KR20170024054A - 자심, 자심의 제조 방법 및 코일 부품 - Google Patents

자심, 자심의 제조 방법 및 코일 부품 Download PDF

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Abstract

제조성이 우수하고 고투자율을 발휘하는 자심 및 그 제조 방법과 상기 자심을 이용하는 코일 부품을 제공한다. 본 발명의 자심은 Fe계 연자성 합금 분말과, 상기 Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 개재하는 산화물상을 구비하고, 상기 Fe계 연자성 합금 분말은 Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함한다. 상기 Fe계 연자성 합금 분말보다 상기 산화물상에 Al이 농화되어 있다. 자심의 밀도는 5.4×103kg/㎥ 이상인 것이 바람직하다.

Description

자심, 자심의 제조 방법 및 코일 부품{Magnetic core, method for producing magnetic core, and coil component}
본 발명은 자심, 자심의 제조 방법 및 코일 부품에 관한 것이다.
종래 가전 기기, 산업 기기, 차량 등 다종다양한 용도에서 인덕터, 트랜스, 초크 등의 코일 부품이 이용되고 있다. 코일 부품은 자심(자성 코어)과, 그 자심의 주위에 감겨진 코일로 구성된다. 상기 자심으로는 자기 특성, 형상 자유도, 가격이 우수한 페라이트가 널리 이용되고 있다.
최근에 전자 기기 등의 전원 장치의 소형화가 진행된 결과, 소형·저배(低背)이고 대전류에 대해서도 사용 가능한 코일 부품의 요구가 강해지고, 페라이트와 비교하여 포화 자속 밀도가 높은 금속계 자성 분말을 사용한 자심의 채용이 진행되고 있다. 금속계 자성 분말로서는, 예를 들어 Fe-Si계, Fe-Ni계 등의 자성 합금 분말이 이용되고 있다. 이러한 자성 합금 분말의 성형체를 압밀화하여 얻어지는 자심은 포화 자속 밀도가 높은 반면, 합금 분말이기 때문에 전기 저항률이 낮아 미리 절연 피복한 자성 합금 분말을 이용하고 있다. 이에 반해, 철, 규소 및 철보다 산화되기 쉬운 원소(예를 들어, 크롬이나 알루미늄)를 함유하는 연자성 합금 입자의 표면에, 이러한 입자의 산화에 의해 얻어지는 산화층을 형성함으로써 자심에 절연성을 부여하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
또한, Fe-Si-Al계 합금 입자를 이용한 자심은 철손(鐵損)을 저감할 수 있는 것이 알려져 있다. 이 Fe-Si-Al계 합금 입자는 딱딱하여 변형성(성형성)이 부족하기 때문에, 이러한 입자에 의해 얻어지는 자심에서는 입자 간의 공극이 많아져 투자율이 낮아지는 경향이 있다. 그래서, Fe-Si-Al계 합금 입자와 함께 고압축성의 Fe-Ni계 합금 입자를 각각 미리 절연 피복한 상태로 이용함으로써 투자율을 높이는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본공개특허 2011-249836호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2013-98384호 공보
상기 2종류의 연자성 입자를 이용하는 기술에서는, 미리 산화 규소를 주성분으로 하는 절연 피막을 각각의 연자성 입자의 표면에 형성할 필요가 있다. 그리고, 추가로 성형용 수지를 혼합하여 조립하는 순서를 거치고 나서 성형체 형성, 성형용 수지를 기화시키는 제1 열처리 공정과, 산화상의 생성을 억제하기 위해 비산화성 분위기에서의 제2 열처리 공정을 행할 필요가 있다. 이와 같이 종래 2종류의 연자성 입자를 이용한 자심을 얻으려면 번잡한 공정이 필요하였다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 제조성이 우수하고 고투자율을 발휘할 수 있는 자심 및 그 제조 방법과 상기 자심을 이용하는 코일 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 자심은, Fe계 연자성 합금 분말과,
상기 Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 개재하는 산화물상(相)을 구비하고,
상기 Fe계 연자성 합금 분말은, Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함한다.
상기 자심은, Fe계 연자성 합금 분말로서 Fe-Si-Al계 합금 분말과, 이 Fe-Si-Al계 합금 분말보다 성형성이 양호한 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 포함하고 있으므로, 가압 성형시에 Fe-Al-Cr계 합금 분말이 소성 변형을 일으켜 Fe-Si-Al계 합금 분말 간의 공극을 채울 수 있어 밀도를 높일 수 있다. 이에 의해, 얻어지는 자심에서는 비자성인 공극이 저감되어 투자율을 향상시킬 수 있다.
