KR20160130711A - 초저 코발트 철-코발트 자성 합금 - Google Patents

초저 코발트 철-코발트 자성 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자성 철 합금 및 이를 제조하는 공정에 관한 것이다. 상기 합금은 철, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 코발트, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 망간 및 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 실리콘을 포함한다. 상기 합금은 또한 최대 약 3 중량%의 크롬, 최대 약 2 중량%의 바나듐, 최대 약 1 중량%의 니켈, 최대 약 0.05 중량%의 니오븀 및 최대 약 0.02 중량%의 탄소를 포함할 수 있다.

Description

초저 코발트 철-코발트 자성 합금{ULTRA-LOW COBALT IRON-COBALT MAGNETIC ALLOYS}
본 발명은 일반적으로 연자성 합금(soft magnetic alloy), 특히 10 중량% 이하의 코발트를 함유하는 철-코발트 합금에 관한 것이다.
철-코발트 합금은 고도의 자기 포화(magnetic saturation)를 제공하는 것으로 업계에 알려져 있다. 특히, 49Co-Fe-2V(Carpenter Technology Corporation으로부터 이용가능한 HIPERCO® 50 합금)는 가장 높은 자기 포화 유도를 제공하는 상업적으로 이용가능한 합금이며, 27Co-Fe(또한 Carpenter로부터 이용가능한 HIPERCO® 27 합금)는 상대적으로 높은 연성(ductility) 및 인성(toughness)과 결부된 고도의 자기 포화를 제공하는 것으로 알려져 있다. 이들 각각의 합금은 다량의 코발트를 함유하고 있다(HIPERCO® 50의 경우 약 50%, 및 HIPERCO® 27의 경우 27%). 코발트는 고가의 금속이며 비용을 크게 증가시킨다. 항공 적용에서, 이러한 합금의 비용은 충분한 기계적 특성과 결합된 이들의 우수한 실온 및 고온 자기적 및 전기적 특성에 의해 정당화된다. 그러나, 토양 및 해양 적용을 위해서는, 적합한 기계적 특성과 결부된 우수한 자기적 및 전기적 특성 및 내식성을 보유한 덜 비싼 연자성 합금이 필요하다. 예시적인 토양 및 해양 적용은 플라이 휠(fly wheel), 기계적 베어링, 솔레노이드, 자기저항 모터, 발전기, 연료 분사기 및 변압기를 포함한다. 합금이 교류 및 직류 적용 모두에 적합하도록 더 큰 전기 비저항(resistivity)을 갖는 연자성 합금이 더 필요하다.
이러한 요구 및 다른 요구를 충족시키기 위해, 그리고 그 목적에 비추어, 본 발명은 초저 코발트 철-코발트 자성 합금을 제공한다. 본 발명의 하나의 예시적인 구현예는 철, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 코발트, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 망간 및 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 실리콘을 갖는 자성 철 합금을 포함한다. 상기 합금은 최대 약 3 중량%의 크롬, 최대 약 2 중량%의 바나듐, 최대 약 1 중량%의 니켈, 최대 약 0.05 중량%의 니오븀 및 최대 약 0.02 중량%의 탄소 중 하나 이상을 추가로 가질 수 있다. 상기 합금은 적어도 약 40 μΩ㎝의 전기 비저항(ρ)을 가질 수 있다. 상기 합금은 적어도 약 20 kG의 포화 유도(saturation induction)(Bs)를 가질 수 있다. 상기 합금은 약 2 Oe 미만의 보자력(Hc)을 가질 수 있다. 상기 합금은 주로 단일 알파 상을 포함할 수 있다.
또 다른 예시적인 구현예는 철, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 코발트, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 망간 및 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 실리콘을 갖고; 적어도 약 40 μΩ㎝의 ρ, 적어도 약 20 kG의 Bs 및 약 2 Oe 미만의 Hc를 갖는 자성 철 합금을 포함한다. 상기 합금은 최대 약 3 중량%의 크롬, 최대 약 2 중량%의 바나듐, 최대 약 1 중량%의 니켈, 최대 약 0.05 중량%의 니오븀 및 최대 약 0.02 중량%의 탄소 중 하나 이상을 추가로 가질 수 있다. 상기 합금은 주로 단일 알파 상을 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부한 도면과 함께 읽을 때 하기 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 관행에 따르면, 도면의 다양한 특징들은 크기가 조정되지 않아야 한다는 점이 강조된다. 반대로, 다양한 특징들은 명확성을 위해 임의로 확장되거나 축소된다. 하기 도가 도면에 포함되어 있다:
도 1a는 본 발명의 구현예에 따라, HIPERCO® 27 및 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 약 10 중량%의 코발트(Co)를 갖는 하나의 시리즈의 합금에 대한 포화 유도(Bs), 보자력(Hc) 및 전기 비저항(ρ)을 묘사하는 그래프이고;
도 1b는 본 발명의 구현예에 따라, HIPERCO® 27 및 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 약 8 중량%의 Co를 갖는 하나의 시리즈의 합금에 대한 Bs, Hc 및 ρ를 묘사하는 그래프이고;
도 1c는 본 발명의 구현예에 따라, HIPERCO® 27 및 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 약 5 중량%의 Co를 갖는 하나의 시리즈의 합금에 대한 Bs, Hc 및 ρ를 묘사하는 그래프이고;
도 2a는 본 발명의 구현예에 따라, 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 약 10 중량%의 Co, 약 8 중량%의 Co 및 약 5 중량%의 Co를 갖는 3개의 시리즈의 합금에 대한 0.2% 항복 강도(yield strength)를 묘사하는 그래프이고;
도 2b는 본 발명의 구현예에 따라, 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 약 10 중량%의 Co, 약 8 중량%의 Co 및 약 5 중량%의 Co를 갖는 3개의 시리즈의 합금에 대한 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 묘사하는 그래프이고;
도 2c는 본 발명의 구현예에 따라, 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 약 10 중량%의 Co, 약 8 중량%의 Co 및 약 5 중량%의 Co를 갖는 3개의 시리즈의 합금에 대한 연신율을 묘사하는 그래프이고;
도 3a는 본 발명의 구현예에 따른 4개의 합금의 x-선 회절 스펙트럼을 묘사하는 그래프이고;
도 3b는 본 발명의 구현예에 따른 제1 합금의 광학 현미경 사진이고;
도 3c는 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 합금의 광학 현미경 사진이고;
도 4는 본 발명의 구현예에 따라, HIPERCO® 27 및 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플과 비교하여, 3개의 합금에 대한 코어 손실을 묘사하는 그래프이다.
