KR100454855B1 - 인코팅된철분말및그의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연성 산소 함유 베리어 및 절연성 인 함유 베리어를 갖는 필수적인 순수철로 이루어진 기지 분말의 입자들을 포함하는 신규한 저산소 분말에 관한 것이다. 새로운 분말의 산소량은 기지 분말의 산소량 보다 최대 0.2 중량% 많으며, ESCA법에 의해 측정될 때 O:P의 비는 30 내지 1이며, 바람직하게는 15 내지 2이며, 가장 바람직하게는 10 내지 3이다. 본 발명은 또한 물원자형 철 분말 또는 해면형 철 분말로 이루어진 기지 분말을 준비하는 단계와, 상기 분말을 유기 용매내에서 인산 용액으로 처리하는 단계와, 그리고 수득된 혼합물을 건조시키는 단계를 포함하는 철 기지 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로, 이러한 방법에 의해 인산 용액은 혼합되는 동안 기지 분말 상에 분사된다.

Description

인 코팅된 철 분말 및 그의 제조 방법 {PHOSPHATE COATED IRON POWDER AND METHOD FOR THE MANUFACTURE THEREOF}

철 기지 입자들은 분말야금에 의해 구조요소(structural components)를 제조할 때 기지 재료로서 오랫동안 사용되어 왔다. 철 기지 입자는 원하는 형상을 형성하기 위해 먼저 다이 내에서 고압으로 성형된다. 이러한 성형 단계 후, 구조요소는 필수적인 강도를 얻기 위해 통상적으로 소결 단계를 거치게 된다.

자성 코어 요소 역시 상기 분말야금에 의해 제조되어 왔지만, 이러한 방법에 사용된 철 기지 입자들은 일반적으로 둘레가 절연재료로 코팅되어 있다.

철 코어 요소의 두 가지 중요한 특성은 그 투자율(magnetic permeability)과 코어 손실 특성이다. 재료의 투자율은 자화될 수 있는 재료의 능력 또는 자속을 전할 수 있는 재료의 능력을 의미한다. 투자율은 유도된 자속 대 자력 또는 자장 강도의 비로 정의된다. 급속하게 변하는 자장에 자성 물질이 노출될 때, 코어의전체 에너지는 이력 손실과 와류 손실 중 하나 이상의 발생에 의해 감소된다. 이력 손실은 강 코어 요소 내의 잔존하는 자력을 극복하기 위한 필수적인 에너지 소비에 의해 발생된다. 와류 손실은 교류 상태에 의해 발생된 자속의 변화에 기인하여 철 코어 요소 내에 전류가 형성됨으로써 발생된다.

자성 코어 요소들은 종종 적층된 강판으로 제조되지만, 이들 구성요소들은 작고 복잡한 부분에 대해서는 완전한 형상을 형성하기가 난해하고, 보다 높은 진동수에서는 코어의 손실이 크게 된다. 이러한 적층식 코어는 과도한 와류 손실을 피하기 위해 단지 시이트의 면에서 자속을 전달하는 것으로만 그 적용이 제한된다. 자성 코어 요소에 대한 물질로서 소결된 금속 분말이 상기 적층 강의 대체물로 사용되어 왔지만, 이들 소결된 부품들도 코어 손실이 높으며, 직류 작동에는 대개 제한된다.

코팅된 철 기지 분말을 사용한 자성 코어 요소의 분말야금 제조의 연구는, 다른 성질에는 악영향을 미치지 않고 물리적 성질 및 자기적 성질을 강화시킨 철 분말 조성물에 집중되고 있다. 이때 필요한 성질에는 확장된 진동수 범위를 통한 높은 투자율, 높은 가압 강도, 낮은 코어 손실 및 압축성형 기술에 대한 적합성 등이 포함된다.

교류 전원 공급용 코어 요소를 성형하는 경우, 철 기지 입자들은 일반적으로 코어 손실을 감소시키기 위해 절연 코팅이 되어 있어야 한다.

철 기지 입자에 사용되는 절연 코팅의 다른 형태는 문헌에 개시되어 있다.