상기 Fe계 연자성 합금 분말보다 상기 산화물상에 Al이 농화(濃化)되어 있는 것이 바람직하다. 어떤 Fe계 연자성 합금 분말에도 Al을 포함하고 있으므로, Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에는 Al을 많이 포함하는 산화물상을 개재시킬 수 있다. 이에 의해, 양호한 절연성을 발휘할 수 있다. 또한, 상기 산화물상에 의해 Fe계 연자성 합금 분말끼리를 결합할 수도 있다.
상기 자심의 밀도는 5.4×103kg/㎥ 이상인 것이 바람직하다. 이러한 범위까지 밀도를 높임으로써, 자심의 강도 및 투자율을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 자심은, 상기 Fe계 연자성 합금 분말의 평균 입경(d50)이 20μm 이하인 것이 바람직하다. Fe계 연자성 합금 분말의 평균 입경을 상기 범위로 함으로써, 자심의 고주파에서의 와전류 손실을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 자심의 제조 방법으로서,
Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함하는 혼합 분말을 성형하여 성형체를 얻는 공정과,
상기 성형체를 열처리하여 상기 산화물상을 형성하는 공정을 포함하는 자심의 제조 방법에 관한 것이다.
이러한 제조 방법에서는, Fe-Si-Al계 합금 분말과 이보다 성형성이 양호한 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 포함하는 혼합 분말을 성형하므로, 합금 분말 간의 공극이 채워져 고밀도화를 도모할 수 있다. 또한, 열처리에 의해 Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 Al을 포함하는 산화물상을 형성할 수 있고, 자심의 절연성을 높일 수 있다.
본 발명에는 상기 자심과, 상기 자심에 마련된 코일을 구비하는 코일 부품도 포함된다.
상기 자심에 의하면, 코일 부품의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고투자율의 코일 부품을 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시형태에 관한 자심을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시형태에 관한 자심을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 관한 코일 부품을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 관한 코일 부품을 모식적으로 나타내는 저면도이다.
도 2c는 도 2a에서의 A-A'선 일부 단면도이다.
도 3은 실시예에서 제작한 토로이달 형상의 자심을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 실시예에서의 자심의 밀도와 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량의 상관성을 나타내는 설명도이다.
도 5는 실시예에서의 자심의 압환 강도(radial crushing strength)와 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량의 상관성을 나타내는 설명도이다.
도 6은 실시예에서의 자심의 초기 투자율과 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량의 상관성을 나타내는 설명도이다.
도 7은 실시예에서의 자심의 코어 로스와 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량의 상관성을 나타내는 설명도이다.
도 8은 실시예에서의 자심의 와전류 손실 및 히스테리시스 손실과 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량의 상관성을 나타내는 설명도이다.
도 9는 실시예에서의 자심의 비저항과 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량의 상관성을 나타내는 설명도이다.
도 10a는 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 10b는 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 10c는 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 10d는 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 10e는 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 10f는 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 11a는 실시예의 시료 No.5의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 11b는 실시예의 시료 No.5의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 11c는 실시예의 시료 No.5의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 11d는 실시예의 시료 No.5의 자심 단면의 SEM 화상이다.
도 11e는 실시예의 시료 No.5의 자심 단면의 SEM 화상이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 관한 자심 및 그 제조 방법과 코일 부품에 대해 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 또, 도면의 일부 또는 전부에서 설명에 필요 없는 부분은 생략되고, 또한 설명을 용이하게 하기 위해 확대 또는 축소하여 도시한 부분이 있다.
《자심》
도 1a는 본 실시형태의 자심을 모식적으로 나타내는 사시도이고, 도 1b는 그 정면도이다. 자심(1)은, 코일을 감기 위한 원기둥형의 도선 감김부(5)와, 도선 감김부(5)의 양단부에 각각 대향 배치된 한 쌍의 플랜지부(3a, 3b)를 구비한다. 자심(1)의 외관은 드럼 형상을 이룬다. 도선 감김부(5)의 단면 형상은 원형에 한정하지 않고, 정사각형, 직사각형, 타원형 등의 임의의 형상을 채용할 수 있다. 또한, 플랜지부는 도선 감김부(5)의 양단부에 배치되어 있어도 되고, 한쪽 단부에만 배치되어 있어도 된다.
본 실시형태의 자심은 Fe계 연자성 합금 분말과, 상기 Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 개재하는 산화물상을 구비하고, 상기 Fe계 연자성 합금 분말은 Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함한다. 상기 Fe계 연자성 합금 분말보다 상기 산화물상에 Al이 농화되어 있다.
