KR920007580B1 - Fe기 연자성 합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

Fe기 연자성 합금

제1도는 Fe-Cu-V-Si-B계 합금중의 미세결정립의 비율과 철손과의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 Fe기 연자성 합금에 관한 특히 각종 자기 헤드, 고주파트랜스, 가포화리액터, 쵸크코일등의 고주파에서 이용되는 자심 및, 전류센서, 방위센서등의 각종 센서용의 자성재료등에 적합한 Fe기 연자성합금에 관한 것이다.

종래로부터 스위칭 레귤레이터등의 고주파영역에서 사용하는 자심의 형성 재료로서는 퍼말로이(permalloy) 및 페랑이트등의 결정질재료가 이용되어 왔다.

그러나 퍼말로이는 비저항이 작아서 고주파영역에서의 철손이 크게된다. 또 페라이트는 고주파에서의 철손(core loss)은 작으나 자속밀도도 기껏해야 500G정도로 작다.

때문에 큰 동작 자속밀도에서 사용하는데는 포화에 가깝게 되어 그 결과 철손이 증대한다.

최근 스위칭 레귤레이터에 사용되는 트랜스에있어서는 형상의 소형화가 요구되고 있다.

이 경우 동작 자속밀도의 증대가 필요로 되기 때문에 페라이트의 철손 증대는 실용상 큰 문제로 된다. 때문에 결정구조를 갖지 않는 비정질 자성합금이 그투자율, 저 보자력등의 우수한 연자기 특성을 나타내므로 최근 목적을 받고 일부 실용화되고 있다.

이와 같은 비정질 자성합금은 Fe, Co, Ni등을 기본으로 이것에 비정질화 원소(메타로이드)로서 P, C, B, Si, Al, Ge등을 포함하는 것이다.

그러나 이들 비정질 자성합금의 전부가 고주파영역에서 철손이 작다는 것을 아니다.

예를 들면 Fe를 베이스로 하는 비정질합금은 염가이고 50∼60Hz의 고주파 영역에서는 규소강의 1/4이라는 대단히 작은 철손을 나타내지만, 반면 10∼50KHz의 고주파영역에서는 대단히 큰 철손을 나타내어 아무래도 스위칭 레귤레이터드의 고주파영역에서의 사용에 적합한 것은 아니다.

한편 Co를 베이스로하는 비정질합금은 고주파영역에서 저철손, 높은 각형비가 얻어지기 때문에 가포화리액터등의 전자기기용 자성부품등에 실용화되고 있다.

그러나 비용이 비교적 높다는 단점을 가지고 있다.

여기서 비교적 염가인 Fe기 비정질합금의 특성개선이 여러 가지로 행해지고 있다. 예를 들면 Fe의 일부를 Nb, Mo, Cr등의 비자성 금속으로 치환함으로서 저 자기 왜곡화, 저 철손화 고투자율화를 도모하는 것이 시험되고 있으나 충분치는 않다.

예를 들면 수지 몰드등에 의한 자기 특성의 열화도 비교적 커서, 고주파 영역에서 이용되는 연자성 재료로서는 충분한 특성을 얻을 수 있는데까지 와 있지 않다.

또 최근 Fe-Si-B계 합금에 Cu와 Nb,W,Ta,Zr,Hf,Ti,Mo등에서 선택된 1종을 첨가하여 일단 비정질 합금으로 형성한 후 그 결정화 온도 이상의 온도 영역에서 열처리함에 의해 미세한 결정립을 석출시킨 Fe기합금등이 제안되어 있다(일본 메탈스프링 협회지(1988. 3/15), 페이지 393, EPO공보 0271657호, 일본특공소 63-302504등 참조)이 Fe기 합금은 Fe-Si-B계 합금에 Cu 및 Nb등을 첨가하므로서 미세한 결정립을 형서하게 한 것이다.

따라서 포화 자속밀도를 향상시켜서 Co기 비정질 합금에 필적하는 연자기 특성을 부여한 것이다.

그러나 Cu를 첨가해서 전술과 같은 이점이 있는 반면, 이하와 같은 새로운 문제가 생긴다.

