[논문]입계확산처리된 Nd-Fe-B 소결자석에서 Dy의 확산에 미치는 Cu와 Al 분말의 혼합 효과

이민우; 장태석

doi:10.4150/kpmi.2016.23.6.432

입계확산처리된 Nd-Fe-B 소결자석에서 Dy의 확산에 미치는 Cu와 Al 분말의 혼합 효과
Effect of Cu/Al powder mixing on Dy diffusion in Nd-Fe-B sintered magnets treated with a grain boundary diffusion process 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.6, 2016년, pp.432 - 436

Abstract ▼ AI-Helper

We investigate the microstructural and magnetic property changes of $DyH_2$, $Cu+DyH_2$, and $Al+DyH_2$ diffusion-treated NdFeB sintered magnets with the post annealing (PA) temperature. The coercivity of all the diffusion-treated magnets increases with increasing heat treatment temperature except at $910^{\circ}C$, where it decreases slightly. Moreover, at $880^{\circ}C$, the coercivity increases by 3.8 kOe in Cu and 4.7 kOe in Al-mixed $DyH_2$-coated magnets, whereas this increase is relatively low (3.0 kOe) in the magnet coated with only $DyH_2$. Both Cu and Al have an almost similar effect on the coercivity improvement, particularly over the heat treatment temperature range of $790-880^{\circ}C$. The diffusivity and diffusion depth of Dy increases in those magnets that are treated with Cu or Al-mixed $DyH_2$, mainly because of the comparatively easy diffusion path provided by Cu and Al owing to their solubility in the Nd-rich grain boundary phase. The formation of a highly anisotropic $(Nd,\;Dy)_2Fe_{14}B$ phase layer, which acts as the shell in the core-shell-type structure so as to prevent the reverse domain movement, is the cause of enhanced coercivity of diffusion-treated Nd-Fe-B magnets.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 DyH₂, Cu+DyH₂, Al+DyH₂으로 각각 입계확산 처리된 Nd-Fe-B 소결자석의 자기적 특성 및 미세구조를 조사 하였다. Al이 혼합된 용액으로 입계확산 처리한 소결자석의 보자력이 4.
이에 본 연구에서는 Dy의 주된 확산 통로인 Nd-rich 입계상의 융점을 낮춰 유동도를 향상시켜 Dy의 확산이 더욱 용이하게 하고자 하였고, 이에 따라, Nd-rich 입계상의 융점을 낮춰줄 수 있는 Cu와 Al을 첨가 원소로 선택하였다. Cu와 Al을 입계확산 코팅용으로 사용되고 있는 Dy화합물과 혼합하여 코팅용액으로 제조한 뒤, 단순 도포를 통하여 입계확산용으로 제조된 소결자석에서 Dy의 확산 깊이 변화와 첨가 원소가 미세구조에 미치는 영향과 자기특성 변화를 조사하였다.

가설 설정

4. Cross-sectional SEM images and WDS line profile of (c) Cu+DyH₂ dipped magnet and (d) Al+DyH₂ dipped magnet. The line area is shown in (a) and (b).

