본 발명에 따른 비정질 연자성 합금, 유리 및 바인딩 수지에 관한 설명이다.
비정질 연자성 합금
비정질 연자성 합금의 예로는 Fe 합금(Fe-Si-B 등), Co 합금(Co-Fe-Si-B 등) 등의 합금이 있다. 이 합금들은 일반적으로 약 500℃의 결정화 개시 온도를 갖는 다.
비정질 연자성 합금의 분말은 고속 회전 수류 분무법 및 회전 액체 분무법 같은 공지의 방법으로 얻을 수 있다.
비정질 연자성 합금 분말은 입경이 약 250 ㎛이하인 것이 바람직하다.
평균 입경은 약 30 내지 100 ㎛가 적당하다.
유리
유리는 비정질 연자성 합금의 결정화 개시 온도 보다 작은 약 80 내지 400℃의 연화점을 갖는 것을 사용한다. 연화점은 온도 범위 이상의 열처리를 위해 약 100 내지 400℃가 바람직하다. 이 타입의 유리 재료의 예로는 산화납 함유의 붕산 유리(PbO·B2O3) 및 붕산 유리 및 여기에 첨가된 산화아연 또는 산화규소를 포함하는 세 가지 성분의 유리 등의 저연화점의 유리이다.
유리는 원료 분말에 대하여 1 내지 20 부피%가 바람직하게 사용된다. 이 범위내에서 소망의 도자율에 따라 결정된다. 지나치게 적은 양이 사용되면, 바인더로의 작용이 어려워 비정질 연자성 합금 분말을 팽창시키는 것을 어렵게 하고, 합금 입자가 다른 것으로부터 효과적으로 절연되지 않는다. 반면, 유리가 과도하게 사용되면, 기계적 강도는 증가하나 비정질 연자성체 중의 비정질 연자성 합금의 비율이 감소하여 충분한 자기 특성을 확보할 수 없다.
바인딩 수지
사용된 바인딩 수지는 원료 분말의 입자를 예비성형 동안 어느 정도의 압축된 부피로 결합시키는 바인딩 성질과 예비성형 다이로부터 꺼낸 후에도 과대한 힘 이 가해지지 않는 한 예비성형체가 특정 형상을 유지하도록 하는 수지 재료이다. 그러한 바인딩 수지 재료의 예는 에폭시 수지, PVA, 왁스 및 연질의 페놀 수지 및 아크릴 수지를 포함하는 유기 바인더이다.
원료 분말은 상기 기술된 비정질 연자성 합금, 유리 및 바인딩 수지로부터 제조된다.
원료 분말
사용 가능한 원료 분말은 다음의 3종류의 예를 포함한다.
분말 Ⅰ; 비정질 연자성 합금 분말, 유리 분말 및 바인딩 수지를 혼합한 분말.
분말 Ⅱ; 비정질 연자성 합금 분말의 표면을 유리로 코팅한 복합 입자와 바인딩 수지를 혼합한 분말.
분말 Ⅲ; 비정질 연자성 합금 분말의 표면을 유리 및 바인딩 수지로 코팅한 분말.
원료 분말 Ⅰ 내지 Ⅲ는 하기 기술된 방법에 의해 제조된다.
원료 분말 Ⅰ
원료 분말 Ⅰ은 비정질 연자성 합금 분말, 유리 분말 및 바인딩 수지를 포함한다. 사용된 바인딩 수지는 분말, 액체 또는 겔형이다. 도1은 비정질 연자성 합금 분말(3), 유리 분말(32) 및 분말형 바인딩 수지(34)를 포함하는 원료 분말을 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
분말형 바인딩 수지가 사용되는 경우에, 원료 분말은 비정질 연자성 합금 분 말, 유리 분말 및 바인딩 수지분말을 제조하여 혼합함으로써 얻어진다. 합금 분말의 입경이 약 100 내지 150 ㎛일 때, 유리 분말의 입경은 약 3 내지 7 ㎛ 및 바인딩 수지분말은 약 0.1 내지 10 ㎛가 바람직하다. 또한, 합금 분말의 입경이 약 30 내지 100 ㎛일 때, 유리 분말은 약 1 내지 5 ㎛ 및 바인딩 수지분말은 약 0.1 내지 5 ㎛가 바람직하다.