예를 들면 커트 코어로서 이용하는 경우 비정질 리본을 원하는 형상으로 감고, 감은 것에 열처리를 해서 미세한 결정립을 석출시킨 후 절단 기공을 행한다.

그러나 전술한 Fe기 합금은 Cu를 포함하고 있음에 따라 합금 조직이 약화되고 전술한 절단 가공시에 절단단부의 붕괴 및 변형이 발생하기 쉽게 된다.

또 통상의 토로이달 코이등의 경우에서는 Cu첨가에 의한 약화롤 내충격성 및 내진동성이 불충분하게 되고, 취급 및 실용상 충격 및 진동에 대한 내구성등에 개선의 여지가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 고주파 영역에서 높은 포화 자속밀도를 나타내고, 우수한 연자기 특성을 갖는 Fe기 연자성 합금을 제공하는 것이다.

또 본 발명의 다른 목적은 고주파 영역에서 높은 포화 자속밀도를 나타내고, 우수한 연자기 특성을 가지면서 절단등의 가공성 및 내충격성에 우수한 Fe기 연자성 합금을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해 여러 합금에 대해 검토를 거듭한 결과.

일반식 : Fe_aCu_bV_cSi_dB_e

(식중 : a, b, c, d 및 e는 각각 아래식을 만족하는 수이다)

으로 실질적으로 표시되고, 미세 결정립을 갖는 합금이 연자성 재료로서 우수한 특성을 가지면서, 절삭성 및 내충격성 등에 우수한 것을 처음 발견하여 본 발명에 이르게 된 것이다.

본 발명의 Fe기 연자성 합금은 전술한 조성을 갖는 합금중에 특히 미세한 결정립을 갖는 것을 특징으로하는 것이다. 이 미세 결정립은 합금중에 면적비로 25-90% 이상 존재하는 것이 바람직하고, 또 전술한 미세 결정중에 50Å-300Å의 결정립이 80% 이상 존재하는 것이 바람직하다.

본 발명의 Fe기 연자성 합금에서 Cu는 내식성을 높이면서 결정 립의 조대화를 방지하는 것으로, 철손 및 투자율등의 연자기 특성을 개선 하는데 유효한 원소이다. 이 Cu의 함유량이 너무 적으면 전술한 바와 같은 효과가 얻어지기 않고 또 너무 많으면 역으로 자기특성의 열화를 일으킨다.

때문에 Cu의 함유량은 0.01-3.5원자%의 범위가 적당하다.

바람직한 범위는 0.1-3원자%이고, 더욱 좋은 것은 0.5-2.6원자%범위이다. V는 Cu와 함께 사용함으로서 결정립의 조대화를 방지하고, 미세 결정립을 균일하게 석출시키는 것으로, 자기 왜곡 및 자기 이방성을 낮추고 연자기 특성의 개선 및 온도 변화에 대한 자기 특성의 개선에 유효한 원소이다.

또 V는 전술한 것처럼 자기 특성의 개선 효과가 있을 뿐 아니라, Cu의 첨가로 합금조직의 약화를 억제하고, 절삭성 및 내충격성 등을 향상시키는 것으로 본 발명에 있어서의 특징적인 성분이다.

V의 함유량이 너무 적으면 전술한 효과가 얻어지지 않고, 또 너무 많으면 제조공정에서 비결정화가 되지 않고 또 포화 자속 밀도의 저하가 현저해진다.

때문에 V의 함유량은 0.01-15원자%의 범위가 좋다. 바람직한 범위는 2-10원자%이고 더욱 바람직한 범위는 5-8원자%이다.

Si 및 B는 제조시에 합금의 비 결정화를 조성하는 원소로, 결저화 온도의 개선이 가능하고 자기 특성향상을 위해서의 열처리에 유효한 원소이다.

특히 Si는 미세 결정립의 주성분인 Fe로 고용(固溶)하여, 자기 왜곡, 자기 이방성의 절감에 기여한다.

그 양이 10원자%미만에서는 연자기 특성의 개선이 현저하지 않고, 25원자% 이상에서는 초급냉 효과가 작고, ㎛레벨의 비교적 조대한 결정립이 석출하여 양호한 연자기 특성이 얻어지지 않는다.

