KR101708114B1 - 비정질 연자성 합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Fe 원소는 70 내지 85atm%, B, P 및 C 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 25atm%, Si 및 Nb 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 10atm%, Y 및 Gd 중 적어도 한 종류의 원소는 0.1 내지 5atm% 및 불가피한 불순물로 이루어지는 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 갖는 비정질 연자성 합금을 제공한다.
본 발명에 따른 비정질 연자성 합금은 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 갖는 비정질 연자성 합금으로, 전자기기의 소형화 및 고효율화에 부응할 수 있는 연자성 특성 보유할 수 있다.

Description

비정질 연자성 합금{Soft magnetic amorphous alloy}
본 발명의 기술적 사상은 비정질 연자성 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 갖는 비정질 연자성 합금에 관한 것이다.
대부분의 금속 합금은 액상으로부터 응고 시 원자의 배열이 규칙적인 결정상이 형성된다. 그러나 응고 시 냉각속도가 임계 값 이상으로 충분히 커서 결정상의 핵 생성 및 성장이 제한되어 질 수 있다면, 액상의 불규칙적인 원자 구조가 그대로 고상으로 유지될 수 있다. 이와 같은 합금을 통상 비정질 합금(amorphous alloy) 혹은 금속기 비정질(metallic glass)이라 칭한다.
비정질 금속재료는 원자 구조 배열의 성질에 의해 결정질 금속재료보다 훨씬 더 높은 인장강도를 가지며, 인성 및 내식성 등 우수한 특성을 가진다. 특히, 철계 비정질 합금의 경우 우수한 연자성 특징을 가지나, 낮은 형성능으로 인한 크기의 제한은 자기적 재료로서 활용분야에 제약을 받고 있어, 비정질 형성능이 우수한 합금의 대한 개발이 필요한 실정이다.
1. 대한민국 등록특허 제10-0262205호 2. 대한민국 등록특허 제10-0561891호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 갖는 비정질 연자성 합금으로 전자기기의 소형화 및 고효율화에 부응할 수 있는 연자성 특성 보유하는 비정질 연자성 합금을 제공하는데 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 갖는 비정질 연자성 합금 분말의 제조방법을 제공하는데 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 비정질 연자성 합금은 Fe 원소는 70 내지 85atm%, B, P 및 C 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 25atm%, Si 및 Nb 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 10atm%, Y 및 Gd 중 적어도 한 종류의 원소는 0.1 내지 5atm% 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비정질 연자성 합금은 조성식 Fe100-a-b-cBaSibGdc 로 표현되며, 조성비를 나타내는 a, b, c 는 5atm%≤a≤20atm%, 1atm%≤b≤10atm%, 0.1atm%≤c≤5atm%일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비정질 연자성 합금은 조성식 Fe100-a-b-c-d-eBaPbCcNbdYe 로 표현되며, 조성비를 나타내는 a, b, c, d, e 는 5atm%≤a≤20atm%, 1atm%≤b≤10atm%, 1atm%≤c≤5atm%, 1atm%≤d≤10atm%, 0.1atm%≤e≤5atm% 일 수 있다.