(Fe-Al-Cr계 합금 분말)
함유 비율이 높은 3가지 주요 원소로서 Fe, Cr 및 Al을 포함하는 Fe-Al-Cr계 합금 분말의 조성은, 자심을 구성할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. Al 및 Cr은 내식성 등을 높이는 원소이다. 또한, Al은 특히 표면 산화물의 형성에 기여한다. 이러한 관점에서, Fe-Al-Cr계 합금 분말 중 Al의 함유량은 바람직하게는 2.0질량% 이상, 보다 바람직하게는 3.0질량% 이상이다. 한편, Al이 너무 많아지면 포화 자속 밀도가 저하되기 때문에, Al의 함유량은 바람직하게는 10.0질량% 이하, 보다 바람직하게는 8.0질량% 이하, 더욱 바람직하게는 7.0질량% 이하이다. Cr은 상술한 바와 같이 내식성을 높이는 원소이다. 이러한 관점에서, Fe-Al-Cr계 합금 분말 중 Cr의 함유량은 바람직하게는 1.0질량% 이상, 보다 바람직하게는 2.5질량% 이상이다. 한편, Cr이 너무 많아지면 포화 자속 밀도가 저하되어 합금 분말이 딱딱해지기 때문에(경화되기 때문에), Cr의 함유량은 바람직하게는 9.0질량% 이하, 보다 바람직하게는 7.0질량% 이하이다.
상기 내식성 등의 관점에서, Cr과 Al을 합계한 함유량은 6.0질량% 이상이 바람직하다. 또한, 표면의 산화물층에는 Cr에 비해 Al이 현저하게 농화되기 때문에, Cr보다 Al의 함유량이 많은 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 Cr 및 Al 이외의 잔부는 주로 Fe로 구성되지만, Fe-Al-Cr계 합금 분말이 갖는 성형성 등의 이점을 발휘하는 한에서 다른 원소를 포함할 수도 있다. 단, 비자성 원소는 포화 자속 밀도 등을 저하시키기 때문에, 이러한 다른 원소의 함유량은 1.0질량% 이하인 것이 바람직하다. 또, Si를 많이 포함하면 Fe-Al-Cr계 합금 입자가 경질이 되기 때문에, 본 실시형태에서는 Fe-Al-Cr계 합금 분말의 통상적인 제조 프로세스를 거쳐 들어가는 불가피한 불순물 레벨(바람직하게는 0.5질량% 이하)로 하는 것이 좋다. Fe-Al-Cr계 합금 분말은, 불가피한 불순물을 제외하고 Fe, Cr 및 Al으로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
(Fe-Si-Al계 합금 분말)
함유 비율이 높은 3가지 주요 원소로서 Fe, Si 및 Al을 포함하는 Fe-Si-Al계 합금 분말의 조성은, 자심을 구성할 수 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. Fe-Si-Al계 합금 분말의 대표적인 예로는 Fe-9.5 Si-5.5 Al을 들 수 있다. 코어 로스가 작아 고투자율을 얻을 수 있는 Fe-Si-Al 합금 중 Si의 함유량은 5질량%~11질량% 정도가 바람직하고, Al의 함유량은 3질량%~8질량% 정도가 바람직하다. 이 조성의 Fe-Si-Al 합금 입자는 경질로서, 압축 성형시의 압력에 의해 변형되기 어렵지만, 본 실시형태에서는 성형성이 우수한 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 혼합함으로써 고밀도화하기 쉽고 고투자율의 자심을 효율적으로 성형할 수 있다.
(합금 분말의 배합 비율)
Fe-Si-Al계 합금은 고투자율의 자성체이지만, 그 딱딱함으로 인하여 이를 이용한 자심은 많은 공극을 포함하는 것이 된다. 상기 공극은 자로(磁路)에서 자기 갭으로서 기능하므로, 투자율은 공극의 다소에 따라 변화한다. 이에 반해, 본 실시형태의 자심에서는, Fe-Al-Cr계 합금 분말의 함유량이 많을수록 공극이 줄어들어 자심의 투자율이 높아지므로, Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말의 배합 비율은 목적으로 하는 특성이 얻어지는 정도까지 Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합 비율을 높이는 것이 좋다. Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말의 합계량에 대한 Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합비로서는 20질량% 이상이 바람직하고, 25질량% 이상이 보다 바람직하며, 50질량% 이상이 더욱 바람직하다. 또한, Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합 비율이 높아질수록 자심의 강도가 향상된다. Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합비의 상한은 임의로 설정할 수 있고, 99.5질량%이어도 되고 99질량%이어도 되고 95질량%이어도 된다. 한편으로 코어 로스 증가 억제의 관점에서, Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말의 합계량에 대한 Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합비로서는 90질량% 이하가 한층 더 바람직하다.
(합금 분말의 평균 입경)
Fe계 연자성 합금 분말의 평균 입경(여기서는, 누적 입도 분포에서의 메디안 지름(d50)을 이용함)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 평균 입경을 줄임으로써 자심의 강도, 고주파 특성이 개선되므로, 예를 들어 고주파 특성이 요구되는 용도에서는 20μm 이하의 평균 입경을 갖는 Fe계 연자성 합금 분말을 적합하게 이용할 수 있다. 메디안 지름(d50)은 보다 바람직하게는 18μm 이하, 더욱 바람직하게는 16μm 이하이다. 한편, 평균 입경이 작은 경우는 투자율이 낮아지기 때문에, 메디안 지름(d50)은 보다 바람직하게는 5μm 이상이다. 또한, 체 등을 이용하여 연자성 합금 분말로부터 거친 입자를 제거하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 적어도 32μm 언더의(즉, 눈크기 32μm의 체를 통과한) 연자성 합금 분말을 이용하는 것이 바람직하다.
