KR950009885B1 - 고투자율 및 저자심 손실의 Fe계 비정질 연자성 합금 - Google Patents

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내용 없음.

Description

고투자율 및 저자심 손실의 Fe계 비정질 연자성 합금

제1도는 본 발명에 따른 비정질 합금 재료 Fe_83-XZr₇B₁₀(Ni 또는 Nb)_X의 10mOe의 인가 자장 및 1kHz의 주파수에서 측정된 상대 실효 투자율(μ_e)의 Ni 및 Nb 함량에 따른 변화를 나타낸 그래프.

제2도는 본 발명에 따른 비정질 합금 재료 Fe_83-mZr₇B₁₀(Ni 또는 Nb)_X의 2kG의 유도 자속 밀도 및 100kHz의 주파수에서 측정된 Ni 및 Nb함량에 다른 자심 손실(P_t)을 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 4원계 비정질 합금 재료 Fe₈₂Zr₇B₁₀(Ni 또는 Nb)₁)의 주파수에 따른 실효 투자율(μ_e)을 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명에 따른 비정질 합금 재료 Fe_83-XZr₇B₁₀Ni_X의 2kG의 유도 자속 밀도에서 측정된 주파수에 따른 자심 손실(P_t)의 변화를 나타낸 그래프.

제5도는 본 발명에 따른 비정질 합금 재료 Fe_83-XZr₇B₁₀Nb_X의 2kG의 유도 자속 밀도에서 측정된 주파수에 따른 자심 손실(P_t)의 변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 고주파용 자심 재료에 관한 것으로, 특히 Fe-Zr-B-M 4원계를 기본 조성으로 하여 고주파수 대역, 특히 10kHz 이상에서 높은 투자율 및 낮은 자심 손실의 우수한 연자기 특성을 가지고 있어서, 자기 증폭기, 고주파 변압기, 자기 센서, 각종 쵸크 코일, 노이즈 억제 소자 등의 자심으로 이용하기에 적합한 비정질 합금 재료에 관한 것이다.

일반적으로, 자심에 이용되는 연자성 재료의 예로서, 퍼말로이, 페라이트 등을 들 수 있다. 그러나, 페라이트는 포화 자속 밀도(B_S)가 대략 4∼5kG 정도로 작아, 큰 자속 밀도에서 사용할때에는 자기 포화로 인하여 자심 손실이 커지며, 퀴리 온도가 낮아 사용 온도가 낮게 한정되는 결점이 있다. 또한, 퍼말로이는 포화 자속 밀도와 퀴리 온도가 페라이트보다는 높지만, 전기 저항이 작기때문에 고주파 영역에서 자심 손실이 크게 되는 결점이 있다.

Fe, Ni 및 Co를 주성분으로 하고 반금속으로서 Si, B, P, Al 등을 함유한 용융 금속을 단롤법 또는 쌍롤법에 의해 10⁴∼10⁶Å/초 정도의 냉각 속도로 급냉ㆍ응고시키면, 무질서한 원자 배열을 갖는 비정질 합금 리본을 얻을 수 있다.

이와 같이, 결정 구조를 갖지 않는 비정질 합금은 본질적으로 결정 자기 이방성이 0이기 때문에, 고투자율, 저보자력 등 우수한 연자기 특성을 나타낸다. 또한, 전기 저항이 결정된 금속보다 크고 두께가 얇은 박대형으로 제조되고 있기 때문에 와전류 손실이 작아 우수한 직류 및 교류 연자기 특성을 보유한다. 이중에서도 Co : Fe=94 : 6 정도의 조성비를 갖는 Co계 비정질 합금은 포화 자기변형(λ_S)이 거의 0에 가까와 탁월한 고투자율 및 저자심 손실 특성을 갖기 때문에, 현재 가포화 리액터, 커먼 모드 쵸크 코일, 스윗칭 노이즈 억제 소자 등의 고주파 자심으로 사용되고 있다.

