KR101537888B1 - 산화물 절연막이 형성된 금속 분말의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 금속 분말 - Google Patents

산화물 절연막이 형성된 금속 분말의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 금속 분말 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화물 절연막이 형성된 금속 분말의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 금속 분말에 관한 것이다. 본 발명은 금속 분말과 수산화물을 혼합하여 혼합물을 마련하는 단계 및 혼합물을 반응기에 장입하고 정지 분위기에서 수산화물의 분해 온도 이상에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 산화물 절연막이 균질하게 형성된 금속 분말을 얻을 수 있고, 수산화물의 양을 조절하여 절연막 두께를 쉽게 제어할 수 있으며, 또한 정지분위기에서 열처리를 하기 때문에 가스 소비량을 현저하게 줄일 수 있다.

Description

산화물 절연막이 형성된 금속 분말의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 금속 분말 {a method for fabricating metal powder on which an oxide insulation film is formed, and metal powder fabricated thereby}
본 발명은 산화물 절연막이 형성된 금속 분말의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 금속 분말에 관한 것이다. 보다 상세하게는 수산화물이 고온에서 분해할 때 발생하는 수증기를 연자성 합금의 합금원소와 반응시켜 산화물 절연막을 연자성 합금 분말 표면에 형성하는 방법에 관한 것이다. 또한 상기 방법에 의하여 제조된 금속 분말에 관한 것이다.
연자성 분말 코아의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소인 철손은 와전류 손실과 히스테리시스 손실로 나뉜다. 이는 식 (1)로 표현된다.
Figure 112014005638584-pat00001
(1)
여기서, Ph는 이력 손실, Pe는 와전류 손실 이다. 주파수에 따라 이력손실은 1승에 비례하고 와전류 손실은 2승에 비례하므로 고주파에서는 와전류 손실의 감소가 더욱 중요한 요소가 된다. 와전류 손실을 보다 자세히 표현하면 식 (2)와 같아진다.
Figure 112014005638584-pat00002
(2)
여기서, c는 상수, ρ는 비저항, d는 두께(또는 크기), B는 자속밀도를 나타낸다. 작동 주파수 및 전류가 고정되면 재료의 비저항을 키우고, 두께를 감소시켜야만 와전류 손실을 줄일 수 있음을 알 수 있다. 즉, 분말 크기를 감소시키고 각각의 분말에 전기가 통하지 않도록 분말표면에 절연막을 균일하게 형성하는 기술이 중요하다.
한편, 분말 코아 성형을 위해 가압하면 변형에 의해 분말 내에 잔류응력이 생기게 된다. 이는 보자력을 증가시켜 히스테리시스 손실을 증가시키게 된다. 잔류응력을 제거하기 위해 분말 코아 성형 후 열처리가 필요하다. 열처리 온도를 증가시키는 것이 유리한데 열처리 온도가 너무 높으면 절연막이 파괴되어 역으로 와전류 손실의 증가를 초래하게 된다. 따라서 분말코아 제조시 절연막은 각각의 연자성 분말 입자 표면에 균일하게 형성되어 있어야 하고, 분말코아 성형 후 높은 열처리 온도를 견디기 위한 내열성을 가져야 한다.