본 발명의 구현예는 높은 자기 포화 유도, 높은 비저항, 낮은 보자력 뿐만 아니라, 연성 및 인성을 포함하는 상대적으로 우수한 기계적 특성을 갖는, 코발트 및 망간을 포함하는 자성 철 합금을 제공한다. 상기 합금은, 모터, 발전기, 로터, 고정자(stator), 자극편(pole piece), 계전기(relay), 자기 베어링 등과 같은, 우수한 기계적 인성, 우수한 연성, 높은 포화 유도 및 높은 전기 비저항의 조합을 필요로 하는 해양 및 토양 적용에서 사용될 수 있다. 더 높은 전기 비저항은 와전류 손실(eddy-current loss)을 감소시키므로, 합금의 높은 전기 비저항은 합금을 교류 적용에서 한층 더 사용할 수 있게 해줄 것이다. 구현예는 합금 뿐만 아니라 합금을 생산하는 공정을 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "합금"은 둘 이상의 금속의 균질한 혼합물 또는 고용체(solid solution)를 가리키며, 이는 하나의 금속의 원자들이 다른 금속의 원자 사이의 침입형(interstitial) 및/또는 치환형(substitutional) 위치를 대체하거나 차지한다. 용어 합금은 단일 고상 마이크로구조를 제공할 수 있는 완전 고용체(complete solid solution) 합금 및 둘 이상의 상을 제공할 수 있는 부분 용체(partial solution) 모두를 가리킬 수 있다.
본 명세서에서 그리고 청구항에서 사용된 바와 같이, 용어 "포함하는," 및 "갖는"은 포괄적이거나 개방적이며, 부가적인 언급되지 요소, 구성 성분, 또는 단계를 배제하지 않는다. 따라서, 용어 "포함하는," 및 "갖는"은 보다 제한적인 용어 "본질적으로 이루어지는" 및 "이루어지는"을 포함한다. 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 제공된 모든 값은 주어진 끝점(endpoint) 이하를 포함하고, 조성물의 구성요소 또는 구성성분의 값은 조성물 내의 각 성분의 중량 백분율 또는 중량%로 표현된다.
코발트, 망간 및 실리콘을 포함하는 자성 철 합금
본 발명의 구현예는 코발트, 실리콘 및 망간을 갖는 자성 철 합금을 포함한다. 예를 들면, 자성 철 합금은 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 코발트(Co), 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 망간(Mn) 및 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. Co는 합금의 자기 포화 유도를 개선하지만, 소정의 기계적 특성을 감소시키고 상대적으로 고가이다. Mn 및 Si는 상대적으로 저가의 원소이며, 비용을 절감하기 위해 합금을 가공할 때 생기는 스크랩을 많은 등급을 위한 재활용 물질로서 사용할 수 있다. 본 발명의 구현예에 따른 합금은 HIPERCO® 50 및 HIPERCO® 27과 같은 공지된 합금보다 훨씬 적은 Co를 함유하는 한편, 적합한 자기적, 전기적 및 기계적 특성은 여전히 유지한다.
자성 철 합금은 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 8 중량%의 Co, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%의 Co, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 Co, 약 5 중량% 내지 약 8 중량%의 Co, 또는 약 8 중량% 내지 약 10 중량%의 Co를 포함할 수 있다. 자성 철 합금은 더 바람직하게는 약 5 중량%의 Co, 약 8 중량%의 Co, 또는 약 10 중량%의 Co를 포함할 수 있다.