제안 방법

00Fe_bal. B_0.97M_2.39(wt.%, M = Cu,Al, Co and Nb)의 조성의 모합금을 스트립캐스터로 제조한 뒤 0.1 MPa의 수소압력으로 400℃에서 2시간 동안 수소처리를 실시한 후 진공 분위기에서 550℃의 온도로 가열하여 수소를 제거하였다. 수소/탈수소 처리한 스트립은 젯밀(jet-mill)을 통하여 분쇄하여 약 3 mm의 분말을 제조하였다.
이에 본 연구에서는 Dy의 주된 확산 통로인 Nd-rich 입계상의 융점을 낮춰 유동도를 향상시켜 Dy의 확산이 더욱 용이하게 하고자 하였고, 이에 따라, Nd-rich 입계상의 융점을 낮춰줄 수 있는 Cu와 Al을 첨가 원소로 선택하였다. Cu와 Al을 입계확산 코팅용으로 사용되고 있는 Dy화합물과 혼합하여 코팅용액으로 제조한 뒤, 단순 도포를 통하여 입계확산용으로 제조된 소결자석에서 Dy의 확산 깊이 변화와 첨가 원소가 미세구조에 미치는 영향과 자기특성 변화를 조사하였다.
5 µm 크기의 DyH₂ 분말을 선택하였고 여기에 각각 Cu와 Al 분말을 일정량 혼합한 뒤 용액으로 제조하였다. 각각 Cu와 Al이 혼합된 DyH₂ 용액에 입계확산용 자석을 담근 후 용매를 제거하여 코팅층을 형성시킨 뒤에 X℃(X= 790, 820, 850, 880, 910)에서 2시간동안 1차 열처리를 진행하였고, 500℃에서 2차 열처리를 진행하였다. 자기적 특성은 B-H loop tracer(Magnet-Physik PermagraphC-300)으로 측정하였고, 미세구조는 주사전자현미경(JXA8500F)을 통해 관찰하였으며 입계확산 후 Dy의 분포 및 혼합 원소의 분포는 EPMA를 통하여 분석하였다.
이렇게 제조된 분말은 1.9 T의 자장하에서 일축자장성형을 한 후, 진공 분위기에서 소결하여 입계확산용 자석을 제조하였고 12.5 mm × 12.5 mm × 5.0 mm의 크기로 가공한 뒤 표면에 산화막을 제거하였다.
각각 Cu와 Al이 혼합된 DyH₂ 용액에 입계확산용 자석을 담근 후 용매를 제거하여 코팅층을 형성시킨 뒤에 X℃(X= 790, 820, 850, 880, 910)에서 2시간동안 1차 열처리를 진행하였고, 500℃에서 2차 열처리를 진행하였다. 자기적 특성은 B-H loop tracer(Magnet-Physik PermagraphC-300)으로 측정하였고, 미세구조는 주사전자현미경(JXA8500F)을 통해 관찰하였으며 입계확산 후 Dy의 분포 및 혼합 원소의 분포는 EPMA를 통하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Nd_29.00Dy_3.00Fe_bal. B_0.
사용된 Cu와 Al의 분말은 각각 1.5 µm의 크기를 가지는 분말을 사용하였고 무수알콜과 2:8의 비율로(Cu/Al 2, 무수알콜 8) 혼합한 뒤 입계확산용 소결자석을 용액에 담근 후 진공중에서 용매를 제거하여 각각의 분말을 코팅하였다.
입계확산에 사용한 분말은 2.5 µm 크기의 DyH2 분말을 선택하였고 여기에 각각 Cu와 Al 분말을 일정량 혼합한 뒤 용액으로 제조하였다.

