KR102244550B1 - 합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어 - Google Patents

합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 연자성 코어 제조 방법은, 소정의 입도를 갖는 합금 분말을 제조하는 단계; 상기 합금 분말과 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 냉간 성형하는 단계; 상기 냉각 성형된 상기 혼합물을 열간 성형하는 단계; 및 상기 열간 성형된 상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 합금 분말을 이용하여 비정질 연자성 코어를 제조할 때, 냉간 프레스 및 열간 프레스 처리를 수행함에 따라 제조된 비정질 연자성 코어의 내부가 부풀어 기공이 형성되는 것을 최소화할 수 있어, 비정질 연자성 코어의 밀도를 높일 수 있다.

Description

합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어{MANUFACTURING METHOD OF AMORPHOUS SOFT MAGNETIC CORE AND AMORPHOUS SOFT MAGNETIC CORE}
본 발명은 합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 합금 분말의 형태가 유지된 상태로 연자성 코어를 제조할 수 있는 합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어에 관한 것이다.
연자성 소재는 자동차, 로봇, 전자 , 전기 신재생에너지, 컴퓨터 및 통신 산업 등에 널리 사용되고 있으며, 점차 기능이 많아지고, 자동화 및 소형화되는 추세에 따라 사용량이 급격히 증가한다. 그 중 전자산업 및 전기자동차 산업이 발전하면서 전력변환장치인 인버터의 수요가 증가하는 추세이다.
또한, 인버터의 동작 주파수가 200kHz 이상의 고주파 영역에서 사용되는 것이 요구되고 있어 이러한 인버터의 동작 환경을 충족시키기 위해 연자성 코어의 높은 자성특성이 필요하다. 연자성 코어의 자성특성은 투자율 및 자속밀도가 높고, 코어의 손실(철손)이 낮을수록 우수한 특성을 나타낸다.
종래에 연자성 코어의 소재는 퍼멀로이(permalloy), 샌더스트(sendust) 및 Fe-Si계 합금 등이 사용된다. 이러한 소재들을 이용하여 제조된 연자성 코어는 상용 가능한 주파수 영역대가 150kHz 이하이기 때문에 상기와 같이 200kHz 이상의 고주파 영역에 이용하기 어려운 문제가 있다.
이를 위해 비정질 연자성 코어가 이용되는데, 비정질 연자성체의 특성은, 자속밀도가 높고 코어의 손실이 낮은 특성이 있지만, 고주파 영역에서 같은 연자성체를 사용하여 코어의 손실이 높아져 자성특성이 나빠진다. 이를 보안하기 위한 방법 중 하나가 분말 표면에 절연 코팅하는 방법이 있다.
이렇게 절연 코팅된 합금 분말을 이용하여 연자성 코어를 성형하는 경우, 성형하는 동안 분말의 형상이 변하기 때문에 절연 코팅층이 깨져 코어 손실이 낮아지는 문제가 있다.
또한, 외력에 의한 성형을 수행 한 다음 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 경화 열처리를 수행하는데, 대부분의 바인더는 열처리 과정에서 부풀어 오른다. 그에 따라 이런 부풀음으로 인해 성품의 치수 정밀도가 낮아지고, 내부에 기공(pore)이 형성되는 등의 결함이 발생하는 문제가 있다.
게다가 이러한 기공으로 인해 연자성 코어의 밀도가 낮아지면, 연자성 코어의 내에 비자성 영역이 증가하여 합금 분말의 절연 코팅층이 깨져 발생되는 코어 손실이 낮아질 수 있지만, 자속밀도나 투자율도 함께 저하되어 전체적인 자성특성이 안 좋아지는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1882444호 (2018.07.20.) 대한민국 등록특허 제10-0960699호 (2010.05.24.) 대한민국 등록특허 제10-0545849호 (2006.01.18.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고주파에서 사용할 수 있도록 자성특성이 우수한 합금 분말을 이용한 합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법 및 비정질 연자성 코어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 연자성 코어 제조 방법은, 소정의 입도를 갖는 합금 분말을 제조하는 단계; 제조된 상기 합금 분말과 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 냉간 성형하는 단계; 상기 냉간 성형된 상기 혼합물을 열간 성형하는 단계; 및 상기 열간 성형된 상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합금 분말은, 소정의 입도를 갖는 제1 합금 분말; 및 상기 제1 합금 분말과 다른 입도를 갖는 제2 합금 분말을 포함할 수 있다.
