KR20040007401A - Ｃｏ-Ｍｎ-Ｆｅ 연질 자성 합금 - Google Patents

Abstract

약 1.0-5.0 중량%의 망간과 약 7-17 중량%의 코발트로 이루어지고 잔부는 대부분 철인 연질 자성 강합금이 제공된다. 이 합금은 공지된 Co-Fe 연질 자성 강합금에 비해 코발트량을 훨씬 적게 사용하면서 양호한 전기 비저항과 함께 매우 바람직한 수준의 자기 포화 유도를 제공한다.

Description

Ｃｏ-Ｍｎ-Ｆｅ 연질 자성 합금 {CO-MN-FE SOFT MAGNETIC ALLOYS}

49Co-49Fe-2V(HIPERCO^(R)Alloy 50) 및 27Co-Fe(HIPERCO Alloy 27)는 자기 포화 유도치(B_s)가 약 23-24 kG으로 매우 높은 공지된 합금이다. 이들 합금은 항공 업계에서 모터 및 변압기 용도에 사용되어 왔다. 이들 합금은 코발트를 상당량 함유하므로 비교적 고가이다.

자동차 및 트럭과 같은 육상 용도에서 자기 포화 유도치가 매우 높은 연질 자성 재료가 필요해졌다. 그러한 합금이 필요할 수 있는 물품의 예로는 솔레노이드, 연료 분사기, 스위치식 릴럭턴스 모터, 자기 베어링, 플라이 휠 및 센서가 있다. 그러나, HIPERCO Alloy 50 및 HIPERCO Alloy 27과 같은 코발트 함유 합금은 자동차 용도에서의 사용을 고려한 적이 없는데, 왜냐하면 코발트를 의도적으로 첨가하지 않은 공지된 연질 자성 합금보다 상당히 비싸기 때문이다. 코발트를 함유하는 연질 자성 합금의 자동자 용도에서의 이용 가능성을 개선할 수 있는 한 가지 방법은, 그러한 합금에 사용되는 코발트 함량을 줄여서 생산 비용을 낮추는 것이다. 그러나, 포화 유도치는 적절히 높은 수준으로 유지되어야 한다(즉, 약 21 kG 이상).

코발트 함량이 약 20% 미만인 Fe-Co 합금의 비저항(ρ)은 약 20 μΩ·cm에 불과하다. 이 값은, 예컨대 HIPERCO 50 Alloy의 비저항(약 40 μΩ·cm인 것이 보통임) 보다 크게 낮은 값이다. 코발트 함량이 낮은 합금의 비저항이 낮을수록 코어 손실이 커지며, 이는 많은 용도에서 허용될 수 없는 것이다.

코발트 함량이 20% 이하인 Co-Fe 합금의 비저항이 낮은 문제를 극복하기 위해, 종래에는 기초 합금에 크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 텅스텐 또는 실리콘 및 알루미늄과 같은 원소를 첨가하였다. 그러나, 이러한 원소를 첨가하면 합금 생산에 필요한 원료 비용이 증가한다. 또한, 그러한 합금을 생산할 때 생기는 파쇄 금속은 고도로 합금화되어 있기 때문에, 다른 등급의 강을 생산하기 위한 일반적인 재활용 재료로서의 이용 가능성이 떨어진다.

크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 텅스텐과 같은 원소들은 탄화물 형성제들이다. 연질 자성 합금의 생산 시에 탄소를 환원제로 사용하는 경우, 1종 이상의 상기 원소가 상당량 존재하면 탄화물이 침전되어 자기 특성이 열화된다. 이것은 Ni-Fe 연질 자성 합금의 경우에 큰 문제인데, 왜냐하면 이 합금은 Co-Fe 등급과 동일한 VIM 노에서 용융되는 일이 흔하기 때문이다. 그러한 탄화물 형성 원소들은 자기 특성에 불리한 영향을 미치는 것으로 알려져 있기 때문에 Ni-Fe 합금 중에서의 함량을 가능하면 낮게 제한하는 것이 보통이다.

