KR102237022B1

KR102237022B1 - 연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품

Info

Publication number: KR102237022B1
Application number: KR1020200099230A
Authority: KR
Inventors: 김형진; 이세일; 정제숙
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2021-04-08
Also published as: EP4177912A1; CN115769318A; WO2022030709A1; EP4177912A4; US20230268106A1; JP2023535214A

Abstract

본 명세서에서는 모터의 코어 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있는 연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품을 개시한다.
개시되는 연자성 철계 분말의 일 실시예에 따르면, 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, [Si]/[Al] > 2를 만족하며, D₁₀과 D₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 10중량% 미만일 수 있다. 상기 [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.

Description

연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품 {SOFT MAGNETIC IRON-BASED POWDER AND ITS MANUFACTURING METHOD, SOFT MAGNETIC COMPONENT}

본 발명은 연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품에 관한 것이다.

연자성 재료는 전기기기의 인덕터나 회전 구동을 위한 모터 및 발전기 등의 스테이터 부품이나 로터 부품, 액츄에이터, 센서, 변압기 코어 등에 사용된다. 연자성 재료는 전기강판을 적층하여 제조될 수 있으며, 연자성 재료 중 연자성 콤포지트(Soft Magnetic Composite, SMC)는 연자성을 띄는 철계 분말을 절연물질로 코팅하고, 윤활제 또는 바인더 등과 함께 고온에서 압축 소결함으로써 제조된다. SMC는 전기강판을 적층하는 2차원적 방식과는 다르게 3차원적인 전자장 설계가 가능하고, 또한, 디자인의 자유성이 높아서 복잡성을 크게 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

그러나, SMC는 통상적으로 10kHz 이상의 고주파에서는 전기강판을 적층한 재료에 비해 철손이 적고 자기적인 특성이 우수하나, 1000Hz 이하의 모터의 주 구동영역에서는 전기강판을 적층한 재료에 비해서 철손이 높다. 따라서, SMC를 모터 등의 소재로 적용하기 위해서는 1000Hz 이하의 주파수 영역에서 철손을 감소시키는 것이 중요하다.

철손은 크게 히스테리시스 손실(hysteresis loss)과 와전류 손실(eddy current loss)로 분류된다. 히스테리시스 손실은 자성재료가 교류 전기에 의해 발생하는 전자장의 변화에 따라서 자화될 때 발생하는 손실이며, 와전류 손실은 교류의 전기에 의해서 발생하는 전자장의 변화에 따라서 유도전류가 발생하게 될 때 발생하는 손실이다. 통상 낮은 주파수에서는 히스테리시스 손실이 중요한 반면, 높은 주파수에서는 와전류 손실이 전체 철손의 대부분을 차지한다. SMC는 박판에 비하여 와전류 손실 특성이 우수하기 때문에 10kHz 이상에서 철손이 낮은 반면 히스테리시스 특성이 열위하기 때문에 1000Hz 이하에서 사용하는데 제한이 있었다.

히스테리시스 손실은 금속 내에서 결정립경을 Gs라고 할 때 1/(√Gs)에 비례하며, 와전류 손실은 (√Gs)에 비례한다. 따라서, 철손을 낮추기 위해서는 최적의 결정립경 크기 범위를 적절히 조절할 필요가 있다. 최적의 결정립경 크기는 재료의 비저항에 의해서도 영향을 받으며, 비저항이 클수록 보다 큰 결정립에서 최소의 철손을 갖게 된다. 이는 비저항이 큰 재료가 와전류손이 감소하는 것과 연관되어 있다. 즉, 저항이 높을수록 철손이 감소하게 된다.

저항을 증가시키는 방법으로 SMC에서는 철계 분말 입자에 절연코팅을 하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 1, 2, 3은 무기물질을 사용하여 절연코팅을 형성하는 기술을 제시하고 있다. 유기물질의 코팅은 예를 들어 특허문헌 4로부터 공지되어 있다. 무기 재료 및 유기 재료 둘 모두를 포함하는 코팅은 예를 들어, 특허문헌 5, 6, 7에 공지되어 있다. 이러한 문헌들에 따르면, 철계 분말 입자는 철 포스페이트층과 열가소성 재료에 의해 코팅된다.

