KR20140127565A - 고성능 센더스트 압분자심코아 및 그 제조방법 - Google Patents

고성능 센더스트 압분자심코아 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 있어서, 고성능의 센더스트 압분자심 코아 및 그 제조 방법에 따르면, 분말의 분쇄 및 열처리가 생략된 고압수분사법에 의해 제조한 겉보기밀도가 낮은 미립의 분말을 사용하고, 분말간의 절연제로서 폴리이미드계에 의한 바인더 코팅을 실시하고, 고온에서 분말의 윤활이 가능한 MoS2 분말을 윤활제로 사용하여, 300∼600℃의 온도영역에서 자동 압축성형을 통하여 코아를 제조함에 의하여, 종전의 센더스트 압분자심코아 비해 성형밀도 및 성형강도가 높고, 철손 및 직류중첩특성이 우수하며, 또한 제조공정비용이 저렴한 센더스트 압분자심코아가 제공될 수 있게 된다.

Description

고성능 센더스트 압분자심코아 및 그 제조방법 {High performance sendust powder core and making process}
본 발명은 온간자동성형에 의한 성형강도 및 연자기 특성이 우수한 고성능 센더스트 압분자심 코아 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 고압의 수분사법 혹은 개스분무법에 의해 제조된 미립의 합금분말을 사용하고, 분말간의 바인더로서 폴리이미드계 및 페놀계에 의한 코팅을 실시하고, 고온에서 분말의 윤활이 가능한 MoS2를 윤활제로 사용하여, 300∼600℃에서의 온도영역에서의 자동 압축성형을 통하여 종래의 상온에서 성형시의 센더스트 압분자심 코아에 비해 성형강도가 2배 이상 높고, 직류중첩특성이 5%이상 개선되고, 또한 철손이 낮은 센더스트 압분자심 코아의 제조에 관한 것이다.
본 발명은 센더스트 압분자심 코아의 문제점이었던 분말의 분쇄시의 불순물 혼입, 코아강도 개선 및 직류중첩특성을 개선하기 위한 코아제조에 관한 것이다.
종전에 적용되고 있는 센더스트 합금분말의 제조는 분말의 겉보기 밀도를 높이기 위하여 분말제조시에 센더스트 합금 조성(예: Fe 84.5wt%, Si 9.7wt%, Al 5.8wt%)으로 용해후 수 mm ～수cm의 크기로 인곳트를 제조하여 분쇄공정을 거친 다음, 분말내부의 응력을 제거하기 위하여 800℃부근의 환원분위기하에서 1시간 이상 열처리공정을 거치게 된다. 이에 따라 분말의 겉보기 밀도는 3.0g/cm3이상으로 높아지지만, 장시간의 분쇄시에 불순물의 혼입이 다량 발생하고 더불어 분말 내부조직에 미세크랙이 많이 발생하여 실효투자율이 떨어진다. 또한 센더스트 분말자체가 취성이 강하여 분말간의 바인더 코팅후 성형 및 열처리를 하여도 코아의 강도가 낮음으로 인하여 코아를 열처리후에 강도를 높이기 위하여 에폭시 용액에 함침하는 공정이 필수적으로 이루어진다. 함침공정을 생략하기 위해서는 분말간의 절연시에 바인더 코팅량을 2wt%이상으로 하면 어느 정도 코아의 강도가 개선되지만, 실효투자율이 125이상의 제조가 매우 어려워 코팅량의 증가에 제한이 발생한다.
일반적으로 고압의 수분사법 및 개스분사법에 의해 미립의 분말의 제조가 가능하지만 겉보기밀도가 2.6g/cm3이하로 낮아서 성형시에 요구되는 성형밀도가 나오지 않아 직류중첩특성이 크게 떨어지는 단점을 지니고 있어서, 압분자심 코아의 용도로는 적용이 되고 있지 않다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 300～600℃의 온도범위에서 온간성형하는 제조기술을 개발함으로써 센더스트용 분말을 분쇄없이 겉보기 밀도가 2.6g/cm3이하로 낮은 미립의 분말을 직접 사용함으로써 분쇄 및 분말의 열처리공정이 생략될 수 있고, 또한 종래의 2wt%이상의 바인더 첨가에 의해 제조가 불가능했던 실효투자율이 125이상의 제조가 가능하며, 더불어 성형밀도가 종래재에 비해 수%높음에 따라 직류중첩특성 및 철손값이 종래재에 비해 수%이상 개선될 수 있는 획기적인 방법을 개발하였다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 먼저 분쇄공정을 거치지 않기 위하여 수압이 100bar이상의 수분사를 사용하거나, 20bar이상의 고압의 불활성개스를 사용하는 개스분사법에 의하여 제조한 100메쉬 분급기를 통과하고 열처리를 하지 않은 미분쇄 센더스트분말을 사용한다.