전기 비저항을 높이기 위해 실리콘과 알루미늄을 사용하는 것과 관련된 문제도 있다. 이들 원소는 반응성이 매우 커서 용융을 어렵게 만들 수 있다. 실리콘과 알루미늄을 상당량 첨가하면 강의 취성이 증가할 수도 있다. 더구나, 알루미늄은 Ni-Fe 연질 자성 강의 특성에 악영향을 주며, 또한 Ni-Fe 등급이 Co-Fe 등급과 동일한 VIM 노에서 용융되면 오염 가능성이 크다.

본 발명은 코발트를 함유하는 연질 자성 강합금에 관한 것으로, 구체적으로는 망간과 20 중량% 미만의 코발트를 함유하는 연질 자성 강합금에 관한 것이다.

코발트량이 감소된 연질 자성 강합금을 제공하는 것과 관련된 문제들은 본 발명에 따른 연질 자성 강합금에 의해 대부분 해결된다. 본 발명의 합금은 다음과 같이 넓은 조성 범위와 바람직한 조성 범위로 되어 있다(중량%).

넓은 범위 바람직한 범위(A) 바람직한 범위(B)

망간1.0-5.02.2-3.21.8-2.4

코발트7-1714-167-9

철잔부잔부잔부

각 경우에서 잔부는 대부분 철이고, 동일하거나 유사한 사용 또는 용도를 위한 상업적 등급의 연질 자성 강합금에서 발견되는 통상적인 불순물들을 포함한다. 필요하다면 탄소, 실리콘, 크롬 및 니켈 원소를 합금에 소량 포함시킬 수 있다.

위에 제시된 표는 편리한 요약으로서 제시한 것에 불과하며, 서로 조합하여 사용하기 위한 본 발명에 따른 합금의 개별 원소들의 범위에서 하한치와 상한치를 제한하거나, 서로 조합된 상태로만 사용하기 위한 원소들의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 따라서, 넓은 조성 범위에 있는 하나 이상의 원소 범위를, 바람직한 조성 범위에 있는 하나 이상의 다른 원소 범위와 함께 사용할 수 있다. 또한, 한가지 바람직한 실시 형태에서의 한 원소의 최소 또는 최대치를, 다른 바람직한 실시 형태에서의 그 원소의 최대 또는 최소치와 함께 사용할 수 있다. 본 명세서 전체에서 "퍼센트"라는 용어와 "%" 기호는 별 다른 지시가 없는 한 중량%를 의미한다.

본 발명에 따른 합금은 그 합금이 제공하는 자기 유도에 유리한 효과를 주기 위해 코발트를 적어도 약 7% 함유한다. 제1의 바람직한 조성에서, 합금은 코발트를 적어도 약 14% 함유한다. 제2의 바람직한 조성에서, 합금은 코발트를 적어도 약 7% 함유한다. 합금 중에는 코발트가 약 17% 이하로 존재하여, Co-Fe 연질 자성 합금의 공지된 등급에 비해 원료 비용이 낮은 수준으로 유지된다. 제1의 바람직한 조성에서는 합금이 코발트를 약 16% 이하 함유하고, 제2의 바람직한 조성에서는 합금이 코발트를 약 9% 이하 함유한다.

본 발명에 따른 합금은 그 합금이 제공하는 비저항에 유리한 효과를 주기 위해 망간을 적어도 약 1.0% 함유한다. 코발트가 제1의 바람직한 조성 범위에 따라 더 높은 수준에 있으면, 망간이 적어도 약 2.2% 존재한다. 코발트가 제2의 바람직한 조성 범위에 따라 더 낮은 수준에 있으면, 합금은 망간을 적어도 약 1.8% 함유한다.

