KR100262675B1 - 퍼멀로이계 연자성 소결코아의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 퍼멀로이(permalloy)계 연자성 소결 코아의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 기존 퍼멀로이 조괴에 추가 원소를 가하지 않으면서 추가 처리 공정없이도 복잡한 형상부품 제조에 유리한 양호한 연자기 특성을 갖는 퍼멀로이계 소결코아를 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 원심분무법 중에서도 개량된 방법으로 퍼멀로이 연자성 분말을 제조하고, 제조된 분말을 최적의 조건으로 혼합, 성형한 다음 소결하는 분말 야금법을 이용하므로서 연자성 특성이 우수한 소결코아를 제조하는 방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

퍼멀로이계 연자성 소결코아의 제조방법

본 발명은 복잡한 형상의 전기, 전자부품등에 사용되는 연자성 코아(core)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원심분무에 의해 자기특성이 우수한 퍼멀로이(permalloy)계 연자성 소결코아의 제조방법에 관한 것이다.

최근 OA, 컴퓨터 관련분야 나아가 기계산업분야의 메카트로닉스화에 동반하여, 전원용 코아로서 소형 및 고성능의 연자기 특성을 나타내는 복잡형상 부품의 수요가 급속히 증대되고 있다. 이와 같은 수요를 만족시키기 위하여 Fe, Fe-Ni 계와 같이 연자기 특성이 우수한 재료를 사용하여, 최종 부품의 형상 혹은 그것에 가까운 형상으로 재료의 손실을 최소화하며 높은 효율로 생산 가능한 분말 야금법을 활용하므로써 부품중 자성 코아를 제작하고자 하는 것이 생각되어 왔다. 그러나 일반적으로 소결재는, 원료가 분말이라는 특성상 밀도 증가가 어렵고, 특히 자기적으로는 용제재에 비하여 상당히 열악한 특성을 나타낸다는 것이 주지의 사실이다. 따라서, 높은 소결밀도와 그에 따른 양호한 자기특성을 발현시키기 위한 노력(일본공개 특허공보 소 52-32809, 소 62-103343, 평 2-57615)이 경주되었다.

그러나, 이와 같은 노력들은, 코아 제작 원가의 상승요인이 되는 Cu, Si와 같은 첨가 원소를 이용하거나 혹은 소결완료된 코아를 가공한 후 다시 프레스하는 등 추가처리공정을 거쳐 해결하려는 것이었고, 연자기 특성에 큰 영향을 주는 원료분말의 제조에 있어서도 수분무(water atomization)법 혹은 가스분무(gas atomization)법을 활용한 것이었다.

상기한 종래의 소결코아 제조법들은 첨가물의 사용, 수분무에 의한 분말 제조시 수분에 의한 원료분말의 산화 및 가스분무시 도가니 물질에 의한 원료분말의 오염 그리고 추가처리 공정을 포함한 제조공정이 복잡한 것과 같은 여러가지 문제가 있따.

이에 본 발명은 상기한 종래방법과는 달리, 반응성 금속분말의 제조도 가능한 원심 회전력을 이용한 개량형 원심분무에 의해 Fe-Ni-Mo 퍼멀로이계 자성분말을 제조하고, 분말혼합, 성형 및 소결조건등을 최적으로 조절하므로써, 첨가원소를 사용하지 않고 추가처리 공정 없이도 양호한 연자기 특성을 갖는 소결 코아의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명방법에 의하여 제작된 Fe-79Ni-4Mo 소결코아에 대한 원료분말의 입도와 교류자기특성 및 소결밀도와의 관계를 나타내는 그래프.

