KR20200139990A - 온간성형법에 의한 비정질 금속합금 분말(Amorphous Alloy Powder)을 이용한 SMD 인덕터 코아 제조방법 - Google Patents

온간성형법에 의한 비정질 금속합금 분말(Amorphous Alloy Powder)을 이용한 SMD 인덕터 코아 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 온간성형법에 의한 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD 인덕터 코아(이하 SMD코아 라 한다) 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제조방법에 따르면, 분말간의 결합제로서 폴리이미드계에 의한 절연 코팅으로 비정질 금속합금 분말 표면을 균일하게 코팅하는 코팅공정:
상기 코팅된 비정질금속 합금분말을 고투자율 특성을 지닌 SMD코아를 성형하기 위하여15~20Ton/㎠의 압력하에 400~500℃로 유지한 온도에서 성형하는 온간성형 공정:
상기 성형된 SMD코아를 고주파 특성이 우수하고 포화자속밀도 및 실효투자율이 우수한 특징을 극대화하기 위하여 결정화 개시온도보다 10~50℃의 높은 온도에서 나노결정화 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

온간성형법에 의한 비정질 금속합금 분말(Amorphous Alloy Powder)을 이용한 SMD 인덕터 코아 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING SMD INDUCTOR CORE USING AMORPHOUS METAL ALLOY POWDER BY WARM FORMING}
본 발명은 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD코아 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 고주파 대역에서 특히 우수한 자기적 특성을 나타내며, 기존의 Fe-Si-Cr 합금, 센더스트(Fe-Si-Al 합금) 등으로 제조한 SMD코아에 비해 실효투자율 및 철손 등이 훨씬 우수한 SMD코아를 제조할 수 있으며 온간성형에 의한 밀도 증가로 우수한 연자기 특성을 지닌 SMD코아를 제조할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
종래의 방법으로 상온에서 성형하여 제조하는 SMD코아의 경우 보통 Fe-Si-Cr 합금, 샌더스트 분말을 사용하여 원하는 자기적 특성을 구현하고 있으나, 비정질금속 합금분말은 결정질 소재인 FeSiCr 합금 및 센더스트에 비하여 강도 및 인성이 수배나 높은 관계로 상온에서 성형 시에 SMD코아의 성형밀도가 5.5g/cm3이상이 불가하고, 이에 따라 실효투자율 및 철손 등이 우수하지 못하여 SMD코아에 있어서 비정질금속 합금분말의 실용화는 되지 않고 있는 실정이다. 본 발명에서는 400∼500℃의 온도에서 온간성형 함으로써 SMD코아의 성형밀도를 6.0g/cm3이상으로 높이고 이에 따라 종래의 결정질에서 불가했던 높은 투자율 및 낮은 철손값을 갖는 SMD 코아의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
종래의 방법으로 상온에서 성형하여 제조하는 SMD코아의 경우 보통 Fe-Si-Cr 합금, 샌더스트 분말을 사용하여 원하는 자기적 특성을 구현하고 있으나, 비정질금속 합금분말은 결정질 소재인 FeSiCr 합금 및 센더스트에 비하여 강도 및 인성이 수배나 높은 관계로 상온에서 성형 시에 SMD코아의 성형밀도가 5.5g/cm3이상이 불가하고, 이에 따라 실효투자율 및 철손 등이 우수하지 못하여 SMD코아에 있어서 비정질금속 합금분말의 실용화는 되지 않고 있는 실정이다. 본 발명에서는 400∼500℃의 온도에서 온간성형 함으로써 SMD코아의 성형밀도를 6.0g/cm3이상으로 높이고 이에 따라 종래의 결정질에서 불가했던 높은 투자율 및 낮은 철손값을 갖는 SMD 코아의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 온간성형법에 의한 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD 인덕터 코아(이하 SMD코아 라 한다) 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제조방법에 따르면, 분말간의 결합제로서 폴리이미드계에 의한 절연 코팅으로 비정질 금속합금 분말 표면을 균일하게 코팅하는 코팅공정:
상기 코팅된 비정질금속 합금분말을 고투자율 특성을 지닌 SMD코아를 성형하기 위하여15~20Ton/㎠의 압력하에 400~500℃로 유지한 온도에서 성형하는 온간성형 공정:
상기 성형된 SMD코아를 고주파 특성이 우수하고 포화자속밀도 및 실효투자율이 우수한 특징을 극대화하기 위하여 결정화 개시온도보다 10~50℃의 높은 온도에서 나노결정화 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
모든 실시예의 경우에 있어서, Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 비정질 합금분말에 결합제(폴리이미드)를
본 발명에 따른 나노결정계 비정질 금속합금 분말(Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 합금)을 이용한 SMD 코아 제조방법에 의하면, 고주파 대역에서 우수한 연자기적 특성을 나타내고, 기존의 FeSiCr계 합금 등에 의해 제조된 SMD 코아에 비해 실효투자율, 철손 등이 월등 우수한 SMD코아를 경제적이고 단순한 공정으로 제조할 수 있다.
