KR100826064B1 - 소결 연자성 부재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금 성분의 분포가 균일한 우수한 자기 특성을 갖는 소결 연자성 부재를 제공하는 동시에, 이것을 저렴하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공한다. 소결 연자성 부재를, 전체 조성이 질량비로 Cr : 2.9∼7%, Si : 1.5∼6.88%, 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물에 의해 구성한다. 또한, 이 소결 연자성 부재의 제조방법으로서는, Cr : 3∼7질량%, Si : 2∼3.5질량%, 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe 분말을 이용하고, 또는 이 Fe 합금 분말에 평균 입경이 1∼45㎛인 Si 분말 : 0.1∼3.5질량%를 첨가한 혼합 분말을 이용하여 이 분말을 원하는 형상으로 압분 성형하여 얻어진 성형체를 소결한다.

Description

소결 연자성 부재의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURE SINTERED SOFT MAGNETIC MEMBER}

본 발명은 소결 연자성 부재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 예컨대, 자동차용 전자 연료 분사 장치, 유압 기기 혹은 각종 공작 기기의 솔레노이드 밸브에 이용되는 플런저, 기타 각종 액추에이터 등의, 교류 자기 특성과 함께 내식성과 강도가 요구되는 부재에 바람직하게 되는 소결 연자성 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 엔진에서의 연료 공급 장치로서는, 최근, 배기 가스 규제의 강화나 연비 절약 등을 배경으로 하여, 전자 제어에 의한 연료 분사 장치가 종래의 카뷰레터에 대신하여 그 장착율을 늘리고 있다. 이러한 전자 제어 연료 분사 장치나, 유압 기기 및 각종 공작 기기의 솔레노이드 밸브에 이용되는 플런저는 응답성을 위한 높은 교류 자기 특성, 상대재와의 반복 충격에 견딜 수 있는 강도(내마모성), 및 환경에 대한 내식성이 중요한 요구 특성으로 되어 있다. 또한, 자동차용 자성 부품은 그 사용 환경으로부터 -40℃∼200℃ 정도의 온도 영역에 있어서 안정된 자기 특성을 갖는 것도 중요한 요구 특성으로 되어있다.

그런데, 상기 연료 분사 장치 등의 전자 부품으로서는, 내식성이나 자기 특 성이 중요하고, 일본 등록특허공보 평5-10419호 등에 개시되어 있는 바와 같이, 크롬계 연자성 스테인리스강이 주로 사용되고, 소성 가공이나 절삭 가공 등의 기계 성형 방법에 의해 제조된다. 그러나, 자동차용 전자 연료 분사 밸브 등의 전자 부품은 부품 형상이 복잡하고, 또한 치수 정밀도가 엄격하기 때문에, 기계 가공성과, 내식성이나 자기 특성의 양립이 곤란한 동시에, 가공비가 높아진다는 문제가 있다.

이들의 문제를 해결하기 위해서, 일본 공개특허공보 평7-179983호나 일본 공개특허공보2002-275600호 등에 있어서, 분말 야금에 의한 제조 방법이 제안되어 있다. 일본 공개특허공보 평7-179983호는 Fe-Cr 합금분과 Fe-Si 합금분과 Fe분으로 이루어지는 혼합 분말 및 Fe-Cr-Si 합금분과 Fe분으로 이루어지는 혼합 분말을 사용하여 압분 성형-소결하는 소결 연자성 재료의 제조방법을 개시하고 있다. 또한, 일본 공개특허공보2002-275600호는 스테인리스강 미분말과 Si 미분말 또는 Fe-Si 미분말을 조립한 분말을 원료 분말로서 이용하는 것을 개시하고 있다.

그런데, 상기 일본 공개특허공보 평7-179983호에 의한 소결 연자성 재료는 합금 성분을 갖는 분말과 합금 성분을 포함하지 않은 분말(Fe분)을 혼합한 것이기 때문에, 소결 후의 재료는 합금 성분의 분포가 불균일해진다. 그 때문에 자기 특성에 편차가 생기기 쉽고, 특히 Si의 분포가 불균일하면 비저항이 안정되지 않기 때문에 철손이 증가하거나, 투자율이 안정되지 않기 때문에 액추에이터로서 사용한 경우에 응답성이 나빠진다. 또한, 내식성 및 강도도 부분에 따라서 불균일이 생기고, 전체로서 내식성 및 강도가 낮아진다는 문제를 갖고 있다. 또한, 일본 공개특허공보2002-275600호에 의한 소결 연자성 재료는, 미분을 이용하기 때문에, 합금 성분의 분포가 균일하고, 자기 특성, 강도, 내식성 등의 특성은 양호하지만, 공업적으로 비싼 미분말을 이용하는 것, 및 조립하는 공정이 필요해짐으로써 비용이 높아진다는 문제를 갖고 있다.

