KR101222127B1

KR101222127B1 - 연자기 특성이 우수한 Ｆｅ계 비정질 합금

Info

Publication number: KR101222127B1
Application number: KR1020097011347A
Authority: KR
Inventors: 유이치 사토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2013-01-14
Also published as: WO2008105135A1; US7918946B2; US20100096045A1; KR20090079972A

Abstract

연자기 특성이 양호한 비정질 합금을 제공한다. 원자%로, Fe: 78% 이상, 86% 이하와, P: 6% 이상, 20% 이하, C: 2% 이상, 10% 이하와, Si: 0.1% 이상, 5% 이하, Al: 0.1% 이상, 3% 이하의 1종 또는 2종을 합계로 0.1% 이상, 5% 이하를 함유하고, 잔부는 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금. 또한, 필요에 따라 P 또는 C의 일부 또는 전부를 B: 1% 이상, 18% 이하로 치환하여도 좋다.

비정질 합금, 연자기 특성, 급랭 응고

Description

연자기 특성이 우수한 Ｆｅ계 비정질 합금{Fe-BASED AMORPHOUS ALLOY HAVING EXCELLENT SOFT MAGNETIC CHARACTERISTICS}

본 발명은 전력 트랜스, 고주파 트랜스 등의 철심 등에 이용되는 Fe계 비정질 합금 박대에 관한 것이다.

합금을 용융 상태로부터 급랭함으로써, 연속적으로 박대(薄帶)나 선(線)을 제조하는 방법으로서 원심급랭법, 단롤법, 쌍롤법 등이 알려져 있다. 이들 방법은 고속 회전하는 금속제 드럼의 내주면 또는 외주면에 용융 금속을 오리피스 등으로부터 분출시킴으로써 급속하게 용융 금속을 응고시켜 박대나 선을 제조하는 것이다. 또한, 합금 조성을 적정하게 선택함으로써 액체 금속에 유사한 비정질 합금을 얻을 수 있고, 자기적 성질 또는 기계적 성질이 우수한 재료를 제조할 수 있다.

이와 같은 급랭 응고에 의해 얻어지는 비정질 합금으로서, 지금까지 많은 성분이 제안되고 있다. 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 소49-91014호는, 원자%로, Fe, Ni, Cr, Co, V 중에서 적어도 1종으로 60~90%, P, C, B 중에서 적어도 1종으로 10~30%, Al, Si, Sn, Sb, Ge, In, Be 중에서 적어도 1종으로 0.1~15%로 이루어진 합금 성분이 제안되어 있다. 이 특허는 비정질상이 얻어지는 합금 성분을 제안한 것이므로, 특히 전력 트랜스와 고주파 트랜스 등의 철심 등의 용도에 한정되는 소 위 자기적 성질만에 주목하는 성분의 제안은 아니다.

그 후, 자기적 성질에 주목한 비정질 합금으로서의 합금 성분도 다수 제안되어 있다. 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 소57-116750호에는, 원자%로, Fe: 75~78.5%, Si: 4~10.5%, B: 11~21%로 이루어진 합금 성분이 제안되어 있다.

또한, 일본 공개 특허 공보 소61-30649호에는, Fe, Co 중에서 적어도 1종을 70~90%, B, C, P 중에서 적어도 1종을 10~30%, 추가로, Fe, Co의 함유량을 Ni로 그 함유량의 3/4까지, V, Cr, Mn, Mo, Nb, Ta, W으로 그 함유량의 1/4까지 대체할 수 있고, 또한 B, C, P 함유량을 Si으로 그 함유량의 3/5까지, Al으로 그 함유량의 1/3까지 대체할 수 있는 합금 성분이 제안되어 있다.

일본 공개 특허 공보 소49-91014호 및 일본 공개 특허 공보 소61-30649호에 제안되어 있는 비정질 합금 성분 중에서도 에너지 손실이 있는 철손이 낮은 것, 포화 자속 밀도 및 투자율이 높은 것, 추가적으로는 안정적으로 비정질상이 얻어지는 등의 이유로, 예를 들면 일본 공개 특허 공보 소57-116750호에 나타낸 것과 같은 Fe-Si-B계 비정질 합금이 전력 트랜스와 고주파 트랜스의 철심 등의 용도로서 유망한 것으로 되어 있다.

