KR101071424B1 - 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모터, 센서 등의 분야에 적용되는 원통형 이방성 R-Fe-B계(R은 Nd를 포함하여 적어도 하나 이상의 희토류원소) 소결자석의 제조방법에 관한 것으로서, 자장성형으로 1차 성형체를 제조하고 이 1차 성형체를 2차로 적층성형하여 2차 성형체를 제조한 후 2차 성형체를 소결온도에서 가열하여 자기특성이 향상되고 동시에 길이가 긴 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 이방성 R-Fe-B계(R은 적어도 하나 이상의 희토류원소)를 주체로 하는 자석분말을 자장 성형기술을 이용하여 코아를 중심으로 방사형 방향으로 자장이 발생하도록 금형틀과 코아를 구성하여 자장을 가하면서 자장성형하여 이방화율이 높은 1차 성형체를 복수개 성형하는 제1단계와; 상기 복수개 성형된 1차 성형체를 금형틀에 적층하고 다시 성형하여 2차 성형체를 성형하는 제2단계와; 상기 2차 성형체를 소결하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법을 제공한다.
소결자석, 래디알, 이방성, 자장
Description
본 발명은 모터, 센서 등의 분야에 적용되는 원통형 이방성 R-Fe-B계(R은 Nd를 포함하여 적어도 하나 이상의 희토류원소) 소결자석의 제조방법에 관한 것으로서, 자장성형으로 1차 성형체를 제조하고 이 1차 성형체를 2차로 적층성형하여 2차 성형체를 제조한 후 2차 성형체를 소결온도에서 가열하여 자기특성이 향상되고 동시에 길이가 긴 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 제조하는 방법에 관한 것이다.
원통형 래디얼 이방성 소결자석의 일반적 제조방법은 방사형태로 자장이 발생하도록 구성된 금형틀 안에 자석분말을 투입하고, 자석분말에 자장을 가한 상태에서 상하펀치를 이용하여 자석분말을 성형하는 방법이 있다.
종래기술에 따른 원통형 래디얼 이방성 소결자석 제조용 성형장치는 도 1을 참조하여 설명하면 강자성으로 구성되며 내부에 중공이 형성된 금형틀(1)과, 이 금형틀(1)의 상부와 하부에 상측코일(8)과 하측코일(3)이 구비된다. 하측코일(3)의 내측에는 비자성강으로 이루어진 하펀치(2)가 위치하고 상측코일(8)의 내측 또한 비자성강으로 이루어진 상펀치(6)가 위치한다. 여기서 하펀치의 내측에는 강자성체로 이루어진 하코어(4)가 위치하고 상펀치(6)의 내측 또한 강자성체로 이루어진 상코어(7)가 위치한다. 또한 자석분말(5)은 금형틀(1)과 하코아(4) 사이의 공간에 채워지고 비자성강으로 구성된 상펀치(6)와 강자성강으로 구성된 상코아(7)가 아래로 움직여 금형틀(1)의 입구까지 위치하게 된다. 상측코일(8)도 아래쪽으로 이동해 하측코일(3)에서 발생하는 자장과 반대방향으로 자장을 발생하면서 자석분말을 래디얼 방향으로 배향하면서 가압해 원통형 래디얼 이방성 성형체를 제조하게 된다. 그 후 원통형 래디얼 이방성 성형체는 1000~1150℃ 범위의 온도에서 소결과정을 통해 원통형 래디얼 이방성 소결자석으로 제조된다.
자석분말(5)이 채워지는 금형공간에서 발생하는 자장의 세기는 다음의 식 (1)식으로 간단히 정리될 수 있다.
