KR100256358B1 - 철규소계 소결 연자성합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기, 모터, 발전기 코아 등의 자심재료와 자기회로의 요크(yoke)재등으로 사용되는 Fe-Si 연자성 합금의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 분쇄성 및 성형성이 양호하고, 저온에서도 높은 소결밀도를 갖는 연자기특성이 우수한 Fe-Si계 소결 연자성 합금의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Fe-Si을 주성분으로 하는 연자성 합금의 제조방법에 있어서, Fe-Si+Mx 화합물 조성으로 구성되고, M은 B, Sn, Cr, V, P, C, Al, Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이며, X는 중량%로 0.1-2%의 조성범위로 이루어진 모재를 불활성 분위기중에서 플라즈마 아크로 용융한 후, 8-35m/sec의 회전 속도 범위로 냉각하여 급냉 분말을 제조하는 단계; 상기 급냉 분말을 분쇄하여 38-150㎛의 입도범위로 분급하는 단계; 상기 분말에 전체 Fe-Si 합금분말 중량에 대하여 0.5-3중량% 범위의 결합제를 첨가하고, 이를 혼합하여 1-10ton/㎠의 압력범위로 성형하는 단계; 및 상기 성형체를 1100-1350℃의 온도범위에서 0.5-4시간 동안 소결하는 단계; 를 포함하여 구성되는 Fe-Si 계 소결연자성 합금의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

[발명의 명칭]

철-규소(Fe-Si)계 소결 연자성 합금의 제조방법

[발명의 상세한 설명]

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 변압기, 모터, 발전기 코아 등의 자심재료와 자기회로의 요크(yoke)재 등으로 사용되는 Fe-Si 연자성 합금의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분쇄성 및 성형성이 양호하고, 저온에서도 높은 소결밀도를 갖는 연자기 특성이 우수한 Fe-Si계 소결 연자성 합금의 제조방법에 관한 것이다.

변압기 모터, 발전기 코아등의 자심재료와 자기회로의 요크재등으로 사용되는 Fe-Si 연자성 합금은 높은 자속밀도와 투자율 그리고 낮은 보자력과 철손등의 특성이 요구된다. 또한, 최근 전자, 전기기기를 고주파 영역에서 사용하는 추세가 증가하고 있고, 이에 따라 고주파특성을 갖는 Fe-Si 연자성 합금에 대한 요구가 증가되고 있다. 그러나, 기존에 개발된 Fe-Si 연자성 합금은 고주파 영역에서 사용시 높은 철손과 노이즈(nosie)가 발생하는 문제가 있다.

한편, Fe-Si 합금에서 Si 함량이 증가할수록 투자율과 전기저항이 증가하고 철손이 감소하는 것으로 알려져 왔는데, Si 함량이 3% 이상일 경우에는 재질이 경하고 취약한 특성을 갖기 때문에 가공이 곤란하여 기존의 압연법으로는 제조가 불가능한 이러한 문제를 해결하기 위한 Fe-Si 합금 제조에 관한 방법으로는 급속냉각기술(일본공개특허 소 63-72824, 63-176427), 화학진공증착(Chemical Vapor Deposition)법(일본공개특허 소 62-227032, 62-227033) 및 분말야금법(일본공개특허 소 62-27545, 미국특허 US 5,002,728), 급냉분말제조법(대한민국 특허출원 95-46809)등을 예로 들 수 있다.

그러나, 이들 방법중 상기 급냉방법으로 박판을 제조하면 표면 거칠기등 실제 생산에 어려움이 많아 아직 실용화가 요원하며, 상기 화학진공증착법은 설비비가 많이 들고 제조원가가 비싸므로 가격 경쟁력을 갖기 어렵다.