망간이 너무 많으면 합금이 제공하는 포화 자기 유도에 악영향을 준다. 또한, 과도한 망간은 합금이 제공하는 보자력에 악영향을 주는 추가적인 상의 침전을 초래할 수도 있다. 따라서, 합금 중의 망간 함량은 약 5.0% 이하로 제한된다. 이합금의 제1의 바람직한 조성에서는 망간 함량이 약 3.2% 이하이고, 제2의 바람직한 조성에서는 약 2.4% 이하이다.

상기 합금의 잔부는 대부분 철이고, 동일하거나 유사한 사용 또는 용도를 위한 상업적 등급의 연질 자성 합금에서 발견되는 통상적인 불순물들을 포함한다. 합금이 용융될 때 환원 첨가물로부터 탄소가 소량 존재할 수 있다. 그러나, 합금 중에 탄화물이 형성되는 것을 피하기 위해, 탄소의 양은 응고된 잉곳에 남는 양이 실제로 가능한 한 적어지도록, 바람직하게는 약 0.02% 이하로, 더욱 양호하게는 약 0.01% 이하로 조절된다. 소량, 즉 약 0.3% 이하의 실리콘이 용융물에 환원제를 첨가한 결과로서, 또는 합금의 페라이트 구조를 안정화시키기 위한 능동적인 첨가물로서 합금 중에 존재할 수도 있다. 실리콘은 이 합금의 처리에 이용할 수 있는 2 단계 열처리에 이용할 수 있는 템퍼링 온도를 상승시킬 수도 있다. 또한, 페라이트 구조를 안정화시키고 전술한 2 단계 열처리에 더 높은 템퍼링 온도를 이용할 수 있도록 약 0.8% 이하의, 바람직하게는 약 0.5% 이하의 소량의 크롬이 합금 중에 존재할 수도 있다. 이 합금 중에 존재할 수 있는 실리콘과 크롬의 양은, 망간이 비교적 더 많이 함유됨에 따른 특성에 대한 효과에 비해 합금의 비저항에 큰 영향을 미치지는 않을 것으로 예상된다. 합금의 비저항에 유리한 효과를 주기 위해 약 0.8% 이하의 니켈이 합금 중에 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 합금을 생산하기 위해 특수한 기법이 필요하지는 않다. 진공 유도 용융법(VIM)으로 합금을 용융하는 것이 바람직하다. 필요하다면, 예컨대 일렉트로슬래그 재용융법(ESR) 또는 진공 아크 재용융법(VAR)에 의해 합금을 정제함으로써 순도를 더 높이거나 입자 구조를 더 양호하게 할 수 있다. 합금을 잉곳 형태로 주조한 후 약 2200℉의 예열 온도에서 열간 가공하여 빌렛, 바 또는 슬랩(slab)으로 만든다. 그리고 나서, 합금을 열간 압연하여 와이어, 로드 또는 중간 두께의 스트립을 얻는다. 그 후, 와이어, 로드 또는 스트립을 냉간 가공하여 단면 치수가 더 작아지게 하고, 그로부터 완성품으로 절삭 가공할 수 있다. 또한, 순형상의 제품 및 순형상에 가까운 제품을 만들기 위한 분말 야금법으로 합금을 생산할 수도 있다.

필요한 자기 특성을 얻기 위해서는 상기 합금으로 제조된 부품들을 냉간 가공하고 원하는 형상으로 절삭 가공한 후에 어닐링한다. 최상의 자기 특성을 얻기 위해서는 합금의 조성을 기준으로 어닐링 열처리를 선택해야 한다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 합금 중에 코발트가 약 7-9%, 망간이 약 3% 이하 함유되어 있을 때에는, 약 1400-1500℉에서 약 2-4 시간 동안 합금을 어닐링한 후, 시간당 약 150℉로 냉각하는 것이 바람직하다. 합금 중에 코발트가 약 14-16%, 망간이 약 2.5-3.7% 함유되어 있으면, 전위가 거의 제거되고 입자 크기가 최대화되기에 충분한 시간 동안 합금을 약 2100-2200℉에서 가열하는 2 단계 어닐링 공정을 이용하여 합금을 어닐링하는 것이 바람직하다. 이는 온도에서 약 4-6 시간 동안 행하는 것이 전형적이다. 그리고 나서, 약 200℉/시에서 약 1200-1300℉까지 합금을 노냉각한 후, 약 24 시간 동안 그 온도를 유지하여 거의 모든 γ상을 제거한다.

