KR20160018013A

KR20160018013A - 철계 나노결정 비정질 합금분말 및 이를 이용한 철계 나노결정 압분자심코아의 제조방법.

Info

Publication number: KR20160018013A
Application number: KR1020140101861A
Authority: KR
Inventors: 김규진
Original assignee: 티엠나노테크 주식회사
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-02-17
Also published as: KR101607483B1

Abstract

본 발명에서 개발한 나노결정합금의 출발원료로서, 조성식 Fe_aSi_bB_cP_xNb_yCu_z의 합금조성물로서, 77≤a≤83at%, 8< b≤13at%, 6≤c≤10at%, 0.5≤x≤2.0at%, 0.5≤y≤2.0at%, 0.5≤z≤2.0at%이며, b+2c≥11.0at%, c+x≥7.0at%로 구성되는 것으로 한다.
본 조성의 비정질 합금분말은 고압수분사법 및 급랭응고법에 의하여 제조되며, 제조된 분말의 포화속밀도가 1.5T이상이며, 본 분말을 이용하여 온간성형법에 의해 압분자심코아를 제조시에 철손값이 50kHz 및 1000Gauss하에서 300mW/cc이하를 나타내며, 종래의 상온성형시에 불가했던 실효투자율이 100kHz하에서 150이상의 나노결정 압분자심코아를 제조할 수 있게 된다.

Description

철계 나노결정합금{Fe-based nano-crystallization alloy}

본 발명은 트랜스, 인덕터 등에 사용하기에 적합한 Fe계 비정질(나노결정)합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 요시자와 등이 개발한 Fe-Si-B-Nb-Cu계 연자성 합금은 실효투자율 및 고주파에서의 손실값은 매우 우수하지만 자체 합금이 보유한 포화자속밀도(Bs)값이 1.2T정도로 낮아서 일반적인 압분자심코아로로서 적용시에 대전류용의 부품에 적용이 어렵다. 이에 대해서는 논문문헌 1에 기재되어 있다.

[논문문헌 1] J. Appl. Phys., 64(1988), 6444

반면에 마키노가 개발한 Fe-B-Si-P-C-Cu계는 포화자속밀도는 1.6T이상으로 높지만, 고주파에서 손실값이 높다는 단점이 있다. 이에 대해서는 특허문헌2에 기재되어 있다

[특허문헌 2] 한국 공개특허공보 10-2011-0044832

따라서 본 발명에서는 대전류용에 적용이 가능한 1.5T이상의 높은 자속밀도를 지니면서, 고주파손실이 낮은 비정질(나노결정)합금과 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 특정합금 조성물에 있어서 1.5T이상의 높은 자속밀도를 지니면서, 또한 높은 투자율을 지니는 Fe계 나노결정합금분말을 얻기 위한 출발원료로서 이용할 수 있는 것을 찾아냈다. 여기서 특정합금조성물은 소정의 조성식으로 나태내고, 주상으로서 비정질(amorphous)상을 가지고 있으며, 또한 우수한 고주파손실을 가지고 있다. 특정합금조성물을 결정화온도 이상에서 열처리하면, bcc 구조를 가지는α-Fe상으로 이루어진 나노결정물을 석출시킬 수 있다. 이러한 나노결정합금은 포화자기왜곡을 크게 감소함에 의하여 보자력을 크게 감소시키고, 이에 따라 높은 포화자속밀도와 높은 투자율 및 낮은 고주파 손실값을 제공한다.

본 발명에 있어서 나노결정합금의 출발원료는 조성식 Fe_aSi_bB_cP_xNb_yCu_z의 합금조성물로서, 77≤a≤83at%, 8< b≤13at%, 6≤c≤10at%, 0.5≤x≤2.0at%, 0.5≤y≤2.0at%, 0.5≤z≤2.0at%이며, b+2c≥11.0at%, c+x≥7.0at%의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 합금조성물에 있어서 Fe원소는 주원소이며, 자성을 담당하는 필수 원소이다. 기본적으로 포화자속밀도의 증가 및 원료가격의 저감을 위하여 Fe의 비율이 높은 것이 바람직하다. Fe의 비율이 77at%보다 낮으면 포화자속밀도값이 1.5T이하로 낮아지며, 83at%보다 높아지면, 급랭조건하에서 비정질상의 형성이 곤란해진다.

상기 합금조성물에 있어서 Si원소는 비정질상의 형성 및 연자기 특성 향상에 필수 원소이다. Si의 비율이 8at%이하면 연자기 특성이 떨어지며, 13at%이상이면 Fe의 조성비율이 77at%이하로 떨어져 포화자속밀도가 1.5T이하로 낮아진다.

상기 합금조성물에 있어서 B원소는 비정질상 형성을 담당하는 필수 원소이다.

B의 비율이 6at%보다 낮으면 균일한 비정질상 형성이 어렵고, 10at%를 넘어서면 포화자속밀도가 떨어진다.

