KR970003643B1 - 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금 - Google Patents

코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금 Download PDF

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Abstract

요약없음

Description

코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금
제1도는 종래 합금 Fe81B1 3.5Si3.5C2와 본 발명의 합금 Fe80.5Co0.5B1 3.5Si3.5C2에 대한 큐리(Curie) 온도 및 제1차, 제2차 결정화 온도의 비교곡선.
제2도는 2가지 종래 합금 Fe81B1 3.5Si3.5C2및 Fe78B1 3Si9와 본 발명의 합금 Fe80.5Co0.5B1 3.5Si3.5C2에 대한 포화유도값을 시간의 함수로써 예시하는 그래프.
제3a 및 3b도는 종래 합금 Fe81B1 3.5Si3.5C2와 본 발명의 합금 Fe80.5Co0.5B1 3.5Si3.5C2의 유도값에 따른 코어손실 및 여진력을 각각 비교하는 그래프.
제4도는 종래 합금 Fe78B1 3Si9의 여러가지 예와 본 발명의 합금 Fe80.5Co0.5B1 3.5Si3.5C2의 온도변화에 따른 코어손실을 예시하는 도면.
제5a 및 5b도는 종래 합금 Fe81B1 3.5Si3.5C2및 본 발명의 바람직한 합금 각각에 대한 유도값에 따른 코어손실 및 여진력값을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 코발트를 함유한 철-기초비정질금속합금에 관한 것이며, 보다 상세히는 종래의 합금과 비교할 때 포화유도가 증진되고 코어손실이 감소되며 여진력(exciting power)이 보다 낮은, 코발트, 붕소, 실리콘 및 탄소를 함유한 철-기초비정질금속합금에 관한 것이다.
비정질물질은 본질적으로 장범위 원자규칙도가 결핍되며 X-선 회절무늬가 액체나 무기산화물유리에서 관찰되는 회절무늬가 정량적으로 비슷하게 확산된 (넓은)최대 회절강도로 이루어지며, 이같은 무늬는 회절무늬가 날카롭고, 좁은 최대 회절강도로 이루어지는 결정질물질에서 관찰되는 것과 대조적이다.
비정질물질은 준안정상태(metastable state)로 존재한다.
그래서 충분히 높은 온도까지 가열하면 이들은 결정화열의 방출과 함께 결정화되기 시작하며 ; 이에 따라 X-선 회절무늬는 비정질물질에서 관찰되는 것에서부터 결정질물질에서 관찰되는 것으로 변화되기 시작한다.
비정질금속합금에 관련하여 가장 널리 알려진 문헌은 H.S.Chen과 D.E.Polk에 부여된 미국특허번호 3,856,513호이다.
이 문헌에 개시된 것은 식 MaYbZc를 갖는 일종의 비정질합금이다.
상기 식에서 M은 철, 니켈, 코발트, 크롬 및 바나듐으로 구성되는 그룹에서 선택된 최소 하나의 금속이며, Y는 인, 붕소 및 탄소로 구성되는 그룹에서 선택된 최소 하나의 원소이며, Z는 알루미늄, 안티몬, 베릴륨, 게르마늄, 인듐, 주석 및 실리콘으로 구성되는 그룹에서 선택된 최소 하나의 원소이며, a는 60-90 원자퍼어센트, b는 10-30 원자퍼어센트이며, c는 0.1.-15 원자퍼어센트범위이다.
비정질금속합금분야에서의 연구 및 개발을 계속함에 따라 어떤 합금계는 특정 용도 특히 변압기용 코어물질, 제너레이터, 및 전기모터와 같은 전기적인 부분에 사용이 가능한 자성 및 물성을 갖게 되었다.
이러한 성질을 갖는 것으로써 인식된 하나는 Fe80B20이다.
그러나 Fe80B20은 비정질형태로 주조하기가 어려우며 열에 불안정한 경향이 있다. 그래서 전자기 코어의 제조, 특히 변압기용 코어를 제조함에 있어서, 비정질금속합금을 실용적으로 사용하기 위해서는 보다 안정성이 있고 주조성이 있는 합금이 개발되어야 하는 것이다.
이같은 합금중 하나가 미국특허 4,219,355에 개시되어 있다.
