KR100358592B1 - 자기특성이우수하고내파쇄특성이우수한철기비정질합금및그제조방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

자기특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기 비정질 합금및 그 제조방법.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

Mn첨가량이 0.2at% 이상 0.5at% 미만이라면 자속밀도를 저하시키지 않고 철손을 개선 시킬 수 있으며, 또 용탕의 급냉응고 처리를 소량의 H₂를 함유한 CO₂분위기 중에서 실시하여 대기중에서 실시할 때 보다 박대의 표면평활성을 개선하고 산화상태도 개질한다.

3. 발명의 해결방법의 요지

화학식 Fe_XB_YSi_ZMn_a

여기서 75≤X≤82 at %

7≤Y≤15 at %

7≤Z≤17 at %

0.2≤a<0.5at %

으로 표시되는 조성으로서, 표면평활성이 중심선 평균 평활성 R_a로 0.8㎛ 이하인 철기비정질 합금및 그 제조방법.

4. 발명의 중요한 용도

변압기용 철심재료, 기타 비정질합금.

Description

자기 특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질 합금 및 그 제조방법

본 발명은 자기특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일본의 특개소 54-148122호 공보, 동 55-9460호 공보 및 동 57-137451호 공보에 개시되어 있는바와 같이, Fe-B-Si계 등의 용융합금을 단일로울법등으로, 고속회전하는 냉각로울의 표면에 분출하여 10⁵∼10⁶℃/S 정도의 냉각속도로 급냉응고시키면 판두께가 수심 ㎛ 정도이고, 원자의 배열이 무질서한 소위 비정질합금 박대가 얻어진다.

이러한 비정질합금 박대는, 철손이 낮고 자속밀도가 높아 소위 연자기특성이 우수하고 변압기용 철심재료로서 일부 실용화되기에 이르고 있다.

그러나, 이러한 Fe-B-Si 3원계 비정질합금박대는, 어느정도 낮은 철손치는 얻어지나 그 개선효과에는 한도가 있고 3원계에서는 그이상 낮은 철손은 기대할 수 없다는 문제가 있었다.

그래서 상기 3원계 비정질 합금에 제 4성분으로서 여러 가지 원소의 첨가가 시도되고 있다.

예를들면 특공평 1-54422호 공보에는, 철손이 낮고 절연피막 처리성이 우수한 철기비정질 합금으로서 Fe-B-S1계에 Mn, Ni등을 0.5-3at% 첨가한 것이 제안되어 있다.

그러나, Mn을 0.5at% 이상 첨가하면 재료의 파쇄라는 새로운 문제가 생기고 자속밀도의 저하가 실용상 문제로 되었다.

또한 특개소 62-192560호 공보에는 Fe-B-Si계에 Cr, Mo, Ta, Mn, Ni, Co, V, Nb 및 W가운데 선택된 1종 또는 2종 이상을 0.05-5at% 함유시키고, 또 압연등의 처리로 표면평활도(조도)를 조정한 비정질합금이 제안되어 있다.

그러나, 상기 특개소 62-192560호 공보에서는, 재료의 파쇄에 생각이 미치지 않고 예컨대 제판후에 압연등의 처리에 따라 표면조도를 조정한 것으로도 파쇄의 방지에 도움이 되는가는 의문이며, 또한 적어도 이러한 표면조도 조정처리는 공업적으로 극히 비능률적일 뿐아니라 제조비용면에서도 매우 불리하다.

본 발명은 상기한 문제를 유리하게 해결하는 것으로 자기특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

전술한 바와같이 Fe-B-Si계 철기비정질환금의 철손개선에는, 이 합금중에 Mn을 소량첨가하는 것이 유효하나, Mn의 첨가는 자속밀도를 저하시켜 재료의 파쇄를 높이는 난점이 따른다.

그래서 본 발명자들은, 이점에 관하여 예의 연구를 거듭한 바, 다음과 같은사실을 얻었다.

(1) Mn함유량이 0.2at% 이상 0.5at% 미만이면 자속밀도를 별로 저하시키지 않고 철손이 개선될수 있다.

(2) 용탕의 급냉응고처리를 환원성 분위기중, 특히 소량의 H₂를 함유한 CO₂분위기 중에서 실시하면 대기중에서 실시한때 보다도 박대의 표면조도가 큰폭으로 개선되고 합금의 냉각속도가 증가함과 동시에 박대표면의 산화상태도 함께 개질되는 결과, 파쇄의 기점이 되는 크랙이 생기기 어렵게 되어 재료의 파쇄가 효과적으로 억제된다.

