KR840001259B1 - 향상된 자성을 갖는 비결정성 금속합금류 - Google Patents

향상된 자성을 갖는 비결정성 금속합금류 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

향상된 자성을 갖는 비결정성 금속합금류
본 발명은 비결정성 금속합금 조성물, 특히 철, 붕소, 실리콘 및 탄소를 포함하는 향상된 D.C 및 A.C 자성(D.C. & A.C. magnetic properties)을 갖는 비결정성 합금류에 관한 것이다.
이제까지의 여러 연구들이 어떤 금속합금 조성물로부터 고체상의 비결정성 물질들은 얻는 것이 가능하다는 점을 보여주었다. 비결정성 물질은 근본적으로 긴 영역의 원자배열이 부족하며 X-선 회절(X-ray diffraction)에 의해 그 윤곽(profile)이 넓은 강도극점(intensity maxima)을 형성함이 특징이다. 이러한 윤곽은 성질상 액체나 또는 통상의 창유리의 회절윤곽과 유사한 것이다. 이에 반하여 결정성 물질은 날카롭고 좁은 강도 극점을 형성하는 회절윤곽을 나타낸다.
이러한 비결정성 물질들은 준안정성 상태(metastable state)로 존재한다. 충분히 높은 온도로 가열해주면 그들은 결정화열을 내면서 결정화하며, X-선 회절 윤곽은 비결정성 특성으로부터 결정성 특성으로 변화한다.
새로운 비결정성 금속합금류가 이미 밝혀졌었다. (H.S.Chen과 D.E.Polk 미국특허 제3,856,513,1974년 12월 24일) 이들 비결정성 금속들을 MaYbZc라는 일반식을 갖는데, 여기서 M은 철, 닉켈, 코발트, 크롬 및 바나듐의 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나이상의 금속이며, Y는 인, 붕소, 탄소의 그룹으로 선택되는 최소 하나이상의 원소이며, Z는 알루미늄, 안티몬, 베릴륨, 게르마늄, 인듐, 주석 및 실리콘의 그룹으로부터 선택되는 최고 하나이상의 원소이다.
그리고 a는 약 60-90원자퍼센트(atom percent), b는 약 10-30원자퍼센트, c는 약 0.1-15원자퍼센트이다. 이러한 비결정성 합금류는 리본, 박판, 선, 분말등의 형태로 광역의 여러 가지 적용에 적당함이 밝혀졌다. 첸과 포우크의 특허는 또한 일반식 TiXj를 갖는 비결정성 금속도 보여준다. 여기서 T는 적어도 하나이상의 전이금속원소, X는 알루미늄, 안티몬, 베릴륨, 붕소, 게르마늄, 탄소, 인듐, 인, 실리콘 및 주석으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 최소하나이상의 원소이며, I는 약 70-87원자퍼센트, j는 약 13-30원자퍼센트이다. 이런 비결정성 합금류는 선(wire)적용에 적합함이 밝혀졌다. 이들 비결정성 합금은 또한 기존의 다결정성 합금류보다도 자성에 있어서 월등함이 증명되었다. 그럼에도 불구하고, 향상된 자성 및 높은 열안정도를 요하는 새로운 적용에 있어서는 부가적인 합금조성물들을 개발할 필요성이 요구되어 왔다. 따라서 향상된 고주파자성 및 높은 열안정성을 갖는 개량된 비결정성 합금류를 제공하고자 하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 의하여 최소 90%이상 비결정성이며 근본적으로 일반식 FeaBbSicCd의 조성을 갖는 금속합금이 제공된다. 여기서 a는 약 80-82, b는 약 12.5-14.5, c는 약 2.5-5.0, d는 약 1.5-2.5원자퍼센트를 나타내는 것이며, a+b+c+d=100이다.
목적하는 바의 합금류는 X-선 회절분석에 의하여 최소 90%가 무정형이며, 바람직하게는 97%이상, 가장 바람직하게는 100%무정형이다. 이들 합금류는 원하는 성분의 용융물을 형성하고 이 주조용융 합금을 급히 회전하는 냉각윤전기에 부어넣어 최소 105℃/초의 속도로 급속냉각(quenching)시키는 기지의 공정에 의하여 제조된다. 본 발명의 합금류는 약 150℃이상의 온도에서도 안정하게 유지되는 향상된 A.C 및 D.C. 자성을 보여준다.