한편, Fe를 주성분으로 한 Fe계 비정질 합금은 Co계 비정질 합금에 비하여 포화 자속 밀도가 높아 자심의 소형화가 가능하며, 또한 Co계에 비하여 가격면에서도 훨씬 유리하므로 제조 공정 및 경제적인 면에서 이점이 크다. 그러나, Fe계 비정질 합금은 상용 주파수에서는 규소강 등의 결정질 연자성 재료에 비하여 자심 손실이 작아 사용상의 이점이 크지만, 일반적으로 자기 변형이 크기 때문에 고주파 영역에서는 자심 손실의 증대가 현저해져 Co계 비정질 합금에 비하여 사용 주파수 영역이 훨씬 낮게 제약되는 등의 문제점이 있다.

Fe-비금속계 비정질 합금 중, Fe-Ni-P계, Fe-B계, Fe-Si-B계 등은 그 조성에 따라서 상기 각종 결정질 고투자율 금속 재료에 비견될 정도로 보자력이 작고 투자율이 크며 자심 손실이 작은 우수한 자기 특성이 얻어지는 것으로 알려져 있다. 그러나, Fe-Ni-P-B계 비정질 합금은 내식성 및 열적 안정성이 부족하며 포화 자속 밀도가 7kG 이하로 작은 결점이 있고, Fe-B계 및 Fe-Si-B계 비정질 합금은 포화 자속 밀도가 15kG 이상으로 크고 자심 재료로 유망한 비정질 합금이지만 포화 자기 변형이 30×10^-6이상으로 크기 때문에 고주파수 대역에서의 사용상에 큰 문제가 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 자기 변형을 감소시키고, 고주파 영역에서의 저자심 손실 및 고투자율을 실현시킬 수 있어야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 Fe계 비정질 합금으로, Fe-Mn-Si-B계 비정질 합금[일본국 공개 특허(평)1-123050호]과 고자속 밀도 및 저자기 변형의 Fe계 비정질 합금[일본국 공개 특허 (소)56-33453호]이 발표되어 있다. 그러나, 전자는 결정화 온도가 낮고 고주파 영역에서의 자심 손실 값이 크다는 단점이 있으며, 후자는 보자력이 크고 고주파 영역에서의 실효 투자율 값이 현저히 저하된다는 단점이 있다.

본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구 검토한 결과, Fe계 비정질 합금 중 Fe의 일부를 Ni 및 Nb으로 치환하여 퀴리 온도 이상 내지 결정화 온도 이하에서 열처리를 행하면, 자기 변형이 감소되고 고주파 영역에서 저자심 손실을 나타내고, 고투자율을 갖는 Fe계 비정질 연자성 합금이 제조된다는 사실을 밝혀내고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 고주파 영역에서 실효 투자율이 높고 낮은 자심 손실을 갖는 저렴한 Fe계 비정질 합금을 제공하고자 하는데에 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명을 따르면, 다음 조성식,

Fe_xZr_yB_zM_w

(식 중, M은 Ni,Nb,Co,Cr,Cu 또는 Mo이고, x,y,z 및 w는 각각 원자%로서 76.5≤x≤82.5,7≤y≤9,0.5≤w≤1.5인데, 단 x+y+z+w=100임)으로 나타내는 고투자율 및 저자심 손실의 Fe계 비정질 합금이 제공된다.

본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금에 있어서 Fe의 함량은 76.5 내지 82.5원자%이다. Zr과 B의 함량은 각각 7 내지 9원자% 및 10 내지 13원자%이며, 이 조성 범위를 벗어나는 경우에는 고주파 영역에서 소정의 실효 투장율과 저자심 손실을 갖는 Fe계 비정질 연자성 합금을 얻을 수 없다.

본 발명에 따른 Fe계 비정질 연자성 합금에는 자기 변형을 감소시키는 것 이외에 고주파 영역에서의 자심 손실을 감소시키고, 실효 투자율을 증가시킴으로써 자기 특성 및 고주파 특성을 향상시키기 위해 소량의 천이 금속이 첨가된다.