사용된 바인딩 수지가 액체 또는 겔형인 경우에, 원료 분말은 합금 분말 및 유리 분말을 혼합하고, 그 혼합물 또는 혼합된 합금 및 유리 분말에 액체 또는 겔형의 바인딩 수지를 첨가하여 제조된다.
분말이 함께 혼합되거나 바인딩 수지가 불활성 기체 분위기 또는 진공에서 분말과 혼합되는 것이 바람직하다.
원료 분말 Ⅱ
원료 분말 Ⅱ는 비정질 연자성 분말(3)을 유리(36)로 코팅하여 얻어진 복합 입자의 분말과 바인딩 수지(34)를 혼합하여 제조된다. 도2는 이 원료 분말을 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
복합 입자의 분말은, 예컨대, 도5에 도시된 분말 코팅 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 도5는 복합 입자를 제조하는데 사용된 분말 코팅 장치를 도시한 도면, 즉, 용기의 한쪽 말단에 가까운 위치에서 장치의 원통형 용기(10)의 축에 직교 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도5에서, 거의 밀봉한 원통형 용기(10)는 내부에 회전축(20)에 고정된 보스(11)로부터 방사상으로 돌출된 제1암(12)을 구비한다. 제1암(12)의 외부 말단 에 용기(10)의 축방향에 연장하고 정확히 가로지르는 외부 표면을 갖는 막대형의 가압 부재(14)가 제공된다. 가압 부재(14)는 압력을 가하여 분말(22)을 압축할 수 있도록 소정의 간격으로 용기 내부 표면으로부터 떨어진 위치에 그것의 외부 표면을 갖는다. 제2암(16)은 제1암(12)에 상반하는 방향에서 용기(10)의 보스(11)로부터 방사상으로 연장한다. 제2암(16)의 외부 말단에 용기(10)의 축방향으로 신장된 판 형태로 스크레이퍼(18)가 제공된다. 스크레이퍼는 분말(22)을 긁어내기 위해 용기 내부 표면과 거의 접촉하게 배설되어 있다. 용기(10)는 진공 또는 불활성 기체 분위기가 주어질 수 있다.
회전축(20)은 회전 구동 장치(미도시)에 연계되어 있다. 제1암(12) 및 제2암(16)은 고속으로 축(20)과 같이 회전한다. 도5(a)는 최하부에 위치한 스크레이퍼(18)를 구비한 장치를 도시하고, 도5(b)는 최상부에 위치한 가압 부재(14)를 구비한 장치를 도시한 도면이다.
이 분말 코팅 장치를 사용하여, 복합 입자의 분말이 다음의 방식에 따라 제조된다.
비정질 연자성 합금 분말 및 유리 분말을 용기(10)에 놓고 스크레이퍼(18)에 의해 긁어내면서 교반한다. 그리고 나서, 분말은 용기(10)의 내주면에 대하여 가압 부재(14)에 의해 압축되고, 이에 의해 강한 압축 마찰 작용을 받는다. 분말은 이렇게 고속으로 반복해서 작용을 받아 미립자 합금 및 유리의 표면이 서로 융합되고 유리 입자들이 열로 서로 결합된다. 그 결과, 비정질 연자성 합금 입자(3)는 유리의 층(36)으로 코팅되어 복합 입자가 생성된다(도2)
유리층은 그 두께가 3 ㎛를 초과하면 유리층이 잘게 썰어져서 불균등한 두께를 갖게 되어 절연성이 저하하기 때문에 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
산화 방지를 위해 복합 입자는 불활성 기체 분위기 또는 진공에서 제조된다. 진공은 고체 사이의 결합을 방해하는 기체 분자가 존재하지 않아 복합 입자의 형성을 촉진하기 때문에 바람직하게 사용된다.
얻어진 복합 분말은 원료 분말을 제조하기 위해 분말 Ⅰ의 경우와 같은 방식으로 분말, 액체 또는 겔형의 바인딩 수지와 혼합된다.