상기 제1 합금 분말은 입도가 90㎛ 내지 150㎛의 범위이고, 상기 제2 합금 분말은 입도가 0㎛ 초과 25㎛ 이하 범위일 수 있다.
싱기 제1 합금 분말은 65wt% 내지 75wt% 범위로 포함되고, 상기 제2 합금 분말은 25wt% 내지 35wt% 범위로 포함될 수 있다.
상기 바인더는, 상기 합금 분말의 중량에 대비하여 0.5wt% 내지 3wt% 범위로 포함될 수 있다.
핸드 프레스를 이용하여 상기 혼합물을 가성형하는 단계를 더 포함하고, 상기 냉간 성형하는 단계는, 상기 가성형된 상기 혼합물을 냉간 성형할 수 있다.
상기 냉간 성형하는 단계는, 냉간 프레스를 이용하여 40ton 내지 50ton의 압력으로 상기 혼합물을 가압하여 성형할 수 있다.
상기 열간 성형하는 단계는, 진공 상태에서 열간 프레스를 이용하여 열간 성형을 수행할 수 있다.
상기 열간 성형하는 단계는, 240℃ 내지 260℃ 범위의 온도에서 열간 프레스를 이용하여 2.5ton 내지 3.5ton 범위의 압력으로 가압하여 성형할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는, 350℃ 내지 450℃범위의 온도에서, 소정의 시간동안 이루어질 수 있다.
상기 열처리하는 단계에서의 상기 소정의 시간은 1시간일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 연자성 코어는, 소정의 입도를 갖는 제1 합금 분말; 상기 제1 합금 분말과 다른 입도를 갖는 제2 합금 분말; 및 상기 합금 분말과 혼합되며, 절연성을 갖는 바인더를 포함하고, 상기 제1 합금 분말은 65wt% 내지 75wt% 범위로 포함되며, 제2 합금 분말은 25wt% 내지 35wt% 범위로 포함되고, 상기 바인더는, 상기 제1 합금 분말 및 제2 합금 분말의 중량 합에 대비하여 0.5wt% 내지 3wt% 범위로 포함될 수 있다.
본 발명에 의하면, 합금 분말을 이용하여 비정질 연자성 코어를 제조할 때, 냉간 프레스 및 열간 프레스 처리를 수행함에 따라 제조된 비정질 연자성 코어의 내부가 부풀어 기공이 형성되는 것을 최소화할 수 있어, 비정질 연자성 코어의 밀도를 높일 수 있다.
입도가 다른 혼합 합금 분말을 이용하여 비정질 연자성 코어를 제조함에 따라 합금 분말의 형상이 유지되기 때문에 비정질 연자성 코어의 자성영역에 대한 밀도가 높아 비정질 고유의 높은 자성특성을 유지하고, 코어의 손실이 낮아 고주파 영역에서 사용이 가능하다. 그에 따라 전원공급기, 트랜스포머, 전자기기, 전기자동차 부품류 등과 같이 다양한 산업분야에 이용할 수 있다.
또한, 합금 분말의 형상이 유지되면서 높은 자성 특성을 가지므로, 고주파 영역에서 구동 전력의 역률개선, 평활화, 승압/감압 등의 전기신호에 대한 노이즈 필터링 성능이 높아질 수 있다.
더욱이, 합금 분말의 다양한 크기를 혼합하여 이용하기 때문에 바인더를 사용하는 다양한 성형품에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연자성 코어 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 다음의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명이 명료해지도록 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 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 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 분말을 이용한 비정질 연자성 코어 제조 방법에 대해 설명한다.
비정질 연자성 코어를 제조하기 위해 혼합 합금 분말을 제조한다(S101).