Fe계 연자성 합금 분말의 평균 입경은, 조밀한 충전이 되도록 Fe-Si-Al계 합금 분말과 Fe-Al-Cr계 합금 분말에서 배합 비율 등에 따라 다르게 해도 된다.
(산화물상)
본 실시형태의 자심에서는, Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 산화물상이 개재되어 있고, Fe계 연자성 합금 분말의 영역보다 이 산화물상에 Al이 농화되어 있다. 성형체를 열처리 후, 주사형 전자 현미경(SEM/EDX: Scanning Electron Microscope/energy dispersive X-ray spectroscopy)을 이용하여 자심 단면의 관찰과 각 구성 원소의 분포를 조사하면, Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 형성된 산화물상에서는 Al이 농화되어 있는 것이 관찰된다. 산화물상은 주로 Al 산화물을 주체로 하여 Fe, Cr, Si를 포함하는 상으로 이루어진다. 단, 그 이외에도 Fe 산화물, Cr 산화물, Si 산화물을 주체로 하는 상이 존재해도 된다.
산화물상은, 후술하는 열처리에 의해 Fe계 연자성 합금 분말이 산화됨으로써 Fe계 연자성 합금 분말의 표면에 형성되게 된다. 이 때, Fe-Si-Al 합금 분말 및 Fe-Al-Cr계 합금 분말 중 Al이 표층에 농화되고, 상기 산화물상에서는 각각의 합금 분말 내부의 합금상보다 Al의 비율이 높아진다. 이러한 산화물이 형성됨으로써, 연자성 합금 분말의 절연성 및 내식성이 향상된다. 또한, 이러한 산화물상은 성형체를 구성한 후에 형성되기 때문에, 이 산화물상을 개재한 연자성 합금 분말끼리의 결합에도 기여하게 할 수 있다. 연자성 합금 분말끼리가 상기 산화물상을 통해 결합됨으로써 고강도의 자심을 얻을 수 있다. 원소 분포는 SEM 화상으로 관찰할 수 있다.
(자심의 성상)
본 실시형태에 관한 자심은, 성형성이 우수하고 높은 자심 강도 및 투자율을 실현함에 있어서 적합하다. 또한, 그 산화물상에 의해 절연성이 확보되고, 자심으로서 충분한 코어 로스 특성이 실현된다.
자심의 밀도는, 강도 및 투자율 향상의 관점에서 높을수록 바람직하고, 열처리를 거친 상태에서 5.4×103kg/㎥ 이상이 바람직하고, 5.5×103kg/㎥ 이상이 보다 바람직하며, 5.8×103kg/㎥ 이상이 더욱 바람직하다. 본 실시형태의 자심에서는, 비교적 경질의 Fe-Si-Al계 합금 분말에 성형성이 양호한 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 배합하였으므로, 성형체에서의 충전율을 높일 수 있어 자심의 고밀도화를 도모할 수 있다.
《자심의 제조 방법》
본 실시형태의 자심의 제조 방법은, Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함하는 혼합 분말을 성형하여 성형체를 얻는 공정(성형체 형성 공정)과, 상기 성형체를 열처리하여 상기 산화물상을 형성하는 공정(열처리 공정)을 포함한다. 사용하는 Fe계 연자성 합금 분말은 Fe-Al-Cr계 합금 분말 및 Fe-Si-Al계 합금 분말로서, 열처리 공정에 의해 Fe계 연자성 합금 분말의 입자 표면에, 질량비로 내부의 합금상보다 Al을 많이 포함하는 산화물상을 형성한다.
(성형체 형성 공정)
Cr 및 Al을 포함하는 Fe-Al-Cr계 합금 분말은 Fe-Si-Al계 합금 분말에 비해 소성 변형되기 쉽다. 따라서, Fe-Al-Cr계 합금 분말은 낮은 성형 압력에서도 높은 밀도와 강도를 구비한 자심을 얻을 수 있다. 그 때문에, 성형기의 대형화·복잡화도 회피할 수 있다. 또한, 저압으로 성형할 수 있기 때문에, 금형의 파손도 억제되고 생산성이 향상된다.
또한, 연자성 합금 분말로서 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 이용함으로써, 후술하는 바와 같이 성형 후의 열처리에 의해 연자성 합금 분말의 표면에 절연성의 산화물을 형성할 수 있다. 따라서, 성형 전에 절연성 산화물을 형성하는 공정을 생략하는 것이 가능한 데다가 절연성 피복의 형성 방법도 간이해지기 때문에, 이러한 점에서도 생산성이 향상된다.
