KR0163247B1 - 비정질 연자성 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자심재료용의 비정질 연자성합금, 특히 비정질형성능과 각형비특성이 양호한 비정질연자성합금에 관한 것이다.

본 발명에서는 특히, 각형비특성을 저해하지 않으면서 B의 조성비를 종래기술에서의 한계치인 9원자%를 상회하여 11∼13원자%까지 포함시키는 것이 가능하여 비정질형성능의 향상을 도모할 수 있는 비정질연자성합금이 제공된다.

Description

비정질 연자성 합금

제1도는 본 발명에 따른 비정질 연자성합금의 B의 조성비에 따른 각형비 특성의 변화를 나타낸 그래프이고,

제2도는 본 발명에 따른 비정질 연자성합금의 B의 조성에 따른 포화자속밀도의 변화를 나타낸 그래프이다.

본발명은 비정질 연자성합금에 관한 것으로, 특히 스위칭전원용 가포화리액터나 노이즈저감 소자인 스파크 킬러등의 자심재료용으로 사용할 수 있는 비정질 형성능과 각형비특성이 양호한 비정질 연자성합금에 관한 것이다.

종래의 이러한 자심재료로는 Fe-Ni을 주성분으로 하는 퍼멀로이(permalloy)가 있었으나 최대사용 주파수가 수십 kHz로 제한되어 스위칭주파수의 증가에 한계가 있었다.

한편, 이러한 퍼멀로이를 대체하여 50kHz의 스위칭주파수에서도 보자력(Hc)이 작고 각형비특성이 양호한 것으로, Co₁-x₁-x₂Fex₁Mx₂)x₃Bx₄Si₁₀₀-x₃-x₄(여기서, M은 Ti, V, Cr등을 비롯한 천이금속원소이고 조성비 x₁, x₂, x₃, x₄은 각각 0x₁ 0.10, 0x₂ 0.10, 70x₃ 79, 5x₄ 9의 관계를 만족하는 수이다.) 로 표시되는 Co계 비정질 자성합금이 대한민국 특허공고번호 제87-63호에 개시되어 있다.

비정질상을 형성하기 위해서는 액상의 용융금속을 빠르게 냉각시키는 기술의 개발과 비정질상의 형성이 용이한 합금의 개발이 이루어져 왔는데 합금설계측면에서는 붕소(B), 인(P), 또는 규소(Si)등의 첨가는 비정질상의 형성을 용이하게 하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 자성합금조성중 B의 함량이 증가할수록 비정질형성능이 증가하게 되는데 한편 B의 다량첨가는 합금의 자기적 성질가운데 각형비특성을 저해하는 요인으로 작용한다고 하여 대한민국 특허공고번호 제87-63호에서는 B의 조성비를 9원자%이하로 한정하고 있어 비정질상을 용이하게 얻기위해서는 용융금속의 냉각속도를 엄격히 관리하여야 한다고 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와같은 종래기술의 문제점을 극복하여 비정질 자성합금의 각형비특성을 저해하지 않으면서 용융금속의 비성질 형성능을 향상시킬 수 있는 합금조성에 관하여 예의 연구를 거듭한 결과 B의 함량이 9.5원자%이상에서 비정질자성합금의 각형비가 오히려 증가한다고 하는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

이와같은 본 발명에 따르면, 기본식(Co₁-x₁-x₂Fex₁Mx₂)x₃Bx₄Si₁₀₀-x₃-x₄로 표시되고, 여기에서 M은 Cr, Ni, Mo, Mn에서 선택된 1종류이상의 원소이고 x₁, x₂, x₃는 각각 0x₁ 0.10, 0x₂ 0.15, 70x₃ 79로 되는 비정질연자성합금에 있어서, B의 조성비 x₄는 11.0x₄ 13.0임을 특징으로 하는 비정질 연자성합금이 제공된다.

본 조성에서 코발트와 철의 구성비는 자왜에 큰 영향을 미치며 특히 코발트와 철의 원자비가 94:6일 때 자왜가 0인 것으로 알려져 있다. 천이 금속원소는 비정질 합금의 열적특성에 관여하여 합금의 큐리온도에 영향을 주는데 합금의 큐리온도는 합금의 결정화온도 보다 낮아야 열처리시에 큐리온도와 결정화온도 사이에서 열처리가 가능하여 유도자기 이방성이 없는 자성을 얻을 수 있다. 규소와 붕소는 합금의 비결정질화에 영향을 주는 원소로 함량이 적을수록 비정질화가 어려워 지므로 비정질상을 얻기 위하여 용융합금이 냉각속도를 빠르게 하여야 한다.