다음에 분말간의 절연성 부여 및 코아의 성형강도를 높이기 위하여 분말의 표면에 폴리이미드계 혹은 페놀계 수지를 0.5∼5.0wt% 바인더 코팅하여 복합분말을 제조한 다음, 고온에서도 윤활성을 유지하는 금속산화물계 MoS2 분말을 혼합한 다음, 300∼600℃의 온도범위에서 5～15타/분의 속도로 자동 압축성형함으로써 종래의 상온 성형시에 사용되는 성형프레스에서 생산이 될 수 있는 센더스트 압분자심 코아의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 따라 종래의 상온에서의 성형에 비해 성형밀도 및 성형강도가 높아서, 종래의 센더스트 압분자심코아에 비해 실효투자율이 50%이상 높으면서, 직류중첩특성 및 철손값이 10%이상 개선되는 고성능의 센더스트 압분자심 코아를 제공하는데 있다.
본 발명에 의해 고압의 수분사법 및 개스분사법에 의해 제조되는 미립의 분말을 열처리 없이 직접 사용함으로써 종전의 센더스트 분말 제조시에 적용하였던 분쇄 및 열처리공정이 생략되고, 더불어 300～600℃의 온도 영역에서 온간성형함으로써 코아의 성형강도 및 밀도를 높일 수 있게 되어 함침공정이 생략된다.
[도1] 실시예1의 조건에 따라 제조한 분말에 대한 성형온도변화에 따른
성형코아의 성형밀도 변화
[도2]실시예1의 조건에 따라 제조한 분말에 대한 성형온도변화에 따른
실효투자율 변화
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고성능의 센더스트 압분자심 코아의 제조 방법은, (a) 고압의 수분사법 및 개스분사법에 의해 제조한 100메쉬를 통과한 미립의 센더스트 분말을 사용하여 폴리이미드계 혹은 페놀계 수지 0.5∼5.0wt%로 액상코팅처리를 행하여 균일하고 치밀하게 코팅된 복합 입자 분말을 제조하는 단계; (b) 상기 복합입자를 MoS2의 미립분말을 윤활제로 적용하여 0.5 - 2.0wt%로 균일 혼합하는 단계; (c) 혼합분말을 300 ∼600℃의 온도영역에서 12∼25ton/㎠의 압력으로 5～15타/분의 속도로 성형하는 단계; 및 (d) 성형한 코아를 700∼800℃의 온도에서 열처리하는 단계; 를 포함한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 사용한 센더스트 합금 분말의 제조는 용해한 센더스트 용액을 100bar이상의 수분사법 및 20bar이상의 개스분사법에 의해 미립의 분말을 제조할 수 있으며, 본 발명에서는 분쇄 및 열처리공정을 생략하기 위하여 100bar이상의 수분사법에 의해 제조한 다음, 100메쉬의 분급기를 통과한 미열처리의 미립분말을 사용하였다. 이때의 분말의 겉보기 밀도는 2.0 g/cm3이상이면 된다. 그 이하가 되면 분말의 성형시에 성형다이에 분말의 충진성이 떨어진다.
센더스트 분말의 절연성 및 성형시의 결합력을 높이기 위하여 바인더로서는 300℃이상의 온도에서 연화되는 폴리이미드계 혹은 페놀계의 수지가 바람직하며, 적정 코팅량은 분말 총질양의 0.5∼5.0wt%가 적당하다. 0.5wt%이하에서는 절연성이 떨어져서 철손값이 증가하며, 5.0wt%이상에서는 분말간의 점성이 강하여 절연코팅이 어려워진다. 한편 종래에 바인더로서 적용하고 있는 물유리는 절연성 및 성형강도 개선에는 역할을 하지만 400℃이상에서 경화됨에 따라 성형시에 성형다이에 표면손상을 일으킬 수 있으므로 사용하지 않는 것이 좋다. 위에서 '총질량 '이란, 제조되는 코아를 구성하는 코팅제와 센더스트 합금분말의 질량의 합을 의미하며, 유기용매의 질량은 포함되지 않는다.
바인더를 코팅하여 제조한 센더스트 합금분말의 고온 윤활성을 부여하기 위해서는 고온에서도 윤활성을 잃지 않는 금속산화물계인 MoS2 분말이 적당하며, 사용하는 분말의 평균입경은 1∼10㎛ 정도가 적당하다. 첨가량은 총질양의 0.5∼2.0wt%로 제한하는 것이 바람직하다. 0.5wt% 이하에서는 분말간의 윤활성이 결여되며 이로 인하여 성형용 펀치에 손상을 끼치게 되며, 2.0% 이상은 연자기 특성이 나빠지고 경제성이 떨어지게 된다.
