KR20240051074A - Fe-Si-Ｂ계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법 - Google Patents

Fe-Si-Ｂ계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법 Download PDF

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Abstract

철(Fe), 붕소(B) 및 규소(Si)를 필수로 하는 Fe-Si-B계 합금용탕을 출탕노즐로부터 냉각롤의 표면으로 분출하고, 상기 냉각롤을 표면속도가 15m/sec 이상, 50m/sec 이하가 되도록 회전시켜서, 상기 냉각롤의 표면상에서 상기 합금용탕을 급랭함으로써 합금박대를 제조하는 방법으로서, 상기 출탕노즐은, 폭이 0.6mm 이상, 2.0mm 미만인 단일의 슬릿이 형성되어 있고, 상기 냉각롤은, 곡률이 8×10-4 이상, 2×10-3 미만이며, 5℃ 이상, 60℃ 미만의 냉각수를, 0.3m3/min 이상, 20m3/min 미만의 냉각수량으로 상기 냉각롤에 통수함으로써 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만의 급랭응고 합금박대를 제조한다.

Description

Fe-Si-Ｂ계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법
본 발명은, Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대(厚板急冷凝固合金薄帶)의 제조방법에 관한 것이다.
최근에 전자부품으로서 사용되는 인덕터나 리액터라고 하는 각종 수동소자나 트랜스용으로, 철손(鐵損)이 낮고 포화자속밀도(飽和磁束密度) 가 높은 재료가 시장으로부터 요구되고 있다. 투자율(透磁率)이 높고 철손이 전자강판(電磁鋼板)에 비해서 낮은 재료로서, 철기(鐵基)의 비정질재료(非晶質材料)나 철기의 나노결정재료(nano結晶材料)라고 하는, 철(Fe), 붕소(B), 규소(Si)를 주원료라고 하는 연자성재료(軟磁性材料)가 알려져 있다. 이러한 연자성재료를 사용하여 용탕급랭응고법(溶湯急冷凝固法)에 의해 제작되는 두께 17μm로부터 25μm 정도의 Fe-Si-B계 급랭응고 합금박대는, 인덕터나 트랜스 등에 감아 철심으로서 사용되고 있고, 종래의 전자강판을 대신하는 것으로서 수요가 해마다 확대되고 있다.
또한 철기의 비정질합금은, 모터용 적층철심(積層鐵心)으로서 이용되고 있는 전자강판(규소강판)에 대하여, 철손이 약1/10, 투자율이 3배 이상이라고 하는 우수한 연자기(軟磁氣) 특성을 가지고 있기 때문에, 상기한 인덕터나 트랜스용 이외에, 모터용의 권철심(捲鐵心)으로서 사용함으로써 모터의 소형, 고효율화에 기여하는 것이 기대되고 있다. 그러나, 두께 17μm로부터 25μm 정도의 철기의 비정질합금은, 적층철심으로 하기 위해서 필요한 펀칭가공(punching 加工)을 할 수 없는 것에 더하여, 점적률(占積率)이 저하하는 등의 원인에 의하여 권철심으로서 일부의 한정된 모터에만 적용되어있는 것에 불과하다.
Fe-Si-B계의 비정질합금은, 종래에 104 ∼ 106K/sec라고 하는 매우 빠른 급랭응고속도로, 두께 17μm로부터 25μm 정도의 급랭응고 합금박대가 아니라면 비정질조직을 얻지 못하였지만, 비특허문헌1에서는, 인(P)을 첨가함으로써 급랭응고속도를 저하시켜, 두께 50μm 정도의 철기의 비정질 합금박대가 얻어지는 것이 개시되어 있다. 그러나, 인첨가계 합금은, 인의 첨가에 의해 포화자속밀도 Bs의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 합금용해시에 인성분이 휘발해서 용탕급랭장치 내외의 오염이 현저해지고, 또한 불타기 쉬울 우려가 있기 때문에, 아직 산업분야에서의 응용예는 적다.
특허문헌1 및 특허문헌2에는, 복수의 슬릿노즐(slit nozzle)로부터 회전하는 냉각롤상으로 합금용탕을 출탕하는 다중슬릿법(多重slit法)에 의하여 펀칭가공이 가능할 정도의 판두께(50μm 이상)를 구비하는 급랭합금박대를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌1 및 특허문헌2은, 이러한 판두께의 철계 비정질합금을, 저비용이고 또한 비정질합금의 균질성(均質性)이나 등품질성(等品質性)을 안정하게 유지하면서 양산하기 위한 제조장치의 사양이나 조업 파라미터를 개시하는 것은 아니다.
특허문헌3 및 특허문헌4에는, 2개의 냉각롤에 대하여 다중슬릿노즐로부터 용탕을 교대로 출탕하여 판두께가 30μｍ 이상인 철계 비정질합금을 제작하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서 사용하는 제조장치는, 2개의 냉각롤이 필수이기 때문에 제조비용 및 운전비용이 대폭적으로 증대할 뿐만 아니라, 철계 비정질합금의 판두께 및 급랭상태에 크게 영향을 주는 노즐선단과 냉각롤 표면의 갭의 컨트롤이, 하나의 냉각롤만을 구비하는 통상의 단일롤 용탕급랭장치에 대하여는 극히 어렵게 된다.