성능/효과

%)였지만 Al이 혼합된 경우에는 Dy의 함량이 4 at.%(Nd :21.09, Dy : 4.00, Fe : 74.60, Al : 0.31 at.%)로 Al을 혼합하여 처리했을 경우 Dy-rich core-shell 구조가 더욱 발달된 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 Al역시 Dy와 함께 Al-rich core-shell 구조를 형성하고 있음이 확인되었는데 이는 Dy 원자에 확산경로를 제공하여 더욱 활발한 Dy원자의 이동에 기여하였음을 나타내는 부분이다.
함께 혼합한 Cu는 위에서 언급한 바와 같이 소결자석 내의 Nd-rich 삼중점상에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다. Al+DyH₂ 용액으로 입계확산 처리한 소결자석은 앞의 두 종의 용액을 입계확산 처리하였을 경우보다 Dy의 확산 깊이가 500 mm 이상 월등하게 증가한 것을 확인하였는데 이는 Al이 Dy의 확산 깊이 증가에 기여했다고 보여진다. Al은 열처리 온도인 880℃에서 Cu와는 달리 액상으로 존재하는데 Cu의 경우 이 온도에서 고상으로 존재하기 때문에 790℃에서 H와 분해되어 마찬가지로 고상으로 존재하는 Dy를 자석 내부로 깊이 확산시키기 어려운 반면 Al의 경우에는 액상으로 존재하고 있기 때문에 Ndrich 계면상의 유동도를 증가시켜줌과 동시에 Dy를 자석내부까지 효과적으로 확산시켜 줄 수 있었으며, 이에 따라 소결자석의 보자력 또한 기존 Dy 확산 자석 대비 63% 이상 증가시켜 줄 수 있었던 것으로 판단된다.
Al+DyH₂ 용액으로 입계확산 처리한 소결자석은 앞의 두 종의 용액을 입계확산 처리하였을 경우보다 Dy의 확산 깊이가 500 mm 이상 월등하게 증가한 것을 확인하였는데 이는 Al이 Dy의 확산 깊이 증가에 기여했다고 보여진다. Al은 열처리 온도인 880℃에서 Cu와는 달리 액상으로 존재하는데 Cu의 경우 이 온도에서 고상으로 존재하기 때문에 790℃에서 H와 분해되어 마찬가지로 고상으로 존재하는 Dy를 자석 내부로 깊이 확산시키기 어려운 반면 Al의 경우에는 액상으로 존재하고 있기 때문에 Ndrich 계면상의 유동도를 증가시켜줌과 동시에 Dy를 자석내부까지 효과적으로 확산시켜 줄 수 있었으며, 이에 따라 소결자석의 보자력 또한 기존 Dy 확산 자석 대비 63% 이상 증가시켜 줄 수 있었던 것으로 판단된다.
으로 각각 입계확산 처리된 Nd-Fe-B 소결자석의 자기적 특성 및 미세구조를 조사 하였다. Al이 혼합된 용액으로 입계확산 처리한 소결자석의 보자력이 4.7 kOe, Dy 원자의 확산 깊이는 525 µm으로 가장 향상된 결과를 나타냈다. Cu와 Al 모두 Dy의 확산에 기여하여 보자력 및 Dy 원자의 확산 깊이를 증가시켰지만 Al 혼합된 경우 더욱 발달된 core-shell 구조를 형성하면서 높은 이방성장을 가지는(Nd-Dy-rich)₂Fe₁₄B상으로 인해 가장 큰 보자력의 증가와 미세구조 개선 효과를 가져왔다.
그림에 나타낸 삼중점상중 밝게 보이는 부분은 Cu-rich 상이고, 약간 어둡게 보이는 상은 (Nd, Dy)-rich 상이다[14]. Cu와 Al을 혼합하여 처리한 소결자석 모두 line-profile 이미지와 같이 주상의 외곽부분에 Dy가 풍부한 shell이 형성되어 있는 것으로 나타났다. 하지만 shell의 Dy 분포를 보면 Cu가 혼합된 경우 Dy가 1.
DyH2 용액으로 입계확산 처리된 소결자석의 경우 Dy의 확산 깊이가 90 µm인 것으로 확인되었으며 Cu+DyH2 용액으로 입계확산 처리된 소결자석의 경우 Dy의 확산 깊이가 약 150 µm으로 확산 깊이가 약 60% 증가한 것을 알 수 있었다.
)을 각각의 열처리 온도에 따라 나타낸 그래프이다. DyH₂ 용액으로 확산 처리된 자석의 경우 열처리 온도가 증가함에 따라 보자력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만 910℃에서 열처리한 자석의 경우 보자력이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 열처리 온도가 900℃를 넘게 되면 계면상에서 보자력 증가에 기여하는 c-type Nd₂O₃ 상의 형성이 어렵기 때문이다[13].
5 µm의 크기를 가지는 분말을 사용하였고 무수알콜과 2:8의 비율로(Cu/Al 2, 무수알콜 8) 혼합한 뒤 입계확산용 소결자석을 용액에 담근 후 진공중에서 용매를 제거하여 각각의 분말을 코팅하였다. EPMA 관찰 결과 Cu와 Al 모두 소결자석내부로 확산이 잘 이루어 진 것을 관찰할 수 있었다. 하지만 각기 다른 분포를 보였는데, Cu의 확산 전, 후를 비교해 보면 Cu는 주로 Nd-Fe-B 소결자석 내의 Nd-rich 삼중점상에 대부분 분포하고 있었다.