Fe계 연자성 합금 분말의 형태는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 유동성 등의 관점에서 아토마이즈 분말로 대표되는 입상 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 가스 아토마이즈, 물 아토마이즈 등의 아토마이즈법은, 전성이나 연성이 높아 분쇄하기 어려운 합금의 분말 제작에 적합하다. 또한, 아토마이즈법은 대략 구형의 연자성 합금 분말을 얻는 데에도 적합하다.
본 실시형태에서는, 가압 성형할 때, Fe계 연자성 합금 분말의 혼합 분말의 입자끼리를 결착시키고, 성형 후의 취급에 견디는 강도를 성형체에 부여하기 위해 바인더를 첨가하는 것이 바람직하다. 바인더의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 아크릴 수지 등의 각종 유기 바인더를 이용할 수 있다. 유기 바인더는 성형 후의 열처리에 의해 열 분해된다. 그 때문에, 열처리 후에도 고화, 잔존하여 분말끼리를 결착하는 실리콘 수지 등의 무기계 바인더를 병용해도 된다. 단, 본 실시형태에 관한 자심의 제조 방법에서는, 열처리 공정으로 형성되는 산화물상이 Fe계 연자성 합금 분말의 입자끼리를 결착하는 작용을 가지기 때문에, 상기 무기계 바인더의 사용을 생략하여 공정을 간략화하는 것이 바람직하다.
바인더의 첨가량은, Fe계 연자성 합금 분말 사이에 충분히 퍼지거나 충분한 성형체 강도를 확보할 수 있는 양으로 하는 것이 좋다. 한편, 이것이 너무 많으면 밀도나 강도가 저하된다. 이러한 관점에서, 바인더의 첨가량은 예를 들어 Fe계 연자성 합금 분말 100중량부에 대해 0.5~3.0중량부로 하는 것이 바람직하다.
Fe계 연자성 합금 분말로서 Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 준비하고, 상술한 배합 비율로 양자를 혼합하여 혼합 분말로 한다. 혼합 분말에는 필요에 따라 바인더를 첨가한다. 본 공정에서의 Fe계 연자성 합금 분말과 바인더의 혼합 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 종래부터 알려져 있는 혼합 방법, 혼합기를 이용할 수 있다. 바인더가 혼합된 상태에서는, 그 결착 작용에 의해 혼합 분말은 넓은 입도 분포를 가진 응집 분말이 되어 있다. 이러한 혼합 분말을 예를 들어 진동 체 등을 이용하여 체에 통과시킴으로써, 성형에 적합한 원하는 2차 입자경의 조립 분말을 얻을 수 있다. 또한, 가압 성형시의 분말과 금형의 마찰을 저감시키기 위해 스테아린산, 스테아린산염 등의 윤활재를 첨가하는 것이 바람직하다. 윤활재의 첨가량은, Fe계 연자성 합금 분말 100중량부에 대해 0.1~2.0중량부로 하는 것이 바람직하다. 윤활제는 금형에 도포하는 것도 가능하다.
다음에, 얻어진 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 얻는다. 상기 순서로 얻어진 혼합 분말은, 바람직하게는 상술한 바와 같이 조립(造粒)되어 가압 성형 공정에 제공된다. 조립된 혼합 분말은, 성형 금형을 이용하여 토로이달 형상, 직육면체 형상 등의 소정 형상으로 가압 성형된다. 가압 성형은 실온 성형이어도 되고, 바인더가 소실되지 않을 정도로 가열하여 행하는 온간 성형이어도 된다. 가압 성형시의 성형압은 1.0GPa 이하가 바람직하다. 저압으로 성형함으로써, 금형의 파손 등을 억제하면서 고자기특성 및 고강도를 구비한 자심을 실현할 수 있다. 또, 혼합 분말의 조제 방법 및 성형 방법은 상기에 한정되는 것은 아니다.
(열처리 공정)
다음에, 상기 성형체 형성 공정을 거쳐 얻어진 성형체를 열처리하는 열처리 공정에 대해 설명한다. 성형 등으로 도입된 응력 변형을 완화하여 양호한 자기 특성을 얻기 위해, 성형체에 대해 열처리가 실시된다. 이러한 열처리에 의해, 추가로 Fe계 연자성 합금 분말의 표면에 Al이 농화된 산화물상을 형성한다. 이 산화물상은 열처리에 의해 Fe계 연자성 합금 분말과 산소를 반응시켜 성장시킨 것으로, Fe계 연자성 합금 분말의 자연 산화를 넘는 산화 반응에 의해 형성된다. 이러한 열처리는 대기 중, 산소와 비활성 가스의 혼합 기체 중 등 산소가 존재하는 분위기 중에서 행할 수 있다. 또한, 수증기와 비활성 가스의 혼합 기체 중 등 수증기가 존재하는 분위기 중에서 열처리를 행할 수도 있다. 이들 중 대기 중의 열처리가 간편하여 바람직하다.
