KR20240080660A - 철계 비정질 연자성 합금 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의하면, 철계 비정질 연자성 합금이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철계 비정질 연자성 합금은, 철(Fe), 실리콘(Si), 붕소(B), 탄소(C) 및 R을 포함하고, 화학식이 Fe(100-x)SiaBbCcRd로 표현된다. 화학식에서 R은 희토류금속(RE)을 포함하며, a는 3 내지 6at%, b는 12 내지 14at%, c는 0.3 내지 2at%, d는 1.0at% 이하(0 초과), x는 a, b, c 및 d의 합을 의미한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 연자성 합금에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 비정질 상태를 유지하면서도 높은 포화자속밀도를 가지는 우수한 철계 비정질 연자성 합금에 대한 것이다.
비정질 연자성 소재는 낮은 보자력으로 인해 히스테리시스 손실이 낮기때문에 고주파영역에서 에너지 효율이 높은 연자성 코어의 핵심소재이다. 비정질 연자성 소재는 멜트 스피닝(melt spinning) 방법에 의해 제조될 수 있다. 멜트 스피닝 방법에 의하면, 합금소재는 용융 후 급속응고 공정에 의해 103~105 K/s의 냉각속도로 리본 또는 분말 형태의 비정질 합금을 제조할 수 있다. 이러한 비정질 연자성 합금은 상온에서도 비정질 또는 나노결정질 구조를 유지하고 있어야 한다.
Fe계 비정질 연자성 소재는 점 및 선 결함이 없기 때문에 낮은 보자력을 가지고 있어 에너지 효율이 높은 연자성 코어에 활용할 수 있다. 비정질형성능(Glass forming ability, GFA)의 향상을 위해 메탈로이드(metalloid) 원소 (Si, B, P, C) 등이 15 ∼ 25 at.%의 범위에서 첨가되어야 하는데, 메탈로이드(metalloid) 함량이 증가할수록 강자성 원소인 Fe의 함량이 줄어들기 때문에 포화자화값의 감소가 일어나는 문제가 있다.
포화자속밀도의 증가를 위해 Fe 기지 내에 강자성 원소인 Ni, Co를 첨가한 합금들이 상용화되어 사용되고 있으나, Fe에 비해 50 배이상의 높은 가격인 Ni 및 Co의 첨가로 인해 비정질 연자성 소재의 가격 상승 원인이 되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 비정질을 유지하면서 높은 포화자속밀도를 충족시키는 새로운 조성의 철계 비정질 연자성 합금을 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 철계 비정질 연자성 합금이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철계 비정질 연자성 합금은, 철(Fe), 실리콘(Si), 붕소(B), 탄소(C) 및 R을 포함하고, 화학식이 Fe(100-x)SiaBbCcRd로 표현된다. 화학식에서 R은 희토류금속(RE)을 포함하며, a는 3 내지 6at%, b는 12 내지 14at%, c는 0.3 내지 2at%, d는 1.5at% 이하(0 초과), x는 a, b, c 및 d의 합을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 희토류금속(RE)은 2 이상 희토류금속이 혼합된 미쉬메탈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 미쉬메탈은 세륨(Ce), 란탄(La) 및 네오디뮴(Nd) 및 기타 원소로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철계 비정질 연자성 합금은 리본 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철계 비정질 연자성 합금은 멜트 스피닝 방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 기존의 철계 비정질 연자성 리본 첨가원소로 사용되지 않던 Ce, La, Nd 원소의 첨가를 통해 높은 포화자화 및 낮은 보자력의 새로운 합금을 제조할 수 있으며 이를 산업용 고주파 인덕터 소재에 활용할 수 있다. 상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예 합금 및 비교예 합금의 자화 곡선 그래프이다.
도 2는 기존 상용화된 철계 비정질 연자성 합금의 자화 곡선 그래프이다.