상기 합금조성물에 있어서 P원소는 비정질상 형성을 담당하는 필수 원소이다. 본 실시형태에 있어서는 Si, B 및 P원소의 조합을 이용함으로써, 어느 하나밖에 이용하지 않는 경우와 비교하여, 훨씬 적은 첨가량에 의하여 비정질상 형성능이 개선된다. P의 비율이 0.5at%이하면 비정질상의 형성능이 떨어지고, 2at%를 넘어서면 포화자속밀도가 떨어진다. 조합의 관점에서는 Si+2B의 합이 11at%이상이 되어야 하며, 그 이하에서는 비정질상의 형성능이 떨어지며, 또한 B+P의 합이 7.0at%이상이 되어야 하며 그 이하에서는 비정질상의 형성능이 떨어진다.

상기 합금조성물에 있어서 Nb원소는 나노결정화에 기여하는 필수 원소이다. 나노결정합금의 형성시에 Nb함량이 0.5at%이하에서는 조대한 나노결정화가 생성되며, 2.0at%이상에서는 포화자속밀도가 급격히 떨어진다.

상기의 합금조성물은 30MPa이상의 고압의 수분사법에 의해 직접 미립의 분말을 제조하거나 급랭응고법에 의하여 제조한 리본을 결정화이하의 온도에서 열처리한 다음 분쇄하여 분말을 제조한다. 제조한 분말의 자기특성을 평가하기 위하여 분말간 절연 및 결합성을 부여하기 위하여 인산 및 폴리이미드에 의한 2회 코팅을 실시한 다음, 고온에서도 윤활성을 유지하는 금속산화물계 윤활제를 적용하여, 400~550℃의 온도범위에서 자동 압축성형하여 비정질 압분자심 코아를 제조한다. 성형한 압분자심코아는 결정화온도 이상에서 30-60분간 환원성 가스분위기하에서 열처리한다.

본 발명에 있어서 고압수분사법 및 급랭응고법에 의하여 제조한 포화속밀도가 1.5T이상인 비정질 합금분말을 이용하여 온간성형법에 의해 압분자심코아를 제조시에 철손값이 50kHz 및 1000Gauss하에서 300mW/cc이하를 나타내며, 종래의 상온성형시에 불가했던 실효투자율이 100kHz에서 200이상의 압분자심코아를 제조할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하여 개발된 비정질 합금분말은, 온간성형에 의하여 성형밀도를 크게 높일 수 있으며, 입자간 절연성이 우수하여 주파수 의존성이 적으며, 고주파수 대역에서도 변화가 거의 없는 투자율을 지니며, 수㎑에서 수십㎒ 주파수 대역의 전기 및 전자 디바이스의 대전류용 자기소자로서 이용 가능한 나노결정 압분자심코아를 제조할 수 있게 된다.

(실시예 1)

Fe_81.2Si_9.5B₆P₁Nb_1.5Cu_0.8 합금조성(중량%)이 되도록 고주파용해에 의하여 용해한 다음, 수압 40MPa 및 유량 300l/min의 조건인 고압의 수분사에 의하여 비정질 합금 분말(평균 입경 약 15㎛) 을 제조하였다. 다음에 분말의 자기 특성을 평가하기 위하여 비정질 합금분말 1,000g에 인산(H₃PO₄) 10g을 아세톤에 넣어 희석하여 1차 코팅처리를 하여 건조한 다음, 폴리이미드 10g을 메틸렌클로라이드(methylene chloride) 용액에 녹여 제조된 용액으로 2차 코팅처리를 한 후, 건조처리를 행하여 폴리이미드가 평균 입경 약 15㎛의 비정질 합금 분말의 표면에 약 1㎛ 이하의 두께로 균일하게 코팅된 복합 입자의 분말을 제조하여 건조한 다음에 평균입경이 3㎛인 MoS₂분말 10g을 균일 혼합하였다. 혼합된 복합입자 분말을 외경 12.7mm, 내경 7.65mm이며, 450℃로 유지된 성형 다이스의 내부에 2.50g정도로 자동 장입한 후 18ton/㎠의 압력 및 분당 10타의 속도로 성형하여 평균 높이 4.75mm의 압분자심코아를 제조하였다. 제조된 성형코아는 아르곤(Ar) 가스 분위기의 530℃에서 60분간 열처리하여 코아 내부조직이 나노결정인 압분자심코아를 제조하였다. 제조된 상태의 코아에 대해 실효투자율(effective permeability), 포화자속밀도 및 철손(core loss) 등의 자기 특성을 표 1에 나타낸다.

여기서, 제조한 분말에 대한 상의 구조는 X선 회절법에 의하여 측정했으며, 제1결정화개시온도(T_x1) 및 제2결정화개시온도(T_x2)는 시차형 열량분석계(DSC)를 이용하여 가열속도 분당 10℃의 속도로 가열하여 평가하였다. 포화자속밀도(B_s)는 진동시료형자력계(VSM)를 이용하여 800kA/m의 자장하에서 측정하였으며, 실효 투자율은 임피던스어낼라이져(Impedance Analyzer)를 이용하여 100kHz의 주파수 대역에서 10mOe의 외부 자장하에서 측정된 값이다. 철손값은 주파수 50kHz 및 유도자속밀도 1000Gauss의 조건하에서 BH 어낼라이져(BH Analyzer)로 측정한 것이다.