또한, 상기 분말 야금법에 의하여 소결 Fe-Si 연자성 합금을 제조할 때는 통상 원료분말을 소정의 조성으로 칭량한 후 혼합하여 성형, 소결, 열처리하는 과정을 거치며, 이때 원료가 되는 분말은 Fe와 Si 분말을 소정량 혼합하거나, Si 만을 미리 Fe와 합금하고, 이어 분말을 만든다음 Fe-Si 합금분말을 Fe 분말과 소정량 혼합한 것을 사용한다. 그렇지만, 이들 원료분말을 사용하여 Fe-Si 연자성 합금을 제조할 때 단체 금속분말을 사용시 Fe나 Si의 산화에 의해 성형성 및 소결성이 저하하며, 후자인 Fe-Si 합금분말을 사용했을 때는 금속분말이 단독으로 존재할 경우 보다 산화는 완화되나 극히 경하므로 소성변형 저항을 크게 하는 원인이 되어 성형성이 저하한다. 특히, 상기 원료분말을 사용하여 Fe-Si 연자성 합금화를 충분히 진행시키기 위해서는 고온도에서 장시간 소결해야 하며, 원료분말 자체의 입도를 될 수 있는 한 작게, 예를 들어 200메쉬(74㎛) 이하로 하는 것이 바람직하지만, 이렇게 미분말로 하면 성형성이 충분치 않고 또 가격도 비싸다. 분말의 성형성이 부족한 성형체를 소결해서 얻어진 소결체는 소결밀도가 치밀하지 않고, 연자기 특성이 저하하게 된다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

이에, 본 발명자는 상기한 종래 분말야금법을 이용한 Fe-Si 연자성 합금 제조시의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 Fe-Si 계의 합금에 1종 또는 2종 이상의 합금원소를 적정량 첨가한 모재를 용해하고, 이어 급속냉각하여 분말을 제조한 다음 이를 적정조건으로 배합, 성형 및 소결하므로써 분쇄성 및 성형성이 양호하고 특히, 저온에서도 높은 소결밀도를 갖고 연자기특성이 뛰어나 고주파 영역에서도 사용가능한 Fe-Si계 소결 연자성 합금을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

[발명의 구성 및 작용]

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Fe-Si을 주성분으로 하는 연자성 합금의 제조방법에 있어서, Fe-Si+Mx 화합물 조성으로 구성되고, M은 B, Sn, Cr, V, P, C, Al, Zn중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이며, X는 중량%로 0.1-2%의 조성범위로 이루어진 모재를 불활성 분위기중에서 플라즈마 아크로 용융한 후, 8-35m/sec의 회전속도 범위로 냉각하여 급냉 분말을 제조하는 단계; 상기 급냉 분말을 분쇄하여 38-150㎛의 입도범위로 분급하는 단계; 상기 분말에 전체 Fe-Si 합금분말 중량에 대하여 0.5-4중량% 범위의 결합제를 첨가하고, 이를 혼합하여 1-10ton/㎠의 압력범위로 성형하는 단계; 및 상기 성형체를 1100-1350℃의 온도범위에서 0.5-4시간 동안 소결하는 단계;를 포함하여 구성되는 Fe-Si계 소결연자성 합금의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대해서 보다 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 부합되는 모재는 Fe-Si계 합금에 제3의 합금원소를 첨가하여 조성된다. Fe-Si계 합금을 분말야금법으로 제조하는 경우에는 통상 Si이 3-6.5%로 함유되는데, 이는 Si이 3%미만의 경우 압연법으로 충분히 제조가능하기 때문이며, 6.5%초과하는 경우에는 취성이 커지고 자속밀도가 낮아지기 때문이다.

본 발명에 따라 상기 Fe-(3∼6.5)%Si계 합금에 첨가되는 제3의 원소는 B, Sn, Cr, V, P, C, Al, Zn 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고, 그 조성은 0.1-2중량%(이하, '%'라 한다)의 조성범위로 이루어진다. 이때, 첨가원소의 양이 0.1% 보다 적으면 소결온도를 저온으로 할 수 있는 첨가효과를 보기 어려우며, 2% 이상이면 자속밀도가 급격히 떨어진다. 이와같이 조성된 모재를 불활성 분위기중에서 플라즈마로 용융한 후, 용융상태의 Fe-Si 합금을 급속냉각하여 분말을 제조한다. 상기 급속냉각방법은 예를들면, 대한민국 특허등록 061335호에 제시된 축출형 용융회전방법을 들수 있다. 구체적으로는 급속냉각기의 회전체속도를 8-35m/sec의 속도범위로 하여 용융상태의 모재를 급냉각시켜 1-50㎛ 크기의 미세결정질의 합금분말을 제조함이 바람직하다. 상기 장치를 이용하는 경우 그 회전체속도가 8m/sec 이하에서는 용융상태의 합금을 축출해주는 힘이 약하여 목적하는 Fe-Si 합금 분말을 얻기 어렵고, 회전체속도가 35m/sec 이상이 되어도 상관은 없으나 작업상 문제가 있으므로 회전체속도를 8-35m/sec의 범위로 하여 급냉각하는 것이 바람직하다.