본 공정의 열처리는, 상기 산화물상이 형성되는 온도로 행하는 것이 좋다. 이러한 열처리에 의해 강도가 뛰어난 자심을 얻을 수 있다. 나아가 본 공정의 열처리는, Fe계 연자성 합금 분말이 현저하게 소결되지 않는 온도로 행하는 것이 바람직하다. Fe계 연자성 합금 분말이 현저하게 소결되면 합금끼리의 넥킹에 의해, Al이 농화된(Al의 비율이 높은) 산화물상의 일부가 합금상에 둘러싸여 아일랜드 형상으로 고립화하게 된다. 그 때문에, 연자성 합금 분말의 모체의 합금상끼리를 갈라놓는 산화물상으로서의 기능이 저하되고, 코어 로스도 증가하게 된다. 구체적인 열처리 온도는 600~900℃의 범위가 바람직하고, 700~800℃의 범위가 보다 바람직하며, 750~800℃의 범위가 더욱 바람직하다. 상기 온도 범위에서의 유지 시간은 자심의 크기, 처리량, 특성 불균일의 허용 범위 등에 의해 적절히 설정되고, 예를 들어 0.5~3시간으로 설정된다.
(그 밖의 공정)
본 실시형태의 제조 방법에서는, 성형체 형성 공정이나 열처리 공정 이외의 공정을 추가하는 것도 가능하다. 예를 들어, 성형체 형성 공정 전에, 열처리나 졸겔법 등에 의해 Fe계 연자성 합금 분말에 절연 피막을 형성하는 예비 공정을 부가해도 된다. 단, 본 실시형태에 관한 자심의 제조 방법에서는, 열처리 공정에 의해 Fe계 연자성 합금 분말의 표면에 산화물상을 형성할 수 있기 때문에, 상기와 같은 예비 공정을 생략하여 제조 공정을 간략화하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 산화물상 자체는 소성 변형되기 어렵기 때문에, 가압 성형 후에 상술한 Al이 풍부한 산화물상을 형성하는 프로세스를 채용함으로써, 가압 성형시에 Fe-Al-Cr계 합금 분말이 갖는 높은 성형성을 유효하게 이용할 수 있다.
《코일 부품》
도 2a는 본 실시형태의 코일 부품을 모식적으로 나타내는 평면도이고, 도 2b는 그 저면도이며, 도 2c는 도 2a에서의 A-A'선 일부 단면도이다. 코일 부품(10)은 자심(1)과, 자심(1)의 도선 감김부(5)에 감겨진 코일(20)을 구비한다. 자심(1)의 플랜지부(3b)의 실장면에는 그 무게 중심을 사이에 두고 대상 위치에 있는 가장자리부에 금속 단자(50a, 50b)가 마련되어 있고, 실장면으로부터 밀려나오는 금속 단자(50a, 50b)의 한쪽 자유단부는 각각 자심(1)의 높이 방향에 직각으로 서 있다. 이들 금속 단자(50a, 50b)의 서 있는 자유단부 각각과 코일의 단부(25a, 25b)가 각각 접합됨으로써, 양자의 전기적 접속이 도모된다. 상기 자심과 코일을 갖는 코일 부품은, 예를 들어 초크, 인덕터, 리액터, 트랜스 등으로서 이용된다.
자심은, 상술한 바와 같이 바인더 등을 혼합한 연자성 합금 분말만을 가압 성형한 자심 단체(單體)의 형태로 제조해도 되고, 내부에 코일이 배치된 형태로 제조해도 된다. 후자의 구성은 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 연자성 합금 분말과 코일을 일체로 가압 성형하는 수법이나, 혹은 시트 적층법이나 인쇄법 등의 적층 프로세스를 이용한 코일 봉입 구조의 자심 형태로 제조할 수 있다.
실시예
이하, 이 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 자세하게 설명한다. 단, 이 실시예에 기재되어 있는 재료나 배합량 등은 특별히 한정적인 기재가 없는 한 이 발명의 범위를 이들에만 한정하는 취지의 것은 아니다.
<자심의 제작>
이하와 같이 하여 자심을 제작하였다. Fe계 연자성 합금 분말로서 Fe-Al-Cr계 합금 분말 및 Fe-Si-Al계 합금 분말(Epson Atmix 제품 「합금 파우더 PF18」)을 이용하였다. 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정 장치(호리바 제작소 제품 LA-920)로 측정한 연자성 합금 분말의 평균 입경(메디안 지름(d50))은, Fe-Al-Cr계 합금 분말에서 16.8μm, Fe-Si-Al계 합금 분말에서 9μm이었다. Fe-Al-Cr계 합금 분말은 입상의 아토마이즈 분말로서, 그 조성은 질량 백분율로 Fe-5.0% Al-4.0% Cr이었다. 또한, Fe-Si-Al계 합금 분말은 입상의 아토마이즈 분말로서, 그 조성은 질량 백분율로 Fe-9.8% Si-6.0% Al이었다.