삭제
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 포화 자속 밀도가 1.2 T 이상, 2.2 T 이하일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 잔류 자화가 0.03 Br 이상, 0.09 Br 이하일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전자파 차폐체는 상기 비정질 연자성 합금이과 절연재를 혼합하여 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 비정질 연자성 합금 분말의 제조 방법은 Fe 원소는 70 내지 85atm%, B, P 및 C 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 25atm%, Si 및 Nb 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 10atm%, Y 및 Gd 중 적어도 한 종류의 원소는 0.1 내지 5atm% 및 불가피한 불순물로 이루어지는 비정질 연자성 합금 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계, 대기압 하에서 상기 용탕에 가스를 분사(또는 수분사)하여, 상기 용탕을 급냉 및 분쇄시켜 분말화하는 단계 및 상기 분말화된 합금을 포집하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 비정질 연자성 합금은 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 비정질 연자성 합금은 전자기기의 소형화 및 고효율화에 부응할 수 있는 연자성 특성 보유할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 모합금 및 리본을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 합금의 XRD 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 합금의 자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 비정질 연자성 합금은 Fe 원소는 70 내지 85atm%, B, P 및 C 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 25atm%, Si 및 Nb 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 10atm%, Y 및 Gd 중 적어도 한 종류의 원소는 0.1 내지 5atm% 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
Fe 원소를 70 내지 85atm% 포함하여 합금의 연자성 특성을 확보할 수 있다. 단. Fe 원소가 70atm% 미만에서는 비정질 형성능과 포화자속밀도가 저하한다. 반면 Fe 원소가 85atm% 초과하면 과냉각 액체영역이 소멸하며, 합금의 비정질 형성능이 저하한다. 저비용의 Fe 이 주성분인 합금조성으로 높은 포화자속밀도를 갖는 비정질 합금을 낮은 가격으로 제조할 수 있다.
합금의 원소 설계에 따라 높은 비정질 형성능(Glass-forming ability, GFA)의 합금 제조할 수 있으며, 특히, 상기 B, P 및 C 중 적어도 한 종류의 원소를 1 내지 25atm% 포함하여 높은 GFA를 확보할 수 있다.
또한 Si 및 Nb 중 적어도 한 종류의 원소를 1 내지 10atm% 포함하여 핵생성을 조장하고 결정을 성장시킬 수 있다. 더불어 Y 및 Gd 중 적어도 한 종류의 원소를 0.1 내지 5atm% 포함하여 합금의 연자성 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 비정질 연자성 합금은 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 가져 전자기기의 소형화 및 고효율화에 부응할 수 있는 연자성 특성 보유할 수 있다.
또한 비정질은 핵생성과 성장에 의해 결정화되기 때문에 결정화 거동은 결정상의 성장 조건을 조절하는데 직접적인 연관이 될 수 있다. 또한 비정질 합금의 결정화를 조절한다는 것은 비정질 기지 내에 나노미터 크기의 결정상이 부분결정화 된 비정질 기지 복합재를 얻는데 적용 할 수 있다. 나노 결정상이 석출된 비정질 기지 복합재는 뛰어난 기계적 특성과 우수한 자기적 성질을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 비정질 연자성 합금은 조성식 Fe100-a-b-cBaSibGdc 로 표현되며, 조성비를 나타내는 a, b, c 는 5atm%≤a≤20atm%, 1atm%≤b≤10atm%, 0.1atm%≤c≤5atm%일 수 있다.
상기 B는 첨가되어 내마모성을 증가시키고, 결정질-비정질 변태를 결정하는 역할을 한다. B의 함량이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 5atm% 미만일 경우 상기와 같은 보론 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없고, 20atm%를 초과할 경우에는 과다 보론 함유로 인한 Fe계 비정질 합금의 취성이 증가되어 내충격성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 Si는 결정화 및 결정 제어를 위하여 첨가하나, 10atm%이상 첨가시에는 포화자속밀도를 크게 감소시키므로 그 함량은 1 내지 10atm%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한 상기 Gd는 0.1 내지 5atm% 첨가하여 철과 함께 연자성 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 상기 비정질 연자성 합금은 조성식 Fe100-a-b-c-d-eBaPbCcNbdYe 로 표현되며, 조성비를 나타내는 a, b, c, d, e 는 5atm%≤a≤20atm%, 1atm%≤b≤10atm%, 1atm%≤c≤5atm%, 1atm%≤d≤10atm%, 0.1atm%≤e≤5atm% 일 수 있다.