따라서 본 발명은, 합금 성분의 분포가 균일한 뛰어난 자기 특성을 갖는 소결 연자성 부재를 제공하는 동시에, 이것을 저렴하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 이루어진 것으로, 본 발명의 소결 연자성 부재는 내식성의 요구 한도까지 Cr 함유량을 억제하여 Fe의 점적율을 높임으로써 자기 특성을 향상시키고, 또한, Si를 함유시켜 전기 저항 및 강도를 향상시키는 동시에, 사용 환경 온도에 대한 자기 특성을 안정되게 한 것을 골자로 하고 있다. 구체적으로는, 본 발명의 소결 연자성 부재는 전체 조성이 질량비로, Cr : 2.9∼7%, Si : 1.5∼6.88% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 소결 연자성 부재의 제조방법은, 상기의 Cr을 고용하는 Fe-Cr 합금 분말에 압축성의 점에서 허용할 수 있는 양의 Si를 부여한 것을 골자로 하고, 구체적으로는 Fe 합금 분말로서, 조성이 Cr : 3∼7질량%, Si : 2∼3.5질량% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 분말을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제2 소결 연자성 부재의 제조방법은, 상기의 Fe 합금 분말을 이용하는 동시에, 별도 추가의 Si양을 Si 미분말의 형태로 부여함으로써, 보다 다량의 Si를 부여한 것을 골자로 하고 있다. 구체적으로는, 본 발명의 제2 소결 연자성 부재의 제조방법은, Fe 합금 분말로서 조성이 Cr : 3∼7질량%, Si : 2∼3.5질량% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 분말을 사용하고, 이 Fe 합금 분말에 0.1∼3.5질량%의 Si 미분말을 첨가 혼합한 혼합 분말을 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 소결 연자성 부재의 제조방법에 있어서, 혼합 분말은 분말을 단순히 건식 혼합한 것이어도 좋지만, 물 또는 에탄올 중에 Si 분말을 분산시킨 분산액에 Fe 합금 분말을 침지하거나, 또는 이 분산액을 Fe 합금 분말에 분무하고, 이 후, 건조시켜 얻은 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 이 분산액에 혼합 분말100질량%에 대하여 1질량% 이하의 결합제를 더욱 첨가하면 보다 바람직하다. 상기의 방법에 의해 혼합 분말을 구성하면 간편하여 좋지만, 종래부터 각종 제안되고 있는 방법으로 Fe 합금 분말 표면에 Si 미분말을 바인더를 통해 결착시킨 분말을 이용해도 상관없다.

본 발명의 소결 연자성 부재는, 전체 조성이 질량비로 Cr : 2.9∼7%, Si : 1.5∼6.88% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로, 내식성의 허용 한도까지 Cr 함유량을 저감시켜 Fe의 점적율을 높임으로써, 충분한 내식성과 뛰어난 자기 특성을 겸비한 소결 연자성 부재가 얻어진다. 또한, 본 발명의 소결 연자성 부재의 제조방법은 Fe 합금 분말로서, 조성이 Cr : 3∼7질량%, Si : 2∼3.5질량% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 분말을 사용하는 것, 또는, 보다 Si양을 증가시키고자 하는 경우에는, 이 Fe 합금 분말에 0.1∼3.5질량%의 Si 미분말을 첨가 혼합한 혼합 분말을 이용하는 것을 특징으로 하는 것으로, 얻어지는 소결 연자성 부재 중의 합금 성분의 분포가 균일해진다. 또한, 비싼 미분말을 이용하지 않는 것에 수반하여, 그것을 위한 조립 공정이 불필요해지기 때문에 저렴하게 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

우선, 본 발명의 각 원소의 함유량 및 분말의 입경에 관한 수치적인 규정의 이유를 이하에 설명한다.

Cr은 부재의 전기 저항의 향상에 기여하는 동시에, 내식성의 향상에 불가결한 원소이다. Cr은 이산화원소이고, 부재의 표면에 강고한 산화 피막을 형성하여 부재의 내식성의 향상에 기여하지만, 이 효과는 Cr이 3질량% 미만으로는 부족하다. 한편, Cr량의 증가에 수반하여 내식성은 향상되지만, 자기 특성의 관점에서는 Fe량이 점차 감소하기 때문에 자속 밀도가 저하되고, Cr량이 7질량%를 넘으면 자속 밀도의 저하가 현저해지기 때문에 7질량%를 상한으로 한다.

Si는 전기 저항의 향상에 기여하는 동시에, 과전류 손실을 감소시켜 저철손화하는 효과 및 결정립을 조대화시켜 투자율을 높게 하는 효과, 나아가서 환경 온도에 의한 자기 특성의 변화를 억제하는 효과를 나타낸다. 또한, Fe 기지를 강화하여 부재의 반복 충격에 대한 강도를 향상시키는 효과를 나타낸다. 이들의 효과는, Si양이 1.5질량% 미만에서는 발휘되기 어렵기 때문에, 하한을 1.5질량%로 한다. 이러한 Si는 가능한 한 Fe 합금 분말에 고용 혹은 부분적으로 확산 부착하여 부여하는 것이, 합금 성분의 균일 분포 및 취급의 점에서 바람직하지만, 3.5질량%를 넘는 양의 Si를 Fe 합금 분말에 고용하여 부여하면, 분말을 딱딱하게 하여 압축성을 손상시키기 때문에 상한을 3.5질량%로 한다.