분말을 절연하는 여러 기술들이 알려져 있다. 그 중 하나가 H2O가 혼합된 수소 가스를 분위기에서 열처리하여 연자성 분말 내에 고용된 합금원소를 선택적으로 산화시키는 기술이 있다. 예로써, Fe-Al 합금분말을 상기 방법으로 산화시키면 수증기에 의해 Fe-Al중 Al만 선택적으로 산화되게 된다. 이때 수증기의 분압은 철이 산화되지 않을 정도로 낮게 유지한다 (P. Jang and S. Shin, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 49, NO. 1, JANUARY 2013, pp. 11-14). 이 외에도 인산염을 이용한 코팅 방법 (US 6348265 B1), 철 분말의 표면을 산화시킨 후 Mg 증기로 환원하여 표면에 MgO를 함유한 산화층을 형성시키는 절연층 형성방법 (JP 2006-097124 A), 표면이 산화물로 피복된 연자성 분말을 SiO2 분말과 혼합하고 Mg 분말을 첨가하고 진공 분위기에서 열처리하여 산화층을 형성하는 방법 (JP 2007-013069 A), MgO 또는 MgCO3 분말과 실리콘 수지 또는 커플링제를 Fe-Si 합금분말과 혼합 성형 열처리하여 SiO2와 MgO가 주성분인 절연막층을 형성하는 방법 (JP 2002-033211 A), 카르복실산 또는 옥시카르본산 염 등과 같이 수용성 금속염을 함유한 수용액을 연자성 분말과 혼합, 건조하여 산화물층을 형성하는 방법 (JP 2003-037018 A, JP 2007-273929) 및 실리콘 수지를 이용한 방법(JP 2006-202956) 등 여러 가지의 방법이 있다.
인산염 피복 및 실리콘 수지를 이용하는 방법은 코아 성형 후 열처리 공정의 온도를 높이기가 곤란한 단점이 있다. Mg분말을 이용한 절연층 형성방법은 연자성 분말을 따로이 산화시키기 위한 전처리 과정이 필요하며, 금속염 수용액을 이용한 방법은 건조만으로 절연층을 형성하기 때문에 절연층과 분말과의 접착력이 약할 수 있다.
수증기가 혼합된 수소 분위기를 이용하는 방법이 가장 간단하게 보이나, 적층된 분말 중 표면부의 분말만 산화되고, 내부의 분말은 산화가 안 되어 분말 전체에 균일하게 산화막층이 형성되기가 곤란하여 절연막의 두께의 균일성이나 두께 제어가 어렵다. 이로 인해 대용량의 분말을 처리하기가 어렵다. 분말 각각이 수증기와 접촉할 수 있도록 하기 위해서는 유동배소로와 같은 장비의 도입이 필요하다. 이때에는 분말을 가스로 부유시켜야 하기 때문에 다량의 가스가 필요하고 가스를 절약하기 위해 가스를 순환시킬 필요가 있다. 또한 가스의 유속이 빠르기 때문에 작은 분말은 분진으로 시스템 바깥으로 날아가 버리는 단점도 있다. 따라서 산화제로 수증기를 이용하면서 분말 각각의 표면에 수증기가 잘 공급되도록 하는 새로운 기술이 필요하다.
본 발명은 산화물 절연막이 금속 분말 입자에 금속 분말의 내부 및 표면 등 그 위치에 상관없이 균질하게 형성된 금속 분말을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한 이를 이용하여 분말 코아를 제조하는 경우 분말 코아 성형 후 열처리 온도를 높일 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 금속 분말과 수산화물을 혼합하여 혼합물을 마련하는 단계, 및 혼합물을 반응기에 장입하고 정지 분위기에서 수산화물의 분해 온도 이상에서 열처리하는 단계를 포함하는 산화물 절연막이 형성된 금속 분말의 제조방법일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 앞의 측면에 따라 제조된 금속 분말일 수 있다.
본 발명에 의하면, 산화물 절연막이 균질하게 형성된 금속 분말을 얻을 수 있다. 또한 수산화물의 양을 조절하여 절연막 두께를 쉽게 제어할 수 있다. 또한 정지분위기에서 열처리를 하기 때문에 가스 소비량을 현저하게 줄일 수 있다.
한편, 분말코아 제조 공정에서 분말코아 성형 전에 연자성 분말 자체를 열처리하는 공정이 추가되기도 한다. 일 예로 가스분무법으로 제조된 연자성 금속 분말은 결정립 크기가 작아 분말코아 성형시 성형성을 저하시키므로 이의 개선을 위해 고온에서 열처리하여 결정립을 성장시키는 공정을 추가한다. 열처리 온도가 너무 높으면 분말 간의 소결이 일어나므로 통상 900℃ 이하로 유지한다. 본 발명에 따른 금속 분말로 분말코아를 제조하는 경우에는 성형성을 개선할 목적으로 도입하는 열처리 공정을 따로이 도입할 필요 없이 절연막 형성과 더불어 열처리를 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 실시예 1에 의해 산화된 Fe-12%Al 분말의 단면 SEM 사진 및 표면에 산화층 형성을 보여주는 성분분석 결과이다.
