KR100259099B1 - 투자율이 우수한 Fe-Si-Al계 센더스트분말 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자성코아(magnetic cores) 등에 사용되는 센더스트분말의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 물 분사법으로 제조되는 자성코아용 센더스트분말에 싸이클열처리를 적용함으로써 투자율이 우수한 자성코아용 센더스트분말의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 통상의 물분사법에 의해 자성코아용 센더스트분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 물분사법으로 얻어진 센더스트분말을 환원성 또는 불활성 분위기하에서 800℃이상의 온도로 가열하여 유지한다음 냉각하는 싸이클 열처리 과정을 적어도 2회이상 실시함을 포함하여 구성되는 투자율이 우수한 Fe-Si-Al계 센더스트분말의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

투자율이 우수한 Fe-Si-Al계 센더스트분말의 제조방법

본 발명은 자성코아(magnetic cores) 등에 사용되는 Fe-Si-Al계 센더스트분말의 제조방법자성분말의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 싸이클열처리를 통해 투자율이 우수한 자성코아에 적합한 센더스트분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

스윗칭 모드 파워 써플라이(switching mode power supply; 이하, 'SMPS'라 한다)는 외부로 부터 공급되는 전기를 각종 전자기기에 적합하도록 변환하여 주는 장치로서, 자성코아는 상기 SMPS 등과 같은 전기기기에 주로 적용되고 있다. 즉, 자성코아는 SMPS를 구성하는 전력변환 회로중 불연속의 전력을 연속화하는 인덕턴스(inductance)나 전력을 강압 또는 승압시키는 트랜스(trans) 제작에 필수부품이다.

이러한 자성코아에 사용되는 자성분말은 일반적으로 금속분말을 세라믹 분말로 절연코팅한 후 일정한 금형내에 절연코팅된 분말을 충전시켜 압축성형한 다음, 압축 성형된 성형체를 고온의 로내에서 열처리를 행하여 제조된다. 이때, 자성코아의 원료로 사용되는 금속분말은 주로 잉고트(ingot)를 파쇄하여 사용하거나, 물분사법(water atomization)으로 제조된다. 물분사법으로 제조되는 금속분말은 잉고트파쇄법으로 제조되는 금속분말보다 화학성분이 균일하고, 생산공정이 단축되기 때문에 최근들어 물분사법으로 제조된 금속분말을 이용하여 자성코아를 제조하는 방법이 급격히 확산되고 있다.

상기 물 분사에 의한 금속분말을 구체적으로 살펴보면, 물분사법으로 제조되는 금속분말은 용융상태에 금속을 고압의 물로 충돌시켜 분쇄되어 얻어지기 때문에 급속한 냉각효과에 의해 금속분말 입자내에는 매우 경도가 높은 미세조직이 형성되고, 또한 금속분말 입자표면은 분말화 과정에서 산화반응이 진행되어 산화피막을 형성하게 된다. 금속 분말 표면에 형성된 산화피막은 세라믹 분말과 동일한 절연효과를 갖기 때문에 자성코아의 원료로서 그대로 적용될 수 있다. 그러나, 급속한 냉각효과에 의해 형성된 금속분말 입자 내부의 미세 결정립들은 높은 경도를 야기할 뿐만 아니라 자성코아의 주요 특성인 투자율을 저하시켜 인덕턴스를 떨어뜨린다. 또한, 이러한 미세 결정립을 갖는 금속분말들은 높은 경도로 인하여 성형체의 밀도를 향상시키는데도 악영향을 미친다.

한편, 이러한 문제로 보통 자성코아의 원료로 사용되는 금속분말은 입자내 결정립을 성장시키기 위해서는 환원성 혹은 불활성 분위기를 갖는 로내에서 일정온도이상으로 유지하여 열처리를 행하게 된다. 종래에는 물 분사법으로 제조된 금속분말을 700-950℃ 온도에서 0.5-3 시간 유지한 후 냉각속도를 제어해줌으로써 입자내 결정립의 크기를 제어하였다. 그러나, 종래의 열처리방법은 금속분말 입자내 미세결정립을 성장시키기 위해서는 가열과정에서 유지시간이 길어질 뿐만아니라 냉각과정에서도 10℃/min 이하의 매우 느린 속도로 서냉을 시켜 주어야만 하는 단점이 있다. 더욱이, 종래의 자성코아용 금속분말의 제조방법은 그 방법상 열처리 과정에서 입자내 미세 결정립을 성장시키기 위해서 700-950℃ 온도에서 장시간 유지시켜 주어야 하며 냉각과정에서도 매우 느린 속도로 냉각을 시키게 되므로 열처리 공정 시간이 장시간 소요되어 생산성을 저하시킨다는 문제점을 갖고 있을 뿐만 아니라, 금속분말 입자내의 결정립은 자구(magnetic domain)의 이동을 방해하여 투자율을 저하시키기 때문에 입자내 결정립의 수가 많을수록 투자율은 나빠지게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 물분사법으로 제조되는 Fe-Si-Al계 센더스트분말에 싸이클열처리를 적용함으로써, 투자율이 우수한 센더스트분말을 얻을 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