(3) 표면조도가 개선되면, 표면의 요철에 기인하여 생기는 자극에 의한 반자계가 감소하여 자속밀도가 향상된다.

(4) 따라서, 급냉응고처리를 (H₂+CO₂)분위기중에서 실시하여 박대의 표면성상을 개선하면 Mn첨가에 따른 자속밀도의 저하나 파쇄의 진행이라는 문제는 완전히 해소된다. 본 발명은 상기한 점에 입각한 것이다.

즉 본 발명은,

화학식 Fe_XB_YSi_ZMn_a

여기서 75 ≤X ≤82 at %

7 ≤Y ≤15 at %

7 ≤Z ≤17 at %

0.2 ≤a 〈 0.5 at%

로 조성하여 이루어진 합금용탕을 1∼4% H₂을 함유한 CO₂분위기 하에서 급냉응고 처리하여 표면조도를 중심선 평균조도 Ra로 0.8㎛이하로 한 것을 특징으로 하는, 자기특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질합금이다,

그리고, 이 철기 비정질 합금은, 임계굴곡시험에서 밀착굴곡가능하다.

또한 본 발명은,

화학식 Fe_XB_YSi_ZMn_a

여기서 75 ≤X ≤82 at %

7 ≤Y ≤15 at %

7 ≤Z ≤17 at %

0.2 ≤a 〈 0.5 at%

로 표시되는 조성으로된 합금용탕을 급냉응고하여 비정질합금을 제조할 때, 이 냉각응고 처리를 1-4%의 H₂를 함유한 CO₂분위기하에서 진행시키는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질합금의 제조방법이다.

이하, 본 발명을 완성하기에 이른 실험결과를 설명한다.

제 1도에 Fe_78-aB₁₃Si₉Mn_a조성의 철기비정질합금의, Mn량과 철손 W_13/50(주파수 50Hz, 자속밀도 1.3T때의 철손치)와의 관계에 대해 조사한 결과를 나타낸다.

이때, 합금용탕의 급냉각응고는 대기하 및 최대 4% H₂를 함유한 CO₂분위기하에서 실시했다.

제조한 철기비정질 합금의 치수는 두께 25㎛, 폭 20mm이고, 여기에 400℃, 1시간의 자장중 소둔을 실시했다. 이렇게해서 얻어진 시료에 대해 조사했다.

또한 제 2도에는, 동일한 조성의 철기비정질 합금의, Mn량과 자속밀도 B₁₀(1000A/m의 자계에서의 자속밀도)의 관계에 대하여 조사한 결과를 나타낸다.

또한 제 2도에서, Mn량에 대해 자속밀도가 띠모양으로 분포하고 있는 것은 시료의 표면조도가 변동하고 있기 때문이다.

제 1,2도로부터, Fe-B-Si 3원계 합금에 Mn을 소량첨가하여 저철손이 얻어지고 자속밀도의 저하도 억제되는 것을 알수 있다.

또한 마찬가지로, Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 철기 비정질 합금에서의 Mn량과 철손 W_13/50, 자속밀도 B₁₀과의 관계에 대해 조사한 결과를 각각 제 3도, 제 4도에 나타낸다.

또한 Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 철기비정질합금의 경우에는, 제조한 박대에 대하여 360℃, 1시간의 자장중 소둔을 실시했다.

또한 제 4도에서, Mn량에 대하여 자속밀도가 띠모양으로 변동하고 있는 것은 시료의 표면조도가 변동하고 있기 때문이다.

제 3도 및 제 4도로부터 알수 있는 바와같이, 이 경우에도 Mn을 소량 첨가하여 저철손이 얻어지고, 자속밀도의 저하도 억제되는 것을 알수 있다. 또한 특히 이 합금조성과 같이 Fe를 80% 넘게 다량으로 함유시킨 경우에는 Mn첨가에 의한 철손저감효과가 더 현저하게 되는 이점도 있다.

