NdFeB 자석 만드는 방법

네오디뮴 자석은 어떻게 만들어지나요?

소결 네오디뮴 자석은 원료를 진공 또는 불활성 분위기에서 유도 용해로에 녹인 다음, 스트립 주조기로 가공하고 냉각하여 Nd-Fe-B 합금 스트립을 형성함으로써 제조됩니다. 합금 스트립은 직경 수 마이크론의 미세 분말로 분쇄됩니다. 이 미세 분말은 이후 배향 자기장 내에서 압축되고 소결되어 조밀한 몸체를 이룹니다. 이 몸체는 특정 모양으로 가공되고 표면 처리 및 자화됩니다.

계량

적합한 원료의 계량은 자석 조성의 정확도와 직접적으로 관련됩니다. 원료의 순도와 화학 조성의 안정성은 제품 품질의 기본입니다. 소결 네오디뮴 자석은 일반적으로 비용 절감을 위해 프라세오디뮴-네오디뮴 Pr-Nd 혼합금속, 란탄-세륨 La-Ce 혼합금속 및 디스프로슘 철 Dy-Fe 합금과 같은 희토류 합금을 재료로 선택합니다. 고융점 원소인 붕소, 몰리브데넘, 또는 니오븀은 페로 합금 방식으로 첨가됩니다. 원료 표면의 녹 층, 불순물, 산화물 및 오염 물질은 마이크로블라스팅 기계로 제거해야 합니다. 또한, 원료는 후속 용융 공정의 효율성을 높이기 위해 적절한 크기여야 합니다. 네오디뮴은 낮은 증기압과 활성 화학적 특성을 가지므로, 희토류 금속은 용융 공정 중에 어느 정도 휘발성 손실 및 산화 손실이 발생합니다. 따라서 소결 네오디뮴 자석의 계량 공정은 자석 조성의 정확도를 보장하기 위해 추가적인 희토류 금속을 첨가하는 것을 고려해야 합니다.

용융 및 스트립 주조

용융 및 스트립 주조는 조성, 결정 상태 및 상의 분포에 매우 중요하며, 이는 후속 공정 및 자기 성능에 영향을 미칩니다. 원료는 진공 또는 불활성 분위기에서 중주파 및 저주파 유도 용해를 통해 용융 상태로 가열됩니다. 합금 용융물이 균질화, 탈기 및 슬래그 제거를 완료하면 주조를 진행할 수 있습니다. 우수한 주조 주괴 미세 구조는 잘 성장하고 미세한 주상 결정을 가져야 하며, Nd-풍부상은 결정립계를 따라 분포해야 합니다. 또한, 주조 주괴 미세 구조는 α-Fe 상이 없어야 합니다. Re-Fe 상태도는 희토류 3원 합금이 서서히 냉각되는 동안 α-Fe 상을 불가피하게 생성함을 나타냅니다. 실온에서의 α-Fe 상의 연자기 특성은 자석의 자기 성능을 심각하게 손상시키므로 급속 냉각을 통해 억제되어야 합니다. α-Fe 상의 생성을 억제하기 위해 원하는 급속 냉각 효과를 만족시키기 위해, Showa Denko K.K.는 스트립 주조 기술을 개발했고 곧 업계의 일상적인 기술이 되었습니다. Nd-풍부상의 균일한 분포와 α-Fe 상에 대한 억제 효과는 희토류의 전체 함량을 효과적으로 줄일 수 있어 고성능 자석 제조 및 비용 절감에 유리합니다.

수소 분해

희토류 금속, 합금 또는 금속간 화합물의 수소화 거동 및 수소화물의 물리화학적 특성은 항상 희토류 응용의 중요한 문제였습니다. Nd-Fe-B 합금 주괴 또한 매우 강한 수소화 경향을 보입니다. 수소 원자는 금속간 화합물 주상과 Nd-풍부 결정립계 상 사이의 틈새 자리에 들어가 틈새 화합물을 형성합니다. 그러면 원자간 거리가 증가하고 격자 부피가 팽창합니다. 그 결과 발생하는 내부 응력은 결정립계 균열(입계 파괴), 결정 파괴(결정관 파괴) 또는 연성 파괴를 일으킵니다. 이러한 분해는 굉음과 함께 발생하므로 수소 분해(hydrogen decrepitation)라고 알려져 있습니다. 소결 네오디뮴 자석의 수소 분해 공정은 HD 공정이라고도 합니다. 수소 분해 공정에서 발생하는 결정립계 균열 및 결정 파괴는 NdFeB 거친 분말을 매우 취약하게 만들고 후속 제트 밀링 공정에 매우 유리합니다. 제트 밀링 공정의 효율성을 높이는 것 외에도, 수소 분해 공정은 미세 분말의 평균 분말 크기를 조정하는 데에도 유리합니다.