Nd-Fe-B 소결자석의 보자력은 계면 부위에서의 물리적, 조직학적 특성 의해 결정되기 때문에 주상인 Nd₂Fe₁₄B 상에서 역자구 생성과 전이를 억제하면 보자력을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서 Nd-Fe-B 소결자석의 보자력 향상을 위하여 필수적으로 첨가되는 Dy와 같은 중희토류 원소를 입계 주변, 즉 강자성 결정립(Nd₂Fe₁₄B) 표면 부위에만 집중적으로 분포하도록 하여 결정립이 자기이방성으로 높은 층으로 둘러싸이는 core-shell type 구조[3-10]를 형성하도록 해 주면, 기존과 같이 모합금 용융과정에서 중희토류 원소를 첨가하여 자석 전체에 고르게 분포하도록 하는 것보다 그 사용량을 대폭 감소하면서도 역자구 형성 억제 효과로 높은 보자력을 얻는 것이 가능하다. 이러한 구조를 얻기 위해 시도되고 있는 방법 중 하나가 계면확산법으로서, 이 방법은 소결자석내 Nd-rich 계면상의 화학반응성이 매우 큰 점을 이용하여 소결자석의 표면에 중희토류 원소를 코팅한 후 열처리에 의해 계면을 따라 확산되어 들어가 자기이방성이 높은 층이 결정립 표면에 형성되도록 하는 것이다.
다만 910℃에서 열처리한 자석의 경우 보자력이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 열처리 온도가 900℃를 넘게 되면 계면상에서 보자력 증가에 기여하는 c-type Nd₂O₃ 상의 형성이 어렵기 때문이다[13]. 이러한 경향은 나머지 두 조건에서도 마찬가지인 것으로 확인되었으나, 보자력의 증가 차이는 그래프에서 나타난 바와 같이 최적 열처리 온도인 880℃를 기준으로 DyH₂ 용액으로 확산 처리된 자석은 기존 자석에 비해(22.5 kOe) 3.0 kOe(25.5 kOe)가 증가하였고, Cu가 혼합된 경우 3.8 kOe(26.3 kOe), Al이 혼합되었을 때 4.7 kOe(27.2 kOe)로 Al을 혼합하여 입계확산 처리한 자석의 보자력이 가장 높게 증가한 것으로 나타났다. 이와 함께 Dy를 주된 확산 용액으로 사용하는 입계확산 공정에서 최적화된 열처리 온도는 880℃인 것으로 확인되었다.
2 kOe)로 Al을 혼합하여 입계확산 처리한 자석의 보자력이 가장 높게 증가한 것으로 나타났다. 이와 함께 Dy를 주된 확산 용액으로 사용하는 입계확산 공정에서 최적화된 열처리 온도는 880℃인 것으로 확인되었다.
DyH₂ 용액으로 입계확산 처리된 소결자석의 경우 Dy의 확산 깊이가 90 µm인 것으로 확인되었으며 Cu+DyH₂ 용액으로 입계확산 처리된 소결자석의 경우 Dy의 확산 깊이가 약 150 µm으로 확산 깊이가 약 60% 증가한 것을 알 수 있었다. 함께 혼합한 Cu는 위에서 언급한 바와 같이 소결자석 내의 Nd-rich 삼중점상에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다. Al+DyH₂ 용액으로 입계확산 처리한 소결자석은 앞의 두 종의 용액을 입계확산 처리하였을 경우보다 Dy의 확산 깊이가 500 mm 이상 월등하게 증가한 것을 확인하였는데 이는 Al이 Dy의 확산 깊이 증가에 기여했다고 보여진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Nd-Fe-B 소결자석의 보자력을 향상시키기 위한 방법은?	현재 Nd-Fe-B 소결자석의 잔류자속밀도(Br)는 이론치의 약 98%, 최대자기에너지적 값도 이론치의 약 90% 이상까지 얻을 수 있지만 보자력은 이론치의 30%도 얻지 못하고 있어 아직도 개발해야 될 여지가 많다. Nd-Fe-B 소결자석의 보자력은 계면 부위에서의 물리적, 조직학적 특성 의해 결정되기 때문에 주상인 Nd2Fe14B 상에서 역자구생성과 전이를 억제하면 보자력을 크게 향상시킬 수 있다.따라서 Nd-Fe-B 소결자석의 보자력 향상을 위하여 필수적으로 첨가되는 Dy와 같은 중희토류 원소를 입계 주변, 즉 강자성 결정립(Nd2Fe14B) 표면 부위에만 집중적으로 분포하도록 하여 결정립이 자기이방성으로 높은 층으로 둘러싸이는 core-shell type 구조[3-10]를 형성하도록 해 주면, 기존과 같이 모합금 용융과정에서 중희토류 원소를 첨가하여 자석 전체에 고르게 분포하도록 하는 것보다 그 사용량을 대폭 감소하면서도 역자구 형성 억제 효과로 높은 보자력을 얻는 것이 가능하다.
	Nd-Fe-B 소결자석의 장단점은?	Nd-Fe-B 소결자석은 다른 AlNiCo 및 페라이트계 자석에 비해 매우 높은 자기에너지를 갖는 자석이지만 보자력(iHc)온도계수가 높기 때문에 모터의 구동온도(200~220℃) 부근에서 쉽게 열화되는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 이방성계수가 큰 Dy, Tb와 같은 중희토류(heavy rare-earth)원소를 첨가하는 것이 일반적이다.
	Nd-Fe-B 소결자석의 쉽게 열화되는 단점을 극복하기 위한 방법은?	Nd-Fe-B 소결자석은 다른 AlNiCo 및 페라이트계 자석에 비해 매우 높은 자기에너지를 갖는 자석이지만 보자력(iHc)온도계수가 높기 때문에 모터의 구동온도(200~220℃) 부근에서 쉽게 열화되는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 이방성계수가 큰 Dy, Tb와 같은 중희토류(heavy rare-earth)원소를 첨가하는 것이 일반적이다. 그러나 중희토류 원소는 매장량이 적고 가격 또한 매우 비싸기 때문에 그 사용량을 저감하는 연구와 함께 소결자석 내에서의 분포 제어 및 보자력 향상을 위한 연구가 계속되어 왔다.

