[논문]수소파쇄 제어를 통한 HDDR 처리한 Nd-Fe-B계 재료의 보자력 재현성 향상

김경민; 김자영; 권해웅; 이정구; 유지훈

doi:10.4283/jkms.2015.25.4.111

수소파쇄 제어를 통한 HDDR 처리한 Nd-Fe-B계 재료의 보자력 재현성 향상
Improving Reproducibility of Coercivity of HDDR-treated Nd-Fe-B-type Material by Controlling Hydrogen Decrepitation 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.25 no.4, 2015년, pp.111 - 116

김경민 (부경대학교 재료공학과) , 김자영 (부경대학교 재료공학과) , 권해웅 (부경대학교 재료공학과) , 이정구 (한국재료연구소) , 유지훈 (한국재료연구소)

초록
AI-Helper

Nd-Fe-B계 합금에 대한 HDDR(hydrogenation : 수소화 - disproportionation : 분해 - desorption : 탈가스 - recombination : 재결합) 공정에서 실질적인 어려움은 제조된 분말의 자기적 특성, 특히 보자력의 재현성이 대단히 낮다는 점이다. 본 연구에서는 수소파쇄 시 입자 내에 미세균열을 최대한 도입하고 이것이 HDDR 처리한 $Nd_{12.5}Fe_{80.6}B_{6.4}Ga_{0.3}Nb_{0.2}$ 합금 분말의 보자력의 재현성에 미치는 영향을 조사하였다. 수소파쇄된 분말 입자 내에 미세균열을 최대한 많이 도입하기 위하여 분해반응 전 고온에서 충분히 수소방출 처리를 실시하였다. 추가 수소방출처리를 실시하고 HDDR 처리하여 제조한 분말은 보자력 및 그 재현성이 향상되었다. 추가 수소방출로 결정격자가 수축하면서 입자 내에 더욱 더 많은 미세균열이 도입되고, 이로 인하여 분말의 HDDR 반응 시 입자 전체에 걸쳐서 HDDR 반응이 균일하게 진행 되어 보자력의 재현성이 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Practical difficulty in the HDDR (hydrogenation - disproportionation - desorption - recombination) processing of Nd-Fe-B-type alloy is a poor reproducibility of coercivity of the HDDR-treated material. In an attempt to improve the reproducibility of coercivity of the HDDR-treated $Nd_{12.5}Fe_{80.6}B_{6.4}Ga_{0.3}Nb_{0.2}$ alloy, the hydrogen decrepitation was carefully controlled so as to induce more extensive micro-cracks in the particle. Prior to the hydrogenation and disproportionation reaction of HDDR processing, an additional hydrogen degassing was carried out at an elevated temperature of $600^{\circ}C$ under vacuum for the previously hydrogen decrepitated particle. During the additional hydrogen degassing the lattice of hydrogen absorbed $Nd_2Fe_{14}B$ phase was further shrunken, hence more microcracks were introduced in the particle due to its brittle nature. Particles with more micro-cracks had more homogeneous hydrogen absorption and desorption reaction during the HDDR-treatment. The improved reproducibility of coercivity of the HDDR-treated material was attributed to the improved homogeneity of the HDDR reactions due to the presence of more micro-cracks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

보자력의 재현성이 낮은 가장 큰 이유는 HDDR 처리 시행 전 수소파쇄한 분말 입자의 형상 불균일로 인하여 HDDR 반응성이 불균일하기 때문인 것으로 생각된다. 따라서, 본 연구에서는 수소파쇄 처리한 분말의 HDDR 반응의 균일성을 향상시키기 위하여 수소파쇄 시 미세균열을 최대한 충분하게 도입하고 이것이 HDDR 처리한 Nd-Fe-B계 합금분말의 보자력의 재현성에 미치는 영향을 조사하였다.

가설 설정

(a)시료는 수소와의 반응 전 초기 strip 주조 상태의 시료에 대한 x-선 회절패턴이다. 이 시료의 x-선 회절패턴과 수소파쇄를 위하여 수소를 충분히 흡수시킨 (b) 시료의 x-선 회절패턴을 비교하면, (b) 시료의 x-선 회절피크가 전반적으로 저각도쪽으로 크게 이동되어 있음을 볼 수 있다. 이는 수소의 흡수로 인하여 결정격자가 팽창되었음을 의미한다.

