네오디뮴 자석은 어떻게 만들어 집니까? 제조 공정에 대한 단계별 가이드

네오디뮴자석은 네오디뮴, 철, 붕소(Nd2Fe₁₄B)의 정밀한 합금을 치밀하게 소결한 자성블록으로 변환한 후 가공, 코팅, 자화시키는 분말야금 공정을 통해 만들어집니다. 원광석부터 완성된 자석까지 전체 공정에는 8개의 별도 제조 단계가 포함되며 각 단계는 세계에서 가장 강력한 영구 자석 성능을 달성하기 위해 엄격한 온도 및 대기 제어가 필요합니다.

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이 가이드에서는 모든 단계를 설명합니다. 네오디뮴 자석이 만들어지는 과정 , 각 단계가 중요한 이유, 다양한 등급을 비교하는 방법, 모터, 센서, 스피커, 풍력 터빈 및 의료 기기에 대한 중요한 구성 요소를 소싱할 때 엔지니어와 구매자가 알아야 할 사항이 무엇인지 알아보세요.

네오디뮴 자석을 만드는 데 어떤 원료가 사용됩니까?

세 가지 기본 요소는 모든 네오디뮴 자석의 기초를 형성합니다. 네오디뮴(희토류 금속), 철, 붕소는 금속간 화합물 Nd₂Fe₁₄B로 결합됩니다. 정확한 원소 비율을 얻는 것은 협상할 수 없습니다. 네오디뮴 함량이 1%만 벗어나도 자석의 최대 에너지 곱(BHmax)이 5~10% 정도 바뀔 수 있습니다.

핵심 합금 요소

• 네오디뮴(Nd) — 일반적으로 중량 기준으로 29~32%; 주로 바스트네사이트(bastnäsite) 및 모나자이트(monazite) 광석에서 공급됩니다. 단단한 자기 단계를 제공합니다
• 철(Fe) — 64~66중량%; 높은 포화 자화를 제공하고 합금의 구조적 매트릭스를 형성합니다.
• 붕소(B) - 약 1중량%; 높은 보자력에 필수적인 정방정계 결정 구조를 안정화합니다.

성능 향상 첨가제

고급 네오디뮴 자석은 희토류 원소와 전이 금속을 추가로 포함하여 고온 보자력과 내식성을 향상시킵니다.

• 디스프로슘(Dy) / 테르븀(Tb) - 고온에서 보자력을 높이기 위해 0.5~5% 추가; 120°C 이상에서 작동하는 EV 모터 자석에 매우 중요
• 코발트(Co) — 퀴리 온도를 향상시키고 자기 출력의 온도 민감도를 줄입니다.
• 알루미늄(Al), 구리(Cu), 갈륨(Ga) — 소결 다공성을 감소시키고 내식성을 향상시키는 결정립계 엔지니어링 첨가제
• 프라세오디뮴(Pr) — 종종 네오디뮴 함량의 일부("NdPr 합금" 형성)를 대체하여 상당한 성능 저하 없이 비용을 절감합니다.

네오디뮴 자석은 어떻게 만들어 집니까? 8단계 제조 공정

네오디뮴 자석 제조는 합금 용해, 스트립 주조, 수소 분해, 제트 밀링, 프레싱, 소결, 기계 가공, 표면 코팅, 최종 자화 등 8가지 제어 단계로 구성된 소결 분말 야금 경로를 따릅니다.

1단계 — 합금 용해 및 스트립 주조

정밀하게 계량된 원료를 진공유도로에서 1,350°C 및 1,450°C . 진공 환경(0.1 Pa 미만의 압력)은 반응성 네오디뮴 함량의 산화를 방지합니다. 용융된 합금은 다음을 사용하여 빠르게 응고됩니다. 스트립 캐스팅 기술 : 용융물을 수냉식 회전 구리 롤러에 붓고 미세하고 균질한 미세 구조를 가진 얇은 플레이크(두께 0.2~0.4mm)를 생성합니다.

스트립 주조는 알파철(α-Fe) 자유상 형성을 80% 이상 감소시켜 완성된 자석의 잔류성을 직접적으로 높이기 때문에 기존의 북 몰드 주조를 대체했습니다. 10³–10⁴ °C/초의 냉각 속도가 달성되어 원하는 Nd₂Fe₁₄B 입자 구조가 고정됩니다.

