KR100560829B1 - 초자왜(超磁歪) 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

전자기기의 소형화, 의료기구나 각종 제조장치의 고성능화에 따라 가공성이 양호한 재료로 보다 더 큰 이동량〔큰 왜량(歪量)〕을 실현하는 액츄에이터가 요망되고 있다. 본 발명은 Fe_3-xPt_1+x(-0.02≤x ≤0.2)를 열처리에 의해 규칙화율을 0.6∼0.95로 한 초자왜(超磁歪) 합금이다. Fe_3-xPt_1+x(-0.02≤x ≤0.2) 소재를 균질화 어닐링한 후, 700∼1000K에서 0.5∼600시간 가열 처리하는 것에 의해 자기변형(magnetostriction) 0.3이상, 특히, 0.5이상의 초자왜 합금이 얻어진다.

Description

초자왜(超磁歪) 합금 및 그 제조방법{Supermagnetostrictive alloy and method for preparation thereof}

본 발명은 상(相) 변태를 이용하여 큰 자왜(磁歪)를 발현(發現)할 수 있는 자성(磁性)합금, 즉, 초자왜(超磁歪) 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

부재(部材)로서 이동(歪:왜)과 힘(응력)을 발생할 수 있는 기능재료는 액츄에이터라고 호칭되며, 전자기기, 의료기기, 각종 제조장치에 많이 이용되고 있다. 재료로서, 압전(壓電), 자왜, 형상기억재료 등이 있다. 자왜재료로서 희토류 합금 Tb_0.3Dy_0.7Fe가 주목되고(Jounal of Alloys and Compounds, vol. 258, 1997),상품화(상품명 Terfenol-D)되고 있다. 그 최대 자기변형(magnetostriction)(磁歪量)은 0.17%이다.

또, 일본국 특개평 11-269611호 공보에는 Fe/Pt, Fe/Pd계로 급냉 응고한 자기변형(magnetostriction) 0.15∼0.2%의 합금이 기재되어 있다. 또, Ni₂MnGa는 자장(磁場)이나 전장(電場)에서 결정상태가 변화하고, 작동시간을 고속화할 수 있는 형상기억합금이라는 것이 알려져 있는데(공업재료 Vol. 45. No. 12, 1997년 11월호, P 108∼111, 일본국 특개평 10-259438호 공보), 이 합금은 기계적으로 취약해서 가공성이 나쁘다. 또한, 일본국 특개소 62-170453호 공보에는 Fe에 25∼30at%의 Pt를 함유시킨 것으로 이루어지는 원자의 배열이 불규칙한 가공성이 양호한 형상기억합금이 기재되어 있다. 또한, 일본국 특개평 11-509368호 공보에는 쌍정구조를 가진 물질에 그 물질의 쌍정구조의 재배열에 적합한 방향 및 크기의 자장을 작용시켜, 그 물질의 형상변화 및 운동 및/또는 힘을 발휘하게 하는 쌍정구조를 가진 물질의 쌍정구조의 재배향을 제어하는 방법이 기재되어 있다.

전자기기의 소형화, 의료기구나 각종 제조장치의 고성능화에 따라 가공성이 양호한 재료로 보다 더 큰 이동량〔큰 왜량(歪量)〕을 실현하는 액츄에이터가 요망되고 있다.

본 발명자들은 Fe_3-xPt_1+x(-0.02≤x ≤0.2)를 합금의 구조상(構造相) 변태에 착안하여, 독창적인 열처리 조건하에서 규칙화 처리를 행함으로써 0.3% 이상, 특히 0.5% 이상의 자기변형(magnetostriction)을 얻는데 성공하였다.

즉, 본 발명은 Fe_3-xPt_1+x(-0.02≤x ≤0.2)를 열처리에 의해 규칙화율을 0.6∼0.95로 한 초자왜 합금이다. x가 -0.02 미만 또는 0.2를 초과하면 규칙화를 시켜도 FCC-FCT 마텐자이트(martensite)변태가 일어나지 않는다. x는 보다 더 바람직하기로는 0.0≤x ≤0.1이다.

또 본 발명은 Fe_3-xPt_1+x(-0.02≤x ≤0.2) 합금소재를 균질화 어닐링한 후, 700 ∼1000K에서 0.5∼600시간 가열 처리하는 것을 특징으로 하는 상기 초자왜 합금의 제조방법이다.

규칙화율(S)은 면심구조(面心構造)의 Fe₃Pt에서는, 결정격자의 코너에 Pt, 면심에 Fe가 모두 바르게 배치된 상태를 완전히 규칙화된, 즉 규칙화율 S=1로 하면, 이 규칙화율을 0.6에서 0.95로 함으로써 최대의 자기변형(magnetostriction)을 달성하였다. 이 규칙화율이 0.6 미만 또는 0.95를 초과하면 FCC-FCT 마텐자이트 변태가 일어나지 않는다.