제2도는 본 발명방법에 의하여 제작된 Fe-79Ni-4Mo 분말 혼합소결코아에 대한 혼합분말의 입도, 혼합비와 교류자기특성 및 소결밀도와의 관계를 나타내는 그래프.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 퍼멀로이계 연자성 소결코아의 제조방법에 있어서, 진공용해로 제조된 퍼멀로이 조괴를 10^-5torr 이하의 진공 상태에서 그 표면에서의 선속도를 23-33m/초의 범위로 하여 회전시키면서 550-1050A의 전류를 인가하여 분말을 원심분무하는 단계 ; 상기 분말 중 입도가 53-250㎛인 분말에, 코아중량에 대하여 0.5-2.0중량%의 파라핀을 첨가한 다음, 헥산 또는 톨루엔으로 용해후 건조하는 단계; 건조된 분말을 8-10ton/㎠의 압력하에 성형하여 코아를 만드는 단계 ; 상기 코아를 10^-5torr 이하의 진공상태에서 1100-1350℃의 범위로 1-3 시간 가열하여 소결하는 단계 ; 및 상기와 같이 소결완료후 800-1000℃ 의 온도에서 불활성 분위기로 급랭하는 단계; 를 포함하여 구성되는 퍼멀로이계 연자성 소결코아의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 부합되는 원심분무(centrifugal atomization)법은 원심력에 의한 급속냉각의 원리를 이용하는 방법(미국특허 제 4,488,031호, 제 5, 147, 448호)중에서도 개량된 방법(대한민국 특허출원 제 95-45783)을 이용하는데, 상기 개량형 원심분무방법은 반응성 금속 분말의 제조가 가능하며, 고순도의 자성분말 생산에 적합하다. 본 발명에 적합한 자성분말은 퍼멀로이계 합금 자성분말이면 어느 것이나 무방한데, 바람직하게는 통상적인 퍼멀로이 합금인 Fe-79Ni-4Mo 이다.

먼저, 상기와 같은 조성을 갖는 조괴(ingot)를 제조하는데, 통상의 진공용해로 실시한다. 제조된 조괴를 표면에서의 회전 선속도가 23-33m/sec의 범위내에서 회전시킴과 동시에 플라즈마 아크 발생을 위한 투입전류를 550-1050A 범위로 조절함이 바람직하다. 그 이유는 23m/sec 이하로 회전시키면 제조되는 분말중 125㎛ 이하의 미세한 분말을 25%이상 얻지 못하며, 33m/sec 이상 회전시 125㎛이하의 분말을 70% 이상 얻을수는 있으나 75㎜조괴를 사용할 때 8500RPM 이상의 고속 회전에 해당되므로 홀더(holder)로 부터의 분리로 인한 안전성에, 그리고 베어링의 파손등으로 장비운용등에 문제가 있어, 바람직하지 않고, 투입전류가 550A 이하이면 단위 시간당 분말생산력이 현저히 떨어지며, 1050A 이상이면 생산력은 550A 에 비하여 4배 이상 증가되나 고속용해로 인하여 전극과 조괴간 거리 조절이 용이하지 않으며 전력비 증가로 생산성 원가에 영향을 주어 바람직하지 않기 때문이다. 따라서 보다 바람직하게는 28m/sec, 850A로 조절함이 좋다.

제조된 분말은 53-250㎛ 범위의 것을 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 53㎛이하의 것은 소결완료후 자기특성중 자속밀도값은 높으나 분말의 표면적 증가에 의한 표면에서의 오염, 작은 결정입경에 연유하는 증가한 입계가 보자력 및 투자율등의 연자기 특성에 악영향을 주며, 250㎛ 이상의 것은 분말간 접촉면적의 감소로 소결시 높은 소결밀도를 얻을 수 없어 높은 자속밀도를 얻을 수 없기 때문이다. 최고의 연자기 특성 발현을 위하여 보다 바람직하게는 125-250㎛ 범위의 것을 사용하면 좋다.

상기 입도가 53-250㎛인 분말은, 53-90㎛, 90-125㎛, 180-250㎛의 입도로 각각 분급한 후, 53-90㎛ 입도의 분말에 90-125㎛, 125-180㎛, 180-250㎛의 분말을 분말 전체중량의 50중량%이상이 되도록 혼합하여 이용하는 경우 보다 우수한 소결밀도를 얻을 수 있다.