2단계 — 수소 감소(HD)

주조 합금 플레이크는 200~300°C에서 수소 가스에 노출되어 재료가 수소를 흡수하고 자발적으로 거친 분말로 부서집니다. - 수소 감소라고 불리는 과정. Nd가 풍부한 결정립계 상은 수소를 우선적으로 흡수하여 결정립계를 따라 선택적인 취성 균열을 유발합니다.

이 단계는 기계적 분쇄로 인해 발생하는 오염이나 열을 발생시키지 않고 부서지기 쉬운 합금을 안전하게 분해하기 때문에 중요합니다. 생성된 HD 분말은 입자 크기가 100~500μm로 미세 분쇄가 가능합니다.

3단계 - 제트 밀링

HD 분말은 고속 질소 또는 아르곤 가스 흐름이 입자를 초음속으로 가속시키는 제트밀에 공급되어 물질을 평균 입자 크기 3~5μm로 분쇄하는 입자 간 충돌을 일으킵니다.

입자 크기 분포는 최종 자석의 단일 도메인 입자 수를 결정하고 보자력(Hcj)은 단일 도메인 입자 밀도에 따라 직접적으로 확장되므로 엄격하게 제어됩니다. 대형 입자(>10 µm)는 여러 자구를 포함하고 보자력을 감소시킵니다. 작은 입자(<1 µm)는 반응성이 너무 커서 쉽게 산화됩니다. 밀링 분위기의 산소 함량은 네오디뮴이 풍부한 분말의 표면 산화를 방지하기 위해 50ppm 미만으로 유지됩니다.

4단계 - 자기장 압착(방향 및 압축)

미세한 분말은 1.5-2.5 Tesla의 강력한 자기장 내에서 녹색 압축물로 압축됩니다. 이는 각 분말 입자의 c축을 자기장 방향과 평행하게 정렬하여 네오디뮴 자석에 탁월한 성능을 제공하는 이방성 방향으로 고정됩니다.

두 가지 압착 방법이 사용됩니다:

• 자기장(축 방향 또는 가로 방향)에서 다이 프레싱 - 가장 일반적이다. 100-200 MPa 압축 압력을 적용합니다. 거의 그물 모양의 블록이나 디스크를 생산합니다.
• 등압성형(Wet-bag CIP) - 슬러리에 현탁된 분말은 200-300 MPa에서 등방적으로 압축됩니다. 복잡한 모양에 대해 더 높은 그린 밀도와 더 나은 방향 균일성을 달성합니다.

이 단계의 압분체는 이론 밀도인 7.5g/cm3보다 훨씬 낮은 약 3.5~4.0g/cm3의 밀도를 가지며 기계적으로 취약합니다. 소결하기 전에 산화를 방지하기 위해 불활성 분위기에서 처리해야 합니다.

5단계 — 진공 소결 및 어닐링

소결은 가장 중요한 열 단계입니다. 압분체는 진공로에서 2~5시간 동안 1,050~1,100°C로 가열되어 이론적 밀도의 99% 이상으로 치밀화되는 액상 소결이 이루어집니다.

소결 중에 Nd가 풍부한 액체상(융점 ~665°C)이 입자 경계를 적시고 모세관 현상에 의해 입자를 끌어당깁니다. 이러한 치밀화는 입자 간 다공성을 제거하고 얇고 연속적인 Nd가 풍부한 입자 경계상으로 둘러싸인 Nd2Fe₁₄B 입자(평균 직경 5~10μm)의 미세 구조를 생성합니다. 이 구조는 높은 보자력을 가능하게 합니다.

소결 후 부품은 2단계 어닐링 처리를 거칩니다. 먼저 900°C에서 1~2시간 동안, 그 다음 500~600°C에서 1~3시간 동안 처리합니다. 저온 어닐링은 결정립계 구성을 최적화하여 소결된 부품에 비해 보자력을 10~20% 증가시킵니다.

6단계 - 가공 및 슬라이싱

소결 네오디뮴 자석 블록은 매우 단단하고(비커스 경도 ~570HV) 부서지기 쉬우므로 모든 성형은 기존 가공이 아닌 다이아몬드 연삭, 와이어 EDM 또는 다중 와이어 슬라이싱으로 수행됩니다.

