KR19990007273A

KR19990007273A - 아몰퍼스 자성재료 및 그것을 이용한 자기코어

Info

Publication number: KR19990007273A
Application number: KR1019980023834A
Authority: KR
Inventors: 가즈미 사카이; 다카오 쿠사카; 야스아키 모리야
Original assignee: 니시무로 타이조; 가부시키가이샤 도시바
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-01-25
Also published as: DE69813093D1; EP0887811A1; US6004661A; EP0887811B1; TW374183B; KR100298965B1; DE69813093T2

Abstract

본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 (Fe_1-a-bNi_aM_b)_100-x-ySi_xB_y(식중, M은 Mn, Cr, Co, Nb, V, Mo, Ta, W 및 Zr에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, 0.395≤a≤0.7, 0≤b≤0.21, 1-a-b＜a, 6≤x≤18at%, 10≤y≤18at%)로 실질적으로 표현되는 조성을 갖는다. 이러한 Ni리치인 Fe-Ni를 베이스로 하는 아몰퍼스 자성재료는, 473~573K의 퀴리 온도 T_c, 0.5~0.9T의 최대자속밀도 B_m을 갖는다. 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비 B_r/B_m은 요구특성에 따라 제어할 수 있는 것으로, 가포화코어 등에 이용되는 경우에는 60% 이상으로 한다. 값이 싼 Fe-Ni베이스의 아몰퍼스 자성재료에 의해 고주파역에서의 사용에 적합한 자기특성, 열안정성, 표면평활성 등이 실현된다.

Description

아몰퍼스 자성재료 및 그것을 이용한 자기코어

본 발명은 가포화리액터(可飽和 Reactor)나 노이즈 억제소자 등으로서 이용되는 가포화코어(Saturable Core), 혹은 가속기나 레이저 전원 등에 이용되는 자기코어(磁氣 Core)에 적합한 아몰퍼스 자성재료 및 그것을 이용한 자기코어에 관한 것이다.

스위칭전원은 전자기기의 안정화전원으로서 많이 이용되고 있다. 특히, 출력제어용으로서 마그네틱 앰프를 조립해 넣은 스위칭전원은 다출력화의 용이성과 낮은 노이즈 때문에 널리 이용되고 있다.

마그네틱 앰프는 주로 가포화리액터에 의해 구성되고, 그 주요부로서 가포화코어가 이용되고 있다. 스위칭전원에서는 노이즈 억제소자 등으로서도 가포화코어가 사용되고 있다. 이러한 가포화코어의 구성재료로는 각형 자화특성(角形磁化特性)이 우수한 것이 필요하게 되기 때문에, 주로 Fe-Ni계의 결정질 합금(Permalloy)이나 Co기 아몰퍼스 자성합금이 사용되어 왔다.

그런데, 최근의 전자기기에 대한 소형경량화, 고성능화 등의 요구에 따라, 스위칭전원에도 소형경량화가 강하게 요망되고 있다. 이 때문에, 스위칭전원에서는 스위칭주파수의 고주파화가 진행되고 있다. 그러나, 종래부터 사용되어 온 Fe-Ni계의 결정질 합금은 고주파역(高周波域)에 있어서 보자력(保磁力)이 커지고, 와전류손실(渦電流損失)이 현저하게 증대된다는 결점을 갖고 있다. 이 때문에, 고주파역에서의 사용에 적합한 것은 아니다.

한편, Co를 베이스로 하는 아몰퍼스 자성합금은 우수한 각형 특성이나 열안정성에 덧붙여, 고주파역에 있어서도 손실이 작은 등의 우수한 특성을 갖는다. 그런데, 고가인 Co를 다량으로 함유하기 때문에, 가포화코어의 제조코스트가 높아진다는 난점을 갖고 있다.

Co기 이외의 아몰퍼스 자성재료로서는 Fe기 아몰퍼스 자성합금이 여러 분야에서 이용되고 있고, 더욱이 미결정화(微結晶化)한 Fe기 연자성 합금 등도 알려져 있다. 그러나, 이들 자성재료는 보자력이나 최대자속밀도 B_m이 크고, 그 결과로서 고주파역에서의 손실이 크게 되기 때문에, 가포화코어의 재료로서는 적당하지 않다.

고주파역에서의 손실의 증대는 Fe기 아몰퍼스 자성합금을 가포화코어 이외의 자기코어에 적용하는 경우에도 문제로 된다. Fe기 아몰퍼스 자성합금은 초크 코일이나 트랜스 등의 구성재료로서 사용되고 있는데, 사용주파수의 고주파화에 의해 손실의 증대가 문제로 되고 있다. Fe기 아몰퍼스 자성합금은 자기특성의 열안정성이 낮다는 것과 같은 결점도 가지고 있다.

더욱이, 종래의 Co기 아몰퍼스 자성합금이나 Fe기 아몰퍼스 자성합금은 그 어느 것도 융점이 높고, 그 결과로 액체급냉법 등으로 박대화(薄帶化)한 경우에, 표면거칠기가 크게 되기 쉽다는 결점을 가지고 있다. 아몰퍼스 자성합금 박대의 표면성의 저하는 그것을 감아 돌리거나[이하, 권회(卷回)라고도 칭함] 적층하여 자기코어로 한 경우에, 각형비(角形比) 등과 같은 자기특성의 열화 원인으로 된다.

종래의 아몰퍼스 자성재료로서는 Co기나 Fe기의 아몰퍼스 자성합금 이외에, Fe-Ni를 베이스로 한 아몰퍼스 자성합금이 알려져 있다. 예컨대, 일본국 특개소 제58-193344호 공보에는, (Fe_1-aNi_a)_100-x-ySi_xB_y(0.2≤a≤0.4, 20≤x+y≤25at%, 5≤x≤20at%, 5≤y≤20at%)로 표현되는 조성을 갖춘 아몰퍼스 자성합금이 기재되어 있다.