이러한 향상된 자성은 높은 자화(magnetization), 낮은 철심손(core loss) 및 낮은 볼트-암페어 수요등에 의하여 입증된다. 결과 이들 합금류는 특히 동력변압기, 기상변압기, 전류변환기, 400Hz변환기, 스윗치코어, 고성능 마그네틱 증폭기 및 저주파전환기 등에의 적용에 아주 적합하다.
본 발명에 따른 새로운 비결정성 Fe-B-Si-C합금의 조성은 전술한 바와같이 80-82원자퍼센트의 철 12.5-14.5원자퍼센트의 붕소, 2.5-5.0원자퍼센트의 실리콘 및 1.5-2.5원자퍼센트의 탄소로 구성된다.
위 범위내에서도 바람직한 조성은 철 81, 붕소 13.5, 실리콘 3.5 및 탄소 2원자퍼센트로 구성된다. 여기서, 철과 실리콘의 조성비가 한정치이상 너무 커지면 합금조성물내에 불연속적인 α-(Fe,Si) 입자들의 침강이 과다하게 되어 결정성 입자부피비가 증가하여 고주파 철심손을 증가시키는 경향을 가져오며 또한 너무작은 입자간격으로 인하여 구역벽운동 방해를 초래하여 철심손을 증가시킨다. 반대로 철과 실리콘의 조성이 한정치 이하로 너무 감소하면 불연속 결정성 입자들이 크게 감소하여 강자성 구역크기(ferromagnetic domain size)가 너무 커져서 결과 와등전류와 철심손이 과도하게 된다.
한편, 탄소는 소량첨가되어 합금조성물이 소둔단계(추후설명)를 거치는 동안 선편등에 생성되는 결정입자의 부피비를 조절하는 역할을 하며, 잉여조성비로 부가되는 붕소는 철과 함께 용융되어 합금조성용융물의 급속냉각 및 소둔단계에서의 비결정화에 기여한다. 본 발명의 합금류는 적어도 90%가 무정형이며, 바람직하게는 97이상, 가장 바람직하게는 100% 무정형이다.
자성은 합금류가 큰 부피율(volume percent)의 비결정성 물질을 소유할수록 더욱 향상된다.
비결정성 물질의 부피율은 통상 X-선 회절에 의해 결정된다. 비결정성 합금류는 용융물을 약 105-106℃/sec의 속도로 급냉시킴에 의하여 형성된다. 모든 물질들의 순수도는 통상의 상업용에서 밝혀진 것들이다. 여러 가지의 기술이 스프레트-냉각호일(splat-quenched foils), 급속냉각에 의한 연속적인 리본, 도선, 박판등의 제조에 이용된다.
전형적으로 어떤 특정한 조성이 선택되면, 필요한 요소들(또는 훼로보론, 훼로실리콘등과 같이 요소들을 형성하기 위하여 분해시킬 물질들)의 분말이나 과립들은 원하는 비율로 택하여져 용융되고 균질화된 다음 이들 용융합금이 회전실린더와 같은 냉각표면 위에서 급속냉각시켜 진다.
본 발명의 합금류는 극소화된 융점 및 극대화된 과냉각(undercooling)을 보여주는 관계로, 철을 기존체로 한 다음 금속글라스류에 비하여 향상된 공정성(processability)을 갖는다.
본 합금류는 합금을 소둔(annealing)함에 의하여 자성을 향상시킬 수 있다. 소둔방법은 일반적으로 다음과 같다. 즉, 응력을 제거하기에는 충분하나 결정화를 초래하기에 필요한 것보다는 낮은 온도로 합금을 가열한 후 냉각시키되 가열 및 냉각의 과정동안에 합금에 자기장을 걸어주는 것이다.
일반적으로, 가열에 적용되는 온도는 약 340-385℃로서 바람직하게는 약 345-380℃이다. 그리고 냉각속도는 약 0.5℃/min-75℃/min이며 바람직하게는 약 1℃/min=16℃/min이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 합금류는 기존기술의 합금류에의 보여진 최대점 125℃보다 높은 약 150℃에서까지 안정한 자성을 보여준다. 이와 같은 본 발명 합금류의 증가된 열안정성은 가정용 및 산업용으로 전력을 분배하는 변압기등의 철심(cores)과 같은, 높은열을 적용하는 것에 이들을 사용하는 것을 허용한다.