자성 철 합금은 바람직하게는 약 0.05 중량% 내지 약 2.70 중량%의 Mn, 약 0.05 중량% 내지 약 2.20 중량%의 Mn, 약 0.05 중량% 내지 약 1 중량%의 Mn, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 Mn, 약 1 중량% 내지 약 2.70 중량%의 Mn, 약 1 중량% 내지 약 2.20 중량%의 Mn, 약 2.20 중량% 내지 약 5 중량%의 Mn, 약 2.20 중량% 내지 약 2.70 중량%의 Mn, 또는 약 2.70 중량% 내지 약 5 중량%의 Mn을 포함할 수 있다. 자성 철 합금은 더욱 바람직하게는 약 1.0 중량%의 Mn, 약 2.2 중량%의 Mn, 또는 약 2.7 중량%의 Mn을 포함할 수 있다.
자성 철 합금은 바람직하게는 약 0.05 중량% 내지 약 2.3 중량%의 Si, 약 0.05 중량% 내지 약 1.3 중량%의 Si, 약 1.3 중량% 내지 약 5 중량%의 Si, 약 1.3 중량% 내지 약 2.3 중량%의 Si, 또는 약 2.3 중량% 내지 약 5 중량%의 Si를 포함할 수 있다. 자성 철 합금은 더욱 바람직하게는 약 1.3 중량%의 Si 또는 약 2.3 중량%의 Si를 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 바람직한 자성 철 합금은 약 10 중량%의 Co, 약 2.7 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함한다. 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 바람직한 자성 철 합금은 약 8 중량%의 Co, 약 2.2 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함한다. 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 바람직한 자성 철 합금은 약 5 중량%의 Co, 약 2.2 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함한다. 본 발명의 구현예에 따른 또 다른 바람직한 자성 철 합금은 약 5 중량%의 Co, 약 1.0 중량%의 Mn 및 약 2.3 중량%의 Si를 포함한다.
자성 철 합금은 크롬, 바나듐, 니켈, 니오븀 및 탄소와 같은 다른 적합한 합금 원소의 양을 포함할 수 있다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 자성 철 합금은 최대 약 3 중량%의 크롬, 최대 약 2 중량%의 바나듐, 최대 약 1 중량%의 니켈, 최대 약 0.05 중량%의 니오븀 및 최대 약 0.02 중량%의 탄소를 포함할 수 있다. 상기 기재된 각각의 구현예에서, 합금의 나머지(balance)(즉, Co, Mn, Si, 또는 다른 적합한 합금 원소로 구성되지 않은 합금의 백분율)는 철(Fe)이다. 상기 합금은 또한 합금의 자기적, 전기적 및 기계적 특성에 영향을 미치지 않는 다른 최소한의 불순물을 포함할 수 있다.
전술한 합금 원소를 포함하는 자성 철 합금은 단일 알파(α), 페라이트 체심입방 상 합금을 제공할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 자성 철 합금은 주로 또는 실질적으로 α-상(예컨대, > 95%)이다. 바람직하게는, 자성 철 합금은 대부분 α 상(예컨대, > 99%)을 포함하고, 2차 상은 거의 또는 전혀 존재하지 않는다. α-상 합금은 최소 코어 손실 및 상대적으로 높은 연성의 이점을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 구현예에 따른 자성 철 합금은 우수한 전기 비저항 및 자기적 특성을 제공하도록 설계된다.
본 발명의 구현예에 따른 자성 철 합금은 바람직하게는 적어도 약 20 킬로가우스(kG)의 높은 자기 포화 유도(Bs), 또는 유속 밀도; 약 2 에르스텟(Oe) 미만의 낮은 보자력(Hc) 및 적어도 40 μΩ㎝의 높은 전기 비저항(ρ)을 갖는다. 포화는 인가된 외부 자기장(H)의 증가가 물질의 자화(magnetization)를 더 증가시킬 수 없어서, 총 자속 밀도(B)가 거의 변동이 없을 때 도달되는 상태이다. 포화는 강자성 물질의 특징이다. 물질의 보자력은 샘플의 자화가 포화된 후 상기 물질의 자화를 0까지 감소시키는데 필요한 인가된 자기장의 세기이다. 따라서, 보자력은 탈자화되는 것에 대한 강자성 물질의 저항성을 측정한다. 보자력은 B-H 분석기 또는 자력계 또는 보자력계를 이용하여 측정될 수 있다. 전기 비저항은 주어진 물질이 전류의 흐름을 얼마나 강하게 방해하는지를 정량화하는 고유의 특성이다. 낮은 비저항은 전하의 이동을 쉽게 허용하는 물질을 가리킨다.
하기에 제공된 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 전술한 Co, Mn 및 Si의 농도를 갖는 합금의 집단의 경우, Bs는 Co 농도의 증가에 의해 증가하지만 Mn 및 Si 농도의 증가에 의해 감소하며; Hc는 Co 및 Mn 농도의 증가에 의해 증가하지만 Si 농도의 증가에 의해 감소하며; ρ는 Si, Co 및 Mn 중 어느 것의 농도의 증가에 의해 증가한다. 따라서, 본 발명의 구현예에 따른 자성 철 합금은 낮은 수준의 Co를 유지하여 합금의 비용을 절감하면서, 광범위한 원하는 자기적 특성으로 유리하게 조정될 수 있다.
합금을 생산하는 공정
본 발명의 구현예는 전술한 코발트, 망간 및 실리콘을 포함하는 자성 철 합금을 생산하기 위한 공정을 추가로 포함한다.