더욱이, 일본국 특표평 제4-500985호 공보에는, Fe_aNi_bM_cB_dSi_eC_f(M은 Mo, Cr, 39≤a≤41at%, 37≤b≤41at%, 0≤c≤3at%, 17≤d≤19at%, 0≤e≤2at%, 0≤f≤2at%)로 표현되는 조성을 갖고 적어도 70%가 유리질인 자성금속 유리합금이 기재되어 있다. 일본국 특개평 제5-311321호 공보에는, Fe_100-X-Y-ZNi_XSi_YB_Z(1≤X≤30at%, 10≤Y≤18at%, 7≤Z≤17at%, X+Y+Z＜80at%)로 표현되는 조성을 갖는 극박 연자성 합금박대가 기재되어 있다.

상기한 각 아몰퍼스 자성합금은 Fe-Ni를 자성합금의 베이스 성분으로 하고 있는 것으로, Fe를 주성분으로 하는 Fe리치(Rich)의 자성합금이다. 이 때문에, 상술한 Fe기 아몰퍼스 자성합금과 마찬가지로 손실이 크고, 더욱이 자기특성의 열안정성이 낮다고 하는 것과 같은 결점을 가지고 있다. 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면거칠기가 크게 되기 쉽다는 결점에 관해서도 마찬가지이다.

한편, 일본국 특공소 제60-16512호 공보에는, (Fe_1-aNi_a)_100-yX_y(X는 Si 및 B, 0.3≤a≤0.65, 15＜y≤30at%)로 표현되는 조성을 갖고, 내식성이 좋으며, 또한 내응력 부식비율에서 우수한 아몰퍼스 자성합금이 기재되어 있다. 일본국 특개소 제57-13146호 공보에는, (Fe_1-aNi_a)_100-x-ySi_xB_y(0.2≤a≤0.7, 1≤x≤20at%, 5≤y≤9.5at%, 15≤x+y≤30at%)로 표현되는 아몰퍼스 합금이 기재되어 있다.

이들 아몰퍼스 자성합금도 상술한 Fe-Ni기 아몰퍼스 자성합금과 마찬가지로, 기본적으로는 Fe리치의 합금조성을 가지고 있다. 더욱이, 고주파역에서 사용되는 가포화코어, 저손실코어, 고투자율코어 등의 구성재료를 상정하고 있지 않기 때문에, Si나 B의 조성비는 고주파역에서의 사용에 대응하고 있지 않고, 더욱이 이들 기본성분 이외의 첨가원소에 대해서도 충분히 검토되어 있지 않다.

상술한 것처럼, 종래의 가포화코어 재료로서 이용되어 온 Co기 아몰퍼스 자성합금은 고가의 Co를 다량으로 함유하기 때문에 자기코어의 제조코스트가 높아진다는 난점을 가지고 있다. 한편, Co기 이외의 자성재료중, Fe기 아몰퍼스 자성합금이나 Fe리치의 Fe-Ni기 아몰퍼스 자성합금은 고주파역에서의 손실이 크고, 열안정성이 낮다는 것과 같은 결점을 가지고 있다. 더욱이, 이들 종래의 아몰퍼스 자성합금은 그 어느 것도 융점이 높고, 그 결과로 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면거칠기가 커지기 쉽다는 결점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 가포화코어, 저손실코어, 고투자율코어 등으로 이용하는 경우에, 고주파역에서의 사용에 적합한 자기특성을 갖고, 더욱이 자기특성의 열안정성에서 우수하며, 값이 싼 아몰퍼스 자성재료를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면의 평활성을 향상시킬 수 있는 아몰퍼스 자성재료를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 더욱이 다른 목적은, 이러한 아몰퍼스 자성재료를 이용함으로써, 싼 값으로 자기특성에서 우수한 자기코어를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 1실시형태에 의한 자기코어의 구성을 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 자기코어의 구성을 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명의 자장중 열처리에 있어서의 자장 인가방향인 박대의 길이방향을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 자장중 열처리에 있어서의 자장 인가방향인 박대의 폭방향을 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 --- 아몰퍼스 자성박대 2 --- 권회체

3 --- 아몰퍼스 자성체편 4 --- 적층체

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는,

일반식: (Fe_1-a-bNi_aM_b)_100-x-ySi_xB_y

(식중, M은 Mn, Cr, Co, Nb, V, Mo, Ta, W 및 Zr에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a, b, x 및 y는 각각, 0.395≤a≤0.7, 0≤b≤0.21, 1-a-b＜a, 6≤x≤18at%, 10≤y≤18at%를 만족시키는 값임)

로 실질적으로 표현되는 조성을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 예컨대 아몰퍼스 자성박대(磁性薄帶)로서 사용된다. 그리고, 본 발명의 자기코어는 상기한 박대형상을 갖는 본 발명의 아몰퍼스 자성재료의 권회체 또는 적층체를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 있어서는 아몰퍼스 자성재료의 베이스성분으로 Ni리치의 Fe-Ni를 이용하고 있고, 이러한 베이스성분에다 아몰퍼스화에 필수적인 Si 및 B를 소정의 비율로 배합하고 있다. 이러한 합금조성에 의하면, Co에 비해 값이 싼 Fe-Ni를 베이스성분으로 한 바탕에서, Co기 아몰퍼스 자성재료에 필적하는 가포화자기특성, 저손실특성, 고투자율성 등의 우수한 자기특성을 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료에서는 Mn, Cr, Co, Nb, V, Mo, Ta, W 및 Zr에서 선택되는 적어도 1종의 원소의 M원소를 배합함으로써, 상기한 것과 같은 자기특성의 열안정성을 높일 수 있다. 특히, M원소로서 Mn, Cr 및 Co에서 선택되는 2종 이상의 원소를 사용함으로써, 보다 한층 양호한 열안정성을 얻을 수 있다.

