KR20240105885A - 고포화자화값을 갖는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 합금 조성물 및 이의 제조 방법 - Google Patents
고포화자화값을 갖는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 합금 조성물 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240105885A KR20240105885A KR1020220188352A KR20220188352A KR20240105885A KR 20240105885 A KR20240105885 A KR 20240105885A KR 1020220188352 A KR1020220188352 A KR 1020220188352A KR 20220188352 A KR20220188352 A KR 20220188352A KR 20240105885 A KR20240105885 A KR 20240105885A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- alloy composition
- iron
- soft magnetic
- based nanocrystalline
- nanocrystalline soft
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 11
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title abstract description 39
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 title abstract description 23
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 title description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 115
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 102
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 36
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 23
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 23
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 10
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 238000010309 melting process Methods 0.000 claims 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 55
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 55
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 10
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 7
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 7
- JZQOJFLIJNRDHK-CMDGGOBGSA-N alpha-irone Chemical compound CC1CC=C(C)C(\C=C\C(C)=O)C1(C)C JZQOJFLIJNRDHK-CMDGGOBGSA-N 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 5
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 4
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 4
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 229910008423 Si—B Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 229910001096 P alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/16—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C2202/00—Physical properties
- C22C2202/02—Magnetic
Abstract
본 발명에 따르면 열적 및 자기적 특성이 개선된 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물이 제공될 수 있고, 특히 고포화자화값을 갖는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 6원계 합금 조성물이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고포화자화값을 갖는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 6원계 합금 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
자성 재료는 변압기, 전자석, 모터, 발전기, 센서, 전자기 부품 등 다양한 분야에서 필수 요소로 활용되고 있다. 강자성 재료는 큰 포화자화(Saturation Magnetization)를 가지고, 비정질 합금과 나노결정질 합금이 사용목적에 부합하는 우수한 물성을 가지는 것으로 밝혀진 바 있고, 이 중, 철계 나노결정질 강자성 재료는 단가가 낮고, 강도가 높고, 내식성이 좋은 것으로 알려져 있다. 특히, 철계 나노결정질 연자성 재료는 포화자화가 높으면서도, 보자력(Coercivity)이 낮고, 투자율(Permeability)이 높은 특성 때문에 더욱 주목받고 있다.
이러한 특성에 주목하여, 철계 나노결정질 연자성 합금에 대한 전반적인 개발이 다양하게 이루어지고 있으며, 그 예로서 Fe-Si-B 합금이 제시된 바 있다. Fe-Si-B 합금은 포화자화가 약 1.56[T]로 비교적 높고, 투자율이 높고, 철손(Core Loss)이 낮아 연자성 재료로서의 특성이 우수하다는 장점이 있다. 또한, Fe-B-P 합금의 연자성 특성은 Fe-Si-B 합금의 연자성 특성보다 더욱 향상된 것으로 제시된 바 있고, 나노결정질 구조를 갖는 것으로서는 파인멧(Finemet), 나노펌(Nanoperm) 또는 히트펌(Hitperm) 등이 제시된 바 있다.
그러나, 파인멧의 경우 Fe-Si-B-Cu-Nb의 5원계 조성을 가지면서 Fe의 함량이 전체 조성물 100질량%를 기준으로 73질량% 이하임에 따라 낮은 포화자속밀도(Saturation Magnetic Flux Density, Bs)를 가진다는 단점이 있고, 히트펌의 경우 Zr이 포함됨에 따라 쉽게 산화된다는 단점이 있다. 나노펌의 경우, 종래기술과 비교하여 포화자화가 약 1.5[T] 내지 1.7[T]로 비교적 우수하지만, 낮은 비정질 형성능을 가진다는 단점이 있어, 당업계에서는 이보다 더 높은 포화자화를 가지면서도 우수한 연자성 특성을 요구하고 있다. 최근 나노멧(NANOMET, Fe-Si-B-P-Cu) 연자성 합금이 나노펌의 경우보다 높은 포화자속밀도(1.8-1.9T)를 가지는 것으로 제시된 바 있고, 나노멧(Fe-Si-BP-Cu) 합금은 상업용 Si-steel과 비견될 만큼 매우 높은 포화자화값(1.88-1.94T)을 가지는 것으로 제시된 바 있다. 또한 낮은 보자력(7-10A/m), 미세한 α-철로 이루어진 균일한 나노구조의 동시 발현으로 인한 상대적으로 높은 투자율과 같은 좋은 연자성 특성을 보여준다.