Fe-Al-Cr계 합금 분말 및 Fe-Si-Al계 합금 분말을 소정의 배합 비율로 혼합하고, 상기 혼합 분말 100중량부에 대해 에멀전의 아크릴 수지계 바인더(쇼와 고분자 주식회사 제품 폴리졸 AP-604 고형분 40%)를 2.5중량부의 비율로 혼합하였다. 이 혼합 분말을 120℃에서 10시간 건조하고, 건조 후의 혼합 분말을 체에 통과시켜 조립 분말을 얻었다. 이 조립 분말에 연자성 합금 분말 100중량부에 대해 0.4중량부의 비율로 스테아린산 아연을 첨가, 혼합하여 성형용 혼합물을 얻었다.
얻어진 혼합 분말은, 프레스기를 사용하여 0.91GPa의 성형압으로 실온에서 가압 성형하여 도 3에 도시된 토로이달 형상의 성형체를 얻었다. 이 성형체에 대기 중에서 750℃의 열처리 온도로 1시간 열처리를 실시하여 자심을 얻었다(시료 No.1~No.4). 자심의 외형 치수는 외경 Φ13.4mm, 내경 Φ7.74mm, 높이 4.3mm이었다.
비교를 위해, 연자성 합금 분말로서 Fe-Al-Cr계 합금 분말을 배합하지 않고 Fe-Si-Al계 합금 분말만을 이용하여 마찬가지의 조건으로 혼합, 가압 성형, 열처리하여 동일 형상이고 동일 치수의 자심을 얻었다(시료 No.5).
<평가>
이상의 공정에 의해 제작한 각 자심에 대해 이하의 평가를 행하였다. 평가 결과를 표 1 및 도 4~9, 10a~10f 및 11a~11e에 나타낸다. 도 4~9는, 실시예에서의 각 평가 항목의 Fe-Al-Cr계 합금 분말 함유량에의 상관성을 나타내는 설명도이다. 도 10a~10f는, 실시예의 시료 No.3의 자심 단면의 SEM 화상이다. 도 11a~11e는, 실시예의 시료 No.5의 자심 단면의 SEM 화상이다.
(밀도 측정)
각 자심의 밀도(kg/㎥)를 그 치수 및 질량으로부터 산출하였다.
(압환 강도(radial crushing strength) 측정)
토로이달 형상의 자심의 외주 측면으로부터 직경 방향으로 하중을 가하여 파괴시의 최대 가중(P(N))을 측정하고, 다음 식으로부터 압환 강도(σr(MPa))를 구하였다.
σr=P(D-d)/(Id2)
(여기서, D: 코어의 외경(mm), d: 코어의 두께(mm), I: 코어의 높이(mm)이다.)
(투자율(초기 투자율(μi))의 측정)
토로이달 형상의 자심에 도선을 30바퀴 감아 코일 부품으로 하고, 주파수 100kHz로 휴렛팩커드사 제품 4285A에 의해 인덕턴스(L)를 측정하여 초기 투자율(μi)을 다음 식에 의해 산출하였다.
초기 투자율 μi=(le×L)/(μ0×Ae×N2)
(le: 자로 길이(m), L: 시료의 인덕턴스(H), μ0: 진공의 투자율=4π×10-7(H/m), Ae: 자심의 단면적(㎡), N: 코일의 감김수)
(자심 손실(코어 로스)의 측정)
토로이달 형상의 자심에, 1차측과 2차측 각각 코일을 15바퀴 감아 코일 부품으로 하고, 이와츠 계측 주식회사 제품 B-H 애널라이저 SY-8232에 의해 최대 자속 밀도 30mT, 주파수 300kHz의 조건으로 측정하였다.
(비저항 측정)
원판형(외경 Φ13.5mm, 두께 4mm)의 자심을 피측정물로서 제작하고, 그 대향하는 2평면에 도전성 접착제를 바르고 건조·고화 후, 피측정물을 전극의 사이에 세트하였다. 전기 저항 측정 장치(주식회사 ADC 제품 8340A)를 이용하여 50V의 직류 전압을 인가하고 저항값(R(Ω))을 측정하였다. 피측정물의 평면의 면적(A(㎡))과 두께(t(m))를 측정하고, 다음 식에 의해 비저항(ρ(Ωm))을 산출하였다.
비저항 ρ(Ωm)=R×(A/t)
(조직 관찰, 조성 분포)
토로이달 형상의 자심을 절단하고, 절단면을 주사형 전자 현미경(SEM/EDX)에 의해 관찰하였다(배율: 2000배).