첨가 원소로는 Ni, Nb, Co, Cr, Cu 또는 Mo가 효과적이며, 0.5∼1.5원자%의 양으로 첨가된다. 첨가 원소의 함량이 1.5원자%를 초과하면 자심 손실과 자기 변형이 증가되고, 투자율이 감소되어서 부적절하다.

또한, 본 발명에 의하면 Fe 76.5∼82.5원자%, Zr 7∼9원자%, B 10∼13원자%, Ni, Nb, Co, Cr, Cu 또는 Mo 0.5∼1.5원자%로 이루어진 모합금을 제공하고, 이 모합금을 용해시킨 용탕을 급냉시켜 비정질화시키고, 이것을 열처리한 후 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고투자율 및 저자심 손실의 Fe계 비정질 연자성 합금의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 의한 고투자율 및 저자심 손실의 Fe계 비정질 연자성 합금의 제조방법에 있어서 모합금의 용해는 통상의 진공 아크 용해법 또는 고주파 유도가열법에 따라 행하며, 열처리는 용해 합금의 퀴리 온도에 의해서 결정한 온도 사이의 온도 범위내에서 약 1시간 동안 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 얻어진 비정질 합금은 고자속 밀도, 고투자율, 저자심 손실 등의 자기 특성 이외에, 종래의 금속-비금속계의 Fe계 비정질 합금에서 가장 큰 문제점이 되고 있던 큰 자기 변형이 1/3로 감소된 우수한 자기 특성을 갖는다.

이하 , 본 설명을 실시에예에서 구체적으로 설명하겠다.

[실시예 1]

Fe 81.5∼82.5원자%, Zr 7원자%, B 10원자%, Ni 0.5∼1.5원자% 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 진공 아크 용해법 또는 고주파 유도 가열법을 용해시켰다. 이 합금을 적절 크기의 노즐이 있는 석용관 넣고, 진공 및 불화성 기체 분위기를 유지할 수 있는 단롤형 용탕 급냉 장치를 이용하여 비정질 합금 리본을 제조하였다. 이때, 용해하기 전 급냉 장치 내의 불화성 기체(예, 아르곤)을 압력을 20토르로 유지하였다. 1∼1.5kgf/㎠의 용탕 분사압력으로 불활성 기체를 분사함으로써 노즐을 통하여 37.5±5m/초의 선속도로 회전하는 냉각 롤(동체)의 표면에 용탕을 분사시켰다. 이와같이 하여 제조한 Fe-Zr-B-M 계 비정질 합금 리본은 두께가 대략 20㎛ 정도이었고, 폭은 노즐의 형상에 의존하였다. 합금 리본을 진공 (10^-4토르 이하)중에서 퀴리 온도 내지 결정화 온도의 적정 범위에서 1시간 동안 열처리 수행하게 하였다.

이와 같이하여 얻은 비정질 합금 재료에 대해 자성 특성을 측정하였다. 10mOe의 인가 자장 및 1kHz의 주파수에 임피던스 분서긱로 측정된 상대 실효 투자율(μ_e)에 대한 결과는 제1도에, 유도 자속 밀도 B_m=2kG, 주파수 =100kHz에서 고주파 B-H 분석기로 측정된 자심 손실(P_t)의 Ni 함량 의존성은 제2도에, 주파수에 따른 실효 투자율(μ_e)의 결과는 제3도에, 유도 자속 밀도 B_m=2kG에서의 주파수에 따른 자심 손실(P_t)의 결과는 제4도에 각각 나타내었다.

[실시예 2]

Fe81.5∼82.5원자%, Zr 7원자%, B 10원자%, Nb 0.5∼1.5원자% 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비정질 연자성 합금 리본을 제조하였다.

이와 같이 하여 얻은 비정질 합금 재료에 대해 자성 특성을 측정하였다. 상대 실효 투자율(μ_e)에 대한 결과는 제1도에, 자심 손실(P_t)의 Nb 함량 의존성은 제2도에, 주파수에 따른 실효 투자율(μ_t)의 결과는 제3도에, 주파수에 따른 자심 손실(P_t)의 결과는 제5도에 각각 나타내었다.