냉각수 블록에서 작동하는 다이아몬드 코팅 슬라이싱 휠은 정밀 등급에서 ±0.05mm의 공차를 갖는 디스크, 세그먼트, 호 또는 맞춤형 프로파일로 블록을 절단합니다. 절단하면 미세한 자분진이 발생하여 수집 및 재활용됩니다. 코팅 및 조립 중 치핑 위험을 줄이기 위해 가장자리를 모따기했습니다.

7단계 — 표면 코팅 및 부식 방지

노출되지 않은 네오디뮴 자석은 주변 조건에서 빠르게 부식됩니다. Nd가 풍부한 입자 경계상은 수분 및 산소와 반응하여 며칠 내에 표면이 부서집니다. 따라서 완성된 모든 자석은 적어도 하나의 보호 코팅을 받습니다.

표 1: 네오디뮴 자석 표면 코팅의 두께, 내식성, 작동 온도 및 적용 적합성 비교.

8단계 - 자화

네오디뮴 자석은 최종 제조 단계에서 코팅된 부품을 자석의 보자력보다 훨씬 높은 3~5테슬라의 펄스 자기장에 가하여 자화됩니다. 이는 모든 자기 영역을 의도한 방향과 평행하게 정렬합니다.

강하게 자화된 부품은 철 잔해를 끌어당기고 생산 환경에서 취급하기 위험하기 때문에 자화는 마지막으로(가공 및 코팅 후) 수행됩니다. 커패시터 방전 자화기는 특정 자석 모양에 맞게 설계된 맞춤형 코일 고정 장치를 통해 밀리초 지속 시간의 펄스를 전달합니다. 부분 자화(예: 링 자석의 다중극 패턴)는 세그먼트 코일 어레이를 사용하여 달성됩니다.

어떤 네오디뮴 자석 등급을 사용할 수 있으며 어떻게 다릅니까?

네오디뮴 자석 등급은 최대 에너지 곱(MGOe의 BHmax)과 고온 보자력 성능을 나타내는 문자 접미사로 지정됩니다. 표준(접미사 없음)부터 H, SH, UH, EH를 거쳐 열적으로 가장 안정적인 등급인 AH까지 다양합니다.

표 2: 에너지 제품, 잔류성, 최대 작동 온도, 무거운 희토류 함량 및 용도별 네오디뮴 자석 등급 비교.

소결 네오디뮴 자석은 보세 네오디뮴 자석과 어떻게 비교됩니까?

소결 네오디뮴 자석은 접착 등급의 자기 에너지 곱의 최대 3배를 제공하지만 단순한 형상으로 제한됩니다. 본드 자석은 가공 낭비가 없는 복잡한 그물 모양 부품 대신 자기 성능을 희생합니다.

접착 네오디뮴 자석은 빠르게 냉각된 NdFeB 분말(입자 크기 50~200μm)을 폴리머 바인더(일반적으로 나일론, PPS 또는 에폭시)와 혼합하고 혼합물을 압축 성형 또는 사출 성형하여 최종 형태로 생산됩니다. 분말이 무작위 방향(등방성)으로 지정되어 있기 때문에 BHmax 값은 이방성 소결 등급의 경우 35~52 MGOe에 비해 8~12 MGOe에 불과합니다.

표 3: 주요 성능 및 제조 특성 전반에 걸쳐 소결 네오디뮴 자석과 결합 네오디뮴 자석을 직접 비교합니다.

네오디뮴 자석 생산에서 품질 관리가 왜 그렇게 중요한가요?

사양을 벗어난 네오디뮴 자석의 단일 배치는 현장에서 모터 감자기를 유발할 수 있으며 보증 청구 및 조립 재작업에서 자석 자체보다 10~100배 더 많은 비용이 들므로 엄격한 품질 관리가 제조 공정에서 상업적으로 가장 중요한 측면입니다.

모든 생산 로트에서 수행되는 표준 품질 관리 테스트에는 다음이 포함됩니다.