특허문헌5에는, 판두께가 30μｍ 이상인 철계 비정질합금을 제조하는 단일롤 용탕급랭장치에 사용되는 냉각롤이 개시되어 있지만, 냉각수 유로의 구조가 복잡하기 때문에 제조비용이 높아진다고 하는 문제가 있다. 또한 특허문헌5에는, 비정질 박대의 판두께가 증가함에 따라서 냉각수의 유량을 증가시키는 것이 기재되어 있지만, 알맞는 롤냉각수량은 밝혀져 있지 않다. 또한 롤지름에 대해서는, 비정질 박대의 판두께에 대응하여 서로 다른 직경으로 하는 것이 권장되고 있지만, 냉각롤 및 구동기구를 판두께에 대응하여 복수 준비하면, 장치의 제조비용이 대폭적으로 증대하게 되어, 생산효율을 고려하면 양산장치로서의 적용이 곤란하다.
특허문헌6에는, 다공노즐(多孔nozzle)을 사용하여 광폭(廣幅)의 급랭박대를 제작할 때의 금속박대(金屬薄帶)의 두께가 불균일하게 되는 것을 억제하는 금속박대의 제조방법이 개시되어 있다. 특허문헌6의 발명은, 노즐 개구부의 형상에 특징을 구비하는 것이지만, 가공이 어렵기 때문에 노즐 가공비가 폭등한다고 하는 문제가 있어서, 양산 레벨에서의 이용은 어렵다.
특허문헌7에는, 50∼200μm 두께의 박대상 땜납재료(brazing filler metal ribbon)를, 단일롤 용탕급랭장치에 의하여 제작하는 방법이 개시되어 있지만, 이 방법에서 얻어지는 박대상 납땜재료는 결정질의 Ni기 합금이기 때문에 두께가 50μｍ 정도인 비정질조직을 구비하는 급랭응고합금의 제조기술을 개시하는 것은 아니다.
특허문헌8에는, 폭이 넓은 비정질 합금박대가 가지는 철손의 주요원인인 히스테리시스 손실을 저감하는 것을 목적으로 하여, 파도모양 요철이 자유면에 형성된 Fe기 비정질 합금박대를 단일롤법에 의해 제조하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌8에는, 용탕노즐의 폭방향 온도분포나, 냉각롤 표면의 조도(粗度)에 관한 기재는 있지만, 적층철심에 적용할 수 있는 비정질조직을 구비하는 철기의 급랭응고합금의 제조기술을 개시하는 것은 아니다.
이와 같이 종래의 슬릿노즐을 사용한 두께 30μm 이상의 Fe-Si-B계 용탕급랭합금을 제조하는 기술로서는, 인(P)첨가 등에 의한 합금의 비정질 생성능력을 향상하는 것 이외에, 복수열의 슬릿을 냉각롤의 회전방향과 수직으로 배치한 멀티슬릿 출탕노즐을 사용하는 제안이 되어 있다. 그러나, 복수열의 슬릿으로부터 용탕을 분출하는 등에 의해 출탕 레이트가 높아지면, 냉각롤에 의하여 합금용탕을 급랭하기 어려워져, 비정질조직을 얻기 어려워진다. 이 때문에 본 과제에 대한 해결책으로서, 냉각롤의 냉각수로 구조의 연구나, 냉각롤을 2대 병렬로 배치하여 교대로 용탕을 공급하는 등의 대책이 종래로부터 고안되어 있다. 이러한 대책은, 어느 것이나 모두 용탕급랭장치의 구성이 복잡하기 때문에 두께 30μm 이상의 Fe-Si-B계 용탕급랭합금을 저렴하게 안정적으로 양산하는 용탕급랭기술은 확립되어 있지 않고, 지금까지 양산 레벨로 시장에 제공된 실적은 없다.
특허문헌1: 일본국 공개특허 특개평5-329587호 공보 특허문헌2: 일본국 공개특허 특개평7-113151호 공보 특허문헌3: 일본국 특허제5114241호 공보 특허문헌4: 일본국 특허제5270295호 공보 특허문헌5: 일본국 공개특허 특개2015-205290호 공보 특허문헌6: 일본국 공개특허공보 특개소63-220950호 공보 특허문헌7: 일본국 공개특허공보 특개소63-157793호 공보 특허문헌8: 일본국 특허제6107140호 공보
비특허문헌1: 고포화자속밀도를 구비하는 신규 벌크금속 글라스/비정질 후판의 제작(동북대학·금속글라스 종합연구센터) 마키노 아키히로(牧野彰宏), 쿠보타 켄(久保田健), 상춘도(常春濤)
현재, 트랜스용 등에 응용되고 있는 Fe-Si-B계 비정질재료는, 두께가 20μm 전후라서 적층철심에 이용 가능한 두께 레벨이지는 않다. 또한 Fe-Si-B계 비정질재료의 후판화(厚板化)를 가능하게 하는 선행기술은, 연자기 특성의 저하를 초래하거나 생산성이나 비용에 문제가 있다. 이 때문에 합금조성에 의거하지 않고, Fe-Si-B계 비정질재료의 후판화가 가능하고 또한 저렴하고 고성능의 Fe-Si-B계 비정질재료로 이루어지는 합금박대를 양산하는 방법이, 전자부품시장에 있어서 강하게 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은, 모터 등의 적층철심으로서 바람직한 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대를 저비용으로 용이하게 양산할 수 있는 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법의 제공을 목적으로 한다.