성형체의 강도 증가를 위한 점결제로서의 첨가되는 파라핀의 량은, 제작될 코아 중량의 0.5-2.0wt% 범위가 바람직한데, 그 이유는 0.5wt% 이하 첨가시 소결전 진공오븐에서 파라핀을 제거하면 성형강도가 현저히 저하되어 코아형태가 붕괴되거나 취급이 매우 곤란하게 되며, 2.0wt%이상 첨가시는 동일 소결온도에서 동일 소결밀도를 나타내기 위한 소결시간이 길어져 생산성이 문제가 있고 잔류 파라핀이 연자기 특성에 악영향을 줄 가능성이 증가하기 때문이다. 보다 바람직하게는 1.0wt%의 파라핀을 첨가하면 좋다.

소결밀도 증가를 위하여 가능한한 성형체 밀도를 증가시키면 좋은데 프레스의 인가압력은 8-10ton/㎠ 이면 바람직하다. 그 이유는 8ton/㎠ 이하에서는 높은 성형밀도를 얻을 수 없으며, 10ton/㎠ 이상에서는 금형의 파손이 우려되며 금형 내부와 분말의 강한 마찰로 분말 내부의 응력이 자기특성에 악영향을 줄 가능성이 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 10ton/㎠의 압력이면 좋다.

상기와 같이 성형된 코아는 10-5 torr 이하 진공도의 진공소결로에서 소결함이 바람직한데, 그 이유는 진공도가 나쁠때 반응실내에 잔류한 미량의 산소 혹은 질소가 소결코아의 미세조직에 산소 및 질소화합물을 생성시켜 구조에 민감한 연자기 특성에 치명적 악영향을 미치기 때문이다.

또한, 소결온도, 시간은 각각 1100-1350℃, 1-3 시간이 적합한데, 그 이유는 소결 온도와 시간이 낮고 짧으면 소결밀도가 저하되고, 필요이상 소결온도가 높고 시간이 길면 코아 형상의 변화 및 자구의 고착등으로 코아 특성에 오히려 바람직하지 않는 결과를 초래할 수 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 1350℃에서 2시간 이면 좋다.

그리고 소결완료후 냉각시 800-1000℃에서 Ar과 같은 불활성 가스로 급냉(gasquenching)하는 것이 바람직한데, 그 이유는 600℃ 부근에서 로냉 혹은 서냉시 자기이방성계수 커서 연자기 특성에 악영향을 미치는 Ni₃Fe 규칙격자의 생성을 가능한한 억제하기 위해서이다.

이와 같이, 본 발명에서 제시된 조건에 따라, 원심분무에 의한 분말제조, 성형 및 소결을 실시하면 연자기 특성이 우수한 퍼멀로이계 소결코아의 제조가 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

[실시예]

진공용해를 통하여 순도 99.9% 이상의 모합금 조괴(ingot)를 주조하였다. 상기 조괴의 조성은 17Fe-79Ni-4Mo였다. 이 조괴를 직경 75㎜의 원봉형으로 선박가능하고, 가공괸 조괴를 반응실 내부의 홀더에 장착한 다음, 10^-5torr 이하의 초기 진공도로 배기하고, 플라즈마 발생을 위하여 0.9기압의 Ar 가스로 역충진 한 후, 상기 조괴 표면에서의 선속도를 28m/sec로 하여 조괴를 회전시킴과 동시에 850A의 전류를 투입하여 자성분말을 얻었다.

