KR20190039867A - 연자성 합금 및 자성 부품 - Google Patents

Abstract

조성식 (Fe_(1-(α+β))X1_αX2_β)_{(1-(a+b+c+d))}M_aB_bP_cC_d로 이루어지는 주성분, 및 적어도 Ti, Mn 및 Al을 함유하는 부성분으로 이루어지는 연자성 합금이다. X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상, X2는 Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상, M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다. 0.030≤a≤0.100, 0.050≤b≤0.150, 0＜c≤0.030, 0＜d≤0.030, α≥0, β≥0, 0≤α+β≤0.50이다. Ti의 함유량이 0.001∼0.100wt％, Mn의 함유량이 0.001∼0.150wt％, Al의 함유량이 0.001∼0.100wt％이다.

Description

연자성 합금 및 자성 부품{SOFT MAGNETIC ALLOY AND MAGNETIC DEVICE}

본 발명은 연자성 합금 및 자성 부품에 관한 것이다.

최근, 전자·정보·통신 기기 등에 있어서 저소비 전력화 및 고효율화가 요구되고 있다. 또한 저탄소화 사회를 향하여 상기의 요구가 더욱 강해지고 있다. 그 때문에, 전자·정보·통신 기기 등의 전원 회로에도, 에너지 손실의 저감이나 전원 효율의 향상이 요구되고 있다. 그리고, 전원 회로에 사용되는 자성 소자의 자심에는 포화 자속 밀도의 향상, 코어로스(자심 손실)의 저감 및 투자율(透磁率)의 향상이 요구되고 있다. 코어로스를 저감시키면, 전력 에너지의 로스가 작아지고, 포화 자속 밀도와 투자율을 향상시키면, 자성 소자를 소형화할 수 있으므로 고효율화 및 에너지 절약화가 도모된다. 상기 자심의 코어로스를 저감시키는 방법으로는, 자심을 구성하는 자성체의 보자력(保磁力)을 저감시키는 것을 생각할 수 있다.

또, 자성 소자의 자심에 함유되는 연자성 합금으로서 Fe기 연자성 합금이 사용되고 있다. Fe기 연자성 합금은 양호한 연자기 특성(높은 포화 자속 밀도 및 낮은 보자력)을 가질 것이 요망되고 있다.

또한 Fe기 연자성 합금은 저융점인 것도 요망되고 있다. Fe기 연자성 합금의 융점이 낮을수록 제조 비용을 삭감할 수 있기 때문이다. 융점이 낮을수록 제조 비용을 삭감할 수 있는 것은, 제조 프로세스에 사용되는 내화물 등의 자재의 수명이 길어지고, 또, 사용되는 내화물 자체도, 보다 저렴한 것을 사용할 수 있게 되기 때문이다.

특허문헌 1에는, Fe, Si, B, C 및 P를 함유하는 철계 비정질 합금 등의 발명이 기재되어 있다.

일본 공개특허공보 2002-285305호

본 발명은, 낮은 융점, 낮은 보자력 및 높은 포화 자속 밀도를 동시에 갖는 연자성 합금 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 연자성 합금은,

조성식 (Fe_(1-(α+β))X1_αX2_β)_{(1- (a+b+c+d))}M_aB_bP_cC_d로 이루어지는 주성분, 및 적어도 Ti, Mn 및 Al을 함유하는 부성분으로 이루어지는 연자성 합금으로서,

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

X2는 Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V 로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고,

0.030≤a≤0.100

0.050≤b≤0.150

0＜c≤0.030

0＜d≤0.030

α≥0

β≥0

0≤α+β≤0.50

이고,

상기 연자성 합금 전체를 100wt％로 하는 경우에 있어서,

Ti의 함유량이 0.001∼0.100wt％, Mn의 함유량이 0.001∼0.150wt％, Al의 함유량이 0.001∼0.100wt％인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 상기의 특징을 가짐으로써, 열처리를 실시함으로써 Fe기 나노 결정 합금이 되기 쉬운 구조를 갖기 쉽다. 또한 상기의 특징을 갖는 Fe기 나노 결정 합금은 낮은 융점, 낮은 보자력 및 높은 포화 자속 밀도를 동시에 갖는 연자성 합금이 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 0.730≤1-(a+b+c+d)≤0.918이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 0≤α{1-(a+b+c+d)}≤0.40이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은,α=0이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 0≤β{1-(a+b+c+d)}≤0.030이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, β=0이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, α=β=0이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 비정질 및 초기 미결정으로 이루어지고, 상기 초기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가지고 있어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 상기 초기 미결정의 평균 입경이 0.3∼10㎚이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 가지고 있어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5∼30㎚이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 박대(薄帶) 형상이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 분말 형상이어도 된다.