제안 방법

HDDR 처리에서 사전 수소파쇄된 분말 입자 내에 미세균열을 최대한 도입하기 위하여 진공 승온 도중 수소와 알곤 혼합가스를 도입하는 650 ℃보다 낮은 600 ℃에서 일정시간 진공에서 유지하였다. 600℃ 진공에서 유지함으로써 추가적인 수소방출로 인한 결정격자의 수축을 이용하여 미세균열의 도입을 최대한 유도하였다. HDDR 처리한 재료의 자기적 특성은 VSM(vibrating sample magnetometer)으로 측정하였다.
Nd-Fe-B계 strip 주조합금을 종래의 HDDR 조건으로 처리한 경우 보자력의 재현성이 낮았다. HDDR 처리한 Nd-Fe-B계 합금분말의 보자력의 재현성을 향상시키기 위하여 일차적으로 수소파쇄를 실시한 재료에 대하여 HDDR 처리 전 추가적인 수소방출 처리를 실시하였다. 추가 수소방출처리를 실시하고 HDDR 처리하여 제조한 분말은 보자력 및 그 재현성이 향상되었다.
600℃ 진공에서 유지함으로써 추가적인 수소방출로 인한 결정격자의 수축을 이용하여 미세균열의 도입을 최대한 유도하였다. HDDR 처리한 재료의 자기적 특성은 VSM(vibrating sample magnetometer)으로 측정하였다. 수소반응 시킨 분말의 수소방출특성은 TPA(themo-piezic analyzer) 로 조사하였다.
충분한 분해를 위하여 820 ℃ 도달 후 3시간 동안 유지하였다. 분해반응 후 반응실의 분위기를 진공으로 변환하여 탈가스 및 재결합을 유도하였다. HDDR 처리에서 사전 수소파쇄된 분말 입자 내에 미세균열을 최대한 도입하기 위하여 진공 승온 도중 수소와 알곤 혼합가스를 도입하는 650 ℃보다 낮은 600 ℃에서 일정시간 진공에서 유지하였다.
HDDR 처리 전 분말입자에 미세균열을 최대한 도입하면 수소반응의 균일성이 향상되어 최종 분말의 보자력의 재현성이 향상 될 것으로 생각된다. 사전 수소파쇄 시킨 입자에 미세균열을 최대한 도입하기 위하여 HDDR 처리 과정 중 수소분해 온도로 가열하는 도중 분해온도에 도달되기 전 진공 중 600 ℃에서 일정시간 유지하였다. 이 과정에서 발생하는 추가적인 수소방출에 따른 결정격자의 수축을 이용하여 재료 내에 미세균열을 충분히 도입하고, 이 분말들을 동일한 조건에서 HDDR 처리하여 5개의 시편을 제조하였다.
HDDR 처리한 재료의 자기적 특성은 VSM(vibrating sample magnetometer)으로 측정하였다. 수소반응 시킨 분말의 수소방출특성은 TPA(themo-piezic analyzer) 로 조사하였다. 수소처리한 분말입자의 미세조직과 결정학적 특성조사는 SEM(scanning electron microscope)과 XRD(x-ray diffractometer)를 이용하여 실시하였다.
추가적인 수소파쇄를 유도하기 위해서 600 ℃에서 진공 중에서 일정시간 유지하는 처리의 효과는 x-선 회절 실험을 통하여 정밀하게 조사할 수 있었다. 수소의 흡수 및 방출에 따른 Nd₂Fe₁₄B 상 결정의 격자상수의 변화를 조사하기 위하여 HD 및 HDDR 처리의 각 상태에 해당되는 시료에 대하여 XRD를 실시하여 결정격자의 변화를 조사하고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
수소반응 시킨 분말의 수소방출특성은 TPA(themo-piezic analyzer) 로 조사하였다. 수소처리한 분말입자의 미세조직과 결정학적 특성조사는 SEM(scanning electron microscope)과 XRD(x-ray diffractometer)를 이용하여 실시하였다.
사전 수소파쇄 시킨 입자에 미세균열을 최대한 도입하기 위하여 HDDR 처리 과정 중 수소분해 온도로 가열하는 도중 분해온도에 도달되기 전 진공 중 600 ℃에서 일정시간 유지하였다. 이 과정에서 발생하는 추가적인 수소방출에 따른 결정격자의 수축을 이용하여 재료 내에 미세균열을 충분히 도입하고, 이 분말들을 동일한 조건에서 HDDR 처리하여 5개의 시편을 제조하였다. 미세균열의 추가도입을 위한 진공 중 600 ℃ 유지처리 시간에 따른 최종 HDDR 처리재료의 평균 보자력 및 그 재현성의 변화를 Fig.
일차적으로 분쇄분말의 수소파쇄를 유도하기 위하여 수소분위기 중에서 가열하여 400 ℃ 도달 시 반응실의 분위기를 진공으로 변환하고 상온으로 냉각시켰다. 이후 수소파쇄 처리된 분말을 HDDR 처리하였다. 진공 중 승온하면서 650 ℃에서 수소와 알곤 혼합가스(H₂ + Ar = 0.
1에 도식적으로 나타내었다. 주조 합금을 가볍게 분쇄하여 HDDR 처리용 반응로에 장입하고 반응실을 진공으로 한 후 수소가스(1.3 bar)를 도입하였다. 일차적으로 분쇄분말의 수소파쇄를 유도하기 위하여 수소분위기 중에서 가열하여 400 ℃ 도달 시 반응실의 분위기를 진공으로 변환하고 상온으로 냉각시켰다.