도5는, 종래의 Fe-Si-B계 급랭응고 합금박대의 제조방법에 사용하는 장치의 개략적인 구성도이다. 도5에 나타나 있는 바와 같이, 용탕용기(51)의 노즐(52)로부터 냉각롤(54)의 표면에 공급된 합금용탕은, 냉각롤(54)상에서 급랭이 되어진 후에 냉각롤(54)로부터 박리됨으로써 Fe-Si-B계 용탕급랭 합금박대가 얻어진다. 냉각롤(54)의 표면에 있어서는, 합금의 융점과 글라스 전이온도의 사이를 민첩하게 통과시켜서 결정화가 일어나지 않도록, 합금용탕을 급랭해서 비정질조직을 얻는 1차냉각이 이루어진다. 1차냉각이 이루어진 급랭응고합금은, 과냉각(過冷却) 상태이기 때문에 응고잠열(凝固潛熱)에 의한 자기발열에 의해 재결정화할 우려가 있다.
이 때문에 종래의 Fe-Si-B계 급랭응고합금의 양산공정에서는, 냉각롤(54)의 표면으로 분출된 용탕이, 냉각롤(54)의 표면에 반주(半周) 정도 붙은 상태에서 1차냉각이 이루어져서 응고잠열이 제거된다. 1차냉각에 의하여 형성된 비정질조직으로 이루어지는 급랭응고 합금박대(55)는, 고상(固相)의 상태에서 2차냉각이 이루어져서 냉각롤(54)로부터 박리된다.
상기의 종래기술에 있어서, 용탕을 냉각롤(54)의 반주 정도에 접촉시키고 있는 것은, 급랭응고 합금박대(55)를 급랭응고의 직후에 냉각롤(54)로부터 박리하면, 과냉각상태의 급랭응고 합금박대(55)가 가지는 응고잠열이 개방되어서 재결정화하는 것을 방지하기 위해서다. 그러나, 이렇게 냉각롤(54)의 표면에 있어서 용탕의 공급위치로부터 박리위치까지의 거리를 길게 하면, 냉각롤(54)의 회전에 의해 박리위치에 용탕이 다시 공급될 때까지의 시간이 짧아지기 때문에, 단위시간당의 용탕공급 레이트가 높아지면, 냉각롤(54)의 표면온도가 충분히 저하되지 않는 상태에서 냉각롤(54)에 대한 용탕공급이 반복되게 된다. 이 결과, 냉각롤(54)의 표면온도가 지나치게 올라서, 용탕급랭을 계속할 수 없을 우려가 있었다.
본 발명은, 응고잠열의 개방에 의한 재결정화가 일어나지 않는 것 같은 급랭응고합금조직을 형성하기 때문에, 냉각롤에 요구되는 냉각능력을 다양한 시험을 통해서 밝힌 것이다. 즉 본 발명은, 급랭응고 합금박대의 사이즈에 대응하여, 냉각롤의 표면속도, 곡률, 냉각수량 및 냉각수온의 바람직한 조건을 밝힘으로써 제조장치의 구성을 복잡화 하지 않고, 모터 등의 적층철심용으로서 적합하게 사용할 수 있는 Fe-Si-B계 용탕급랭 합금박대를 저비용으로 용이하게 양산 가능하게 한 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 철(Fe), 붕소(B) 및 규소(Si)를 필수로 하는 Fe-Si-B계 합금용탕을 출탕노즐로부터 냉각롤의 표면으로 분출하고, 상기 냉각롤을 표면속도가 15m/sec 이상, 50m/sec 이하가 되도록 회전시켜서, 상기 냉각롤의 표면상에서 상기 합금용탕을 급랭함으로써 합금박대를 제조하는 방법으로서, 상기 출탕노즐은, 폭 0.6mm 이상, 2.0mm 미만의 단일의 슬릿이 형성되어 있고, 상기 냉각롤은, 곡률이 8×10-4 이상, 2×10-3 미만이며, 5℃ 이상, 60℃ 미만의 냉각수를, 0.3m3/min 이상, 20m3/min 미만의 냉각수량으로 상기 냉각롤에 통수함으로써 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만인 급랭응고 합금박대를 제조하는 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 의해 달성된다.
이 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 있어서, 상기 출탕노즐의 상기 슬릿의 길이는 20mm 이상, 300mm 미만인 것이 바람직하다.
상기 냉각롤은, Cu, Mo 또는 W 중에서 어느 하나를 주성분으로 하는 재료로 이루어지고, 표면의 산술평균조도 Ra가 10nm 이상, 20μm 미만이며, 길이가 상기 슬릿의 길이보다도 50mm 이상, 400mm 미만 길게 되도록 형성되고, 표면으로부터 냉각수의 유로까지의 두께가 5mm 이상, 50mm 미만인 것이 바람직하다.
상기 슬릿으로부터 분출되는 상기 합금용탕의 출탕압력은 5kPa 이상, 40kPa 미만인 것이 바람직하다.
상기 냉각롤의 직경은 1000mm 이상, 2500mm 미만인 것이 바람직하다.
상기 합금용탕의 조성식이 TLoo-x-y-z-nQxSiyMn(T는 Fe, Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로서 Fe를 반드시 포함하는 전이금속원소이고, Q는, B, C로 이루어지는 군으로부터 선택되고 B를 반드시 포함하는 1종 이상의 원소이고, M은, P, Al, Ti, V, Cr, Mn, Nb, Cu, Zn, Ga, Mo, Ag, Hf, Zr, Ta, W, Pt, Au 및 Pb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소)으로 표현되고, 조성비율 x, y 및 n 이, 각각 5≤x<20원자%, 2≤y<15원자%, 0≤n<10원자%를 충족시키는 것이 바람직하다.