Figure pct00001
표 1 및 도 4~6에 도시된 바와 같이, Fe-Al-Cr계 합금 분말 및 Fe-Si-Al계 합금 분말을 이용하여 제작한 No.1~No.4의 자심은, Fe-Si-Al계 합금 분말 단독을 이용한 No.5의 자심에 비해 압환 강도 및 투자율이 대폭으로 높아졌다. 상기 실시예에 관한 구성이 우수한 압환 강도 및 투자율을 얻는 데에 매우 유리한 것을 알 수 있다. 즉, 상기 실시예에 관한 구성에 의하면, 간이한 가압 성형에 따라 고강도, 고투자율을 갖는 자심을 제공할 수 있었다. 또한, 도 4~6으로부터 Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합 비율과 압환 강도 및 투자율의 상관성도 확인되므로, Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합 비율을 조정하는 것만으로 목적으로 하는 특성을 갖는 자심을 효율적으로 제작할 수 있다.
또, Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합 비율 증가에 따라 코어 로스(특히 히스테리시스 손실)가 증가하지만, 모두 500kW/㎥ 이하로서 실용상 문제없이 이용 가능한 수준이었다. 또한, Fe-Al-Cr계 합금 분말의 배합 비율 증가에 따라 비저항이 저하되지만, 모두 5kΩm 이상으로서 실용상 문제없이 이용 가능한 수준이었다.
No.3의 자심에 대해, 주사 전자 현미경(SEM/EDX)을 이용한 단면 관찰의 평가 결과를 도 10a에 나타내고, 각 구성 원소 분포의 평가 결과를 도 10b~10f에 나타낸다. 도 10a에 도시된 바와 같이, Fe-Al-Cr계 합금 분말을 포함하고 있으므로, 합금 분말이 소성 변형되어 있는 영역이 많이 보이고, 이에 의해 합금 분말 간의 공극이 저감되어 합금 분말끼리의 밀착성이 높아지는 것을 알 수 있다.
도 10b~10f는 각각 Fe(철), Al(알루미늄), O(산소), Si(규소), Cr(크롬)의 분포를 나타내는 매핑이다. 밝은 색조일수록 대상 원소가 많은 것을 나타낸다. 따라서, 본 실시예에서 Al 농화의 판단은, 원소 분포의 관찰상에서 합금 분말이 차지하는 영역에서의 Al의 휘도보다 산화물상이 차지하는 영역에서의 Al의 휘도가 높은지 여부에 기초하여 육안으로 간이적으로 행할 수 있다. 또한, Al 농화의 유무나 정도를 정량적으로 평가하는 경우에는, SEM/EDX로 측정 시간을 보다 길게 하거나 하여 합금 분말 내와 산화물상 내의 필요 개소에 대해 Al 조성을 상세 분석함으로써도 알 수 있다. 도 10d로부터, Fe계 연자성 합금 분말의 표면에는 산소가 많아 산화물이 형성되어 있는 것 및 각 Fe계 연자성 합금 분말끼리가 이 산화물을 통해 결합되어 있는 모습을 알 수 있다. 또한, 도 10c로부터, Al은 연자성 합금 분말의 표면에서의 농도가 현저하게 높아진다. 이로부터, 연자성 합금 분말의 표면에 내부의 합금상보다 Al의 비율이 높은 산화물상이 형성되어 있는 것이 확인되었다.
이에 반해, No.5의 자심에 대해 주사 전자 현미경(SEM/EDX)을 이용한 단면 관찰의 평가 결과를 도 11a에 나타내는데, 경질이며 성형성이 부족한 Fe-Si-Al계 합금 분말만을 이용하고 있으므로, 합금 분말 간의 공극이 많이 보여 합금 분말끼리의 밀착성이 낮은 것을 알 수 있다.
1 자심
3a, 3b 플랜지부
5 도선 감김부
10 코일 부품
20 코일
25a, 25b 코일의 단부
50a, 50b 금속 단자

Claims (6)

  1. Fe계 연자성 합금 분말과,
    상기 Fe계 연자성 합금 분말의 입자 사이에 개재하는 산화물상(相)을 구비하는 자심으로서,
    상기 Fe계 연자성 합금 분말은, Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함하는 자심.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Fe계 연자성 합금 분말보다 상기 산화물상에 Al이 농화(濃化)되어 있는 자심.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    밀도가 5.4×103kg/㎥ 이상인 자심.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Fe계 연자성 합금 분말의 평균 입경이 20μm 이하인 자심.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 자심의 제조 방법으로서,
    Fe-Al-Cr계 합금 분말과 Fe-Si-Al계 합금 분말을 포함하는 혼합 분말을 성형하여 성형체를 얻는 공정과,
    상기 성형체를 열처리하여 상기 산화물상을 형성하는 공정을 포함하는 자심의 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 자심과, 상기 자심에 마련된 코일을 구비하는 코일 부품.
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