본 발명에 관련된 자성 부품은, 상기의 연자성 합금으로 이루어진다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

본 실시형태에 관련된 연자성 합금은,

조성식 (Fe_(1-(α+β))X1_αX2_β)_{(1-(a+b+c+d))}M_aB_bP_cC_d로 이루어지는 주성분, 및 적어도 Ti, Mn 및 Al을 함유하는 부성분으로 이루어지는 연자성 합금으로서,

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

X2는 Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V 로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고,

0.030≤a≤0.100

0.050≤b≤0.150

0＜c≤0.030

0＜d≤0.030

α≥0

β≥0

0≤α+β≤0.50

이고,

상기 연자성 합금 전체를 100wt％로 하는 경우에 있어서,

Ti의 함유량이 0.001∼0.100wt％, Mn의 함유량이 0.001∼0.150wt％, Al의 함유량이 0.001∼0.100wt％이다.

상기의 조성을 갖는 연자성 합금은, 비정질로 이루어지고, 입경이 30㎚보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상을 함유하지 않는 연자성 합금으로 하기 쉽다. 그리고, 당해 연자성 합금을 열처리하는 경우에는, Fe기 나노 결정을 석출하기 쉽다. 그리고, Fe기 나노 결정을 함유하는 연자성 합금은 양호한 자기 특성을 갖기 쉽다.

바꿔 말하면, 상기의 조성을 갖는 연자성 합금은, Fe기 나노 결정을 석출시킨 연자성 합금의 출발 원료로 하기 쉽다.

Fe기 나노 결정이란, 입경이 나노 오더이고, Fe의 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)인 결정을 말한다. 본 실시형태에 있어서는, 평균 입경이 5∼30㎚인 Fe기 나노 결정을 석출시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 Fe기 나노 결정을 석출시킨 연자성 합금은, 포화 자속 밀도가 높아지기 쉽고, 보자력이 낮아지기 쉽다. 또한 상기의 입경이 30㎚보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상을 함유하는 연자성 합금보다 융점이 낮아지기 쉽다.

또한, 열처리 전의 연자성 합금은 완전히 비정질만으로 이루어져 있어도 되지만, 비정질 및 입경이 15㎚이하인 초기 미결정으로 이루어지고, 상기 초기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 갖는 것이 바람직하다. 초기 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가짐으로써, 열처리시에 Fe기 나노 결정을 석출시키기 쉬워진다. 또한, 본 실시형태에서는, 상기 초기 미결정은 평균 입경이 0.3∼10㎚인 것이 바람직하다.

이하, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금의 각 성분에 대해 상세하게 설명한다.

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다.

M의 함유량(a)은 0.030≤a≤0.100이다. 0.050≤a≤0.080인 것이 바람직하고, 0.050≤a≤0.070인 것이 더욱 바람직하다. 0.050≤a≤0.080으로 함으로써, 특히 융점을 저하시키기 쉬워진다. 0.050≤a≤0.070으로 함으로써, 특히 융점 및 보자력을 저하시키기 쉬워진다. a가 지나치게 작은 경우에는, 열처리 전의 연자성 합금에 입경 30㎚보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상이 생기기 쉽고, 결정상이 생기는 경우에는, 열처리에 의해 Fe기 나노 결정을 석출시키지 못하여, 융점 및 보자력이 높아지기 쉬워진다. a가 지나치게 큰 경우에는, 포화 자속 밀도가 저하되기 쉬워진다.

B의 함유량(b)은 0.050≤b≤0.150이다. 0.080≤b≤0.120인 것이 바람직하다. 0.080≤b≤0.120으로 함으로써 특히 보자력을 저하시키기 쉬워진다. b가 지나치게 작은 경우에는 보자력이 높아지기 쉬워진다. b가 지나치게 큰 경우에는 포화 자속 밀도가 저하되기 쉬워진다.