미국특허 4,219,355에 개시된 합금은 일반식 FeaBbSicCd로 나타내어진다.
이 식에서 a, b, c, d는 각각 원자퍼어센트로 80-82, 12.5-14.5, 2.5-5, 1.5-2.5의 범위를 갖는다.
이들 합금은 약 150℃까지의 온도에서도 안정한 개선된 AC 및 DC 자성을 나타낸다. 따라서 이들 합금은 특히 전압 변압기, 항공기 변압기, 변류기, 400Hz 변압기, 자기스위치코어, 고이득자기증폭기(high gain magnitic amplifier) 및 저주파인버터에 사용하기에 적합하다.
다른 종류의 합금들이 변압기(tranformer)의 제조에 적합한 것으로 확인되었다.
예를들어 미국특허 제4,217,135호 및 제4,300,950호는 철-붕소-실리콘 합금에 관한 것인바, 이들은 변압기 코어의 제조에 유리한 것으로 기술되어 있다.
상기 특허들의 개시로부터 명확한 바와같이, 비정질금속합금의 주조성 결과물의 자기적, 기계적 성질 및 이들 성질의 열안정성에 큰 효과를 얻기 위하여는 화학 조성에 차이가 그리 클 필요는 없다는 것이 알려져 있다.
특히 변압기 코어물질을 위하여는 주조의 용이성, 높은 포화자와, 낮은 코어손실, 낮은 여진력(low exiting power), 연성(延性) 및 열안정도가 가장 필요한 성질이다.
변압기 코어 제조산업의 필요에 보다 근접한 합금이 개발되었음에도 불구하고 여전히 보다 높은 포화유도(saturation induction), 보다 낮은 코어손실, 보다 낮은 여진력 및 보다 상승된 조작온도에서의 열안정성등을 위한 연구가 필요한 것이다.
본 발명은 필수적으로 식 Fea-bCobBcSidCe로 나타낼 수 있는 조성물로 구성되는 새로운 금속합금에 관한 것이다.
상기 식에서 "a", "b", "c", "d", 및 "e"는 각각 원자퍼어센트로 약 75-85, 0.1-0.8, 12-15, 2-5 그리고 1-3이다.
본 발명의 합금은 뛰어난 주조성 및 연성으로 특징지워진다.
본 발명은 또한 최소 약 90%비정질인 상기 조성을 갖는 합금에 관한 것이다.
본 발명의 비정질합금은 포화자값이 100℃에서 최소 약 1.5테스라(tesla)이며 코어손실은 100℃에서 kg당 0.2와트(watt) 이하이다.
더욱이 본 발명의 비정질합금은 바람직하게는 약 1.5테스라의 유도수준에서 약 0.3VA/kg 이하의 여진력 값을 보인다.
본 발명은 또한 상기와 같은 비정질합금을 포함한 개선된 자기코어에 관한 것이다. 이 개선된 자기코어는 비정질금속합금으로된 본체를 포함하며, 이 비정질금속합금은 철, 시리콘, 붕소, 탄소 및 코발트를 포함한 조성을 가지며 이 본체는 자장의 존재하에 소둔(annealing)된 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 합금조성물은 필수적으로 식 Fea-bCobBcSidCe조성 및 기타부수적인 불순물로 나타내어진다. 상기식에서 "a", "b", "c", "d" 및 "e" 는 원자퍼어센트로 "a" 는 75-85, "b" 는 0.1-0.8, "c"는 12-15, "d"는 2-5 그리고 "e"는 1-3 범위이다.
물론 a-e 전체량과 불순물을 더하면 100이 될 것이다.
본 발명의 합금은 이 합금이 최소 약 90% 비정질일 때, 바람직하게는 최소 약 95% 비정질일 때보다 바람직하게는 본질적으로 전부 비정질일 때 높은 포화자화값, 낮은 A, C 코어손실 및 낮은 여진력으로 알 수 있는 바와같이 증진된 A.C 및 D.C 자기적 성질을 나타낸다.
본 발명의 비정질금속합금은 이 합금용융물을 최소 약 105K/sec의 속도로 냉각시킴으로써 형성된다.