그러나, 이러한 방법들은 별개의 절연물질을 코팅하거나, 바인더 등을 첨가하여야 된다는 점에서 제품 제작 및 비용 측면에서 단점이 존재한다. 특히 별개의 절연물질을 활용하여 코팅을 하는 경우 각 분말 입자의 코팅층 두께가 일정하기 어려우며, 분말과 절연물질 간의 물리적/화학적 반응을 고려하여 적절한 절연물질의 선정이 어렵다. 또한, 분말 상에 절연물질이 차지하는 두께만큼 재료 내 철의 비중이 낮아지게 되어 단위 부피 당 에너지 밀도가 낮아지고, 포화자속이 낮아지는 문제점이 존재한다.

종래의 철계 분말 및 그로부터 제조되는 부품에 있어서 1000Hz 이하의 주파수 영역에서도 낮은 철손을 갖는 연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품에 대한 개발이 필요한 실정이다. 또한, 종래에 저항을 증가시키기 위해 철계 분말을 코팅하는 절연물질을 사용하지 않고 보다 효율적으로 철계 분말의 저항을 높일 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.

US특허 제6,309,748호 US특허 제6,348,265호 US특허 제6,562,458호 US특허 제5,595,609호 US특허 제6,372,348호 US특허 제5,063,011호 DE특허 제3,439,397호

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 1000Hz 이하의 주파수 영역에서 낮은 철손을 갖는 연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 연자성 철계 분말은 외표면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함하고, 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, [Si]/[Al] > 2를 만족할 수 있다. 상기 [Si], [Al]은 각 원소의 중량%를 의미한다.

또한, 본 발명의 각 연자성 철계 분말은 상기 절연층의 두께가 10 내지 50nm일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 철계 분말은 D₁₀과 D₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 10중량% 미만일 수 있다. 상기 [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.

또한, 본 발명의 각 연자성 철계 분말은 평균 입도가 150 내지 400㎛일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 철계 분말은 D₉₅가 500㎛ 미만이며, D₅₀이 150 내지 300㎛일 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 연자성 철계 분말의 제조방법은 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 1500℃에서 1000℃까지 10분 이내로 냉각하여 고상화하는 단계, 1000℃에서 900℃ 이하로 100분 이내로 냉각하는 단계, 가열하여 액상화하는 단계 및 아토마이징하여 분말화하는 단계를 포함하고, 상기 고상화하는 단계에서, 고상화된 용강의 부피 대비 표면적의 비가 4cm^-1 이하일 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 연자성 부품은 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, [Si]/[Al] > 2를 만족하는 연자성 철계 분말 및 상기 연자성 철계 분말 간의 계면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함하며, 1T, 1000Hz에서 140W/kg 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 상기 절연층의 두께가 10 내지 50nm일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 G₁₀과 G₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 10중량% 미만일 수 있다. 상기 [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 단축 대비 장축의 길이비가 1 내지 2인 상기 연자성 철계 분말의 면적율이 50% 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 상기 연자성 철계 분말의 평균 크기가 150 내지 500㎛일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 G₉₅가 500㎛ 미만이며, G₅₀이 150 내지 300㎛일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 1T, 400Hz에서 40W/kg 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 50Hz, 10000A/m에서의 자속밀도(B₁₀₀)가 1.1T를 초과할 수 있다.

또한, 본 발명의 각 연자성 부품은 비저항이 40μΩ·cm를 초과할 수 있다.