P의 함유량(c)은 0＜c≤0.030이다. 0.001≤c≤0.030인 것이 바람직하고, 0.003≤c≤0.030인 것이 더욱 바람직하고, 0.003≤c≤0.015인 것이 가장 바람직하다. 0.003≤c≤0.030으로 함으로써, 특히 융점을 저하시키기 쉬워진다. 0.003≤c≤0.015로 함으로써, 특히 융점 및 보자력을 저하시키기 쉬워진다. c가 지나치게 작은 경우에는 융점 및 보자력이 높아지기 쉬워진다. c가 지나치게 큰 경우에는 보자력이 높아지기 쉬워지고, 포화 자속 밀도가 저하되기 쉬워진다.

C의 함유량(d)은 0＜d≤0.030을 만족시킨다. 0.001≤d≤0.030인 것이 바람직하고, 0.003≤d≤0.030인 것이 더욱 바람직하고, 0.003≤d≤0.015인 것이 가장 바람직하다. 0.003≤d≤0.030으로 함으로써, 특히 융점을 저하시키기 쉬워진다. 0.003≤d≤0.015로 함으로써, 특히 융점 및 보자력을 저하시키기 쉬워진다. d가 지나치게 작은 경우에는 융점 및 보자력이 높아지기 쉬워진다. d가 지나치게 큰 경우에는 보자력이 높아지기 쉬워지고, 포화 자속 밀도가 저하되기 쉬워진다.

Fe의 함유량(1-(a+b+c+d))에 대해서는 임의의 값으로 할 수 있다. 또, 0.730≤1-(a+b+c+d)≤0.918인 것이 바람직하고, 0.810≤1-(a+b+c+d)≤0.850인 것이 더욱 바람직하다. 1-(a+b+c+d)를 0.730 이상으로 함으로써, 포화 자속 밀도를 높게 하기 쉬워진다. 또, 0.810≤1-(a+b+c+d)≤0.850임으로써, 특히 융점 및 보자력을 낮게 하기 쉬워지고, 포화 자속 밀도를 높게 하기 쉬워진다.

또한 본 실시형태에 관련된 연자성 합금은, 상기의 주성분 이외에도 부성분으로서 Ti, Mn 및 Al을 함유한다. 연자성 합금 전체를 100wt％로 하는 경우에 있어서, Ti의 함유량이 0.001∼0.100wt％, Mn의 함유량이 0.001∼0.150wt％, Al의 함유량이 0.001∼0.100wt％이다.

Ti, Mn 및 Al이 모두, 상기의 미량인 함유량으로 존재함으로써, 낮은 융점, 낮은 보자력 및 높은 포화 자속 밀도를 동시에 갖는 연자성 합금을 얻을 수 있다. 상기의 효과는, Ti, Mn 및 Al을 모두 동시에 함유함으로써 발휘된다. Ti, Mn 및 Al 중 어느 하나 이상을 함유하지 않는 경우에는, 융점 및 보자력이 높아지기 쉬워진다. 또, Ti, Mn 및 Al 중 어느 하나 이상의 함유량이 상기의 범위를 초과하는 경우에는 포화 자속 밀도가 저하되기 쉬워진다.

Ti의 함유량은 0.005wt％ 이상 0.080wt％ 이하인 것이 바람직하다. Mn의 함유량은 0.005wt％ 이상 0.150wt％ 이하인 것이 바람직하다. Al의 함유량은 0.005wt％ 이상 0.080wt％ 이하인 것이 바람직하다. Ti, Mn 및/또는 Al의 함유량을 상기의 범위 내로 함으로써, 특히 융점 및 보자력이 낮아지기 쉬워진다.

또, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금에 있어서는, Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 된다.

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다. X1의 함유량에 관해서는α=0이어도 된다. 즉, X1은 함유하지 않아도 된다. 또, X1의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at％로 하여 40at％ 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤α{1-(a+b+c+d)}≤0.40을 만족시키는 것이 바람직하다.

X2는 Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다. X2의 함유량에 관해서는 β=0이어도 된다. 즉, X2는 함유하지 않아도 된다. 또, X2의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at％로 하여 3.0at％ 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤β{1-(a+b+c+d)}≤0.030을 만족시키는 것이 바람직하다.

Fe를 X1 및/또는 X2 로 치환하는 치환량의 범위로는, 원자수 베이스로 Fe의 반 이하로 한다. 즉, 0≤α+β≤0.50으로 한다. α+β>0.50인 경우에는, 열처리에 의해 Fe기 나노 결정 합금으로 하는 것이 곤란해진다.

