KR920006607B1 - Method of making fe alloy for the soft magnetic materials - Google Patents

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포항종합제철주식회사
정명식
재단법인 산업과학기술연구소
백덕현
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    • C22CALLOYS
    • C22C45/00Amorphous alloys
    • C22C45/02Amorphous alloys with iron as the major constituent

Abstract

A making method of Fe-alloy [FeaBaSicTidXe for a soft magnetic material is characterized by melting the alloy in vacuum, making an amorphous structure by the rapid quenching, and heat-treating it at 500-700 deg.C for 05-2 hrs in vacuum. In the alloy, X is one selected from Nb, V, Mo, W and Zr. a = 70-80 atm%; b = 6-12 atm%; c = 8-16 atm%; d = 0.2-2.0 atm%; e = 2-6 atm%; a + b + c + d + e = 100. It has advantages of high permeabiliby, low magnetostriction, high hardness value, machinability and high thermal stability. It can be substituted for Co sectioned amorphous material, and it can be applied to magnetic material, magnetic head and magnetic amplifier.

Description

[발명의 명칭][Name of invention]

고투자율 연자성재료용 철(Fe)계 합금의 제조방법Manufacturing method of iron (Fe) alloy for high permeability soft magnetic material

[발명의 상세한 성명][Detailed Statement of Invention]

본 발명은 각종 고기능성 연자성부품인 자심재료, 자기 헤드, 자기 증폭기등에 사용될 수 있는 고투자율연자성재료용 철(Fe)계합금의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, Fe-Si-B-Ti-(Nb, V) 합금을 용해후 급속냉각하여 비정질 합금 박판을 제조한 후, 이를 결정화 열처리하여 결정조직을 초미세화 시킴으로서, 고투자율 연자성재료용 철계합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing iron (Fe) alloy for high permeability soft magnetic materials that can be used in various high functional soft magnetic components, such as magnetic core materials, magnetic heads, magnetic amplifiers, and more specifically, Fe-Si- After melting the B-Ti- (Nb, V) alloy and rapidly cooling to prepare an amorphous alloy thin plate, and then crystallization heat treatment to ultra-fine crystal structure, the present invention relates to a method for producing an iron alloy for high permeability soft magnetic material. .

일반적으로, 자성재료에는 연자성(soft magnetic)재료와 경자성(hard magnetic)재료의 두가지로 대별되는데, 이중 연자성 재료는 재료에 자장을 가하여, 쉽게 자화 및 탈자 시킬수 있는 특성을 갖는 재료이며, 우수한 연자성재료라는 것은 용도에 따라 차이는 있으나, 일반적으로 높은 투자율, 포화자속밀도, 각형비(잔류자속밀도/포화자속밀도)와 낮은 보자력 및 적은 철손등을 예로 들 수 있으며, 그밖에 용도에 따라 높은 정도 내식성 그리고 가공성등이 중요시 되는 경우가 있다. 최근들어 모든 전자기 부품들이 경박단 소화됨에 따라 특성이 고기능화 되어 가고 있다. 특히, 기록재료들의 기록 밀도가 높아짐과 아울러 자기헤드재료의 연자기 특성향상이 문제로 등장하고 있다. 이를 성질 중에서 투자율과 포화자속밀도 및 가공성과 내식성이 매우 중요하다.In general, magnetic materials are classified into two types, soft magnetic materials and hard magnetic materials. Double soft magnetic materials are materials having magnetic properties, which are easily magnetized and demagnetized. The excellent soft magnetic materials vary depending on the application, but generally include high permeability, saturated magnetic flux density, square ratio (residual magnetic flux density / saturated magnetic flux density), low coercive force, and low iron loss. High degree of corrosion resistance and processability are sometimes important. In recent years, as all electromagnetic parts are light and thin, they are becoming more functional. In particular, as the recording density of recording materials increases, the soft magnetic characteristics of the magnetic head materials appear to be a problem. Among these properties, permeability, saturation flux density, processability and corrosion resistance are very important.