대상 데이터

본 연구에서는 Nd_12.5Fe_80.6B_6.4Ga_0.3Nb_0.2 조성의 strip 주조합금을 사용하였으며, 이 합금에 대한 HD 및 HDDR 처리과정은 Fig. 1에 도식적으로 나타내었다. 주조 합금을 가볍게 분쇄하여 HDDR 처리용 반응로에 장입하고 반응실을 진공으로 한 후 수소가스(1.

성능/효과

2는 수소파쇄 분말 입자 내에 미세균열을 최대한 충분하게 도입하는 처리를 실시하지 않은, 즉 분해반응을 위한 승온 도중 600 ℃에서 일정시간 진공에서 유지하는 처리를 적용하지 않은 일반적인 방법으로 HDDR 처리하여 제조한 분말의 재결합 시간에 따른 보자력의 변화를 나타낸다. 동일한 조건에서 HDDR 처리하여 5개의 시편을 준비한 후 그 중 가장 높은 보자력을 보이는 시편의 보자력 값을 나타내었다. 재결합시간이 길어짐에 따라 보자력은 점차 증가하여 재결합시간 25분에서 가장 높은 약 12 kOe의 보자력을 보인 후 점차 감소한다.
지금까지의 보고에 의하면 HDDR 처리한 Nd-Fe-B계 재료는 내부에 미세균열이 존재하더라도 취성이 커서 가공 후 입자내에 잔류 스트레인은 거의 존재하지 않는 것으로 알려져 있다[14, 15]. 따라서 본 연구에서 제조되는 입자 내에 많은 미소균열이 존재하지만 잔류 스트레인은 존재하지 않아 보자력에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
3에서 보는 바와 같이, 미세균열 추가도입 처리를 하지 않은(유지시간 = 0분) 시편에 비하여 미세균열 도입처리를 실시한 시편은 평균 보자력이 높아질 뿐만 아니라, 특히 보자력값의 편차가 크게 줄어들고 있다. 이 결과는 HDDR 처리 전 분말입자에 시행하는 미세균열 유도처리가 최종 분말의 보자력 및 그 재현성을 향상시키는데 유익함을 보여준다. 미세균열 도입처리 적용으로 인해 보자력의 재현성이 향상되는 것은 수소의 흡수 및 방출에 따라 Nd-Fe-B 합금 내 Nd₂Fe₁₄B 결정격자의 팽창과 수축이 일어나 취성을 갖는 Nd₂Fe₁₄B 결정립 내에 미세균열이 충분히 도입되어 이후 시행되는 HDDR 반응의 균일성이 향상되기 때문인 것으로 판단된다.
HDDR 처리 전 진공 중 고온에서 일정시간 유지처리 함으로써 분말입자 내에 잔존하는 수소가 추가로 방출되고 이로 인한 수축으로 입자 내에 더욱 더 많은 미세균열이 도입되었다. 이로 인하여 분말의 HDDR 반응 시 입자전체에 걸쳐서 HDDR 반응이 균일하게 진행 되어 보자력의 재현성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 XRD 결과에서 알 수 있는 것처럼, 미세균열을 도입하기 위하여 승온 도중 600 ℃에서 일정시간 유지 처리하면 추가적인 수소방출로 인한 결정격자의 추가 수축이 일어나고 이로 인한 미세균열의 추가도입이 일어났을 것으로 판단된다. Fig.
재결합시간이 길어짐에 따라 보자력은 점차 증가하여 재결합시간 25분에서 가장 높은 약 12 kOe의 보자력을 보인 후 점차 감소한다. 최대의 보자력을 보이는 재결합 시간 25분의 시료 5개의 보자력을 측정한 결과, 동일한 조건으로 HDDR 처리하였음에도 불구하고 5개의 시편이 보이는 보자력은 크게 달라 재현성이 낮았다. 이 5개의 시편이 보이는 보자력 값의 범위는 Fig.