본 합금류를 포함하는 철심들이 변압기등의 전자기장치에 사용되는 경우, 그들은 높은 자화율, 낮은 철심손 및 낮은 볼트-암페어 수요등을 나타내어 전자기장치의 효과적인 작동을 유도한다. 자심을 통해 환류하는 와동전류의 결과로 생기는 자심내의 에너지손실은 열(heat)형태로의 에너지 낭비를 초래한다.
그러나 본 발명의 합금류로 된 자심들은 작동에 있어서 전기에너지가 덜 필요하며 따라서 적은 열을 발생한다. 따라서 비행체에 쓰이는 변압기 및 커다란 동력변압기등과 같은 전자기장치의 철심을 식히는데 필요한 냉각장치를 적용하는 경우, 본 합금류로 된 자심에 의하여 발생되는 열량은 상대적으로 적기 때문에 더 작은 냉각장치가 요구되어 결과 보탬이 될 수 있는 것이다. 게다가 본 합금류로 된 철심의 높은 자화율(magnetization) 및 높은 효율은 주어진 용량에 비해 철심의 중량을 감소시킬 수 있도록 하여준다.
이하의 실시예들은 본 발명은 좀더 자세히 설명하고자 하는 것이다. 특별한 기술, 조건, 물질, 비율들 및 기재된 데이터는 본 발명의 이론 및 실제를 설명하고자 하는 것이지 본 발명의 영역을 이에 제한시키는 것은 아니다.
실시예들
내부직경과 외부직경이 각각 0.0397m, 0.0445m인 동석철심(steatite core)위에 철, 붕소, 실리콘 및 탄소를 포함하는 여러 가지 조성의 폭 0.0254m의 합금리본 약 0.030kg을 감아서 토로이달시료(toroidal test samples)들을 마련하였다. 고온의 마그네틱선을 토로이드위에 150번 감아서 소둔할 목적을 위하여 795.8암페어/미터의 원주형 D.C. 장(D.C circumferential field)를 마련하였다.
불활성기체속에서 2시간동안 365℃에서 가열시키고 냉각할동안 795.8A/m의 장(field)를 적용시켜 시료들을 소둔 시켰다.시료들은 1℃/min 및 16℃/min의 속도로 냉각시켰다. 시료들의 D.C. 자성, 즉, 0A/m(B(0)) 및 80A/m(B(0))에서의 항자력(Hc) 및 영구자화률을 자기이력그라프(hysteresisgraph)로 측정하였다. A.C. 자성, 즉, 철심손(W/kg) 및 RMS볼트-암페어수요(RMS V.A/kg)는 60Hz 및 1.2tesla 자력에서 사인-플럭스(sine-flux)방법에 의해 측정하였다.
본 발명의 영역내에 있는 여러 가지의 합금조성물에 대한 D.C. 및 A.C. 자성치(magnetic values)를 도표 Ⅰ에 요약하였다.
[도표 I]
본 발명영역의 비결정성 금속합금에 대한 자기장 소둔 D.C. 및 A.C. 자성측정치
Figure kpo00001
한편 비교를 위하여, 본 발명 영역밖의 여러 비결정성 금속합금류의 소둔 D.C. 및 A.C. 자성측정치를 도표 Ⅱ에 요약하였다. 이들 합금류는 본 발명의 것들에 비하여 낮은 자화율, 높은 철심손 및 높은 볼트-암페어수요를 보여준다.
[도표 II]
본 발명 영역밖의 비결정성 급속합금류에 대한 자기장 소둔 D.C. 및 A.C. 자성측정치
Figure kpo00002

Claims (1)

  1. 일반식 FeaBbSicCd의 조성을 가지며, 최소한 90%이상 비결정성인 금속합금.
    식중, Fe는 철, B는 붕소, Si는 실리콘, C는 탄소를 의미하며, a,b,c 및 d는 원자퍼센트로서 각각 80.0-82.0 : 12.5-14.5 : 5.0 : 1.5-2.5이고, a+b+c+d=100임.
KR1019800001736A 1979-05-25 1980-04-30 향상된 자성을 갖는 비결정성 금속합금류 KR840001259B1 (ko)

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