또한, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금은 상기 이외의 원소(예를 들어 Si, Cu 등)를 불가피적 불순물로서 함유하고 있어도 된다. 예를 들어, 연자성 합금 100중량％에 대해 0.1중량％ 이하 함유하고 있어도 된다. 특히 Si를 함유하는 경우에는 입경 30㎚보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상이 생기기 쉬워지기 때문에, Si의 함유량은 낮을수록 바람직하다. 특히 Cu를 함유하는 경우에는 포화 자속 밀도가 저하되기 쉬워지기 때문에, Cu의 함유량은 낮을수록 바람직하다.

이하, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 실시형태에 관련된 연자성 합금의 제조 방법에는 특별히 한정은 없다. 예를 들어 단롤법에 의해 본 실시형태에 관련된 연자성 합금의 박대를 제조하는 방법이 있다. 또, 박대는 연속 박대이어도 된다.

단롤법에서는, 먼저, 최종적으로 얻어지는 연자성 합금에 함유되는 각 금속 원소의 순금속을 준비하고, 최종적으로 얻어지는 연자성 합금과 동 조성이 되도록 칭량한다. 그리고, 각 금속 원소의 순금속을 용해시키고, 혼합하여 모합금을 제조한다. 또한, 상기 순금속의 용해 방법에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 챔버 내에서 진공 흡인한 후에 고주파 가열로 용해시키는 방법이 있다. 또한, 모합금과 최종적으로 얻어지는 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 연자성 합금은 통상, 동 조성이 된다.

다음으로, 제조한 모합금을 가열하여 용융시켜, 용융 금속(용탕)을 얻는다. 용융 금속의 온도에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 1200∼1500℃로 할 수 있다.

단롤법에 있어서는, 주로 롤의 회전 속도를 조정함으로써 얻어지는 박대의 두께를 조정할 수 있지만, 예를 들어 노즐과 롤의 간격이나 용융 금속의 온도 등을 조정함으로써도 얻어지는 박대의 두께를 조정할 수 있다. 박대의 두께에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 5∼30㎛로 할 수 있다.

후술하는 열처리 전의 시점에서는, 박대는 입경이 30㎚보다 큰 결정이 함유되어 있지 않은 비정질이다. 비정질인 박대에 대해 후술하는 열처리를 실시함으로써, Fe기 나노 결정 합금을 얻을 수 있다.

또한, 열처리 전의 연자성 합금의 박대에 입경이 30㎚보다 큰 결정이 함유되어 있는지의 여부를 확인하는 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 입경이 30㎚보다 큰 결정의 유무에 대해서는, 통상적인 X선 회절 측정에 의해 확인할 수 있다.

또, 열처리 전의 박대에는, 입경이 15㎚ 이하인 초기 미결정이 전혀 함유되어 있지 않아도 되지만, 초기 미결정이 함유되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 열처리 전의 박대는, 비정질 및 그 비정질 중에 존재하는 그 초기 미결정으로 이루어지는 나노 헤테로 구조인 것이 바람직하다. 또한, 초기 미결정의 입경에 특별히 제한은 없지만, 평균 입경이 0.3∼10㎚의 범위 내인 것이 바람직하다.

또, 상기의 초기 미결정의 유무 및 평균 입경의 관찰 방법에 대해서는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들어, 이온 밀링에 의해 박편화한 시료에 대해, 투과 전자 현미경을 사용하여, 제한 시야 회절상, 나노 빔 회절상, 명시야상 또는 고분해능상을 얻음으로써 확인할 수 있다. 제한 시야 회절상 또는 나노 빔 회절상을 사용하는 경우, 회절 패턴에 있어서 비정질인 경우에는 링상의 회절이 형성되는 데에 대해, 비정질이 아닌 경우에는 결정 구조에서 기인한 회절 반점이 형성된다. 또, 명시야상 또는 고분해능상을 사용하는 경우에는, 배율 1.00×10⁵∼3.00×10⁵배로 육안으로 관찰함으로써 초기 미결정의 유무 및 평균 입경을 관찰할 수 있다.

롤의 온도, 회전 속도 및 챔버 내부의 분위기에는 특별히 제한은 없다. 롤의 온도는 4∼30℃로 하는 것이 비정질화 때문에 바람직하다. 롤의 회전 속도는 빠를수록 초기 미결정의 평균 입경이 작아지는 경향이 있고, 30∼40m/sec.로 하는 것이 평균 입경 0.3∼10㎚의 초기 미결정을 얻기 위해서는 바람직하다. 챔버 내부의 분위기는 비용면을 고려하면 대기 중으로 하는 것이 바람직하다.