전형적으로 특정조성은 필요원소(혹은 페로붕소, 페로실리콘등과 같이 분해되어 상기 원소를 형성하는 물질)를 요구되는 비율로 파우더나 과립상태로 선택된 후, 용융 및 균질화처리된다.
그후 이 용융물은 칠표면(chill surface)상에 침적되어 편평한 급냉호일이나 연속 와이어, 스트립, 쉬이트등과 같이 다양한 물품을 형성하게 된다.
가장 바람직한 것은 용융물이 예를들어 미국특허 번호 제4,221,257호에 개시된 바와같은 회전휠과 같이 빠르게 움직이는 칠표면상에 침적되어 급냉되는 것이다.
본 발명의 비정질합금은 높은 포화자화, 낮은 코어손실 및 낮은 여진력의 최적의 조합을 가져오게 된다.
각각의 합금의 주어진 각각의 특성은 가장 바람직한 값이하일 수 있다.
그럼에도 불구하고 본 발명의 합금은 자기코어의 제조 특히 변압기제중 이용되는 코어에 필요한 성질들을 이상적으로 구비하고 있다.
본 발명의 비정질합금은 바람직하게 약 -40℃ -150℃의 온도범위에서 최소 약 1.5 테스라의 포화자화값을 보인다.
보다 바람직하게는 이들은 20℃에서 최소 약 1.67테스라의 포화자화값을 나타내며, 가장 바람직하게는 80℃에서(비정질합금을 사용하는 변압기의 통상적인 조작온도) 최소 약 1.55테스라의 값을 나타낸다.
이같은 비정질합금에 기인되는 코어손실은 1.3테스라의 유도에서 -40℃ -150℃ 온도범위에서 kg당 0.2와트를 넘지 않는다.
보다 바람직하게는 코어손실이 1.3T 유도에서 80-100℃에서 kg당 0.18와트 이하인 것이며, 보다 바람직하게는 유도 1.3T 및 온도 100℃에서 kg당 약 0.17와트 이하의 코어손실을 나타내는 것이다.
더욱이 본 발명의 비정질합금은 1.5T의 유도수준에서 kg당 약 0.3 V-A(Volt-amperes) 이하의 여진력을 보이는 것이다.
본 발명의 합금은 종래 합금과 같은 공정성을 나타낸다.
또한 본 발명의 비정질합금은 제1도의 그래프에 나타난 바와같이 종래의 바람직한 합금보다 안정적이다.
특히 Fe 대신 0.5원자퍼어센트의 Co가 사용된 본 발명에 의한 합금의 큐리온도는 코발트를 함유하지 않은 종래의 합금보다 11K 높다.
본 발명의 합금성분은 상술된 성질에 기여한다.
자기포화값을 최대화시키기 위해 철의 함량은 가능한 높아야 한다.
본 발명에 의한 합금의 철함량은 약 75원자퍼어센트-약 85원자퍼어센트 범위내에 들 수 있으며, 최대 포화값을 얻기 위하여 철함량을 최소 약 79원자퍼어센트까지 유지하는 것이 바람직하다.
붕소는 금속유리형성을 증진시키기 위해 첨가된다.
실리콘은 합금의 결정화온도와 자기안정성을 증가시키기 위해 첨가된다. 탄소는 합금을 비정질상태로 처리하는 것을 용이하게 한다.
이와같이 하여 붕소, 실리콘 및 탄소함량은 원자퍼어센트로 각각 12-15, 2-5 그리고 1-3 범위내에서 유지된다.
본 발명에 의하면, 철대신 코발트를 일부 사용함으로써 상기 성분들에 의해 영향을 받는 모든 성질이 기대밖으로 증진된다는 것이 밝혀졌다.
그러나 코발트의 첨가는 약 0.1-0.8원자퍼어센트내에서 주의깊게 조절되어야 하며 약 0.4-0.6원자퍼어센트범위의 코발트 함량이 가장 바람직하다.
본 발명에 의한 합금의 특성은 합금을 소둔시킴으로써 더욱 증진된다.
소둔방법은 일반적으로 합금의 응력을 제거시키기에 충분한 온도까지, 그러나 결정화를 시작하는데 필요한 온도보다는 낮게, 합금을 가열시키고, 냉각하며, 최소한 소둔사이클동안, 바람직하게는 냉각단계 동안, 합금에 자장을 가함을 포함한다.