본 발명의 합금은 4T 정도의 약한 자장에서 0.5% 이상이라는 매우 큰 왜량(歪量)을 발현하고 있다. 자왜합금에 관하여 자구(磁區) 내에서 스핀이 갖추어진다는 지금까지의 생각만으로는 얻을 수 있는 자기변형(magnetostriction) △l/l은 기껏해야 10^-6의 오더(order)이다. 본 발명의 합금에 있어서 0.5%(5 ×10^-3)의 매우 큰 왜량이 얻어지는 이유로서는, 결정학적 도메인〔variant〕과 자구가 동일하게 되어, 단자구(單磁區)를 형성하고, 결정적(結晶的)으로도 축이 가지런히 갖추어지기 때문일 것이라고 생각된다.

본 발명의 합금은 용이하게 단결정, 다결정 벌크, 박판형(롤형 포함), 선형이나 박막형으로 제조할 수 있어 가공성이 양호하다. 또 결정학적 도메인〔variant〕과 자구를 대략 같은 크기로 하고, 자장방향으로 가지런히 갖추어진 형상기억합금을 얻을 수 있다.

도 1은 규칙화처리시간의 함수로서의 상변태를 나타내는 그래프..

도 2는 실시예 1의 Fe₃Pt 단결정의 인가자장과 자기변형(magnetostriction)의 관계를 나타내는 그래프.

도 3은 실시예 1의 Fe₃Pt 단결정의 자화율(magnetic susceptibility)의 온도의존성을 나타내는 그래프..

도 4는 실시예 1의 Fe₃Pt 단결정의 77K와 100K에서의 X선 프로파일을 나타낸는 그래프..

도 5는 실시예 1의 Fe₃Pt 단결정의 열팽창율의 온도의존성을 나타내는 그래프.

본 발명에 있어서, 열처리하기 전의 Fe_3-xPt_1+x(-0.02≤x ≤0.2) 합금소재는 단결정제조법, 주조법, 스퍼터링법 등으로 제조할 수 있다. 소재를 약 1200∼1700K에서 균질화 어닐링하여, 소재를 소정의 형상으로 절단하고, 절단시의 일그러짐을 제거하기 위해 약 1200∼1700K에서 용체화(熔體化)처리한 후, 규칙화 처리를 위해 소재를 석영관 내에 봉입하고, 산화를 방지하기 위해 진공 또는 Ar 가스 대기로 하여 700∼1000K, 바람직하기로는 800K∼900K에서 0.5∼600시간, 바람직하기로는 1시간에서 96시간 가열한다.

규칙화 처리온도까지의 승온 및 규칙화 처리온도로부터의 강온(降溫)의 스피드(speed)는 문제되지 않는다. 강온은 공냉(空冷)이라도 수냉(예를들면 20℃의 수중에 투입)이라도 된다. 습도 ×시간은 규칙화율(S)이 0.6에서 0.95 사이에서 원하는 규칙화율이 얻어지도록 조정한다. 주조법에 의해 얻어진 소재인 경우에는 결정의 방향을 맞추기 위해 단조 또는 압연하는 것이 바람직하다. 또 다른 실시형태로서 기판을 700∼1000K로 가열하고 철, 백금을 증착(蒸着)하는 방법도 가능하다.

소재의 입방정 FCC에서 규칙화 처리에 의해 정방정의 FCT로 되므로, 규칙화율은 X선 분석으로 검지 가능하다. 도 1은 923K에서 규칙화 처리한 경우의 규칙화 처리시간의 함수로서의 상(相) 변태도이며, BCT( ---- )와 FCT 마텐자이트(- - -)의 Ms온도의 변화 및 트위드 패턴(tweed pattern)의 형성개시온도가 규칙화 처리시간에 의존하여 변화하는 것을 나타내고 있다. 도 1의 우측 하단의 FCT영역이 규칙화율 0.6에서 0.95의 본 발명 합금에 해당한다.

[실시예 1]

하기의 방법으로 Fe₃PT의 단결정 벌크 합금을 플로팅존법으로 제조하였다.

① 용해 : 철과 백금을 원자비로 3 : 1이 되도록 각각 26g, 30g을 아크용해로에서 아크용해하였다.

② 단결정화 : 4타원 경형(鏡型) 부유대역(浮遊帶域) 용융장치를 사용하여 플로팅존법으로, 단결정화하여 Fe₃Pt의 단결정 덩어리 56g를 얻었다.