이들로부터, 본 발명의 제1 소결 연자성 부재의 제조방법에 있어서는, 조성이 질량비로 Cr : 3∼7%, Si : 1.5∼3.5%, 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe 합금 분말을 사용하는 것으로 하였다. 한편, Si는 Fe 기지에 고용하여 Fe 기지의 경도를 증대시키는 작용이 있지만, 후술하는 가열 소둔 처리를 실시함으로써, 이 Fe 합금 분말에 충분한 압축성을 부여할 수 있다.

또한, 상기의 Si의 효과를 보다 한층 요구하는 경우에는, 상기의 Fe 합금 분말에 더하여 그 이상의 양의 Si를 Si 미분말의 형태로 부여하는 것으로 하였다. 미분말의 형태로 Si를 부여하면, 후술과 같이 소결 연자성 부재 중의 Si의 분산을 균일화할 수 있다. 단, O.1질량% 미만의 미량 첨가로는 추가 효과가 부족하고, Si 미분말의 양이 3.5질량%을 넘으면, 혼합 분말에 차지하는 미분의 양이 많아져 유동성의 저하 및 압축성의 저하가 생기기 때문에, Si 미분말의 첨가량을 0.1∼3.5질량 %로 하였다. 이로부터, 본 발명의 제2 소결 연자성 부재의 제조방법에 있어서는, 조성이, 질량비로 Cr : 3∼7%, Si : 1.5∼3.5% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe 합금 분말에, Si 분말: 0.1∼3.5질량%을 첨가한 혼합 분말을 사용하는 것으로 하였다.

상기의 본 발명의 제1 소결 연자성 부재의 제조방법에 의해 얻어지는 소결 연자성 부재는, 전체 조성이 질량비로 Cr : 3∼7%, Si : 1.5∼3.5% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 동시에, 합금 성분이 각부에서 균일한 소결 연자성 부재가 된다. 또한, 상기의 본 발명의 제2 소결 연자성 부재의 제조방법에 의해 얻어지는 소결 연자성 부재는 전체 조성이, 질량비로 Cr : 2.9∼6.99질량%, Si량은 1.6∼6.88질량%가 되고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 동시에, 이것도 합금 성분이 각부에서 균일한 소결 연자성 부재가 된다. 따라서, 본 발명의 소결 연자성 부재는 전체 조성이 질량비로, Cr : 2.9∼7%, Si : 1.5∼6.88% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 동시에, 합금 성분이 각부에서 균일한 소결 연자성 부재가 된다.

상기의 Fe 합금 분말은 Cr과 Si를 함유하지만, Cr도 Si도 담금질성을 개선하는 원소이고, 이러한 원소를 다량으로 함유하기 때문에, 상기의 Fe 합금 분말에 있어서는 아토마이즈 시의 냉각 변형의 축적량이 과대해지고 있다. 이 때문에, 아토마이즈 후, 통상 행해지고 있는 온도 범위(400∼600℃) 정도의 소둔 처리에서는, 이 변형의 제거가 불충분하고 분말이 충분히 연화되지 않으며 압축성이 낮은 것으로 되어 있다. 이러한 Fe 합금 분말이라도, 분말의 확산이 생기기 시작하기 직전의 온도 영역까지 가열하여 소둔함으로써, 아토마이즈 시의 냉각 변형을 제거할 수 있고, Fe 합금 분말의 압축성을 각별히 개선하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 이 Fe 합금 분말에 대하여 600∼800℃, 바람직하게는 700∼800℃의 온도 영역에서 가열 소둔을 실시함으로써 압축성의 개선을 행할 수 있다. 단, 800℃를 넘으면 분말끼리의 확산이 생기고 시작하고, 이 분말의 해쇄의 번거로움이 가해지는 동시에, 해쇄 시에 분말에 가공 변형이 가해져 소둔의 효과가 부족해진다.

상기의 혼합 분말에 있어서, Fe 합금 분말로서 통상 분말 야금으로 이용되는 평균 입경이 75∼150㎛ 정도인 분말을 이용하고, Si 미분말로서 평균 입경이 1∼45㎛인 분말을 이용하여 혼합하면, Fe 합금 분말의 주위에 반데르발스력에 의해 Si 미분말이 얇고 또한 균일하게 흡착된다. 이 혼합 분말은 베이스가 되는 Fe-Cr-Si 합금 분말이 미분이 아니기 때문에, 혼합 분말의 유동성, 압축성 모두 뛰어나고, 조립하는 번거로움도 불필요하여, 통상의 분말 야금법의 수법에 용이하게 적용하는 것이 가능하다. 이러한 혼합 분말을 원하는 금형에 충전하고, 압분 성형하여 얻어진 성형체를 소결하면, Fe 합금 분말 주위에 얇고 또한 균일하게 흡착한 Si 미분말이 Fe 합금 내로 급속히 확산하기 때문에, 얻어지는 소결 부재의 합금 성분은 각부에서 균일하고, 원래의 Si 분말의 부분에 기공이 잔류하는 일도 없다.