Bg = {J×(2×3.14×r2) / (2×3.14×R×L)}+Hcoil -----------(1)
[여기에서, J: 강자성체 4 및 7의 포화자속밀도, r: 하코아 4와 상코아 7의 반경, R: 금형틀 1의 내반경, L: 금형틀 1의 길이, Hcoil: 하측코일 3 및 상측 코일 8로부터 금형틀 1에 발생한 자장의 세기]
상기 (1)식에서 보는 바와 같이 자석분말(5)이 채워지는 공간에서 발생하는 자장의 세기 Bg 는 원통형 래디얼 이방성 성형체의 형상 치수에 따라 달라지게 되는데 내경과 외경의 치수가 고정된 경우 금형틀(1)의 길이 L에 반비례한다. 따라서 길이가 긴 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 제조하는 경우 금형틀(1)의 길이를 길게 해야 하지만, 도 2에서 나타낸 것과 같이 자석분말(5)이 90%이상 이방화되도록 하기 위해서는 금형공간에서 발생하는 자장의 세기가 0.5 T(테슬라) 이상이 되도록 하는 것이 바람직하기 때문에 금형틀(1)의 길이가 제한된다. 통상 금형틀(1)과 코아에 사용되는 강자성체의 포화자속밀도는 대략 2T이므로 식 (1)을 정리하면 금형틀(1)의 최대 길이 Lmax 는 다음의 식(2)에 의해 제한된다.
Lmax ≤ (2r2)/R(0.5-Hcoil) ------------------------------(2)
이러한 이유로 Lmax 보다 길이가 긴 원통형 래디얼 이방성 소결자석은 길이가 길어짐에 따라 특성적으로 불리하게 되는 것이 공지의 사실이다.
따라서 실제 모터 등에 활용에 있어서는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 길이를 식 (2)을 만족하도록 여러 개를 제작한 후 이들을 조립하여 사용하게 된다. 그러나 이러한 방법은 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 제조하는 단계에 있어서, 단위길이당 자석의 제조비용이 높을 뿐만 아니라 모터의 부품으로 조립하는 단계에 있어서, 복수형으로 조립되는 자석들의 동심도를 제한된 범위 내에 관리하면서 조립해야 하므로 공정이 까다롭고 조립비용이 상승하는 단점이 있다.
따라서, 종래의 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 제조방법은 형상 자유도에 한계가 있어 이를 적용하여 실시하는 방법 및 다양한 활용범위에 적용상의 만족도를 얻기 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 원통형 래디얼 이방성 소결자석 제조시 자장성형으로 1차 성형체를 제조하고, 이 1차 성형체를 2차로 적층성형하여 2차 성형체를 제조한 후 2차 성형체를 소결온도에서 가열하여 자기특성이 향상되고 동시에 길이가 긴 일체형의 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 이방성 R-Fe-B계(R은 적어도 하나 이상의 희토류원소)를 주체로 하는 자석분말을 자장 성형기술을 이용하여 코아를 중심으로 방사형 방향으로 자장이 발생하도록 금형틀과 코아를 구성하여 자장을 가하면서 자장성형하여 이방화율이 높은 1차 성형체를 복수개 성형하는 제1단계와; 상기 복수개 성형된 1차 성형체를 금형틀에 적층하고 다시 성형하여 2차 성형체를 성형하는 제2단계와; 상기 2차 성형체를 소결하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법을 제공한다.
상기 원통형 래디얼 이방성 소결자석에서 희토류원소는 Nd를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1단계에서 자석분말에 자장을 가할 때 전자석을 이용하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 제2단계에서 사용되는 금형틀의 내반경은 상기 제1단계에서 사용되는 금형틀의 내반경보다 0.05mm 내지 0.5mm 크게 구비되고, 상기 제2단계에서 사용되는 상기 상코어 및 하코어의 외반경은 상기 제1단계에서 사용되는 상기 상코어 및 하코어의 외반경보다 0 내지 0.05mm 작게 구비되며, 상기 제2단계에서 성형되는 2차 성형체의 크기는 상기 제1단계에서 성형되는 1차 성형체의 길이보다 크게 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차 성형체의 밀도는 3.5~4.2 g/cm3이고, 상기 2차 성형체의 밀도는 3.6~4.3 g/cm3 인 것이 바람직하다.
즉, 본 발명은 이방성 R-Fe-B계를 주재료로 하는 자석분말을 자장 성형기술을 이용하여 방사형(래디얼) 방향으로 금형내에서 자장을 가하면서 성형한 다음, 이들을 다시 금형틀에 적층 한 후 성형하여 긴 원통형 래디얼 이방성 특성을 갖도록 제조함으로써 소결한 후에 그 특성이 우수하고 형상자유도가 향상된 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 경제적으로 제조하는 동시에 이를 활용함으로 인하여 모터제조공정에 경제적 이점과 만족도가 크게 향상된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법을 순차적으로 나타내는 개념도이다.