도 2는 기존 상용화된 철계 비정질 연자성 합금의 자화 곡선 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 비정질을 유지하면서 높은 포화자속밀도를 충족시키는 새로운 조성의 Fe계 비정질 연자성 합금을 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에서는 Fe계 비정질 연자성 모합금에 원자반경이 큰 Ce, La 및 Nd을 소정 값 이하로 미량 첨가하여 비정질을 유지하면서, 40 A/m 이하의 낮은 보자력과 175 emu/g 이상의 높은 포화자화를 갖는 새로운 조성의 Fe계 비정질 연자성 합금을 제공한다.
이러한 합금원소를 이용하여 철계 비정질 연자성 합금을 제조하였다. 제조된 철계 비정질 연자성 합금은 철(Fe), 실리콘(Si), 붕소(B), 탄소(C), 및 R을 포함하고, 아래와 같은 [화학식 1]으로 나타낼 수 있다.
[화학식] Fe(100-x)SiaBbCcRd
상기 화학식에서 R은 희토류금속(RE)을 의미한다. 상기 화학식을 참조하면, 실리콘(Si)의 함량(a)은 3 내지 6at%, 바람직하게는 3.5 내지 5.5at% 범위를 가질 수 있다. 붕소(B)의 함량(b)은 12 내지 14at%, 바람직하게는 12.5 내지 13wt% 범위를 가질 수 있다. 탄소(C)의 함량(c)은 0.3 내지 2at%, 바람직하게는 0.5 내지 2wt% 범위를 가질 수 있다. R의 함량(d)은 1.5at% 이하(0 초과)의 범위, 바람직하게는 1at% 이하(0 초과)의 범위를 가질 수 있다.
상기 희토류금속(RE)는 2 이상 희토류금속이 포함된 미쉬메탈(Misch Metal)을 포함한다. 상기 미쉬메탈은 세륨(Ce), 란탄(La), 네오디뮴(Nd), 프라세우디뮴(Pr) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 미쉬메탈은 50 내지 55at% 범위의 Ce와 함께 La 및 Nd가 포함된 Ce-미쉬메탈일 수 있다.
미쉬메탈은 단원소 희토류 금속에 비해 상대적으로 가격이 저렴하며, 포화자화 특성을 향상시키기 위하여 첨가되는 고가의 강자성 원소인 Co 혹은 Ni에 비해서도 가격 측면에서 경제적이다. 따라서 미쉬메탈을 이용하여 연자성 합금의 자기적 특성을 향상시킬 수 있을 경우에는 제조비용 측면에 매유 유리하다. 또한 미쉬메탈을 구성하는 Ce, La 및 Nd 등은 원자반경이 큰 원소라는 점에서 Fe 기지 내에 첨가될 때 비정질의 형성에 유리하다.
이에 본 발명에서는 고가의 강자성 원소인 Co를 대신하여 미쉬메탈을 첨가하여 Co 첨가된 합금에 거의 필적하는 특성을 확보하면서도 연자성 합금의 제조 비용을 낮출 수 있는 연자성 합금 제조 기술을 제공한다.
상술한 화학식을 만족하는 철계 비정질 연자성 합금을 제조하기 위하여 급속응고법이 사용될 수 있다. 대표적으로 멜트 스피닝법이 사용될 수 있다. 이를 위해 상기 화학식을 만족하는 합금조성을 가지는 합금을 용해하여 용탕을 제조한 후 이를 멜트 스피닝 장치를 이용하여 103 K/s가 넘는 고속으로 냉각시켜 리본 형태로 제조할 수 있다.
제조된 리본 형태의 합금의 자기적 특성을 평가하기 위하여 시료진동식자속계(Vibrating Sample Magnetometer)를 이용하여 포화자화값(saturated magnetization) 및 보자력(coercivity)을 측정할 수 있다.
실험예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
멜트 스피닝 장치를 이용하여 하기 표 1의 조성(단위: at%)을 갖는 리본 형태의 철계 합금을 제조하였다. 표 1에서 실시예 1 및 실시예 2는 합금을 구성하는 원소로서 희토류금속이 포함되어 있다. 상기 희토류금속는 Ce-미쉬메탈로서, Ce이 50at%, La이 25at%, Nd이 15at%, 나머지가 기타 물질인 합금이었다.