상기 합금은 종래 기술을 이용하여 제품으로 제조되고, 가공되고, 형성될 수 있다. 예를 들면, 합금 원소는 전기로(electric arc furnace) 및 진공 유도 용해(VIM), 진공 아크 재용해(VAR), 일렉트로슬래그 재용해(ESR) 등과 같은 진공 용해 기술을 이용하여, 공기 또는 적합한 분위기에서 용해될 수 있다. 필요한 경우, 예를 들면, ESR 또는 VAR에 의해, 합금을 정제함으로써 더 높은 순도 또는 더 우수한 결정 구조가 수득될 수 있다.
상기 합금은 잉곳 형태로 주조될 수 있고, 이는 이후에 빌렛(billet), 바(bar), 슬라브(slab) 등으로 열간 가공된다. 노내 온도(furnace temperature)는, 예를 들면 약 1,000℉(538℃) 내지 약 2,150℉(1,177℃) 범위일 수 있다. 상기 형태는 디스크, 저널 및 자기 베어링용 샤프트와 같은, 유용한 부분 및 부품으로 기계가공될 수 있다. 대안적으로, 상기 합금은 원하는 두께의 와이어, 막대, 또는 스트립으로 추가로 열간 압연될 수 있다. 상기 와이어, 막대, 또는 스트립은 또한 더 작은 단면적 치수로 냉간 가공될 수 있고, 이로부터 그것은 완성된 부분으로 기계가공될 수 있다. 상기 합금은 또한 분말 야금 기술을 이용하여 만들어질 수 있다.
합금의 성질을 계속해서 미세 조정하기 위해, 상기 공정은 포화 유도, 전기 비저항 및 기계적 수치를 최적화하기 위해 열 처리를 추가로 포함할 수 있다. 합금은 단일 단계 또는 다중 단계 열 처리 사이클에서 열 처리될 수 있다. 단일 단계 열 처리에서, 합금은 제1 온도로 가열된 다음, 주어진 속도로 원하는 온도로 냉각될 수 있다. 다중 단계 열 처리 사이클에서, 합금은 제1 온도로 가열되고, 주어진 온도로 냉각되고, 제2 온도로 가열되고, 주어진 온도로 냉각될 수 있다. 어느 가열 또는 냉각 단계에서, 온도가 주어진 지속시간 동안 유지될 수 있다. 이러한 다중 단계 열 처리는 적용에 필요한 원하는 결과 및 특성(예컨대, 자기적, 전기적 및 기계적)을 달성하기 위해 필요한 만큼 여러 번 반복될 수 있다.
열 처리 온도, 조건 및 지속시간은 합금에 대해 요구되는 적용 및 특성에 좌우될 수 있다. 예를 들면, 합금 또는 부분은 건조 수소 또는 진공에서 약 1,300℉(704℃) 내지 약 1,652℉(900℃)의 온도에서 약 2시간 내지 약 4시간 동안 어닐링될 수 있다. 그리고 나서, 상기 합금은 약 572℉(300℃) 내지 약 600℉(316℃)의 온도에 도달할 때까지 시간당 약 144℉(62℃) 내지 약 540℉(282℃)로 냉각된 다음, 임의의 적합한 속도로 냉각될 수 있다. 온도가 증가함에 따라, 자기적 성질은 개선되는 반면 항복 강도 및 인장 강도는 감소한다. 연자성 특징은 오스테나이트 상(austenitic phase)의 형성으로 인해 하락하기 시작할 수 있기 때문에, 상기 온도는 약 1,652℉(900℃)를 초과하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 자기적 특성은 또한 합금의 표면 상에 얇은 옥사이드 층을 생성함으로써 개선될 수 있다. 표면 옥사이드 층은, 예를 들면, 약 600℉(316℃) 내지 약 900℉(482℃)의 범위의 온도에서 약 30 내지 약 60분의 시간 동안, 산소-함유 분위기에서 가열함으로써 달성될 수 있다.
실시예
하기 실시예는 발명의 전반적인 특성을 보다 명확하게 나타내기 위해 포함된다. 이러한 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 제한하는 것이 아니다.
VIM 로(furnace)에서 주조하여 35 lb.(16 kg) 잉곳을 형성하여 다양한 수준의 Co, Mn 및 Si를 포함하는 많은 샘플을 제조하였고, 이후 이를 2인치(5 ㎝) 정사각형 바(bar)로 열간 단조하였다. 각 샘플의 화학 조성이 표 1에 제시되어 있다. 표 1에서의 각각의 값은 중량 퍼센트이다. 각각의 샘플의 경우, 합금의 나머지는 실질적으로 Fe이다. 샘플을 다양한 Co 농도의 3개의 시리즈로 분류하였다: 약 10 중량%의 Co를 갖는 제1 시리즈(샘플 1-3), 약 8 중량%의 Co를 갖는 제2 시리즈(샘플 4-8) 및 약 5 중량%의 Co를 갖는 제3 시리즈(샘플 9-13). 샘플 14를 대조군으로서 실질적으로 코발트를 포함하지 않도록 제조하였고, 이는 Carpenter로부터의 Silicon Core Iron에 거의 상응한다.