따라서, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 나노멧 (Fe-Si-B-P-Cu) 기반 합금 조성물을 제시하는 것을 통해 높은 포화자화 및 투자율을 가지면서도 낮은 보자력을 가지는 합금 조성물로서, 종래의 합금 조성물에 비해 우수한 물성을 가지는 철계 나노결정질 연자성 합금으로서, 나노멧(Fe-Si-BP-Cu) 기반 연자성 합금 조성물의 제공이 요구되는 실정이다.
상기와 같은 본 발명이 속하는 기술분야의 요구를 해결하고자, 본 발명은 열적 및 자기적 특성이 개선된 철계 나노결정질 연자성 합금을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명은 고포화자화값을 갖는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 6원계 합금 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 보통의 지식을 가진 자(이하 “통상의 기술자”)에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물은, 철, 규소, 붕소, 인, 구리, 및 나이오븀을 포함하고, 화학식 Fe(100-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNbe으로 표시되는 합금 조성물로서, 상기 a는 1.0 내지 4.0이고, 상기 b는 7.0 내지 10.0이고, 상기 c는 3.0 내지 5.0이고, 상기 d는 0.5 내지 1.5이고, 상기 e는 0.1 내지 6.0인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물일 수 있다.
상기 a는 1.5 내지 2.5일 수 있고, 상기 b는 7.5 내지 8.5일 수 있고, 상기 c는 3.5 내지 4.5일 수 있고, 상기 d는 0.5 내지 1.0일 수 있고, 상기 e는 0.1 내지 5.5일 수 있다.
또한, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물은, 철, 규소, 붕소, 인, 구리 및 나이오븀을 포함하고, 화학식 Fe(99-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNb1으로 표시되는 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물일 수 있다.
또한, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물은, 철, 규소, 붕소, 인, 구리 및 나이오븀을 포함하고, 화학식 Fe(99-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNb1으로 표시되는 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물로서 비정질 특성을 가지는 모재에 평균 입경 10 내지 50nm의 알파-Fe의 결정이 분산된 구조를 갖는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물일 수 있다.
또한, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 제조 방법은, 불활성 분위기에서 인덕션로(Induction Melter)를 통한 인덕션 용해 후 아크로(Arc Melter)를 통한 아크 용해되는 복합 용해 과정을 2회 이상 수행하는 것을 통해 총 4회 이상의 용해 과정을 거쳐 비정질 합금 조성물을 제조하는 제1 단계; 및 상기 비정질 합금 조성물을 불활성 분위기에서 780 내지 800K로 5분 내지 15분 동안 유지하여 열처리를 수행하여 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물을 제조하는 제2 단계를 포함하는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 제조 방법일 수 있다.
본 발명에 따르면, 높은 포화자화 및 투자율을 가지면서도 낮은 보자력을 가지는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 합금 조성물 및 이의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 전술한 바에 국한되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 자명하게 인식할 수 있는 본 발명에 따른 당연한 효과 및 본 명세서에 명시적으로 개시되지 않았더라도 통상의 기술자가 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 과제해결원리와 동일성을 유지하는 범위에서 구성을 부가 내지는 변경함에 따른 효과 또한 본 발명에 따른 효과로서 의도된 것이고, 통상의 기술자라면 큰 어려움 없이 이와 같은 본 발명에 따른 효과들을 인식할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 전의 X선 회절 시험의 결과(X-ray diffraction, XRD)를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 합금 조성물의 시차주사열량계 시험의 결과(Differential Scanning Calorimeter, DSC)를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 전의 진동시료자력계(Vibrating Sample Magnetometer, VSM) 시험의 결과를 히스테리시스 곡선으로 도시한 도이다.
도 4은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 X선 회절 시험의 결과를 나타낸 도이다.