또 B는 3원자%미만에서는 비교적 조대한 결정립이 석출해서 양호한 특성이 얻어지지 않고 12원자%미만에서는 열처리에 의해 B화합물이 석출하기 쉽게 되어 연자기 특성을 열화시키기 때문에 바람직하지 않다.

Si와 B와의 합계량은 17-30원자%의 범위가 바람직하고 또 Si/B??1이 우수한 자기 특성을 얻는데 좋다.

특히 Si양을 13-21원자%로 함에 따라 자기 왜곡 λ_S=0이 얻어져서 수지 몰드에 의한 자기 특성의 열화가 없어져서 초기의 우수한 연자기 특성을 유효하게 발휘시킬 수 있게 된다.

또 본 발명의 Fe기 연자성 합금에서 N, O, S등의 통상의 Fe계 합금에도 포함되어 있는듯한 불가피한 불순물을 미량 포함하고 있어도 본 발명의 효과를 저해 하지는 않는다.

본 발명의 Fe기 연자성 합금은 예를 들면 이하의 방법으로 얻어진다.

먼저 액체공냉법으로 비정질 합금 얇은 띠를 얻는다. 이어서 이들 비정질 합금의 결정화 온도에 대해서 -50℃∼120℃의 범위, 바람직하게는 -30℃∼+100℃의 범위의 온도에서 30분-50시간, 바람직하게는 1시간∼25시간의 열처리를 하여 의도하는 미세 결정을 석출시킨다.

이같이 해서 얻어진 본 발명의 Fe기 연자성 합금의 미세 결정립은 면적비에서 25-90%의 범위에서 존재시키는 것이 바람직하다.

미세 결정립의 면적비가 너무 적으면, 즉 비정질상이 너무 많으면 철손이 크고, 투자율이 낮고, 자기왜곡이 큰 수지몰드에 의해 자기 특성의 열화가 증대하는 등 본 발명의 효과를 충분히 발휘시킬 수 없게 된다.

또 역으로 그 양이 너무 작으면 특히 B화합물이 석출 효과가 현저하게되고 자기 특성을 열화시킨다.

합금중의 미세 결정립의 보다 바람직한 존재비로서는 면적비로 40-80%이고 이 범위에서 특히 안정해서 연자기 특성을 얻을 수 있다.

또한 전술한 미세 결정에서도 결정 입경이 너무 크면 자기 특성의 열화를 초래한다.

때문에 전술한 미세 결정립중에 있어서 결정입경 300Å이하의 결정이 80% 이상 존재하는 것이 바람직하다. 본 발명의 Fe기 연자성 합금은 고주파 영역에서의 연자기 특성에 우수하기 때문에 예를 들면 자기헤드, 박막헤드, 대전력용을 포함하는 고주파트랜스, 가포화 리액터, 컴먼 모드 쵸크코일, 노멀모드 쵸크코일, 노멀모드 쵸크코일, 고전압 펄스용 노이즈필터, 레이저 전원등에 이용되는 자기 스위치등 고주파에서 이용되는 자심, 전루센서, 방위센서, 안전센서 등의 각종 센서용의 자성재료등, 자성부품용의 합금으로서 우수한 특성을 가지고 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

[실시예 1]

식 : Fe₇₂Cu₁V₆Si₁₆B₇로 표시되는 조성을 갖는 합금을 단지 룰범으로 비정질화하여 폭 5mm×판두께 14㎛의 긴 얇은띠를 얻었다.

다음에 이 얇은 띠를 감아서 외경 18mm×내경 12mm×높이 5mm의 트로이달 자심을 복수성형했다.

이들 복수의 토로이달 자심에 대해 여러조건에서 열처리를 행함으로서 미세결정립의 석출비율을 변화시켰다.

이와 같이 해서 얻은 미세 결정립의 석출비율을 변화시킨 각 자심을 구성하는 합금 얇은 띠중의 결정립의 비율(면적 %)과 철손과의 관계를 조사했다.

그 결과 제1도에 나타낸다.