샘플 Co Mn Si Cr C P S Ni Mo
1 10.00 2.71 0.25 0.09 <0.001 <0.005 0.0012 <0.01 <0.01
2 10.00 2.73 0.75 0.09 <0.001 <0.005 0.0013 <0.01 <0.01
3 9.98 2.73 1.23 0.09 <0.001 <0.005 0.0011 <0.01 <0.01
4 8.00 2.70 0.26 0.29 <0.001 <0.005 0.0012 <0.01 <0.01
5 8.00 2.21 0.26 0.29 <0.001 <0.005 0.0012 <0.01 <0.01
6 7.97 2.22 0.74 0.29 <0.002 <0.005 0.0012 <0.01 <0.01
7 7.99 2.22 1.25 0.29 <0.001 <0.005 0.0011 <0.01 <0.01
8 7.97 1.70 0.26 0.29 <0.001 <0.005 0.0010 <0.01 <0.01
9 5.05 2.66 0.21 0.28 0.011 <0.005 0.0015 <0.01 <0.01
10 5.00 2.21 0.26 0.29 <0.001 <0.005 0.0013 <0.01 <0.01
11 4.98 2.22 0.75 0.29 <0.001 <0.005 0.0012 <0.01 <0.01
12 4.97 2.21 1.32 0.29 <0.001 <0.005 0.0013 <0.01 <0.01
13 4.99 1.03 2.31 0.29 <0.001 <0.005 0.0010 <0.01 <0.01
14 0.02 0.22 2.48 <0.01 0.002 <0.005 0.0007 <0.01 <0.01
그 후, 각각의 2인치(5 ㎝) 정사각형 바를 2개의 상이한 가공 루트에 의해 가공하였다. 첫 번째로, 각각의 2인치(5 ㎝) 정사각형 바의 일부를 열간 단조시켜 0.75 인치(1.9 ㎝) 정사각형 바를 생산한 후, 어닐링하여 자기적 특성을 향상시켰다. 각각의 바를 2,156℉(1,180℃)에서 건조 수소(H2) 중에서 어닐링하고, 시간당 200℉(93℃)의 속도로 1,290℉(699℃)로 냉각하고, 1,290℉(699℃)에서 24시간 동안 유지시켰다. 그리고 나서, 각각의 바를 보자력(Hc), 250 Oe(B250)에서의 자기 유도, 자기 유도 포화(Bs), 전기 비저항(ρ), 경도(Rockwell B)(RB), 항복 강도(YS), 최종 인장 강도(UTS), 연신율(EI) 및 면적 감소(RA)에 대해 특성을 규명하였다. 상기 결과가 하기 표 2에 나타나 있다.
샘플 H c
( Oe ) 		B 250
( kG ) 		B s
( kG ) 		ρ
( μΩ㎝ ) 		R B YS
( ksi ) 		UTS
( ksi ) 		El
(%) 		RA
(%)
1 1.43
(±0.09)		 20.7
(±0.1)		 21.3
(±0.1)		 34.8
(±0.1)		 67
(±1)		 33.7
(±0.1)		 58.2
(±1.5)		 44
(±1)		 83
(±3)
2 1.30
(±0.02)		 20.5
(±0.1)		 21.1
(±0.1)		 40.9
(±0.7)		 74
(±1.5)		 40.9
(±0.2)		 65.2
(±0.2)		 42
(±1)		 81
(±4)
3 1.36
(±0.02)		 20.3
(±0.1)		 20.9
(±0.1)		 45.3
(±0.6)		 82
(±1.5)		 48.9
(±0.2)		 69.7
(±0.1)		 40
(±1)		 76
(±3)
4 1.27
(±0.05)		 20.7
(±0.2)		 21.2
(±0.3)		 32.2
(±1.4)		 64
(±1)		 30.2
(±0.1)		 53.2
(±0.3)		 47
(±1)		 84
(±3)
5 0.97
(±0.05)		 20.5
(±0.1)		 21.1
(±0.1)		 29.9
(±0.6)		 60
(±1)		 26.2
(±0.1)		 52.5
(±0.2)		 49
(±4)		 85
(±4)
6 0.90
(±0.02)		 20.3
(±0.2)		 20.8
(±0.3)		 38.8
(±0.6)		 69
(±1)		 35.2
(±0.1)		 60.3
(±0.1)		 45
(±1)		 85
(±1)
7 1.00
(±0.01)		 20.6
(±0.3)		 21.1
(±0.3)		 43
(±0.5)		 76
(±3)		 44.6
(±0.2)		 67.5
(±0.1)		 43
(±1)		 81
(±1)
8 0.79
(±0.05)		 20.7
(±0.2)		 21.3
(±0.2)		 28.7
(±0.6)		 55
(±1)		 22.6
(±0.1)		 49.2
(±0.1)		 51
(±1)		 83