도 2는 실시예 2에서 얻어진 분말표면의 TEM 영상 및 성분분석 결과이다.
도 3은 실시예 3에서 얻어진 분말표면의 TEM 영상 및 성분분석 결과이다.
도 4는 실시예 4에 의해 산화된 Fe-3.6%Si 분말의 단면 SEM 영상 및 표면에 산화층 형성을 보여주는 성분분석 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명의 일 측면은 금속 분말과 수산화물을 혼합하여 혼합물을 마련하는 단계, 및 혼합물을 반응기에 장입하고 정지 분위기에서 수산화물의 분해 온도 이상에서 열처리하는 단계를 포함하는 절연막이 형성된 금속 분말의 제조방법일 수 있다.
먼저, 금속 분말과 수산화물을 혼합하여 혼합물을 마련할 수 있다.
금속 분말로는 순수 철 분말, Fe 보다 수증기와의 반응성이 큰 합금원소를 함유한 Fe계 합금 분말, Ni 보다 수증기와의 반응성이 큰 합금원소를 함유한 Ni계 합금 분말 및 Co 보다 수증기와의 반응성이 큰 합금원소를 함유한 Co 계 합금 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 즉, Fe계, Ni계, Co계 합금 모두에 적용 가능하다.
대표적으로 Fe계 합금 분말로는 Fe-Si, Fe-Al, Fe-Si-Al, Fe-Cr, Fe-Co, Fe-V, Fe-Co-V, Fe-Co-Cr-V 등의 합금 시스템을 사용할 수 있고, Ni계 합금 분말로는 Ni-Fe, Ni-Cr, Ni-Fe-Mo 등의 합금 시스템을 사용할 수 있고, Co 계 합금 분말로는 Co-Cr 합금 시스템을 사용할 수 있다. 이 외에도 Nb, Ta, W, Zr, Ti 등의 산화성이 강한 원소가 합금 원소로 함유된 Fe계 합금, Ni계 합금, Co계 합금 분말을 사용할 수도 있다.
수산화물로는 다양한 종류의 물질을 사용할 수 있다. 구체적으로는 알칼리금속수산화물(LiOH, NaOH, KOH), 알칼리토금속수산화물(Mg(OH)2, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2), Al(OH)3, H2Si(OH)6, 희토류금속수산화물(La(OH)3 등), 또는 Nb, Ta, V, W 또는 Zr 의 수산화물을 사용할 수 있으며, 또는 이들을 조합하여 사용할 수도 있다. 한편, 상기 수산화물에서 결정수가 함유된 수산화물도 사용할 수 있으며 이때에는 더 많은 수증기가 발생하므로 그에 상응하도록 첨가량을 조절한다.
금속 분말과 수산화물은 V 믹서, 교반 날개, 볼 밀 등을 이용하여 혼합할 수 있다. 전술한 바와 같이 수산화물은 결정수가 함유된 것을 사용할 수도 있다. 더 나아가서는 수산화물을 함유한 수용액을 사용할 수도 있다. 이때에는 혼합 후 유리수를 제거하기 위해 100~120℃ 범위에서 가열할 필요가 있다. 이는 산화제로 사용하는 수분의 양을 제어하기 위함이다.
다음으로, 금속 분말과 수산화물의 혼합물을 반응기에 장입하고 정지 분위기에서 열처리할 수 있다.
반응기로는 분위기를 조절할 수 있는 전기로 등을 사용할 수 있다. 반응기 내부에 교반 날개를 도입하여 혼합 분말을 천천히 교반시키거나 반응기를 좌우 또는 상하로 경동하여 반응기 내의 분말에 유동을 부여할 수도 있다.
