KR101597290B1 - 저철손 코아소재 제조방법 - Google Patents

Abstract

저철손 코아소재의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저철손 코아소재의 제조방법은 Fe-3%Si의 전기강판으로 이루어진 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 산화방지를 위해 전처리 공정을 수행하는 단계, 상기 전처리 공정후 Al-Si 합금을 상기 기판상에 용융도금하는 단계 및 상기 용융도금된 기판을 확산 열처리하는 단계를 포함한다.

저철손, 코아소재, 용융도금, 확산열처리, Al-Si 합금

Description

저철손 코아소재 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR LOW IRON-LOSS CORE MATERIAL}

본 발명은 코아소재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저철손 코아소재 제조방법에 관한 것이다.

전자기기용 코아 소재는 현재 Fe-Si계 전기강판을 사용하고 있으며 코아소재는 이러한 전자기기의 성능을 좌우하는 핵심요소이다. 철손은 전기강판에서 직접 발생되는 에너지 손실이며 총에너지 손실의 25% 수준을 차지하고 있으며 1차 및 2차 동손도 코아소재의 특성에 따라 크게 영향을 받으므로 실제 코아소재의 특성은 전자기기, 특히 모터에 있어서 매우 핵심적인 요소라고 할 수 있다.

따라서 기존의 전기강판 보다 특성이 우수한 소재로 대체된다면 철손뿐 만아니라 코일권수 또한 줄일 수 있으므로 동손도 크게 낮아지는 효과를 얻을 수 있다.

특히, 최근에 들어 전자기적 특성이 우수한 코아소재에 대한 요구가 증대되기 시작하였으며 코스트 측면에서도 모터의 경우, 제조비용중 코아소재의 비중이 50% 이상이 되기 때문에 저렴하면서도 고기능을 발현하는 코아소재 개발이 기대되고 있다.

전기강판은 Si 함량에 따라 전자기 특성이 크게 좌우되며 Si함량이 6.5%가 되면 자기특성이 피크에 달하기 때문에 최근 일본에서 제조기법을 개발하여 이전에는 제조가 불가능하였던 6.5%Si 강판을 상용화하였으나 제품단가가 기존소재의 약 10배로 너무 고가이고 가공성 문제로 상업적 적용에 매우 제한적이라는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 Fe-Si 전기강판상에 Al 합금을 코팅하여 열처리를 행하여 철손이크게 향상된 코아소재의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저철손 코아소재의 제조방법은, Fe-3%Si의 전기강판으로 이루어진 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 산화방지를 위해 전처리 공정을 수행하는 단계, 상기 전처리 공정후 Al-Si 합금을 상기 기판상에 용융도금하는 단계 및 상기 용융도금된 기판을 확산 열처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 의한 저철손 코아소재의 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

Fe-3%Si 강판을 기판으로 하여 기판상에 Al-Si 합금을 용융도금하고 확산열처리를 행함으로써 기판내에 우수한 연자기 특성을 나타내는 Fe-Al-Si계 합금을 형성시킴으로써 자기특성이 향상된 코아소재를 제공할 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 명세서 전체에서 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저철손 코아소재의 제조방법은 Fe-3%Si의 전기강판으로 이루어진 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 산화방지를 위해 전처리 공정을 수행하는 단계, 상기 전처리 공정후 Al-Si 합금을 상기 기판상에 용융도금하는 단계 및 상기 용융도금된 기판을 확산 열처리하는 단계를 포함한다.

본 발명인 저철손 코아소재 기술을 안출함에 있어서, 용융도금 전처리 기술, 용융도금 기술, 확산열처리 기술 등이 기술적 핵심요소로 구성된다. 즉, 기판인 Fe-3%Si상에 형성된 산화막을 제거하고 기판이 산화하지 않도록 상태를 유지시키면서 용융욕에 강판을 침지하여 Al-Si합금을 용융도금하고 진공분위기에서 일정시간 동안 열확산을 시켜 기판표면에 Fe-Si-Al층을 형성시킴으로써 전자기특성 향상을 도모하는 것이다.