Si 미분말의 평균 입경이 45㎛를 넘으면, Si 분말의 중량이 커지고, 반데르발스력에 의한 부착력보다 중력이 커져 Fe 합금분의 주위로의 부착이 생기기 어렵게 된다. 또한, 부착하지 않은 Si 분말이 증가하면, Si의 확산이 불균일해져 자기 특성에 편차가 생기거나, 혼합 분말 중에서 Si 분말끼리가 응집하고, 소결 후, 응집분이 있던 위치에 거친 기공이 잔류하여 밀도의 향상이 저해되어 자속 밀도의 저하의 요인이 된다. 한편, 1㎛가 되지 않은 것은 공업적으로 비싸다. 이들의 관점에서 Si 분말의 평균 입경을 1∼45㎛로 한다.

다음에, 상기 Fe 합금 분말과 Si 미분말의 혼합은, 통상의 분말 야금법에서의 단순한 건식 혼합법으로 충분하다. 상기한 바와 같이, 필요한 Si량의 일부는 이미 Fe 합금에 고용하여 부여하고 있기 때문에, 추가의 미분말로 첨가하는 Si는 소량으로 끝난다. 이 때문에, 상기의 Si 분말끼리의 응집이 생기기 어렵고, 단순한 건식 혼합이라도 상기의 반데르발스력에 의한 Si 미분말의 균일한 부착이 얻어진다.

단, 보다 균일한 Si의 확산을 도모하는 경우에는, 습식 혼합법을 사용해도 좋다. 즉, Si 분말을 물 또는 에탄올 중에 분산시킨 분산액을 미리 준비하고, 이 분산액에 Fe 합금 분말을 침지하거나, 또는 이 분산액을 Fe 합금에 분무하고, 이 후 건조시킨 것을 사용한다. 이것에 의해서, Fe 합금 분말로의 보다 일층 균일한 Si 미분말의 부착이 얻어져 효과적이다.

상기 습식 혼합법을 채용하는 경우, 상기 분산액에 PVP나 PVA 등의 결합제를 첨가하면, Fe 합금 분말로의 Si 미분말의 부착이 보다 강고해지기 때문에 바람직하다. 결합제의 첨가량은 부착시키는 Si 분말이 미분이기 때문에, 혼합 분말 100질량%에 대하여 1질량% 이하로 충분하다. 과도한 결합제의 첨가는 탈지에 필요한 시간이 길어질 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다.

한편, 상기 분산액에 분산제 및/또는 계면 활성제를 첨가해도 좋다. 분산액에 분산제를 첨가하면, 분산액 중에 Si 미분말이 침강하지 않고 균일하게 분산한다. 또한, 계면 활성제를 첨가하면, Fe 합금 분말 및 Si 미분말과 분산액의 습윤성이 개선된다. 모든 경우에 Si 미분말의 한층 더한 균일 부착이 가능해진다.

실시예 1

-100메시로 표 1에 나타내는 조성의 Fe 합금 분말에 평균 입경이 10㎛인 Si 분말을 첨가하여 혼합한 혼합 분말을, 성형 압력 : 700MPa이고, 외경 : ø30㎜× 내경 : ø20㎜ × 높이 : 5㎜인 링형상의 시험편에 압분 성형하고, 얻어진 성형체를 10^-3 Torr의 감압 가스 분위기 속에서 1200℃×60분간 소결하여 표 1에 나타내는 시료 번호 01∼07의 시료를 얻었다. 이들의 시료에 관해서, 경도, 밀도, 마모량, 직류 자기 특성, 교류 자기 특성, 전기 특성 및 내식성에 대해서 평가한 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 이들의 평가를 위한 측정/시험 방법은 다음과 같다. 한편, 이하, 실시예 1∼5에 있어서 사용하는 Fe 합금 분말은 모두 600℃에서 소둔 처리를 행한 분말이다.

경도는 로크웰 경도의 B 스케일을 이용하여 측정하였다. 밀도는 아르키메데스법에 의해 측정하였다. 마모량은 솔레노이드 밸브를 상정한 60rpm에서 1000만회의 반복 충격 시험을 행하고, 시험 전후의 치수를 측정하여 측정값의 차이를 마모량으로서 측정하였다.

직류 및 교류 자기 특성의 평가는 1차측 100회, 2차측 20회 권선하고, 직류와 교류의 B-H 곡선을 실온(20℃)에서 측정하여 행하였다. 직류 자기 특성으로서, 각 시험편의 자계 강도 2000(A/m)에서의 자속 밀도 B₂₀₀₀, 및 투자율 μ_m을 측정하고, 교류 자기 특성으로서 주파수 1kHz에서 여자 자속 밀도 0.1T의 철손값 W(0.1T/1kHz)를 측정하였다.

전기 특성의 평가는 비저항 ρ를 시험편 표면을 #800의 연마지로 갈아 연마면을 4탐침법에 의해 측정하였다.

내식성의 평가는, 80℃에서 습도 90%의 고온 다습 환경 하에서의 환경 시험 을 행하고, 100시간에서 녹 발생 상황을 육안으로 판단하였다. 평가는 녹의 발생이 발견되지 않은 것에 대해서는 ○, 거의 전면에 녹이 발생한 것에 대해서는 ×, 전면은 아니지만 어느 정도의 녹이 발생한 것에 대해서는 △로 하였다.