또 결정립에 석출비율은 TEM관찰 등으로 구했다. 제1도에서 밝힌 것처럼 미세 결정립의 비율이 25-90%의 범위에서 철손(100KHz, 2KG)이 대폭 감소해 있는 것을 알았다.

[실시예 2]

표 1에서 나타낸 각 조성의 합금에서 단지 롤법에 의해 두께 약 15㎛의 비정질 합금 얇은 띠를 각각 제작했다.

이어서 이들 얇은띠를 감아서 외경 18mm×내경 12mm×높이 5mm의 토로이달 자심을 성형한 후 각 재료의 결정하 온도(승온 속도 10deg/min로 측정)에서 약 120분간의 열처리를 행하고 아래에 나타내는 측정을 했다.

또 전술한 실시예와의 비교로서 전술한 감은 후의 자심에 대해 각 결정화 온도(승온 온도 10deg/min로 측정)보다 약 70℃ 낮은 온도에서 약 50분간의 열처리를 행해서 비정질 상태의 자심을 제작했다.(시료 1). 또 전술한 실시예에 있어서의 V성분 대신 Nb, Ta를 이용한 합금으로 동일 조건에서 비정질 합금 얇은 띠를 제작하여 전술한 실시예와 동일 조건으로 성형, 열처리를 행해서 자심을 제작했다(시료 2,3).

또 퍼말로이와 샌더스트를 이용해서 동일형상의 자심을 제작했다(시료 5,6)

이와 같이 해서 얻은 자심에 대해 에폭시수지에 의해 수지 몰드를 실시하여 이하에 나타낸 특성 평가를 각각 행했다.

이들의 결과를 합해서 표 1에 나타낸다.

① 자심을 구성하는 얇은 띠중의 결정립의 존재율

얻어진 각 자심을 구성하는 얇은 띠중의 결정립의 존재 비율(표중 A)과, 그 가운데에서의 30Å-300Å의 미세 결정립의 비율(표중 B)을 각각 TEM관찰 등으로 측저하여 면적 %로 나타낸다.

② 자기특성

전술한 실시예의 미세 결정립이 존재하는 자심과, 비교로서 나타낸 미세 결정립이 존재하지 않는 자심, 및 합금조성을 변화시킨 자심 각각에 대해 5개씩 이용해서 B=2KG, f=100KHz에 있어서의 철손, 자기왜곡, 1KHz, 1mOe에 있어서의 투자율 및 포화 자속 밀도를 각각 측정하여 그 평균값을 나타낸다.

또 비교로서 Fe₇₉Si₁₀B₁÷성을 갖는 비정질합금에 대해서도 같은 자심을 얻을 후 400℃×2시간의 조건에서 열처리해서 자심을 제작했다.(시료 4)

이 자심에 대해서는 동일하게 자기 특성을 측정하여 그 결과를 합해서 표 1에 나타낸다.

[표 1]

표 1에서 밝힌 것처럼 전술한 실시예의 합금은 미세 결정립을 형성함으로서 같은 조성의 비정질 합금으로 되는 자심 및 퍼말로이등으로 되는 자심에 비해 철손이 낮고, 저 자기왜곡으로 높은 투자율을 나타내고, 있고, V 대신에 Nb 및 Ta를 이용한 종래의 Fe기 연자성 합금(시료 2,3)과 동등의, 고주파 영역에 있어서 우수한 자기 특성을 가지고 있다.

다음에 표 1에 나타낸 실시예의 시료 1 및 비교예의 시료 2,3의 각 조성의 합금의 구리의 양을 여러 가지로 변화시킨 합금에 대해서 각각 표 1과 동일 조건에서 성형, 열처리를 행해서 자심을 제작했다.

전술한 각 자심을 각각 100개씩 이용, 수지에 함입한 후 반경 방향으로 1곳 절단하여 폭 1mm의 갭 형성을 행했다.

얻어진 갭을 갖는 자심의 인덕턴스를 임피던스 메터를 이용해서 왕복 10회 감고 전압 1V의 조건에서 측정했다.

얻어진 결과를 1KHz에서의 투자율(μ')의 값으로 표 2에 나타낸다.