Ni리치의 Fe-Ni를 베이스로 하는 아몰퍼스 자성재료는 종래의 Co기나 Fe기의 아몰퍼스 자성재료에 비해 융점이 낮다. 따라서, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면의 평활성을 향상시킬 수 있다. 표면의 평활성에서 우수한 아몰퍼스 자성재료는 그것을 감아 돌리거나 적층한 자기코어의 특성향상에 기여한다.

(발명의 바람직한 실시형태)

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 설명한다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료는,

일반식: (Fe_1-a-bNi_aM_b)_100-x-ySi_xB_y--- (1)

로 실질적으로 표현되는 조성을 갖는다.

(1)식으로부터 분명하듯이, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료(아몰퍼스 자성합금)는 Ni리치인 Fe-Ni를 베이스성분으로 함유하는 것이다. 이러한 아몰퍼스 자성재료는 단 롤법(單 Roll法) 등의 통상적인 액체급냉법을 적용하여 상기 (1)식의 조성을 만족시키는 합금 용탕(合金溶湯)을 초급냉시킴으로써 얻어지는 것이다. 본 발명의 아몰퍼스 자성재료의 구체적인 형상으로서는 박대(薄帶)를 거론할 수 있다.

아몰퍼스 자성박대의 평균 판두께는 손실의 저감을 도모하는 바탕에서 30㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 아몰퍼스 자성박대의 평균 판두께는 더욱이 20㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 아몰퍼스 자성박대의 평균 판두께를 20㎛ 이하로 함으로써, 와전류손실(渦電流損失)을 충분히 작게 할 수 있기 때문에, 특히 고주파역에서의 손실저감을 도모할 수 있다. 아몰퍼스 자성박대의 보다 바람직한 평균 판두께는 15㎛ 이하이다. 한편, 여기에서 말하는 평균 판두께란, 평균 판두께 = 중량/(밀도x길이x박대의 폭)에 의해 구해지는 값을 가리키는 것이다.

상기 (1)식에 있어서, Ni 및 Fe는 자성합금의 베이스로 되는 원소이다. 본 발명에서는 Ni리치인 Fe-Ni를 베이스성분으로 하고 있다. 따라서, Ni의 배합비를 나타내는 a의 값은 Fe의 배합비를 나타내는 (1-a-b)의 값보다 크게 설정되어 있다. 바꿔 말하자면, a의 값은 (1-b)/2＜a를 만족시키는 것이다.

여기에서, Ni만을 베이스로 하는 아몰퍼스 자성합금에서는 충분한 자속밀도를 얻을 수 없고, 더욱이는 퀴리 온도(Curie 溫度) T_c가 지나치게 낮아져서, 자성합금으로서의 안정성을 얻을 수 없다. Fe만을 베이스로 하는 아몰퍼스 자성합금에서는 전술한 것처럼 보자력이나 최대자속밀도 B_m이 지나치게 커져서, 손실의 증대 등을 초래하고, 더욱이는 열안정성 등이 저하된다. 또한, 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면의 평활성도 저하된다.

그래서, 본 발명에 있어서는, 고자속밀도화 등에 기여하는 Fe를 배합한 Ni를 자성합금의 베이스성분으로 이용하고 있다. 즉, 본 발명의 아몰퍼스 자성합금은 Ni리치인 Fe-Ni를 베이스성분으로 함유한다. 이러한 아몰퍼스 자성합금에 의하면, 종래의 Co기 아몰퍼스 자성합금에 가까운 자기특성을 값이 싼 Fe-Ni베이스로 얻을 수 있다. 더욱이, Ni리치인 Fe-Ni베이스의 아몰퍼스 자성합금은 Co기나 Fe기의 아몰퍼스 자성합금에 비해 저융점이기 때문에, 아몰퍼스 자성합금을 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면의 평활성을 향상시킬 수 있다.

상기 (1)식에 있어서의 Ni의 배합비 a는 (1-b)/2＜a의 조건을 만족시키는 바탕에서 0.395≤a≤0.7의 범위로 하고 있다. Ni의 배합비를 나타내는 a의 값이 0.395 미만이면, Ni리치인 Fe-Ni베이스에 의한 효과를 얻을 수 없다. 즉, 상대적으로 Fe량이 증가함으로써, 자왜(磁歪)가 크게 됨과 더불어, 손실의 증대나 열안정성의 저하 등을 초래한다. 더욱이, 액체급냉법으로 박대화한 경우에 박대 표면의 평활성도 저하된다. 한편, a의 값이 0.7을 넘으면 최대자속밀도 B_m이 지나치게 낮아짐과 더불어, 퀴리 온도 T_c가 저하되어 실용적인 자기특성의 안정성을 얻을 수 없다.

