KR101661602B1

KR101661602B1 - 연자성 요크의 제조방법

Info

Publication number: KR101661602B1
Application number: KR1020150061897A
Authority: KR
Inventors: 이진호; 김구현; 김윤현
Original assignee: (주)창성
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-09-30

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 45∼80중량%의 니켈(Ni)과 잔부가 철(Fe) 및 몰리브덴(Mo) 등 불가피한 불순물을 포함하는 연자성 합금분말을 바인더와 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 압축 성형하여 설정 형상의 요크를 형성하는 성형단계; 상기 성형단계에서 성형된 요크를 소결하는 소결단계;를 포함하는 연자성 요크의 제조방법을 제공한다.

Description

연자성 요크의 제조방법{Method for manufacturing soft magnetic yoke}

본 발명은 연자성 요크의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연자성 분말을 이용하여 설정된 형태의 연자성 요크를 일체화하여 제조할 수 있도록 한 연자성 요크의 제조방법에 관한 것이다.

연자성 요크는 작은 자장에서도 민감하게 반응해 용이하게 자화되는 연자성 재료를 사용한 것으로, 보자력(coercive force)이 작은 한편, 투자율(magnetic permeability)이 큰 것이 특징으로 에너지 로스가 적다.

연자성 요크의 특징은, 자석에서 나오는 자속(magnetic flux)이 통과하기 쉽다는 것이다. 자속의 통하기 쉬움을 나타내는 지표로서는 투자율이 있다. 대기중을 1로 하면 요크는 1000∼10000배가 된다. 자석의 근처에 요크가 없으면 자속은 대기 중에 누설된다. 그러나, 자석의 근처에 요크가 있다고 하면, 자속은 대기 중에는 누설되지 않고 투자율이 높은 요크에 집중한다.

종래에는 Ni-Fe 또는 Ni-Fe-Mo 주성분인 퍼멀로이(Permalloy) 강판을 전량 수입하여, 열처리(어닐링) 후 프레스, 절단 및 연마가공 등을 진행하고, 가공 응력의 해소를 위하여 2차 열처리를 진행한 후 두께에 맞도록 적층 본딩을 진행하여 연자성 요크를 제조한다. 또는 주조공법 적용 후, 가공 및 열처리를 통해 연자성 요크를 제조할 수도 있다. 이러한 연자성 요크는 토크모터 등에 사용될 수 있다.

이러한 종래 기술의 경우, 퍼멀로이(Permalloy) 소재의 수입 및 소재 가공 후의 다량의 스크랩 발생, 그리고 여러 공정으로 인한 높은 제조공정 비용이 불가피하였다.

또한, 원하는 형상의 연자성 요크를 제조하기 위해서는, 절삭 등의 추가 가공 처리가 필수적이므로 기계 가공이 불가피하며, 이에 따라 공정상 불리한 문제점을 항상 내포하고 있다.

한국공개특허 제10-1997-0051792호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연자성 분말(Fe-Ni, Fe-Ni-Mo, Fe-Si, Fe-Si-Al등)을 이용하여, 별도의 가공처리가 필요 없거나 최소화하고 최종형상에 가까운 형상(Near Net Shape)의 고특성(높은 투자율 μ 및 보자력Hc) 연자성 요크를 제조할 수 있는 연자성 요크의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 45∼80중량%의 니켈(Ni)과 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 연자성 합금분말을 바인더와 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 압축 성형하여 설정 형상의 요크를 형성하는 성형단계; 상기 성형단계에서 성형된 요크를 소결하는 소결단계;를 포함하는 연자성 요크의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 혼합단계에서, 연자성 합금분말은 20 ㎛∼250 ㎛의 입도 범위 내에서 고르게 분포될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 혼합단계에서, 연자성 합금분말은 0.1∼6중량%의 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 혼합단계에서, 연자성 합금분말은 0.1∼5중량%의 규소(Si), 구리(Cu), 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 성형단계에서는, 4T∼12T/단면적의 고압 성형을 통하여 설계된 최종 요크의 형상에 근접하도록 성형할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소결단계에서는, 성형된 요크를 1100℃∼1400℃의 온도에서 소결할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소결단계에서는, 성형된 요크를 수소 분위기 또는 분해암모니아(NH₃) 분위기에서 소결할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소결단계 이후 150mOe 이하의 보자력(Hc)을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소결단계 이후 6,000μ 이상의 투자율(Permeability)을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 소결 완료된 요크에 선택적으로 홀을 형성하는 후가공단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 후가공단계 이후 1000℃∼1300℃에서 열처리하는 소둔단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연자성 분말과 분말야금 공정을 통하여, 설계된 최종형상에 가까운 형상(Near Net Shape)의 일체형으로 성형, 소결 진행하므로, 비교적 간단한 제조공정과 낮은 제조원가를 통한 대량생산이 가능한 높은 자성 특성을 가진 연자성 요크를 제조할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연자성 요크의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참고하면, 일 실시예에 의한 연자성 요크의 제조방법은 혼합단계(S10), 성형단계(S20), 소결단계(S30), 후가공단계(S40), 소둔단계(S50)를 포함한다.