본 발명에 따르면 1000Hz 이하의 주파수 영역에서 낮은 철손을 갖는 연자성 철계 분말 및 그 제조방법, 연자성 부품을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 별개의 절연물질을 사용하지 않고도 외표면 상에 절연층을 함유하는 철계 분말을 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

또한, 본 명세서에서 "Dx"는 철계 분말 입자의 입도누적분포 상에서 누적된 입도가 x%에 해당하는 철계 분말 입자를 의미하는 것으로, x는 0 초과 100 미만의 유리수이다. x가 예를 들어 10이면, 철계 분말의 입도 측정 결과에서 하위 10%의 값을 나타내는 철계 분말을 의미한다.

본 명세서에서 "Gy"는 부품 내 철계 분말 입자의 입도누적분포 상에서 누적된 입도가 y%에 해당하는 부품 내 철계 분말 입자를 의미하는 것으로, y는 0 초과 100 미만의 유리수이다. y가 예를 들어 10이면, 부품 내 철계 분말의 입도 측정 결과에서 하위 10%의 값을 나타내는 철계 분말을 의미한다.

연자성 철계 분말은 연자성 부품을 제작하기 위한 가장 중요한 재료이다. 본 발명에 따른 연자성 철계 분말은 외표면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함한다. 본 발명의 절연층은 종래와 같이 별개의 유기/무기물질의 절연물질을 이용한 철계 분말에 코팅하여 형성되는 것이 아니라, 분말 제조 시 용탕의 상부에 있는 산화물층이 분말과 섞인 상태에서 천천히 식으면서 형성된다. 이를 고려하면 본 발명은 종래에 수행해왔던 별개의 절연코팅이 없이 철계 분말의 외표면 상에 절연층을 형성할 수 있다는 점에서 장점을 갖는다.

일 예에 따르면 절연층의 두께는 10 내지 50nm일 수 있다. 절연층의 두께가 10nm 미만인 경우에는 절연성이 부족하여 와전류 손실이 증가하여 철손이 증가할 우려가 있다. 절연층의 두께가 50nm를 초과하는 경우에는 강 중 산소량이 크게 증가하여 자성에 불리할 우려가 있다.

또한, 연자성 특성을 보다 개선한다는 측면에서 입도와 성분의 관리도 중요하다. 일 예에 따른 연자성 철계 분말은 평균 입도가 150 내지 400㎛일 수 있다. 평균 입도가 150㎛ 미만인 경우 히스테리시스 손실을 충분히 낮추지 못하여 1000Hz 이하의 저주파수 영역대에서 철손을 충분히 감소시키기 못할 우려가 있다. 반면, 평균 입도가 400㎛를 초과하는 경우에는 와전류 손실이 커지면서 고온, 고압 등의 조건에서 성형 시에 각 입자간 간격을 충분히 좁히지 못하여 제작되는 부품의 밀도가 낮아지는 문제가 있다. 평균 입도는 보다 바람직하게는 200㎛를 초과할 수 있으며, 해당 조건에서 히스테리시스 손실은 충분히 낮추면서, 각 입자에서 발생하는 와전류 손실이 크지 않을 수 있다. 또한, 평균 입도는 보다 바람직하게는 300㎛ 미만일 수 있으며, 해당 조건에서 각 분말 입자들의 고온 및 고압 조건에서 부품으로 성형 시에 부품 내에 집중되는 국소 스트레스를 완화시킬 수 있다.

본 발명의 일 예에 따르면 D₉₅가 500㎛ 미만이며, D₅₀이 150 내지 300㎛일 수 있다. D₉₅가 500㎛ 이상인 경우 고온, 고압에서 성형 시에 주위의 작은 입자들과 균등한 압력을 받지 못하며, 밀도가 낮아져 자성이 열화해질 우려가 있다. D₅₀이 150㎛ 미만이면 1000Hz 이하의 철손을 최소화하기 위한 입도 크기를 고르게 갖지 못할 우려가 있다. D₅₀이 300㎛을 초과하면 자성에 최적인 입도보다 큰 입자의 수가 전체 입자의 다수가 되기 때문에 자성이 열위해질 우려가 있다.

본 발명의 일 예에 따른 연자성 철계 분말은 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유를 이하에서 서술한다.