한편, 본 실시예에서는 마모량의 목표값을 5㎛ 이하, 축 특성의 목표값을 자속 밀도 1.2T 이상, 투자율 3000 이상 또한 철손 10W/㎏ 이하로 하고, 내식성의 목표값을 △ 이상으로 하여 평가를 행하였다.

표 1 및 표 2에서 Fe 합금 분말 중의 Cr량의 첨가량의 영향은 이하와 같은 것을 알 수 있었다.

(1) 경도 및 내마모성은 거의 일정한 값을 나타내고, Cr 첨가량의 영향은 거의 발견되지 않는다. 이것은 Si가 3질량% 첨가되어 있음에 의해 이미 기지 경도가 증가하고 있음에 따른 것으로 생각된다.

(2) 밀도는 Fe 합금 분말 중의 Cr량이 증가함에 따라서 기지 중의 Fe의 함유량이 저하되는 결과, 저하되는 경향을 나타내고, 그에 수반하여 기지 중의 Fe의 점적율이 저하되는 결과, 자속 밀도도 저하되는 경향을 나타낸다. 특히, Cr량이 8질량%를 넘는 시료 번호 07의 시료에서는 자속 밀도의 저하가 현저하고 목표로 하는 1.2T를 하회하고 있다.

(3) 투자율도 Fe 합금 분말 중의 Cr량의 증가에 따라 저하되는 경향을 나타내고, 특히, Cr량이 8질량%를 넘는 시료번호 19의 시료에서는 목표값을 하회하고 있다.

(4) 비저항은 Fe 합금 분말 중의 Cr량의 증가에 따라서 약간이기는 하지만 향상되는 경향을 나타낸다.

(5) 철손은, 비저항의 증가에 의해 Fe 합금 분말 중의 Cr량이 6∼8질량%의 범위에서 최소가 되지만, Cr량이 8질량%를 넘으면, 자속 밀도, 투자율 모두 저하되기 때문에 히스테리시스 손실이 증가함으로써 철손이 증가되는 경향을 나타낸다. 단, 이 변동은 목표 범위 내이다.

(6) 내식성은 Fe 합금 분말 중의 Cr량의 영향을 가장 강하게 받고, Cr량이 3질량%가 되지 않는 시료번호 01 및 02의 시료에서는 전면에 녹이 발견되었다. Cr량이 3질량%인 시료번호 03의 시료는 약간의 녹이 발견되었지만, 대략 양호한 외관을 나타내고 있었다. 그 밖의 Cr량이 4질량% 이상인 시료에서는 녹의 발생은 발견되지 않고 양호한 외관을 나타내고 있었다.

이상에서 Fe 합금 분말 중의 Cr량은 3질량% 이상에서 녹에 대한 내식성의 효과가 발견되고, 특히 4질량% 이상에서 양호한 내식성을 나타내지만, Cr량이 8질량%를 넘으면 자속 밀도, 투자율의 저하가 현저하기 때문에, 3∼8질량%, 바람직하게는 4∼8질량%의 범위에서 양호한 마모량, 자기 특성 및 내식성이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

실시예 2

표 3에 나타내는 조성의 Fe 합금 분말에, 표 3에 나타내는 비율로 Si 분말을 첨가하여 혼합한 혼합 분말을 준비하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 시료번호 08∼12의 시료 제작 및 평가를 행하였다. 그 결과를, 실시예 1의 시료번호 05의 시료의 결과와 함께 표 4에 나타낸다. 또한, -40℃, 200℃에서의 투자율도 측정하여, 실온(20℃)인 경우를 100으로 하는 지수로 나타낸 결과를 동일하게 실시예 1의 시료번호 05의 시료의 결과와 함께 표 5에 나타낸다.

표 3 및 표 5에서 전체 조성 중의 Si량 및 Fe 합금 분말 중의 Si량의 영향은 이하와 같은 것을 알 수 있었다.

(1) 경도는 Fe 합금 분말 중의 Si량 및 전체 조성 중의 Si량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내고, 이것에 수반하여 마모량이 크게 감소하는 경향이 발견된다. 단, Si량이 1.5질량%가 되지 않는 시료번호 08의 시료에서는 경도가 부족하고 마모량은 10㎛로 커지고 있다.

(2) 밀도는 Fe 합금 분말 중의 Si량의 증가에 수반하여 Fe 합금 분말의 경도가 증가하는 결과, 압축성의 저하에 수반하여 저하되는 경향을 나타내고 있다. 이 때문에 자속 밀도도 저하되고, Fe 합금 분말 중의 Si양이 3.5질량%을 넘는 시료번호 12의 시료에서는 자속 밀도의 저하가 현저하고, 목표로 하는 1.2T를 하회하고 있다.

(3) 투자율은 Fe 합금 분말 중의 Si량 및 전체 조성 중의 Si량의 증가에 따라 약간의 저하 경향을 나타내지만, 목표 범위 내의 양호한 투자율을 나타내고 있다.

(4) 비저항은 Fe 합금 분말 중의 Si량 및 전체 조성 중의 Si량의 증가에 따라 크게 향상되는 경향을 나타낸다.