본 발명에 따른 합금은 200 Oe에서 약 21.4 kG의 자기 유도(B)를 제공하고 약 42.4 μΩ·cm의 비저항(ρ)을 제공할 수 있다. 이에 반하여, 코발트를 더욱많이 함유하는 공지된 합금 중에, HIPERCO Alloy 50은 200 Oe에서 약 24 kG의 직류 자기 유도를 제공하고 약 40 μΩ·cm의 전기 비저항을 제공하는 반면, HIPERCO Alloy 27은 200 Oe에서 약 23 kG의 직류 자기 유도를 제공하고 약 19 μΩ·cm의 전기 비저항을 제공한다. 본 발명에 따른 합금은 필요에 따라 바, 판, 와이어 및 스트립 형태로 가공할 수 있을 것으로 예상된다. 이 합금은 솔레노이드, 연료 분사기, 스위치식 릴럭턴스 모터, 자기 베어링, 플라이 휠, 그리고 자기 센서와 같은 자기 장치에 사용하기가 특히 적합하다. 또한, 이 합금은 브러시 없는 올터네이터, 컴프레서 모터, 자기 부상 시스템, 그리고 리니어 모터용 극성 부재와 같은 장치에 사용할 수 있을 것으로 예상된다.

실시예

진공 유도 용융법 및 분할 주조에 의해 본 발명에 따른 합금의 실시예를 소형(8 lb) 잉곳으로서 준비하였다. 잉곳의 화학적 분석은 이하의 표 1에 중량%로 제시하였다.

잉곳은 2200℉로부터 0.5 인치 ×2 인치의 슬랩으로 열간 단조하였다. 슬랩을 2100℉로부터 0.25 인치 두께의 스트립으로 열간 압연하였다. 이 스트립을 샌드블래스팅하여 스케일을 제거한 후 0.060-0.080 인치 두께로 냉간 압연하였다. 건조 수소 중에서 2 시간 동안 1300℉에서 어닐링한 후, 스트립을 0.020 인치 두께로 냉간 압연하였다. 이 0.020 인치 두께의 스트립으로부터 직류 자기 시험용 링을 스탬핑하고 비저항 측정용 샘플을 절삭 가공하였다.

이하의 표 2에는 여러 샘플에 대한 시험 결과를 제시하였는데, 그 결과에는 후술하는 4 종류의 상이한 열처리(HT1-HT6)를 각각 행한 후의 마이크로-옴 센티미터(μΩ-cm)로 나타낸 비저항(ρ)과, 30, 50, 150, 200 및 250 Oe에서의 킬로가우스(kG)로 나타낸 직류 자기 유도(B)와, 외르스테드(Oe)로 나타낸 보자력(H_c)이 포함된다.

이하의 표 2의 데이터로부터, 망간을 2.66% 내지 3.06% 함유하는 15Co-Fe 합금(15Co2.7Mn 및 13Co3Mn)이 39.3 μΩ·cm 및 42.2 μΩ·cm의 비저항(ρ)과 함께 20.5 kG 및 21.3 kG의 자기 유도(B@200Oe)를 각각 제공함을 알 수 있다.

또한, 표 2의 데이터로부터, 망간을 약 2.08% 함유하는 8Co-Fe 합금(8Co2Mn)은, 비록 비저항이 약간 더 낮지만, 100 Oe 미만의 자장 강도에서 15Co3Mn 합금과 매우 유사한 자기 유도치를 제공한다는 것도 알 수 있다. 이 제2의 바람직한 합금은 더 낮은 주파수와 더 낮은 자장 강도에서 동작하는 육상 용도에서와 같이 매우 저렴한 재료가 필요하고 코어 손실 및 포화 요건이 덜 엄격한 용도에 유용할 것이다.