제1도는 종래 방법에 따라 제조된 센더스트분말의 입자조직을 나타내는 사진

제2도는 본 발명에 따라 제조된 센더스트분말의 입자조직을 나타내는 사진

제3도는 종래 및 본 발명법에 따라 제조된 센더스트분말을 사용하여 제조된 자성코아의 주파수와 인덕턴스의 관계를 나타내는 그래프

상기 목적달성을 위한 본 발명은 통상의 물분사법에 의해 자성코아용 자성분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 물분사법으로 얻어진 센더스트분말을, 환원성 또는 불활성 분위기하에서 800℃이상의 온도로 가열하여 유지한 다음 냉각하는 싸이클열처리 과정을 적어도 2회이상 실시함을 포함하여 구성되는 투자율이 우수한 Fe-Si-Al계 센더스트분말의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 자세히 설명한다.

통상 물분사법에 의해 제조되는 센더스트분말의 평균입도는 20-100㎛의 크기를 가지는데, 이 센더스트분말을 자성코아용 원료로 사용하기 위해서는 약 700-950℃ 온도의 환원성 또는 불활성 분위기하에서 열처리를 거치게 된다. 이때, 상기 열처리를 통해 제조되는 센더스트분말 입자내에는 10℃/min 정도로 서냉함에도 불구하고 수많은 미세한 결정립을 함유하게 된다. 즉, 종래의 방법에 의하면 1회의 열처리후 얻어지는 센더스트분말 입자내에는 매우 많은 미세한 결정립들이 형성되어 있기 때문에 자성코아 제조시 투자율이 저하될 뿐아니라 성형체 밀도를 향상시키기 위해서도 높은 성형압이 요구되므로 금형다이(die)의 수명을 단축시키게 된다.

본 발명은 자성코아용 센더스트분말을 싸이클열처리에 의한 열처리를 실시하여 분말의 입자내 결정립을 성장시킴으로써 자성코아의 투자율을 향상시킬 뿐 아니라 낮은 성형압하에서도 높은 성형체 밀도를 갖도록 한 것이다. 즉, 본 발명에 의하면 자성코아용 원료로 사용되는 센더스트분말의 입자내 결정립이 크게 성장되어 낮은 성형압으로 높은 성형체 밀도를 갖게 할 뿐만 아니라 자구의 이동을 방해하는 입자내 결정립계의 면적을 줄여주기 때문에 높은 투자율을 갖는 자성코아를 제조할 수가 있다.

구체적으로 본 발명의 싸이클열처리방법은 물분사법으로 제조된 센더스트분말 입자내 미세결정립을 열처리 과정에서 700-950℃ 온도에서 장시간 유지한 후 서냉에 의해 성장시키는 것이 아니라 승온과 냉각속도와는 무관한 열싸이클 방법에 의해 성장시켜 줌으로써 센더스트분말의 입자내 결정립을 크게 성장시키는 방식이다. 즉, 본 발명의 싸이클열처리방법은 물분사법으로 제조된 센더스트분말을 환원성 혹은 불활성 가스 분위기로 유지되고 있는 로내에서 800℃ 이상에서 일정시간 유지한 후 상온으로 냉각시키는 과정을 적어도 2회이상 실시하여 열처리하는 것이다. 이때 상기 열처리온도는 800℃ 이상의 온도에서 실시함이 바람직한데, 그 이유는 센더스트분말 입자내에서 상변태를 유발시키기 위함이다. 다시 말하면 센더스트분말의 합금성분에 따라 상변태의 온도는 달라질 수 있겠으나 상기 온도는 Fe-Si-Al계인 센더스트(sendust) 자성코아용 금속분말의 경우에 결정립들이 변태가 일어날 수 있는 최소온도이다. 그러나, 경제적인 측면에서는 상기 열처리 온도는 800-1000℃의 온도범위에서 실시함이 보다 바람직하다. 열처리 유지시간은 센더스트분말량에 따라 결정되어지지만 분말의 경우는 비표면적이 매우 크므로 잉고트 시편에 비해 매우 짧은 시간내에 변태가 일어난다.

본 발명에 의하면 승온과 냉각속도에 무관하게 센더스트분말을 단지 800℃ 이상에서 균일 유지한 후 상온으로 냉각시키는 과정을 적어도 2회 이상 반복해주면 되기 때문에 열처리 과정에서도 서냉을 할 필요가 없다. 따라서, 본 발명을 적용하게 되면 자성분말의 결정립의 크게 성장되어 투자율이 증가할 뿐만아니라 종래의 서냉열처리와는 달리 분말 제조생산시간을 크게 단축시킬 수 있을 뿐 아니라, 또한 많은 량의 센더스트분말을 연속식이 아닌 장입형식의 로를 이용하여 다량 생산할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또한, 낮은 성형압에 의해 고밀도 성형체를 얻을 경우에는 센더스트분말이 충전되는 금속다이의 수명이 연장될 수 있으며, 성형체를 금속다이로 부터 탈취하는 것도 용이하게 되어 생산성도 향상될 수 있다.

