KR100525776B1 - 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금 - Google Patents

고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 적산전력계, ADSL 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용될 수 있고 0.8 내지 1.1 T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖으면서 자기변형은 작고 투자율의 선형성이 우수하여 산업용 제품으로의 응용이 가능하며, 합금성분의 농도의 변화는 물론 자기장하의 열처리에 의해 투자율의 조절을 용이하게 할 수 있는 고 포화 자속밀도를 갖는 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에 관한 것이다.
상기 본 발명에 있어서, 용탕로에 주괴 형태의 모합금을 넣고 1200 내지 1600℃에서 용탕시키면서 Ar 가스를 용탕로에 주입시킨 후 용탕로의 중앙 하부에 있는 노즐을 통해 모합금이 냉각 롤에 떨어지게 하면서 급냉시켜 제조한 리본 형태의 합금은 코발트, 철, 망간, 크롬, 규소, 붕소를 포함하고 상기 각 성분은 원자%로 Co의 함유량은 70 내지 75, Fe의 함유량은 1.3 내지 3.5, Mn의 함유량은 1.9 내지 4.3, Cr의 함유량은 0.01 내지 1.7, Si의 함유량은 4 내지 13, B의 함유량은 8 내지 17이고, 상기 성분들의 그룹성분은 원자 %로 Fe+Mn의 함유량이 4.9 내지 5.4이고, Fe+Mn/Co+Fe+Mn의 함유량은 0.059 내지 0.068이며, Cr+Si+B의 함유량은 20 내지 24.5이고, 상기 합금에서 규소 함유량에 대한 붕소 함유량의 비(B/Si)는 2 내지 5인 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명인 고 포화 자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금은 적산전력계, ADSL 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용될 수 있고 0.8 내지 1.1T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖는다. 또한 자기변형이 작으면서도 투자율의 선형성이 우수하여 산업용 제품으로의 응용이 가능하고, 합금성분의 농도의 변화는 물론 자기장하의 열처리에 의해 투자율의 조절을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금{Co based amorphous soft magnetic alloy with high saturation magnetic flux density}
본 발명은 고 포화 자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 적산전력계, ISDN 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용될 수 있고 0.8 내지 1.1T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖으면서 자기변형은 작고 투자율의 선형성이 우수하여 산업용 제품으로의 응용이 가능하며, 합금성분의 농도의 변화는 물론 자기장하의 열처리에 의해 투자율의 조절을 용이하게 할 수 있는 고 포화 자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에 관한 것이다.
종래의 자심재료로서 사용되고 있는 것은 Fe-Ni을 주성분으로 하는 퍼멀로이(permalloy)가 주를 이루고 있었고, 상기 재료는 각형 자화특성은 우수하나 20kHz 이상의 고주파에서는 보자력이 증대되어 와전류손(渦電流損)이 증대하므로 그에 따라 발열이 일어나서 사용이 불가능하게 되는 단점이 있다. 그러므로 자기 증폭기를 내장한 스위칭 전원의 스위칭 주파수는 20kHz 이하로 한정되어 있어서 스위칭 주파수의 증가에 한계가 있었다.
한편, 상기의 퍼멀로이를 대체하여 50kHz의 스위칭 주파수에서도 보자력(Hc)이 작고 각형비 특성이 양호한 것으로, (Co1-X1-X2 FeX1 MX2)X3 BX4 Si100-X3-X4(여기서, M은 Ti, V, Cr등을 비롯한 천이금속원소이고 조성비 X1, X2, X3, X4은 각각 의 관계를 만족하는 수이다.)로 표시되는 비정질 자성합금이 대한민국 특허공고번호 제87-63호에 개시되어 있다.