정지 분위기란 반응기 내부로 가스가 혼입되지 않도록 분위기를 유지한다는 것을 의미한다. 즉 static 진공과 같이 가스의 유입과 배출이 없거나, 또는 가스의 유입은 없으나 배출은 허용하는 분위기를 말한다. 하지만 반응기를 구성할 때 존재하는 틈 등을 통하여 외부에서 내부로 가스가 유입되는 것은 허용된다. 예를 들면 반응기 내부를 수소 가스나 불활성 가스로 채운 후 가스 유입 밸브를 닫고 가스 배출 밸브는 개방된 상태로 가열하여 반응시킬 수 있다. 정지 분위기는 진공분위기일 수 있다. 또한 정지 분위기는 수소 가스 등을 사용하는 환원분위기 또는 아르곤 가스, 질소 가스 등을 사용하는 불활성 분위기일 수 있다. 정지 분위기의 채택으로 사용 가스의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.
열처리 온도는 수산화물의 분해 온도보다 높으면 되며, 구체적으로는 500 ℃ 내지 1,200℃ 의 범위가 바람직하다. 산화 반응이 고상 확산에 의해 일어나기 때문에 열처리 온도가 500℃ 보다 낮으면 산화층 형성 속도가 지나치게 지연될 수 있고, 1,200 ℃ 보다 높으면 분말 간의 소결이 일어날 확률이 높기 때문이다. 열처리는 1분 내지 10시간 동안 할 수 있는데, 열처리 시간은 열처리 온도에 따라 변할 수 있다. 즉 열처리 온도가 낮으면 열처리 시간을 길게 하여 산화 반응이 충분히 일어날 수 있도록 할 수 있고, 열처리 온도가 높으면 상대적으로 열처리 시간을 짧게 하여도 산화 반응이 충분히 일어날 수 있다.
금속 분말 입자의 표면에 형성된 절연막의 두께는 10 nm ~ 1,000 nm 일 수 있다. 절연막의 두께가 상기 범위 보다 얇은 경우에는 절연 효과가 떨어지고, 상기 범위보다 두꺼운 경우에는 자기력선의 통과가 어렵고 분말 성형밀도가 감소하여 철손이 증가하기 때문이다.
금속 분말의 표면에 10 nm ~ 1,000 nm 두께의 산화물을 형성하기 위한 수산화물의 양은 금속 분말의 중량 대비 0.001 % 내지 20 % 범위가 바람직하다. 예로써, 평균입경이 50㎛ 인 Fe-Si 합금 분말에 SiO2 절연막을 100nm 두께로 형성시키기 위해 필요한 Mg(OH)2의 양은 Fe-Si 합금 분말 중량 대비 약 0.56 % 정도이다. SiO2 층 두께가 10 nm 로 감소하면 Mg(OH)2 의 양은 0.056 % 로 감소하고, 1,000 nm 로 증가하면 Mg(OH)2의 양은 5.6% 정도로 증가한다. 수산화물의 양은 형성하고자 하는 절연층의 두께, 금속 분말의 평균입도 등에 따라 변할 수 있다.
수산화물의 함량이 너무 적으면 연자성 금속 분말 간의 소결이 진행될 확률이 높아지므로, 제거가 가능한 산화물 분말을 따로 첨가할 수도 있다. 이러한 산화물 분말로는 MgO, CaO, SrO, BaO 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 예를 들어, Fe-Si 합금 분말의 산화에 Mg(OH)2 를 산화제로 이용하고, 소결 방지 및 가스의 원활한 흐름을 위해 CaO 를 2~10% 정도 첨가하여 반응시킨 후 CaO 는 수용성이므로 반응생성물로부터 쉽게 제거할 수 있다.
