희토류원소, 희토류전이금속자석, 희토류-철-붕소계영구자석재료

희토류원소[rare earth element]

주기율표 3A족의 제6주기에 란탄이 있다(57La). 좌상(左上)의 숫자는 원자번호라고 하고 수소에서 시작하여 원자질량 순(順)으로 나란히 57번째의 원소를 나타내고 있다.

 

이 57번에서 71번까지의 원소는 란탄, 세륨(58Ce), 프라세오디뮴(59Pr), 네오디뮴(60Nd), 프로메튬(61Pm), 사마륨(62Sm), 유로퓸(63Eu), 가돌리늄(64Gd), 테르븀(65Tb), 디스프로슘(66Dy), 홀뮴(67Ho), 에르븀(68Er), 툴륨(69Tm), 이테르븀(70Yb), 루테튬(71Lu)까지의 15개 있는데, 이들은 성질이 란탄과 매우 흡사하므로 란타노이드라고 불리운다.

 

여기에 제4 및 제5주기의 스칸듐(21Sc)과 이트륨(39Y)을 첨가한 17원소를 희토류원소라고 한다. 모나자이트나 파스테나사이트, 제노타임 등의 광석 속에 들어 있고, 물에 녹으면 모두 3가의 이온으로 되고 화학적성질이 비슷하므로 구별할 수 없다. 또 모두 금속이다.

 

화학적성질이 비슷한 이유는 원자의 가장 외측의 전자궤도 구조가 비슷하기 때문이다. 원자번호가 증가하는 것은 원자핵의 양성자(양전하) 수가 순차 증대하는 경우로서 같은 수 만큼의 전자를 그 주위에 가진다.

 

전자는 순차 에너지가 낮은 궤도에서 채워지고, 제6주기의 란탄은 O 궤도의 5d 부궤도에 3개의 전자를 가지고 있다. 이 원자구조는 하나 아래인 N궤도의 4f 부궤도에 14개의 구멍이 있어 전자를 들어가게 할 수 있다.

 

다음의 세륨에서 루테튬까지 14개의 원소는 이 4f 부궤도에 전자를 1개씩 넣어간다. 이 때문에 가장 외측의 5d 부궤도에는 항상 3개의 전자가 있는 구조가 되어 화학적성질이 비슷하다.

 

전자가 4f 부궤도에 모두 채워져 있으면 다음 전자는 5d 부궤도에 들어가 4A족의 하프늄(72Hf)이 된다. 핵의 양전하의 증가에 따라 내측 궤도에 전자가 증가하면 원자반지름은 약간 작게 된다.

이것을 란타니드수축이라고 부른다. 이 때문에 희토류이온과 산소이온 사이의 인력은 원자번호 순으로 커지게 되고 산화물이나 수산화물은 보다 안정하게 된다.

 

세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 테르븀, 디스프로슘의 5개는 최대전자가수 4까지 바뀔 수 있고 4A족과 비슷한 성질을 가지고 있다. 사마륨, 유로퓸, 이테르븀은 2가를 취할 수 있다. 그 때문에 성질은 조금씩 차이가 있는데, 이것을 이용하여 이온교환수지크라마토그래피법으로 분리할 수 있다.

희토류원소의 성질은 서로 달라지고 있다. 녹는점은 세륨의 795℃에서 루테늄의 1652℃까지 있고, 밀도는 실온에서 유로퓸의 5.25g/cm3에서 루테튬의 9.84g/cm3까지 변한다.

 

결정구조는 주로 육방최밀격자이지만 면심입방격자나 체심입방격자도 있고 물리적․기계적성질은 다양하다. 모나자이트를 원료로 희토류의 염화물을 식염 등에 녹이고 전기분해하여 얻은 금속은 미슈메탈이라고 하여 희토류금속의 혼합물이다.

 

미슈메탈에 철을 25～30% 첨가한 합금은 라이터 돌에 쓰이고 있는 것 외에 주철에 미슈메탈을 소량 첨가하면 주철 속의 흑연이 구상화(球狀化)하고 분산되어 취약함이 개선된다. 이 효과는 마그네슘이나 칼슘에서도 일어난다.

 

전열기의 니크롬선 등의 내열합금은 표면에 보호성이 우수한 산화물피막을 형성하는 것이 중요하고, 희토류원소는 그 밀착성을 높이기 위해 합금에 미량 첨가된다.

 

란탈에서 사마륨까지의 원소는 철이나 코발트와 금속간화합물을 형성하고 이들의 스핀이 강자성적으로 결합한다.

 

가돌리늄, 유로퓸, 사마륨, 디스프로슘, 폴로늄, 에르븀은 열중성자를 흡수하는 비율이 크기 때문에 원자로의 제어봉 재료에 쓰이고 있다.

 

희토류원소는 이름에 적합하지 않는 지각 속에 많이 있고, 세륨은 주석 또는 아연, 납보다 많고 최소의 원소 툴륨에도 은보다 많다.