상기의 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 의하여 모터 등에 대한 적용이 용이한 적층철심으로서 사용하는 것이 가능한 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만인 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대를 얻는 것이 가능하고, 예를 들면 비정질조직을 90부피% 이상 포함하는 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대를 저비용으로 용이하게 제조할 수 있다. 이러한 사이즈의 급랭응고 합금박대는, 예를 들면 EV용 모터, 압축기, 발전기 등에 적용되는 적층철심의 제조용으로서 바람직하다. 상기한 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대는, 펀칭가공 혹은 와이어 커트나 레이저 커트 등에 의해 원하는 형상으로 가공한 후에, 수지접착이나 코킹 등의 방법을 사용하여 적층철심을 얻을 수 있다. 제작한 적층철심은, 와이어 커트나 레이저 커트 등에 의해 더 가공함으로써 모터용으로 이용 가능한 분할철심을 얻을 수도 있다.
본 발명의 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 의하면, 모터 등의 적층철심으로서 바람직한 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대를 저비용으로 용이하게 양산할 수 있다.
[도1]본 발명의 하나의 실시형태에 관한 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 사용하는 장치의 개략적인 구성도이다.
[도2]도1에 나타내는 장치의 요부를 나타내는 확대도로서, (a)는 단면도, (b)는 저면도이다.
[도3]본 발명의 하나의 실시형태에 관한 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법의 상세를 설명하기 위한 도식도이다.
[도4]도1에 나타내는 장치의 다른 요부를 나타내는 확대도로서, (a)는 종단면도, (b)는 (a)의 A-A 단면도이다.
[도5]종래의 Fe-Si-B계 급랭응고 합금박대의 제조방법에 사용하는 장치의 개략적인 구성도이다.
[도6]본 발명의 하나의 실시예에서 얻어진 Fe-Si-B계 급랭응고 합금박대의 X선회절패턴이다.
[도7]본 발명의 다른 실시예에서 얻어진 Fe-Si-B계 급랭응고 합금박대의 X선회절패턴이다.
[도8]본 발명의 하나의 비교예에서 얻어진 Fe-Si-B계 급랭응고 합금박대의 X선회절패턴이다.
[합금조성]
본 실시형태의 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 사용되는 합금용탕은, 조성식이 TLoo-x-y-z-nQxSiyMn으로 나타내어진다. Q는, B, C로 이루어지는 군으로부터 선택되고 B을 반드시 포함하는 1종 이상의 원소다. 또한 M은, P, Al, Ti, V, Cr, Mn, Nb, Cu, Zn, Ga, Mo, Ag, Hf, Zr, Ta, W, Pt, Au 및 Pb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소다. 조성비율 x, y 및 n은, 각각 5≤x<20원자%, 2≤y<15원자%, 0≤n<10원자%이다.
Fe을 필수원소로서 포함하는 전이금속 T는, Q, Si 및 M의 함유량 이외의 잔여부분을 차지한다. Fe의 일부를, Fe와 동일한 강자성 원소인 Co 및 Ni의 1종 또는 2종으로 치환해도, 원하는 경자기특성(硬磁氣特性)을 얻을 수 있다. 다만, Fe에 대한 치환량이 30%를 넘으면, 자속밀도의 대폭적인 저하를 초래하기 때문에, 치환량은 0%∼30%의 범위로 한정된다.
Q(=B+C)의 조성비율 x가 5원자% 미만이 되면, 비정질 생성능력이 크게 저하하여 용탕급랭응고시에 α-Fe가 석출되는 한편, 연자성 조성의 경우에, 조성비율 x가 20원자%를 넘으면 Fe의 성분비율이 저하하는 것으로부터, 자속밀도가 저하해서 고성능의 연자성재료를 얻기 어려워진다. 이 때문에 조성비율 x는, 5원자% 이상, 20원자% 미만이다. 조성비율 x는, 7원자% 이상, 19원자% 미만인 것이 바람직하고, 8원자% 이상, 19원자% 미만인 것이 더 바람직하다.
Q에 있어서 B에 대한 C의 치환율 C/(B+C)이 올라가면, 합금용탕의 융점이 낮아져 급랭응고시에 사용하는 내화물(耐火物)의 손모량(損耗量)이 감소하기 때문에, 급랭응고에 관계되는 공정비용을 억제할 수 있다. 다만, B에 대한 C의 치환율이 지나치게 크면, 비정질 생성능력이 크게 저하하기 때문에, 치환율 C/(B+C)는, 0 이상, 0.5 미만이 바람직하고, 0 이상, 0.3 미만이 보다 바람직하고, 0 이상, 0.2 미만이 더 바람직하다.
Si는, Fe 및 B와 동시에 첨가함으로써 비정질 생성능력을 향상시키고 또한 철기의 붕소계 급랭응고합금의 투자율을 높이는 원소로서 유효하지만, Si의 첨가량 y가 15원자%를 넘으면 포화자속밀도 Bs가 대폭적으로 저하하기 때문에, y는 15원자% 미만으로 한다. 또한 y는, 투자율의 향상의 관점으로부터 2원자% 이상이 바람직하다. y는 2.5원자% 이상, 12원자% 미만이 더 바람직하다.