(5) 철손은 전체 조성 중의 Si량이 1.5질량%가 되지 않으면 목표로 하는 철손 10W/㎏보다 큰 값을 나타내지만, Fe 합금 분말 중의 Si량이 증가함에 따라, 또한 Si 분말을 첨가함에 따라 비저항이 증가함으로써, 과전류 손실이 저하되어 철손이 저하된다. 단, 3질량%를 넘으면, Fe의 점적율이 저하되어 자속 밀도, 투자율이 저하되기 때문에, 히스테리시스 손실이 증가하여 철손은 증가하는 경향을 나타내고, Fe 합금 분말 중의 Si량이 3.5질량%를 넘으면, 목표로 하는 철손 10W/㎏보다 커진다.

(6) 내식성은 모든 시료가 전체 조성 중의 Si량의 영향을 받지 않고 양호하다.

또한, 표 3 및 표 5에서 사용 환경 온도가 -40℃에서 200℃로 변화했을 때의 투자율의 변화(편차의 폭)는 2질량%의 Si 첨가에 의해 반감하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 전체 조성 중의 Si량이 더욱 증가함에 따라 투자율의 편차의 폭은 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 환경 온도가 자기 특성에 미치게 하는 영향을 작게 하기 위해서는 2질량% 이상의 Si를 첨가함으로써, 변화의 폭을 1/2 이하로 억제할 수 있는 것이 확인되었다.

표 3∼5의 시료번호 10 및 11의 시료를 비교하면, 양자는 거의 동일한 전체 조성이고, Si의 첨가 방법에 상관없이 동등한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서, Fe 합금 분말만을 이용해도 좋고, 또한 Fe 합금 분말에 Si 분말을 첨가한 혼합 분말을 이용해도 되는 것이 확인되었다.

이상에서, Fe 합금 분말 중의 Si량은 1.5∼3.5질량%의 범위에서, 마모량이 작고 또한 높은 자속 밀도 및 높은 투자율의 직류 자기 특성 및 저철손의 교류 자기 특성에 뛰어난 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한, Fe 합금 분말 중의 Si 량이 1.5질량% 이상에서 사용 환경 온도가 변화해도 자기 특성의 편차가 적어지는 것을 알 수 있었다. 또한 Fe 합금 분말을 단독으로 이용해도 되는 것을 알 수 있었다.

실시예 3

실시예 1의 시료번호 05의 시료에서 이용한 Fe 합금 분말에 표 6에 나타내는 바와 같이 Si 분말의 첨가량을 바꾼 혼합 분말을 준비하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 시료번호 14∼21의 시료 제작 및 평가를 행하였다. 그 결과를, 실시예 1의 시료번호 05의 시료의 결과와 함께 표 7에 나타낸다.

표 6 및 표 7에서 첨가하는 Si 미분말의 첨가량의 영향은 이하와 같은 것을 알 수 있었다.

(1) Si 미분말의 첨가량이 0.1질량%보다 증가함에 따라 경도가 향상되고 마모량이 저감한다.

(2) 밀도는 Si 첨가량이 증가함에 따라서 저하되고, 자속 밀도는 저하되는 경향을 나타내며, 특히 Si 미분말 첨가량이 3.5질량%를 넘는 시료번호 21의 시료에서는 자속 밀도의 저하가 현저하다.

(3) 투자율은 Si 미분말의 첨가량이 증가함에 따라 향상되는 경향을 나타내지만, Si 미분말 첨가량이 3.5질량%를 넘으면, 반대로 크게 저하되는 경향을 나타낸다.

(4) 비저항은 Si 미분말의 첨가량이 증가함에 따라 향상하고 있다.

(5) 철손은 비저항의 향상에 수반하여 Si 미분말 첨가량이 1.5질량%까지는 저하되지만, 1.5질량%를 넘으면, 자속 밀도가 저하되기 때문에 철손은 커지는 경향을 나타낸다. 그리고, Si 미분말 첨가량이 3.5질량%를 넘으면, 자속 밀도가 현저히 저하되기 때문에 철손의 증가가 현저해진다.

(6) 내식성은 모든 시료가 Si 분말의 첨가량의 영향을 받지 않아 양호하다.

따라서, Si 미분말의 첨가량은 0.1∼3.5질량%의 범위에서, 목표로 하는 마모량, 자기 특성 및 내식성의 모두를 만족하는 결과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

실시예 4

표 1의 시료번호 05의 시료에서 이용한 Fe 합금 분말에, 표 8에 나타내는 평균 입경이 상이한 Si 분말을 첨가하여 혼합한 혼합 분말을 준비하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 시료번호 22∼25의 시료 제작 및 평가를 행하였다. 그 결과를 실시예 1의 시료번호 05의 시료의 결과와 함께 표 9에 나타낸다.

표 8 및 표 9는 첨가하는 Si 분말의 평균 입경의 영향을 조사한 것으로, 이들의 시료에서 다음 것을 알 수 있다.

(1) 평균 입경이 가늘수록 경도가 증가하여 마모량이 저감하고 있지만, 평균 입경이 45㎛를 넘는 시료번호 25의 시료는 마모량이 5㎛를 넘고 있다.