(±2)
9 1.12
(±0.05)		 19.8
(±0.2)		 20.4
(±0.2)		 29.4
(±0.5)		 57
(±2)		 23.0
(±0.1)		 52.1
(±0.4)		 48
(±1)		 84
(±2)
10 0.84
(±0.02)		 20.2
(±0.1)		 20.8
(±0.1)		 28.5
(±1.1)		 51
(±1)		 25.3
(±0.9)		 50.8
(±0.1)		 48
(±2)		 86
(±3)
11 0.84
(±0.02)		 20.0
(±0.1)		 20.6
(±0.1)		 38.4
(±0.5)		 63
(±1)		 33.4
(±0.7)		 56.2
(±0.1)		 46
(±1)		 83
(±6)
12 0.73
(±0.03)		 19.8
(±0.1)		 20.3
(±0.1)		 42.2
(±0.5)		 72
(±1)		 39.8
(±0.9)		 63.8
(±0.1)		 44
(±1)		 84
(±1)
13 0.35
(±0.01)		 19.8
(±0.1)		 20.4
(±0.1)		 48.1
(±1.1)		 81
(±2)		 44.9
(±0.1)		 68.2
(±0.5)		 32
(±3)		 51
(±7)
14 0.42
(±0.02)		 19.8
(±0.1)		 20.3
(±0.1)		 39.2
(±0.7)		 78
(±2)		 37.6
(±0.1)		 53.9
(±0.1)		 34
(±3)		 68
(±2)
도 1a 내지 도 1c는 샘플의 각 시리즈에 대한 Hc, Bs 및 ρ를 묘사하는 그래프이다. 도 1a는 약 10 중량%의 Co를 갖는 제1 시리즈(샘플 1-3)를 묘사하고, 도 1b는 약 8 중량%의 Co를 갖는 제2 시리즈(샘플 4-8)를 묘사하며, 도 1c는 약 5 중량%의 Co를 갖는 제3 시리즈(샘플 9-13)를 묘사한다. 각각의 도면에서, 각 기포의 크기는 그의 보자력에 비례하고, 각각의 샘플은 또한 2개의 합금, Carpenter로부터의 HIPERCO® 27 및 또한 Carpenter로부터의 Silicon Core Iron에 거의 상응하는 대조군 샘플 14와 비교된다. HIPERCO® 27은 약 20.0 kG의 Bs 및 약 1.7 내지 약 3.0 Oe의 Hc를 갖지만 단지 19 μΩ㎝의 ρ를 가지며, 이는 20 kG를 초과하는 Bs, 40 μΩ㎝를 초과하는 ρ 및 2 Oe 미만의 Hc의 요구된 특성을 충족시키지 못한다. 대조적으로, 대조군 샘플 14는 40 μΩ㎝의 ρ 및 0.7 Oe의 Hc를 갖지만, 단지 19.8 kG의 Bs를 가지며, 이는 또한 원하는 특성을 충족시키지 못한다.
도 1a는 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14와 비교하여 약 10 중량%의 Co를 갖는 3개의 샘플(샘플 1-3)을 묘사한다. 3개의 샘플 각각은 Hiperco® 27 및 대조군 샘플 14 사이이고 20 kG의 원하는 Bs를 초과하는 Bs를 가지고 있었다. 3개의 샘플 각각은 또한 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14 사이의 Hc를 가지고 있었고, 2.0 Oe 미만의 원하는 Hc를 충족시켰다. 그러나, 샘플 3(Co = 9.98 중량%, Mn = 2.73 중량% 및 Si = 1.23 중량%)만이 40 μΩ㎝를 초과하는 원하는 ρ를 가지고 있었다. 이 시리즈에서의 합금 중에서, Si 함량의 증가(다른 원소들의 조성은 일정하게 유지됨)는 ρ를 증가시키고, Hc를 감소시키며, Bs를 감소시킨다.
도 1b는 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14와 비교하여 약 8 중량%의 Co를 갖는 5개의 샘플(샘플 4-8)을 묘사한다. 3개의 샘플 각각은 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14 사이이고 20 kG의 원하는 Bs를 초과하는 Bs를 가지고 있었다. 3개의 샘플 각각은 또한 IPERCO® 27 및 대조군 샘플 14 사이의 Hc를 가지고 있었고, 2.0 Oe 미만의 원하는 Hc를 충족시켰다. 그러나, 샘플 7(Co = 7.99 중량%, Mn = 2.22 중량% 및 Si = 1.25 중량%)만이 40 μΩ㎝를 초과하는 원하는 ρ를 가지고 있었다. 이들 합금을 합금의 제1 시리즈와 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, Mn 함량의 감소(다른 원소들의 조성은 일정하게 유지됨)는 ρ 및 Hc를 감소시키지만 Bs에 대해 미미한 효과만을 갖는다.