제 5도는, 제 2도에 나타난 Fe_78-aB₁₃Si₉Mn_a조성의 철기비정질 합금의 Mn량과 자속밀도의 관계에 관하여, 그리고 제 4도에 나타낸 Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 철기비정질 합금의 Mn량과 자속밀도의 관계에 관하여,

Mn량을 a=0.3at%의 경우에 대해 중심선 평균조도 R_a와 자속밀도와의 관계를 나타낸 도면이다. Ra는 판폭중앙부에서 급냉로울접촉면을 폭방향으로 JIS, B0601에 따라 3회 측정한 것을 평균했다.

제 5도로부터, 중심선 평균조도 R_a를 0.8㎛ 이하로 적게하면 자축밀도가 크게 개선되는 것을 알수 있다.

그다음 Fe_61-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 두께 30㎛의 철기비정질 합금의 급냉응고 처리를 대기중에서 실시한 경우에는, 제 6도중에 사선으로 나타낸 바와같이, Mn량의 증가에 따라 임계굴곡높이가 크게 된다. 즉, 파쇄가 진행된다. 여기서 임계굴곡높이란, 재료의 파쇄정도의 지표의 하나로, 150mm 길이의 박대를 로울접촉면을 바깥쪽으로하여 굴곡할때에 박대가 부러지기 직전의 박대의 안쪽의 표면간의 거리이다.

그리고, 임계굴곡높이가 0mm인때 밀착굴곡 가능하다.

이에 대해, 냉각응고 처리를 3%의 H₂를 함유한 CO₂분위기 중에서 실시한 경우에는 마찬가지로 제 6도에 실선으로 나타낸 바와같이 얻어지는 비정질합금의 임계굴곡 높이는 큰폭으로 줄어들고 파쇄가 효과적으로 개선되고 있다는 것을 알수있다.

또한 같은 조성의 판두께 20㎛의 경우를 제 7도에 나타낸다. 제 6도와 같이 3%H₂를 함유한 CO₂분위기중에서 급냉응고 처리한 경우에는, 비정질 합금의 임계굽힘높이는 줄어들고 파쇄가 개선되는 것을 알수 있다.

이러한 제판분위기의 차에 따른 박대성상의 차이는, 표면성상으로 잘 표현되어 대기중에서 제판한 경우에서의 박대의 로울면의 표면조도는 R_a로 0.8-1.2㎛인데 비해 3%의 H₂를 함유한 CO₂분위기 중에서 제판한 경우에서의 그것은 0.4-0.8㎛였다.

제 8도에 R_a와 파쇄성의 관계를 나타낸다 R_a가 0.8㎛이하로 작아지면 파쇄가 어렵다는 것을 알수 있다. 굴곡할 때 크랙의 기점으로 되는 요철이 극히적고, 그 만큼 파쇄되기 어렵게 된다.

또한 R_a가 작게되면 냉각로울과 합금의 급냉응고시의 열전달이 효과적으로 진행되기 때문에, 냉각속도가 향상하고 비정질화가 촉진된다. 비정질화율이 향상되는 결과 파쇄가 어렵게 된다.

또한 CO₂+H₂분위기가 파쇄성개선에 효과가 있는 이유는, R_a개선에 의한 효과외에 환원성분위기로 함으로서 박대표면의 산화상태가 개질됨에 따른 효과도 있다.

이어서, 본 발명에 있어서, 합금의 성분조성을 상기한 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다.

Fe : 75∼82at% (이하, 단순히 %로 표기함).

Fe는, 자성재료러서의 성질을 결정하는 점에서 중요한 원소이다. 이 Fe 함유량이 75%미만에서는 자속밀도가 낮아 실용적이지 못하며, 한편 82%를 넘으면 철손이 증가하고 열적안정성도 열화하므로, Fe함유량은 75∼82%의 범위로 한정했다.

보다 바람직한 함유량 범위는 80∼82%이다.

B : 7∼15%

B는, 비정질화를 용이하게 하는 유용원소이나 함유량이 7%미만이면 비정질화가 곤란하고, 한편 15%를 넘으면 자속밀도가 낮고 큐리온도도 저하하므로 B함유량은 7∼15% 범위로 한정했다. 보다더 바람직한 함유량 범위는 9∼13%이다.

Si : 7∼17%.

Si는, 재료의 비정질화를 조장함과 동시에 제반성질의 열적안정성에 유용한 원소이나, 함유량이 7%미만이면 큐리온도가 낮아 실용적이지 못하고, 한편 17%를 넘으면 철손이 증대하므로 Si함유량은 7∼17%의 범위로 한정했다.

보다 바람직한 함유량범위는 7∼10%이다.