M의 첨가에 의하여 비정질 생성능력의 향상이나, 급랭응고 금속조직의 미세화 등에 의하여 급랭응고시의 생산성의 향상이 얻어진다. 다만, M의 조성비율 n이 10원자%를 넘으면, 포화자속밀도 Bs의 저하를 초래하기 때문에, n은 0원자% 이상, 10원자% 미만으로 한정된다. n은, 0원자% 이상, 7원자% 미만인 것이 바람직하고, 0원자% 이상, 5원자% 미만인 것이 더 바람직하다.
[합금용탕의 급랭응고장치(단일롤 용탕급랭장치)]
도1은, 본 발명의 하나의 실시형태에 관한 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 사용하는 단일롤 용탕급랭장치의 개략적인 구성도이다. 도1에 나타내는 단일롤 용탕급랭장치(1)는, 용해로(2)와 저탕용기(5)와 냉각롤(8)을 구비하고 있다.
용해로(2)는, 원료를 용해한 합금용탕(3)을, 경동축(傾動軸)(4)의 회전에 의해 저탕용기(5)에 공급한다. 저탕용기(5)는, 바닥부에 출탕노즐(出湯nozzle)(6)을 구비하고 있어, 출탕노즐(6)의 하단에 형성된 슬릿(7)으로부터 냉각롤(8)의 표면(외주면)에 합금용탕(3)을 분출한다. 냉각롤(8)은, 내부에 냉각수가 공급됨으로써, 표면에 접촉하는 합금용탕을 급랭하여 급랭응고 합금박대(9)를 형성한다.
도2는, 도1에 나타내는 장치의 출탕노즐(6)을 나타내는 확대도로서, (a)는 단면도, (b)는 저면도이다. 도2(a)에 나타나 있는 출탕노즐(6)은, 단일의 슬릿(7)이 형성된 싱글슬릿노즐(single slit nozzle)이다. 슬릿(7)의 폭(W1)은, 0.6mm 이상, 2.0mm 미만으로 설정된다. 폭이 0.6mm 미만인 경우에는, 슬릿(7)을 통과하는 용탕의 흐름이 저해되어서 출탕 레이트가 저하하고, 평균두께가 30μm 이상인 급랭응고 합금박대(9)를 얻는 것이 곤란해진다. 한편, 폭이 2.0mm 이상에서는, 냉각롤(8)에 공급되는 용탕 출탕 레이트가 지나치게 커져서, 냉각롤(8)에 의한 용탕냉각이 충분히 이루어질 수 없는 것으로부터, 원하는 비정질조직이 얻어지지 않을 우려가 있다. 슬릿의 가공성 및 정밀도를 고려하면, 슬릿(7)의 폭(W1)은, 0.7mm 이상, 1.6mm 미만이 보다 바람직하고, 0.7mm 이상, 1.4mm 미만이 더 바람직하다.
도2(b)에 나타나 있는 슬릿(7)의 길이(L1)는, 냉각롤의 폭이나, 필요로 하는 모터 등의 철심 사이즈에 의해 적절하게 선택되고, 반드시 제한되는 것은 않지만, 길이가 20mm 미만에서는, 적층철심으로서의 응용분야가 한정되는 한편, 길이가 300mm 이상에서는, 냉각롤(8)에 공급되는 용탕 출탕 레이트가 지나치게 커져서, 냉각롤(8)에 의한 용탕냉각이 충분히 이루어질 수 없는 것으로부터, 원하는 비정질조직이 얻어지지 않을 우려가 있다. 따라서 슬릿(7)의 길이(L1)는, 20mm 이상, 300mm 미만이 바람직하고, 운전비용을 포함하는 생산성이나 단일롤 용탕급랭장치의 비용을 고려하면, 30mm 이상, 250mm 미만이 보다 바람직하고, 40mm 이상, 200mm 미만이 더 바람직하다.
도2(a)에 나타나 있는 슬릿(7)의 깊이(D1)는, 출탕노즐(6)의 바닥부의 두께에 의거하여 결정되지만, 2mm 미만에서는 바닥부의 강도부족이 발생하기 쉬운 한편, 15mm 이상에서는 슬릿(7)을 통과하는 용탕의 온도저하에 의해 노즐폐색(nozzle 閉塞)의 가능성이 높아진다. 따라서 슬릿(7)의 깊이(D1)는, 2mm 이상, 15mm 미만이 바람직하고, 출탕의 안정성(직진성)을 고려하면 3mm 이상, 12mm 미만이 보다 바람직하고, 3mm 이상, 10mm 미만이 더 바람직하다.
도1에 있어서, 출탕노즐(6)로부터 냉각롤(8)로 공급된 용탕은, 냉각롤(8)의 표면에서 탕웅덩이(퍼들(puddle))을 형성해서 용탕급랭 응고반응이 발생하기 때문에, 적절한 퍼들의 생성은 중요하다. 출탕노즐(6)의 선단으로부터 냉각롤(8)의 표면까지의 거리(d)는 30mm 이상이면 퍼들의 생성이 안정되지 않는 한편, 0.15mm 미만에서는 냉각롤(8)의 열팽창도 요인이 되어서, 거리(d)를 일정하게 유지하기 어렵다. 따라서 거리(d)는, 0.15mm 이상, 30mm 미만이 바람직하다. 거리(d)를 정밀하게 제어하기 위한 설비비용도 고려하면, 거리(d)는, 0.3mm 이상, 30mm 미만이 보다 바람직하고, 급랭응고 합금조직의 균질성을 고려하면, 0.3mm 이상, 20mm 미만이 더 바람직하다.