일반적으로 천이금속 원자는 포화자속밀도(saturation induction)를 감소시키지만 결정화온도에는 큰 영향을 주지 않으면서 큐리온도를 낮추기 때문에 위에서 언급한 것과 같이 열처리온도를 큐리온도이상, 결정화온도이하에서 실행하기 위하여 첨가하는 데 첨가량이 15원자%이상이면 포화자속밀도가 낮아져 자성재료로서의 용융이 곤란하다.

제1도는 본 발명의 일조성예에 있어서, B의 함량에 따른 각형비특성을 나타낸 그래프로서, 여기에서 볼수 있듯이 B의 함량이 11∼13원자%일 때 각형비가 90%이상으로 최대가 되고 B의 함량이 11원자%미만 또는 13원자%를 초과할 때는 각형비가 다시 급격히 감소하고 있음을 알 수 있다. 또한 제2도에서 보여주는 바와같이, 본 발명에 따른 합금조성에서는 포화자속밀도가 B의 함량에 직선적으로 반비례하고 15원자%이상 B를 함유한 경우는 포화자속밀도가 0.4T이하로 낮아져 자성재료로서의 용융이 어려워진다. 따라서, 본 발명에 따르면 B의 조성비 x₄를 11.0x₄ 13.0의 범위로 그 함량을 증가시킴으로써 각형비특성을 저해하지 않으면서 비정질형성등을 향상시키는 것이 가능하다.

표1 및 표2는 본 발명에 따는 자성합금의 몇가지 조성예에 관한 직류자성 및 각형비특성을 나타낸 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 비정질 자성합금은 열처리시 큐리온도이하에서 자장을 인가하면서 각형비(squareness ratio, Br/Bs)를 높이거나 줄일수 있는데, 이러한특징은 다음에 언급하는 두가지 응용에 적합한 성질을 선택적으로 얻을 수 있다.

신호전달용 펄스트랜스포머(pulse transformer)나 커먼모드 쵸크(common mode choke)등에서는 투자율이 높고 각형비가 작은 특성이 요구된다. 종래에는 이러한 용도로 페라이트(ferrite)가 주로 사용되어 졌으나 투자율이 10,000정도로 낮고 온도에 따른 자성의 변화가 크며 약50%의 높은 각형비를 갖는 문제가 있었다. 이러한 특성을 개선한 본 발명에 의해 제조된 합금을 큐리온도 이하의 고온에서 자심의 높이방향으로 직류 또는 교류자장을 한가하면 100,000이상의 높은 투자율과 10%이내의 각형비가 얻어진다.

또한 본 발명은 스위칭 전원용 가포화 리액터나 노이즈저감 소자인 스파크킬러등에 사용되어지는 비정질 자성합금으로의 응용에도 매우 적합한 특성을 가지고 있는데, 이러한 응용을 위해 요구되는 자심의 특징은 고주파에서 보자력이 작을 것과 고각형의 자화특성을 가질 것, 그리고 고주파에서 철손이 작을 것을 요구하며 특히 최근들어 스위칭전원(switched mode power supply)의 소형화를 위해 스위칭 주파수(switching frequency)가 높아짐에 따라 고주파에서의 우수한 자성이 요구되고 있다. 그러나 종래의 본 용도로 사용되어졌던 퍼멀로이(permalloy)는 철(Fe)-니켈(Ni)을 주성분으로 한 자성재료로 최대 사용 주파수가 수십 kHz로 제한되어 스위칭주파수의 증가에 한계가 되었었다. 그러나 본 발명에 의해 제조된 합금을 큐리온도이하에서 자심의 둘레 방향(원주방향)으로 자장을 인가하면 각형비가 90%이상이며 보자력 및 철손이 작아서 수백 kHz의 스위칭 전원에서도 사용이 가능하다.

Claims (1)

1. 기본식(Co₁-x₁-x₂Fex₁Mx₂)x₃Bx₄Si₁₀₀-x₃-x₄로 표시되고, 여기에서 M은 Cr, Ni, Mo, Mn에서 선택된 1종류이상의 원소이고 x₁, x₂, x₃는 각각 0x₁ 0.10, 0x₂ 0.10, 70x₃ 79로 되는 비정질연자성합금에 있어서, B의 조성비 x₄는 11.0x₄ 13.0임을 특징으로 하는 비정질 연자성합금.