합금 분말은, 비정질의 합금을 이용하여 제조할 수 있다. 이때, 비정질 합금을 분쇄하여 합금 분말의 입도에 따라 분류한다. 본 실시예에서, 합금 분말의 입도는, 45㎛ 이하, 45㎛ 내지 90㎛, 90㎛ 내지 150㎛의 크기로 분류하고, 또한, 45㎛이하를 다시 분류하여 25㎛ 이하의 크기를 분류한다.
그리고 이렇게 합금 분말을 분류하고, 복수 개로 분류한 입도 분류 중 두 개의 입도 분포를 갖는 합금 분말을 혼합하여 혼합 합금 분말을 제조한다.
본 실시예에서, 90㎛ 내지 150㎛의 입도를 갖는 제1 합금 분말과 25㎛의 입도를 가지는 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 합금 분말을 제조한다. 이때, 제1 합금 분말과 제2 합금 분말의 혼합 비율은 65wt% : 35wt%, 70wt% : 30wt% 및 75wt% : 25wt% 중 하나일 수 있다.
상기와 같이, 서로 다른 입도를 갖는 제1 합금 분말과 제2 합금 분말을 혼합하여 사용함에 따라 입도가 큰 제1 합금 분발들 사이에 입도가 작은 제2 합금 분말들이 배치될 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 비정질 합금은 KUAMET(KUAMET 6B2)과 같은, Fe계 비정질 합금이 이용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며, 퍼멀로이(permalloy), 샌더스트(sendust) 및 Fe-Si계 합금 등을 이용할 수 있다.
상기와 같이 혼합 합금 분말이 제조되면, 혼합 합금 분말과 바인더를 혼합하여 혼합물을 생성한다(S103).
혼합물은 혼합 합금 분말과 바인더를 혼합하여 생성한다. 이때, 바인더는 합금 분말의 입도가 작을수록 많은 양이 혼합될 수 있으며, 합금 분말의 중량에 대비하여 약 0.5wt% 내지 3wt%가 포함될 수 있다. 본 실시예에서, 바인더는 절연 기능이 포함된 것이 이용되며, 페놀, 폴리이미드, 에폭시 등이 이용될 수 있다.
상기와 같이 생성된 혼합물을 가성형한다(S105).
혼합물은 혼합 합금 분말과 바인더가 혼합되어 생성하고, 생성된 혼합물을 성형 금형에 장입한다. 성형 금형은 제조하고자 하는 비정질 연자성 코어의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다. 그리고 핸드 프레스 등을 이용하여 가성형을 수행한다.
이러한 핸드 프레스를 이용하여 가성형은, 혼합물의 형상이 이후 공정이 이루어지기 전에 일시적으로 혼합물의 형상을 유지시키기 위해 수행된다.
이렇게 혼합물에 대해 가성형이 수행되면, 가성형된 혼합물에 대해 냉간 성형한다(S107).
냉간 성형은, 핸드 프레스 등으로 가성형된 성형 금형에 냉간 프레스를 이용하여 압력을 가하여 성형한다. 본 실시예에서, 냉간 성형은 가성형된 성형 금형에 냉간 프레스를 이용하여 약 40ton 내지 50ton의 압력(예컨대, 45ton)의 압력으로 가압하여 성형한다.
이때, 냉간 프레스는 성형 금형에 합금 분말의 재결정 온도 이하에서 소정의 압력을 가한다. 이렇게 냉간 성형을 수행함에 따라 가성형 혼합물은 기계적 성질인 경도, 인장강도 및 피로강도가 증가하고, 연성 전성이 감소할 수 있다.
상기와 같이 냉간 성형이 수행된 다음, 냉간 성형체를 열간 성형한다(S109).
열간 성형은, 진공 상태에서 소정의 온도까지 상승시킨 상태에서 가압하여 이루어진다.
따라서 열간 성형을 위해 냉간 성형된 성형 금형을 진공 열간 프레스 챔버에 수용시키고, 진공 챔버 내부를 진공으로 변환시킨다. 그리고 진공 열간 프레스 챔버의 온도를 소정의 온도까지 상승시킨 상태에서, 소정의 압력으로 가압하여 성형한다.