 

희토류전이금속자석[rare earth magnet]

사마륨(Sm)이나 네오디뮴(Nd) 등의 희토류원소인 4f전자에 의한 자기적성질과 철, 코발트 등의 전이금속인 3d 전자에 의한 자기적성질을 잘 조합시킨 강력한 금속간화합물 타입의 자석.

 

자력이 세고 철의 산화물로 만든 페라이트자석의 약1/10 체적으로 같은 작용을 하므로, AV기기나 컴퓨터기기의 소형모터에 수요가 많고 전자기기의 경박단소화(輕薄短小化)에 기여하고 있다.

 

최근은 포켓벨의 진동용모터나 휴대전화의 스피커, 마이크로폰에도 쓰이고 있다. 이 밖에 핵자기공명의 원리를 의료에 응용한 보급타입의 자기공명단층촬영장치(MRI)의 자기장발생장치에도 대량 쓰이고 있다.

 

희토류전이금속자석재료의 계보는 1965년에 미국에서 발견된 2원계 금속간화합물의 사마륨-코발트자석에 시작되고, 1985년에 미국과 일본에서 발표된 3원계 금속간화합물의 네오디뮴-철-보론자석을 거쳐 1990년에 아일랜드에서 발표된 사마륨-철-질소자석에 이르고 있다.

더욱이 이들 주변에는 다른 희토류원소나 전이금속원소 등을 첨가하여 내열성이나 내부식성 등 실용성을 높인 희토류전이금속자석재료가 수 없이 탄생하고 있다.

 

희토류자석의 제조방법에는 2개로 대별된다. 하나는 고주파유도로를 이용하여 자석 조성의 합금을 용해하고 2～4μm지름에 분쇄한 후 자기장을 걸면서 프레스하고 1000～1200℃에서 소결하는 방법.

또 하나는 자석 조성의 급냉응고분말을 만들어 수지와 혼합시켜서 사출성형기를 사용하여 성형하는 방법. 어느 방법에 있어서도 희토류전이금속 분말의 산화방지대책이 고려된다.

 

자석재료에 우선 요구되는 물리적성질은 다음 세가지가 있다.

① 자속밀도가 클 것

② 자기이방성이 강할 것

③ 퀴리점이 높을 것.

 

이러한 관점에서 자석을 구성하는 원소인 희토류, 전이금속, 여기에 보론(붕소B)이나 질소 역할을 설명하면 다음과 같이 된다.

 

희토류원소는 보통은 ＋3가의 이온으로 금속간화합물에 짜 넣어져 있다. 1개의 희토류이온이 갖는 자기모멘트라고 불리우는 자기적강도와 희토류원소가 가지고 있는 4f 전자 수의 관계를 그림에 나타내고 있다.

 

철, 코발트, 니켈 등의 전이금속 원자는 금속간화합물 중에서도 금속적원자 집단으로 자기적성질을 발휘하고, 자기모멘트의 크기는 1원자당 철에서 2.2μB, 코발트에서 1.7μB, 니켈에서 0.6μB 정도이다.

 

희토류와 전이금속의 자기모멘트가 가산이 되는 것은 그림에서 Sm(사마륨)까지의 가벼운 희토류원소만이고, 이보다 무거운 희토류원소는 감산이 되는 것으로 알려지고 있다. 따라서 큰 자속밀도는 Pr, Nd, Sm을 채용한 희토류자석에서 실현되고 있다. 또 Ce(세슘)은 ＋4가 되기 쉬우므로 사용되는 경우는 적다.

 

강한 자기이방성은 큰 보자력이 필요조건이다. 희토류전이금속자석에서는 자기이방성의 대부분은 희토류이온의 4f 전자와 주변전자의 전자와의 상호작용에 의한다.

희토류이온의 4f 전자구름의 형태는 그림의 횡축에 나타난 것처럼 구○, 편평 , 종장 의 3종류로 대별되는데, 1축자기이방성이 생기는 것은 구형이 아닌 경우로서 편평(Nd 등), 종장(Sm 등) 어느 것이나 된다. 이것이 사마륨계자석과 네오디뮴계자석의 차이이다.

 

퀴리점이 높은 것은 금속간화합물 중에서 금속적원자 집단으로 행동하는 전이금속에 의해 실현된다.

 

그 효과는 Ni, Fe, Co 순(順)으로 커진다.

 

보론이나 질소는 상기 3조건이 모두 만족되는 결정구조를 만드는 "줄기"의 역할을 한다고 볼 수 있다.

 

희토류-철-붕소계영구자석재료[rare earth iron boron magnet materials]

현재 이 계에서 실용화되고 있는 희토류로는 Nd가 대부분이다(일부에 Pr로 치환된 것, Nd에 Dy가 포함되어 있는 경우도 있다).

 

Nd-Fe-B계의 대표적인 것이 네오막스(住友특수금속)로 지금까지 Sm-Co계뿐이었던 희토류자석에 새롭고 비약적인 강력 자석을 등장시켰다.

 

네오막스는 14% Fe-2%Nd의 조성을 가진 금속간화합물을 주성분으로 하고, 정방정의 자기이방성이 강한 미립자의 집합으로 (BH)max=288kJ /m3이라는 경이적인 영구자석 성능을 가지고 있다.