(2) 밀도는 Si 분말의 평균 입경이 25㎛ 이하에서는 일정하고, 그것을 넘으면 저하하는 경향을 나타내지만, 이것은 Si의 조대 입자가 균일하게 확산하지 않음에 기인한다. 이 때문에, 자속 밀도도 동일하고 평균 입경이 25㎛ 이하에서는 일정하고, 그것을 넘으면 저하되는 경향을 나타내고 있다. 이 자속 밀도의 저하는 Si 분말의 평균 입경이 45㎛를 넘으면 현저히 저하하고, 1.2T를 하회하고 있다.

(3) 투자율은 Si 분말인 평균 입경이 커짐에 따라 저하되는 경향을 나타내고, Si 분말의 평균 입경이 45㎛를 넘는 시료번호 25의 시료에서는 그 값이 현저히 저하하고 있다. 이것도 Si의 조대 입자가 균일하게 확산하지 않기 때문에, 결정립의 성장이 불균일해짐에 의한 것이다.

(4) 비저항은 Si 분말의 평균 입경의 영향을 거의 받지 않고, 거의 일정한 값을 나타낸다.

(5) 철손은 과전류 손실과 히스테리시스 손실의 합이다. 이 때문에, Si 분말이 작고 균일하게 확산되는 영역에서는 결정립이 균일하게 성장함으로써 높은 투자율이 얻어지고, 히스테리시스 손실이 저하되어 철손이 낮아진다. 단, Si 분말의 평균 입경이 커짐에 따라 투자율이 저하되기 때문에, 히스테리시스 손실이 커진다. 이 때문에, 이들의 총합인 철손은 Si 분말의 평균 입경이 10㎛에서 최소가 되고, Si 분말의 평균 입경이 커짐에 따라 증가하는 경향을 나타낸다.

(6) 내식성은 모든 시료가 Si 분말의 평균 입경의 크기의 영향을 받지 않고 양호하다.

이상에서, 첨가하는 Si 분말의 입경은 가늘수록 좋지만, 평균 입경이 45㎛를 넘으면, 투자율 및 자속 밀도의 저하가 현저해지는 동시에 내마모성이 저하되고, 철손의 증가도 현저하기 때문에 평균 입경이 45㎛ 이하인 Si 미분말이 바람직한 것을 알 수 있었다.

실시예 5

실시예 1의 시료번호 05의 시료에서의 분말의 혼합 형태를, 표 10에 나타내는 (B)∼(D)와 같이 하여, Fe 합금 분말의 주위에 Si 미분말을 피복시키는 방법을 바꾸어 시료 26∼28을 얻었다. 한편, 혼합 형태 이외에는 실시예 1의 시료번호 05의 시료와 동일한 제조 공정이다. 또한, 표 10의 (A)는 실시예 1에서 행한 단순한 건식 혼합이다.

(B) Si 분말을 에탄올 중에 분산시킨 분산액 중에 Fe 합금 분말을 침지하여 유동시키면서 에탄올을 휘발 건조시켰다.

(C) Si 분말을 에탄올 중에 분산시킨 분산액을 Fe 합금 분말에 분무하면서 유동시키면서 에탄올을 휘발시켜 건조시켰다.

(D) 상기 (C)에 있어서 분산액 중에 바인더 성분으로서 0.25질량%의 PVP를 첨가한 것을 이용하였다.

이상의 경우의 특성의 변화를, 표 11에 나타낸다.

시료 번호	혼 합 방 법
05	(A) 건식 혼합
26	(B) Si 분말 분산 에탄올 중에 Fe 합금 분말을 침투하여 건조
27	(C) Si 분말 분산 에탄올을 Fe 합금 분말에 분무하면서 건조
28	(D) (C)의 분산액 중에 PVP를 0.25질량% 첨가

표 10 및 표 11에 의하면, (A)의 혼합형태보다 (B), (C), (D)의 혼합 형태가 됨에 따라, Si 미분말의 분산 형태가 보다 균일하기 때문에, Si의 확산이 보다 균일해지고, 그 때문에 밀도가 증가하여 자속 밀도의 향상이 발견된다. 또한, Si의보다 균일한 확산에 의해 결정립이 보다 균일하게 성장하기 때문에 투자율이 향상되고, 히스테리시스 손실이 저하되어 철손이 저하되는 것을 알 수 있다.

이상의 실시예 1∼4에서 검증한 바와 같이, Si 미분말은 단순한 건식 혼합이라도 충분한 자기 특성 향상의 효과가 얻어지지만, 실시예 5에서는 혼합 형태를 습식으로 변경함으로써, 한층 더한 자기 특성의 향상을 이룰 수 있는 것이 확인되었다.

실시예 6

상기의 제1∼5 실시예에서 이용한 Fe 합금 분말은, 600℃에서 소둔을 실시한 분말이지만, 제1 실시예의 시료번호 O5의 원료 분말에 있어서, Fe 합금 분말의 소둔 온도를 표 12에 나타내는 온도로 변경하여 시료번호 29∼34의 시료 제작 및 평가를 행하였다. 그 결과를, 실시예 1의 시료번호 05의 시료의 결과와 함께 표 12에 더불어 나타낸다.