Mn : 0.2%이상, 0.5%미만,

Mn은, 재료의 철손저감에 유효한 원소이나, 함유량이 0.2 미만에서는 도1 및 도3에 나타낸 것과 같이 철손개선 효과가 나쁘고, 한편 0,5% 이상에서는 Mn첨가량의 증가에 따라 도2 및 도4에 나타낸 것과 같이 자속밀도의 저하를 초래함과 동시에 도6 및 도7에 나타낸 것과 같이 파쇄현상도 증가하므로 Mn량은 0.2%이상, 0.5%미만의 범위로 한정했다.

급냉응고 처리를 대기중에서 실시하면 제 6도 및 제 7도에 나타낸 바와같이 재료의 파쇄현상이 생긴다.

재료의 파쇄는, 예를들면 변압기 제작시에 박대의 파단등의 문제발생의 원인이 된다. 이러한 문제발생의 방지에는, 임계굴곡높이가 낮을수록 효과가 있고, 밀착굴곡 가능한 것이 가장좋다. 밀착굴곡 가능한 경우에는 상기한 변압기 제작시의 박대의 파단등의 문제발생율은 0이다. 즉, 임계굴곡 높이가 0.10mm인 경우의 상기 문제 발생율은 0.2%, 임계굴곡 높이가 0.25mm인 경우의 상기 문제 발생율은 0.8%이다.

그리고, 본 발명에서는, 급냉응고 처리를 H₂를 1∼4%의 범위로 함유한 CO₂분위기 중에서 실시하여 표면조도를 R_a로 0.8㎛ 이하로 함과 동시에 박대표면의 산화를 경감함으로써 재료의 파쇄를 효과적으로 방지하는 것이다.

여기서, 급냉응고시에서의 분위기의 주요성분을 CO₂가 가스로한 것은 값싸게 얻어지는 불활성가스이고, 또 3원소 기체이므로 복사능이 높고 비중도 크므로 가스 흡입에 의한 표면조도 감소에 효과적으로 기여하는 이유에 따른다.

또한, 이 CO₂가스중에 혼입하는 H₂가스량을 1∼4% 범위로 한정한 것은, H₂가스량이 1%되지 않으면 충분한 환원성분위기가 얻어지지 않기 때문에 표면조도 R_a를 0.8㎛이하로 할수없을 뿐 아니라 표면산화의 경감도 불충분하게 되고, 한편 4%를 넘으면 폭발의 위섬성등 취급상 문제가 크기때문이고, 또 H₂가스량이 크게되면H₂가스가 박대표면으로부터 침입하여 파쇄되기 때문이다.

실시예 1

제 1표에 나타낸 Fe함유량이 80at%를 넘는 각종 성분조성으로 조제한 합금용탕을, 3% H₂를 함유한 CO₂가스분위기 내에서, 고속으로 회전하는 Cu 로울의 표면에 사출하여 두께 25㎛, 폭 20mm의 비정질합금 박대로 만든후 340∼420℃, 1시간의 자장중 소둔을 실시했다.

또한, 자장중소둔이란, 박대를 자화시키는 방향으로, 박대에 대하여 자장을 인가하면서 소둔함으로써 연자성을 향상시키는 방법으로 공지의 방법이다.

이렇게해서 얻어진 철기 비정질 합금박대의 철손치, 자속밀도 및 로울접촉면의 표면평활성에 대해 측정한 결과를 제 1표에 나타냈다.

제 1표로부터 알수 있는 바와같이, 본 발명에 따라 얻어진 비정질 합금박대는 모두 철손이 낮고 자속밀도는 변압기용으로서 충분한 크기였다.

또한 모두 임계굴곡 시험에서는 밀착굴곡이 가능하고 내파쇄면에서도 양호했다.

이에비해 비교예에서는 밀착굴곡이 가능했으나 철손이 높거나 자속밀도가 낮았다.

실시예 2

제 2표에 나타낸 Fe함유량이 80at% 이하인 여러 가지 성분조성으로 제조한 합금용탕을, 실시예 1과 같이 평가한 결과를 제 2표에 나타낸다.

제 2표로부터 알수 있는 바와같이, 본 발명에 따라 얻어진 비정질합금박대는 모두 철손이 낮고 내파쇄성면에서도 양호했다. 여기에 비해 비교에는 밀착굴곡이가능했으나, 철손이 높거나 자속밀도가 낮았다.