코아 성형시에는 12∼25ton/cm2의 성형압력이 적당하다. 성형압력이 12ton/cm2 이하이면 코아의 성형 밀도가 낮아져 연자기 특성이 나빠지며, 한편 너무 높으면 성형 다이의 마모 및 파손 등의 문제가 빈번히 발생하여 생산 원가단위가 높아지기 때문이다. 성형시의 온도는 300∼600℃ 온도영역이 바람직하다. 300℃이하에서는 적정 성형밀도가 구현되지 않으며, 성형온도가 높을수록 코아의 성형밀도가 높아지고 분말 입자간 치밀도가 높아지지만, 600℃이상에서는 성형다이에 영향을 줄 수 있으므로 최대 성형온도는 600℃이하로 하는 것이 바람직하다.
성형코아의 열처리 온도는 센더스트 합금조성 및 코팅제 종류에 따라 다르나 650∼750℃가 적당하다. 650℃보다 낮으면 성형시 코아내부에 발생한 내부응력이 충분히 제거되지 않으며, 750℃보다 높으면 사용한 바인더가 분해되어 절연성을 헤치게 된다. 열처리 분위기는 비활성 가스 또는 환원성 가스 분위기로 하고, 시간은 30∼120분 정도로 하는 것이 적당하다. 열처리 시간이 너무 짧으면 코아내의 응력제거가 충분히 이루어지지 않으며, 한편 너무 길면 생산성이 떨어지기 때문이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
실시예 1
200bar의 고압 수분사법에 의해 제조된 미열처리의 센더스트 합금분말(평균입경 약 25㎛)을 100 메쉬로 분급하여 1000g를 준비한 다음, 폴리이미드 20g(2.0wt%)을 메틸렌클로라이드(methylene chloride) 용액에 녹여 제조된 용액으로 코팅처리를 한 후, 건조처리를 행하여 폴리이미드가 평균입경 약 25㎛의 센더스트 합금분말의 표면에 약 1㎛ 이하의 두께로 균일하게 코팅된 복합 입자의 분말을 제조하여 건조한 다음에 평균입경이 3㎛인 MoS2분말 10g(1wt%)을 균일 혼합하였다. 혼합된 복합입자 분말을 외경 12.7mm, 내경 7.65mm이며, 400℃로 유지된 성형 다이의 내부에 2.40g정도로 자동 장입한 후 18ton/cm2의 압력으로 분당 10타의 속도로 자동성형하여 평균 높이 4.75mm의 성형코아를 제조하였다. 제조된 성형코아는 질소(N2) 가스 분위기의 720℃에서 60분간 열처리하였다.
제조된 상태의 코아에 대해 측정된 성형밀도, 코아강도 및 여러 주파수 대역의 실효 투자율(effective permeability), 철손(core loss) 등의 자기 특성을 표 1과 그림 1과 2에 나타낸다. 여기서, 코아의 밀도는 코아의 실질무게를 코아의 체적으로 나누어 계산된 값이며, 코아강도는 텐션미터기에 의한 성형후의 열처리전과 후에 대한 압축강도로 나타내었으며, 실효 투자율은 임피던스 측정기(Impedance Analyzer)를 이용하여 100kHz의 주파수 대역에서 10mOe의 외부 자장하에서 측정된 값이며, 직류중첩특성은 100kHz의 주파수대역에서 20Oe의 외부자장하에서 측정한 값을 10mOe의 외부자장하에서 측정한 값으로 나누어 백분율로 표시한 것이다. 철손값은 주파수 50kHz 및 유도자속밀도 1000Gauss의 조건하에서 자성측정기(BH Analyzer)로 측정한 것이다.
실시예 2
폴리이미드 50g(5.0wt%)으로 절연코팅처리를 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 성형코아에 대한 제 특성을 표 1과 도 1 및 2에 나타낸다.
실시예 3
폴리이미드 5g(0.5wt%)으로 절연코팅처리를 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 성형 코아에 대한 제 특성을 표 1과 그림 1 및 2에 나타낸다.
실시예 4
성형온도를 300, 500, 600℃로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
제조된 성형 코아에 대한 제 특성을 표 1과 도 1 및 2에 나타낸다.
조건번호
 성형온도
(℃)		 겉보기밀도
(g/cm3)		 성형밀도
(g/cm3)		 압축강도(kgf) 실효
투자율
 직류중첩
(%)		 철손
(mW/cc)
열처리전 열처리후
실시예1 400 2.44 6.12 22 29 146 74.6 202
실시예2 400 " 6.05 39 45 95 86.5 215
실시예3 400 " 6.12 15 22 210 54.0 275