독일 특허 제 1,291,028호에 따르면, 철 기지 분말은 인산 용액에서 처리되며, 연속적으로 세정 및 건조된다. 이러한 공정은 철 기지 분말의 입자 크기가 10㎛ 이하이며, 철 기지 분말이 인산에 추가하여 크롬산으로 처리되는 것이 특징이다. 상기 독일 특허에는 철 기지 분말을 사용함으로써 준비된 재료의 자기적 성질이 개시되어 있다.

이러한 분야에 대한 다른 문헌으로는 독일 특허 제 2,825,235호가 있는데, 여기서는 산화층으로 코팅된 입자들로 구성된 철 분말이 개시되어 있다. 이들 입자의 크기는 0.05 내지 0.15㎜이며, 이들 입자는 입자의 중량으로 계산될 때 0.3 내지 0.8 중량%의 산소를 포함하는 산화 코팅을 구비하고 있다. 산화 코팅은 공기 중에서 가열함으로써 또는 화학적 산화에 의해 수득될 수 있지만, 제조 변수가 설명되어 있지 않으며, 코팅된 입자들의 분석도 개시되어 있지 않다. 상기 예들로부터, 수득된 투자율은 30 내지 35로 계산될 수 있음을 알 수 있다.

유럽 특허 출원 제 434,669호는 자성 분말에 대한 것인데, 절연 코팅물이 자성 분말 입자들을 분리시킨다. 이 입자들은 10 내지 300㎛의 평균 입자 크기를 가지며, 자성 분말 입자 각각을 덮는 절연 물질은 10㎛ 미만의 두께를 갖는 연속 절연막을 포함하며, 이러한 절연막은 금속 알콕사이드 또는 그의 분해산물을 포함한다.

WO 95/29490에는 물 속에서 인산을 기지로 한 방법을 사용하여 수득된 절연층이 개시되어 있다.

마지막으로, 독일 특허 제 3,439,397호에는 인산염 코팅에 의해 절연된 철 입자가 개시되어 있다. 이러한 코팅은 예컨대 마그네슘 또는 아연 인산염일 수 있다. 절연 인산염 코팅은 철 입자의 중량의 0.1 내지 1.5 %이어야 한다. 상기 독일 특허 제 3,439,397호의 실시예 1에는 아세톤에 89%의 인산이 함유된 용액에 철 분말을 교반해서 이러한 절연 코팅이 얻어지는 것이 상세하게 기재되어 있다. WO 특허 출원에 따른 분말과 독일 특허에 따른 분말을 비교한 연구에 의해, 독일 특허에 따른 절연층이 WO 특허 출원에 따른 분말보다 현저하게 많은 산소와 인을 포함하고 있다는 사실이 밝혀졌다.

본 발명은 새로운 철 기지 분말(iron-based powder)에 관한 것으로서, 특히 높고 낮은 진동수에서 사용될 때 개선된 성질을 갖는 연자성 물질을 준비하는데 유용한 새로운 철 기지 분말에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 새로운 철 기지 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 새로운 저산소 분말을 사용함으로써 현저하게 개선된 성질이 얻어질 수 있다는 사실을 발견하게 되었다. 이러한 성질에는 강도, 밀도, 유도(induction), 및 저손실에 대응하는 투자율이 포함된다.

새로운 분말은 필수적으로 순수철로 구성된 기지 분말을 기초로 하는데, 이러한 기지 분말은 구입 가능한 수분사된(water-atomised) 철 분말 또는 라운드형, 불규칙하거나 편평한 입자를 갖는 해면철 분말일 수 있다. 사용될 수 있는 불규칙하고 수분사된 분말의 전형적인 한 예로는 스웨덴의 회가내스 아베(Hoeganaes AB)에서 제조되는 ABC 100 및 ASC 100 시리즈 분말이 있다. 기지 분말의 입자 크기는 분말의 최종 사용 의도에 의존하며, 일반적으로는 200㎛ 미만, 바람직하게는 150㎛ 미만이다. 높은 진동수에 대해서는, 45㎛보다 작은 입자 크기가 바람직하다. 철 기지 분말 입자 대부분의 크기가 10㎛를 초과하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따르면, 이러한 기지 분말에는 산소 코팅 또는 배리어가 제공되며, 새로운 분말의 산소량이 기지 분말의 산소량과 비교할 때 약간만이 상승되어있는 것이 새로운 특징이다. 보다 상세하게는, 새로운 분말에서의 산소량은 기지 분말에서의 산소량보다 최대 0.2 중량% 많으며, 바람직하게는 최대 0.15 중량% 높다.