본 실시예에서, 진공 챔버의 내부 진공은 1.5X10-2토르 내지 2.5X10-2 토르(예컨대, 2.0X10-2토르)일 수 있다. 그리고 열간 성형은 약 240℃ 내지 260℃(예컨대, 250℃)로 상승시킨 상태에서 약 2.5ton 내지 3.5ton(예컨대, 3ton)의 압력으로 약 30분 동안 가압하여 성형한다. 그리고 로냉한다.
종래에 냉간 성형만을 수행하는 경우에 종래와 같이, 제조된 비정질 연자성 코어의 내부에 기공이 형성되는 현상이 발생하는데, 본 실시예에서와 같이, 냉간 성형을 수행한 다음, 열간 성형을 수행함에 따라 제조된 비정질 연장성 코어의 내부에 기공이 형성되는 것을 최소화할 수 있다.
즉, 냉간 성형을 수행한 다음, 열간 성형을 수행함에 따라 성형이 완료된 비정질 연자성 코어의 내부 밀도를 높일 수 있다.
상기와 같이, 열간 성형으로 생성된 열간 성형체에 대해 열처리를 수행한다(S111).
열간 성형체에 대한 열처리는 소정의 온도로 소정의 시간동안 진행한다. 본 실시예에서 열처리는, 열간 성형체를 소정의 온도까지 가열하고, 해당 온도에서 소정 시간 동안 유지한 다음, 상온까지 로냉하여 열처리를 수행한다.
본 실시예에서, 열간 성형체를 약 350℃ 내지 450℃범위(예컨대, 400℃)까지 가열한 다음, 약 1시간 동안 가열된 온도를 유지한다.
상기와 같은 방법을 통해 제조된 비정질 연자성 코어는, 90㎛ 내지 150㎛의 입도를 갖는 제1 합금 분말과 25㎛의 입도를 가지는 제2 합금 분말이 혼합되며, 제1 합금 분말이 65wt% 내지 75wt% 범위로 포함되고, 제2 합금 분말이 25wt% 내지 35wt% 범위로 포함될 수 있다. 그리고 바인더가 제1 합금 분말 및 제2 합금 분말을 합친 중량에 대비하여 0.5wt% 내지 3wt%가 포함될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 소정의 입도를 갖는 합금 분말을 제조하는 단계;
    제조된 상기 합금 분말과 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 냉각 프레스를 이용하여 소정의 압력으로 가압하는 냉간 성형 단계;
    상기 냉간 성형된 상기 혼합물을 진공 상태에서 열간 프레스를 이용하여 소정의 압력으로 가압하는 열간 성형 단계; 및
    상기 열간 성형된 상기 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 열간 성형 단계에서 가압하는 압력은 상기 냉간 성형 단계에서 가압하는 압력보다 상대적으로 낮은 압력으로 가압하는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금 분말은,
    소정의 입도를 갖는 제1 합금 분말; 및
    상기 제1 합금 분말과 다른 입도를 갖는 제2 합금 분말을 포함하는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 합금 분말은 입도가 90㎛ 내지 150㎛의 범위이고,
    상기 제2 합금 분말은 입도가 0㎛ 초과 25㎛ 이하 범위인,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    싱기 제1 합금 분말은 65wt% 내지 75wt% 범위로 포함되고,
    상기 제2 합금 분말은 25wt% 내지 35wt% 범위로 포함되는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는, 상기 합금 분말의 중량에 대비하여 0.5wt% 내지 3wt% 범위로 포함되는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    핸드 프레스를 이용하여 상기 혼합물을 가성형하는 단계를 더 포함하고,
    상기 냉간 성형하는 단계는, 상기 가성형된 상기 혼합물을 냉간 성형하는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉간 성형하는 단계는, 40ton 내지 50ton의 압력으로 상기 혼합물을 가압하여 성형하는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열간 성형하는 단계는, 240℃ 내지 260℃ 범위의 온도에서 2.5ton 내지 3.5ton 범위의 압력으로 가압하여 성형하는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는, 350℃ 내지 450℃범위의 온도까지 가열하고, 해당 온도에서 소정의 시간동안 유지하는,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계에서의 상기 소정의 시간은 1시간인,
    비정질 연자성 코어 제조 방법.
  12. 삭제
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