코팅물질은 Al-Si계 합금으로 하여 전자기 특성을 도모하였다. Al-Si합금을 코팅물질로 한 이유는 기판과 Al-Si과의 상호확산에 의해 생성되는 Fe-Al-Si 3성 분계가 우수한 전자기 특성을 나타내는 Sendust (Fe₈₅Al₆Si₉)합금조성과 유사하기 때문이다.

Al-Si계 합금은 12.6%의 공정점과 비교적 낮은 577 ℃의 공정온도를 갖는 공정합금 부근의 조성으로 코팅하게 되면 낮은 온도에서도 용이하게 용융도금을 할 수 있는 장점이 있다. Si 조성이 많게 되면 융점이 높아지고 이로 인하여 열처리 온도 또한 높아지게 되며 반면 아공정 조성영역인 Si 양을 적어지면 용질금속의 저항효과가 미미하므로 Si 조성은 12 ~ 20 wt%가 바람직하다.

코팅물질인 Al-Si을 코팅함에 있어 기판은 3% Si무방향성 전기강판을 사용하는 게 바람직하다. 그 이유는 되도록 기판의 Si 량이 많아져야 열처리 온도 및 확산시간 등 공정측면에서 경제적으로 유리하기 때문이다.

용융도금 공정은 먼저, 두께가 0.35 mm인 전기강판(3%Si, 0.003%C)을 기판에 형성된 유기물 및 산화물을 세정하기 위하여 아세톤 및 염산용액으로 전처리를 행한다. 염산은 약 15v%로 하여 유기물을 세정한 기판을 20분간 침지한 후 수세하여 건조시킨다. 건조된 시편은 재산화방지를 위해서 Ni을 수 미크론 두께로 코팅한다.

선도금 물질을 Ni로 택한 이유는 Ni의 환원성이 매우 우수하기 때문이며 Ni이외에도 순철 등 환원성이 우수한 순금속이면 가능하다. 코팅은 증착 혹은 전기도금으로 가능하다.

도금은 불활성 분위기에서 기판을 예열한 후 30 - 60초간 침지를 행하였으며 Ar 분위기에서 상온으로 냉각을 한다.

도금된 강판소재는 열처리로에 장입하고 배기를 10^-6 torr대에 진입한 후 확산열처리를 행한다.

또한 본 발명에서는 기판의 두께를 고려할 때 코팅표면에서의 확산거리 범위가 약1.0 mm 정도면 충분하므로 확산시간은 60분 내지 100분 이내, 온도는 1000℃ 내지 1100 ℃의 범위 이내가 양호한 확산열처리 조건일 수 있다.

이는 온도가 너무 높게 되면 확산속도가 빨라져 제조공시간을 단축할 수 있으나 Al-Si조성의 융점이 낮아 Al-20% Si의 경우에도 700℃ 정도이므로 기판상에서 코팅물질이 부분적으로 용융하는 현상이 발생된다.

또한 확산시간은 공정코스트를 좌우하는 중요한 변수로 확산시간이 너무 길어지게 되면 생산성이 저하하며 반면에 확산시간이 너무 짧게 되면 기판 전체에 Fe-Al-Si합금 형성이 이루어지지 않기 때문이다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

본 발명의 일 실시예에 따른 저철손 코아소재 제조방법을 통하여 제조한 소재의 전자기 특성 및 포하자화를 검증하기 위하여 다음과 같은 조건의 시편을 제작하여 그 성능을 시험하였다. 시편제작 조건은 다음과 같다.

- 기판: 0.35 mm 두께의 전기강판 (3%Si, 1.45%Al, 0.23%Mn, 0.003%C)

- 합금물질 조성: Al-20% Si

- 열처리조건: 900℃ 내지 1170℃

- 확산시간: 5분 내지 90 분

용융도금하기 기판에 형성된 유기물 및 산화물을 세정하기 위하여 아세톤 및 염산용액으로 전처리를 행하였다. 염산은 약 15v%로 하여 유기물을 세정한 기판을 20분간 침지한 후 수세하여 건조시킨다. 건조된 시편은 재산화방지를 위해서 Ni을 1 미크론 정도 진공증착하여 코팅하였다.