도면의 간단한 설명
대표도
도1
제 1도는 본 발명의 실시예에 따른 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD코아 제조방법의 공정순서를 도시한 공정절차도이다.
도면의 주요부분 보충 설명
10. 비정질금속 합금분말 코팅 공정
20. 온간성형 공정
30. 열처리 공정
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 기존의 FeSiCr 합금 및 센더스트 등의 결정질에 비하여 가공성이 어려워 SMD코아 제조에 사용하기 어려웠던 비정질금속 합금분말을 온간성형온도에서 최소한 양의 바인더를 사용하여 SMD코아의 성형밀도를 높이고, 공정의 단순화로 원가 경쟁력이 있는 SMD코아를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시에 따른 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD코아 제조방법은 고압수분사 또는 물과 가스를 혼용하여 제조하는 복합수분사(Complex) 방식으로 제조된 연자기 특성이 우수한 Fe-Si-B계 비정질금속 합금분말을 사용하고, 분말간의 절연과 결합을 위해 금속분말 총중량의 1∼3wt%인 폴리이미드계에 의한 코팅으로 비정질금속 합금분말 표면에 균일하게 코팅하는 코팅공정.
상기 코팅된 비정질 합금분말을 고주파 및 고투자율 특성의 SMD코아를 성형하기 위하여400∼500℃로 유지되고 있는 성형다이에서 15∼20톤/㎠의 압력으로 성형하는 온간성형공정,
상기 성형된 비정질금속 합금분말의 내부응력을 제거하고 결합강도를 높이고, 연자기특성(예: 실효투자율, 철손, 직류중첩 등)을 향상시키기 위하여 결정화 개시온도보다 10∼50℃ 높은 온도에서 0.5∼1hr동안 환원분위기하에서 나노결정화 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
사용된 비정질금속 합금분말은 결정화 개시온도이상에서 열처리에 의하여 나노결정화가 가능한 합금계로서 Fe-Si-B계, Fe-Nb-B계, Fe-Al-B계 등을 포함한다.
폴리이미드 함량이 0.5wt%이하면, 금속분말간 바인더 역할이 불충분하며, 2wt%이상이면 연자기 특성이 떨어진다.
성형압력이 20Ton/㎠ 이상이 되면 SMD코아의 자기적 특성은 증대 되지만, 성형용 금형의 마모 증대 및 표면에 크랙 등이 빈번하게 발생하여 금형 교체주기가 빨라지고, 15Ton/㎠ 이하에서는 성형밀도가 충분하지 않다.
또한 온간성형 온도가 400℃이하로 낮아지면, 충분한 성형밀도가 나오지 않으며, 500℃이상으로 높아지면 성형다이가 열적 충격에 의하여 크랙 등이 빈번하게 발생한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시에 따른 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD코아 제조방법에 대한 설명은 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시에 따른 비정질 합금분말을 이용한 SMD코아 제조방법의 공정절차도를 도시한 것으로, 상기 SMD코아 제조방법은 비정질금속 합금분말의 코팅공정(10)과 상기 코팅된 비정질금속 합금분말을 온간성형법으로 성형하는 온간성형공정(20)과 상기 온간성형법으로 제조된 비정질금속 합금분말을 열처리 하는 열처리 공정(30)이다.
사용된 비정질금속 합금분말은 결정화 개시온도이상에서 열처리에 의하여 나노결정화가 가능한 합금계로서 Fe-Si-B계, Fe-Nb-B계, Fe-Al-B계 등을 포함한다.
사용하는 비정질금속 합금분말의 평균입경은 10∼100㎛이 적당하며, 10㎛이하에서는 성형성이 나빠지며, 100㎛이상이 되면 저주파 대역에서 연자기 특성은 향상되지만 고주파 대역에서 연자기 특성이 떨어진다.