이와같이 본 발명에 따라 제조되는 금속분말은 입자내 결정립의 수가 10개 이하이며, 이 금속분말을 사용하여 자성코아를 제조할 때에는 성형압 15tom/㎠에서 99.0% 이상의 높은 성형체 밀도를 얻을 수 있을 뿐 아니라 인덕턴스도 50μH 이상 개선된 투자율이 우수한 자성코아를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

제조하고자 하는 자성코아용 센더스트분말의 모합금 원료를 전기 유도용해로에서 용해한 다음, 용해된 용융금속을 직경이 3.8m인 오리피스 노즐(orifice nozzle)을 통해 흘린 후, 이 용융금속 줄기에 150-250bar의 수압으로 고압 분사하여 평균입도가 45㎛인 센더스트 코아용 금속분말을 제조하였다.

이때 제조된 금속분말의 화학조성은 하기표 1에 나타내었으며, 이는 통상의 센더스트 합금성분의 조성범위인 중량비로 9-10.5%Si, 5.5-6.5%Al 및 잔부 Fe로 조성되는 성분범위에 포함되는 것이다.

[표 1]

[발명예]

상기 표 1과 같은 조성을 가진 센더스트 코아용 금속분말의 입자내 결정립을 성장시키기 위하여 N₂가스 분위기하에서 800℃의 온도로 가열하여 20분 유지한 다음, 급냉하고, 다시 동일 분위기하에서 800℃의 온도로 가열하여 20분간 유지한 후, 급냉하여 얻어진 금속분말을 발명재로 하였다. 이때 금속분말 원료에 대하여 단면조직을 촬영하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

또한, 상기 원료로 제조된 센더스트 코아의 인덕턴스를 알아보기 위해 제조된 금속분말에 0.5% 세라믹 분말을 절연코팅한 후, 외경 9.5mm, 내경 4.8mm인 토로이달(toroidal)형 금형에 충전하여 상온에서 유압 프레스를 이용하여 높이 3.8mm의 코아를 제조하였다. 제조된 성형체 코아는 소결로를 이용하여 750℃에서 소결 처리한 후, 제조된 센더스트 코아에 대해서 AWG23 에나멜 동선을 25회 균일 권선한 후, 주파수에 따른 인덕턴스의 변화를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.

[종래예]

또한, 비교를 위하여 상기 표 1과 동일한 조성을 갖고 통상의 열처리 방법으로 열처리를 행한 도 1과 같은 조직을 나타내는 금속분말을 이용하여 발명재와 동일한 방법으로 소결체를 제조한 후, 이 제조된 센더스트 코아에 대하여 주파수에 따른 인덕턴스의 변화를 도 3에 나타내었다.

도 1에 나타난 바와같이, 종래의 방법으로 열처리한 금속분말을 미세 연마한 후 4% 나이탈(nital) 부식액을 이용하여 부식시킨 다음 관찰한 금속분말의 경우에는 입자내에 매우 많은 미세한 결정립들이 형성되어, 자성코아로 제조된 후에는 도 3에 나타난 바와같이, 발명재에 비하여 인덕턴스가 떨어짐을 알 수 있다.

이에 반하여, 도 2에 나타난 바와같이, 2회 싸이클열처리한 발명재의 경우에는 입자 내부의 결정립의 수가 10개 이하로 조대한 결정립을 나타내었으며, 이 분말을 이용하여 제조된 자성코아의 인덕턴스는 도 3에 나타난 바와같이 우수함을 알 수 있었다.

즉, 동일한 주파수에서 비교해볼 때 본 발명에 따라 싸이클열처리한 금속분말로 제조된 자성코아의 경우 종래재보다 더 높은 인덕턴스를 보여주고 있다.

한편, 상기 싸이클열처리를 3회 실시하여도 본 발명과 동일한 효과를 나타내었다.

상기한 바와같이, 본 발명은 물분사법에 의해 제조되는 자성코아용 센더스트분말을 800℃ 이상의 온도로 가열하여 유지한 다음, 냉각하는 싸이클열처리 과정을 적어도 2회 이상 실시하므로써 센더스트분말의 입자 내부에 10개 이하의 결정립이 형성되어 이 센더스트분말을 이용하여 자성코아 제조시 센더스트분말 자체의 투자율이 우수하기 때문에 매우 높은 인덕턴스가 얻어지는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 통상의 물분사법에 의해 자성코아용 센더스트분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 물분사법으로 얻어진 센더스트분말을 환원성 또는 불활성 분위기하에서 800℃이상의 온도로 가열하여 유지한 다음 냉각하는 싸이클열처리 과정을 적어도 2회이상 실시함을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 투자율이 우수한 Fe-Si-Al계 센더스트분말의 제조방법
2. 제1항에 있어서, 상기 2회이상의 싸이클열처리후로 얻어지는 센더스트분말는 그 입자내 결정립수가 10개 이하임을 특징으로 하는 제조방법

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