상기 B는 포화자속밀도를 크게 감소시키지 않으면서 철의 비정질 조직 형성을 도와주게 되는 성분으로서, 그 첨가량은 5 내지 20atm%가 바람직하다. 첨가량이 5atm% 미만일 경우 충분한 비정질 형성능을 기대하기 어렵고, 20atm%를 초과할 경우에도 오히려 비정질 형성능이 감소하는 경향을 나타내는 것으로 확인되어 바람직하지 못하다. 특히, B의 첨가량은 10atm% 이상 첨가된 10-20atm%의 범위에서 가장 우수한 비정질 형성능을 나타냈다.
상기 P는 합금의 성형성을 저하시키지 않으면서 강도를 향상시키는 역할을 한다. 첨가량이 10atm를 초과할 경우 강도 상승에도 불구하고, Fe계 비정질 합금의 취성이 급격히 증가할 수 있다. 특히, P는 첨가량이 3atm% 미만일 경우 충분한 비정질 형성능 및 강도 향상을 기대하기 어렵고, 7atm% 이상에서 열적안정성의 저하가 문제되므로 P의 첨가량은 3-7atm%가 더욱 바람직하다.
상기 C는 합금 내에서 침입형 고용 강화(interstitial solid solution hardening) 효과를 나타내나, 첨가량이 1atm% 미만일 경우 충분한 효과를 기대하기 어렵고, 첨가량이 5atm%를 초과하는 경우 취성이 강하여 내충격성이 현저히 저하되는 문제점이 있어 1-5atm% 첨가가 바람직하다.
상기 Nb는 뛰어난 내식성을 얻을 수 있는 원소로서, 1 내지 10 atm% 첨가 시 고융점 금속으로서 원자반경이 크며 철과 화합물을 형성하지 않기 때문에 비정질 합금의 제조가 용이하다. 특히, Nb는 5atm%이상 첨가할 경우에는 포화자화 값의 감소되므로 1 내지 5atm% 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 Y는 0.1 내지 5atm% 첨가 시 산소와의 가장 큰 생성 엔탈피로 인해 용융상태의 합금에서 용존 산소의 제거로 인해 해로운 효과를 미치는 산소량을 줄 일 수 있고, 또한 원자 반경이 가장 크고, B과의 음의 혼합열이 큰 Y 원자의 첨가로 인해 과냉각 상태의 멜트가 더욱 밀집하게 결합되는 효과가 나타나 원자의 이동도를 낮출 수 있다. 특히, Y는 첨가량이 0.5atm% 미만일 경우 첨가에 의한 위의 충분한 효과를 기대하기 어렵고, 3atm% 이상에서 열적안정성의 저하가 문제되므로 Y의 첨가량은 0.5-3atm%가 더욱 바람직하다.
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본 발명에 따른 연자성 합금은 포화 자속 밀도가 1.2 T 이상, 2.2 T 이하일 수 있고, 잔류 자화가 0.03 Br 이상, 0.09 Br 이하일 수 있다. 이와 같이, 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 가져 전자기기의 소형화 및 고효율화에 부응할 수 있는 연자성 특성 보유할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 전자파 차폐체는 비정질 연자성 합금과 절연재를 혼합하여 이루어질 수 있으며, 비정질 연자성 합금분말과 절연재와 윤활제가 혼합되고, 입자 제조하여 이루어지는 입자제조분말을 고체화 성형한 압분 코어에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 비정질 연자성 합금 분말의 제조 방법은 용탕 형성 단계, 가스 분사 단계, 분말 포집 단계를 포함할 수 있다.
상기 용탕 형성 단계는 Fe 원소는 70 내지 85atm%, B, P 및 C 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 25atm%, Si 및 Nb 중 적어도 한 종류의 원소는 1 내지 10atm%, Y 및 Gd 중 적어도 한 종류의 원소는 0.1 내지 5atm% 및 불가피한 불순물로 이루어지는 비정질 연자성 합금 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계이다.