이후, 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금의 합금 성분에 관한 개발은 FeSiB계를 중심으로 하여 진행되었다. 즉, Fe-Si-B계 비정질 합금에 있어서 한층 더 철손 저감 개발이 활발하게 행해졌고, 많은 성과가 도출되었다.

그러나 비정질 합금에 있어서는 철손 저감 개발이 상당히 진행되어 있지만, 본 용도에의 특성 개선의 요구는 여전히 강하고, 한층 더 철손 개선이 요구되고 있 다. 예를 들면, 철손에 관한 단판 측정에 의한 철손 W13/50(자속 밀도 1.3 T, 고주파 50 ㎐에 있어서의 철손)을 이용하여 기술하면, 지금까지 0.12 W/kg을 밑도는 정도로 개선할 수는 있었지만, 안정적으로 0.10 W/kg 이하로 하는 것은 매우 곤란하였다.

본 발명은 이러한 추가적인 철손 개선의 수요에 대응하고, 한층 더 저철손화를 실현하는 비정질 합금을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 지금까지 제안된 각종 합금 성분의 구성 원소 중, 전술한 예를 들면 일본 공개 특허 공보 소49-91014호 및 일본 공개 특허 공보 소61-30649호에서 제2 성분 군으로 분류되는 P, C, B 원소에 주목하여 다시 한 번 이들 원소의 조합 및 함유량에 대한 검토, 실험을 하였다. 이에 따라, P, C를 주체로 하는 성분계를 기본으로 하고, 추가로 다른 원소도 조합시킨 상세 실험을 행한 결과, 한층 저철손화 과제를 실현할 수 있었다. 즉, 철손 W13/50(자속 밀도 1.3 T, 고주파 50 ㎐에 있어서의 철손)으로, 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하를 실현할 수 있는 비정질 합금의 성분을 견출하였다. 그런 다음, 그 지견을 기초로 검토를 거듭하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 다음과 같다.

(1) 원자%로, Fe: 78% 이상, 86% 이하와, P: 6% 이상, 20% 이하, C: 2% 이상, 6.7% 이하를 함유하고, Si: 0.1% 이상, 4.9% 이하, Al: 0.1% 이상, 3% 이하를 합계로 0.2% 이상, 5% 이하를 함유하며, 잔부는 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금.

(2) (1) 기재의 Fe계 비정질 합금에 있어서, 원자%로, B: 1% 이상, 18% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금.

(3) (1) 또는 (2) 기재의 Fe계 비정질 합금에 있어서, Fe를 30 원자% 이하의 범위에서, Ni, Cr, Co 중에서 적어도 1종 이상으로 대체하는 것을 특징으로 하는 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금.

본 발명에 의하면, 비정질 합금의 철손을 한층 저감할 수 있으며, 단판 측정에 의한 철손 W13/50을 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하로 할 수가 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 특징은 Fe을 베이스로 하는 합금에 있어서, P 및 C를 첨가하고, 추가로 Si, Al을 선택적으로 첨가하는 것으로, 구성 원소의 종류와 함유량을 최적화함으로써, 연자기 특성, 특히 철손을 로트 내에서 안정적으로 한층 낮추는 것을 실현하는 것이다. 또한, 베이스인 Fe의 일부를 Ni, Cr, Co로 대체하여 추가적인 연자기 특성의 개선을 실현하는 것이다.

우선, 각 원소의 함유량을 한정하는 이유에 대해 기술한다. P 및 C는 비정질상 형성 및 비정질상의 열적 안정성을 향상시키기 위해 첨가한다. 추가적으로, 이들 원소의 함유량을 최적화하여 철손값이 한층 개선될 수 있다. 예를 들면, 단판 측정에 의한 철손 W13/50이 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하로 하는 것이 가능하다. P이 6 원자% 미만, C가 2 원자% 미만이면 비정질 합금이 안정적으로 얻어지지 않기 때문에, 철손을 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하로 하는 것이 곤란해진다. 한편, P을 20 원자% 초과, 탄소가 6.7 원자% 초과이어도 비정질상이 안정적으로 얻어지지 않고, 철손 W13/50을 안정적으로 0.1 W/㎏ 이하로 하는 것이 가능하지 않게 된다. 따라서 P을 6 원자% 이상, 20 원자% 이하, 바람직하기로는 6 원자% 이상, 18 원자% 이하, C를 2 원자% 이상, 6.7 원자% 이하의 범위로 한정한다.