도 1c는 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14와 비교하여 약 5 중량%의 Co를 갖는 5개의 샘플(샘플 9-13)을 묘사한다. 3개의 샘플 각각은 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14 사이이고 20 kG의 원하는 Bs를 초과하는 Bs를 가지고 있었다. 3개의 샘플 각각은 또한 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14 사이의 Hc를 가지고 있었고, 2.0 Oe 미만의 원하는 Hc를 충족시켰다. 그러나, 샘플 12(Co = 4.97 중량%, Mn = 2.21 중량% 및 Si = 1.32 중량%) 및 샘플 13(Co = 4.99 중량%, Mn = 1.03 중량% 및 Si = 2.31 중량%)만이 40 μΩ㎝를 초과하는 원하는 ρ를 가지고 있었다
샘플 내의 Co, Mn 및 Si의 농도와 이들이 Bs, Hc 및 ρ에 대해 미치는 효과 사이의 관련성을 결정하기 위하여 회귀 분석을 수행하였다. 상기 관계는 하기 식에 의해 표현되며, 상기 식에서 XCo는 Co 농도이고, XMn은 Mn 농도이며, XSi는 Si 농도이다:
Bs = 20.7 + 0.153×XCo - 0.322×XMn - 0.318×XSi (R2 = 0.86; p = 0.00) (식 1);
Hc = -0.209 + 0.062×XCo + 0.317×XMn - 0.096×XSi (R2 = 0.86; p = 0.00) (식 2); 및
ρ = 13.4 + 0.557×XCo + 0.451×XMn + 12.2×XMn (R2 = 0.86; p = 0.00) (식 3).
이들 식으로부터, 조사된 합금의 범위에 대하여, Co 농도의 증가가 Bs에 긍정적인 효과를 미치는 반면, Mn 농도 및 Si 농도의 증가는 부정적인 효과를 미치며, Bs에 대한 Mn 및 Si 농도의 부정적인 효과는 거의 동일하고 Si 농도의 긍정적인 효과의 거의 2배임이 결정될 수 있다. 또한, 증가하는 Co 농도는 Hc를 증가시키고, 증가하는 Mn 농도는 Hc를 증가시키며, 증가하는 Si 농도는 Hc를 감소시킨다는 것이 결정될 수 있다. 증가하는 Co 및 Si 농도가 Hc에 미치는 효과는 증가하는 Mn 농도의 효과와 비교하여 작다. 또한, Co, Mn, 또는 Si 농도 중 어느 것을 증가시키면 ρ가 증가하지만, Si 농도의 효과는 Mn 농도의 효과보다 약 2.7배 더 크며 Co 농도의 효과보다 약 22배 더 크다는 것이 결정될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 항복 강도(도 2a), 인장 강도(도 2b) 및 연신율(도 2c)을 포함하는, 대조군 샘플 14(즉, 실질적으로 Co가 없는 대조군 샘플)와 비교하여 합금의 각 시리즈(즉, 약 10 중량%의 Co, 약 8 중량%의 Co 및 약 5 중량%의 Co)의 다양한 기계적 특성을 묘사한다. 각 시리즈의 경우, 기계적 성질은 연자성 적용에 적합하다. 일반적으로, 시리즈 내에서, Si 농도의 증가는 항복 강도 및 인장 강도에 의해 측정된 바와 같이 강도의 증가를 야기하고, 연신율에 의해 측정된 바와 같이, 연성의 미미한 감소를 야기하는 반면, Mn의 증가는 강도의 미미한 증가 및 연성의 감소를 야기한다.
도 3a는 4개의 예시적인 합금, 구체적으로 샘플 3, 7, 12 및 13에 대한 x-선 회절 데이터를 묘사한다. 각 합금에 대한 x-선 회절 데이터는 이들이 단일 상 합금이며, (110), (200), (211) 및 (220) 회절 피크가 페라이트 또는 α 상(BCC)에 해당한다는 것을 보여준다. 샘플 [12] (도 3b) 및 [13] (도 3c)의 광학 현미경 사진은 단일 상의 존재를 확인시켜준다.
두 번째 가공 경로에서, 각각의 2인치(5 ㎝) 정사각형 바의 일부를 2,200℉(1,204℃)로 가열하고 0.25인치(0.64 ㎝)의 두께를 갖는 스트립으로 열간 압연하였다. 그리고 나서, 상기 스트립을 샌드블래스트하여 스케일(scale)을 제거하고, 0.080인치(0.2 ㎝)의 두께로 냉간 압연하고, 건조 H2 중에서 2시간 동안 1,300℉(704℃)에서 어닐링하고, 약 0.045인치(0.11 ㎝)의 두께로 다시 냉간 압연하였다. 그리고 나서, 상기 스트립으로부터 링을 찍어내고, 이를 2,156℉(1,180℃)에서 건조 수소(H2) 중에서 어닐링하고, 시간당 200℉(93℃)의 속도로 1,290℉(699℃)로 냉각하고, 1,290℉(699℃)에서 24시간 동안 유지시켰다. 그리고 나서, 각각의 링을 보자력(Hc), 200 Oe에서의 자기 유도(B200) 및 코어 손실(Pc)(60 Hz 및 15kG에서 측정됨)에 대하여 특성을 규명하였다. 상기 결과가 하기 표 3에 나타나 있다.