Si의 함량은 2중량%를 초과할 수 있다.

Si은 철계 분말의 비저항을 증가시키기 위해서 필수 원소이다. 본 발명에 따르면 Si 함량이 2중량%를 초과하므로 고온 성형 시에도 페라이트 상으로 유지될 수 있어서 분말의 입도와 고온 및/또는 고압에서 성형된 부품 내 분말의 입도가 거의 일치할 수 있다. Si 함량이 2중량% 미만인 경우에는 분말과 고온 및/또는 고압에서 성형된 부품 내 분말의 입도가 크게 상이할 수 있으며, 분말 자체의 적정 크기의 입도를 확보하기 어렵다.

Al의 함량은 0.02중량%를 초과할 수 있다.

Al은 철계 분말의 비저항을 증가시키는데 Si과 같은 역할을 수행한다. 또한, Al은 철계 분말의 자성이 향상될 수 있도록, 기타 불순물량을 적절하게 제어하는 원소로 적극 첨가한다. 이러한 측면에서 본 발명에 따르면 Al은 0.02중량%를 초과하여 첨가되는 것이 바람직하다. O, S 등 불순물 제어 측면에서 Al은 0.3 중량%를 초과하여 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

Mn의 함량은 0.05중량%를 초과할 수 있다.

Mn은 철계 분말의 비저항을 증가시키는데 Si과 유사한 역할을 수행한다. 또한, Mn은 철계 분말의 자성이 향상될 수 있도록, 산화물 및 황화물 등을 형성하면서 철계 분말 내에 불순물이 결정립의 크기를 미세화 하지 않도록 제어하는 원소로 적극 첨가한다. 이러한 측면에서 본 발명에 따르면 Mn은 0.05중량% 초과하여 첨가되는 것이 바람직하다. 강 중 산소, 황을 산화물 또는 황화물로 용출화하기 위해서 Mn은 0.2중량%를 초과하여 첨가되는 것이 바람직하다.

O의 함량은 0중량% 초과, 0.1중량% 미만일 수 있다.

O는 철계 분말의 제조 시 고온 공정을 거치면 지속적으로 증가하게 되는 성분에 해당한다. 고온 및/또는 고압으로 성형된 최종 부품 내에서 O 함량이 적을수록 자성에 유리하다. 본 발명에 따르면 O의 상한은 0.1중량%로 제한된다.

다만, 적당한 양의 O는 철계 분말의 표면에서 Si, Al, Mn 등과 결합하여 전기적으로 절연성을 띄는 산화물층을 형성한다. 본 발명에 따르면 표면에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함하는 철계 분말로 부품을 제조하면 철손을 감소시킨 연자성 부품의 제조가 가능하다. 이를 고려하여 본 발명에 따르면 O의 함량은 0중량%를 초과한다.

본 발명에 따르면 상술한 합금조성 범위 외에도 선택적으로 다음의 각 합금성분의 상관관계를 만족할 수 있다.

[Si]/[Al] > 2

여기서, [Si], [Al]은 각 원소의 중량%를 의미한다. Al은 비저항을 증가시키며, S의 함유량을 낮출 수 있으나, Al은 고온에서 O와 결합이 용이하여 철계 분말을 제조하는 과정 중에 O 함량이 과다해지는 문제가 있다. 이때 Al 함량 대비 Si의 함량이 높을수록 Al에 의한 O 함유량 증가가 용이하게 억제된다. 또한, 철계 분말의 표면 상의 Si, Al, Mn, O을 함유하는 절연층에서 Al 함량이 높아지게 되면 철손이 높아지는 문제가 있다. 상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일 예에 따르면 Al 함량 대비 Si 함량을 2배를 초과하도록 성분을 제어할 수 있다.