이와 같이, 아몰퍼스 자성합금의 Fe-Ni베이스중의 Ni배합비 a를 (1-b)/2＜a 또한 0.395≤a≤0.7로 함으로써, 실용적인 자기특성의 안정성을 확보한 바탕에서, 저손실, 저자왜 등의 우수한 자기특성을 Co기 아몰퍼스 자성합금에 비해 값이 싼 Fe-Ni베이스로 실현할 수 있게 된다. 더욱이, 아몰퍼스 자성합금을 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 표면의 평활성을 향상시킬 수 있다. Ni의 배합비 a는 특히 0.5~0.7의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Mn, Cr, Co, Nb, V, Mo, Ta, W 및 Zr에서 선택하는 적어도 1종의 M원소는 자성합금의 열안정성이나 자기특성의 향상에 기여하는 성분이다. M원소는 반드시 첨가해야하는 것은 아니지만, 아몰퍼스 자성합금의 열안정성을 향상시키기 위해 첨가하는 것이 바람직하다. 단, M원소의 배합비를 나타내는 b의 값이 0.21을 넘으면, 안정된 연자기특성(軟磁氣特性)을 얻기 힘들기 때문에, b의 값은 0.21 이하로 한다. 한편, M원소에 의한 열안정성의 향상효과를 유효하게 얻기 위해서는, M원소의 배합비 b를 0.001 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱이, M원소의 배합비 b는 0.001~0.1의 범위로 하는 것이 바람직하다.

M원소는 상기한 원소중 2종 이상의 원소를 병용하는 것이 바람직하다. 특히, Mn, Cr 및 Co에서 선택되는 2종 이상의 원소를 M원소로서 사용하는 것이 바람직하다. 이들 중, 더욱이 Mn과 Cr을 사용하는 것이 바람직하다. M원소로서 Mn, Cr 및 Co의 3원소를 배합한 조성이어도 좋다. 이러한 M원소에 의하면, 특히 Ni리치인 Fe-Ni베이스의 아몰퍼스 자성합금의 열안정성을 보다 한층 높일 수 있다. 열안정성이 향상되면 경시변화에 강한 자성합금으로 되어, 사용환경의 변화, 특히 온도변화에 강한 자성재료를 얻을 수 있다. Mn은 자성합금의 융점의 저하에 대해서도 효과를 발휘한다.

여기에서, 경시변화란, 자기코어가 사용되는 환경하에서의 자기특성의 변화의 정도를 나타낸다. 경시변화특성에서 우수하다는 것은 사용환경, 특히 온도가 높은 환경하에 방치된 뒤에도 소정의 자기특성이 유지되는 것을 의미한다. 경시변화특성은, 예컨대 [{(일정시간 어떤 환경하에 방치한 후의 상온에서의 자기특성)-(상온에서 측정한 초기의 자기특성)}/(상온에서 측정한 초기의 자기특성)]x100(%)로 나타낼 수 있다. 예컨대, 393K에서 200시간 방치한 후의 상온에서의 직류 보자력(H_c; 直流保磁力)의 경시변화율을 5% 이하로 할 수 있다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 온도변화특성에도 우수하다. 온도변화특성이란, 상온으로부터 온도를 올려간 때의 자기특성의 변화의 비율이다. 예컨대, 온도변화특성으로서 50㎑, 80A/m에서의 자속밀도 B₈₀의 293K와 373K에서의 변화율을 20% 이하로 할 수 있다.

M원소로서 Mn과 Cr을 사용하는 경우, 이들 배합비는 각각 0.001~0.05의 범위로 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 (1)식에 있어서, Mn의 배합비를 b1, Cr의 배합비를 b2로 한 때,

일반식: (Fe_1-a-bNi_aMn_b1Cr_b2)_100-x-ySi_xB_y--- (2)

(식중, a, b1, b2, x 및 y는 각각, 0.395≤a≤0.7, 0.001≤b1≤0.05, 0.001≤b2≤0.05, 1-a-b＜a, 6≤x≤18at%, 10≤y≤18at%를 만족시키는 값임)

로 실질적으로 표현되는 합금조성을 적용하는 것이 바람직하다. (2)식으로 표현되는 합금조성은 더욱이 Co 혹은 Nb, V, Mo, Ta, W 및 Zr에서 선택되는 적어도 1종의 M'원소를 함유할 수 있다. 이들 원소의 배합비 b3은 M원소로서의 배합비 b가 0.21 이내로 되도록 설정한다. 즉, b1+b2+b3≤0.21로 한다.

Si 및 B는 아몰퍼스화를 위한 필수 원소이다. Si의 배합비 x는 6≤x≤18at%, B의 배합비 y는 10≤y≤18at%로 한다. Si의 배합비 x가 6at% 미만 또는 B의 배합비 y가 10at% 미만인 경우에는, 박대가 깨지기 쉽게 되어 양질의 자성박대를 얻기 어렵게 되므로 바람직하지 않다. 한편, Si의 배합비 x가 18at%를 넘거나 또는 B의 배합비 y가 18at%를 넘으면, 최대자속밀도 B_m및 열안정성이 저하된다.

이들 Si와 B의 합계량 x+y는 15~30at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. Si와 B의 합계량이 15at% 미만이면, 결정화 온도가 퀴리 온도와 동등 혹은 그 이하로 되어, 저보자력(低保磁力) 및 고각형비(高角形比)가 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 한편, Si와 B의 합계량이 30at%를 넘으면, 최대자속밀도 B_m및 열안정성이 저하된다. Si와 B의 합계량의 보다 바람직한 범위는 18~24at%이다.

더욱이, Si와 B의 비율은 B리치, 즉 x＜y로 하는 것이 바람직하다. Ni리치인 Fe-Ni베이스의 아몰퍼스 자성재료에 있어서는 아몰퍼스 원소를 B리치로 함으로써 자기특성을 보다 한층 높일 수 있다. 따라서, x 및 y는 7≤x≤9at%, 12≤y≤16at%로 하는 것이 바람직하다.

상술한 Ni리치인 Fe-Ni를 베이스로 하는 아몰퍼스 자성재료는 473~573K 범위의 퀴리 온도 T_c를 갖는다. 따라서, 실용적인 자기특성의 안정성을 얻을 수 있다. 아몰퍼스 자성재료의 퀴리 온도 T_c가 473K 미만이면, 열안정성이 대폭 저하되어 가포화코어, 저손실코어, 고투자율코어 등의 자기코어로서의 실용성이 훼손된다. 한편, 퀴리 온도 T_c가 573K를 넘으면 결정화 온도와의 균형 때문에 소망하는 자기특성을 얻기 어렵게 된다.