[표 2]

전술한 표 2에 나타낸 각 실시예의 합금을 이용한 자심을 갭 형성후 있어서도 우수한 특성을 나타내고 있는데, 비교예로서 나타낸 시료 2,3 및 9-12의 자심을 임피던스의 저하 및 불균일의 발생이 있었다.

이것은 본원 발명의 합금은 부서짐에 강하기 때문에, 갭 형성시의 절단에 있어서 갭 근방에서의 얇은 띠의 부서짐이 거의 없기 때문이다.

[실시예 3]

표 3에 나타낸 각 조성의 합금을 단지 롤법으로 급냉하여, 폭 10mm×20㎛의 비정질 합금 얇은 띠를 제작했다.

또 이들 얇은 띠는 어느것도 180굽힘이 가능했다. 이어서 이들 얇은띠를 외경 28mm×내경 18mm×높이 10mm의 토로이달 모양 자심으로 형성해서 제1결정화 피크 온도와 제2결정화 피크온도와의 사이에서 최적 열처리를 행했다.

다음에 이들의 자심을 케이스에 넣고 1mm의 높이에서 10회 콘크리트 바닥에 낙하시켜 그 전후에서의 총자속량을 측정했다.

그 결과를 묶어서 표 3에 나타냈다.

측정결과는 각각의 시료 100개에 대해서 측정한 실제의 자속량 변화율을 평균값으로 나타내고 있다.

[표 3]

전술한 표 3에서 알 수 있듯이 실시예의 합금을 이용한 자심을 총 자속량의 변화가 극히 작고, 코어의 부서짐은 거의 없는 것을 나타내고 있다.

이에 비해 비교예의 자심은 변화량이 크고, 충격에 부서지기 쉬운 것을 나타내고 있다.

또 이들의 자심을 케이스에서 꺼내 확인하면 변화령이 큰 자심은 부서짐이 많은 것을 확인할 수있다.

또한 Fe₇₂Cu₂Si₁₃B₁₀의 조성을 갖는 합금에서는 결정화시킴에 따라 특성이 대폭 열화되기 때문에 같은 조건에서의 비교는 곤란하나, 동일의 조건에서 열처리하여, 같은 측정을 행한 바 자심의 부서짐을 대단히 많았다.

이상의 실시예에서도 밝혀진 것처럼 본 발명의 Fe기 연자성 합금은 Cu와 함께 V를 이용함에 따라 고주파 영역에 있어서 포화 자속밀도가 크고, 연자성 특성에 우수하고, 또한 가공성 및 내충격성에도 우수한 것으로 된다.

이와 같이 본 발명의 Fe기 연자성 합금은 종래의 Fe-Cu-Nb-Si-B계 연자성 합금등의 부서짐이라는 결점을 자기 특성을 손상하지 않고 개선한 것이다.

따라서 고주파 영역에 있어서 사용하는 각종 자성 재료로서 실용상 대단히 유효한 연자성 합금이다.

Claims (4)

1. 일반식 : Fe_aCu_bBV_cSi_dB_e(식중 a, b, c, d 및 e는 각각 아래식을 만족하는 수이다. a+b+c+d+e=100

   (원자 %)

   0.01≤b≤3.5

   0.01≤c≤15

   10≤d≤25

   3≤e≤12

   17≤d+e≤30

   으로 실질적으로 나타내어지고, 미세 결정립을 가지며 높은 포화 자속밀도에서 우수한 연자기특성을 갖는 것을 특징으로 하는 Fe기 연자성합금.
2. 제1항에 있어서, 미세결정립은 합금중에 면적비로 25-90% 존재하고 그 중에서 결저입경 300Å이하의 결정립이 80% 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 Fe기 연자성 합금.
3. 제2항에 있어서, 미세결정립 이외의 조직은 비정질인 것을 특징으로 하는 Fe기 연자성 합금.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있엇, 전술한 a,b,c,d 및 e가

   0.1≤b≤3.0

   2≤c≤10

   17≤d≤25

   3≤e≤12를 만족하는 것을 특징으로 하는 Fe기 연자성 합금.

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