③ 균질화 어닐링 : 전기로를 사용하여 Fe₃Pt의 단결정 덩어리의 온도를 1373K로 유지하여 24시간 가열하고 서서히 냉각시켰다.

④ 시료의 커팅 : 열처리 후의 단결정 덩어리를 2mm각의 입방체로 절단하여 라우에 분석으로 결정방위를 확인하고, 자장방향이〔001〕방향이 되도록 결정방향을 맞추었다.

⑤ 석영관에 봉입 : 다음에 절단후의 단결정 덩어리를 직경 10mm, 길이 50mm 크기의 석영관에 봉입하였다.

⑥ 용체화(溶體化) 처리 : 커팅 시의 일그러짐을 없애기 위해 석영관 내를 진공 또는 Ar 가스 대기로 하여 단결정 덩어리를 1373K로 유지하고, 1시간 가열하여 서서히 냉각시켰다.

⑦ 규칙화 처리 : 전기로를 사용하여 단결정 덩어리를 923K로 유지하고 12시간 가열하였다.

⑧ 냉각 : 가열 후 공냉하였다.

자기변형(magnetostriction) 측정 : 열팽창, 자기변형(magnetostriction)의 측정은 2 평면간의 거리의 변화를 용량측정에 의해 검지하였다. 용량측정은 3단자 용량측정법을 이용하였다. 단결정의 경우에는 2mm입방의 주사위형으로 001을 자계의 방향에 맞추어 측정하였다.

측정 결과를 도 2에 나타낸다. ①, ②, ③의 순으로 0T에서 4T로, 4T에서 0T로, 0T에서 4T로, 다시 0T로(선의 종류는 실선, 일점쇄선, 점선의 순서) 자장(T)을 변화시켰다. 도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 Fe₃Pt 단결정은 5 ×10^-3의 자기변형(magnetostriction)을 나타내고 있다. 이것은 종래예의 3배에 상당한다. 도 3은 자화율(magnetic susceptibility)의 온도의존성, 도 4는 77K와 100K에서의 X선 프로파일을 나타낸다. 이것으로부터 도메인의 수, 자기변형(magnetostriction)을 계산할 수 있고, 결과와 합치한다. 도 5는 열팽창율의 습도의존성을 나타내는 그래프이고, 5×10^-3의 형상변화를 나타내고, 3개의 배리언트(variant)가 도입되어 있다.

[실시예 2]

하기 방법으로 Fe₃Pt의 다결정 벌크판형 합금을 주조법에 의해 제조하였다.

① 용해 : 실시예 1과 마찬가지로 용해한 용탕을 수냉강 도가니 내에서 응고시켜 크기 30 ×20 ×10mm의 Fe₃Pt의 다결정 덩어리를 얻었다.

② 압연 : 편측 롤법에 의해 압연하여 1mm 두께의 판형 시료를 작성하였다.

③ 균질화 어닐링 : 이후는 실시예 1과 같다.

자기변형(magnetostriction)은 3 ×10^-3이었다.

[실시예 3]

하기 방법으로 Fe₃Pt의 다결정 합금막을 스퍼터링법으로 제조하였다.

① 스퍼터링 : 마그네트론 스퍼터장치를 사용하여 타겟으로서 Fe₃Pt 조성의 합금을 사용함으로써 철과 백금을 3 : 1이 되도록 석영으로 이루어지는 기체(基體) 상에 스퍼터링하고, 퇴적한 막을 기체에서 박리하여 두께 0.001mm의 Fe₃Pt의 합금막을 얻었다.

② 균질화 어닐링 : 이후는 실시예 1과 같다.

자기변형(magnetostriction)은 3 ×10^-3이었다.

본 발명의 자왜합금은 0.3% 이상 특히 0.5% 이상 이라는 매우 큰 왜량을 발현하고 있다. 또 가공성이 양호하고, 판재, 박(箔), 선재로도 할 수 있다. 스퍼터링에 의한 박막으로도 가능한 재료, 프로세스이다.

Claims (5)

1. Fe_3-xPt_1+x 합금소재를 x의 범위 -0.02≤x≤0.2로 균질화 어닐링한 후, Fe_3-xPt_1+x 합금을 700∼1000K에서 0.5∼600시간 동안 가열처리하여 규칙화율 0.6∼0.95를 가지는 것을 특징으로 하는 초자왜 합금의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 가열처리는 800∼900K에서 하는 것을 특징으로 하는 초자왜 합금의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 가열처리는 1∼96시간 동안 가열하는 것을 특지으로 하는 초자왜 합금의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 가열처리는 800∼900K에서 1∼96시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 초자왜 합금의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 균질화 어닐링은 1200∼1700K에서 하는 것을 특징으로 하는 초자왜 합금의 제조방법.

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