비정질금속 합금분말의 코팅공정(10)에서 비정질금속 합금분말입자간의 절연성 및 결합성을 부여하기 위하여 사용되는 결합제의 경우, 결합제의 연화점은 고투자율 발현을 위한 비정질금속 합금분말의 열처리 온도보다 낮아야 하며 온간성형온도에서 성형압력에 의해 코아의 형상을 유지하면서 크랙 발생을 억제할 수 있는 결합제를 사용하며, 바람직하게는 폴리이미드(polyimide)계, 페놀(phenol)계의 열가소성 수지가 적당하다. 결합제의 양은 총질량의 0.5~2.0wt%로 제한하는 것이 바람직하다. 0.5wt% 이하에서는 접합강도가 약하여 합금분말의 성형 시 표면 크랙이 빈번하게 발생하고, 결합제의 양이 2.0wt%이상으로 많으면 합금분말 입자간의 접합강도는 강해지지만 성형체중에 결합제의 양이 많게 되어 연자기 특성이 저하된다.
온간성형공정(20)에서 성형온도는 400∼500℃가 바람직하며, 400℃이하에서는 충분한 성형밀도가 나오지 않으며, 500℃이상에서는 성형 다이가 열적 피로에 의해 빠르게 손상을 입는다. 성형압력은 15∼20톤/cm2이 적당하며, 15톤/cm2이하에서는 충분한 성형코아의 밀도가 나오지 않으며, 20톤/cm2이상에서는 성형다이의 크랙이 빈번하게 발생한다.
성형코아에 대한 열처리 공정(30)은 분말의 제조 및 성형 시에 야기된 응력의 제거, 비정질 금속합금 분말 내부의 조직을 나노결정화를 시켜줌으로써 우수한 연자기 특성의 발현과 결합강도의 증대를 얻기 위한 목적으로 수행된다. 열처리 온도는 비정질 합금분말의 결정화 개시온도보다 10∼50℃ 높은 온도에서 하는 것이 적당하며, 10℃이하에서는 충분한 나노결정화가 되지 않으며, 50℃이상에서는 부분적으로 조대한 결정화가 발생할 수 있다. 열처리 시간은 0.5∼1hr 동안 하는 것이 적당하며, 0.5hr 이하에서는 충분한 응력제거 및 나노결정화가 되지 않으며, 1hr 이상에서는 경제성이 떨어진다.
열처리 분위기는 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 비산화성 가스 또는 수소(H2) 등의 환원성 가스로 하는 것이 좋다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
실시예1
복합(물+가스)아토마이징법으로 제조된 평균입경이 20㎛인 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1(at%) 비정질금속 합금분말 1,000g에 결합제인 폴리이미드를 금속합금분말 총질량의 1.0wt%의 범위에서 메틸렌클로라이드(methylene chloride)에 녹여 제조된 용액을 부어 혼합한 후, 건조처리를 행하여 폴리이미드가 합금분말의 표면에 0.1㎛이하의 두께로 균일하게 코팅된 복합입자의 분말을 제조하였다. 상기 결합제로 코팅된 비정질금속 합금분말을 450℃로 유지된 성형용 금형에서 18톤/㎠의 압력으로 성형한 다음, 질소(N2) 가스 환경하에 540℃의 온도에서 1hr 나노결정화 열처리하여 나노결정금속 합금분말 SMD 코아를 제조하였다.
본 실시예에서 제조된 SMD 코아는 본체와 커버로 분리된 부품으로써, 상기의 방법을 이용하여 비정질 합금분말을 이용한 SMD 코아의 본체와 커버를 제조하였으며, 각각을 도 2와 도 3에 도시하였다. 도 2는 상기의 방법으로 제조된 SMD코아의 본체를 도시한 것이고, 도 3은 상기의 방법으로 제조된 SMD 코아의 커버를 도시한 것으로 상기 제조된 SMD 코아의 크기는 도면상에 표시하였다. 제조된 SMD 코아에 대한 밀도 및 철손, 여러 주파수 대역에서의 실효투자율(μ) 및 실효투자율비μ1 ㎒ /μ 1㎑ )를 표 1에 나타내었다.