도 5은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후 최적의 결과 샘플의 투과전자현미경 관측의 결과(Transmission Electron Microscopy, TEM)를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 진동시료자력계 시험의 결과를 히스테리시스 곡선으로 도시한 도이다.
도 7은 서로 다른 Nb 함량을 갖는 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 X선 회절 시험의 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 서로 다른 Nb 함량을 갖는 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 진동시료자력계 시험의 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 합금 조성물의 833K에서 열처리 후 최적의 결과 샘플의 투과전자현미경 관측의 결과를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 합금 조성물의 시차주사열량계 시험의 결과(Differential Scanning Calorimeter, DSC)를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 전의 진동시료자력계(Vibrating Sample Magnetometer, VSM) 시험의 결과를 히스테리시스 곡선으로 도시한 도이다.
도 4은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 X선 회절 시험의 결과를 나타낸 도이다.
도 5은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후 최적의 결과 샘플의 투과전자현미경 관측의 결과(Transmission Electron Microscopy, TEM)를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 진동시료자력계 시험의 결과를 히스테리시스 곡선으로 도시한 도이다.
도 7은 서로 다른 Nb 함량을 갖는 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 X선 회절 시험의 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 서로 다른 Nb 함량을 갖는 본 발명에 따른 합금 조성물의 열처리 후의 진동시료자력계 시험의 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 합금 조성물의 833K에서 열처리 후 최적의 결과 샘플의 투과전자현미경 관측의 결과를 나타낸 도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통용되는 사전적 의미로 한정하여 해석되도록 의도된 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 보통의 지식을 가진 자는 상기 용어 또는 단어를 본 명세서 및 특허청구범위가 자명하게 전달하고자 하는 관념을 표현하는 범위 내에서 본 발명이 의미하는 바를 전달하기 위한 범위의 의미로 사용된 것으로 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예 및 상기 실시예에 기재된 구성들은 통상의 기술자에게 본 발명이 이해되고 또 이를 재현할 수 있도록 하기 위해 단지 예시로 제시된 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명을 이에 한정시키고자 하는 의도가 아님을 통상의 기술자는 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에서 기술되는 각각의 구성에 관한 설명 및 구체적인 실시 양태는 각각의 다른 설명 및 실시 양태에도 자명하게 적용될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 개시되는 다양한 구성과 구체적인 실시 양태의 모든 조합은 본 발명이 개시하는 범위에 속하는 것으로 통상의 기술자는 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '및/또는'은, 언급된 항목들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함하는 용어이다. 또한, 단수형 용어는 별도로 언급되지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 사용하는 '포함한다(comprising)' 및/또는 '포함하는(comprising)'의 용어는 언급된 항목들 외의 다른 항목의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 용어이다.
본 명세서에서 용어 '내지'를 사용하여 나타낸 수치의 범위는, 상기 용어의 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한 값과 상한 값으로써 포함하는 수치의 범위를 나타낸다. 임의의 수치 범위의 상한과 하한으로서의 수치 값이 각각 복수 개로 개시된 경우, 본 명세서에서 개시하는 수치의 범위는 복수의 하한 값 중 임의의 하나의 값 및 복수의 상한 값 중 임의의 하나의 값을 각각 하한 값 및 상한 값으로 하는 임의의 수치의 범위로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '약' 또는 '대략'은, 사용되는 경우, 상기 용어의 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 10% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적인 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 양태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속하고, 일 구현예에서 생략된 기재는 다른 구현예에서 기재된 바와 같은 방식으로 해석될 수 있다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물은, 철, 규소, 붕소, 인, 구리, 및 나이오븀을 포함하고, 화학식 Fe(100-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNbe으로 표시되는 합금 조성물로서, 상기 a는 1.0 내지 4.0이고, 상기 b는 7.0 내지 10.0이고, 상기 c는 3.0 내지 5.0이고, 상기 d는 0.5 내지 1.5이고, 상기 e는 0.1 내지 6.0인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물일 수 있다.