도3에 나타나 있는 바와 같이, 냉각롤(8)의 표면에 공급된 용탕은, 냉각롤(8)의 회전에 의하여 출탕노즐(6)의 슬릿(7) 바로 아래의 주탕위치(注湯位置)(P)로부터, 급랭응고 합금박대(9)가 되어서 냉각롤(8)로부터 박리되는 박리위치(剝離位置)(Q)까지 이동하는 사이에, 합금용탕을 과냉각액체 상태로까지 급랭하는 1차냉각과, 과냉각액체가 가지는 응고잠열을 방출하여 재결정을 일으키게 하지 않기 위해서 2차냉각이 이루어진다. 주탕위치(P)로부터 박리위치(Q)까지의 거리(Δs)는, 상기한 1차냉각 및 2차냉각을 완료하는데에 필요한 거리를 확보할 필요가 있지만, 박리위치(Q)가 다시 주탕위치(P)까지 회전하는 사이에 냉각롤(54)의 표면온도를 충분히 저하시킬 필요가 있기 때문에, 주탕위치(P)로부터 박리위치(Q)까지의 냉각롤(8)의 회전각도(Δα)는, 주탕위치(P)로부터 박리위치(Q)까지의 사이가 직선으로 간주될 수 있을 정도로 작은 것이 바람직하다. 이 경우에, 냉각롤(8)의 반경(R)는, 다음의 식으로 구할 수 있다.
R = limΔs→0|Δs/Δα| = |ds/dα|
냉각롤(8)을, 표면속도가 15m/sec 이상, 50m/sec 이하가 되도록 회전 시키는 경우에, 1차냉각 및 2차냉각에 필요한 시간으로부터 Δs를 구할 수 있고, 이에 의해 바람직한 냉각롤(8)의 직경 2R의 수치범위가 정해진다. 바람직한 Δs의 값은, 급랭응고 합금박대(9)의 사이즈에 의존하여, 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만인 급랭응고 합금박대(9)를 얻을 경우에, 냉각롤(8)의 직경 2R은, 1000mm 이상, 2500mm 미만이며, 급랭응고 합금조직의 균질성을 고려하면 1500mm 이상, 2500mm 미만이 바람직하고, 단조법 등에 의해 제조되는 냉각롤의 가공장치상의 제약이나 제조비용을 고려하면 1500mm 이상, 2300mm 미만이 더 바람직하다.
냉각롤(8)의 곡률 κ는, 반경(R)의 역수이기 때문에, 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만인 급랭응고 합금박대(9)를 얻을 경우의 곡률κ는, 8×10-4 이상, 2×10-3 미만으로서, 8×10-4 이상, 1.3×10-3 미만이 바람직하고, 8.7×10-4 이상, 1.3×10-3 미만이 더 바람직하다.
상기의 거리(Δs) 사이에 1차냉각 및 2차냉각을 완료하기 위해서는, 냉각롤(8)의 냉각수의 수량이나 온도도 중요한 요소가 된다. 도4는, 냉각롤(8)의 일례를 나타내는 개략적인 구성도로서, (a)는 종단면도, (b)는 A-A 단면도이다. 냉각롤(8)의 회전축(81)에 일단측(IN측)으로부터 공급된 냉각수는, 유로(82)를 따라 방사상으로 넓어져서, 냉각롤(8)의 표면 전체를 냉각한 후에 합류되어서, 회전축(81)의 타단측(OUT측)으로부터 배출된다. 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만인 급랭응고 합금박대(9)를 얻을 경우에, 냉각수량이 0.3m3/min 미만이 되면, 냉각롤(8)의 표면에 있어서의 1차냉각 및 2차냉각의 완료가 곤란해지는 한편, 냉각수량이 20m3/min 이상이 되면, 용탕냉각중의 냉각롤(8)의 표면온도가 상승하지 않고, 냉각롤(8)의 IN측의 온도와 OUT측의 온도차 ΔT가 작기 때문에(예를 들면 1도(섭씨) 이하), 냉각롤(8)의 표면에 생성되는 퍼들이 불안정한 상태가 된다. 따라서 냉각수량은, 0.3m3/min 이상, 20m3/min 미만으로서, 연속조업을 상정한 양산대응 가능한 단일롤 용탕급랭장치(1)에서는, 0.5m3/min 이상, 20m3/min 미만이 바람직하고, 0.5m3/min 이상, 15m3/min 미만이 더 바람직하다.
냉각롤(8)의 냉각수의 온도는, 합금용탕과 냉각롤(8)의 밀착성에 영향을 끼친다. 냉각수의 온도가 5도(섭씨) 미만이 되면, 합금용탕과 냉각롤(8)의 밀착성이 손상되어서, 냉각롤(8)에 의한 합금용탕의 방열능력이 저하하는 한편, 60℃ 이상에서는, 냉각수를 냉각롤(8)에 공급하는 펌프의 고장을 유발할 가능성이 있는 것으로부터, 냉각수의 온도는 5℃ 이상, 60℃ 미만이다. 합금용탕과 냉각롤(8)의 밀착성을 더 향상시키기 위해서는, 냉각수온도의 하한치가 특히 중요해서, 15℃ 이상, 60℃ 미만이 바람직하고, 30℃ 이상, 60℃ 미만이 더 바람직하다.