실시예4
 300 " 6.00 15 29 125 76.2 220
450 " 6.15 23 29 145 74.7 205
500 " 6.16 25 29 156 74.1 202
비교예1 상온 3.10 5.80 10 29 95 83.5 265
비교예2 400 2.44 6.16 5 26 195 53.0 317

비교예3
 상온 " 5.70 11 22 105 73.5 315
100 " 5.71 11 24 105 73.5 316
200 " 5.71 11 24 105 73.5 310
여기서, 표1과 도1 및 2를 참조하면, 성형온도가 200℃까지는 성형밀도 및 실효투자율변화가 거의 없지만 200℃이상부터 직선적으로 증가하다가 400℃이상에서는 완만한 증가세를 보인다. 300℃이상에서 성형함으로써 절연코팅량이 2wt%이상에서 종래의 상온성형에서 제조가 불가능했던 실효투자율 125이상의 제조가 가능하게 됨을 의미한다. 또한 절연코팅량이 0.5wt%에서도 압축강도가 높아서 상온에서의 성형코아대비 열처리전의 강도가 수배나 높아서 코아의 운반시 파손의 우려가 전혀 없어지며, 열처리후에는 더욱더 강하여져 함침공정이 필요없게 된다. 또한 직류중첩특성도 상온성형시의 동일 투자율재에 비해 5%이상 우수함을 알 수 있으며, 철손값도 30%이상 개선되었음을 알 수 있다.
또한 본 발명에 의하여 종래의 분쇄 및 열처리공정 없이도 종래재에 비해 특성이 우수함을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 비교예를 상세히 설명한다.
비교예 1
1bar의 저압 수분사법에 의해 제조된 센더스트 합금 인곳트(평균 크기 약 3cm)를 어트리션밀(Attrition Mill)로 20분간 200rpm으로 분쇄한 다음 100메쉬로 분급하여 제조한 1000g를 800℃의 수소분위기하에서 1시간 열처리하는 것 이외에는 실시예과 동일하게 실시하였다.
제조된 센더스트 코아에 대한 제 특성을 표 1과 도 1 및 2에 나타낸다.
비교예 2
폴리이미드 3g(0.3wt%)을 메틸렌클로라이드에 녹여 용액을 제조하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 센더스트 코아에 대한 제 특성을 표 1과 도 1 및 2에 나타낸다.
비교예 3
상온(25℃) 및 100, 200℃에서의 성형하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
제조된 센더스트 코아에 대한 제 특성을 표 1과 도 1 및 2에 나타낸다.
여기서, 표 1을 참조하면, 성형온도가 200℃이하에서는 성형밀도가 5.8g/cm3을 넘을 수 없으며, 이에 따라 투자율이 110이상이 불가하며, 코팅량이 0.5wt%보다 낮을 때는 코아내의 절연성이 떨어져 철손이 크게 높아지고, 코아의 성형강도가 크게 나빠짐을 알 수 있다.
wt%: 중량퍼센트

Claims (4)

  1. (a) 고압의 수분사법 및 개스분사법에 의해 제조한 분쇄 및 열처리공정이 생략된 미립의 센더스트 분말을 사용하여 폴리이미드계 혹은 페놀계를 코팅하여 복합분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 복합입자 분말에 고온 윤활제인 미립의 MoS2분말을 혼합하는 단계;
    (c) 상기 혼합된 분말을 고온에서 자동 성형하는 단계;
    (d) 상기 성형된 복합 입자 분말을 열처리하는 단계; 를 포함하는 고성능 센더스트 압분자심 코아의 제조 방법
  2. 제 1항에 있어서, 상기 센더스트 분말 코팅시에서, 코팅량은 총질량의 0.5∼5.0wt%이며, 윤활제의 양은 총질량의 0.5∼2.0wt%인 것을 특징으로 하는 고성능 센더스트 압분자심 코아의 제조 방법
  3. 제 1항에 있어서, 상기 성형은 300∼600℃ 범위의 온도영역에서 12∼25ton/㎠의 압력으로 자동성형하는 것을 특징으로 하는 고성능 센더스트 압분자심 코아의 제조 방법
  4. 제 1항에 있어서, 상기 열처리는 650∼750℃의 온도에서 하는 것을 특징으로 하는 고성능 센더스트 압분자심 코아의 제조 방법
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