또, Fe기 나노 결정 합금을 제조하기 위한 열처리 조건에는 특별히 제한은 없다. 연자성 합금의 조성에 따라 바람직한 열처리 조건은 상이하다. 통상, 바람직한 열처리 온도는 대체로 450∼600℃, 바람직한 열처리 시간은 대체로 0.5∼10시간이 된다. 그러나, 조성에 따라서는 상기의 범위를 벗어난 곳에 바람직한 열처리 온도 및 열처리 시간이 존재하는 경우도 있다. 또, 열처리시의 분위기에는 특별히 제한은 없다. 대기 중과 같은 활성 분위기하에서 실시해도 되고, Ar 가스 중과 같은 불활성 분위기하에서 실시해도 된다.

또, 얻어진 Fe기 나노 결정 합금에 있어서의 평균 입경의 산출 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들어 투과 전자 현미경을 사용하여 관찰함으로써 산출할 수 있다. 또, 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)인 것을 확인하는 방법에도 특별히 제한은 없다. 예를 들어 X선 회절 측정을 사용하여 확인할 수 있다.

또, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금을 얻는 방법으로서, 상기한 단롤법 이외에도, 예를 들어 물 아토마이즈법 또는 가스 아토마이즈법에 의해 본 실시형태에 관련된 연자성 합금의 분체를 얻는 방법이 있다. 이하, 가스 아토마이즈법에 대해 설명한다.

가스 아토마이즈법에서는, 상기한 단롤법과 동일하게 하여 1200∼1500℃의 용융 합금을 얻는다. 그 후, 상기 용융 합금을 챔버 내에서 분사시켜, 분체를 제조한다.

이 때, 가스 분사 온도를 4∼30℃로 하고, 챔버 내의 증기압을 1hPa 이하로 함으로써, 상기의 바람직한 나노 헤테로 구조를 얻기 쉬워진다.

가스 아토마이즈법으로 분체를 제조한 후에, 400∼600℃에서 0.5∼10분, 열처리를 실시함으로써, 각 분체끼리가 소결하여 분체가 조대화되는 것을 방지하면서 원소의 확산을 촉진시켜, 열역학적 평형 상태에 단시간에 도달시킬 수 있고, 변형이나 응력을 제거할 수 있고, 평균 입경이 10∼50㎚인 Fe기 연자성 합금을 얻기 쉬워진다.

이상, 본 발명의 일 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시형태에 한정되지 않는다.

본 실시형태에 관련된 연자성 합금의 형상에는 특별히 제한은 없다. 상기한 바와 같이, 박대 형상이나 분말 형상이 예시되지만, 그 이외에도 블록 형상 등도 생각할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 연자성 합금(Fe기 나노 결정 합금)의 용도에는 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 자성 부품을 들 수 있고, 그 중에서도 특히 자심을 들 수 있다. 인덕터용, 특히 파워 인덕터용의 자심으로서 바람직하게 사용할 수 있다. 본 실시형태에 관련된 연자성 합금은, 자심 외에도 박막 인덕터, 자기 헤드에도 바람직하게 사용할 수 있다.

이하, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금으로부터 자성 부품, 특히 자심 및 인덕터를 얻는 방법에 대해 설명하지만, 본 실시형태에 관련된 연자성 합금으로부터 자심 및 인덕터를 얻는 방법은 하기 방법에 한정되지 않는다. 또, 자심의 용도로는, 인덕터 외에도, 트랜스 및 모터 등을 들 수 있다.

박대 형상의 연자성 합금으로부터 자심을 얻는 방법으로는, 예를 들어, 박대 형상의 연자성 합금을 권회하는 방법이나 적층하는 방법을 들 수 있다. 박대 형상의 연자성 합금을 적층할 때에 절연체를 개재하여 적층하는 경우에는, 더욱 특성을 향상시킨 자심을 얻을 수 있다.

분말 형상의 연자성 합금으로부터 자심을 얻는 방법으로는, 예를 들어, 적절히 바인더와 혼합한 후, 금형을 사용하여 성형하는 방법을 들 수 있다. 또, 바인더와 혼합하기 전에, 분말 표면에 산화 처리나 절연 피막 등을 실시함으로써, 비저항이 향상되어, 보다 고주파 대역에 적합한 자심이 된다.