혼합단계(S10)는 연자성 금속 분말과 바인더를 혼합하는 단계이다. 예컨대, 연자성 금속 분말로는 Ni-Fe 합금분말이 적용될 수 있으며, 혼합단계에서는 이 합금분말이 바인더에 적절하게 분산되도록 혼합한다.

연자성 합금분말은 20 ㎛∼250 ㎛의 입도를 가질 수 있다. 이때, 연자성 합금분말이 일률적인 입도를 갖는다면 압축 성형시에서 성형성이 나쁘고, 이에 따라 소결 성형코어 제조 생산성 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 연자성 합금분말은 20 ㎛∼250 ㎛의 입도 범위 내에서 고르게 분포되는 것이 바람직하다.

바인더는 아미드(Amide) 수지, 이미드(Imide) 수지, 페놀 수지, 실리콘 수지, 스티어린산(Stearate)이나 Wax와 같은 유기계 바인더 또는 합성바인더 중에서 선택적으로 사용될 수 있다. 바인더는 자성특성의 저하됨을 고려하여 1.0중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

일 실시예의 연자성 금속 분말을 구성하는 니켈(Ni)의 비율은, 45∼80중량%이다. 니켈(Ni)의 비율은 80 중량%를 초과하면 포화 자속 밀도 Bs［T(테스라), 이하 동일］가 작아지고, 45 중량% 미만인 경우에는 최대비 투자율 μ 이 작아지므로 역시 포화 자속밀도가 작아진다. 이때, 일 실시예의 연자성 분말의 전 질량 가운데, 니켈(Ni)을 제외한 잔부는 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 규소(Si), 크롬(Cr) 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.

몰리브덴(Mo)은 니켈과 더불어 소결단계 이후 성형체에 냉각 효과를 촉진시킴으로써 투자율은 높이고 보자율은 낮출 수 있도록 한다. 몰리브덴(Mo)의 함유량은 0.1∼6중량%가 포함될 수 있다. 이 원소는 바람직하지 않은 단범위 및 장범위의 결정학적 규칙화를 억제하여 초투자율을 증가시키고, 전자 산란체로서의 역활을 하여 전기비저항을 높이므로 와전류 손실을 감소시키는 역활을 한다, 단, 몰리브덴(Mo)을 첨가하면 합금의 포화자화가 좀 감소하나, 고투자율을 얻기 위한 열처리 공정이 단순화 되는 이점이 있다. 따라서 몰리브덴(Mo)의 함량은 6중량% 이내로 제한한다.

규소(Si)는 소결단계를 진행할 때 철(Fe) 기지에 고용하여 철(Fe) 기지의 경도를 증대시키는 작용이 있지만, 후술하는 소결단계를 진행함으로써 이 철(Fe) 합금 분말에 충분한 압축성을 부여할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 연자성 분말에 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 첨가해 고투자율 특성을 얻을 수 있으며, 소결시 합금의 연성을 증가시켜 소성가공을 용이하게 할 수도 있다.

규소(Si), 구리(Cu) 및 크롬(Cr)의 함량은 01∼5중량%가 첨가될 수 있다.

성형단계(S20)는 혼합단계에서 혼합된 혼합분말을 최종가공형상(near net shape)에 대응되도록 압축 성형하는 단계이다. 성형단계는 단면적당 4∼12ton의 고압 성형으로 진행될 수 있다.

성형단계에서는 예컨대, 기계식 프레스법, 핫프레스(Hot press)법, 방전 플라즈마 소결법, 온간 성형법, 다이윤활 성형법 등이 사용될 수 있다.

소결단계(S30)는 압축 성형된 혼합분말을 소결하여 완성체에 근접한 요크를 형성하는 단계이다. 소결단계는 1100℃∼1400℃의 온도에서 소결공정을 진행한다. 이때 소결단계는 수소 분위기 또는 분해암모니아(NH₃) 분위기에서 진행하는 것이 바람직하다.

