네오디뮴-철-붕소 (Nd-Fe-B)는 가장 대표적인 희토류 영구자석 재료입니다. 주요 구성 성분은 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B)이며, 희토류 원소는 약 25~35%, 철은 65~75%, 붕소는 약 1%를 차지합니다. NdFeB는 현재 세계에서 가장 높은 자기 에너지 곱을 가진 영구자석 재료로, "현대 영구자석의 왕"으로 불립니다. 이는 NdFeB 재료가 가장 작은 부피로 동일한 자속을 얻을 수 있음을 의미합니다.
적용 분야: 영구자석 모터, 의료기기, 풍력, 신에너지 자동차 등
NdFeB 자석은 제조 공정에 따라 소결형, 접합형, 열간 압착형으로 구분할 수 있으며, 그 중에서 소결형 NdFeB가 가장 널리 사용됩니다.
제조 공정 개요
소결 NdFeB 영구자석은 본질적으로 분말 야금술을 통해 생산됩니다.
주요 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.
원료 혼합 → 용융 및 스트립 캐스팅 → 수소 분해 → 제트 밀링 → 배향성형 → 소결 및 열처리 → 기계가공 → 표면처리 → 자화
자세한 프로세스 설명
원료 전처리 및 혼합
배치하기 전에 원자재에 이물질, 산화물, 먼지가 없어야 불순물이 최소화됩니다.
필요한 자석 특성에 따라 Nd, Fe, B 및 미량 첨가제(예: Dy, Tb, Co, Al 등)의 비율을 정확하게 계산합니다.
용융/스트립캐스팅
용융은 진공 유도로에서 약 1460°C불활성 가스 보호 하에서 원자재를 합금으로 녹이는 것을 가능하게 합니다.
녹은 합금은 빠르게 회전하는 구리 냉각 롤에 주조되어 얇고 두께가 균일한 급속 담금질 스트립(스트립 주조 리본)을 형성합니다.
이러한 빠른 응고는 α-Fe의 형성을 방지하고 균일한 합금 조성과 높은 결정학적 방향을 보장합니다.
주요 제어 지점
- Fe, Nd 등 고용융점 물질의 완전한 용융을 보장합니다.
- 정확한 합금 구성(휘발 및 산화 손실 방지).
- 합금 균일성이 높습니다.
- 포함물과 가스 오염을 피하세요.
수소 쇠약(HD)
희토류 화합물의 수소 흡수 특성을 이용하여 스트립 캐스트 리본을 수소 환경에 놓습니다.
수소는 Nd가 풍부한 상을 따라 침투하여 팽창과 균열을 일으키고 합금을 거친 분말로 분해합니다.
이것은 수소 분해로에서 수행됩니다. 700~800°C산화를 방지하고 안전을 보장하기 위해 엄격한 관리를 실시합니다.
제어점
- 수소 누출 방지
- 수소 흡수 전 진공 수준
- 수소 흡수 시간
- 탈수소화 온도 및 지속 시간
- 냉각 및 배출 온도
제트밀
HD에서 얻은 거친 분말은 제트 밀로 추가 분쇄됩니다. 고압 가스(예: 질소)는 입자를 초음속으로 가속하고, 입자 간 충돌을 통해 입자 크기를 3~4μm로 줄입니다. 이 공정은 산소 함량을 50ppm 미만으로 유지하기 위해 불활성 분위기에서 수행됩니다.
의 장점 제트밀링
- 자체 충돌 밀링 → 오염 없음
- 낮은 발열량과 낮은 내부응력
- 불활성가스 보호 → 산화 방지
- 훌륭한 입자 크기 분포
소결 및 열처리
소결은 진공로에서 수행됩니다. 1000~1100°C압축된 분말을 고밀도화하고 Nd₂Fe₁₄B 주상을 형성합니다. 입자 결합을 촉진하고 기공을 제거하며 입자 성장을 방지하기 위해서는 정밀한 가열 곡선과 유지 시간이 필요합니다.
소결의 세 가지 핵심 요소
- 진공 레벨
- 소결 온도
- 보류 시간
중요 고려 사항
- 로실의 온도 균일성
- 온도 안정성
- 온도 측정 지연
열처리
소결 후 일반적으로 2단계의 강화 공정이 사용됩니다.