더욱이, 상술한 조성을 만족시키는 아몰퍼스 자성재료에 있어서, 최대자속밀도 B_m은 0.5~0.9T의 범위로 할 수 있다. 최대자속밀도 B_m이 0.9T를 넘으면 손실의 증대를 초래하게 된다. 한편, 최대자속밀도 B_m이 0.5T 미만이면, 아몰퍼스 자성합금을 예컨대 가포화코어에 적용하는 경우에, 충분한 각형비를 얻을 수 없다. 가포화코어 이외의 용도에 적용하는 경우에 있어서도 최대자속밀도 B_m이 0.5T 미만이면 소망하는 자속을 얻기 위해 코어 단면적을 크게 할 필요가 있고, 그 결과 코어가 대형화되어, 그것을 이용하는 자성부품도 대형화되어 버리게 된다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료의 각형비, 즉 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비(B_r/B_m)는 사용용도에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 한편, 여기에서 말하는 각형비는 직류 각형비의 것으로, 이후 간단하게 각형비라고 부르기로 하겠다. 각형비는 후술할 열처리온도 등을 이용하여 제어할 수 있다. 본 발명의 아몰퍼스 자성재료를 가포화성이 요구되는 용도로 사용하는 경우, 각형비는 60% 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 가포화코어 등에 사용하는 경우의 각형비는 80% 이상인 것이 더 바람직하다.

아몰퍼스 자성재료를 초크 코일, 고주파 트랜스, 가속기나 레이저 전원 등에 사용되는 코어, 시큐리티 센서나 토크 센서 등의 각종 센서용 자성재료 등에 이용하는 경우, 각형비는 각 용도에 따른 값으로 설정된다. 구체적으로는, 각형비를 50% 이하로 할 수 있다. 이러한 각형비도 열처리온도 등을 제어함으로써 얻어진다.

더욱이, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 Ni리치인 Fe-Ni를 베이스성분으로 하고 있기 때문에, 융점을 1273K 이하로 할 수 있다. 이와 같이, 아몰퍼스 자성재료의 융점을 1273K 이하로 함으로써, 액체급냉법 등으로 박대화한 경우에, 박대의 표면성(表面性)을 향상시킬 수 있다.

종래의 Co기나 Fe기의 아몰퍼스 자성재료는 그 어느 것도 융점이 1323~1473K 정도로 높다. 액체급냉법으로 표면성이 높은 박대를 얻기 위해서는, 통상, 용탕(溶湯)의 점성이 낮은 쪽이 좋다. 따라서, 액체급냉법으로 박대를 제작할 때, 용탕온도는 예컨대 1573~1773K 정도로 설정할 필요가 있다. 그러나, 용탕온도가 높으면 냉각 롤에 걸리는 열부하가 커져서 냉각이 곤란하게 될 뿐 아니라, 냉각 롤의 표면이 거칠어지고, 그 결과로 박대의 표면성이 저하되어 버린다.

이에 대해, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 융점이 1273K 이하로 낮기 때문에, 종래보다 용탕온도를 낮춘 상태에서 박대를 제작할 수 있다. 따라서, 냉각 롤 등에 걸리는 열부하가 경감되어 액체급냉법에 의한 박대의 제조성을 향상시킬 수 있슴과 더불어 박대표면의 평활성을 높일 수 있다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료에 의하면, 아몰퍼스 자성박대의 표면거칠기 K_s를 1≤K_s≤1.5의 범위로 할 수 있게 된다. 이 표면거칠기 K_s란,

K_s=(양평 마이크로 판두께/무게로부터 환산한 판두께)

로 표현되는 값이다. 상기 양평 마이크로 판두께란, 양평 마이크로 미터로 측정한 실측치로서, 구체적으로는 박대의 임의의 5점을 측정한 각 실측치의 평균치이고, 이 값을 무게로부터 환산한 이론치의 판두께로 나눔으로써 K_s값이 산출된다.

표면거칠기 K_s가 1에 가까울수록 표면성이 높아서 凹凸이 적은 박대로 된다. 아몰퍼스 자성박대의 K_s값이 1.5를 넘으면, 예컨대 가포화코어로 이용한 경우 각형비 등의 자기특성이 저하된다. 가포화코어 이외의 용도에 적용하는 경우에 있어서도 K_s값이 1.5를 넘으면 점적률이 저하되어 외관상 손실이 증가한다. 이와 같이, 표면거칠기 K_s가 1≤K_s≤1.5 범위인 아몰퍼스 자성박대에 의하면, 우수한 자기특성을 안정되게 얻을 수 있게 된다.