표 12에서 다음의 것을 알 수 있다.

(1) 소둔 온도가 높은 것일수록 Fe 합금 분말에 축적한 변형이 제거되어 압축성이 향상되는 결과, 성형체 밀도가 향상되고, 이 때문에 소결체 밀도가 향상되고 있다. 단, 소둔 온도가 600℃가 되지 않은 시료번호 29나 30의 시료에서는, 변형 제거의 효과가 부족하여 압축성이 낮아져, 충분한 성형체 밀도가 얻어지지 않는 것을 알 수 있다. 한편, 소둔 온도가 850℃인 시료번호 34의 시료에서는, 소둔 온도가 너무 높아진 결과, Fe 합금 분말끼리가 확산에 의해 결합되었다. 이 때문에 상기의 시험은 결합한 분말을 기계적으로 파단시켜 이용한 바, Fe 합금 분말에 가공변형이 축적되고, 압축성을 도리어 손상시키는 결과가 되며, 성형체 밀도가 저하하고 소결체 밀도가 저하하고 있다.

(2) 소결체 밀도의 향상에 수반하여, 경도가 증가하는 동시에 마모량이 저감되어 내마모성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 단, 소둔 온도가 600℃가 되지 않는 시료번호 29나 30의 시료에서는, 소결체 밀도가 불충분하고, 경도가 낮으며, 마모량이 증가하고 있다.

(3) 자속 밀도 및 투자율은 소결체 밀도의 향상에 수반하여 소둔 온도가 높은 것일수록 높은 값을 나타내고 있다.

(4) 비저항 및 철손은 Fe 합금 분말의 소둔 온도의 영향을 거의 받지 않고 거의 일정한 값을 나타낸다.

(5) 내식성은 소둔 온도가 600℃ 이상인 시료에서는 모두 양호하지만, 소둔 온도가 낮아짐에 따라 소결체 밀도가 저하되는 결과, 내식성이 나빠지고 있다.

이상에서, 소둔 온도는 600℃에서 충분한 특성을 나타내지만, 소둔 온도가 높아짐에 따라 한층 더한 자기 특성, 특히 자속 밀도의 개선을 행할 수 있는 것을 알 수 있었다. 단, 소둔 온도가 800℃를 넘으면 Fe 합금 분말끼리가 확산에 의해 결합하고, 해쇄의 번거로움이 가해지는 동시에 해쇄하더라도 가공 변형이 분말에 부여되는 결과, 특성이 오히려 나빠지는 것을 알 수 있었다. 또한, 소둔 온도가 500℃ 이하에서는 Fe 합금 분말의 변형 제거가 불충분하고, 특성이 저하되는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 소결 연자성 부재의 제조방법에 의하면, Fe 합금 분말 중에 Si가 균일하게 확산하고, 이 때문에 합금 성분의 분포가 균일해지며, 또한, 비싼 Fe 합금 미분말을 이용하지 않음에 수반하여 그를 위한 조립 공정이 불필요해지기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있는 것 및 사용하는 환경 온도에 대하여 자기 특성이 안정되기 때문에 자동차용 전자 연료 분사 장치, 유압 기기 및 각종 공작 기기의 솔레노이드 밸브에 이용되는 플런저나 각종 액추에이터 등의, 교류 자기 특성과 함께 내식성과 강도를 요구되는 부재에 이용되는 소결 연자성 부재를 적합하게 제조할 수 있다.

Claims (8)

1. 평균 입경이 75∼150㎛인 Cr : 3∼8질량%, Si : 1.5∼3.5질량% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어짐과 함께, 600∼800℃에서 가열 소둔된 Fe 합금 분말을, 원하는 형상으로 압분 성형하여 얻어진 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 소결 연자성 부재의 제조방법.
2. 평균 입경이 1∼45㎛인 Si 분말 : 0.1∼3.5질량%와, 잔부가 Fe 합금 분말인 혼합 분말로서, Fe 합금 분말은, 평균 입경이 75∼150㎛인 Cr : 3∼8질량%, Si : 1.5∼3.5질량% 및 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어짐과 함께, 600∼800℃에서 가열 소둔되고, 상기 혼합 분말을, 원하는 형상으로 압분 성형하여, 얻어진 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 소결 연자성 부재의 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 Si 분말이 상기 Fe 합금 분말 표면에 바인더를 통해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 소결 연자성 부재의 제조방법.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 혼합 분말이, 물 또는 에탄올 중에 상기 Si 분말을 분산시킨 분산액에 상기 Fe 합금 분말을 침지하거나, 또는 상기 분산액을 상기 Fe 합금 분말에 분무하고, 이 후 건조시켜 얻은 것을 특징으로 하는 소결 연자성 부재의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 분산액 중에 상기 혼합 분말 100질량%에 대하여 1질량% 이하의 결합제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 소결 연자성 부재의 제조방법.
8. 청구항 1, 청구항 2, 또는 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 Fe 합금 분말은, Cr : 6~8질량%를 함유하는 것을 특징으로 소결 연자성 부재의 제조방법.