용탕을 형성하기 위하여, 상기 비정질 연자서 합금 조성물을 용융 도가니 내부로 장입시키고, 용융 도가니 내부의 온도를 1500℃ 이상으로 높여 용탕을 형성한다,
상기 가스 분사 단계는 대기압 하에서 상기 용탕에 가스를 분사(또는 수분사)하여, 상기 용탕을 급냉 및 분쇄시켜 분말화하는 단계이다. 용탕은 급냉과 동시에 분쇄되어 분말화된다. 이때 질소 가스가 이용될 수 있고, 냉각 속도는 고압가스의 분사 압력 등에 따라 달라질 수 있다. 고압가스 또는 수분사하여 용탕이 급냉되므로, 용탕이 결정화되는 것을 억제할 수 있고, 이를 통하여 비정질 합금을 형성하게 된다.
상기 분말 포집 단계는 상기 분말화된 합금을 포집하는 단계이다. 포집기를 이용하여 가스 분사에 의하여 분쇄된 결과물인 비정질 연자성 합금 분말을 포집한다. 분말의 사용 목적에 따라서 다른 입경 범위를 갖는 분말이 포집될 수 있는 포집망이 구비될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 연자성 합금의 제조 및 특성을 설명하면 다음과 같다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 형성능이 우수한 합금 조성을 나타낸 표이다. 아래 표1과 같은 합금 조성을 가진 합금을 진공 arc 용해로를 통해 용해하여 모합금을 제조하고, 제조된 모합금을 melt spinning(급속 응고법)을 활용하여(3000rpm) 리본을 제조(ribbon의 폭 3~5mm) 하였다.
합금조성(atm%)
Fe Co B P C Si Nb Y Gd Total
#1 76 - 18 - - 3 - - 3 100
#2 75 - 13 5 4 - 2 1 - 100
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 합금의 XRD 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2와 같이, 각각의 회절도형은 특별한 결정 peak 이 관찰되지 않았고, 전형적인 비정질 상의 halo pattern인 broad한 peak을 나타내었다. 이를 통하여 급속 응고법을 이용해 제조된 리본의 경우는 비정질 상이 형성되었음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 합금의 자기적 특성을 나타낸 그래프이고, 표 2는 제조된 합금의 특성치(포화자속밀도, 이론 밀도값, 잔류 자화)를 나타낸 표이다.
Alloy ID Saturated magnetic flux density(T) Theoretical density(g/cm3) Residual magnetization (Br)
#1 1.56 6.165 0.0873
#2 2.2 6.497 0.0789
본 발명에 따른 연자성 합금은 포화자속밀도가 1.2 T 이상, 2.2 T 이하값을 가지고, 잔류 자화가 0.03 Br 이상, 0.09 Br 이하 값을 가진다. 이와 같이, 높은 포화 자화와 비정질 형성능을 가져 전자기기의 소형화 및 고효율화에 부응할 수 있는 연자성 특성 보유할 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 전자파 차폐체는 비정질 연자성 합금과 절연재를 혼합하여 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 조성식 Fe100-a-b-cBaSibGdc 로 표현되며,
    조성비를 나타내는 a, b, c 는 5atm%≤a≤20atm%, 1atm%≤b≤10atm%, 0.1atm%≤c≤5atm% 이며,
    포화 자속 밀도가 1.2 T 이상, 2.2 T 이하이고,
    잔류 자화가 0.03 Br 이상, 0.09 Br 이하인 비정질 연자성 합금.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항에 기재된 비정질 연자성 합금과 절연재를 혼합하여 이루어지는 전자파 차폐체.
  8. 제2항의 조성을 가지는 비정질 연자성 합금 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계;
    대기압 하에서 상기 용탕에 가스를 분사(또는 수분사)하여, 상기 용탕을 급냉 및 분쇄시켜 분말화하는 단계; 및
    상기 분말화된 합금을 포집하는 단계를 포함하는 비정질 연자성 합금 분말의 제조방법.
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