또한, 본 발명에 있어서는 P의 일부 또는 전부, C의 일부 또는 전부를 B로 치환하여 함유할 수도 있다. 이 경우에 B는 1% 이상, 18% 이하의 함유량이 된다.

B는 비정질상 형성 및 비정질상의 열적 안정성을 향상시키는 효과가 있고, 그 B 함유량을 최적화하여 철손값이 한층 개선되는 것이 가능하다. B가 1 원자% 미만이면 비정질 합금이 안정적으로 얻어지지 않기 때문에, 철손을 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하로 하는 것이 곤란해진다. 한편, B를 18 원자% 초과로 하여도 비정질상이 안정적으로 얻어지지 않고, 철손을 W13/50에서 안정적으로 0.1 W/㎏ 이하로 하는 것이 가능하지 않게 된다. 따라서 B를 1 원자% 이상, 18 원자% 이하, 바람직하기로는 8 원자% 이상, 18 원자% 이하의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

추가적으로, Si 및 Al을 첨가하면 비정질상 형성능이 개선되고, 비정질상의 열적 안정성이 한층 향상된다. 그 함유량은 Si: 0.1 원자% 이상, 4.9 원자% 이하, Al: 0.1 원자% 이상, 3 원자% 이하, 합계로는 0.2 원자% 이상, 5 원자% 이하로 한다.

Fe의 함유량은 통상 70 원자% 이상이면 일반적인 철심으로서의 실용적인 레벨의 포화 자속 밀도가 얻어지지만, 1.5 T 이상의 높은 포화 자속 밀도로 되기 위해서는 Fe을 78 원자% 이상으로 할 필요가 있다. 한편, Fe의 함유량이 86 원자%를 초과하면 비정질상의 형성이 곤란해지고, 철손 W13/50을 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하로 하는 것이 곤란해진다. 따라서 Fe 함유량을 78 원자% 이상, 86 원자% 이하의 범위로 한정한다.

본 발명에서는 Fe의 일부를 Ni, Cr, Co 중에서 적어도 1종으로, 0 초과, 30 원자% 이하의 범위로 대체하여 투자율과 자속 밀도 등의 연자기 특성의 개선이 실현되는 동시에 철손을 W13/50에서 안정적으로 0.10 W/㎏ 이하로 할 수 있다. 이들 원소에 의한 대체량의 제한을 설정한 것은, 30 원자%를 초과하면 원료 비용이 높아지기 때문이다.

본 발명의 비정질 합금의 박대는 본 발명의 성분으로 구성된 합금을 용해하고, 용탕을 슬롯 노즐 등을 통해 고속으로 이동하고 있는 냉각판 위에 분출하여 상기 용탕을 급랭 응고시키는 방법, 예를 들어 단롤법, 쌍롤법에 의해 제조할 수 있다. 단롤 장치에는 드럼의 내벽을 사용하는 원심 급랭 장치, 엔드리스 타입의 벨트를 사용하는 장치 및 이들의 개량형인 보조 롤과 롤 표면 온도 제어 장치를 부속시킨 것, 감압 하 또는 진공 중 또는 불활성 가스 중에서의 주조 장치도 포함된다. 본 발명에서는 박대의 판 두께, 판 폭 등의 치수는 특별히 한정하지는 않지만, 박대의 두께는 예를 들면 10 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이하가 바람직하다. 또한 판 폭은 10 ㎜ 이상이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 추가로 설명한다.

(실시예 1)

표 1에 나타낸 각종 성분의 합금을 아르곤 분위기 중에서 용해하고, 단롤법으로 박대를 주조하였다. 주조 분위기는 대기 중이었다. 그런 다음, 얻어진 박대에 대해 박대 특성을 조사하였다. 사용한 단롤 박대 제조 장치는 직경이 300 ㎜의 동합금제 냉각롤, 시료 용해용의 고주파 전원, 선단에 슬롯 노즐이 부착되어 있는 석영 도가니 등으로 구성되어 있다. 이 실험에서는 길이 20 ㎜, 폭 0.6 ㎜의 슬롯 노즐을 사용하였다. 냉각롤의 주속(周速)은 24 m/초였다. 결과로서 얻어진 박대의 판 두께는 약 25 ㎛이었고, 판 폭은 슬롯 노즐의 길이에 의존하는 것으로 20 ㎜이었다.