바람직한 일 예에 따르면 상술한 합금조성을 만족하면서, D₁₀과 D₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 10중량% 미만일 수 있다. 여기서, [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다. 비저항을 크게 증가시키는 원소인 Si, Al, Mn의 경우 합금의 증가에 따라 비저항을 증가하는데는 매우 효과적이다. 그러나, 분말의 입도에 따라서 농도가 큰 폭으로 변화하면 복잡한 형상의 연자성 부품을 제조할 때 자기적인 특성이 균일하지 못하고, 일부 부분에서 통상의 재료에 비해 열위한 자성특성을 나타낼 우려가 있다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

이하에서는 불순물 원소 및 그 함량범위에 대한 기술적 의의를 서술한다. 그러나, 이하에서 설명되는 불순물 원소 및 그 함량범위는 본 발명이 목적하는 연자성 철계 분말이나, 연자성 부품을 확보하기 위해 필수적인 구성은 아니며, 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 설명되는 것으로 본 발명의 기술사상을 특별히 한정하는 것이 아님을 유의할 필요가 있다.

C의 함량은 0.01중량% 미만일 수 있다.

C는 철계 분말의 제조 시 불가피하게 첨가되는 원소이다. C는 다량 첨가 시에는 석출물을 형성하고, 자구의 이동을 방해하여 자성에 악영향을 주는 원소이다. 따라서, C함량을 0.01중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 C함량이 0.004중량% 미만이면 철손이 우수하고, 300℃ 이하의 낮은 온도에서 소둔 시에도 철손이 열화되지 않기 때문에 바람직하다.

N의 함량은 0.01중량% 미만일 수 있다.

N는 철계 분말의 제조 시에 불가피하게 첨가되는 원소이다. N는 다량 첨가 시에는 석출물을 형성하고, 자구의 이동을 방해하여 자성에 악영향을 주는 원소이다. 특히, N는 고온에서 가스 상태로 존재하여 강에 가스 분출구를 만드는 문제가 있어 그 첨가량을 0.01중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 N 함량이 0.004중량% 미만이면 철손이 우수하고, 300℃ 이하의 낮은 온도에서 소둔 시에도 철손이 열화되지 않기 때문에 바람직하다.

S의 함량은 0.05중량% 미만일 수 있다.

S는 철계 분말의 제조 시 불가피하게 첨가되는 원소이다. S는 다량 첨가시에는 고온에서 FeS로 액화되어서 제조 난이도를 높이고, Mn 및 Cu 등과 석출물을 형성하여 자구의 이동을 방해함으로써 자성에 악영향을 주는 원소이다. 따라서, S함량을 0.05중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다. 특히 S는 다량으로 첨가 시에는 계면에 편석하면서 계면 안정성을 저해하기 때문에 보다 바람직하게는 0.01중량% 미만으로 제한할 수 있다. S는 보다 더 바람직하게는 철손을 감소시키기 위해서 0.003중량% 미만으로 제한할 수 있다.

Ti의 함량은 0.01중량% 미만일 수 있다.

Ti는 철계 분말의 제조 시에 불가피하게 첨가되는 원소이다. Ti는 다량 첨가 시에는 용강이 고온에서 액상으로 존재할 때 산소와 결합하여 용강 중에 조대한 산화물을 형성하고, 이후 부품을 제조한 다음에도 자성을 열위하게 하는 탄화물 및 질화물을 형성하는 원소이다. 따라서, Ti함량을 0.01중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다.

Mg의 함량은 0.05중량% 미만일 수 있다.