성형 방법에 특별히 제한은 없고, 금형을 사용하는 성형이나 몰드 성형 등이 예시된다. 바인더의 종류에 특별히 제한은 없고, 실리콘 수지가 예시된다. 연자성 합금 분말과 바인더의 혼합 비율에도 특별히 제한은 없다. 예를 들어 연자성 합금 분말 100질량％에 대해, 1∼10질량％의 바인더를 혼합시킨다.

예를 들어, 연자성 합금 분말 100질량％에 대해, 1∼5질량％의 바인더를 혼합시키고, 금형을 사용하여 압축 성형함으로써, 점적률(분말 충전율)이 70％ 이상, 1.6×10⁴A/m의 자계를 인가했을 때의 자속 밀도가 0.45T 이상, 또한 비저항이 1Ω·㎝ 이상인 자심을 얻을 수 있다. 상기의 특성은, 일반적인 페라이트 자심과 동등 이상의 특성이다.

또, 예를 들어, 연자성 합금 분말 100질량％에 대해, 1∼3질량％의 바인더를 혼합시키고, 바인더의 연화점 이상의 온도 조건하의 금형으로 압축 성형함으로써, 점적률이 80％ 이상, 1.6×10⁴A/m의 자계를 인가했을 때의 자속 밀도가 0.9T 이상, 또한 비저항이 0.1Ω·㎝ 이상인 압분 자심을 얻을 수 있다. 상기의 특성은, 일반적인 압분 자심보다 우수한 특성이다.

또한 상기의 자심을 이루는 성형체에 대해, 변형 교정 열처리로서 성형 후에 열처리함으로써, 더욱 코어로스가 저하되고, 유용성이 높아진다. 또한, 자심의 코어로스는, 자심을 구성하는 자성체의 보자력을 저감시킴으로써 저하된다.

또, 상기 자심에 권선을 실시함으로써 인덕턴스 부품이 얻어진다. 권선의 실시 방법 및 인덕턴스 부품의 제조 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 상기의 방법으로 제조한 자심에 권선을 적어도 1턴 이상 권회하는 방법을 들 수 있다.

또한 연자성 합금 입자를 사용하는 경우에는, 권선 코일이 자성체에 내장되어 있는 상태에서 가압 성형하여 일체화함으로써 인덕턴스 부품을 제조하는 방법이 있다. 이 경우에는 고주파 또한 대전류에 대응한 인덕턴스 부품을 얻기 쉽다.

또한 연자성 합금 입자를 사용하는 경우에는, 연자성 합금 입자에 바인더 및 용제를 첨가하여 페이스트화한 연자성 합금 페이스트, 및 코일용의 도체 금속에 바인더 및 용제를 첨가하여 페이스트화한 도체 페이스트를 교대로 인쇄 적층한 후에 가열 소성함으로써, 인덕턴스 부품을 얻을 수 있다. 혹은, 연자성 합금 페이스트를 사용하여 연자성 합금 시트를 제조하고, 연자성 합금 시트의 표면에 도체 페이스트를 인쇄하고, 이들을 적층하여 소성함으로써, 코일이 자성체에 내장된 인덕턴스 부품을 얻을 수 있다.

여기서, 연자성 합금 입자를 사용하여 인덕턴스 부품을 제조하는 경우에는, 최대 입경이 체 직경으로 45㎛ 이하, 중심 입경(D50)이 30㎛ 이하인 연자성 합금 분말을 사용하는 것이, 우수한 Q 특성을 얻는 데에 있어서 바람직하다. 최대 입경을 체 직경으로 45㎛ 이하로 하기 위해, 눈금 간격 45㎛의 체를 사용하여, 체를 통과하는 연자성 합금 분말만을 사용해도 된다.

최대 입경이 큰 연자성 합금 분말을 사용할수록 고주파 영역에서의 Q값이 저하되는 경향이 있고, 특히 최대 입경이 체 직경으로 45㎛를 초과하는 연자성 합금 분말을 사용하는 경우에는, 고주파 영역에서의 Q값이 크게 저하되는 경우가 있다. 단, 고주파 영역에서의 Q값을 중시하지 않는 경우에는, 편차가 큰 연자성 합금 분말을 사용할 수 있다. 편차가 큰 연자성 합금 분말은 비교적 저렴하게 제조할 수 있기 때문에, 편차가 큰 연자성 합금 분말을 사용하는 경우에는, 비용을 저감시키는 것이 가능하다.