박대의 철손은 SST(Single Strip Tester)를 사용하였다. 측정 조건은 자속 밀도가 1.3 T, 주파수가 50 ㎑이다. 철손 측정 시료에는, 1 로트의 전체 길이에 걸쳐 12 개소로부터 120 ㎜ 길이로 절단한 박대 샘플을 이용하여 이들 박대 샘플을 360℃에서 1 시간 동안 자장 중에서 소둔 후 측정하였다. 소둔 분위기는 질소로 하였다.

철손 측정 결과로서, 1 로트 중에서의 최대값(Wmax), 최소값(Wmin)의 값 및 편차((Wmax-Wmin)/Wmin) 값을 표 1에 나타내었다.

표 1의 시료 No. 1 ~ 4의 결과로부터 명확해지듯이, Fe: 78 원자% 이상, 86 원자% 이하, P: 6 원자% 이상, 18 원자% 이하, C: 2 원자% 이상, 6.7 원자% 이하, Si와 Al를 합계로 0.2 원자% 이상, 5 원자% 이하의 본 발명의 범위로 하는 것에 의해, 자속 밀도 1.3 T, 주파수 50 ㎐에 있어서의 철손이 0.1 W/㎏ 미만으로 되는 동시에 그 편차((Wmax-Wmin)/Wmin)가 0.1 미만으로 되고, 박대의 전체 길이에 걸쳐서 연자기 특성이 우수한 박대가 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이에 비해, 시료 No. 5 ~ 14에 나타낸 비교예의 성분 범위에서는, 철손이 0.1 W/㎏보다 크게 되는 부위가 존재하고, 편차((Wmax-Wmin)/Wmin)도 0.1 이상으로 되어 버렸다.

실시예로부터도 알 수 있듯이, 본 발명에 의해 한층 연자기 특성의 개선이 실현될 수 있음을 알 수 있다.

(실시예 2)

표 1의 No. 1에 나타낸 합금에 있어서, Fe의 일부를 Ni, Cr, Co의 적어도 1종으로 대체한 각종 성분의 합금을 이용하여 실시예 1과 동일한 장치, 조건에 따라 박대를 주조하였다. 또한, 사용한 합금의 구체적인 성분에 대해서는, Ni, Cr, Co에 대해서만 표 2에 나타내었다. 결과로서 얻어진 박대의 판 두께는 약 25 ㎛이었다. 얻어진 박대의 철손을 평가하였다. 철손 평가를 위한 측정 샘플의 채취 방법 및 측정 조건은 실시예 1과 동일하다. 그 측정 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 표 2에서의 표시 요령은 표 1의 경우와 동일하다.

표 2의 시료 No. 1 ~ 9의 결과로부터 명확해지듯이, Fe의 일부를 Ni, Cr, Co의 적어도 1종으로 30 원자% 이하의 범위로 대체하여도 철손을 W13/50에서 안정적으로 0.1 W/㎏ 미만으로 할 수 있음을 알 수 있었다.

(실시예 3)

표 1의 No. 1에 나타낸 합금에 있어서, Fe의 일부를 Ni, Cr, Co의 적어도 1종으로 대체한 각종 성분의 합금을 이용하여 실시예 1과 동일한 장치, 조건에 따라 박대를 주조하였다. 또한, 사용한 합금의 구체적인 성분에 대해서는, Ni, Cr, Co에 대해서만 표 3에 나타내었다. 결과로서 얻어진 박대의 판 두께는 약 25 ㎛이었다. 얻어진 박대의 철손을 평가하였다. 철손 평가를 위한 측정 샘플의 채취 방법 및 측정 조건은 실시예 1과 동일하다. 그 측정 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 표 3에서의 표시 요령은 표 1의 경우와 동일하다.

표 3의 시료 No. 1 ~ 7의 결과로부터 명확해지듯이, Fe의 일부를 Ni, Cr, Co의 적어도 1종으로 30 원자% 이하의 범위로 대체하여도 철손을 W13/50에서 안정적으로 0.10 W/㎏ 미만으로 할 수 있음을 알 수 있었다.