상술한 것처럼 본 발명에 의하면, 제조 코스트의 저감이 가능한 싼 값의 Fe-Ni를 베이스로 한 아몰퍼스 자성재료로서, Co기 아몰퍼스 자성재료에 필적하는 자기특성을 얻을 수 있다. 구체적으로는, 저손실, 저자왜, 고투자율, 또한 가포화성이 요구되는 용도로 사용하는 경우에는 고각형비 등의 우수한 자기특성을 얻을 수 있고, 더욱이는 그러한 자기특성의 경시변화특성이나 온도변화특성 등의 열안정성을 높일 수 있다. 이에 덧붙여, 액체급냉법 등으로 박대화한 아몰퍼스 자성박대는 우수한 제조성 및 표면평활성을 갖는다. 이들 특성에 기초하여, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 각종 자기부품에 유효하게 이용할 수 있어서 범용성이 우수한 것이다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 예컨대 액체급냉법 등으로 박대화하고, 이 아몰퍼스 자성박대를 소망하는 형상으로 감아 돌리거나 혹은 아몰퍼스 자성박대를 소망하는 형상으로 구멍을 뚫어서 소망하는 코어형상으로 적층함으로써, 자기코어로서 사용할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 자기코어의 실시형태의 구성을 각각 나타낸 단면도이다. 도 1에 나타낸 자기코어는 박대화한 본 발명의 아몰퍼스 자성재료, 즉 아몰퍼스 자성박대(1)를 소망하는 형상으로 감아 돌린 권회체(2)로 이루어진다. 도 2에 나타낸 자기코어는 박대화한 본 발명의 아몰퍼스 자성재료를 소망하는 형상으로 구멍을 뚫은 아몰퍼스 자성체편(3; 磁性體片)을 적층한 적층체(4)로 이루어진다.

권회체(2)나 적층체(4)로 이루어진 자기코어에는 왜곡 열처리를 시행함으로써, 왜곡을 취할 뿐 아니라, 각형비를 제어할 수 있다. 이 왜곡 열처리는, 통상, 퀴리 온도~결정화 온도의 사이에서 행하여지는데, 예컨대 퀴리 온도에 +20~30K 정도로 행하면 60% 이상의 높은 각형비를 얻을 수 있고, 결정화 온도보다 -20~30K의 온도로 행하면 50% 이하의 낮은 각형비를 얻을 수 있다.

본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 왜곡 열처리의 온도를 제어함으로써 각형비를 제어할 수 있는데, 각형비를 보다 더 제어하기 위해 왜곡 열처리를 한 후에 자장(磁場)중에서 열처리를 하는 것이 효과적이다.

이 자장중 열처리에 관해, 인가하는 자장의 크기는 1Ｏe 이상, 바람직하게는 10Ｏe 이상이고, 분위기로서는 질소, 알곤 등의 불활성 가스중, 진공중이나 수소가스 등의 환원 분위기중, 대기중 등의 그 어느 것도 좋은데, 바람직하게는 불활성 가스중이다. 열처리시간은 10분~3시간 정도가 바람직한데, 특히 바람직하게는 1~2시간이다.

이러한 자장중 열처리를 시행할 때, 예컨대 각형비(B_r/B_m)를 80% 이상으로 높이는 경우에는, 예컨대 도 3에 나타낸 것처럼 아몰퍼스 자성박대(1)의 길이방향 L에 자장 H를 인가하면서 열처리를 행하면 효과적이다. 또한, 각형비를 자기코어의 용도에 따라 50% 이하, 더욱이는 40% 이하로 하는 경우에는, 예컨대 도 4에 나타낸 것처럼 아몰퍼스 자성박대(1)의 폭방향 W에 자장 H를 인가하면서 열처리를 행하면 효과적이다. 한편, 자장을 인가하는 방향을 나타내는 길이방향 L 및 폭방향 W란, 반드시 그 방향으로 수평일 필요는 없고, 다소의 기울기는 허용할 수 있는데, 바람직하게는 ±20。의 범위이다.

더욱이, 자기코어의 사용용도에 따라서는 왜곡 열처리나 자장중 열처리를 생략할 수도 있다. 이 경우, 자기코어의 제조공정을 줄이게 되기 때문에, 제조 코스트를 저감할 수 있게 된다.

상술한 것과 같은 자기코어는 가포화코어, 저손실코어, 고투자율코어, 저자왜코어 등 각종 용도로 사용된다. 본 발명의 자기코어를 적용한 가포화코어는 마그네틱 앰프의 가포화리액터나 노이즈 억제소자, 또한 전류센서나 방위센서 등에 이용되는 가포화코어에 매우 적합하다. 가포화코어에 적용하는 경우에는 전술한 것처럼 각형비를 60% 이상, 더욱이는 80% 이상으로 설정한다.

본 발명의 자기코어는 가포화코어 이외에도, 저손실성, 고투자율성, 저자왜성 등을 이용하여, 대전력용을 포함하는 고주파 트랜스, IGBT용 코어, 커몬 모드 초크 코일, 노멀 모드 초크 코일, 가속기나 레이저 전원 등에 사용되는 자기코어, 시큐리티 센서나 토크 센서 등의 각종 센서용 자성코어 등에 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 아몰퍼스 자성박대의 권회체나 적층체로 이루어진 자기코어에 한정되지 않고, 각종 형상의 자성부품으로 사용할 수 있다. 본 발명의 아몰퍼스 자성재료는 박막자기헤드 등에 사용할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 구체적인 실시예 및 그 평가결과에 대해 설명한다.

실시예 1

표 1에 나타낸 각 조성의 합금조성물을 각각 조합했다. 이들 각 합금조성물을 모합금(母合金)으로 하여 용융한 후, 단 롤법으로 초급냉시킴으로써, 각각 폭 20㎜, 판두께 18㎛의 아몰퍼스 합금박대를 만들었다. 이들 각 아몰퍼스 합금박대의 퀴리 온도 T_c, 여자계(勵磁界) 10Ｏe에서의 직류 보자력 H_c, 자계 10Ｏe인 때의 최대자속밀도 B₁₀을 측정했다. 그 결과를 표 1에 나타냈다.

표 1중의 비교예 1은 Ni만을 베이스로 한 아몰퍼스 합금박대, Fe만을 베이스로 한 아몰퍼스 합금박대, 본 발명의 조성범위 바깥의 Fe-Ni를 베이스로 한 아몰퍼스 합금박대이다. 이들 비교예 1의 각 아몰퍼스 합금박대에 대해서도 실시예 1과 마찬가지로 특성을 평가했다. 그들 결과를 아울러 표 1에 나타냈다.