[실시예]

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

하기 표에 나타내는 각 실시예 및 비교예의 합금 조성이 되도록 원료 금속을 칭량하고, 고주파 가열로 용해시켜, 모합금을 제조했다.

그 후, 제조한 모합금을 가열하여 용융시켜, 1300℃의 용융 상태의 금속으로 한 후에, 대기 중에 있어서 20℃의 롤을 회전 속도 30 m/sec.로 사용한 단롤법에 의해 상기 금속을 롤에 분사시켜, 박대를 제조했다. 박대의 두께 20∼25㎛, 박대의 폭 약 15㎜, 박대의 길이 약 10m로 했다.

얻어진 각 박대에 대해 X선 회절 측정을 실시하여, 입경이 30㎚보다 큰 결정의 유무를 확인했다. 그리고, 입경이 30㎚보다 큰 결정이 존재하지 않는 경우에는 비정질상으로 이루어지는 것으로 하고, 입경이 30㎚보다 큰 결정이 존재하는 경우에는 결정상으로 이루어지는 것으로 했다. 또한, 비정질상에는 입경이 15㎚ 이하인 초기 미결정이 함유되어 있어도 된다.

그 후, 각 실시예 및 비교예의 박대에 대해, 하기 표에 나타내는 조건으로 열처리를 실시했다. 또한, 하기 표에 열처리 온도의 기재가 없는 시료에 대해서는, 열처리 온도 550℃로 했다. 열처리 후의 각 박대에 대해, 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도를 측정했다. 융점은 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정했다. 보자력(Hc)은 직류 BH 트레이서를 사용하여 자장 5kA/m으로 측정했다. 포화 자속 밀도(Bs)는 진동 시료형 자력계(VSM)를 사용하여 자장 1000kA/m으로 측정했다. 본 실시예에서는, 융점은 1170℃ 이하를 양호한 것으로 하고, 1150℃ 이하를 더욱 양호한 것으로 했다. 보자력은 2.0A/m 이하를 양호한 것으로 하고, 1.5A/m 미만을 더욱 양호한 것으로 했다. 포화 자속 밀도는 1.30T 이상을 양호한 것으로 하고, 1.35T 이상을 더욱 양호한 것으로 했다.

또한, 이하에 나타내는 실시예에서는 특별히 기재가 없는 한, 모두 평균 입경이 5∼30㎚이고 결정 구조가 bcc인 Fe기 나노 결정을 가지고 있던 것을 X선 회절 측정, 및 투과 전자 현미경을 사용한 관찰로 확인했다.

표 1은 Nb의 함유량 이외의 조건을 일정하게 하고 Nb의 함유량만 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

Nb의 함유량(a)이 0.030≤a≤0.100의 범위 내인 실시예 1∼7은 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, a=0.028인 비교예 1은 열처리 전의 박대가 결정상으로 이루어지고, 열처리 후의 보자력이 현저하게 커졌다. 또, 융점도 높아졌다. a=0.110인 비교예 2는 포화 자속 밀도가 저하되었다.

표 2는 B의 함유량(b) 이외의 조건을 동일로 하고 B의 함유량만 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

B의 함유량(b)이 0.050≤b≤0.150의 범위 내인 실시예 11∼16은 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, b=0.045인 비교예 3은 보자력이 커졌다. a=0.160인 비교예 4는 포화 자속 밀도가 저하되었다.

표 3은 P의 함유량(c) 이외의 조건을 동일로 하고 P의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 또, P 및 C를 함께 함유하지 않는 비교예도 아울러 기재한 것이다.

0＜c≤0.030을 만족시키는 실시예 21∼27은 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, c=0인 비교예 5 및 6은 융점이 높아지고 보자력이 커졌다. c=0.035인 비교예 7은 보자력이 커지고 포화 자속 밀도가 저하되었다.

표 4는 C의 함유량(d) 이외의 조건을 동일로 하고 C의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 또, P 및 C를 함께 함유하지 않는 비교예도 아울러 기재한 것이다.

0＜d≤0.030을 만족시키는 실시예 31∼37은 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, d=0인 비교예 5 및 8은 융점이 높아지고 보자력이 커졌다. d=0.035인 비교예 9는 보자력이 커지고 포화 자속 밀도가 저하되었다.