Mg는 철계 분말의 제조 시에 불가피하게 첨가되는 원소이다. Mg는 다량 첨가 시에는 용강이 고온에서 액상으로 존재할 때 유황 또는 산소와 결합하여 용강 중에 개재물을 형성하고, 이후 개재물은 성장하여 부품을 제조한 다음에도 자성을 열위하게 하는 산화물 및 황화물을 형성하는 원소이다. 따라서, Mg함량을 0.05중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 연자성 철계 분말의 제조방법에 대해 상세히 서술한다. 본 발명의 철계 분말의 제조방법은 고온의 액상을 냉각하여 고화시키는 방법이 사용될 수 있다. 일반적으로 고체의 금속 화합물이 액상으로 변화하면 액상 내에서 성분 변화가 크지 않을 것으로 예상하지만, 실제로는 그렇지 않다. 액상 내 성분조성은 액상에 용융된 상태의 Si, Al, Mn, C, N, S, Ti, Mg 등의 열역학적인 상호관계에 의해 결정된다. 예를 들면 Si함량이 높은 경우, Si에 의해서 각 원소들간의 인력 및/또는 척력이 크게 변화하면서 액상화된 용강의 국소적인 범위의 성분의 변화가 크다. 일 예로, 액상화된 용강을 냉각시키면서 고화시키면 Si, Al, Mn 등에 의해서 표면에서부터 내부로 성장하는 덴드라이트가 형성될 수 있다. 덴드라이트가 형성된 철계 분말은 덴드라이트의 크기 및/또는 형상에 의하여 덴드라이트의 계면과 내부 간의 성분 차이가 크게 발생할 우려가 있다.

본 발명에 따른 연자성 철계 분말의 제조방법은 철계 분말의 성분 변화를 최소화할 수 있다. 일 예에 따른 연자성 철계 분말의 제조방법은 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 1500℃에서 1000℃까지 10분 이내로 냉각하여 고상화하는 단계, 1000℃에서 900℃ 이하로 100분 이내로 냉각하는 단계, 가열하여 액상화하는 단계 및 아토마이징하여 분말화하는 단계를 포함할 수 있다. 냉각하는 단계 이후 변형하거나, 물리적으로 절단, 파쇄하는 등의 공정이 추가적으로 포함될 수 있다.

본 발명의 일 예에 따르면 고상화하는 단계에서 고상화된 용강의 부피(V) 대비 표면적(S)의 비가 4cm^-1 이하일 수 있다. S/V의 비 값이 4cm^-1를 초과하면 대기중의 산소와 고온에서 반응하여 두꺼운 산화층을 형성하는 표면적이 지나치게 넓어진다. 그 결과, 형성된 산화층은 결정립계를 따라 내부로 전사될 수 있고, 이에 따라 강 중의 산소농도가 크게 증가하고 성분편차가 발생할 수 있을 우려가 있다. 이러한 측면에서 S/V의 비 값은 보다 바람직하게는 0.3cm^-1 이하, 보다 더 바람직하게는 0.11cm^-1 이하일 수 있다. 그러나, 고상화된 용강을 다시 가열하여 액화시키므로 액상화 시간을 고려하면 S/V의 비는 0.08cm^-1 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연자성 부품은 연자성 철계 분말을 고온 및/또는 고압에서 압축 성형하여 제조될 수 있다. 일 예에 따른 연자성 부품은 중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, [Si]/[Al] > 2를 만족하는 연자성 철계 분말 및 상기 연자성 철계 분말 간의 계면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함할 수 있다. 철계 분말 합금조성의 한정이유는 상술한 바와 같으므로 편의상 생략한다.

본 발명에 따른 연자성 부품은 연자성 철계 분말 간의 계면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함한다. 연자성 부품 내 절연층은 전술한 별개의 절연코팅이 없이 외표면 상에 절연층을 형성한 철계 분말을 고온 및/또는 고압에서 압축 성형하여 확보된다.

본 발명의 일 예에 따른 연자성 부품 내 연자성 철계 분말의 평균 크기는 150 내지 500㎛일 수 있다. 평균 크기가 150㎛ 미만인 경우 히스테리시스 손실을 충분히 낮추지 못하여 1000Hz 이하의 저주파수 영역대에서 철손을 충분히 감소시키기 못할 우려가 있다. 반면, 평균 크기가 500㎛를 초과하는 경우에는 부품의 밀도가 낮아져 자성이 열위해질 우려가 있다.