입자들의 표면 구조와 조성은 새로운 분말의 성질에 중요한 영향을 미친다고 여겨져 왔는데, 이는 새로운 분말이 ESCA법{동경대학교 출판부, 1972년판 385∼392페이지 및 393∼398페이지에 개시된 제목 "X선 광학 및 미세분석에 대한 6차 국제회의 결과(Proceedings of the sixth international conference on X-ray optics and microanalysis)" 또는 John Wilew and Sons에 의해 출판되고 Anthony R. West가 지은 "고체 상태의 화학 거동 및 그의 적용(Solid-state chemistry and its application)" 1984년판 86페이지 및 92∼96페이지에 개시됨}에 의해 연구되었기 때문이다. 이러한 방법에 따르면, O:P의 비는 30 미만이고 1보다 커야 한다. 이 비는 15 미만이고 2보다 큰 것이 바람직하며, 10미만이고 3보다 큰 것이 가장 바람직하다.

새로운 분말의 입자의 표면 배리어의 다른 중요한 특징은 두께이며, AES법(상기 "고체 상태에서의 화학 거동 및 그의 적용"에 대한 문헌을 참조)을 사용함으로써 절연 배리어 또는 코팅이 100nm 미만, 바람직하게는 70nm 미만, 가장 바람직하게는 50nm 미만이어야 함을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 절연 코팅은 기지 분말을, 지시된 양을 얻기 위해, 유기 용매에서 인산으로 충분한 시간 동안 처리함으로써 기지 분말에 도포된다. 유기 용매 내에서 인산의 농도는 상기 독일 특허에 개시된 농도보다 현저하게 낮아야 하는데, 0.5 내지 50% 사이, 바람직하게는 0.5 내지 20% 사이, 가장 바람직하게는 1 내지 5% 사이에서 변화되어야 한다. 새로운 분말은, 충분한 시간 동안 인산 용액을 기지 분말 상에 분사함으로써 상기 지시된 양을 얻을 수 있다. 인산의 농도는 바람직하게는 10 중량% 미만, 가장 바람직하게는 5 중량% 미만이어야 한다.

본 발명에 따른 새로운 철 기지 분말은 0.1 내지 1.0 중량%의 윤활제와 혼합될 수 있으며, 선택적으로는 압축하기 전에 열경화성 또는 열가소성 수지와 혼합될 수 있다. 윤활제의 대표적인 예로는 상표명 "케놀루브(Kenolube)", 에이치 왁스(H wax), EBS, 및 아연 스테아레이트와 같은 스테아레이트 등이 있다. 유기질 수지는 페라시트(Peracit), 울템(Ultem)으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.

압축 공정은 1000MPa까지의 통상적인 압력에서 수행될 수 있으며, 이러한 압축 공정은 상온 및 고온 모두에서 이루어질 수 있다.

본 발명은 다음의 실험을 통해 보다 확실하게 입증된다.

스웨덴 회가내스 아베(Hoeganaes AB)로부터 구할 수 있는 ABC 100.30 분말 1kg의 샘플은 물 속의 오소포스포릭산(orthophosphoric acid)과 에탄올 속의 오소포스포릭산을 각각 사용하여 코팅 공정이 수행된다. 산소 및 인의 코팅 또는 배리어를 얻기 위해 충분한 시간 동안 상기 용액을 2.5 내지 120㎖/kg의 철 기지 분말 상에 분사한다. 용매를 제거하기 위해 모든 샘플들을 건조시킨다. 얻어진 분말의 ESCA 분석을 통해, 수용액을 사용함으로써 수득된 분말의 O:P 비(O의 원자% : P의 원자%)가 약 30이며, 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써 얻어진 동일한 비는 5내지 10인 것을 알 수 있었다.

샘플의 화학적 분석을 통해, 수용액을 사용함으로써 수득된 분말의 산소량이 기지 분말에서보다 0.2%를 초과하여 높은 반면, 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써 수득된 분말의 산소량은 기지 분말의 산소량보다 0.2% 미만으로 높은 것을 알 수 있었다. 샘플들의 AES 분석을 통해, 모든 샘플에 대해 산화물 두께가 100nm보다 낮음을 알 수 있었다.