표 5는 a∼d를 동시에 작게 하고 Fe의 함유량(1-(a+b+c+d))을 크게 한 실시예 38 및 a∼d를 동시에 크게 하고 Fe의 함유량(1-(a+b+c+d))을 작게 한 실시예 39∼40을 기재한 것이다. 실시예 38∼40은 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다.

표 6은 주성분의 함유량을 일정하게 하고 부성분(Ti, Mn 및 Al)의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

모든 부성분의 함유량이 본원 발명의 범위 내인 실시예 41∼43은 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, Ti, Mn 및 Al 중 어느 하나 이상을 함유하지 않는 비교예 11∼17은 융점이 높아지고 보자력이 커졌다.

표 7은 Ti의 함유량 이외의 조건을 일정하게 하고 Ti의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

Ti의 함유량이 0.001∼0.100wt％인 실시예 51∼55는 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, Ti를 함유하지 않는 비교예 11은 융점이 높아지고 보자력이 커졌다. Ti의 함유량이 0.110wt％인 비교예 18은 포화 자속 밀도가 작아졌다.

표 8은 Mn의 함유량 이외의 조건을 일정하게 하고 Mn의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

Mn의 함유량이 0.001∼0.150wt％인 실시예 61∼65는 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, Mn을 함유하지 않는 비교예 12는 융점이 높아지고 보자력이 커졌다. Mn의 함유량이 0.160wt％인 비교예 19는 포화 자속 밀도가 작아졌다.

표 9는 Al의 함유량 이외의 조건을 일정하게 하고 Al의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

Al의 함유량이 0.001∼0.100wt％인 실시예 71∼75는 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다. 이에 대해, Al을 함유하지 않는 비교예 13은 융점이 높아지고 보자력이 커졌다. Al의 함유량이 0.110wt％인 비교예 20은 포화 자속 밀도가 작아졌다.

표 10은 M의 종류를 변화시킨 실시예 81∼89를 기재한 것이다.

어느 실시예도 융점, 보자력 및 포화 자속 밀도가 양호했다.

표 11은 실시예 4에 대해 Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환한 실시예이다.

표 11로부터, Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 양호한 특성을 나타냈다.

표 12는 실시예 4에 대해 롤의 회전 속도 및/또는 열처리 온도를 변화시킴으로써 초기 미결정의 평균 입경 및 Fe기 나노 결정 합금의 평균 입경을 변화시킨 실시예이다.

표 12로부터, 롤의 회전 속도 및/또는 열처리 온도를 변화시킴으로써 초기 미결정의 평균 입경 및 Fe기 나노 결정 합금의 평균 입경을 변화시켜도 양호한 특성을 나타냈다.

Claims (14)

1. 조성식 (Fe_(1-(α+β))X1_αX2_β)_{(1- (a+b+c+d))}M_aB_bP_cC_d로 이루어지는 주성분, 및 적어도 Ti, Mn 및 Al을 함유하는 부성분으로 이루어지는 연자성 합금으로서,
   X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,
   X2는 Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,
   M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고,
   0.030≤a≤0.100
   0.050≤b≤0.150
   0＜c≤0.030
   0＜d≤0.030
   α≥0
   β≥0
   0≤α+β≤0.50
   이고,
   상기 연자성 합금 전체를 100wt％로 하는 경우에 있어서,
   Ti의 함유량이 0.001∼0.100wt％, Mn의 함유량이 0.001∼0.150wt％, Al의 함유량이 0.001∼0.100wt％인 것을 특징으로 하는, 연자성 합금.
2. 청구항 1에 있어서,
   0.730≤1-(a+b+c+d)≤0.918인, 연자성 합금.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   0≤α{1-(a+b+c+d)}≤0.40인, 연자성 합금.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   α=0인, 연자성 합금.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   0≤β{1-(a+b+c+d)}≤0.030인, 연자성 합금.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   β=0인, 연자성 합금.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   α=β=0인, 연자성 합금.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   비정질 및 초기 미결정으로 이루어지고, 상기 초기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 갖는, 연자성 합금.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 초기 미결정의 평균 입경이 0.3∼10㎚인, 연자성 합금.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 갖는, 연자성 합금.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5∼30㎚인, 연자성 합금.
12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    박대 형상인, 연자성 합금.
13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    분말 형상인, 연자성 합금.
14. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 연자성 합금으로 이루어지는 자성 부품.