본 실시예에서 분말입경 평균크기는 Laser 입도분석기에 의해 분석한 평균입경의 값을 나타낸 것이며, 코아의 밀도는 코아의 실제 중량을 코아의 체적으로 나누어 계산된 값이며, 철손(Core Loss)은 BH Analyzer를 이용하여 50kHz의 주파수에서 1,000Gauss의 유도자속밀도하에 측정된 값이며, 결정화개시온도는 DSC(Differential Scanning Calrolimeter)에서 3℃/분의 가열속도로 가열하면서 측정한 값으로 본 실시예에서 사용한 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 비정질금속 합금 분말의 결정화 개시온도(Tx)는 520℃ 부근이었다. 실효투자율(μ)값은 LCR meter를 이용하여 각각의 주파수 대역에서 10mOe의 외부자장하에서 측정된 값이다. 실효투자율비 (μ1MHz/μ1kHz)는 1MHz와 1kHz에서 각각 측정된 실효투자율 값의 비를 나타낸 것이다.
실시예 2
결합제로 폴리이미드의 양을 0.5wt%로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
실시예 3
성형온도를 400℃로 하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
실시예 4
성형압력을 15톤/cm2로 하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
비교예 1
종래의 고투자율재용 SMD 코아 원료로 일반적으로 사용되고 있는Fe86Si13Cr1(at%) 합금 분말(평균입경 30㎛)을 사용하는 것 이외에는 실시예1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
비교예 2
결합제로 폴리이미드의 양을 2.5wt%로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
비교예 3
성형온도를 상온 및 300℃로 하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
비교예 4
성형압력을 10톤/cm2로 하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
비교예 5
나노결정화 열처리의 온도를 결정화 개시온도보다 100℃ 높은 620℃로 하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 제 특성을 표 1에 나타내었다.
표 1.을 참조하여 분석결과를 살펴보면 다음과 같다.
모든 실시예의 경우에 있어서, Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 비정질 합금분말에 결합제(폴리이미드)를 코팅하여 복합분말을 제조한 후 400∼500℃의 온도에서 15∼20ton/㎠ 의 압력으로 성형하여 제조한 SMD코아의 성형밀도가 6.0 g/cm3 이상을 나타내며, 실효투자율(100kHz)이 200이상, 철손(50kHz, 1,000Gauss)이 250mW/cc이하로서 300℃이하의 온도에서 성형한 것에 비하여 50% 이상 특성이 향상되었고, 종래의 결정질(예: FeSiCr 합금, 센더스트 등)재에서 불가했던 100㎑에서 실효투자율 값이 200 이상을 나타내는 것을 알 수 있다.
조건 번호 비정질합금 (at%) 성형밀도
(g/㎠)		 철손
(mW/cc)		 실효투자율(μ) 실효투자율비
(μ1MHz/μ1kHz)
1kHz 1MHz
실시예1 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 6.25 150 250 180 0.72
실시예2 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 6.43 110 330 200 0.67
실시예3 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 6.05 210 215 170 0.79
실시예4 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 6.17 180 228 175 0.77
비교예1 Fe86Si13 Cr 1 6.58 650 60 57 0.95
비교예2 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 5.85 170 125 115 0.92
비교예3 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 5.73 190 110 105 0.95
비교예4 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 5.87 175 126 115 0.92
비교예5 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 6.24 760 30 29 0.97

Claims (3)

  1. 나노결정계 비정질금속 합금분말에 금속분말 총중량의 0.5∼2.0wt%의 폴리이미드 등의 결합제를 분말표면에 균일하게 코팅하는 코팅공정;

    상기 코팅된 비정질 합금분말을 400~500℃로 유지한 온도에서 15∼20 ton/㎠의 압력으로 온간성형하여 제조하는 SMD 인덕터 코아 제조공정;

    상기 SMD 코아를 결정화 개시온도보다 10∼50℃ 높은 온도에서 나노결정화 열처리하는 열처리 공정;
  2. 제 1항에 있어서, 나노결정계 비정질 연자성 금속합금 분말은 FeSiB계, FeCSiP계, FeNbB계 등의 비정질금속 합금분말을 이용한 SMD 인덕터 코아 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 SMD 인덕터 코아는 실효투자율이 100kHz의 주파수에서 200이상이고, 철손값이 50kHz의 주파수 및 1,000Gauss의 자장하에서 250mW/cc이하인 것을 특징으로 하는 SMD 인덕터 코아
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