원료 분말 Ⅲ
원료 분말 Ⅲ는 비정질 연자성 합금 분말의 표면을 유리 및 바인딩 수지로 코팅하여 제조된다. 도3은 이 원료 분말을 개략적으로 도시한 다이어그램이다.
비정질 연자성 합금 분말은 원료 분말 Ⅱ를 제조하기 위해 사용된 분말 코팅 장치에 의해 유리 및 바인딩 수지로 코팅될 수 있다. 장치의 용기(10)에 비정질 연자성 합금 분말, 유리 분말 및 바인딩 수지분말을 놓고 작동시킬때, 미립자 합금 유리 및 수지는 압축 마찰 작용에 의해 그들의 표면에 서로 융합되어 합금 입자(3)의 표면은 유리 및 바인딩 수지의 층(38)으로 코팅된 복합 입자가 된다.
합금 입자 표면의 코팅층의 두께가 3 ㎛를 초과하면 코팅층이 잘게 썰어져 두께가 불균등하게 되어 절연성이 저하하기 때문에 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
원료 분말 Ⅲ의 변형으로서, 비정질 연자성 입자(3)는 합금 입자 및 유리 분말을 분말 코팅 장치에 넣고, 합금 입자를 유리로 코팅하여 합금 입자의 표면에 유리층을 형성하고, 그 후, 바인딩 수지분말을 장치에 넣음으로써 도4에 도시된 바와 같이 비정질 연자성 입자의 표면을 유리층(36)으로 그리고, 상기 유리층을 바인딩 수지층(39)으로 코팅할 수 있다. [이하, 분말 Ⅲ' 또는 Ⅲ"로 언급한다]
이 경우에서, 유리층은 그 두께가 3 ㎛를 초과하면 유리층이 잘게 썰어져 두께가 불균등하게 되어 절연성이 저하하기 때문에 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
바인딩 수지는 예비성형체가 가열될 때 증발하기 때문에 바인딩 수지가 과도한 두께를 갖게 될 때, 제조된 비정질 연자성체는 그 안에 많은 공간이 생겨 강도가 저하하기 쉽다. 그러므로, 바인딩 수지층은 그 두께가 약 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
예비성형체의 제조
상기 과정에 의해 제조된 원료 분말은 예비성형 다이에 충전되어 성형을 위해 가압된다. 가해진 압력은 입자에 바인딩 수지가 결합된 예비성형체를 성형한다. 이렇게 해서, 원료 분말이 실온에서 바람직하게 성형되나 수지의 연화도에 따라 성형을 위해 적절히 가열될 수 있다. (그러나, 이런 경우에도, 가압 동안의 가열 온도는 유리의 연화점 보다 낮아야 한다.)
예비성형을 위한 가해진 압력은 500 내지 3000 MPa인 것이 바람직하다. 그러한 높은 압력이 가해지는 것은 다음의 소성 단계에서 예비성형체에 압력이 가해지지 않고, 비정질 연자성체의 치밀도가 예비성형을 위해 사용된 압력에 의해 결정되기 때문이다.
예비성형에 의해 치밀화 벌크 성형체가 얻어진다. 예비성형 다이로부터 방출될 때, 예비성형체는 과도한 힘이 가해지지 않는 한 그 형상을 유지한다.
합금 입자의 표면이 유리층으로 그리고, 상기 유리층을 바인딩 수지로 코팅된 분말 Ⅲ' 또는 Ⅲ"는 각 입자의 최상층으로 바인딩 수지층을 갖는다. 따라서, 분말은 가압되었을 때, 입자가 입자 표면의 수지층에 의해 성형체가 되는 것이 쉽고, 얻어진 예비성형체가 붕괴되기 어려운 이점을 갖는다.
비정질 연자성체의 형성
얻어진 예비성형체는 가압 없이 가열되어 비정질 연자성체가 제조된다.
가열 온도, 즉, 소성 온도는 유리의 연화점 보다 높고, 비정질 연자성 합금의 결정화 개시 온도 보다는 낮다. 예컨대, 약 500℃의 결정화 개시 온도 및 약 320 내지 400℃의 연화점의 붕산 유리를 갖는 비정질 연자성 Fe 합금, Fe-Si-B로부터 제조될 때, 예비성형체는 5 내지 30분 동안 약 400 내지 480℃의 온도에서 소성될 수 있다.