다음의 표에는 본 발명의 범위를 벗어난 분말과 비교한 새로운 분말, 즉 A로 언급된 분말에서 얻어진 데이터가 나타나 있다.

샘플	O/P	P의 원자 %	O의 원자 %	0의 전체량	추가된O의 양	P의 전체량	추가된P의 양
베이스 분말(1)		0.00	53.98	0.067	0	0.003	0
A4	9.3	5.83	53.98	0.070	0.003	0.004	0.001
A3	6.95	5.91	41.13	0.093	0.026	0.014	0.011
A2	4.6	13.49	61.92	0.171	0.104	0.048	0.045
비교 샘플B	29.7	1.92	57.01	0.214	0.147	0.013	0.010

O/P 비는 X선원이 K_α= 1486.6eV; ∼395nm인 단색 알루미늄을 X선 소스로 하여 KRATOS AXIS HS 스펙트로미터를 사용하는 ESCA으로 측정하였다.

O 및 P의 양은 화학적 분석으로 측정하였다.

비교 샘플 B는 WO 95/29490호에 개시된 방법을 이용하여 수용액으로부터 준비된 샘플이다.

표 2는 본 발명의 범위를 벗어난 분말과 비교하여 새로운 분말로부터 준비된 재료에 대해 수득된 그린 강도(green strength) 및 밀도를 개시하고 있다. 이러한분말들은 800MPa에서 압축되고, 0.6%의 케놀루브가 윤활제로 첨가되었다.

재료	그린 강도(N/㎟)	밀도(g/㎤)
비교 샘플 B	26.71	7.25
A	39.55	7.31
비교 샘플 C	19.24	7.14

비교 샘플 C는 독일 특허 제 3,439,397호에 따라 준비된 샘플이다.

본 발명에 따라 저산소 분말로 준비된 샘플의 자기적 성질에 대한 개선 효과가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 분말은 ESCA법에 의해 측정된 O/P 비에 의해 정의된다. 이러한 샘플들은 800MPa에서 분말을 압축하고, 압축된 샘플을 500℃에서 30분 동안 가열함으로써 준비된다. "비교 샘플 B"는 동일한 철 기지 분말에 대해 습식 처리를 함으로써 얻어진 결과이다. 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 새로운 저산소 철 분말에서는 현저한 개선이 이루어진다.

도 2는 도 1에 도시된 샘플의 전체 산소량의 함수로서 개선된 효과를 도시하고 있다.

Claims (8)

1. 절연성 산소 및 인 함유 배리어를 가지는 순수 철을 주요 성분으로 하여 이루어지는 기지 분말 입자들을 포함하는 저산소 분말에 있어서,

   상기 분말의 산소 함유량은 상기 기지 분말의 산소 함유량보다 최대 0.2 중량% 높으며, ESCA 법에 의해 측정될 때 O:P의 비는 15 내지 2이며, 상기 배리어는 AES법에 의해 측정될 때 최대 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 저산소 분말.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기지 분말이 해면철 분말 또는 수분사된 철 분말인 것을 특징으로 하는 저산소 분말.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 배리어의 두께는 70nm 미만인 것을 특징으로 하는 저산소 분말.
4. 수분사된 철 분말 또는 해면철 분말로 이루어진 기지 분말을 준비하는 단계와, 상기 혼합물을 유기 용매 내에서 인산 용액으로 처리하는 단계와, 그리고 수득된 혼합물을 건조시키는 단계를 포함하는 철 기지 분말 제조 방법에 있어서,

   혼합이 이루어지는 동안 상기 인산 용액이 상기 기지 분말 상에 분사되는 것을 특징으로 하는 철 기지 분말 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 유기 용매 내의 인산의 농도가 0.5 내지 20.0 중량%에서 변하는 철 기지 분말 제조 방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 유기 용매는 에탄올 및 아세톤으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 철 기지 분말 제조 방법.
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 인산 용액이, AES법에 의해 측정될 때 최대 100nm의 절연 코팅을 제공하는 시간 동안 상기 철 기지 분말 상에 분사되는 철 기지 분말 제조 방법.
8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 인산 용액이, 상기 기지 분말보다 산소 함유량이 최대 0.2 중량% 높은 철 기지 분말을 제공하는 시간 동안 상기 철 기지 분말 상에 분사되는 것을 특징으로 하는 철 기지 분말 제조 방법.