또한 비정질상을 형성하기 위한 액상의 용융금속을 빠르게 냉각시키는 기술의 개발과 비정질상의 형성이 용이한 합금의 개발이 이루어져 왔는데, 합금설계측면에서는 붕소(B), 인(P), 또는 규소(Si)등의 첨가는 비정질상의 형성을 용이하게 하는 것으로 알려져 있다. 그러므로 자성합금 조성중 B의 함량이 증가할수록 비정질형성능이 증가하게 되지만, 한편 B의 다량첨가는 합금의 자기적 성질 가운데 각형비 특성을 저해하는 요인으로 작용한다고 하여 대한민국 특허공고번호 제87-63호에서는 B의 조성비를 9원자% 이하로 한정하고 있어 비정질상을 용이하게 얻기 위해서는 용융금속의 냉각속도를 엄격히 관리하여야 한다고 하는 문제점이 있었다.
그리고 특허등록번호 특0163247 에서는 각형비 특성을 저해하지 않으면서 B 의 조성비를 종래기술에서의 한계치인 9원자%를 상회하여 11 내지 13 원자% 까지 포함시키는 것이 가능하여 비정질형성능의 향상을 도모하였으나, 자기적 특성 중에서도 중요한 포화 자속밀도는 0.8 T 이상으로 향상을 도모하지 못했다.
한편 최근에 와서 적산전력계, ADSL 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용할 수 있는 0.8 내지 1.1T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖으면서 투자율의 선형성이 우수한 연자성 합금재료의 개발이 요구되고 있지만 아직 없는 실정이다.
따라서 본 발명은 0.8 내지 1.1 T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖으면서 자기변형은 작고 투자율의 선형성이 우수하여 산업용 제품으로의 응용이 가능하며, 합금성분의 농도의 변화는 물론 자기장하의 열처리에 의해 투자율의 조절을 용이하게 할 수 있는 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금을 개발한 것이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 적산전력계, ISDN 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용될 수 있고, 0.8 내지 1.1T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖으면서 투자율의 선형성이 우수한 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 자기변형이 작으면서도 투자율의 선형성이 우수하여 산업용 제품으로의 응용이 가능한 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금을 제공하는데 있다.
또 다른 목적은 합금성분의 농도의 변화는 물론 자기장하의 열처리에 의해 투자율의 조절을 용이하게 할 수 있는 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에 있어서, 용탕로에 주괴 형태의 모합금을 넣고 1200 내지 1600℃에서 용탕시키면서 Ar 가스를 용탕로에 주입시킨 후 용탕로의 중앙 하부에 있는 노즐을 통해 모합금이 냉각 롤에 떨어지게 하면서 급냉시켜 제조한 리본 형태의 합금은 코발트(Co), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 규소(Si), 붕소(B)를 포함하고 상기 각 성분은 원자%로 Co의 함유량은 70 내지 75, Fe의 함유량은 1.3 내지 3.5, Mn의 함유량은 1.9 내지 4.3, Cr의 함유량은 0.01 내지 1.7, Si의 함유량은 4 내지 13, B의 함유량은 8 내지 17이고, 상기 성분들의 그룹성분은 원자 %로 Fe+Mn의 함유량이 4.9 내지 5.4이고, Fe+Mn/Co+Fe+Mn의 함유량은 0.059 내지 0.068이며, Cr+Si+B의 함유량은 20 내지 24.5이고, 상기 합금에서 규소 함유량에 대한 붕소 함유량의 비(B/Si)는 2 내지 5인 것을 특징으로 한다.
삭제
이하 본 발명인 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에서 다양한 조성에 따른 포화자기변형, 포화자속밀도, 투자율에 대하여 살펴보면 다음과 같다. 또한 상기 코발트계 비정질 연자성 합금은 통상의 용탕로(미도시)에 주괴 형태의 모합금을 넣고 1200 내지 1600℃에서 용탕시키면서 Ar 가스를 용탕로에 주입시켜 통상의 용탕로의 중앙 하부에 있는 노즐을 통해 모합금이 냉각롤에 떨어지게 하면서 급냉시켜 리본 형태의 합금을 제조하는 것이다. 여기서 급냉 온도는 대략 10 -6 ℃/sec이므로 비정질의 형태의 리본이 형성되는 것이다.
표 1에는 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금의 조성에 따른 포화 자기변형의 값을 나타내었다.