후가공단계(S40)는 요크에 홀을 가공하는 단계이다. 후가공단계는 필요에 따라 선택적으로 진행할 수 있다. 예컨대, 토크모터에 적용되는 요크의 경우, 대략 “ㄷ”자 형태 단면을 가지며, 그 일부에는 토크모터에 볼트 체결될 수 있도록 볼트홀이 형성될 수 있다. 이러한 홀은 드릴에 의한 기계적 가공에 의해 형성될 수 있다. 또는 재가압(Re-Press)를 통하여, 보다 정밀한 치수 제어를 할 수 있다.

소둔단계(S50)는 자성을 회복시키는 단계이다. 소둔단계는 소결온도보다 낮은 1000℃∼1300℃의 온도에서 소둔공정을 진행한다. 소둔단계를 거친 요크는 후가공단계를 진행함으로써 발생할 수 있는 요크의 응력을 제거하여 150mOe의 보자력 및 6,000μ 이상의 투자율(Permeability)을 확보할 수 있다.

즉, 연자성 합금 분말에 대하여 1000∼1300℃의 온도 영역에서 가열 소둔 실시함으로써 후가공단계에서 받았던 물리적, 기계적 성질변화를 기지조직 내의 연화를 통해 잔류응력을 제거함으로써 자성특성을 안정화할 수 있다.

이때, 열처리 온도가 1000℃ 미만인 경우 열처리 시간이 증가하여 생산성이 떨어지게 되며, 1300℃를 넘으면 분말끼리의 확산이 발생하기 시작하고, 이 분말의 해쇄의 번거로움이 가해지는 동시에, 해쇄 시에 분말에 가공 변형이 가해져 소둔의 효과가 부족해진다.

이렇게 제조된 요크는 통상의 PM(영구자석)형 스텝 모터 등에 적용될 수 있다. 예컨대, PM(영구자석)형 스텝 모터는 마그네트가 부착된 회전자와, 마그네트의 외주면에 일정 간격을 두고 구비된 고정자로 구성되며, 고정자에 가해진 외부 전기신호에 의하여 회전자가 회전하는 구조로 되어 있다.

회전자는 회전축의 외주면에 N극과 S극이 교대로 다수 개 착자된 마그네트로 구성되고, 고정자의 내경부에 삽입되는 구조로 되어 있으며, 고정자는 코일을 수용하는 보빈과 보빈의 내경부에 삽입되는 다수개의 요크들로 구성되어 있다. 고정자에 가해진 외부 전원 인가에 의하여 요크들이 자로를 형성하고 마그네트와 상호 작용에 의하여 회전자가 회전하는 구조로 되어 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연자성 분말을 압축 성형함에 의해 복잡한 형상의 일체형 요크의 성형이 쉽게 이루어지면서도, 연자성 특성이 우수한 금속 분말을 함유함에 의해 자기적 투자율 향상과 압축 성형시의 성형 밀도 향상을 도모할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

45∼80중량%의 니켈(Ni)과 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 연자성 합금분말을 바인더와 혼합하는 혼합단계;
상기 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 압축 성형하여 설정 형상의 요크를 형성하는 성형단계; 및
상기 성형단계에서 성형된 요크를 소결하는 소결단계;
를 포함하고,
상기 혼합단계에서, 연자성 합금분말은 20㎛ ~ 250㎛의 입도 범위 내에서 고르게 분포되고,
상기 혼합단계에서, 연자성 합금분말은 0.1 ~ 6중량%의 몰리브덴(Mo)을 포함하고,
상기 혼합단계에서, 연자성 합금분말은 0.1 ~ 5중량%의 규소(Si), 구리(Cu), 크롬(Cr)을 포함하고,
상기 성형단계에서는, 4T ~ 12T/단면적의 고압 성형을 통하여 설계된 최종 요크의 형상에 근접하도록 성형하고,
상기 소결단계에서는, 성형된 요크를 1100℃ ~ 1400℃의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 하는 연자성 요크의 제조방법.
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제1항에 있어서,
상기 소결단계에서는, 성형된 요크를 수소 분위기 또는 분해암모니아(NH₃) 분위기에서 소결하는 연자성 요크의 제조방법.
제1항 있어서,
상기 소결단계 이후 150mOe 이하의 보자력(Hc)을 갖는 연자성 요크의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 소결단계 이후 6,000μ 이상의 투자율(Permeability)을 갖는 연자성 요크의 제조방법.
제1항에 있어서,
소결 완료된 요크에 선택적으로 홀을 형성하는 후가공단계를 더 포함하는 연자성 요크의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 후가공단계 이후 1000℃∼1300℃에서 열처리하는 소둔단계를 더 포함하는 연자성 요크의 제조방법.