샘플 H c ( Oe ) B 200 ( kG ) P c (W/lb)
1 1.25 (±0.01) 20.5 (±0.4) 4.02 (±0.01)
2 1.22 (±0.01) 19.6 (±0.7) 4.36 (±0.01)
3 1.16 (±0.01) 19.7 (±0.1) 3.99 (±0.01)
4 1.15 (±0.01) 20.8 (±0.2) 4.22 (±0.01)
5 0.91 (±0.01) 19.1 (±0.1) 4.94 (±0.02)
6 0.98 (±0.01) 20.7 (±0.1) 4.81 (±0.01)
7 0.80 (±0.01) 20.7 (±0.1) 4.62 (±0.01)
8 0.79 (±0.01) 20.6 (±0.1) 5.30 (±0.01)
9 0.99 (±0.01) 19.8 (±0.1) 6.03 (±0.01)
10 0.74 (±0.01) 20.6 (±0.1) 4.37 (±0.01)
11 0.74 (±0.01) 19.9 (±0.1) 4.31 (±0.01)
12 0.60 (±0.01) 20.2 (±0.1) 4.18 (±0.01)
13 0.26 (±0.01) 19.8 (±0.3) 4.55 (±0.01)
14 0.39 (±0.01) 19.9 (±1.0) 3.75 (±0.01)
도 4는 HIPERCO® 27 및 대조군 샘플 14의 스트립과 비교하여 스트립으로 가공되기 전에 원하는 특성(20 kG를 초과하는 Bs, 40 μΩ㎝를 초과하는 ρ 및 2 Oe 미만의 Hc)을 만족하는 3개의 샘플(샘플 3, 7 및 12)의 Pc를 묘사한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 샘플 3, 7, 12 각각은 코발트가 없는 대조군 샘플 14와 유사하지만, HIPERCO® 27의 Pc 값보다는 낮은 Pc 값을 갖는다.
본 발명이 어떤 특정한 구현예 및 실시예를 참고하여 앞서 설명되고 기재되었지만, 그럼에도 불구하고, 본 발명은 제시된 세부사항에 제한되는 것이 아니다. 오히려, 청구항의 등가물의 범주 및 범위 내에서 그리고 본 발명의 진의를 벗어나지 않으면서 세부 사항이 다양하게 변형될 수 있다. 본 명세서에서 광범위하게 언급된 모든 범위는 이들의 범위 한도 내에서 더 넓은 범위에 속하는 더 좁은 모든 범위를 포함한다는 것이 명백히 의도된다. 또한, 상기 개시된 다양한 장치를 이용하는 방법의 단계들은 어떤 특정한 순서에 제한되지 않는다는 것이 명백히 의도된다.

Claims (20)

  1. 철(Fe);
    약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 코발트(Co);
    약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 망간(Mn); 및
    약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 실리콘(Si)을 포함하는 자성 철 합금.
  2. 청구항 1에 있어서,
    최대 약 3 중량%의 크롬;
    최대 약 2 중량%의 바나듐;
    최대 약 1 중량%의 니켈;
    최대 약 0.05 중량%의 니오븀; 및
    최대 약 0.02 중량%의 탄소 중 하나 이상을 추가로 포함하는 자성 철 합금.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 40 μΩ㎝의 전기 비저항(ρ)을 갖는 자성 철 합금.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 20 kG의 포화 유도(Bs)를 갖는 자성 철 합금.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 2 Oe 미만의 보자력(Hc)을 갖는 자성 철 합금.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 40 μΩ㎝의 ρ, 적어도 약 20 kG의 Bs 및 약 2 Oe 미만의 Hc를 갖는 자성 철 합금.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 주로 단일 알파(α) 상을 포함하는 자성 철 합금.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 95%의 알파 상을 포함하는 자성 철 합금.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 99%의 알파 상을 포함하는 자성 철 합금.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 2 중량% 내지 약 8 중량%의 Co를 포함하는 자성 철 합금.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 2 중량% 내지 약 5 중량%의 Co를 포함하는 자성 철 합금.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 10 중량%의 Co, 약 2.7 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함하는 자성 철 합금.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 8 중량%의 Co, 약 2.2 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함하는 자성 철 합금.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 5 중량%의 Co, 약 2.2 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함하는 자성 철 합금.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 약 5 중량%의 Co, 약 1.0 중량%의 Mn 및 약 2.3 중량%의 Si를 포함하는 자성 철 합금.
  16. 철;
    약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 코발트;
    약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 망간; 및
    약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 실리콘을 포함하는 자성 철 합금으로서,
    상기 합금은 적어도 약 40 μΩ㎝의 ρ, 적어도 약 20 kG의 Bs 및 약 2 Oe 미만의 Hc를 갖는 자성 철 합금.
  17. 청구항 16에 있어서,
    최대 약 3 중량%의 크롬;
    최대 약 2 중량%의 바나듐;
    최대 약 1 중량%의 니켈;
    최대 약 0.05 중량%의 니오븀; 및
    최대 약 0.02 중량%의 탄소 중 하나 이상을 추가로 포함하는 자성 철 합금.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 95%의 알파 상을 포함하는 자성 철 합금.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 합금은 적어도 약 99%의 알파 상을 포함하는 자성 철 합금.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 합금은 하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 자성 철 합금:
    약 10 중량%의 Co, 약 2.7 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함하는 합금;
    약 8 중량%의 Co, 약 2.2 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함하는 합금;
    약 5 중량%의 Co, 약 2.2 중량%의 Mn 및 약 1.3 중량%의 Si를 포함하는 합금; 및
    약 5 중량%의 Co, 약 1.0 중량%의 Mn 및 약 2.3 중량%의 Si를 포함하는 합금.
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