HDDR 처리한 Nd-Fe-B계 합금분말의 보자력의 재현성을 향상시키기 위하여 일차적으로 수소파쇄를 실시한 재료에 대하여 HDDR 처리 전 추가적인 수소방출 처리를 실시하였다. 추가 수소방출처리를 실시하고 HDDR 처리하여 제조한 분말은 보자력 및 그 재현성이 향상되었다. HDDR 처리 전 진공 중 고온에서 일정시간 유지처리 함으로써 분말입자 내에 잔존하는 수소가 추가로 방출되고 이로 인한 수축으로 입자 내에 더욱 더 많은 미세균열이 도입되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Nd-Fe-B계 합금에 대한 HDDR공정에서 실질적인 어려움은?	Nd-Fe-B계 합금에 대한 HDDR(hydrogenation : 수소화 - disproportionation : 분해 - desorption : 탈가스 - recombination : 재결합) 공정에서 실질적인 어려움은 제조된 분말의 자기적 특성, 특히 보자력의 재현성이 대단히 낮다는 점이다. 본 연구에서는 수소파쇄 시 입자 내에 미세균열을 최대한 도입하고 이것이 HDDR 처리한 $Nd_{12.
	Nd-Fe-B계 영구자석의 가장 일반적인 제조법은?	Nd-Fe-B계 영구자석은 우수한 자기적 특성으로 인하여 친환경자동차와 신재생에너지 분야 등의 새로운 분야로 그 사용이 급격하게 확대되고 있으며 앞으로도 그 수요가 급증할 것으로 예상된다. Nd-Fe-B계 영구자석은 다양한 방법으로 제조되고 있는데, 가장 일반적인 제조방법은 소결자석 제조법으로, NdFe-B계 합금 잉곳을 조분쇄, 수소파쇄(HD: hydrogenation decrepitation) 처리 등의 방법을 이용해 미세한 분말로 가공, 압축성형 후 고온에서 소결하여 소결자석을 만드는 것이다[1-3]. 또 다른 제조방법은 합금을 급랭응고법(melt-spinning) 또는 HDDR 공정 등을 이용하여 분말 재료를 제조하고, 이 경자성 분말을 수지(resin)와 혼합하여 본드자석으로 제조하는 방법 등이 있다[3, 4].
	Nd-Fe-B계 영구자석을 합금을 이용한 급랭응골법으로 제작할경우 무엇이 요구되어지는가?	또 다른 제조방법은 합금을 급랭응고법(melt-spinning) 또는 HDDR 공정 등을 이용하여 분말 재료를 제조하고, 이 경자성 분말을 수지(resin)와 혼합하여 본드자석으로 제조하는 방법 등이 있다[3, 4]. 하지만 급랭응고법으로 제조한 분말은 자기적으로 등방성이며, 이로부터 이방성 분말을 제조하기 위해서는 이후 열간압축 및 열간변형 등의 추가 가공이 필요하다. 한편 HDDR 법을 이용하면 Nd-Fe-B계 합금 잉곳으로부터 분말상의 재료로 목적에 따라 등방성 및 이방성으로 용이하게 제조 가능한 큰 장점이 있다[5, 6].

참고문헌 (15)

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H. W. Kwon, J. G. Lee, and J. H. Yu, IEEE Trans. Magn. 50, 2100604 (2014).
K. M. Kim, H. W. Kwon, J. G. Lee, and J. H. Yu, J. Magn. 20, 21 (2015).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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