본 발명에 따른 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법은 이방화율이 높은 1차 성형체를 복수개 성형하는 제1단계와 1차 성형체를 금형틀에 적층하고 다시 성형하여 2차 성형체를 성형하는 제2단계 및 2차 성형체를 소결하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.
제1단계는 자석분말(5)에 자장을 가하여 자장성형하는 것으로서 이방화율이 높은 1차 성형체(9, 10)를 성형하게 된다. 여기서 자석분말(5)은 이방성 R-Fe-B계(R은 적어도 하나 이상의 희토류원소)를 주체로 한다. 상기 자석분말(5)을 금형틀(1)의 내부 공간에 채운 다음 상측코일(8)과 하측코일(3)에 전기를 인가하여 자장을 가하면서 하펀치(2)와 상펀치(6)를 이용하여 압축 성형하여 이방화된 1차 성형체(9, 10)를 제조하게 된다. 상기 1차 성형체(9, 10)는 후술하는 제2단계에서 적층하기 위하여 적어도 2개 이상을 제조한다.
제2단계는 제1단계에서 자장성형된 1차 성형체(9, 10) 복수개를 금형틀(11)의 내부에 적층한다. 이 때 금형틀(11)의 내반경은 제1단계에서 사용되는 금형틀(1)의 내반경보다 0.05 내지 0.5mm 크게 확장된 것이며 하코아(14)의 외반경은 제1단계에서 사용되는 상코아(7) 및 하코아(4)의 외반경보다 0 내지 0.05mm 축소된 것으로 구비된다. 따라서 제2단계에서 사용되는 성형장치와 제2단계에서 사용되는 성형장치를 비교할 때 제2단계의 성형장치가 금형틀(11)의 내경이 확장되고 하코아(14)의 외경이 줄어들므로 1차 성형체(9, 10)가 성형장치에 용이하게 장입될 수 있는 것이다. 금형틀(11)에 복수개의 1차 성형체(9, 10)가 적층되면 상펀치(12)와 하펀치(13)를 이용하여 복수개의 1차 성형체(9, 10)가 하나의 2차 성형체(15)가 되도록 가압한다.
제3단계는 2차 성형체(15)를 소결하여 래디얼 이방성 소결자석을 제조하는 것이다. 이 때 소결온도는 일반적인 래디얼 이방성 소결자석의 소결온도인 1000 내지 1150℃인 것이 바람직하다.
도 1은 종래기술에 따른 원통형 래디얼 이방성 소결자석을 제조하기 위한 성형장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 자장 성형 단계에서 금형틀 안의 자기장의 세기에 대한 자석분말의 이방화율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법을 순차적으로 나타내는 개념도이다.
Claims (7)
- 이방성 자석분말을 방사형 방향으로 자장 성형하여 이방화율이 높은 1차 성형체를 복수개 성형하는 제1단계와;상기 복수의 1차 성형체들이 금형틀의 길이 방향으로 적층된 2차 성형체를 성형하는 제2단계와;상기 2차 성형체를 소결하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 이방성 자석분말은 R-Fe-B 계를 주체로 하고, 상기 자석분말은 코아를 중심으로 방사형 방향으로 자장이 발생되는 금형틀과 코아에 자장을 가하여 성형됨을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 R는 Nd를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 제1단계에서 자석분말에 자장을 가할 때 전자석을 이용하는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 제2단계에서 사용되는 금형틀의 내반경은 상기 제1단계에서 사용되는 금형틀의 내반경보다 0.05mm 내지 0.5mm 크게 구비되고, 상기 제2단계에서 사용되는 하코어의 외반경은 상기 제1단계에서 사용되는 상코어 및 하코어의 외반경보다 0 내지 0.05mm 작게 구비되는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 2차 성형체가 상기 1차 성형체 보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 1차 성형체의 밀도는 3.5~4.2 g/cm3이고, 상기 2차 성형체의 밀도는 3.6~4.3 g/cm3 인 것을 특징으로 하는 원통형 래디얼 이방성 소결자석의 제조방법.
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