본 발명에 따른 합금 조성물은 철(Fe), 규소(Si), 붕소(B), 인(P), 구리(Cu) 및 나이오븀(Nb)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 a는 1.0 내지 4.0의 수치범위를 만족하는 경우, 최종 합금 조성물의 투자율이 향상되면서도 포화자속밀도가 증가될 수 있고, 최종 합금 조성물에 깨짐 특성을 부여하지 않을 수 있다. 상기 a는 1.0 내지 4.0인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5 내지 2.5일 수 있고, 더욱 바람직하게는 2일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 b는 7.0 내지 10.0의 수치범위를 만족하는 경우, 최종 합금 조성물의 grain size가 감소됨에 따라 낮은 보자력이 부여될 수 있고, 높은 포화자속밀도를 가질 수 있다. 상기 b는 7.0 내지 10.0인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7.5 내지 8.5일 수 있고, 더욱 바람직하게는 8일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 c는 3.0 내지 5.0의 수치범위를 만족하는 경우, 최종 합금 조성물에 우수한 비정질 형성능 및 높은 포화자속밀도 특성을 부여할 수 있으며, 경제성을 확보할 수 있다. 상기 c는 3.0 내지 5.0인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3.5 내지 4.5일 수 있고, 더욱 바람직하게는 4일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 d는 0.5 내지 1.5의 수치범위를 만족하는 경우, 최종 합금 조성물의 투자율을 증가시키고, 낮은 보자력을 부여할 수 있다. 상기 d는 0.5 내지 1.5인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1.0일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 e는 0.1 내지 6.0의 수치범위를 만족하는 경우, 최종 합금 조성물의 비정질 형성능이 극대화되고, 결정화온도 Tx1이 상승되어 열적특성이 향상될 수 있다. 한편, 상기 e가 3.0 내지 4.0인 경우, 최종 합금 조성물에서 비자기적 상인 Fe3B 상의 발현을 억제하는 것을 통해 포화자속밀도가 감소될 수 있으나, 이는 추가의 열처리를 통해 억제될 수 있다. 따라서, 상기 e는 0.1 내지 6.0인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 5.5일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 4.0일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물은, 비정질 특성을 가지는 모재에 평균 입경 10 내지 50nm의 알파-Fe의 결정이 분산된 구조를 갖는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 제조 방법은, 불활성 분위기에서 인덕션로(Induction Melter)를 통한 인덕션 용해 후 아크로(Arc Melter)를 통한 아크 용해되는 복합 용해 과정을 2회 이상 수행하는 것을 통해 총 4회 이상의 용해 과정을 거쳐 비정질 합금 조성물을 제조하는 제1 단계; 및 상기 비정질 합금 조성물을 불활성 분위기에서 780 내지 800K로 5분 내지 15분 동안 유지하여 열처리를 수행하여 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물을 제조하는 제2 단계를 포함하는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 제조 방법일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물을 첨부된 도면 및 하기 실시예를 사용하여 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예에 명시되지 않은 공정 조건 및 준비 단계는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 공정 조건 또는 준비 단계일 수 있고, 통상의 기술자는 본 개시를 바탕으로 이를 별다른 어려움 없이 선정하여 본 발명의 과제해결원리를 재현할 수 있을 것이다.
실시예 1: 비정질 버튼의 제조
분말 형태의 Fe, Si, B, P, Cu, Nb 각각을 칭량하여 6g으로 준비하였다. Nb는 전체 합금 조성물의 100질량%를 기준으로 1질량%로 포함되도록 칭량되었다. 이를 균일 혼합한 후, 불활성 분위기에서 각 성분들이 모두 용융될 때까지 인덕션로에서 가열한 후, 이를 실온에 방치하여 냉각한 다음 아크로에서 각 성분들이 모두 용융될 때까지 불활성 분위기에서 가열한 후, 이를 실온에 방치하여 냉각하는 복합 용융을 2회 수행하였다. 수득된 금속질의 조성물을 비정질 버튼으로 준비하였다. 이후 이를 melt-spinner를 사용하여 시험을 위한 리본 형태의 시편을 제작하였다.
실시예 2: 열처리 후 본 발명에 따른 합금 조성물의 제조
상기 리본 형태의 비정질 합금 조성물 시편을 석영관에 적용하고 불활성 분위기에서 793K에서 10분간 열처리를 수행하였다. 이후 실온에 방치하여 냉각한 다음 본 발명에 따른 합금 조성물로서 준비하였다.