또한 합금용탕과 냉각롤(8)의 밀착성은, 냉각롤(8)의 소재에도 영향을 끼친다. 소재의 열전도나 융점을 고려하면, 냉각롤(8)은, Cu, Mo 또는 W 중에서 어느 하나를 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것이 바람직하고, 또한 설비비용이나 운전비용을 고려하면, Cu를 주성분으로 하는 재료가 바람직하다. Cu을 주성분으로 한다고 함은, Cu의 함유비율이 50질량%를 넘는 합금의 이외에, 순동(純銅)도 포함된다(Mo나 W를 주성분으로 하는 재료에 관해서도 동일하다).
냉각롤(8)의 표면의 표면조도(表面粗度)도, 합금용탕과 냉각롤(8)의 밀착성에 영향을 끼치는 것으로부터, 냉각롤 표면의 산술평균조도 Ra를 10nm 이상, 20μm 미만으로 하는 것이 바람직하고, 생산효율과 품질을 고려하면, Ra는 50nm 이상, 10μm 미만이 보다 바람직하고, 100nm 이상, 10μm 미만이 더 바람직하다.
도4(a)에 나타나 있는 냉각롤(8)의 축방향의 길이(L2)는, 도2(b)에 나타나 있는 슬릿(7)의 길이보다도 50mm 이상, 400mm 미만 긴 것이 바람직하고, 냉각능력이나 냉각롤의 조달비용을 고려하면, 슬릿(7)의 길이보다도 100mm 이상, 300mm 미만 긴 것이 보다 바람직하고, 100mm 이상, 200mm 미만 긴 것이 더 바람직하다.
냉각롤(8)에 의한 합금용탕의 방열능력은, 도4(a)에 나타나 있는 냉각롤(8)의 표면으로부터 유로(82)까지의 두께(T2)에도 영향을 끼친다. 두께(T2)가 5mm 미만이 되면, 냉각롤(8)의 기계적 강도를 유지하는 것이 곤란해지는 한편, 두께(T2)가 50mm 이상이 되면, 합금용탕과 접촉하는 냉각롤(8)의 표면온도가 국소적으로 융점 이상이 됨으로써 냉각롤(8)의 표면에 급랭응고합금이 용착해서 용탕급랭을 계속할 수 없게 될 우려가 있다. 따라서 냉각롤(8)의 두께(T2)는, 5mm 이상, 50mm 미만이 바람직하다. 용탕급랭 처리후의 롤연마작업에 의한 손모를 생각하면, 두께(T2)는 10mm 이상, 50mm 미만이 보다 바람직하고, 용탕급랭공정의 조업안정성을 고려하면, 10mm 이상, 40mm 미만이 더 바람직하다.
출탕노즐(6)의 슬릿(7)으로부터 분출되는 합금용탕은, 냉각롤(8)의 표면에 눌리어짐으로써 상기한 바와 같이 퍼들이 생성되지만, 합금용탕의 가압력이 낮으면, 냉각롤(8)의 표면에 원하는 퍼들이 생성되기 어려운 것으로부터, 슬릿(7)으로부터의 합금용탕의 출탕압력은, 5kPa 이상, 40kPa 미만인 것이 바람직하다. 이 출탕압력은, 퍼들을 보다 안정적으로 생성하기 위하여, 10kPa 이상, 35kPa 미만이 보다 바람직하고, 15kPa 이상, 30kPa 미만이 더 바람직하다. 출탕압력은, 도1에 나타내는 저탕용기(5)내의 헤드압(head壓; 용기내의 합금용탕의 자중(自重)에 의하여 작용하는 압력, hydraulic head pressure)이나 가압력에 의해 조정할 수 있다.
이하에서, 본 발명을 실시예에 의해 더 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명은 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
하기 표1의 실시예1-6 및 비교예7-10에 나타내는 합금조성이 되도록, 순도 99.5% 이상의 B, C, Si, Nb, Cu 및 Fe의 각 원소를 배합한 소원료(素原料) 200kg을 알루미나제 도가니에 수용하고, 고주파유도 가열에 의해 용해해서 합금용탕을 형성했다. 이 합금용탕 50kg을, 표1에 나타내는 슬릿을 구비하는 BN제의 출탕노즐을 바닥부에 구비하는 내경 200mm × 높이 400mm의 알루미나제 저탕용기에 부었다. 이 후에 저탕용기의 주위에 설치된 고주파가열용 코일에 통전(通電)함으로써 합금용탕 50kg을 더 가열하고, 합금용탕의 온도가 배합조성합금의 융점보다 50℃ 이상인 고온에 도달한 후에, 출탕노즐의 상부에 배치한 알루미나제 용탕 스토퍼를 인발(引發)하였다. 이에 따라 출탕노즐로부터 바로 아래의 냉각롤 표면에 합금용탕을 분출했다. 냉각롤의 크기 및 조업 파라미터는, 표2에 나타나 있는 바와 같다. 또한 용탕의 평균 출탕 레이트를 표3에 나타낸다.