최근까지 개발되어 온 재료들에는 순철, 규소강판, 퍼머알로이(permalloy) 센더스트(sendust), 연자성 페라이트(ferrite) 그리고, 철 및 코발트계 연자성 합금등이 있다. 이중에서 순철은 포화자속밀도와 보자력이 비교적 크며 압연등의 가공이 쉽고 가격이 저렴한 장점이 있으나, 경도 및 내산화성이 낮으며 소량의 불순물에도 투자율이 급격히 약화하는 단점이 있어서 고진공하에서 용해 및 주조해야 하는 어려움이 있다. 규소 강판은 방향성과 무방향성 강판으로 개발되어 있고, 투자율이 높지 못하며, 고주파에서는 사용에 제한을 받고 있다. 또한, 퍼머알로이는 포화자왜, 즉 재료를 포화 상태로 자화 시켰을때, 재료의 변형률을 영(0)으로 만들 수 있는 조건이 성립되어 매우 높은 투자율을 얻을 수 있지만 경도가 매우 낮으며 제조공정에서 고진공을 유지시키는 등의 문제점과 가격면에서도 비싸지만, 현재는 퍼머알로이가 상용 주파수에서부터 오디오주파수 영역에 이르기까지의 용도에 대부분 사용되고 있다. 또한, 센더스트는 1932년 일본 동복대학의 마스모로와 야마모토에 의해 개발된 합금으로서 대표적 조성은 Fe-9.5 Si-5.5Al이며 퍼머알로이에 필적하는 자성을 갖고 있으며, 이 합금은 경도가 높고(Hv.=500) 연성이 낮으므로 분쇄하여 분말상태를 압축성형 함으로서 '70년경까지 저주파용으로 사용되었으나 연질페라이트(soft-ferrite)의 특성이 개선되면서 거의 사용되지 못하였지만, 최근 자기테이프의 고보자력화와 고속기록화등의 경향에 따라 센더스트에 대한 인식이 새로와지고 있다.Materials that have been developed until recently include pure iron, silicon steel, permalloy sendust, soft magnetic ferrite, and iron and cobalt based soft magnetic alloys. Among them, pure iron has the advantages of relatively high saturation magnetic flux density and coercive force, easy processing such as rolling, and low price, but it has the disadvantage of low hardness and oxidation resistance and rapid weakening of permeability even in small amount of impurities. There is a difficulty. Silicon steel sheets are developed as directional and non-oriented steel sheets, have low permeability, and are limited in use at high frequencies. In addition, the permalloy has a saturation magnetostriction, that is, when the material is saturated in magnetization, a condition that can make the strain of the material at zero is established, so that a very high permeability can be obtained. Although it is expensive in terms of problems and price, such as maintaining the current, Permaloy is currently used in most applications from the commercial frequency to the audio frequency range. In addition, Sendust is an alloy developed by Masomoro and Yamamoto of East Japan University in 1932, and its representative composition is Fe-9.5 Si-5.5Al, which has magnetic properties comparable to that of permaloy. . = 500) Because of its low ductility, it was pulverized and compacted to form a powder. It was used for low frequency until around '70, but it was rarely used due to the improvement of soft-ferrite characteristics. The perception of sendust is being renewed due to the trend of high speed recording and high speed recording.

또한, 연자성 페라이트는 많은 연구에 의해 연자기 특성이 크게 향상되어 사용 범위가 매우 넓게 형성되어 있으나 고주파용도에 사용할때는 노이지(noise)가 매우 심하며, 포화자속밀도가 낮아서 기록재료의 고기능화 측면에서 성능의 한계가 드러나고 있다.In addition, the soft magnetic ferrite has been widely used because of its great improvement in soft magnetic properties. However, it is very noisy when used in high frequency applications, and its saturation magnetic flux density is low. Limits are being revealed.