실시예 3 내지 8: 서로 다른 Nb 함량을 가지는 본 발명에 따른 합금 조성물의 제조
전체 합금 조성물의 100질량%를 기준으로 Nb가 각각 2, 3, 및 4질량%로 포함되도록 칭량한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에 따라 실시예 3 내지 5 조성물을, 및 상기 실시예 3 내지 5 조성물을 실시예 2에 따라 실시예 6 내지 8 조성물을 수득하였다.
실시예 9: 833K에서 수행된 열처리를 겪은 합금 조성물의 제조
Nb함량이 전체 합금 조성물의 100질량%를 기준으로 4질량%로 가지는 것, 및 833K에서 10분간 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 및 2에 따라 합금 조성물을 실시예 9 조성물로서 수득하였다.
실험예 1: 비정질 버튼의 물성 평가
실시예 1 및 실시예 3 내지 5에 따라 수득된 비정질 합금 조성물 시편의 열적 및 자기적 특성을 각각 확인하였다. 먼저, X선 회절(X-Ray Diffraction, XRD)으로 특정 피크가 없는 비정질 형성을 확인하였다. X선 회절 시험의 결과를 도 1에 나타내었다.
또한, 0.34[K/s]의 가열 속도로 1364.3[K]까지 가열하는 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC) 시험을 수행하였다. 시차주사열량계 시험의 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2을 참조하면, 화살표(↓로 표시한 특정 온도에서 열을 발산하는 구간이 나타나는데, 이때의 온도가 결정화 온도이며, 전체 합금 조성물 100질량%를 기준으로 Nb가 1질량%로 포함된 실시예 1 조성물의 경우 결정화 온도가 657K으로, 전체 합금 조성물 100질량%를 기준으로 Nb가 4질량%로 포함된 실시예 5 조성물의 경우 결정화 온도가 701K으로 비교적 높게 측정되었음이 확인되었다. 이는 상기 합금이 열적으로 안정성이 높아 나노결정질 구조로 형성되기에 용이하다는 것을 의미한다.
또한, 진동시료자력계(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)를 이용하여 상기 합금의 자기적 특성을 측정하였다. 도 3은 진동시료자력계 시험의 결과를 히스테리시스 곡선(Hysterisis Loop)으로 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 보자력은 자화가 0일 때 자기장의 값을 측정하여 구할 수 있으므로, 상기 합금의 보자력은 1.98[Oe]인 것으로 확인되었다. 또한, 포화자화는 자기장이 증가하여도 자화가 더 이상 증가하지 않을 때 자화의 값을 측정하여 구할 수 있는데, 포화자화가 높다는 것은 외부에서 자기장을 인가하였을 때 강한 자성을 지닐 수 있다는 의미이므로, 포화자화가 높을수록 자기적 특성이 우수하며, 상기 전체 합금 조성물 100질량%를 기준으로 Nb가 1질량%로 포함된 실시예 1에서 수득된 비정질 합금 조성물의 포화자화는 160.81[emu/g]로 측정되어, 단위를 환산하면 1.52[T]의 포화자화를 갖는 것으로 확인되었다.
실험예 2: 열처리 후 본 발명에 따른 합금 조성물의 물성 평가
실시예 2에 따라 수득된 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 자기적 특성을 확인하였다. X선 회절 및 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 통해 상기 합금이 나노결정질 구조인지 확인하였다. 각각의 결과를 도 4에 X선 회절 시험의 결과로서 나타내고, 도 5에 투과전자현미경 관측의 결과로서 나타내었다.
먼저, 도 4을 참조하면, 점(▼)으로 표시된 결정형 피크가 명확하게 나타남이 확인되었다. 또한, 793K에서 열처리를 시행한 리본 샘플의 투과전자현미경의 결과인 도 5를 참조하면, 상기 합금에 알파-철(α-철) 입자가 나타난다. 따라서, 상기 합금은 나노결정질 구조라는 것을 확인할 수 있다.