일반적으로 코발트와 철의 구성비는 자왜(자기변형)에 큰 영향을 미치는데, 특히 코발트와 철의 원자비가 94:6일 때에 자왜가 0인 것으로 알려져 있다. 천이 금속원소는 비정질 합금의 열적특성에 관여하여 합금의 큐리온도에 영향을 주는데, 합금의 큐리온도는 합금의 결정화온도보다 낮아야 열처리 시에 큐리온도와 결정화온도 사이에서 열처리가 가능하여 유도자기 이방성이 없는 자성을 얻을 수 있는 것이다.
표 1. 고 포화자속밀도를 갖는코발트계 비정질 연자성 합금의 조성에 따른
포화 자기변형의 값.
표 1에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 합금 조성 중에서 철과 망간 함유량 값과 코발트 함유량 값의 수량 관계에 의해 철과 망간 합금의 포화 자기변형 값이 거의 0 에 가깝게 도달할 수 있으며, 이러한 상호 관계의 값이 0.068 이상으로 증대되면 포화 자기변형도 증가되고, 상호 관계의 값이 0.059 이하로 감소하여도 이 또한 자기변형을 증가시킨다.
그러나 상기 조성으로 이루어져 있는 합금들은 자기변형 값이 매우 작기 때문에 산업에서 이용되는 제품으로의 응용이 가능한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 (Co0.93Fe0.04Mn0.03)1-x(Cr0.03Si0.57B0.4)x 합금 조성의 함량 변화에 따른 포화자속밀도와 투자율을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 (Co0.93Fe0.04Mn0.03)1-x(Cr0.03Si0.36B0.61)x 합금 조성의 함량 변화에 따른 포화자속밀도와 투자율을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Co74Fe3.3Mn2Cr0.7Si20-xBx 합금 조성의 함량 변화에 따른 포화자속밀도와 투자율을 나타낸 도면이다.
일반적으로 규소와 붕소는 합금의 비정질화에 영향을 주는 원소로 함량이 적을수록 비정질화가 어려워지므로 비정질상을 얻기 위하여 용융합금이 냉각속도를 빠르게 하여야 한다. 또한 천이금속 원자는 포화자속밀도를 감소시키지만 결정화온도에는 큰 영향을 주지 않으면서 큐리온도를 낮추기 때문에 열처리온도를 큐리온도 이상, 결정화온도 이하에서 실행하기 위해 첨가량이 15원자%이상이면 포화자속밀도가 낮아져 자성재료로서의 용융이 곤란하다.
본 발명이 산업의 제품으로의 응용이 가능하게 하는 합금의 자기적 성질은 상기 언급한 6개 성분에서 각각의 농도를 최적화한 것이고, 상기 성질을 얻는데, 전체 농도를 제한하는 세 개의 그룹에 변화를 주어 달성하였다. 즉, 첫 번째는 하나와 그것 합의 경계에서 망간 농도 감소에 맞추어 1.3에서 3.5%까지의 철의 농도 증대는 포화자속밀도를 증가시키고 투자율을 감소시킨다. 상기에 기술한 바와 같은 형태 합금의 성질에 그룹(Cr+Si+B) 성분은 상기 그룹에서 그것의 함유량 합의 근본적인 영향을 준다. Co+Fe+Mn 합의 감소에 따라 (Cr+Si+B) 성분 합의 증대는 포화자속밀도를 감소시키고 투자율을 증대시킨다. 또한 (Cr+Si+B) 성분 합의 감소에 따라 반대로 포화자속밀도는 증대시키고 투자율은 감소시킨다. 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 포화자속밀도의 크기는 (Cr+Si+B)의 합이 24% 이상 증대함에 따라 0.8 T 이하로 감소되고, 투자율의 값은 3700 정도로 증가되며, 포화자속밀도의 크기는 (Cr+Si+B)의 합이 20% 이하로 감소에 따라 0.98 T 이상으로 증가되고, 투자율의 값은 1,200 정도로 감소된다. 상기 (Cr+Si+B)합의 값의 변화에 따른 합금의 자기적 성질에서 붕소와 규소의 농도 상호 관계로 차이가 나는 것을 알 수 있다.