[실시예 3]

Fe 82원자%, Zr 7원자%, B 10원자%, Co, Cr, Cu 또는 Mo 1원자% 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 비정질 연자성 합금 리본을 제조하였다.

이와 같이 하여 얻은 비정질 합금 재료에 대해 자성 특성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

[표 1]

[비교예 1]

Fe 83원자%, Zr 7원자%, B 10원자% 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 진공 아크 용해법 또는 고주파 유도 가열법으로 용해하였다. 이하 실시예 1과 동일한 방법으로 비정질 연자성 합금 리본을 제조하였다.

이와 같이 하여 얻은 비정질 합금 재료에 대해 자성 특성을 측정하였다. 상대 실효 투자율(μ_e)에 대한 결과는 제1도에, 자심 손실(P_t)의 결과는 제2도에, 주파수에 따른 실효 투자율(μ_t)의 결과는 제3도에, 주파수에 따른 자심 손실(P_t)의 결과는 제4도 및 제5도에 각각 나타내었다.

[비교예 2]

Fe 80원자%, Zr 7원자%, B 10원자%, Ni 또는 Nb 3원자% 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 진공 아크 용해법 또는 고주파 유도 가열법으로 용해하였다. 이하 실시예 1과 동일한 방법으로 비정질 연자성 합금 리본을 제조하였다.

이와 같이 하여 얻은 비정질 합금 재료에 대해 자성 특성을 측정하였다. 상대 실효 투자율(μ_e)에 대한 결과는 제1도에 나타내었다.

[비교예 3]

본 발명의 Fe계 비정질 합금과 동일한 조성을 갖고, 다만 그 조성비에 있어서 서로 상이한 Fe-(Co 또는 Ni)-B-Zr의 조성을 갖는 Fe계 비정질 합금의 포화 자속 밀도, 보자력 및 포화 자기 변형 등의 자기 특성치를 비교예로서 하기 표2에 나타내었다.

[표 2]

이상에서, 본 발명에 의해 Fe 대신 Ni, Nb, Co, Cr, Cu 또는 Mo을 0.5∼1.5원자% 치환시켜 제조한 비정질 합금 기존의 Fe계 비정질 합금 리본보다 자성 특성 및 고주파 특성이 월등히 우수하다는 사실을 알 수 있다. 단, Ni를 1.5원자% 첨가하는 경우, Ni 무첨가(Ni=0원자%)에 비해 약간의 실효 투자율 저하가 나타나지만(제1도 참조). 실요상 보다 중요한 자심 손실 특성이 현저히 개선되므로, 이 결점을 극복하고 있다.

본 발명은 이상의 실시예에 따라 구체적으로 기술되었지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업계 숙련자들은 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 원리 및 범위에서 벗어나지 않는 한 다양하게 변경 및 수정시킬 수 있다는 사실을 인식하여야 한다.

Claims (3)

1. 다음 조성식,

   Fe_xZr_yB_ZM_w

   (식 중, M은 Ni,Nb,Co,Cr,Cu 또는 Mo이고 x,y,z 및 w는 각각 원자%로 76.5≤x≤82.5,7≤y≤9,10≤z≤13,0.5≤w≤1.5이며, 단 x+y+z+w=100임)으로 나타내는 고투자율 및 저자심의 손실의 Fe계 비정질 연자성 합금.
2. 76.5∼82.5원자%의 Fe, 7∼9원자%의 Zr, 10∼13원자%의 B, 0.5∼1.5원자%의 Ni, Nb, Co, Cr, Cu 또는 Mo을 주성분으로 하는 모합금을 마련하고, 이 모합금을 용해시킨 용탕을 급냉시켜 비정질화시키고, 이것을 열처리한 후 냉각시키는 것을 특징으로하는 Fe계 비정질 연자성 합금의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 열처리를 용해 합금의 퀴리 온도에서 결정화 온도 사이의 온도 범위에서 행하는 것인 Fe계 비정질 연자성 합금의 제조방법.