(표 1)

표 1에서 분명하듯이, 본 발명의 조성을 만족시키는 아몰퍼스 합금박대는 자성부품에 적합한 퀴리 온도 T_c를 갖추고, 더욱이 저보자력과 적당한 최대자속밀도를 갖는다는 것을 알 수 있다.

실시예 2

표 2에 나타낸 각 조성의 합금조성물을 각각 조합하고, 이들 각 합금조성물을 용융했다. 각 합금의 퀴리 온도 T_c및 융점은 표 2에 나타낸 대로이다. 이들 각 모합금의 용탕을 단 롤법으로 초급냉시킴으로써, 각각 폭 20㎜, 판두께 18㎛의 아몰퍼스 합금박대를 만들었다. 이들 각 아몰퍼스 합금박대의 표면거칠기 K_s를 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다. 표면거칠기 K_s는 전술한 것처럼, 양평 마이크로 판두께와 무게로부터 환산한 판두께에서 구한 것이다.

(표 2)

표 2에 나타낸 것처럼, 본 발명의 조성을 만족시키는 아몰퍼스 합금은 종래의 Co기나 Fe기의 아몰퍼스 합금에 비해 융점이 낮고, 그것에 기초하여 표면의 평활성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

실시예 3

표 3에 나타낸 각 조성의 합금조성물을 각각 조합하고, 이들 각 합금조성물을 용융했다. 이들 각 모합금의 용탕을 단 롤법으로 초급냉시킴으로써, 각각 폭 20㎜, 판두께 18㎛의 아몰퍼스 합금박대를 만들었다.

이들 각 아몰퍼스 합금박대의 50㎑, 80A/m에서의 자속밀도 B₈₀을 측정했다. 자속밀도 B₈₀은 우선 293K의 온도환경하에서 측정한 후, 온도를 373K까지 올려서 다시 측정했다. 이들 293K에서의 자속밀도 B₈₀과 373K에서의 자속밀도 B₈₀으로부터 변화율을 구하고, 온도변화특성을 평가했다. 이들의 결과를 표 3에 나타냈다.

(표 3)

표 3에 나타낸 것처럼, 본 발명의 조성을 만족시키는 아몰퍼스 합금은 종래의 Fe기 아몰퍼스 합금에 비해 온도변화특성이 우수하고, 종래의 Co기 아몰퍼스 합금과 동등한 열안정성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

실시예 4

표 4에 나타낸 각 조성의 합금조성물을 각각 조합하고, 이들 각 합금조성물을 용융했다. 이들 각 모합금의 용탕을 단 롤법으로 초급냉시킴으로써, 각각 폭 20㎜, 판두께 18㎛의 아몰퍼스 합금박대를 만들었다.

이들 각 아몰퍼스 합금박대의 초기 보자력 H_c1과 393K에서 200시간 방치한 후의 보자력 H_c2를 각각 상온하에서 측정했다. 이들 초기 보자력 H_c1과 고온방치후의 보자력 H_c2로부터 변화율을 구하고, 경시변화특성을 평가했다. 이들의 결과를 표 4에 나타냈다.

(표 4)

표 4에 나타낸 것처럼, 본 발명의 조성을 만족시키는 아몰퍼스 합금은 종래의 Fe기 아몰퍼스 합금에 비해 경시변화특성이 우수하고, 종래의 Co기 아몰퍼스 합금과 동등한 열안정성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

실시예 5

표 5에 나타낸 각 조성의 합금조성물을 각각 조합하고, 이들 각 합금조성물을 용융했다. 이들 각 모합금의 용탕을 단 롤법으로 초급냉시킴으로써, 각각 폭 20㎜, 판두께 18㎛의 아몰퍼스 합금박대를 만들었다.

이들 각 아몰퍼스 합금박대를 폭 5㎜로 가느다랗게 벤 후, 각각 외경 12㎜ X 내경 8㎜로 되도록 감아 돌려서, 상기한 각 조성의 아몰퍼스 합금박대로 이루어진 토로이달 코어(Toroidal Core)를 만들었다. 이들 각 토로이달 코어에 683K X 20분의 조건으로 왜곡 열처리를 시행한 후, 더욱이 여자계 10Ｏe의 조건하에서, 각 코어의 박대의 길이 방향으로 자장을 인가하면서 열처리를 행하고, 각형비(B_r/B₁₀)를 측정했다. 그 결과를 표 5에 나타냈다.

또한, 상기한 자장중 열처리를 행하지 않고, 표 5의 시료 1과 마찬가지의 조성(퀴리 온도 549K, 결정화 온도 742K)하에서, 왜곡 열처리를 593K(시료 8), 663K(시료 9), 713K(시료 10)로 바꾼 코어에 대해서도 각형비를 측정했다. 그 결과를 아울러 표 5에 나타냈다.

(표 5)

표 5에 나타낸 것처럼, 본 발명의 조성을 만족시키는 아몰퍼스 합금박대를 이용한 코어는 고각형비를 가지며, 종래의 Co기 아몰퍼스 합금과 동등한 가포화특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 자기코어는 가포화코어에 매우 적합하다. 또한, 왜곡 열처리의 온도를 바꿈으로써, 각형비의 제어가 가능하다는 것을 알 수 있다.

실시예 6

표 6에 나타낸 각 조성의 합금조성물을 각각 조합하고, 이들 각 합금조성물을 용융했다. 이들 각 모합금의 용탕을 단 롤법으로 초급냉시킴으로써, 각각 폭 25㎜, 판두께 15㎛의 아몰퍼스 합금박대를 만들었다.