본 발명의 일 예에 따르면 G₉₅가 500㎛ 미만이며, G₅₀이 150 내지 300㎛일 수 있다. G₉₅가 500㎛ 이상인 경우 부품의 밀도가 낮아져 자성이 열화해질 우려가 있다. G₅₀이 150㎛ 미만이면 1000Hz 이하의 철손을 최소화하기 위한 부품 내 철계 분말의 입도를 고르게 갖지 못할 우려가 있다. G₅₀이 300㎛을 초과하면 자성에 최적인 크기보다 큰 철계 분말의 수가 전체 철계 분말의 다수가 되기 때문에 자성이 열위해질 우려가 있다.

바람직한 일 예에 따르면 상술한 합금조성을 만족하면서, G₁₀과 G₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 10중량% 미만일 수 있다. 여기서, [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다. 비저항을 크게 증가시키는 원소인 Si, Al, Mn의 경우 합금의 증가에 따라 비저항을 증가하는데는 매우 효과적이다. 그러나, 분말의 입도에 따라서 농도가 큰 폭으로 변화하면 복잡한 형상의 연자성 부품을 제조할 때 자기적인 특성이 균일하지 못하고, 일부 부분에서 통상의 재료에 비해 열위한 자성특성을 나타낼 우려가 있다.

본 발명의 일 예에 따른 연자성 부품은 단축 대비 장축의 길이비가 1 내지 2인 연자성 철계 분말의 면적율이 50% 이상일 수 있다. 단축 대비 장축의 길이비가 2를 초과하는 경우, 입자의 형상이 구형에서 크게 벗어나 분말의 형성 시 국소적인 성분의 편차가 발생하여 자성이 열화될 우려가 있다.

본 발명에 따른 연자성 부품은 1000Hz 이하의 주파수 영역에서 철손을 충분히 감소시킬 수 있게 된다. 일 예에 따르면 1T, 400Hz에서 40W/kg 이하일 수 있다. 다른 일 예에 따르면 1T, 1000Hz에서 140W/kg 이하일 수 있다.

본 발명에 따른 연자성 부품은 자성 특성이 우수하며, 일 예에 따르면 50Hz, 10000A/m에서의 자속밀도(B₁₀₀)가 1.1T를 초과할 수 있다.

본 발명에 따른 연자성 부품은 비저항이 높고, 일 예에 따르면 비저항이 40μΩ·cm를 초과할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

{실시예}

하기 표 1의 조성을 갖는 강을 통상적으로 사용하는 전로를 통해 액체 상태의 용강으로 제조한다. 이후 액상의 용강을 부피(V) 대비 표면적(S)의 비가 4cm^-1 이하가 되도록 1500℃에서 1000℃까지 10분 이내로 냉각하여 고상화하여 주조하였다. 주조된 반제품은 형태 또는 두께에 따라서 슬라브(slab), 바(bar) 또는 핫 코일(hot coil)로 칭할 수 있다. 이후 1000℃에서 900℃ 이하로 100분 이내로 냉각하였다. 그 다음, 냉각된 반제품을 그대로 사용하거나, 또는 변형하거나, 또는 물리적으로 절단, 파쇄하는 등의 공정을 추가적으로 수행하였다. 이후 1500℃ 이상으로 가열하여 액상화하고, 통상의 방법에 따라 아토마이징하여 분말화하여 철계 분말로 제조하였다. 표 1에서 [Si], [Al]은 각 원소의 중량%를 의미한다.

	성분조성(중량%)				[Si]/[Al]
	Si	Al	Mn	O	[Si]/[Al]
실시예1	3.4	0.5	0.5	<0.002	6.8
실시예2	2.5	1.0	0.2	<0.002	2.5
실시예3	4.0	0.4	0.6	<0.002	10.0

각 실시예의 분말 입자화된 철계 분말 입자의 평균 입도, D₉₅,D₅₀, D₉₀, D₁₀의 입도를 각각 측정하여 표 2에 나타내었다. 또한, 각 실시예의 D₉₀, D₁₀의 입자에서의 성분조성을 표 3에 나타내었다. 표 3의 [Si]+[Al]+[Mn] 은 각 원소의 중량%를 의미한다.