또한, 진동시료자력계를 이용하여 상기 합금의 자기적 특성을 측정하였다. 도 6은 진동시료자력계 시험의 결과를 히스테리시스 곡선(Hysterisis Loop)으로 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 793K에서 열처리를 시행한 리본 샘플의 보자력은 2.01[Oe]이다. 또한, 793K에서 열처리를 시행한 리본 샘플의 포화자화는 214.97[emu/g]이고, 단위를 환산하면 2.02[T]로 매우 높게 측정되어, 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 자기적 특성이 종래기술에 비해 현저히 우수하다는 것이 확인되었다.
실험예 3: Nb 함량이 상이한 본 발명에 따른 합금 조성물의 물성 평가
실시예 6 내지 8에 따라 수득된 본 발명에 따른 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 물성을 평가하였다. 도 7은 XRD 수행 결과를 나타낸 도로서, 실시예 6 내지 8 조성물 모두 결정형 피크가 명확하게 관측됨이 확인되었다. 도 8은 VSM 결과를 나타낸 도로서, Nb 함량이 최종 합금 조성물의 100질량%를 기준으로 1질량%로 포함되는 경우, 가장 우수한 포화자속밀도(Bs) 값을 가진다는 것이 명확하게 확인되었다. 이 경우, 보자력(Hc) 값은 유의미하게 낮은 수준으로 억제된 것으로 확인되었다.
실험예 4: 열처리 온도에 따른 합금 조성물의 물성 비교
실시예 9 조성물을 TEM을 사용하여 나노결정질 구조를 갖는지 확인하였다. 그 결과를 도 9에 도시하였다. 실시예 2 조성물에 대한 TEM 결과인 도 5와 비교하였을 때, 833K에서 열처리를 수행한 합금 조성물은 알파-철 결정이 충분히 명확하게 생성되지 않음이 관측되어, 상대적으로 요망되는 수준의 나노결정질 구조가 형성되지 않은 것으로 확인되었다. 반면, 상기 실험예 2에서 확인한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 2 조성물은 알파-철 결정이 입자로서 균일하게 모재에 분산된 상을 갖는 복합 재료로서 나노결정질을 가짐이 확인되었다.
결과 분석
물성 평가 결과를 다음 표에 정리하여 나타내었다.
결과적으로, 화학식이 Fe84Si2B8P4Cu1Nb1 로 표현되는 상기 합금은 열적 특성 및 자기적 특성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다. 특히, 나이오븀을 첨가하면 합금의 비정질 형성 능력(Glass Forming Ability, GFA)을 향상시킬 수 있다. 다만, 나이오븀의 비율을 증가시키면 포화자속밀도가 감소된다. 하지만, 나이오븀은 자기적 특성을 감소시키는 Fe-B 상을 억제시키는 특징을 가지고 있어 나노결정질을 만드는 과정인 열처리를 적절히 진행할 때 매우 우수한 포화자속밀도인 2.02 [T]을 얻을 수 있어, 최종 수득되는 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 자기적 특성을 더욱 개선시킬 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (10)
- 철(Fe), 규소(Si), 붕소(B), 인(P), 구리(Cu) 및 나이오븀(Nb)을 포함하고, 화학식 Fe(100-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNbe으로 표시되는 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물로서,
상기 a는 1.0 내지 4.0이고, 상기 b는 7.0 내지 10.0이고, 상기 c는 3.0 내지 5.0이고, 상기 d는 0.5 내지 1.5이고, 상기 e는 0.1 내지 6.0인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물. - 철, 규소, 붕소, 인, 구리 및 나이오븀을 포함하고, 비정질 특성을 가지는 모재에 평균 입경 10 내지 50nm의 알파-Fe의 결정이 분산된 구조를 갖는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 제2항에 있어서, 상기 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물은 화학식 Fe(100-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNbe으로 표시되는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 a는 1.5 내지 2.5인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 b는 7.5 내지 8.5인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 c는 3.5 내지 4.5인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 d는 0.5 내지 1.0인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 e는 0.1 내지 5.5인, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 철, 규소, 붕소, 인, 구리 및 나이오븀을 포함하고, 화학식 Fe(99-a-b-c-d-e)SiaBbPcCudNb1으로 표시되는 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물로서, 비정질 특성을 가지는 모재에 평균 입경 10 내지 50nm의 알파-Fe의 결정이 분산된 구조를 갖는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물.