참고문헌 (15)

Y. Kaneko, F. Kuniyoshi and N. Ishigaki: J. Alloys Compd., 408 (2006) 1344.

상세보기
H. Nakamura, K. Hirota, M. Shimao, T. Minowa and M. Honshima: IEEE Trans. Magn., 41 (2005) 3844.

상세보기
K. Hirota, H. Nakamura, T. Minowa and M. Honshima: IEEE Trans. Magn., 42 (2006) 2909.

상세보기
D. S. Li, M. Nishimoto, S. Suzuki, K. Nishiyama, M. Itoh and K. Machida: IOP CONF. SER. MATER. SCI. ENG., 1 (2009) 012020.
M. Komuro, Y. Satsu and H. Suzuki: IEEE Trans. Magn., 45 (2010) 3831.
S. Hirosawa, Y. Matsuura, H. Yamamoto, S. Fujimura, M. Sagawa and H. Yamauchi: J. Appl. Phys., 59 (1986) 873.

상세보기
D. R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics, (Ed) CRC Pres, USA (2000) 1999.
T. N. Rezykhina and T. F. Sioeva: J. Chem. Thermodyn., 11 (1979) 1095.

상세보기
B. E. Davies, R. S. Mottram and I. R. Harris: J. Mater. Chem. Phys., 64 (2001) 272.
D. W. Park, T. H. Kim, S. R. Lee, D. H. Kim and T. S. Jang: J. Appl. Phys., 107 (2010) 09A737.

상세보기
K. H. J. Buschow: J. Mater. Sci. Res., 1 (1986) 1.

상세보기
J. Fidler and J. Bernardi: J. Appl. Phys., 70 (1991) 6456

상세보기
W.F. Li, T. Ohkubo, K. Hono and M. Sagawa: J. Magn. Magn. Mater., 321 (2009) 1100.

상세보기
S. Namkung, M. W. Lee, I. S. Cho, Y. D. Park, T. H. Lim, S. R. Lee, T. S. Jang: J. Korean Powder Metall. Inst., 18 (2011) 29.

원문보기 상세보기
M. W. Lee, D. R. Dhakal, T. H. Kim, S. R. Lee, H. J. Kim and T. S. Jang: Arch. Metall. Mater., 60 (2015) 1407.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증