	입도 (㎛)
	평균	D₉₅	D₅₀	D₉₀	D₁₀
실시예1	230	360	260	345	120
실시예2	200	330	230	305	85
실시예3	200	310	220	290	80

		합금조성 (중량%)
		Si	Al	Mn	[Si]+[Al]+[Mn]
실시예1	D₉₀	3.55	0.36	0.45	4.36
실시예1	D₁₀	3.34	0.61	0.3	4.25
실시예2	D₉₀	2.0	1.2	0.5	3.7
실시예2	D₁₀	2.7	1.1	0.1	3.9
실시예3	D₉₀	3.9	0.3	0.5	4.7
실시예3	D₁₀	3.8	0.6	0.45	4.85

본 발명이 한정하는 합금조성 및 입도를 만족한 각 실시예 철계 분말은 외표면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층을 포함하였으며, 철손은 1T, 400 내지 1000Hz에서 75W/kg 내지 110W/kg이였으며, 50Hz, 10000A/m에서의 자속밀도(B₁₀₀)은 1.0 내지 1.5T였다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

외표면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 두께 10 내지 50nm의 절연층을 포함하고,
중량%로, Si: 2.0% 초과 4.0% 이하, Al: 0.02% 초과 1.0% 이하, Mn: 0.05% 초과 0.6% 이하, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, [Si]/[Al] > 2를 만족하는 연자성 철계 분말.
(상기 [Si], [Al]은 각 원소의 중량%를 의미한다)
삭제
D₁₀과 D₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 0중량% 이상 10중량% 미만인 연자성 철계 분말.
(상기 [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다)
제1항에 있어서,
평균 입도가 150 내지 400㎛인 연자성 철계 분말.
제1항에 있어서,
D₉₅가 500㎛ 미만이며, D₅₀이 150 내지 300㎛인 연자성 철계 분말.
중량%로, Si: 2.0% 초과 4.0% 이하, Al: 0.02% 초과 1.0% 이하, Mn: 0.05% 초과 0.6% 이하, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 1500℃에서 1000℃까지 10분 이내로 냉각하여 고상화하는 단계;
1000℃에서 900℃까지 100분 이내로 냉각하는 단계;
가열하여 액상화하는 단계; 및
아토마이징하여 분말화하는 단계;를 포함하고,
상기 고상화하는 단계에서, 고상화된 용강의 부피 대비 표면적의 비가 4cm^-1 이하인 연자성 철계 분말의 제조방법.
중량%로, Si: 2% 초과, Al: 0.02% 초과, Mn: 0.05% 초과, O: 0% 초과, 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, [Si]/[Al] > 2를 만족하는 연자성 철계 분말; 및
상기 연자성 철계 분말 간의 계면 상에 Si, Al, Mn, O를 함유하는 절연층;을 포함하며,
1T, 1000Hz에서 140W/kg 이하인 연자성 부품.
제7항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 10 내지 50nm인 연자성 부품.
제7항에 있어서,
G₁₀과 G₉₀에서의 [Si]+[Al]+[Mn] 차이가 0중량% 이상 10중량% 미만인 연자성 부품.
(상기 [Si], [Al], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다)
제7항에 있어서,
단축 대비 장축의 길이비가 1 내지 2인 상기 연자성 철계 분말의 면적율이 50% 이상인 연자성 부품.
제7항에 있어서,
상기 연자성 철계 분말의 평균 크기가 150 내지 500㎛인 연자성 부품.
제7항에 있어서,
G₉₅가 500㎛ 미만이며, G₅₀이 150 내지 300㎛인 연자성 부품.
제7항에 있어서,
1T, 400Hz에서 40W/kg 이하인 연자성 부품.
제7항에 있어서,
50Hz, 10000A/m에서의 자속밀도(B₁₀₀)가 1.1T를 초과하는 연자성 부품.
제7항에 있어서,
비저항이 40μΩ·cm를 초과하는 연자성 부품.