본 발명에 의하면 금속 분말의 표면에 다양한 형태의 산화물층을 형성할 수 있다. 예로써, Fe-Si 합금 분말과 Mg(OH)2 분말의 혼합물를 산화시킬 때 저온에서 산화시키면 SiO2 산화막이 Fe-Si 합금 분말 표면에 형성될 수 있다. 하지만 반응시간을 늘이거나 반응온도를 고온으로 유지하면 MgO 와 SiO2 가 같이 함유된 복합산화물층이 형성될 수 있으며, 산화제로 Ca(OH)2를 사용하면 SiO2-CaO 복합산화물이 형성될 수 있다. 이외에도 금속 분말 및 수산화물의 종류를 변화시켜 다양한 복합산화물층을 형성할 수 있다. 따라서 다양한 수산화물을 사용할 수 있으므로 원하는 물성을 가지는 복합산화물층을 형성할 수 있으며, 적절한 수산화물을 사용하면 절연막의 내열성, 열팽창계수 등의 물성을 제어할 수 있다.
수산화물이 분해되면서 생성된 산화물은 금속 분말 입자의 표면을 둘러싸고 있어 금속 분말 간의 접촉을 방지하고 금속 분말의 소결을 방지할 수 있다. 또한 산화물에 의하여 공극이 유지되기 때문에 반응 가스(수증기)의 흐름을 용이하게 하여 금속 분말 표면의 산화 반응을 촉진할 수 있다. 이로써 절연막이 금속 분말 입자의 위치에 상관없이 균질하게 형성될 수 있다.
본 발명은 수산화물이 분해할 때 발생하는 수증기를 산화제로 사용하고, 정지(static) 분위기를 사용하는 것을 특징으로 한다. 요컨대, 순철 분말, Fe계 합금 분말, Ni계 합금 분말, Co계 합금 분말 등의 금속 분말과 수산화물을 혼합하고 정지(static) 분위기에서 500~1,200℃ 범위까지 가열하면, 수산화물에서 분해된 수증기가 금속 분말과 직접적으로 반응하여 산화물 절연막이 금속 분말 입자의 표면에 균일하게 형성될 수 있다. 즉, 수산화물이 금속 분말 입자의 표면에 피복되어 있어 수산화물의 분해 반응으로 인하여 생성되는 H2O 는 금속 분말의 표면과 직접적으로 접촉, 반응하여 금속 분말의 표면에 균일한 산화막을 형성할 수 있다.
본 측면에 있어서, 수산화물 대신 물(water)을 사용할 수 있다. 수산화물이 분해되어 발생하는 수증기를 이용하여 금속 분말 입자의 표면을 산화시키는 것이므로 수산화물 대신 물을 사용하여 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다. 수산화물 대신 물을 사용하는 경우에는 복합산화물의 형성은 곤란하나 산화물을 따로이 첨가하지 않아도 되는 편리함이 있다.
이하에서는 금속 분말과 수산화물의 혼합물을 가열함으로써 금속 분말의 표면에 산화물 절연막이 형성되는 메카니즘에 대하여, Fe-Al 합금 분말과 Mg(OH)2 수산화물을 예로 들어 자세하게 설명한다.
Fe-Al 합금 분말과 Mg(OH)2 수산화물 분말을 혼합하여 정지 수소 분위기로 유지하고, 온도를 올리면 300 ℃ 에서 Mg(OH)2 는 분해되기 시작하여 MgO 와 H2O 가 발생된다(L.A. Hollingbery and T.R. Hull, Thermochimica Acta, vol. 509 (2010) pp. 1-11).
Mg(OH)2 의 분해에 의해 생성된 H2O 는 Fe-Al 합금 분말을 산화시킬 수 있다. 즉 Fe-Al 합금 분말과 Mg(OH)2 분말의 혼합물은 Mg(OH)2 가 Fe-Al 합금 분말 입자의 표면에 피복되어 있는 상태인데, Fe-Al 합금 분말과 Mg(OH)2 가 접촉된 지점에서 Mg(OH)2 수산화물이 분해되어 수증기가 발생하고, 생성된 H2O 는 Fe-Al 합금 분말 입자의 표면과 직접적으로 접촉 및 반응하여 Fe-Al 합금 분말 입자의 표면을 산화시킬 수 있다.