제트 밀링

제트 밀링은 분말 공정에서 가장 실용적이고 효율적인 해결책임이 입증되었습니다. 제트 밀링은 고속의 불활성 가스 제트를 활용하여 거친 분말을 초음속으로 가속시키고 분말끼리 서로 충돌시킵니다. 분말 공정의 기본 목적은 적절한 평균 입자 크기와 입자 크기 분포를 찾는 것입니다. 위의 특징들의 차이는 거시적 규모에서 다른 특성을 보여주며, 이는 분말 충전, 배향, 압축, 탈형 및 소결 공정에서 생성되는 미세 구조에 직접적으로 영향을 미치고, 따라서 소결 네오디뮴 자석의 자기 성능, 기계적 특성, 열전기 및 화학적 안정성에 민감하게 영향을 미칩니다. 이상적인 미세 구조는 매끄럽고 얇은 추가 상으로 둘러싸인 미세하고 균일한 주상 결정립입니다. 또한, 주상 결정립의 쉬운 자화 방향은 배향 방향과 가능한 한 일치하도록 배열되어야 합니다. 공극, 큰 결정립 또는 연자기 상은 고유 보자력의 상당한 감소를 초래합니다. 결정립의 쉬운 자화 방향이 배향 방향에서 벗어나면 잔류 자기 및 감자 곡선의 각형도가 동시에 감소합니다. 따라서 합금은 직경 3~5 마이크론 범위의 단결정 입자로 분쇄되어야 합니다.

압축

자기장 배향 압축은 자성 분말과 외부 자기장 사이의 상호 작용을 활용하여 분말을 쉬운 자화 방향을 따라 정렬시키고 최종 자화 방향과 일치시키는 것을 의미합니다. 자기장 배향 압축은 이방성 자석을 제조하는 가장 일반적인 방법입니다. Nd-Fe-B 합금은 이전 제트 밀링 공정에서 단결정 입자로 분쇄되었습니다. 단결정 입자는 단축 이방성(uniaxial anisotropy)이며 각각 단 하나의 쉬운 자화 방향을 가집니다. 자성 분말은 금형에 느슨하게 채워진 후 외부 자기장의 작용 하에 다영역(multi-domain)에서 단일 영역(single-domain)으로 변환된 다음, 회전 또는 이동을 통해 쉬운 자화 방향인 c-축을 외부 자기장 방향과 일치하도록 조정합니다. 합금 분말의 c-축은 압축 공정 중에도 기본적으로 그 배열 상태를 유지합니다. 압축된 부품은 탈형 전에 탈자 처리를 진행해야 합니다. 압축 공정의 가장 중요한 지표는 배향도입니다. 소결 네오디뮴 자석의 배향도는 배향 자기장 강도, 입자 크기, 겉보기 밀도, 압축 방법, 압축 압력 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다.

소결

압축된 부품의 밀도는 고진공 또는 순수 불활성 분위기 하에서 소결 공정을 거친 후 이론 밀도의 95% 이상을 달성할 수 있습니다. 따라서 소결 네오디뮴 자석의 공극이 닫혀 자속 밀도의 균일성과 화학적 안정성이 보장됩니다. 소결 네오디뮴 자석의 영구 자석 특성은 자체 미세 구조와 밀접하게 관련되어 있으므로, 소결 공정 후의 열처리는 자기 성능, 특히 고유 보자력의 조절에 매우 중요합니다. Nd-풍부 결정립계 상은 소결 반응을 촉진하고 주상 결정립의 표면 결함을 복원할 수 있는 액상 역할을 합니다. 네오디뮴 자석의 소결 온도는 일반적으로 섭씨 1050도에서 1180도 사이입니다. 온도가 너무 높으면 결정립 성장을 초래하고 고유 보자력을 감소시킵니다. 이상적인 고유 보자력, 감자 곡선의 각형도, 그리고 고온 비가역 손실을 얻기 위해, 소결 네오디뮴 자석은 보통 섭씨 900도와 500도에서 2단계 템퍼링 열처리를 진행해야 합니다.

기계 가공

적당한 크기의 일반적인 모양 외에도, 소결 네오디뮴 자석은 자기장 배향 압축 공정의 기술적 한계로 인해 필요한 모양과 치수 정확도를 한 번에 직접 달성하기 어렵습니다. 따라서 가공은 소결 네오디뮴 자석에 필수적인 공정입니다. 전형적인 서멧 재료로서, 소결 네오디뮴 자석은 상당히 단단하고 부서지기 쉬우므로, 일반적인 가공 기술 중에서 절단, 드릴링 및 연삭만이 그 가공 공정에 적용 가능합니다. 블레이드 절단은 일반적으로 다이아몬드 코팅 또는 CBN 코팅 블레이드를 활용합니다. 와이어 절단 및 레이저 절단은 특수 모양 자석의 가공에 매우 적합하지만, 동시에 낮은 생산 효율성과 높은 가공 비용이 단점입니다. 소결 네오디뮴 자석의 드릴링 공정은 주로 다이아몬드와 레이저를 채택합니다. 링 자석의 내경이 4mm보다 클 때는 코어 절단(trepanning) 공정을 선택해야 합니다. 코어 절단 공정의 부산물인 절단된 코어는 다른 적합한 더 작은 자석을 제조하는 데 사용될 수 있으므로 재료 활용률을 크게 높일 수 있습니다. 복사 연삭용 연삭 휠은 연삭 표면을 기반으로 생산됩니다.