또한 도 3에 도시한 바와 같이, 코발트, 철, 망간, 크롬의 조성의 함유량은 고정되고 붕소와 규소의 함유량 변화에 따라 자기적 성질 중의 하나의 요소인 포화자속밀도를 조절할 수 있다. 규소의 함유량을 줄여 붕소 함유량을 증대시킨 결과 포화자속밀도가 증가됨을 알 수 있다. 이러한 규소 농도에 대한 붕소 농도의 비는 2 내지 5가 가장 바람직하고 상기 규소 농도에 대한 붕소 농도의 비가 5를 초과하게 되면 합금의 비정질화 경향이 줄어들므로 산업으로의 응용에 악영향을 준다.
표 2에는 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금의 조성에 따른 포화자속밀도와 투자율의 값을 나타내었다.
표 2. 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금 조성에 따른
포화자속밀도와 투자율의 값.
표 2에 나타나 있는 바와 같이, 적산전력계, ADSL 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용될 수 있는 요건인 포화자속밀도가 0.8 내지 1.1T 범위 내에 있으므로 적산전력계, ADSL 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 요건을 만족시키는 것을 알 수 있다. 또한 상기의 실시 예에서는 기술하지 않았지만, 상기의 투자율보다 높은 3800 범위 이내의 값으로 증대시키기 위해서는 리본 방향에 수직으로 100 내지 2000 G의 자기장을 걸면서 300 내지 500??에서 열처리하면 투자율을 변화시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명인 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 적산전력계, ADSL 통신시스템을 위한 고주파 변압기, 누전차단기 등의 자심재료로서 사용될 수 있고, 0.8 내지 1.1T 범위의 높은 포화자속밀도를 갖는다.
둘째, 본 발명은 자기변형이 작으면서도 투자율의 선형성이 우수하여 산업용 제품으로의 응용이 가능하다.
셋째, 본 발명은 합금성분의 농도의 변화는 물론 자기장하의 열처리에 의해 투자율의 조절을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 (Co0.93Fe0.04Mn0.03)1-x(Cr0.03Si0.57B0.4)x 합금 조성의 함량 변화에 따른 포화자속밀도와 투자율을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 (Co0.93Fe0.04Mn0.03)1-x(Cr0.03Si0.36B0.61)x 합금 조성의 함량 변화에 따른 포화자속밀도와 투자율을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Co74Fe3.3Mn2Cr0.7Si20-xBx 합금 조성의 함량 변화에 따른 포화자속밀도와 투자율을 나타낸 도면.

Claims (2)

  1. 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금에 있어서,
    용탕로에 주괴 형태의 모합금을 넣고 1200 내지 1600℃에서 용탕시키면서 Ar 가스를 용탕로에 주입시킨 후 용탕로에 있는 노즐을 통해 모합금이 냉각 롤에 떨어지게 하면서 급냉시켜 제조한 리본 형태의 합금은 코발트, 철, 망간, 크롬, 규소, 붕소를 포함하고 상기 각 성분은 원자%로 Co의 함유량은 70 내지 75, Fe의 함유량은 1.3 내지 3.5, Mn의 함유량은 1.9 내지 4.3, Cr의 함유량은 0.01 내지 1.7, Si의 함유량은 4 내지 13, B의 함유량은 8 내지 17이고, 상기 성분들의 그룹성분은 원자 %로 Fe+Mn의 함유량이 4.9 내지 5.4이고, Fe+Mn/Co+Fe+Mn의 함유량은 0.059 내지 0.068이며, Cr+Si+B의 함유량은 20 내지 24.5이고, 상기 합금에서 규소 함유량에 대한 붕소 함유량의 비(B/Si)는 2 내지 5인 것을 특징으로 하는 고 포화자속밀도를 갖는 코발트계 비정질 연자성 합금.
  2. 삭제
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