미 반응된 수증기는 적층된 Fe-Al 합금 분말을 빠져 나오면서 지속적으로 Fe-Al 합금 분말들을 산화시킬 수 있다. 미 반응된 수증기가 적층된 Fe-Al 합금 분말을 빠져 나오더라도 정지 분위기로 유지되고 있기 때문에 다시 적층된 Fe-Al 합금 분말 쪽으로 수증기가 이동하게 되고 다시 Fe-Al 합금 분말을 산화시킬 수 있다. 즉 Mg(OH)2 의 분해에 의해 발생한 수증기는 모두 Fe-Al 합금 분말의 산화에 사용되는 것이다. 이러한 점을 기초로 Mg(OH)2 와 Fe-Al 합금 분말의 무게비를 조절하여 생성되는 산화물의 양을 조절할 수 있다.
Mg(OH)2 의 분해에 의해 생성된 MgO 는 Fe-Al 분말 입자들 사이에 존재하여 고온 유지시 Fe-Al 합금 분말의 소결을 방지할 수 있다. 또한 MgO 로 인하여 Fe-Al 합금 분말 입자 간 간극이 생성되고 이를 통하여 수증기가 합금 분말 입자들 사이를 용이하게 움직일 수 있어 Fe-Al 합금 분말의 산화가 촉진될 수 있으며, 또한 분말 적층체에서 내부 측에 존재하는 금속 분말 입자 및 외부 측에 존재하는 금속 분말 입자의 표면에 균일하게 산화물 절연막이 형성될 수 있다.
열역학적으로 살펴보면, 수증기에 의한 Fe 및 Al의 산화 반응은 각각 식 (1) 및 (2)로 표현할 수 있다.
Fe + H2O = FeO + H2 --------------- (1)
2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2 --------------- (2)
열역학 자료(I. Barin, Thermochemical Data of Pure Substances, Part I, VCH (1989) p. 48, p. 561, and p. 650)를 기초로 계산하면 1,000 K 에서 반응식 (1) 및 (2)의 PH2O/PH2 평형 분압은 각기 0.18 및 2.30×10- 14 이다. 이는 Fe 및 Al의 활동도가 1 이라는 전제로 계산한 것이다. 실제 Fe의 활동도는 1 에 가깝지만 Al의 활동도는 대단히 낮은데, Al의 활동도가 10-4 로 낮더라도 PH2O/PH2 평형 분압은 1.07×10- 11 이다. 이로부터 정지 수소분위기로 유지하면 Mg(OH)2 의 분해에 의해 생성된 수증기(H2O)는 모두 Fe-Al 합금의 Al을 산화시키는데 사용된다는 점을 알 수 있다. Fe-Al 합금에 Al은 소량만 함유되어 있어도 된다. 산화 온도가 낮으면 Fe-Al 합금 분말 입자 표면에 Al2O3가 생성되고, 산화 온도가 높으면 생성된 Al2O3 는 MgO 와 반응하여 복합산화물을 형성할 수 있다.
한편, 식 (1)을 참조하면, 순수 철의 경우 PH2O/PH2 평형 분압이 1,000 K 에서 0.18 인데, 이로부터 수산화물이 분해되어 생성된 수증기의 상당량이 철 산화물 형성함을 알 수 있다. 따라서 순수 철 분말 입자의 표면에 철 산화물을 형성할 수 있으며, 또한 이 철 산화물은 수산화물의 분해로 인하여 생성된 산화물과 반응하여 철 산화물을 함유하는 복합산화물을 형성할 수 있다. 마찬가지로 Ni 이나 Co 에 Fe 가 합금원소로 첨가되어 있는 경우, 수증기 산화에 의해 Ni 합금이나 Co 합금 분말의 표면에 철 산화물이 형성될 수 있고, 또한 철 산화물은 수산화물의 분해로 인해 생성된 산화물과 반응하여 복합산화물을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 연자성 금속 분말과 수산화물을 혼합하여 혼합물을 마련하는 단계 및 혼합물을 반응기에 장입하고 정지 분위기에서 열처리하여 연자성 금속 분말 입자의 표면에 산화물 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 분말 코아의 제조 방법일 수 있다.