- 1단계: ~900°C ± 50°C
- 2단계: 480~560°C
템퍼링은 결정립계 구조를 최적화하고, 내부 응력을 해소하며, 보자력과 열 안정성을 크게 향상시킵니다.
기계 가공
소결 블록은 지정된 치수로 기계 가공(절단, 연삭, 드릴링 등)됩니다.
NdFeB는 단단하고 부서지기 쉽기 때문에 특수 기계(와이어 절단, 표면 연삭기)가 필요합니다.
균열이나 깨짐을 방지하기 위해 냉각을 제어해야 합니다.
일반적인 처리 방법은 다음과 같습니다.
- 연마
- 슬라이싱
- 와이어 방전 가공
- 드릴링 및 카운터싱킹
- 챔퍼링
- 전기 도금 공정
자화 및 패키징
자화는 자화기를 사용하여 강한 자기장(종종 포화 자기화를 초과함)을 적용하여 자석에 필요한 극 패턴을 부여함으로써 수행됩니다.
포장은 자기 간섭, 진동 또는 파손을 방지해야 합니다.
강력한 자석은 특별히 격리해야 하며, 일반적으로 해상이나 육로 운송이 선호됩니다.
기술 혁신 및 동향
곡물 경계 확산(GBD)
결정립계 확산은 고성능 NdFeB 자석을 생산하는 데 중요한 기술입니다.
에 의해 코팅 자석 표면을 무거운 희토류 함유 화합물(Dy/Tb)로 코팅하고 진공 상태에서 열처리하면 무거운 희토류 원자가 결정립계를 따라 확산되어 Nd₂Fe₁₄B 결정립 주위에 껍질 층을 형성합니다.
이익:
- 보자력은 다음과 같이 증가합니다. 8–11kOe
- 온도 안정성이 크게 향상됩니다
- 잔류 자기는 약간만 감소합니다.
- 희토류의 대량 사용 감소 30–70% (0.05–4 wt%)
- 낮은 재료비
일반적인 GBD 방법:
- 표면코팅
- 마그네트론 스퍼터링
- 기상 증착 확산
열변형 기술
다음을 포함한 이방성 NdFeB 자석의 첨단 제조:
열간 압착(550~750°C, 50~300MPa)
급속히 냉각된 분말을 진공 열간 압착하여 프리폼으로 만듭니다.
열간 변형(600~750°C, 20~100MPa)
50–80% 변형을 달성하여 고도로 지향된 미세 구조와 뛰어난 자기 성능을 구현합니다.
개발 동향
산업계는 자원 절약 및 비용 절감 기술을 향해 나아가고 있으며, 희소하고 값비싼 중희토류(Dy, Tb)에 대한 의존도를 줄이는 데 중점을 두고 있습니다.
접근 방식은 다음과 같습니다.
- Dy/Tb 사용량 감소를 위한 입계 확산
- 풍부한 Ce/La로 부분 대체
- Mo와 같은 원소를 사용하여 결정립 경계를 최적화합니다.
예를 들어, "몰리브덴 박스 기술"은 Mo가 풍부한 나노 확산층을 생성하여 Tb 기반 방법보다 훨씬 낮은 비용으로 보자력과 내열성을 향상시킵니다.
이러한 혁신을 통해 NdFeB 소재는 고성능, 저비용, 친환경 제조 방식으로 전환되어 전략적으로 중요한 중희토류 자원에 대한 압박이 완화되었습니다.
응용 프로그램 전망
NdFeB 영구자석s는 광대한 시장 전망을 가지고 있습니다.
수요는 기존 전자제품 및 산업용 모터에서 다음과 같은 전략적 신흥 분야로 계속해서 증가하고 있습니다.
- 신에너지 차량
- 인간형 로봇공학
- 저고도 항공
성능과 신뢰성에 대한 요구가 증가함에 따라 고성능, 고일관성, 고부가가치 NdFeB 자석이 시장 성장을 주도하고 재료 및 가공 기술의 혁신을 더욱 촉진할 것입니다.
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— 게시자 에밀리 첸