한편, 비정질 연자성재료는 자기적성질이 매우 우수하며, Fe-B-Si계를 근간으로 하는 철계 비정질 재료와 Co-Ni-B-Si계를 근간으로 하는 코발트계 비정질재료가 알려져있는데, 상기 철계 비정질재료는 고투자율의 특성은 있으나, 포화자왜가 10-6범위로서 매우 크므로 고주파 영역에서는 사용에 큰 제한을 받게되며, 고발트계 비정질재료는 고주파특성, 경도 및 내식성이 매우 우수하여 용도가 점차 확대되고 있으나, Co자체가 희규원소이며, 매우 고가이기 때문에 실용화의 속도가 매우 느린 실정이다.On the other hand, amorphous soft magnetic materials have excellent magnetic properties, and known iron-based amorphous materials based on Fe-B-Si and cobalt-based amorphous materials based on Co-Ni-B-Si are known. Iron-based amorphous materials have high permeability characteristics, but the saturation magnetostriction is very large in the range of 10 -6 , so they are very limited in use in the high frequency region. High-balt-based amorphous materials have excellent high frequency characteristics, hardness, and corrosion resistance. Although it is gradually expanding, Co itself is a rare element and is very expensive, so the rate of commercialization is very slow.

따라서, 본 발명은 적절한 조성의 Fe-Si-B-Ti-(Nb, V...)합금을 적절하게 열처리하여 최종상태의 조직이 비정질 상태가 아닌 결정화된 상태로 철계 연자성재료를 제조함으로서, 고투자율, 저자왜 및 열적안정성이 높은 연자성재료용 철계합금을 제조하고자 하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides an iron-based soft magnetic material in which the final structure is crystallized instead of an amorphous state by appropriately heat-treating an Fe-Si-B-Ti- (Nb, V ...) alloy having an appropriate composition. The purpose is to produce iron alloys for soft magnetic materials with high magnetic permeability, high permeability, low distortion and high thermal stability.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 Fea Bb Sic Tid Xe(여기서, Fe는 철, B는 붕소, Si는 규소, Ti는 티타늄, X는 Nb, V, Mo, W 및 Zr으로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종을 나타내고, a=70-80atm%, b=6-12atm%, c=8-16atm%, d=0.2-2.0atm%, e=2-6atm%이고, a+b+c+d+e=100)의 합금을 진공중에서 용해한 후 급속냉각하여 제조한 비정질 조직의 합금을 500-700˚C에서 0.5-2시간 진공 열처리하여 고투자율 연자성재료용철(Fe)계 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention represents Fea Bb Sic Tid Xe (where Fe is iron, B is boron, Si is silicon, Ti is titanium, X is one selected from the group consisting of Nb, V, Mo, W and Zr, a = 70-80atm%, b = 6-12atm%, c = 8-16atm%, d = 0.2-2.0atm%, e = 2-6atm%, and a + b + c + d + e = 100). The present invention relates to a method for producing a high permeability soft magnetic iron (Fe) alloy by melting a vacuum and rapidly cooling an alloy of an amorphous structure prepared by rapid cooling at 500-700 ° C. for 0.5-2 hours.

상기에서, B는 포화자속밀도를 크게 감소시키지 않으면서 철의 비정질 조직 형성을 도와주게 되는 성분으로서, 그 첨가량은 6-12atm%가 바람직하다. 상기 Si는 8atm%이하 첨가시에 포화자왜의 증대와 투자율의 감소를 나타내며, 16atm%이상 첨가시에는 포화자속밀도를 크게 감소시키므로 그 함량은 8-16atm%로 제한하는 것이 바람직하다.In the above, B is a component that helps to form the amorphous structure of iron without significantly reducing the saturation magnetic flux density, the addition amount is preferably 6-12 atm%. The Si shows an increase in saturation magnetostriction and a decrease in permeability when added below 8 atm%, and when added above 16 atm%, the saturation magnetic flux density is greatly reduced, and the content thereof is preferably limited to 8-16 atm%.