수산화물을 분해하여 발생한 수증기를 이용하여 Fe계, Ni계, Co계 등 연자성 합금 분말 입자의 표면에 균일한 산화물 절연막을 형성할 수 있다. 이러한 절연막이 형성된 연자성 합금 분말을 이용하면 분말 코아를 제조할 수 있다. 상업적으로 널리 사용되는 Fe-Si계, Fe-Al계, Fe-Si-Al계, Ni-Fe계 분말 코아에 우선적으로 적용될 수 있다.
본 측면에 있어서, 금속 분말, 수산화물, 정지 분위기 열처리 등에 관한 사항은 앞의 측면에서 설명한 바와 동일하다.
본 측면에 있어서, 연자성 금속 분말 입자의 표면에 산화물 절연막을 형성하는 단계 이후에, 산화물 절연막이 형성된 금속 분말을 이용하여 분말 코아를 성형하고 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
실시예 1
평균 입도가 50㎛인 가스분무법으로 제조된 구형의 Fe-11%Al 합금 분말 10g과 Mg(OH)2 분말 0.103g을 혼합하였다. 혼합물을 석영관 튜브에 넣고 진공을 유지한 상태에서 밀봉하였다. 진공으로 유지된 석영관을 전기로에 넣고 900℃로 가열하여 1시간 유지한 후 노냉하였다. 석영관은 내부 용적이 300cm3인 것을 사용하였다.
상기 제조한 분말에 대하여 SEM 분석(JEOL, JXA-8500F)을 실시하고 그 결과 도 1에 그 결과를 나타내었다. 도 1을 참조하면, Fe-Al 합금 분말의 표면에 약 100nm 두께의 Al2O3 가 생성되었으며, MgO 와 반응하여 복합산화물을 형성되었음을 확인할 수 있다.
실시예 2
평균 입도가 50㎛인 가스분무법으로 제조된 구형의 Fe-11%Al 합금 분말 450g, Mg(OH)2 분말을 4.5g 사용한 점, 진공 분위기 대신 수소 정지분위기를 사용한 점, 900℃에서 30분 유지한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법에 의하여 분말을 제조하였다. 정지 수소 분위기는 반응기 내부를 수소 가스로 채운 후 수소 가스 도입부의 밸브를 닫음으로써 형성하였다.
반응이 완료된 분말의 표면부를 TEM 분석(FEI, TECNAI F20 G2)을 실시하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참조하면, Fe-Al 합금 분말의 표면에 약 50nm 두께의 Al2O3 와 MgO 로 구성된 복합산화물 층이 형성되었음을 확인할 수 있다.
실시예 3
평균입도가 45㎛인 Fe-3.6%Si 합금 분말 450g, Mg(OH)2 3.46g을 사용한 점, 아르곤 정지 분위기를 사용한 점, 700℃에서 20분 반응시킨 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 Fe-3.6%Si 합금 분말 입자의 표면에 산화물 절연막을 형성하였다.
도 3에 반응 완료된 분말 입자의 표면부의 TEM 분석 결과를 나타내었다. 도 3을 참조하면, 약 100nm 두께의 SiO2 층이 Fe-Si 합금 분말 입자의 표면에 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 최 외곽측은 SiO2 가 MgO 와 일부 반응하여 복합산화물로 전환되었음을 보여 준다.
실시예 4
Mg(OH)2 대신 Ca(OH)2 3.5g을 이용한 점을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 Fe-3.6%Si 합금 분말 입자 표면에 산화물 절연막을 형성하였다.