 

그 후 그러한 자석의 특성도 다시 향상되어 (BH)max=336kJ/m3에 달하고 있다.

또 녹슬기 쉬운 결점을 개선하기 위해 Co나 Ni을 피복하거나 가공성을 갖게 하기 위한 Nd를 Pr로 치환하는 등의 개량이 진행되고 있다.

 

더욱이 최근 각종의 방법으로 연질성 미립자를 혼재시켜서 [교환스프링백특성]을 가지게 하여 양호한 영구자석재료로 한 것이 실용화되고 있다.

 

희토류-코발트자석[rare earth cobalt magnet]

 

희토류원소와 Co로 이루어지는 금속간화합물형 영구자석으로 SmCo3, Sm2Co17이 대표적.

 

문) 상온의 금속(Fe)을 가열 하였을 때 체심입방격자에서 면심입방격자로 변하는 점은?

① A0변태점

② A2변태점정답

③ A3 변태점 

④ A4 변태점

 

A3 변태점(동소변태)
- 결정구조의 변화
- 철의 동소변태점
- ALPHA 철(체심입방격자)에서 GAMMA 철(면심입방격자)로 격자변화가 있는 온도
- 탄소함유량에 따라 변하며 순철의 경우 910 ℃, 탄소함량 0.85%에서 723℃

 

문) 스테인리스강을 조직에 따라 분류할 때의 기준조직이 아닌 것은?
① 페라이트 계 

② 마텐자이트 계
③ 시멘타이트 계 

④ 오스테나이트 계

 

스테인리스는 성분적으로 Cr계와 Cr-Ni계 두 가지로 분류하며 기본적으로 오스테나이트계(SUS 304), 페라
이트계(SUS430), 마텐자이트계(SUS410)의 세 가지가 되며, 강도를 향상시킨 혼합조직인 석출경화계와 내식
성을 향상시킨 2상계(Duplex)두가지를 포함하여 모두 5가지 정도로 구분한다.

 

문) 항온 열처리 방법에 해당하는 것은?
① 뜨임(tempering)
② 어닐링(annealing)
③ 마퀜칭(marquenching)
④ 노멀라이징(normalizing)

 

항온 열처리(Isothermal Heat Treatment)
변태점 이상으로 가열한 강을 보통의 열처리와 같이 연속적으로 냉각하지 않고 염욕중에 담금질하여 그 온도로
일정한 시간 동안 항온 유지하였다가 냉각하는 열처리를 항온 열처리라 함. 담금질과 뜨임을 같이할 수 있고, 담
금질의 균열을 방지할 수 있어 경도와 인성이 동시에 요구되는 공구강, 합금강의 열처리에 사용된다.
마퀜칭(marquenching) : 담금질 온도까지 가열된 강을 Ar"(Ms)점보다 다소 높은 온도의 염욕에 담금질한 후 마텐자이트로 변태를 시켜서 담금질 균열과 변형을 방지하는 방법으로 복잡하고, 변형이 많은 강재에 적합하다.

 

문) 유체 토크컨버터의 주요 구성요소가 아닌 것은?
① 펌프 

② 터빈
③ 스테이터 

④ 릴리프 밸브

 

토크 컨버터는 유체 커플링으로부터 개발되었다. 토크 컨버터의 구조는 유체 커플링에서 펌프와 터빈의 날개를
적당한 각도로 만곡(彎曲)시키고, 유체의 유동방향을 변화시키는 역할을 하는 스테이터(stator)를 추가한 형태
이다. 토크 컨버터는 하우징 내에 펌프, 터빈 및 스테이터가 밀봉되어 있고 동작유체로 채워져 있다.

 

문) 유압장치의 특징으로 적절하지 않은 것은?
① 원격제어가 가능하다.
② 소형장치로 큰 출력을 얻을 수 있다.
③ 먼지나 이물질에 의한 고장의 우려가 있다.
④ 오일에 기포가 섞여 작동이 불량할 수 있다.

 

[유압 장치의 장점]
① 입력에 대한 출력의 응답이 빠르다.
② 시동, 정지, 역전, 변속, 가속 등의 제어가 간단하다.
③ 힘과 속도를 자유로이 변속시킬 수 있다.
④ 무단변속이 가능하다.
⑤ 소형장치로 큰 출력을 얻는다.
⑥ 진동이 적고, 원격조작이 가능하다.
⑦ 신호시에 응답이 빠르고 전기적인 조작이 가능하다.
⑧ 속도 및 방향, 토크 제어가 용이하다.
⑨ 수동 및 자동조작이 가능하다.
⑩ 최대출력 토크의 제한이 용이하다.
⑪ 정, 역회전이 가능하다.
⑫ 각종 제어밸브에 의해 압력, 유량, 방향 등 의 제어
가 간단하다.

 

[유압 장치의 단점]
① 온도의 영향을 쉽게 받는다.

② 작동유의 점도의 변화에 따라 효율이 변한다. 

③ 작동유에 먼지나 이물질이 침입하지 않도록 주의해야 한다. 

④ 화재의 우려가 있는 곳에서 사용은 곤란하다.