제조한 합금을 VSM 분석 장치를 이용하여 자기장에 따른 자화를 측정한 그래프(M-H 곡선 그래프)를 구하였다. 도 1에는 표 1에 나타낸 합금의 자화 곡선 그래프가 나타나 있다.
또한 표 1에는 각 합금의 포화자화(saturation magnetization) 및 보자력(coercivity)이 나타나 있다.
| 구분 | 화학조성(at.%) | 포화자화(emu/g) | 보자력(A/m) |
| 비교예 1 | Fe77.5Si0.5B17C1Co4 | 179.53 | 27.08 |
| 비교예 2 | Fe81.2Si3B13.5C2Mo0.3 | 171.35 | 30.35 |
| 비교예 3 | Fe80.8Si3B13.5C2Mo0.7 | 171.08 | 35.62 |
| 비교예 4 | Fe82.5Si2.5B13.5C0.5Co0.5Mo0.5 | 173.18 | 35.09 |
| 실시예 1 | Fe82.5Si3.5B13C0.5R0.5 | 179.70 | 30.30 |
| 실시예 2 | Fe80Si5.43B12.67C1.6R0.3 | 175.94 | 36.88 |
표 2에는 비교예 5로서, 이미 시장에서 상용화된 리본형 철계 비정질 연자성 합금의 조성, 상기 합금의 포화자화값(saturated magnetization) 및 보자력(coercivity)이 나타나 있다. 한편, 도 2에는 VSM 분석 장치를 이용하여 측정한 비교예 4의 자화 곡선 그래프가 나타나 있다.
| 구분 | 화학조성(at.%) | 포화자화(emu/g) | 보자력(A/m) |
| 비교예 5 | Fe80Si9B11 | 172.19 | 33.05 |
비교예 1의 경우에는 Co의 함량이 4at%로 비교예 2 및 3에 비해 현저하게 높은 함량으로 첨가되었으며, 이에 따라 우수한 포화자화값 및 보자력을 나타내었다. 그러나 이러한 비교예 1의 경우에는 Co 함량이 높음에 따라 합금 가격이 크게 상승하게 되는 문제가 있다.
이에 비해 Co에 비해 가격 측면에서 경제적인 Ce-미쉬메탈을 Co 대신 첨가한 실시예 1 및 2의 경우는 비교예 2 내지 4와 비교하여 유사한 수준의 보자력과 함께 더 우수한 포화자화값을 나타내었다. 또한 현재 상용화된 비정질 연자성 합금인 비교예 5에 비해서도 더 우수한 포화자화값과 동등한 수준의 보자력을 나타내었다. 실시예 1의 경우에는 비교예 1에 비해 보자력은 다소 높게 나왔으나 포화자화값은 동등 이상의 값을 나타내었다.
본 발명의 기술사상을 따르는 철계 연자성 합금은 고가의 Co를 대신하여 상대적으로 저렴한 Ce-미쉬메탈을 이용하여 동등한 수준의 자기적 특성을 획득하였다는 점에서 비용절감 및 상용화 측면에서 더 유리한 장점이 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (5)
- 철(Fe), 실리콘(Si), 붕소(B), 탄소(C) 및 R을 포함하고,
화학식이 Fe(100-x)SiaBbCcRd로 표현되며,
화학식에서 R은 희토류금속(RE)을 포함하며,
a는 3 내지 6at%, b는 12 내지 14at%, c는 0.3 내지 2at%, d는 1.5at% 이하(0 초과), x는 a, b, c 및 d의 합인,
철계 비정질 연자성 합금. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
희토류금속(RE)은 2 이상 희토류금속이 혼합된 미쉬메탈을 포함하는,
철계 비정질 연자성 합금. - 제 2 항에 있어서,
미쉬메탈은 세륨(Ce), 란탄(La) 및 네오디뮴(Nd) 및 기타 원소로 이루어진,
철계 비정질 연자성 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 철계 비정질 연자성 합금은 리본 형태를 가지는,
철계 비정질 연자성 합금. - 제 1 항에 있어서,
상기 철계 비정질 연자성 합금은 멜트 스피닝 방법에 의해 제조된 것인,
철계 비정질 연자성 합금.
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |