KR960006020B1 - 비정질합금의 유도자장 열처리 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

비정질합금의 유도자장 열처리 방법 및 그 장치

제1도는 종래 열처리장치의 일부 절개사시도.

제2도는 본 발명에 부합되는 열처리장치의 사시도.

제3도는 종래 열처리방법과, 본 발명의 열처리 방법에 의해 열처리된 Fe₇₇Si₅B₁₆Or₂합금 비정질 코어의 자기적 특성을 비교한 그래프.

제4도는 종래 열처리 방법과, 본 발명의 열처리 방법에 의해 열처리된 Fe₇₈Si₉B₁₃합금 비정질 코어의 자기적 특성을 비교한 그래프.

제5도는 종래의 열처리방법과, 본 발명의 열처리방법에 의해 열처리된 Co_70.3Fe_4.7Si₁₅B₁₀합금 비정질 코어의 자기적 특성을 비교한 그래프.

제6도는 비정질 코어와 유도자장의 방향 변화에 따른 자기적 특성변화를 나타내는 그래프.

제7도는 종래방법 및 본 발명에 있어 열처리온도에 따른 자기적 특성변화를 나타내는 그래프.

제8(a)도는 본 발명에 있어 열처리온도에 따른 자기적 특성 변화를 나타내는 그래프, 제8(b)도는 본 발명에 있어 열처리시간에 따른 자기적 특성 변화를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 비정질 코어 5 : 유도가열로

6 : 유도코일 7 : 열전대

8 : 석영튜브 9 : 코어트래이

10 : 연결대 11 : 더미코어

12 : 개스주입관 14 : 개스배출관

본 발명은 전력용 변압기 철심, 각종 코어(core), 가포화 리역터, 쵸크코일등의 전자기부품에 사용되는 연자성 재료인 비정질 합금의 유도 자장에 열처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.

비정질 재료는 용융상태의 금속을 노즐을 통하여 고속회전하는 냉각를 표면에 분사시킴으로써 급속냉각시켜 제조한 비결정 금속 스트립을 말한다.

일반적으로 용융상태의 금속을 급속 냉각하면 금속 결정조직이 균일하고 미세해지며 용질 원소의 고용도가 증가하여 공업적으로 우수한 특성을 갖는 합금을 얻을 수 있으며 일부 조성의 합금은 비정질 상태로 되기 때문에 고강도, 고인성, 내식성, 및 전자기 특성이 우수하며 다양한 용도의 기능재료로 사용할 수 있다. 특히, 전자기 특성으로 비정질 합금은 결정자기 이방성이 없고 자벽 이동을 방지하는 구조상의 결함이 없으며 판 두께가 매우 얇으므로 전자기 재료의 대표적인 규소강보다 철손을 1/3-1/4로 줄일 수 있어 우수한 자기적 특성을 갖고 있다. 그러나, 비정질 리본을 제조할때 급속 냉각에 의해 비정질 재료 내부에 많은 잔류 응력이 발생되고 메이즈(maze) 자구가 생기기 때문에 자기이방성이 나빠져 철손 및 보자력, 포화자화등의 자기적 특성을 악화시키는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위한 많은 방법들이 시도되었는데, 그 대표적인 방법으로는 제1도에 나타난 열처리장치를 이용하여 비정질(합금)재료 (이하, "비정질 코어"라 칭함)(3)에 자장을 가해주면서 저항 열처리로(4)에서 열처리하므로써 자성 원자쌍의 재배열하면서 180°자구가 되려는 경향이 강해져서 비정질 코어의 자기 유도이방성을 향상시킬 수 있는 방법을 들 수 있다.

상기 방법에 있어서는 비정질 코어(3)에 열처리 코일(2)을 감고 직류전원(1)과 연결시켜 직류자장을 발생시키고 비정질 코어(3)의 산화를 방지하기 위하여 진공이나 불활성 가스 분위기로 유지시켜준다. 그러나, 상기 종래방법은 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 비정질 재료는 열처리를 하기 전에는 연성이 있으나 열처리 후에는 보통 비가역적 구조완화 현상에 의한 취성의 발생을 피하기 어렵게 되어 자심으로 사용하기 위한 후 공정(코어코일 감기등)에 어려움이 있으며, 또한, 코어는 열처리로(4)의 복사열에 의해 열처리되므로 코어가 대용량화되면 코어의 외부와 내부의 온도차이가 커져 열응력에 의해 자기적 특성을 악화시키며, 또한 열처리시에 감은 열처리코일(2)이 열처리후에는 열화 및 절연 피복제가 손실되어 코어코일을 재권취해야 하므로 비정질 코어(3)를 대량 생산할때 어려움이 있다.

본 발명자는 상기한 종래방법의 문제점을 개선하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 고주파 유도가열로를 이용하여 비정질 코어에 유도 자기장에 의해 열과 자장을 동시에 가해주므로써, 자기적 특성이 우수한 비정질 코어(비정질 재료)를 제조할 수 있는 유도 자장 열처리 방법 및 그 장치를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 도면에 의해 상세히 설명한다.

본 발명에 부합되는 열처리장치(100)는, 제2도에 나타난 바와같이 고주파를 발생시키는 유도가열로(5), 개스주입관(12) 및 개스배출관(14)이 구비되어 있는 석영튜브(8), 유도가열로(5)에 연결되고 상기 석영튜브(8)의 외부를 에워싸도록 유도코일(6); 비정질 코어(3)를 상기 석영튜브(8)의 내부로 이송시키는 코어트래이(core tray)(9), 및 온도조절을 위해 상기 석영튜브(8)내에 설치되는 더미코어(11)를 포함하며, 상기 더미코어(11)의 외부표면에 열전대(7)가 부착되고, 이 열전대(7)는 유도가열로(5)와 전기적으로 연결된다.

상기 개스 주입관(12)에는 석영튜브(8)내로 유입되는 불활성 개스의 유량을 조절하기 위한 개스조절기(13)를 구비시키는 것이 바람직하다.

상기 코어트래이(9)는 수개의 비정질 코어(3)를 넣을 수 있도록 형성되고 코어트래이(9)들을 연결대(10)에 의해 연결하여 사용하므로써, 연속적으로 자장중 열처리가 가능하게 되며, 석영등으로 제조되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 코어트래이(9)에 비정질 코어(3)를 넣어 유도 자장 열처리할시 비정질 코어(3) 주위에 석면이나 솜을 채워 대기와 열복사를 차단시키는 것이 바람직하다.

상기 더미코어(11)의 위치는 유도코일(6)이 감겨져 있는 석영관(8) 부위의 내부에 설치되어야 한다.

상기 유도가열로(5)는 자동온도 조절이 가능하므로, 더미코어(11)에 부착된 열전대(7)에 의해 측정된 온도를 유도가열로(5)에 보내므로서 유도가열(5)에 의해 열처리온도가 자동으로 조절된다.

상기 열전대(7)는 0.1mm 지름의 가는 구리선등으로 묶어주는 것이 바람직하다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 열처리장치를 사용하여 비정질 코어를 열처리하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

제2도에 나타난 바와같이, 유도코일(6) 내부에 석영튜브(8)를 끼우고 비정질 코어(3)를 코어 트래이(9)에 담아 유도코일(6)의 중앙, 다시말하면 유도코일(6)이 감겨져 있는 석영튜브(8)내의 위치에 넣는다.

이때, 비정질 코어(3)는 자체 발열을 하므로 코어 트래이(9)내의 비정질 코어(3)주위에 석면이나 솜으로 채워 대기와 열복사를 차단시키는 것이 바람직하다.

그리고, 비정질 코어(3)의 산화를 막기 위해 개스주입관(12)을 통해 석영튜브(8)내로 불활성 개스를 유입시켜 비정질 코어(3) 주위를 불활성 분위기로 만들어주고 개스배출관(14)를 통해 배출시킨다.

다음에, 유도가열로(5)에 의해 고주파 유도자장을 유도코일(6)에 걸어주면 비정질코어(3)는 주율가열(Joule Heating)과 유도자장을 동시에 받음으로써, 유도 자장하에서 열처리된다.

이때, 유도자장에 의한 열처리조건은 유도 열처리온도:300-500℃, 유도열처리간:10-120분, 유도자장:8-280e, 및 유도가열로의 주파수:20kHz 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 유도 열처리 온도 및 시간은 비정질 코어의 조성에 따라 변화될 수 있는데, 열처리온도가 너무 낮으면, 급냉응고시 발생된 잔류응력을 충분히 제거할 수 없고, 너무 높은 경우에는 CSRO(Chemical Short rangeorder)에 의해 미세결정립과 화학적 결합에너지가 강한 원자들이 결합하는 클러스터링(Clustering) 현상이 발생되어 자성치가 악화되므로, 유도열처리 온도는 300-500℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 유도 자장의 범위는 비정질 코어에 따라서 달라지며 열처리온도의 종속된 변수로써, 열처리온도를 조절하면서 제어될 수 있다.

본 발명의 경우에는 20kHz 이상의 고주파 방식에 의해 가열하는데, 저주파 방식은 온도가열이 느리지만 재료 내부까지 가열되는 방식임에 반하여, 고주파 방식은 온도가열이 빠르나 표면부터 가열되므로, 본 발명에 따라 비정질 코어(3)를 열처리하기 위해서는 자장의 방향과 비정질 코어의 적층단면이 평행하게 위치되기 보다는 비정질 코어(3)를 자장의 방향과 비스듬하게 위치시키는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 서명한다.

[실시예 1]

합금조성이 Fe₇₇Si₅B₁₆Cr₂, Fe₇₈Si₉B₁₃, 및 Co_70.3Fe_4.7Si₁₅B₁₀로 각각 조성되는 폭:15mm, 두께:0.023mm, 길이:100mm의 비정질 리본을, 지름:15mm의 석영관과 지름:18mm, 높이:18mm의 석영관 사이에 토로이드(toroid) 형태로 20회 감아 비정질 코어를 제작하고, 열전대를 리본의 외부 표면에 용접한 다음, 석면 리본을 비정질 코어 내부와 외부에 감아서, 유도가열로에 의해 200kHz의 고주파를 발생시켜 제3-5도에 나타낸 열처리조건으로 열처리한 후(본 발명법), 자기적 특성을 측정하고, 그 결과를 제1도의 열처리 장치를 사용한 종래방법의 것과 함께 각각 제3-5도에 나타내었다.

제3도에는 Fe₇₈Si₉B₁₃합금 비정질 코어의 자기특성에 대하여, 제4도에는 Fe₇₇Si₅B₁₆Cr₂합금 비정질 코어의 자기특성에 대하여 그리고 제5도에는 Co_70.3Fe_4.7Si₁₅B₁₀합금비정질 코어의 자기특성에 대하여 나타내었다. 제3-5도에 있어서, x축의 주파수는 자기특성 측정시의 주파수를 나타낸다.

제3도에 나타난 바와같이, Fe₇₇Si₅B₁₆Cr₂조성의 비정질 코어를 본 발명에 따라 열처리하는 경우에는 종래방법보다 자기적 특성이 우수하고 종래방법으로 425℃에서 열처리한 것보다 자속밀도는 떨어지나 보자력이 우수함을 알 수 있으며, 또한, 투자율은 우수하고 철손은 낮게 나타났다.

또한, 제4도에 나타난 바와 같이, Fe₇₇Si₅B₁₆Cr₂조성의 비정질 코어를 본 발명에 따라 열처리하는 경우에도 종래방법과 대등한 자기적 특성을 보이며 열처리하기 전보다는 자기적 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.

또한, 제5도에 나타난 바와같이, Co_70.3Fe_4.7Si₁₅B₁₀의 Co-계비정질 코어를 본 발명에 따라 열처리하는 경우에는 종래방법에 비하여 자속밀도값은 비슷하나 보자력이 우수함을 알 수 있으며, 철손은 증가하는 것으로 나타났다.

상기한 결과로부터, 본 발명은 종래방법에 비하여 Co-계 비정질 합금 코어의 열처리를 제외하고는 자기적 특성값이 크게 떨어지지 않으며, Fe₇₇Si₅B₁₆Cr₂조성의 비정질 합금 코어의 경우 투자율과 철손이 중요한 재료에 사용할 수 있음을 알 수 있다.

[실시예 2]

Fe₇₇Si₅B₁₆Cr₂의 비정질 코어를 제6도와 같이 자장방향과 수평, 경사 및 수직이 되도록 위치시켜가면서 200kHz의 고주파를 발생시켜 400℃에서 30분간 열처리시킨 다음, 자기적 성질 즉, 자속밀도 및 보자력을 측정하고 그 결과를 제6도에 나타내었다.

제6도에 나타난 바와 같이, 자장 방향과 비정질 코어를 경사지게 위치시킨 다음 열처리하는 경우가 자속밀도 및 보자력에 있어 우수함을 알 수 있다.

[실시예 3]

열처리온도를 제7도에서와 같이 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 비정질 코어를 열처리하는 다음, 자속밀도 및 보자력을 측정하고, 그 측정결과를 제7도에 나타내었다. 제7도의 자기적 특성의 측정시 주파수는 60Hz였다. 제7도의 나타난 바와같이, 본 발명에 따라 열처리하는 경우가 종래방법의 경우에 비하여 보다 낮은 온도에서 우수한 자기특성이 나타남을 알 수 있다.

[실시예 4]

열처리온도 및 열처리시간을 각각 제8(a)도 및 제8(b)도에서와 같이 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 비정질 코어를 열처리한 다음, 자속밀도 및 보자력을 측정하고, 그 측정결과를 제8(a)도 및 제8(b)에 나타내었다.

제8(a)도 및 제8(b)도에 나타난 바와같이, 자기적 특성 즉, 자속밀도 및 보자력은 열처리온도 및 열처리시간에 따라 변화됨을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 열처리시간이 짧고 대형코어의 열응력 발생이 적으며 자기적 특성이 우수한 비정질 코어를 대량 생산하는데 효과적인 방법이다.

Claims (3)

1. 비정질코어(비정질합금)을 열처리하는 장치에 있어서, 고주파를 발생시키는 유도가열로(5); 개스주입관(12) 및 개스 배출관(14)이 구비되어 있는 석영튜브(8); 유도가열로(5)에 연결되고 상기 석영튜브(8)의 외부를 에어싸도록 형성되는 유도코일(6); 비정질코어(3)를 상기 석영튜브(8)의 내부로 이송시키는 코어트래이(9); 석영튜브(8)내에 설치되는 더미코어(11); 및 그 일단이 상기 더미코어(11)의 외부표면에 부착되고, 그 타단이 유도가열로(5)와 연결되는 열전대(7)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 비정질 합금의 유도자장 열처리장치.
2. 제1항에 있어서, 코어트래이의 다수개가 연결대(10)에 의해 일정간격을 두고 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비정질 합금의 유도자장열처리장치.
3. 연자성비정질코어(비정질합금)를 열처리하는 방법에 있어서, 유도가열로(5)에 연결되어 있는 유도코일(6)로 에워싸여 있는 석영튜브(8)내에 수직 또는 경사지도록 위치되어 있는 비정질코어(3)를 유도가열로(5)에 의해 발생되는 20kHz 이상의 고주파에 의해 유도코일(6)에 자장을 유도하여 300-500℃의 열처리온도, 10-120분의 열처리시간, 및 8-280e의 유도자장의 열처리조건으로 불활성 분위기하에서 유도자장 열처리하는 것을 특징으로 하는 비정질 합금의 유도자장 열처리방법.