실시예 3

급냉응고 분위기를 제 3표에 나타낸 바와같이 여러 가지로 변경한 이외는 실시예 1과 같이하여 Fe_80.6B₁₂Si₇Mn_0.4조성의 철기비정질합금(두께 30㎛)를 제조했다.

얻어진 각 박대의 로울접촉면의 표면조도 및 임계굴곡높이에 대해 조사한 결과를 철손 및 자속밀도의 결과와 함께 제 3표에 나타낸다.

제 3표로부터 알수 있는 바와같이, 급냉응고시에 분위기의 차이에 따라 박대의 표면조도 및 임계굴곡 높이는 변화하여 본 발명을 만족하는 분위기로 제조한 경우에는 모두 중심선 평균조도 R_a는 0.7㎛로 적고 내파쇄성도 밀착굴곡이 가능할수록 양호했다.

분위기가 H₂가 1%미만인 경우는 모두 중심선 평균조도 R_a는 0.8㎛를 넘고 또 R_a가 크게됨에 따라 임계굴곡높이도 높게되어 파쇄현상이 진행되었다.

또한 H₂가 과잉의 경우 (시료No. 28)은, R_a는 0.7㎛이나 밀착굴곡이 불가능했다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, Fe-B-Si계 비정질 합금의 철손을 줄일수 있고, 자속밀도를 높힐수 있다.

또한 본 발명에서는, 급냉응고 처리를 소량의 H₂를 함유한 CO₂분위기 중에서 실시하여 Mn첨가에 따른 재료의 파쇄현상을 효과적으로 경감시켜 변압기 제작시에서의 박대파단에 의한 문제발생을 방지할 수 있다.

제 1도는 Fe_78-aB₁₃Si₉Mn_a조성의 철기비정질합금의 Mn량과 철손 W_13/50과의 관계를 나타낸 그래프.

제 2도는 Fe_78-aB₁₃Si₉Mn_a조성의 철기비정질합금의 Mn량과 자속밀도 B₁₀과의 관계를 나타낸 그래프.

제 3도는 Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 철기비정질합금의 Mn량과 철손 W_13/50과의 관계를 나타낸 그래프.

제 4도는 Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 철기비정질합금의 Mn량과 자속밀도 B₁₀과의 관계를 나타낸 그래프.

제 5도는 Fe_80.7B₁₂Si₇Mn_0.3조성의 철기비정질합금과 Fe_77.7B₁₃Si₉Mn_0.3의 철기비정질합금의 중심선 평균평활도(조도) Ra 와 자속밀도 B₁₀과의 관계를 나타낸 그래프.

제 6도는 Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 판두께 30㎛의 철기비정질합금의, 급냉응고시에서의 분위기의 차이에 의한 임계굴곡높이를 Mn량과의 관계를 나타낸 그래프.

제 7도는 Fe_81-aB₁₂Si₇Mn_a조성의 판두께 20㎛의 철기비정질합금의, 급냉응고시에서의 분위기의 차이에 의한 임계굴곡높이를 Mu량과의 관계를 나타낸 그래프.

제 8도는 Fe_80.7B₁₂Si₇Mn_0.3조성의 철기비정질합금에 대해, 판두께의 차이에 의한 조도 Ra와 임계굴곡높이의 관계를 나타낸 그래프.

Claims (2)

1. 화학식 Fe_XB_YSi_ZMn_a

   여기서 75 ≤X ≤82 at %

   7 ≤Y ≤15 at %

   7 ≤Z ≤17 at %

   0.2 ≤a 〈 0.5 at %

   로 표시되는 조성으로 된 합금용탕을 1∼4% H₂를 함유한 CO₂분위기 하에서 급냉응고 처리하여 표면조도를 중심선 평균조도 Ra로 0.8㎛이하로 한 것을 특징으로 하는, 자기특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질 합금.
2. 화학식 Fe_XB_YSi_ZMn_a

   여기서 75 ≤X ≤82 at %

   7 ≤Y ≤15 at %

   7 ≤Z ≤17 at %

   0.2 ≤a 〈 0.5 at %

   로 표시되는 조성으로된 합금용탕을 급냉응고하여, 비정질합금을 제조할때, 상기 급냉응고 처리를 1∼4% H₂를 함유한 CO₂분위기하에서 실시하는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수하고 내파쇄특성이 우수한 철기비정질 합금의 제조방법.