이와같은 급속냉각에 의해 얻어진 Fe-Si 합금 분말의 입자형태는 플레이크(flake)상으로 헥산(hexane), 아세톤(aeton), 알콜(alcohol) 등의 유기용매나 아르곤 가스등의 불활성 분위기 혹은 공기중에서 분쇄하고 100-400메쉬(mesh)의 체(sieve)를 이용하여 38-150㎛의 입도범위로 분급한다. 종래의 연자성분말은 Si로 인해 산화하기 쉽고, 소결성을 저하되기 쉽지만 본 발명에서는 첨가원소 등의 산화에 의해 소결성이 저하하는 현상은 거의 없어 소결밀도가 향상되며, 소결후의 조직이 아주 균일하여 연자기특성 향상에 유익하다.

상기와 같이 분쇄된 급냉분말을 왁스(wax)등의 결합제와 혼합하는데, 결합제는 0.5-3% 혼합하며, 알콜이나 아세톤등의 유기용매에 녹여 액체상태로 하여 혼합하는 것이 급냉분말에 균일하게 도포되므로 보다 바람직하다. 상기 결합제의 양이 0.5%이하에서는 결합제로서의 충분한 효과를 기대하기 어렵고, 3% 이상에서는 그 양이 너무 많아 성형이 어렵고 나중에 소결과정에서 완전히 결합제를 제거하기 어렵기 때문에 결합제의 첨가하는 양은 0.5-3%가 바람직하다.

상기와 같이 결합제가 혼합된 분말을 금형속에 충진시킨 후, 1-10ton/㎠의 압력으로 압축성형하여 성형체를 제조하는데, 상기 성형압이 1ton/㎠ 이하에서는 성형압이 낮아 강도를 유지하기 어렵고, 10ton/㎠ 이상에서는 성형압이 높아 금형의 손상이 심하기 때문에 성형압을 1-10ton/㎠의 범위로 하여 압축성형하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 얻어진 성형체를 진공 또는 아르곤이나 수소분위기중에서 1100-1350℃의 온도범위에서 0.5-4시간동안 소결처리하여 소결밀도가 치밀화되도록 하는데, 이때 소결조건으로 소결온도가 1100℃ 이하에서는 소결온도가 낮아 충분한 밀도화가 일어나지 않기 때문에 자기특성이 저하하고, 1350℃ 이상에서는 소결온도가 지나치게 높아 용융(melting)이 일어나 성형체의 형상이 무너지게 되므로 소결온도를 1100-1350℃로 하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

Fe 잉곳트(ingot)와 Si을 Fe-6.5% Si 조성으로 칭량한 후 첨가원소 M(M=B, Sn, Cr, V, P, C, Al, Zn중 1종 또는 2종이상)을 0.1-1% 첨가한 후, 아르곤(Ar) 분위기 중에서 플라즈마 아크로 완전 용융한 후 축출형 용융회전기에 의해 리본(ribbon)형상의 급냉분말을 제조하였으며, 이때의 냉각속도, 즉 냉각회전체의 회전속도는 16m/sec로 하였다.

상기와 같이 제조된 급냉리본은 평균두께가 10-20㎛이며, x-선 회절분석을 행한 결과 모두 결정질 조직으로 나타났다.