상기 분말을, 53-90㎛(평균입도 72㎛), 90-125(평균입도 108㎛), 125-180㎛(평균입도 153㎛), 180-250㎛(평균입도 215㎛)분급하고, 각각의 분말에 제작될 코아 중량의 1wt% 파라핀을 첨하여 헥산 혹은 톨루엔에 용해시켜 분말과 잘 혼합하여 건조시킨 것을, 윤활재로 스테아린산 아연이 도포된 내경, 외경이 각각 6㎜Ø, 12㎜Ø인 금형에 장입한 후 10ton/㎠ 의 단압식 수직압력으로 2㎜ 두께의 성형체를 제작하였다. 150℃의 진공오븐에서 1시간 동안 파라핀을 제거한 후 진공도가 10^-5torr 이하인 진공소결로에서, 1350℃의 소결온도에서 1, 2, 3 시간 소결을 실시하였다. 소결완료후 냉각시 900℃ 에서 Ar 가스로 급냉(gas quenching)하였다.

상기한 방법으로 제작된 코아이 교류자기특성 및 소결밀도에 미치는 원료분말의 입도 및 소결온도, 시간의 영향을 상온에서 측정하였으며 그 결과를 하기표 1, 2 및 제1도에 나타낸다. 여기서, 자속밀도(B₁₀), 보자력(Hc)는 60 Hz, 10 0e의 교류인가자장 중에서 측정된 값이며, 특히 진폭비투자율(μ_a)는 0.01 Oe의 교류자장에서 측정된 값이고 직류에서 초투자율(μ_i)에 상응하는 값이다. 소결온도가 높을수록 자기특성은 향상되었는데, 그림에서는 소결온도를 최고의 자기특성이 나타난 1350℃로 고정하고 시간을 변화시킨 후 얻은 결과만 나타냈다.

제1도에서 분명히 알 수 있듯이 원료분말의 평균입도가 커질수록, 이론밀도에 대한 소결밀도비()및 B₁₀은 감소하나, Hc는 감소, μ_a은 증가하는 등 여자기 특성이 양호하였다. 또한, 소결시간이 3시간으로 길어지면 연자기 특성은 다소 나빠지는데, 이는 지구의 고착과 관련있다. 특히, 2시간 소결시 평균입도 153㎛에서 10,000을 초과하는 최대 μ_a가 나타나 있다.

표 1, 표 2에는 각각 본 발명에서의 발명예와 비교예의 교류 및 직류자기특성을 나타내었다.

표 2에서 알 수 있듯이 원심분무법으로 제조된 분말을 사용한 본 발명 코아[발명예(1)(2)]인 경우, 종래 수분무 분말을 사용한 코아[비교예(3)]의 자기특성과 비교하면 B₁₀, Hc는 다소 떨어지거나 대동소이한 값을 나타내나 μ_max,는 양호한 값을 나타내고 있다. 이와 같이 본 발명예가 원료분말중 흡착된 산소 및 질소의 농도의 특별한 제어 없이도 그리고 소결 후 재프레스등 2차 가공등이 없이도 양호한 연자기 특성을 나타내는 것은 기본적으로 원심분무에 의한 원료분말이, 수분무 혹은 가스 분무에 의한 분말에 비하여 수분에 의한 산화, 도가니 물질에 의한 오염등이 상대적으로 작은 높은 청정도의 것임에 기인한다.

[실시예 2]

제1도, 표 1에서 알수 있듯이 입도별 분말 코아의 교류자기특성은, 입도가 증가할수록 Hc 및μ_a특성은 양호해지나 B₁₀은 감소하였다. 이는 일반적으로 Hc 는 B₁₀에 그리고μ_a는 약자장에서 자벽이동에 영향을 주는 결정립 크기를 좌우하는 분말의 크기에 의존하므로 소결과정을 거치는 한 피할 수 없는 현상이다. 따라서 큰 입도의 것은, Hc 및μ_a특성은 다소 손해를 보더라도 B₁₀을 증가시키고 작은 입도의 것은, B₁₀은 손해보더라도 Hc 및μ_a특성을 개선시키는 방안이 필요하다.

이에 본 발명에서는, 생산된 분말을 일정비로 혼합하여 코아를 제조함으로써 상기 문제점을 해결하고자 하였으며, 이는 생산된 각 입도별 분말 전체를 활용한다는 측면에서 경제적인 것이 된다.