이들 각 아몰퍼스 합금박대를 표 6에 나타낸 층간절연용 필름과 더불어 감아 돌려서, 각각 외경 70㎜ X 내경 34㎜의 가속기용 코어를 만들었다. 이들 각 코어의 각형비, 비투자율(比透磁率) μr 및 동가 손실저항(同價損失抵抗) R을 측정했다. 더욱이, 비투자율 μr과 동가 손실저항 R로부터 R/μr값을 구했다. 여기에서는 코어 형성후의 왜곡 열처리를 행한 경우와 행하지 않은 경우에서, 비투자율 μr 및 동가 손실저항 R을 측정했다.

또한, 본 발명과의 비교예로서, 일반적으로 철손(鐵損)이 낮은 Co기 아몰퍼스 합금박대를 이용하여, 동일 형상의 코어를 만들었다. 이들 비교예의 코어에 대해서도 비투자율 μr과 동가 손실저항 R을 측정하고, 더욱이 R/μr을 구했다. 이들 측정결과를 표 6에 아울러 나타냈다.

(표 6)

여기에서, R/μr값은 일반적으로 가속기의 손실과 동일한 의미로서, 이 값이 작을수록 손실이 작다. 표 6에 나타낸 것처럼, 본 발명의 조성을 만족시키는 아몰퍼스 합금박대를 이용한 자기코어는 R/μr값이 작아서 가속기의 저손실화에 유효하다는 것을 알 수 있다.

더욱이, 본 발명의 아몰퍼스 합금박대를 이용한 자기코어는 왜곡 열처리의 유무에 관계없이, 양호한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면, 왜곡 열처리를 시행하는 일 없이, 저손실화된 가속기용 코어를 제공할 수 있다. 열처리공정을 생략하는 것은 자기코어의 제조공정의 간소화로 이어지기 때문에, 자기코어의 저코스트화가 한층 더 달성된다.

한편, 가속기용 코어로서 이용한 실시예 6의 자기코어는 그 어느 것도 45% 이하의 각형비를 가지는 것이다. 이와 같이 각형비가 낮은 재료 쪽이 적합한 분야에 있어서도 양호한 결과를 나타낸다.

이상에서 설명한 것처럼 본 발명의 아몰퍼스 자성재료에 의하면, 고주파역에서의 사용에 적합한 자기특성, 열안정성, 표면평활성 등을 값이 싼 Fe-Ni베이스의 아몰퍼스 자성재료로 실현할 수 있다. 따라서, 그러한 아몰퍼스 자성재료를 이용함으로써, 각종 용도에 요구되는 특성을 만족시키는 바탕에서, 제조 코스트의 저감을 도모한 자기코어 등을 제공할 수 있게 된다.

Claims

일반식: (Fe_1-a-bNi_aM_b)_100-x-ySi_xB_y

(식중, M은 Mn, Cr, Co, Nb, V, Mo, Ta, W 및 Zr에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, a, b, x 및 y는 각각, 0.395≤a≤0.7, 0≤b≤0.21, 1-a-b＜a, 6≤x≤18at%, 10≤y≤18at%를 만족시키는 값임)

로 실질적으로 표현되는 조성을 구비한 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 M원소는 Mn, Cr 및 Co로부터 선택되는 2종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 M원소는 Mn, Cr 및 Co를 포함하는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 M원소의 함유량 b는 0.001≤b≤0.1을 만족시키는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 Si의 함유량 x 및 상기 B의 함유량 y는 15≤x+y≤30at%를 만족시키는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 Si의 함유량 x와 상기 B의 함유량 y는 x＜y의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 퀴리 온도 T_c가 473K 이상 573K 이하인 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 최대자속밀도 B_m이 0.5T 이상 0.9T 이하인 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비 B_r/B_m이 0.6 이상인 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제9항에 있어서, 상기 B_r/B_m비가 0.8 이상인 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비 B_r/B_m이 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 아몰퍼스 자성재료의 융점은 1273K 이하인 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제1항에 있어서, 상기 아몰퍼스 자성재료는 박대형상을 갖는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제13항에 있어서, 상기 박대형상을 갖는 아몰퍼스 자성재료는 그 양평 마이크로 판두께를 무게로부터 환산한 판두께로 나눈 값으로 표현되는 표면거칠기 K_s가 1≤K_s≤1.5를 만족시키는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제13항에 있어서, 상기 박대형상을 갖는 아몰퍼스 자성재료는 30㎛ 이하의 평균 판두께를 갖는 것을 특징으로 하는 아몰퍼스 자성재료.
제13항에 기재된 박대형상을 갖는 아몰퍼스 자성재료의 권회체 또는 적층체를 구비한 자기코어.
제16항에 있어서, 상기 아몰퍼스 자성재료는 상기 M원소로서 Co, Cr 및 Mn으로부터 선택되는 2종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기코어.
제16항에 있어서, 상기 아몰퍼스 자성재료는 퀴리 온도 T_c가 473K 이상 573K 이하, 최대자속밀도 B_m이 0.5T 이상 0.9T 이하, 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비 B_r/B_m이 0.6 이상인 것을 특징으로 하는 자기코어.
제16항에 있어서, 상기 아몰퍼스 자성재료는 퀴리 온도 T_c가 473K 이상 573K 이하, 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비 B_r/B_m이 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 자기코어.
제13항에 기재된 박대형상을 갖는 아몰퍼스 자성재료로서, 퀴리 온도 T_c가 473K 이상 573K 이하, 최대자속밀도 B_m이 0.5T 이상 0.9T 이하, 잔류자속밀도 B_r과 최대자속밀도 B_m의 비 B_r/B_m이 0.6 이상인 아몰퍼스 자성재료의 권회체 또는 적층체를 구비한 가포화코어.