예비성형체가 유리의 연화점 보다 높은 온도에서 가열될 때, 유리는 가요성을 나타낸다. 이 상태에서, 흐르는 유리는 합금 입자 사이의 공간으로 들어가 충전한다.
유리는 바인더로 작용하여 얻어진 비정질 연자성체에 바람직한 기계적 강도를 주고, 합금 입자 사이에서 절연체로 작용한다. 이는 와전류(eddy currents) 때문에 일어나는 동력 손실을 줄이고, 고주파 영역에서의 도자율이 덜 감소하는 이점을 갖는다.
본 발명에 의해 제조된 비정질 연자성체는 도자율 μ'이 약 20 내지 100이고, 변압기 및 초크 코일용 재료로 적당하다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 비정질 연자성체는 소성과 동시에 응력 경감 열처리가 가해진다.
<실시예>
비정질 연자성체가 제조되는 특정 실시예가 하기에 기술된다.
<원료 분말의 제조>
원료 분말 Ⅰ
비정질 연자성 합금의 분말, Fe78Si9B13(최대 입경 약 100 mesh), PbO·B2O3·SiO2 유리(평균 입경 약 10 ㎛, 연화점 360℃)의 유리 분말 및 바인딩 수지로 에폭시 수지 분말(최대 입경 약 100 mesh)이 준비되었다. 합금 분말, 유리 분말 및 에폭시 수지의 양이 80 부피%, 5 부피% 및 15 부피%의 비율이 되도록 무게를 재어 볼밀에 넣고 24시간 혼합하여 원료 분말 Ⅰ을 얻었다.
원료 분말 Ⅱ
비정질 연자성 합금의 분말, Fe78Si9B13(최대 입경 약 100 mesh) 및 PbO·B
2O3·SiO2 유리(평균 입경 약 10 ㎛, 연화점 360℃)의 유리 분말이 준비되었다. 합금 분말 및 유리 분말의 양이 90 부피% 및 10 부피%의 비율이 되도록 무게를 재어 도5의 분말 코팅 장치에 넣고 기본 입자인 합금 입자의 표면을 유리층으로 코팅하여 복합 입자의 분말이 제조되었다. 얻어진 복합 입자는 합금 입자의 평균 입경이 약 75 ㎛이고, 유리층의 두께는 약 2 ㎛이었다.
복합 입자의 분말 90 부피%와 바인딩 수지로 에폭시 수지 분말 10 부피%(최 대 입경 약 100 mesh)를 볼밀에 넣고 24시간 동안 혼합하여 원료 분말 Ⅱ를 제조하였다.
원료 분말 Ⅲ
비정질 연자성 합금의 분말, Fe78Si9B13(최대 입경 약 100 mesh), PbO·B2O3·SiO2 유리(평균 입경 약 10 ㎛, 연화점 360℃)의 유리 분말 및 바인딩 수지로 에폭시 수지 분말(최대 입경 약 100 mesh)이 준비되었다. 합금 분말, 유리 분말 및 에폭시 수지의 양이 80 부피%, 10 부피% 및 10 부피%의 비율이 되도록 무게를 재어 도5의 분말 코팅 장치에 넣고 기본 입자인 합금 입자의 표면을 유리 및 바인딩 수지층으로 코팅하여 복합 입자를 포함하는 원료 분말 Ⅲ가 제조되었다. 얻어진 복합 입자는 합금 입자의 평균 입경이 약 85 ㎛이고, 유리 및 바인딩 수지층의 두께는 약 3 ㎛이었다.
원료 분말 Ⅲ'
비정질 연자성 합금의 분말, Fe75Si12.5B12.5(최대 입경 약 100 mesh), PbO·B2O3·SiO2 유리(평균 입경 약 10 ㎛, 연화점 360℃)의 유리 분말 및 바인딩 수지로 PVB액이 준비되었다.
우선, 합금 분말 및 유리 분말의 양이 95 부피% 및 5 부피%의 비율이 되도록 무게를 재어 도5의 분말 코팅 장치에 넣고 기본 입자인 합금 입자의 표면을 유리층으로 코팅하였다.