표 2에 제시된 데이터는, 본 발명에 따른 합금이 제공하는 자기 특성(약 18-21 kG의 B@200Oe)과 전기 비저항(ρ, 약 35-42 μΩ-cm)의 양호한 조합을 보여주고 있다.

본 발명에 따른 합금은 코발트를 20% 미만 함유하는 Co-Fe 연질 자성 합금의 비저항을 증가시키기 위해 망간을 사용할 수 있다는 발견에 기초한 것이다. 망간은 비교적 저렴한 금속이므로 합금의 비용을 그다지 상승시키지 않는다. 또한, 본 발명의 Co-Mn-Fe 합금을 생산하는 과정에서 생기는 파쇄 금속은 다른 등급의 파쇄재료로서 쉽게 재활용할 수 있어서, 전체적인 합금 생산 비용이 줄어든다. 따라서, 동일한 VIM 노에서 용융되는 다른 등급의 오염 가능성이 작아진다. 본 발명에 따른 Co-Mn-Fe 합금은 조성 조절이 쉽고 잘 용융된다. 또한, 열간 가공성과 냉간 가공성이 양호하다.

HT1: 1320℉/2시간

HT2: 150℉/시로 1400℉/2시간/노냉각

HT3: 1600℉/2시간

HT4: 150℉/시로 1400℉까지 1742℉/4시간/노냉각하고, 20℉/시, 1000℉에서 노냉각한 후, 150℉/시로 실온까지 노냉각

HT5: HT4＋20℉/시로 1200℉까지 1742℉/20분/노냉각한 후, 150℉/시로 실온까지 노냉각

HT6: 200℉/시로 1290℉까지 2156℉/6시간/노냉각한 후, 1290℉에서 24 시간 템퍼링

본 명세서의 용어와 표현들은 설명하기 위한 것일 뿐 제한하려는 것이 아니다. 개시된 사항들의 임의의 균등물 또는 일부를 제외하기 위해 그러한 용어와 표현들을 사용하려는 의도는 없다. 그러나, 청구된 본 발명의 범위 안에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (18)

1. 약 1.0-5.0 중량%의 망간과 약 7-17 중량%의 코발트로 이루어지고 잔부는 대부분 철인 연질 자성 강합금.
2. 제1항에 있어서, 탄소도 약 0.02% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
3. 제1항에 있어서, 실리콘도 약 0.3% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
4. 제1항에 있어서, 크롬도 약 0.8% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
5. 제1항에 있어서, 니켈도 약 0.8% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 망간을 적어도 약 1.8% 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
7. 제6항에 있어서, 코발트를 약 9% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
8. 제6항에 있어서, 코발트를 적어도 약 14% 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
9. 약 2.2-3.2 중량%의 망간과 약 14-16 중량%의 코발트로 이루어지고 잔부는 대부분 철인 연질 자성 강합금.
10. 제9항에 있어서, 탄소도 약 0.02% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
11. 제9항에 있어서, 실리콘도 약 0.3% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
12. 제9항에 있어서, 크롬도 약 0.8% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
13. 제9항에 있어서, 니켈도 약 0.8% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
14. 약 1.8-2.4 중량%의 망간과 약 7-9 중량%의 코발트로 이루어지고 잔부는 대부분 철인 연질 자성 강합금.
15. 제14항에 있어서, 탄소도 약 0.02% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
16. 제14항에 있어서, 실리콘도 약 0.3% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
17. 제14항에 있어서, 크롬도 약 0.8% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.
18. 제14항에 있어서, 니켈도 약 0.8% 이하 함유하는 것인 연질 자성 강합금.