모합금은 용융도가니에 20%Si-Al합금을 Ar분위기에서 약 750 ℃로 가열하여 용해하였다. 용융도금시 코팅계면의 산화가 문제되므로 침지실험은 Ar가스에 약 3%수소를 혼합한 혼합가스를 사용하였으며 자체 제작한 용융챔버내에 가스를 purging하기전에 혼합가스에 포함되어 있는 수분을 되도록 제거하기 위하여 혼합가스를 Moisture trap을 통과한 후 용융챔버내에 주입하도록 하였다.

시편은 시편홀더를 이용하여 하강시켜 용융챔버내의 용탕 직상부에서 예열 한 후 약 50초간 침지를 행하였다. 침지 후 시편홀더를 상승시켜 Ar분위기의 냉각챔버에서 60초간 냉각후 시편을 취출하였다.

용융도금 시편은 진공열처리로내에서 10^-6 torr로 배기한 후 각각 5분, 30분, 60분 및 90분간 소둔하였다. 철손 및 포화자화 측정은 Single strip test를 이용하여 1.0T/50Hz의 조건으로 측정하였다.

도 1은 소둔온도를 1050 ℃로 고정하고 소둔시간을 5분, 30분, 60분, 90분 으로 하였을 때의 철손변화를 나타낸다. 90분 소둔의 경우는 환원도금시편이 0.83 W/kg 까지 감소하고 있으며 동일한 측정조건에서 기존의 무방향성 전기강판인 1.0 W/kg보다 감소하여 용융도금 공정을 통하여 철손특성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

도 2는 고주파 철손특성을 파악하기 위해 측정한 것으로 철손의 주파수 특성 결과를 나타낸다. 고주파 철손 특성은 코아소재에 있어서 매우 중요한 파라미터이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 주파수를 50Hz에서 400Hz까지 증가시키면서 1.0T에서 철손을 측정한 결과 주파수가 높아질 수록 철손은 증가하고 있으나 주파수가 증가함에 따라 본 발명예인 코아소재와 기존의 전기강판과의 철손의 차이가 크게 됨을 알 수 있다.

400Hz에서는 기존의 전기강판의 16.4에 비해 13.5로 크게 낮아져 본 발명을 통하여 제작된 시편이 향후 고주파 저철손 코아소재로의 가능성을 시사하고 있다고 판단된다.

검증결과를 비교예인 상용제품규격과 비교하면 다음의 표 1과 같다.

비교항목	Iron Loss(kg/W) @1.0T/50Hz	Iron Loss(kg/W) @1.0T/400Hz
비교예(상용제품규격)	1.0	16.5
발명예	0.83	13.5

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소둔시간에 따른 철손 변화를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철손의 고주파 의존성을 나타낸 도면이다.

Claims (4)

1. Fe-3%Si의 전기강판으로 이루어진 기판을 제공하는 단계;

   상기 기판의 산화방지를 위해 전처리 공정을 수행하는 단계;

   상기 전처리 공정후 Al-Si 합금을 상기 기판상에 용융도금하는 단계; 및

   상기 용융도금된 기판을 확산 열처리하는 단계를 포함하고,

   상기 전처리 공정은 상기 기판을 세정하고, 수세하여 건조하는 단계; 및

   상기 건조된 기판에 Ni 또는 Fe 순금속을 코팅하는 단계로 이루어진 저철손 코아소재의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 Al-Si 합금에서 Si의 조성은 12wt% 내지 20wt% 인 것을 특징으로 하는 저철손 코아소재의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판을 세정하는 것은 상기 기판을 아세톤 및 15v% 염산용액에 20분간 침지하여 세정하는 것인 저철손 코아소재의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 확산 열처리는 소둔온도가 1,000℃ 내지 1,100℃ 의 범위, 소둔시간이 60분 내지 100분인 것을 특징으로 하는 저철손 코아소재의 제조방법.

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