일반적으로 가열단계동안 약 300℃-400℃ 범위의 온도가 사용되며 약 360℃-370℃가 가장 바람직하다.
냉각속도는 약 0.5℃/min-75℃/min가 사용되며 약 10℃/min-15℃/min이 가장 바람직하다.
상술한 바와같이, 본 발명의 비정질합금은 이 물질을 사용한 장치의 통상적인 조작온도(80℃-120℃)에서 안정되고, 사실상 제2도 및 제4도에 예시된 바와같이 최소 약 150℃까지의 온도에서도 충분한 것이다.
이같이 보다 높은 열안정성은 본 발명의 합금을 변압기용 코어물질로써 특히 배전용 변압기용 코어물질로 사용하는데 적합하게 한다.
특히 이례적으로 낮은 코어손실과 함께 보다 높은 유도값은 동일한 코어중량을 갖는 종래 변압기와 비교해볼 때 보다 높은 용량으로 변압기 조작을 가능하게 한다. 더욱이 보다 낮은 에너지 손실은 필요한 냉각용량을 감소시켜 중량을 감소시킬 수 있으며, 이는 특히 항공기용 변압기로 사용하는데 적합하다.
또한 보다 낮은 여진력수준은 또한 본 발명에 의한 비정질합금으로 만든 변압기의 효율을 증진시키며 이에 따라 전력의 절약을 증가시킨다.
후술하는 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며 결코 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예1
조성비 Fe81B1 3.5Si3.5C2의 종래의 비정질합금 및 본 발명에 의한 바람직한 합금 Fe80.5Co0.5B1 3.5Si3.5C2시료를 DSC 분석하여(주사속도 20℃/min) 이들 물질의 큐리온도(Curie temperature) 및 1차, 2차 결정화 온도를 측정하였다.
이 종래물질 및 본 발명의 바람직한 합금 모두는 다음 과정을 거쳤다.
철-기초비정질금속리본을 제조하기 위해 베릴륨구리기질을 갖는 슈링크-피트(shrink-fit) 주조휠을 사용하였다.
이 주조휠은 미국특허번호 4,537,239에 기술된 것과 비슷한 내부 냉각구조를 가졌으며 직경 38cm 폭 38cm였다.
이는 원주속도 20m/s가 되도록 990rpm의 속도로 회전되었다.
기질은 주조방향과 약 10°경사진 아이들링브러쉬휠로써 동작동안 계속적으로 컨디션되었다.
각각 1.5mm의 폭을 갖는 제1립(lip) 및 제2립(lip)(각 립은 칠롤의 회전방향으로 번호를 부여함)으로 제한된 폭 0.4mm이고 길이 10cm인 관통공을 갖는 노즐을 제1 및 제2립과 주조휠의 표면 사이의 간격이 0.2mm 되도록 주조휠의 주변면의 운동방향과 수직으로 설치되었다.
융점이 약 1100℃인 철-기초금속합금이 가압도가니로부터 노즐이 공급되었는데, 도가니내의 합금은 약 1300℃의 온도에서 약 2.9psi(20KPa)의 압력을 유지하였다.
압력은 아르곤브란키트(blanket)에 의해 가해졌다.
용융합금은 22kg/min의 속도로 관통공을 통하여 배출되었다.
이는 칠롤(chill roll)의 표면에서 폭 10cm 두께 0.026mm의 스트립으로 응고되었다.
X선 회절측정기를 이용하여 시험한 결과, 이 스트립은 구조에 있어 비정질인 것으로 밝혀졌다.
제1도에 도시한 바와같이, 코발트를 첨가함으로써 큐리온도가 크게 증가되고, 또한, 제1차 결정화온도가 현저하게 증가되는데, 이러한 성질들은 보다 안정한 비정질물품임을 나타내는 것이다.
실시예2
다음 합금시료를 그 포화유도곡선을 만들기 위해 온도를 변화시키면서 실험하였다. 제2도에서의 합금 1은 본 발명의 바람직한 합금 Fe80.5Co0.5B1 3.5Si3.5C2에 관한 것이다.