실시예 1에서와 동일한 방법으로 생산되고 분급된 분말을 일정 중량비로 혼합한 후 실시예 1과 동일한 방법으로 성형 및 소결을 완료하여 코아를 제작하고, 제작한 코아에 대하여 측정한 교류자기특성 및 밀도를 3, 4, 5 및 제2도에 나타내었다. 표에서의 자속밀도(B₁₀), 보자력(Hc)는 60Hz, 10 0e의 교류인가자장증에서 측정된 값이며 진폭비투자율(μ_a)는 0.01 0e의 교류자장에서 측정된 값이다,

또한, A는 53~90㎛입도의 분말을, B는 A에 혼합한 90~125㎛(표 3), 125~180㎛(표 4), 180~250㎛(표 5)입도의 분말을 의미하여 A에 혼합한 B의 량을 중량 퍼센트(5)로 나타내었다. 즉 B가 0%이면 코아 제조시 A만 사용한 것이고, 100%이면 B만 사용한 것이 된다.

표 3, 4, 5 및 제2도에서 분명히 알 수 있듯이, A에 혼합하는 B의 량이 증가할수록 B₁₀은 거의 직선적으로 감소하나 Hc와 μ_a는 반드시 그렇지 않다. 즉 A에 B를 50%이상 혼합한 경우[발명에 (3-9)], B₁₀은 발명예(1), (2)의 B₁₀보다 큰 값을 나타내고 있고 특히, μ_a는 50% 혼합시 최대를 나타내는 경향과 함께 크기도 거의 비슷하거나 개선된 큰 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 원심력에 의한 급속 냉각 원리를 이용한 원심 분무법중에서 개량된 방법으로 퍼멀로이 연자성 분말을 제조하고, 분말야급법에 의해 활용함으로써, 첨가원소를 사용하지 않고 추가처리공정 없이도 양호한 연자기 특성을 갖는 소결코아를 제조할 수 있으며, 이러한 제조방법은 복잡한 형상의 고성능 연자성 코아에 매우 적합하게 유용될 수 있는 것이다.

Claims (7)

1. 퍼멀로이계 연자성 소결코아의 제조방법에 있어서, 진공용해로 제조된 퍼멀로이 조괴를 10^-5torr 이하의 진공 상태에서 그 표면에서의 선속도를 23-33m/초의 범위로 하여 회전시키면서 550-1050A의 전류를 인가하여 분말을 원심분무하는 단계; 상기 분말 중 입도가 53-250㎛인 분말에, 코아중량에 대하여 0.5-0.2중량%의 파라핀을 첨가한 다음, 헥산 또는 톨루엔으로 용해후 건조하는 단계; 건조된 분말을 8-10ton/㎠ 압력하에 성형하여 코아를 만드는 단게; 상기 코아를 10^-5torr 이하의 진공상태에서 1100-1350℃ 의 범위로 1-3 시간 가열하여 소결하는 단계; 및 상기와 같이 소결완료후 800-1000℃의 온도에서 불활성 분위기로 급랭하는 단계; 를 포함하여 구성되는 퍼멀로이계 연자성 소결코아의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 원심분무는 상기 조괴 표면에서의 회전선속도를 25-30m/sec로 하고, 상기 투입전류를 750~950A로 조절하여 행함을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 파라핀의 양은 코아중량에 대하여 0.75~1.5중량%가 되도록 첨가하고, 성형압력은 10ton/㎠ 으로 하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 소결은 1350℃의 온도에서 1.5~2.5 시간으로 행함을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 냉각은 Ar가스로 행함을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 입도가 53-250㎛인 분말은, 53-90㎛, 90-125㎛, 125-180㎛, 180-250㎛의 입도로 각각 분급한 후, 53-90㎛ 입도의 분말에 90-125㎛, 125-180㎛, 180-1250㎛의 분말을 분말 전체중량의 50중량%이상이 되도록 혼합한 것임을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 퍼멀로이 조괴는 Fe-79Ni-4Mo임을 특징으로 하는 제조방법.