상기 Ti는 비정질이 결정화할때 생성을 촉진시키는데 0.2atm%이하 첨가시에는 그 역활이 매우작고, 2atm%이상 첨가시에는 비정질의 형성등을 감소 시키면서 최종결정립을 오히려 증대시키므로, 그 함량은 0.2-2atm%로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 X성분(Nb,V,Mo,Ta,W,Zr중의 한성분)은 고융점 금속으로서 결정화시에 결정립의 성장을 억제시켜 주기 위하여 첨가되는 성분으로서, 2-6atm%가 바람직하다.The Ti promotes the production when the crystallization is amorphous, but when added below 0.2atm%, its role is very small, and when added above 2atm%, the final grains are increased while reducing the formation of amorphous, the content thereof is 0.2- It is preferable to limit to 2 atm%. The X component (one of Nb, V, Mo, Ta, W and Zr) is a high melting point metal and is added as a component added to suppress the growth of crystal grains during crystallization, preferably 2-6 atm%.

상기와 같은 조성비로 합금을 조정하는 경우에는 비정질 상태에서 결정질상태로 상(phase)변화가 일어날때, 결정립의 핵생성 자리를 다량 제공하여 결정립의 성장을 최대한 억제시킴으로서 결정립의 수지상 성장에 따른 결정학적 이방성을 감소시키고, 조직을 균일화 시킬 수 있게 된다. 상기 열처리 조전에서 열처리온도가 500˚C이하 일때에는 결정립의 핵생성이 매우 어려워서 결정화가 이루어지지 못하므로 500˚C 이상으로 한정하는 것이 바람직하다.In the case of adjusting the alloy with the composition ratio as described above, when a phase change occurs from an amorphous state to a crystalline state, it provides a large amount of nucleation sites of the grains to suppress the growth of grains as much as possible and thus crystallization according to the dendritic growth of grains It can reduce the anisotropy and make the tissue uniform. When the heat treatment temperature is 500 ° C or less in the heat treatment before the nucleation of crystal grains is very difficult to crystallize it is preferably limited to 500 ° C or more.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

[실시예]EXAMPLE

99.9%의 순도를 갖는 Fe, B, Si, Ti 및 X(Nb,V,Mo,W,Zr)로 이루어진 하기 표1의 Fe-B-Si-Ti-X 합금을 진공용해로에서 용해한 후 Cu제 냉각롤을 사용하여 106˚C/sec의 속도로 급속 응고시켜 8mm의 폭과 15-20μm의 두께를 갖는 비정질박판을 제조하고, 이를 하기 표1의 조건으로 열처리한 다음, 각각에 대하여 자기적 특성을 Single Sheet B-H Test를 이용하여 측정하고 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.After the Fe-B-Si-Ti-X alloy of Table 1, consisting of Fe, B, Si, Ti, and X (Nb, V, Mo, W, Zr) having a purity of 99.9%, was dissolved in a vacuum melting furnace, Rapidly solidified at a rate of 10 6 ˚C / sec using a cooling roll to prepare an amorphous thin plate having a width of 8mm and a thickness of 15-20μm, heat-treated under the conditions of the following Table 1, and then magnetically The properties were measured using the Single Sheet BH Test and the results are shown in Table 2 below.

[표 1]TABLE 1

Figure kpo00001
Figure kpo00001

[표 2]TABLE 2

Figure kpo00002
Figure kpo00002

Figure kpo00003
Figure kpo00003

참고 : Bs-포화자속밀도, 10 Oe의 인가 자장하에서 측정.Note: Bs-saturated magnetic flux density, measured under applied magnetic field of 10 Oe.

Hc-보자력, 1 Oe-60Hz의 교류저장하에서 측정.Hc-magnetic force, measured under alternating current storage of 1 Oe-60 Hz.

μmax-최대자기투자율, 1KHz의 교류하에서 측정.μmax-maximum magnetic permeability, measured under alternating current of 1 KHz.

λs-포하자왜, 20 Oe 인가 자장하에서 측정.λ s-foam why, measured under a magnetic field of 20 Oe.

Hv.-비커스 미소경도값, 10gr의 하중을 인가하여 측정.Hv.-Vickers microhardness value, measured by applying a load of 10 gr.