(실시예 2)

실시예1의 동일 합금조성을 급랭응고법(RSP)에 의하여 폭 약 3mm, 두께 약 30㎛의 비정질 합금 리본을 제조한 다음, 결정화이하의 온도인 430℃의 수소가스 분위기하에서 약 30분간 열처리한 다음 분쇄하여 평균입경이 약 30㎛인 비정질 합금분말을 제조하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 나노결정 압분자심코아에 대한 제 특성을 표 1에 나타낸다.

(실시예 3-6)

하기의 표1에 나타낸 실시예 3-4의 합금조성이 되도록 정량화하여 용해한 다음 고압수분사법에 의해 비정질 합금분말을 제조하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 나노결정 압분자심코아에 대한 제 특성을 표 1에 나타낸다.

(비교예 1-5)

하기의 표1에 나타낸 비교예 1-5의 합금조성이 되도록 정량화하여 용해한 다음

고압수분사법에 의해 합금분말을 제조하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 나노결정 압분자심코아에 대한 제 특성을 표 1에 나타낸다.

조건번호	비정질합금계	분말상	T_x1(℃)	T_x2(℃)	Bs(T)	실효 투자율	철손 (mW/cc)
실시예1	Fe₈₁ _.2Si₉ _.5B₆P₁Nb_1.5Cu₀ _.8	비정질	441	588	1.6	275	185
실시예2	Fe₈₁ _.2Si₉ _.5B₆P₁Nb_1.5Cu₀ _.8	"	441	588	1.6	280	175
실시예3	Fe₇₇ _.7Si₁₃B₆P₁Nb₁ _.5Cu₀ _.8	"	449	619	1.5	350	110
실시예4	Fe₇₇ _.2Si₉ _.5B₁₀P₁Nb_1.5Cu₀ _.8	"	455	623	1.5	265	165
실시예5	Fe₈₁ _.2Si₈ _.5B₆P₂Nb_1.5Cu₀ _.8	"	436	595	1.6	240	210
실시예6	Fe₈₁ _.7Si₉ _.5B₆P₁Nb_1.0Cu₀ _.8	"	430	565	1.6	180	230
실시예7	Fe₈₁ _.4Si₉ _.5B₆P₁Nb_1.5Cu₀ _.6	"	440	589	1.6	170	265
비교예1	Fe₈₂ _.2Si₇B₆P₁Nb₁ _.5Cu₀ _.8	"	420	582	1.6	210	425
비교예2	Fe₇₆ _.7Si₁₄B₆P₁Nb₁ _.5Cu₀ _.8	"	463	635	1.3	320	135
비교예3	Fe₈₀ _.2Si₉ _.5B₅P₁Nb_1.5Cu₀ _.8	비정질+결정	442	590	1.5	130	750
비교예4	Fe₈₂ _.2Si₉ _.5B₆P₁Nb_0.5Cu₀ _.8	비정질	423	546	1.6	125	665
비교예5	Fe₇₈ _.8Si₉ _.5B₆P₁Nb_0.5Cu₀ _.4	비정질	423	546	1.5	125	565

여기서, 표 1을 참조하면, 본 발명에서 개발된 합금조성범위에서 포화자속밀도가 1.5T이상이면서 철손값도 300mW/cc이하로 매우 우수하며, 실효투자율도 150 - 350까지 나타내며, 이는 종래의 상온성형시에 불가했던 투자율값이다. 반면에 비교예의 합금에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 합금조성법위이외의 합금은 포화자속밀도가 높으면 철손이 높거나, 철손값이 낮으면 포화자속밀도가 낮음을 알 수 있다.

Claims

조성식 Fe_aSi_bB_cP_xNb_yCu_z인 비정질 합금조성물로서, 77≤a≤83at%, 8≤b≤13at%, 6≤c≤10at%, 0.5<x≤2.0at%, 0.5<y≤2at%, 0.5≤z≤2at%이며, b+2x≥11.0at%, c+x≥7.0at%인 합금조성물.
제 1항에 있어서, 고압의 수분사법 및 급랭응고법에 의해 제조되는 비정질 합금분말.
제 1항에 있어서, 제조된 비정질분말을 이용하여 온간성형 및 나노결정화 열처리에 의해 제조되는 고투자율 및 저철손의 나노결정 압분자심코아의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 비정질 압분자심 코아는 100kHz에서의 실효투자율이 85이상이며, 포화자속밀도가 1.5T이상이면서, 50kHz 및 1000Gauss에서의 철손값이 300mW/cc이하인 것을 특징으로 하는 나노결정 압분자심 코아의 제조방법