(실시예 4)

표 1의 No. 2에 나타낸 합금에 있어서, Fe의 일부를 Ni, Cr, Co의 적어도 1종으로 대체한 각종 성분의 합금을 이용하여 실시예 1과 동일한 장치, 조건에 따라 박대를 주조하였다. 또한, 사용한 합금의 구체적인 성분에 대해서는, Ni, Cr, Co에 대해서만 표 4에 나타내었다. 결과로서 얻어진 박대의 판 두께는 약 25 ㎛이었다. 얻어진 박대의 철손을 평가하였다. 철손 평가를 위한 측정 샘플의 채취 방법 및 측정 조건은 실시예 1과 동일하다. 그 측정 결과를 표 4에 나타내었다. 또한, 표 4에서의 표시 요령은 표 1의 경우와 동일하다.

표 4의 시료 No. 1 ~ 7의 결과로부터 명확해지듯이, Fe의 일부를 Ni, Cr, Co의 적어도 1종으로 30 원자% 이하의 범위로 대체하여도 철손을 W13/50에서 안정적으로 0.10 W/㎏ 미만으로 할 수 있음을 알 수 있었다.

(실시예 5)

표 5에 나타낸 합금은 P의 전부를 B로 치환한 것으로, 각종 성분의 합금을 실시예 1과 동일한 장치, 조건에 따라 박대를 주조하였다.

얻어진 박대의 판 두께는 약 25 ㎛이었다. 얻어진 박대의 철손을 평가하였다. 철손 평가를 위한 측정 샘플의 채취 방법 및 측정 조건은 실시예 1과 동일하다. 그 측정 결과를 표 5에 나타내었다. 또한, 표 5에서의 표시 요령은 표 1의 경우와 동일하다.

표 5의 시료 No. 1 ~ 7의 결과로부터 명확해지듯이, Fe을 78 원자% 이상, 86 원자% 이하, B를 8 원자% 이상, 18 원자% 이하, C를 3 원자% 이상, 6 원자% 이하, 추가적으로, Si을 0.1 원자% 이상, 4.9 원자% 이하, Al을 0.1 원자% 이상, 3 원자% 이하의 본 발명의 범위로 함으로써, 자속 밀도 1.3 T, 주파수 50 ㎐에 대해서 철손이 0.1 W/㎏ 미만으로 되는 동시에 그 편차((Wmax-Wmin)/Wmin)가 0.1 미만으로 되며, 박대의 전체 길이에 걸쳐 연자기 특성이 우수한 박대가 얻어진다는 것을 알 수 있었다.

(실시예 6)

표 6에 나타낸 합금은 C의 전부를 B로 치환한 것으로, 실시예 1과 동일한 장치, 조건에 따라 박대를 주조하였다.

표 6의 시료 No. 1 ~ 2의 결과로부터 명확해지듯이, Fe을 78 원자% 이상, 86 원자% 이하, P을 8 원자% 이상, 20 원자% 이하, B를 1 원자% 이상, 12 원자% 이하이고, Si와 Al를 합계로 0.2 원자% 이상, 5 원자% 이하의 본 발명의 범위로 함으로써, 자속 밀도 1.3 T, 주파수 50 ㎐에 대해서 철손이 0.1 W/㎏ 미만으로 되는 동시에 그 편차((Wmax-Wmin)/Wmin)가 0.1 미만으로 되며, 박대의 전체 길이에 걸쳐 연자기 특성이 우수한 박대가 얻어진다는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 합금은 전력 트랜스와 고주파 트랜스의 철심이나 추가적으로는 작종 전자기기의 부품과 자기 실드재 등에 사용되는 연자성 재료로서 폭 넓게 사용될 수 있다.

Claims

원자%로, Fe: 78% 이상, 86% 이하와, P: 6% 이상, 20% 이하와, C: 2% 이상, 6.7% 이하를 함유하고, Si: 0.1% 이상, 4.9% 이하, Al: 0.1% 이상, 3% 이하를 합계로 0.2% 이상, 5% 이하를 함유하며, 잔부는 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금.
제1항 기재의 Fe계 비정질 합금에 있어서, 원자%로, B: 1% 이상, 18% 이하로 하는 것을 특징으로 하는 연자기 특성이 우수한 Fe계 비정질 합금.
삭제