- 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 제조 방법으로서,
불활성 분위기에서 인덕션로(Induction Melter)를 통한 인덕션 용해 후 아크로(Arc Melter)를 통한 아크 용해되는 복합 용해 과정을 2회 이상 수행하는 것을 통해 총 4회 이상의 용해 과정을 거쳐 비정질 합금 조성물을 제조하는 제1 단계; 및
상기 비정질 합금 조성물을 불활성 분위기에서 780 내지 800K로 5분 내지 15분 동안 유지하여 열처리를 수행하여 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물을 제조하는 제2 단계를 포함하는, 철계 나노결정질 연자성 합금 조성물의 제조 방법.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240105885A true KR20240105885A (ko) | 2024-07-08 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8665055B2 (en) | Soft magnetic alloy and uses thereof | |
| Wan et al. | Surface crystallization and magnetic properties of FeCuSiBNbMo melt-spun nanocrystalline alloys | |
| TW200533767A (en) | Ternary and multi-nary iron-based bulk glassy alloys and nanocrystalline alloys | |
| Liu et al. | Compositional design and crystallization mechanism of High Bs nanocrystalline alloys | |
| JP5916983B2 (ja) | 合金組成物、Ｆｅ基ナノ結晶合金及びその製造方法、並びに磁性部品 | |
| CN101430958B (zh) | Sm(Co,M)7型合金薄带磁体的制备方法 | |
| Li et al. | Fe 78 Si 9 B 13 amorphous powder core with improved magnetic properties | |
| Zhao et al. | Effects of the substitution of Si with P on the glass forming ability, crystallization behavior, and magnetic properties of FeCuNbSiBP atomized powder | |
| McHenry et al. | Nanocrystalline materials for high temperature soft magnetic applications: A current prospectus | |
| Singleton et al. | Magnetic and structural properties of melt‐spun rare‐earth transition‐metal intermetallics with ThMn12 structure | |
| JP7234382B2 (ja) | アモルファスストリップマスター合金およびその作製方法 | |
| Zhang et al. | Sintered powder cores of high Bs and low coreloss Fe84. 3Si4B8P3Cu0. 7 nano-crystalline alloy | |
| Liu et al. | Enhancing magnetic properties of the Co66Fe6Si13B15 metallic glass through DC annealing | |
| JP5787499B2 (ja) | 非晶質磁性合金、関連物品及び方法 | |
| KR20240105885A (ko) | 고포화자화값을 갖는 철계 나노결정질 연자성 Fe-Si-B-P-Cu-Nb 합금 조성물 및 이의 제조 방법 | |
| Pietrusiewicz et al. | Microstructure and soft magnetic properties of Fe61Co10Y8Me1B20 (where Me= W, Zr or Nb) amorphous alloys | |
| Wang et al. | Improving the B s and soft magnetic properties of Fe-based amorphous ribbons by manipulating the surface crystallization behavior | |
| Nur-E-Alam et al. | Chronological evaluation of the synthesis techniques of nanocrystalline Fe73. 5Cu1Nb3Si13. 5B9 soft magnetic alloy | |
| Pietrusiewicz et al. | Analysis of the Thermal and Magnetic Properties of Amorphous Ribbons of Fe₆₁Co₁₀B₂₀Y₈Me₁ (where Me= W, Zr, Nb, Mo) | |
| RU2791679C1 (ru) | Аморфный магнитный сплав на основе системы железо-кремний | |
| US20070258846A1 (en) | Nd-based two-phase separation amorphous alloy | |
| Yoshizawa et al. | Soft magnetic properties in bulk nanocrystalline alloys fabricated by a shock-wave sintering | |
| KR100710613B1 (ko) | 주철을 이용한 Fe계 나노 결정 합금 및 그 제조 방법 | |
| Mirzaei et al. | Effect of Heat Treatment on the Microstructure and Soft Magnetic Properties of the Amorphous Fe-BP-Cu Alloy. | |
| Han et al. | Characterization of a Fe-based soft magnetic alloy system with high saturation magnetization |