도 4 에 얻어진 분말의 단면 SEM 사진을 나타내었다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 같이 Fe-3.6%Si 합금 분말의 표면에 100nm 두께의 SiO2 가 형성되어 있고, 최 외곽측에는 CaO 가 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
특성 평가
실시예 2에서 제조된 Al2O3 절연막으로 피복된 Fe-11%Al 합금 분말을 압축 성형하여 내경 7.6 mm, 외경 12.7 mm 토로이드 코아를 성형하였다. 압축 성형시 압력은 1.4GPa 로 하였다. 성형된 토로이드 코아를 900℃에서 1시간 동안 고순도 질소분위기에서 열처리하여 토로이드 코아 성형시 변형으로 인한 잔류응력을 제거하였다.
교류이력곡선 측정기를 이용하여 토로이트 코아의 철손을 0.1T, 50kHz 조건에서 측정하였다. 철손은 650mW/cm3으로 측정되어, 코아 성형후 900℃ 의 높은 온도에서 열처리했음에도 절연층의 파괴가 일어나지 않음을 확인하였다. 상기 결과에 의하면, 본 발명에 따라 금속 분말 입자의 표면에 형성된 산화물 절연막의 내열성이 우수함을 확인할 수 있다.
실시예 1 내지 4를 참조하면, 수화물인 Mg(OH)2 와 합금 분말을 혼합하여 진공 분위기 또는 수소 또는 아르곤의 정지 분위기에서 열처리한 경우 합금 분말 입자의 표면에 합금 원소의 산화물층(Al2O3 또는 SiO2)이 형성되고, 최 외각 부분에는 합금원소의 산화물(Al2O3 또는 SiO2)과 수화물이 분해되어 생성된 산화물(MgO 또는 CaO)을 포함하는 복합 산화물이 형성됨을 확인할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 금속 분말과, 수산화물로서 알칼리금속수산화물, 알칼리토금속수산화물, Al(OH)3, H2Si(OH)6, 희토류금속수산화물, 및 Nb, Ta, V, W 또는 Zr 의 수산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 수산화물을 혼합하여 혼합물을 마련하는 단계; 및
    상기 혼합물을 반응기에 장입하고, 진공 분위기이거나, Ar 가스 또는 N2 가스를 포함하는 비활성 가스 분위기이거나, 또는 H2 가스를 포함하는 환원 가스 분위기로서 정지 분위기에서, 상기 수산화물의 분해 온도 이상이며 500℃ 내지 1200℃ 에서 1분 내지 10시간 동안 열처리를 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속분말과 수산화물의 무게비로 10㎚ 내지 1,000nm 의 범위에서 산화물 절연막의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 산화물 절연막이 균일하게 형성된 금속 분말의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 순수 철 분말, 철보다 수증기와의 반응성이 큰 합금원소를 함유한 Fe계 합금 분말, Ni 보다 수증기와의 반응성이 큰 합금원소를 함유한 Ni계 합금 분말 및 Co 보다 수증기와의 반응성이 큰 합금원소를 함유한 Co 계 합금 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 산화물 절연막이 균일하게 형성된 금속 분말의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 Fe계 합금 분말은 Fe-Si, Fe-Al, Fe-Si-Al, Fe-Cr, Fe-Co, Fe-V, Fe-Co-V, Fe-Co-Cr-V 를 포함하고, 상기 Ni계 합금 분말은 Ni-Fe, Ni-Cr, Ni-Fe-Mo 를 포함하고, 상기 Co 계 합금 분말은 Co-Cr 를 포함하는 산화물 절연막이 균일하게 형성된 금속 분말의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 혼합물에는 수용성 산화물을 더 포함된 산화물 절연막이 균일하게 형성된 금속 분말의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수용성 산화물은 MgO, CaO, SrO 및 BaO 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 산화물 절연막이 균일하게 형성된 금속 분말의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수산화물 대신 물을 사용하는 산화물 절연막이 균일하게 형성된 금속 분말의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제3항, 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 금속 분말.
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