상기와 같이 제조된 급냉분말을 아르곤 분위기중에서 로터 밀(rotor mill)을 사용하여 분쇄한 후 100메쉬(mesh) 및 400 메쉬의 ASTM E11에서 규정한 채(sieve)를 사용하여 분급하여 38-150㎛ 입도의 분말을 얻었다. 이와같이 분급된 분말을 결합제와 혼합한 후 8t/㎠의 수직압력으로 코아형태로 성형하였으며, 이들 성형체를 1250℃에서 1시간 진공분위기에서 소결처리하였다. 이 소결체는 소결온도에서 상온까지 아르곤 가스를 사용하여 가스냉각하였다.

상기와 같이 제조된 소결코아에 대하여 밀도 및 연자기특성을 측정하고, 종래의 분말법 및 급냉분말로 제조한 소결체에 대한 값과 함께 하기표 1에 나타내었다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이 Fe-6.5% Si계 합금에 본 발명에서 제시한 1종의 합금원소가 적정량 첨가하여 제조된 소결코아인 발명재(1-8)의 경우 종래의 분말방법으로 제조된 종래재(1)이나 급냉 분말로 제조한 비교재(1-2)에 비하여 연자기 특성이 훨씬 우수하고, 소결밀도 또한 치밀함을 알 수 있었다.

[실시예 2]

Fe 잉곳트(ingot)와 Si을 Fe-6.5%Si 조성으로 칭량한 후 첨가원소 B을 0.4% 첨가하고, 성형체를 1100-1250℃에서 1시간 진공분위기에서 소결처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 하여 소결체를 제조하였다. 제조된 각각의 소결체는 소결온도에서 상온까지 아르곤 가스를 사용하여 가스냉각하였다.

상기와 같이 제조된 소결코아에 대하여 밀도 및 연자기특성을 측정하고 그 결과를 하기표 2에 나타내었으며, 분말야금법 및 급냉분말을 사용한 Fe-6.5%Si 조성의 소결코아와 비교하였다.

상기 표2에 나타난 바와같이, 발명재(9-12)의 경우 낮은 온도와 짧은 소결시간임에도 높은 소결밀도와 우수한 연자기 특성을 나타내고 있음을 알 수 있었으며, 본 발명의 범위내에서 소결온도가 증가되면 밀도가 커지고 연자기 특성이 향상됨을 알 수 있었다. 그러나, 종래 분말법으로 제조한 종래재(2)는 높은 소결온도에서 장시간 소결하여는데도 불구하고 밀도 및 연자기 특성이 본 발명의 최적 조건보다도 열등함을 알 수 있었다. 또한, 합금원소가 첨가되지 않고 높은 온도에서 소결처리한 비교재(3)의 경우 이 보다 더 낮은 온도에서 소결처리한 발명재(9-12)보다 연자기 특성이 열악함을 알 수 있었다.

[발명의 효과]

상술한 바와 같이, 본 발명은 Fe-Si 계 연자성 재료에 적정원료를 첨가하여 조성된 모재를 분쇄, 혼합, 성형, 소결함으로써 분쇄성 및 성형성이 양호하고 특히 저온에서도 높은 소결밀도를 갖는 연자기특성이 우수한 소결합금을 제공할 수 있고, 제공된 합금은 고주파 환경에 사용되는 전기기기에 유용하게 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. Fe-(3∼6.5)%Si을 주성분으로 하는 연자성 합금의 제조방법에 있어서, Fe-(3∼6.5)%Si+Mx 화합물 조성으로 구성되고, M은 B, Sn, Cr, V, P, C, Al, Zn중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이며, X는 중량%로 0.1-2%의 조성범위로 이루어진 모재를 불활성 분위기중에서 플라즈마 아크로 용융한 후, 8-35m/sec의 회전속도 범위로 냉각하여 급냉 분말을 제조하는 단계; 상기 급냉 분말을 분쇄하여 38-150㎛의 입도범위로 분급하는 단계; 상기 분말에 전체 Fe-Si 합금분말 중량에 대하여 0.5-3중량% 범위의 결합제를 첨가하고, 이를 혼합하여 1-10ton/㎠의 압력범위로 성형하는 단계 및 상기 성형체를 1100-1350℃의 온도범위에서 0.5-4시간 동안 소결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 Fe-Si 계 소결연자성 합금의 제조방법.