*-기존 비정질 제품.* -Existing amorphous product.

본 발명에 부합되는 성분 및 열처리조건을 갖는 발명예(1-15)는 종래의 철, 코발트계 비정질재료(종래예1)에 비하여 자속밀도(Bs)에 있어서는 훨씬 우수하고 최대 자기투자율(μmax) 및 자왜(λs)(magneto striction)에 있어서는 거의 대등한 값을 나타내고, 고가인 코발트계 비정질재료(종래예 2)에 비해서는 자속밀도(Bs)에 있어서는 대등한 값을 갖고 자기투자율 및 자왜에 있어서는 훨씬 우수한 값을 나타내며 경도면에서도 우수한 것을 알 수 있는데, 이는 본 발명에 부합되는 철계 연자성 재료를 코발트계 비정질재료와 대체할 수 있으머, 마모가 심한 부품에 보다 바랍직하게 사용될 수 있다는 것을 의미하는 것이다.Inventive Example (1-15) having a component and heat treatment condition according to the present invention is much superior in magnetic flux density (Bs) and maximum magnetic permeability (μmax) compared to conventional iron and cobalt-based amorphous materials (Prior Example 1). And magnetic field distortion (λ s) (magneto striction), which is almost equivalent, and magnetic flux density (Bs), which is comparable to that of expensive cobalt-based amorphous material (Prior Example 2). It can be seen that it shows much superior value and also excellent in hardness, which means that the soft iron material according to the present invention can be replaced with cobalt-based amorphous material, and thus it can be used more favorably in the parts with high wear. It is.

상술한 바와같이, 본 발명은 Fe-B-Si-Ti-X(Nb,V...)합금의 합금조성 및 열처리 조건을 적절히 제어하여 우수한 자기적성질(특히, 고투자율, 낮온 자왜)을 가질 뿐만아니라 경도가 높고 가공성 및 열안정성이 우수한 연자성재료용 철계 합금을 제공하므로서, 현재의 값비싼 코발트계 비정질 재료를 저렴한 철(Fe)계 연자성 재료로서 대체 할 수 있고, 각종 고기능성 연자성 부품인 자성재료, 자기헤드, 자기 증폭기등의 다양한 용도로 사용될 수 있는 효과가 있는 것이다.As described above, the present invention provides excellent magnetic properties (especially high permeability and low magnetostriction) by appropriately controlling the alloy composition and heat treatment conditions of the Fe-B-Si-Ti-X (Nb, V ...) alloy. In addition to providing iron alloys for soft magnetic materials with high hardness and excellent workability and thermal stability, it is possible to replace current expensive cobalt-based amorphous materials with inexpensive iron (Fe) soft magnetic materials. Magnetic parts, magnetic materials, magnetic heads, magnetic amplifiers can be used for various purposes.

Claims (1)

FeaBbSicTidXe(여기서, Fe는 철, B는 붕소, Si는 규소, Ti는 티타늄, X는 Nb, V, Mo, W 및 Zr으로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종을 나타내고, a=70-80atm%, b=6-12atm%, c=8-16atm%, d=0.2-2.0atm%, e=2-6atm%이고, a+b+c+ d + e=100)의 합금을 진공중에서 용해한 후 급속냉각하여 비정질 조직의 합금을 제조하고, 이를 500-700˚C의 온도에서 0.5-2시간 진공 열처리 하는 것을 특징으로 하는 고투자율 연자성재료용 철(Fe)계 합금의 제조방법.FeaBbSicTidXe (where Fe represents iron, B represents boron, Si represents silicon, Ti represents titanium, X represents one species selected from the group consisting of Nb, V, Mo, W and Zr, a = 70-80atm%, b = 6-12atm%, c = 8-16atm%, d = 0.2-2.0atm%, e = 2-6atm%, and a + b + c + d + e = 100). A method of manufacturing an iron (Fe) alloy for high permeability soft magnetic material, characterized in that the alloy of the structure is prepared and subjected to vacuum heat treatment at a temperature of 500-700 ° C. for 0.5-2 hours.
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