얻어진 분말에 PVB 수지 5 중량% 및 윤활제로 스테아린산 0.5 내지 2.0 중량%를 첨가하고 믹서에 넣어 반죽하여 유리층 위를 바인딩 수지로 코팅한 복합 입자를 포함하는 원료 분말 Ⅲ'가 제조되었다. 얻어진 복합 입자는 합금 입자의 평균 입경이 약 85 ㎛, 유리층의 두께가 약 2 ㎛ 및 바인딩 수지층의 두께가 약 0.5 ㎛이었다.
원료 분말 Ⅲ"
비정질 연자성 합금의 분말 Fe75Si12.5B12.5(최대 입경 약 100 mesh), PbO·B
2O3·SiO2 유리(평균 입경 약 10 ㎛, 연화점 360℃)의 유리 분말 및 바인딩 수지로 PVA액이 준비되었다.
우선, 합금 분말 및 유리 분말의 양이 95 부피% 및 5 부피%의 비율이 되도록 무게를 재어 도5의 분말 코팅 장치에 넣고 기본 입자인 합금 입자의 표면을 유리층으로 코팅하였다.
얻어진 분말에 PVA 수지 5 중량% 및 윤활제로 스테아린산 0.5 내지 2.0 중량%를 첨가하여 믹서에 넣고 반죽하여 유리층 위를 바인딩 수지로 코팅한 복합 입자를 포함하는 원료 분말 Ⅲ"가 제조되었다. 얻어진 복합 입자는 합금 입자의 평균 입경이 약 85 ㎛, 유리층의 두께가 약 2 ㎛ 및 바인딩 수지층의 두께가 약 0.5 ㎛이었다.
<예비성형체의 제조>
원료 분말을 냉간 가압을 위해 예비성형 다이(SKDI1제)에 충전하여 실온 분위기 1500 MPa에서 가압하여 외경 30 mm, 내경 20 mm, 높이 8 mm의 링 형태의 예비 성형체를 제조하였다. 얻어진 예비성형체를 다이에서 꺼내어 복합 입자가 바인딩 수지와 결합하여 예비성형체가 된것을 확인했다. 예비성형 다이로부터 꺼낼때, 예비성형체는 붕괴가 없었고, 소정의 형상을 유지했다.
<비정질 연자성체의 형성>
예비성형체를 소성을 위해 15분 동안 480℃에서 진공 상태로 유지하였다. 그 결과, 예비성형체의 바인딩 수지는 증발되고, 복합 입자 표면의 유리는 연화되기 시작하고, 도6에서 도시된 바와 같이 그 입자의 바인딩 수지 위치에 유리가 결합하여 비정질 연자성체가 제조되었다. 바인딩 수지의 증발에 의해 형성된 공간(40)의 약간은 연화된 유리로 급격히 충전되고, 제조된 비정질 연자성체는 부피에 있어 예비성형체 보다 약간 작았다.
상기 기술된 것과 동일한 방식으로 각각의 원료 분말 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅲ' 및 Ⅲ"로부터 제조된 비정질 연자성체는 상대 밀도가 각각 80%, 85%, 83% 및 87%이고, 모두 치밀한 형성체였다.
또한, "상대 밀도"라는 것은 비정질 연자성체를 완전히 치밀한 형성체인 것으로 가정하였을 때의 중량에 대하여 실제 중량의 비율이다. 완전히 치밀한 형성체의 중량은 비정질 연자성 합금 및 유리 분말의 혼합비에 따라서 계산된다.
<완성된 형성체>
자기 특성을 확인했을 때, 얻어진 링 형태의 비정질 연자성체는 도자율 μ'이 약 50 내지 100이었다. 이 비정질 연자성체들은 입자 사이에서 발생하는 와전류가 억제되어 감소된 코어 손실 및 뛰어난 고주파수 특성을 갖는 자기 코어였다.
도7은 분말 Ⅲ'로부터 제조된 비정질 연자성체의 도자율 μ'를 도시한다. 도7은 본 발명의 방법에 의해 제조된 비정질 연자성체가 고주파수 범위 내에서 도자율 μ'의 저하 없이 충분한 고주파수 특성을 갖는 것을 나타낸다.