉末に対して倍率を変更して示すSEM写真である。図5Aは実施例2による磁石粉末のSEM写真である。図5Bは図5Aに示す実施例2による磁石粉末に対して倍率を変更して示すSEM写真である。
図4A〜図4Bを見れば、実施例1の場合、0.16〜0.88マイクロメーターの大きさで鉄粉末が生成されたことを確認することができる。
図5A〜図5Bを見れば、実施例2の場合、1.31〜3.06マイクロメーターの大きさでNdFe14B粉末が生成されたことを確認することができる。
実験例3:M−Hデータ
実施例2および3のNdFeB粉末のM−Hデータ(磁気履歴曲線(magnetic hysteresis curve))を測定して図6および7に示す。図6は実施例2と3による磁石粉末のM−Hデータを示すグラフである。図7は実施例2と3による磁石粉末のM−Hデータを示すグラフの原点部分を拡大して示すグラフである。
図6および7を見れば、油圧プレス方法で一定圧力の範囲で加圧して磁石を製造した実施例2および3の場合、NdFeB磁石粉末の磁気履歴曲線を確認することができる。前記図7は図6の原点付近を拡大してx、y切片を確認したものであり、前記実施例2および3はいずれも優れた磁性を示すことを確認した。
実験例4:焼結磁石破断面の走査電子顕微鏡イメージ
実施例5によりターブラミキサで2時間粉砕、混合してPFOA表面コートされたNdFeB系磁石粉末で製造した焼結磁石の破断面に対するSEM写真を図8に示し、実施例6によりターブラミキサで4時間粉砕、混合してPFOA表面コートされたNdFeB系磁石粉末で製造した焼結磁石の破断面に対するSEM写真を図9に示した。比較例3によるPFOA表面コートされていないNdFeB系磁石粉末で製造した焼結磁石の破断面に対するSEM写真を図10に示す。
図10を見れば、PFOAコートされていない磁石粉末で製造された焼結磁石は表示した部分のような結晶粒成長が観察されるのに対し、図8および図9を見れば、PFOAコートされた磁石粉末で製造された焼結磁石は図10のような結晶粒成長が観察されない。
以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

Claims (16)

  1. 酸化鉄の還元反応で鉄粉末を製造する段階;
    前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物を22MPa以上の圧力で加圧成形した成形体を加熱して磁石粉末を製造する段階;および
    前記磁石粉末の表面に有機フッ化物をコートする段階を含む、磁石粉末の製造方法。
  2. 前記鉄粉末を製造する段階は、
    還元剤の存在下で、アルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属の酸化物中の一つと酸化鉄の混合物を不活性ガスの雰囲気下で還元反応させる段階を含む、請求項1に記載の磁石粉末の製造方法。
  3. 前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物は、
    前記鉄粉末に、前記酸化ネオジム、前記ホウ素および前記カルシウムが添加されて製造される、請求項2に記載の磁石粉末の製造方法。
  4. 前記鉄粉末を製造する段階は、
    還元剤の存在下で、有機溶媒下に湿式混合された酸化ネオジムおよび酸化鉄の混合物を還元反応させて鉄粉末および酸化ネオジム含有混合物を製造する段階を含む、請求項1に記載の磁石粉末の製造方法。
  5. 前記鉄粉末、酸化ネオジム、ホウ素およびカルシウムを含む混合物は、
    前記鉄粉末および前記酸化ネオジム含有混合物に、前記ホウ素および前記カルシウムが添加されて製造される、請求項4に記載の磁石粉末の製造方法。
  6. 前記酸化鉄の還元反応には還元剤が使用され、
    前記還元剤はアルカリ金属の水素化物およびアルカリ土類金属の水素化物のうち少なくとも一つを含む、請求項1から5の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  7. 前記鉄粉末を製造する段階は、四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して還元反応で得た鉄粉末から副産物を除去する段階、そして副産物が除去された鉄粉末を溶媒で洗浄して乾燥する段階をさらに含む、請求項1から6の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  8. 前記磁石粉末を製造する段階は、還元−拡散法によって行われる、請求項1から7の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  9. 前記磁石粉末を製造する段階は、
    前記成形体を不活性ガスの雰囲気下で摂氏800度〜1,100度の温度で加熱する段階を含む、請求項1から8の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  10. 前記磁石粉末を製造する段階後に、
    前記成形体を粉砕して粉末を得た後、四級アンモニウム系メタノール溶液を使用して副産物を除去する段階、そして前記副産物が除去された粉末を溶媒で洗浄して乾燥する段階をさらに含む、請求項1から9の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  11. 前記有機フッ化物は、ペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含有量がC6〜C17に該当する化合物のうち少なくとも一つ以上を含む、請求項1から10の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  12. 前記有機フッ化物は、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:PerFluoro Octanoic Acid)を含む、請求項1から11の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  13. 前記有機フッ化物をコートする段階は、前記磁石粉末と前記有機フッ化物を有機溶媒の中で混合および乾燥する段階を含む、請求項1から12の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  14. 前記混合および乾燥する段階は、前記磁石粉末、前記有機フッ化物および前記有機溶媒を混合してターブラミキサで粉砕する段階をさらに含む、請求項13に記載の磁石粉末の製造方法。
  15. 前記有機溶媒は、アセトン、エタノールまたはメタノールである、請求項13または14に記載の磁石粉末の製造方法。
  16. 有機フッ化物がコートされた前記磁石粉末に焼結補助剤を添加して均質化した後、均質化された混合粉末を黒鉛モールドに入れて圧縮し、パルス磁場を加えて配向して焼結磁石用成形体を製造し、前記焼結磁石用成形体を真空の雰囲気で摂氏1030度〜1070度の温度で加熱して焼結磁石を製造すると、
    前記焼結磁石の結晶粒表面にネオジム酸化物の被膜が形成される、請求項1から15の何れか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
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