• 자기 특성 테스트(BH 곡선) — IEC 60404-5/MMPA 표준에 따른 Br, Hcb, Hcj 및 BHmax의 히스테리시스 그래프 측정
• 치수검사 — 도면 공차에 대한 CMM 또는 광학 비교기 검증(일반적으로 소결 등급의 경우 ±0.05mm)
• 염수 분무 시험(ASTM B117) — 35°C, 5% NaCl 분위기에서 코팅의 내식성이 확인되었습니다.
• 코팅 접착력(크로스컷 테스트, ISO 2409) — 기계적 응력 하에서 코팅 무결성 보장
• 고온 노화 시험 - 자석은 정격 최대 온도에서 100시간 동안 유지됩니다. 자속 손실은 5% 미만으로 유지되어야 합니다.
• XRF / ICP 화학 분석 — 지정된 희토류 함량의 ±0.5% 이내에서 합금 구성을 확인합니다.
• 밀도 측정 — 아르키메데스 방법; 7.40g/cm³ 미만의 밀도는 소결 등급에서 허용되지 않는 다공성을 나타냅니다.

오늘날 네오디뮴 자석이 어떻게 만들어지는지 어떤 혁신이 이루어지고 있습니까?

네오디뮴 자석 제조를 재정의하는 세 가지 주요 혁신은 GBD(결정립계 확산) 기술, 무거운 희토류 감소 전략, 자석 어셈블리의 적층 제조입니다.

곡물 경계 확산(GBD)

GBD는 상업적으로 가장 중요한 최근 혁신입니다. 합금 전체에 디스프로슘이나 테르븀을 균일하게 혼합하는 대신 Dy/Tb 불소 또는 산화물 코팅을 자석 표면에 적용한 다음 800~950°C에서 결정립 경계를 따라 확산시킵니다. 무거운 희토류는 곡물 표면에서 정확히 필요한 곳에 농축되어 보자력을 30~50% 높이는 동시에 기존 혼합 방법보다 디스프로슘을 50~70% 적게 사용합니다. 디스프로슘 공급 제약에 직면한 EV 제조업체에게 이러한 개선은 획기적인 변화입니다.

저농도 또는 제로 중희토류 제제

순 제로 디스프로슘 자석을 목표로 하는 연구 프로그램은 입자 미세화를 통해 3μm 미만의 입자 크기로 발전하고 있습니다. 더 미세한 단일 도메인 입자는 최대 120°C의 온도에서 디스프로슘 없이 25kOe 이상의 Hcj 값을 달성할 수 있습니다. 이는 많은 EV 모터 설계에 충분합니다. 소결의 대안인 열간 변형 가공은 입자 크기가 200~400 nm인 나노결정질 미세 구조를 생성하여 기존 소결로는 불가능했던 보자력 값을 가능하게 합니다.

적층 제조 및 접합된 복잡한 형상

NdFeB 폴리머 복합재의 바인더 분사 및 압출 기반 3D 프린팅은 이제 Halbach 어레이, 분할 링, 토폴로지에 최적화된 모터 로터를 포함하여 기존 기계 가공으로는 제조가 불가능한 복잡한 자석 모양을 생성합니다. 현재 자기 에너지 제품은 8~15 MGOe에 불과하지만 이방성 인쇄 자석(인쇄 중 입자를 적용 필드에 정렬)의 지속적인 개발을 통해 향후 5년 내에 20 MGOe 이상의 값을 달성할 것으로 예상됩니다.

FAQ: 네오디뮴 자석 제작 방법

결론

이해 네오디뮴 자석이 만들어지는 과정 - 스트립 캐스팅, 수소 분해, 제트 밀링, 자기장 프레싱, 진공 소결, 기계 가공, 코팅 및 최종 자화를 통한 정밀 합금 화학부터 엔지니어, 조달 팀 및 제품 설계자가 보다 스마트한 소싱 결정을 내리고, 더 나은 사양을 작성하고, 성능 실패 문제를 자신있게 해결할 수 있도록 지원합니다.

제조 공정은 혹독합니다. 밀링 단계의 산소 오염, 소결 중 10°C 편차 또는 작은 코팅 두께는 자석 구매 가격의 몇 배에 해당하는 현장 고장으로 직접적으로 해석될 수 있습니다. 마찬가지로, 입자 경계 확산 및 Dy-lean 제제와 같은 혁신은 달성 가능한 목표를 빠르게 변화시키고 있습니다. 즉, 성능을 유지하거나 개선하는 동시에 공급망 위험을 줄이는 것입니다.

전기 자동차, 풍력 터빈, 로봇 공학 및 의료 기기의 수요가 제조 공정과 재료 과학 모두에서 중희토류 원소의 공급을 계속 앞지르면서 네오디뮴 자석 가까운 미래에도 첨단 제조업 분야에서 가장 전략적으로 중요한 주제로 남을 것입니다.