냉각롤의 표면에 접촉한 합금용탕은, 냉각롤 표면상에서 퍼들을 형성하고, 퍼들과 냉각롤의 계면(界面)에서 급랭응고 함으로써 박대모양의 급랭응고합금을 얻었다. 이 급랭응고 합금박대의 평균두께 및 평균폭은, 표3에 나타나 있는 바와 같다.
얻어진 급랭응고 합금박대에 대해서, 냉각롤 표면과 접촉하고 있었던 면(롤면) 및 냉각롤 표면과 접촉하지 않고 있는 반대측의 면(자유면)의 X선회절패턴을 측정하여 조직평가를 실시하였다. 이 결과를 표3에 비정질조직의 부피비율로서 나타낸다. 표3에 나타나 있는 바와 같이, 실시예1-6에 대해서는, 비정질 단상조직 혹은 비정질조직이 대부분을 차지하고, 자유면측에 α-Fe라고 판단되는 미세한 결정을 포함하는 조직인 것을 확인했다. 실시예의 급랭응고 합금박대의 롤면 및 자유면에 있어서의 X선회절패턴의 대표적인 예로서, 실시예1를 도6에, 실시예4를 도7에 각각 나타낸다.
한편, 비교예7에 대해서는, 표3에 나타나 있는 바와 같이, 급랭능력부족에 의해 실시예1-6과 비교해서 비정질조직의 부피비율이 감소했다. 비교예7의 급랭응고 합금박대의 롤면 및 자유면에 있어서의 X선회절패턴을 도8에 나타낸다.
도8에 나타내는 비교예7의 자유면에는, 달무리 패턴(halo pattern) 중에 용탕급랭 부족에 의한 불균일 핵생성에 의해 석출된 α-Fe가 보인다. 또한 롤면에는, α-Fe에 더하여, 용탕급랭속도가 느린 경우에 관측되는 오스테나이트상(austenite相)의 γ-Fe가 보이고, 급랭응고합금에 있어서 현저하게 용탕급랭속도가 느린 부분이 일부에 존재하는 것을 알 수 있다.
[표1]
[표2]
[표3]
본 발명에 의해 얻어지는 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대는, 리액터, 각종 모터, 발전기 등에 대한 적용이 용이한 저철손 적층철심으로서 적합하게 사용할 수 있다. 또한 각종 트랜스나 모터 등에 널리 이용되고있는 전자강판을 대신하여, 저철손에서 고투자율을 특징으로 하는 적층철심용으로 이용 가능한 Fe-Si-B계 비정질합금을 양산 규모로 저렴하게 시장에 제공할 수 있다.
1 단일롤 용탕급랭장치
2 용해로
3 합금용탕
4 경동축
5 저탕용기
6 출탕노즐
7 슬릿
8 냉각롤
9 급랭응고 합금박대

Claims (7)

  1. 철(Fe), 붕소(B) 및 규소(Si)를 필수로 하는 Fe-Si-B계 합금용탕(合金溶湯)을 출탕노즐로(出湯 nozzle)부터 냉각롤(冷却 roll)의 표면으로 분출시키고, 상기 냉각롤을 표면속도(表面速度)가 15m/sec 이상, 50m/sec 이하가 되도록 회전시켜서, 상기 냉각롤의 표면상에서 상기 합금용탕을 급랭(急冷)함으로써 합금박대(合金薄帶)를 제조하는 방법으로서,
    상기 출탕노즐은, 폭 0.6mm, 이상, 2.0mm 미만의 단일의 슬릿(slit)이 형성되어 있고,
    상기 냉각롤은, 곡률(曲率)이 8×10-4 이상, 2×10-3 미만이며,
    5℃ 이상, 60℃ 미만의 냉각수를, 0.3m3/min 이상, 20m3/min 미만의 냉각수량으로 상기 냉각롤에 통수(通水)함으로써 평균두께가 30μm 이상, 55μm 미만인 급랭응고 합금박대를 제조하는 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출탕노즐의 상기 슬릿의 길이는 20mm 이상, 300mm 미만인 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각롤은, Cu, Mo 또는 W 중에서 어느 하나를 주성분으로 하는 재료로 이루어지고, 표면의 산술평균조도(算術平均粗度) Ra가 10nm 이상, 20μm 미만이며, 길이가 상기 슬릿의 길이보다도 50mm 이상, 400mm 미만 길게 되도록 형성되고, 표면으로부터 냉각수의 유로까지의 두께가 5mm 이상, 50mm 미만인 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿으로부터 분출되는 상기 합금용탕의 출탕압력은 5kPa 이상, 40kPa 미만인 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각롤의 직경은 1000mm 이상, 2500mm 미만인 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 합금용탕의 조성식이 TLoo-x-y-z-nQxSiyMn(T는, Fe, Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로서 Fe를 반드시 포함하는 전이금속원소, Q는, B, C로 이루어지는 군으로부터 선택되고 B를 반드시 포함하는 1종 이상의 원소, M은, P, Al, Ti, V, Cr, Mn, Nb, Cu, Zn, Ga, Mo, Ag, Hf, Zr, Ta, W, Pt, Au 및 Pb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소)으로 표현되고, 조성비율 x, y 및 n이, 각각 5≤x<20원자%, 2≤y<15원자%, 0≤n<10원자%를 충족시키는 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법.
  7. 제1항의 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대의 제조방법에 의해 제조된 Fe-Si-B계 후판 급랭응고 합금박대를 원하는 형상으로 가공해서 제작된 적층철심(積層鐵心).
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