제2도에서는 합금 2는 상업적으로 구입가능한 합금 Fe78B1 3Si9에 대한 것이며, 합금 3은 상업적으로 구입 가능한 다른 합금 F81B1 3.5S3.5iC2에 관한 것이다.
이 시료들은 실시예 1에서 기술된 절차에 따라 제조되었다.
내경 및 외경이 각각 17.5cm와 24.8cm인 코어를 제조하기 위하여 상기 언급된 조성으로된 10cm 폭의 합금리본 15.4kg을 강철봉사를 감아 환형시험시료를 제조하였다.
소둔목적을 위해 10에르스테드의 D.C 원주자계를 제공하기 위하여 고온 자성선(magnetic wire)을 40회 상기 환형체에 권취하였다.
합금 2의 시료를 360℃에서 2시간 동안 질소분위기내에서 소둔시켰으며 가열 및 냉각단계동안 자장을 걸었다.
합금 1 및 합금 3시료를 355℃에서 2시간 동안 질소분위기내에서 소둔시켰으며 가열 및 냉각단계동안 자장을 걸었다.
각 시료는 200℃까지 냉각속도 12℃/min로 냉각된 후, 실온까지 냉각되게 방치하였다.
-40℃ -150℃범위에 걸쳐 포화자화값이 측정되었다.
제2도에서의 온도에 대한 포화유도값에 의하면 합금 1은 일정온도에서 합금 2와 비교할 때 본질적으로 보다 높은 포화값을 가지며, 합금 3과 비교할 때 거의 비슷한 포화값을 가지는 것을 알 수 있다.
그러나 제3a 및 3b도에 의하면 합금 1로 된 코어의 평균코어손실 및 여진력은 합금 3의 평균코어손실 및 여진력보다 훨씬 낮은 것을 알 수 있다.
이와같이 본 발명에 의한 비정질합금으로된 코어는 종래의 물질로된 코어와 비교해 볼 때 주어진 유도수준에서 본질적으로 보다 나은 효율을 갖는 것이 명확한 것이다.
마찬가지로 제4도에 예시된 바와같이 본 발명의 합금 1로써 형성된 코어는 합금 2로 형성된 코어보다 그 평균코어손실이 현저하게 낮은 것을 알 수 있다.
실시예3
조성비 Fe80-xCoxB1 3.5Si3.5C2(여기서 X=0, 0.05 그리고 1.0)의 합금으로써 환형코어를 제조하였다.
이들 환형체를 각 코어시료에 대한 자기손실 : 유도값과 관계를 알아보기 위해 유도수준을 달리하여 측정하였다.
제5a도 및 제5b도는 각각 X=1, X=0.5, X=0인 각 합금으로 형성된 코어에 대한 시험결과를 나타낸다.
이들 합금은 실시예 1에 기술된 것과 아주 비슷한 공정으로 제조되었다.
자기측정을 위하여 상기 언급된 조성으로된 각각의 5cm 폭 합금리본 약 30g을 4cm 직경을 갖는 스티어타이브봉상에 감아 코어를 제조하였다.
소둔목적을 위해 10 에르스테드의 D.C원주자계를 제공하기 위해 고온 자성선을 100회 상기 환형체에 권취하였다.
제5a 및 5b도의 그래프에 의하면 0.5% Co를 함유한 본 발명의 바람직한 조성물은 정상조작 유도수준에서 최저 코어손실 및 여진력을 나타내는 것을 알 수 있다.
즉, 이 결과는 코발트 함량(즉, 함량을 0.1-0.8로 유지하는)의 중요성 및 결과물의 코어손실과 여진력값에 미치는 놀라운 효과를 예시하는 것이다.

Claims (16)

  1. 식 Fea-bCobBcSidCe로 나타내는 필수조성 및 기타불순물로 구성되는 코발트를 함유하는 개선된 철-기초비정질합금.(단, 상기식에서 a,b,c,d 및 e는 각각 75-85원자퍼어센트, 0.1-0.8원자퍼어센트, 12-15원자퍼어센트, 2-5원자퍼어센트 그리고 1-3원자퍼어센트임).
  2. 제1항에 있어서, a-b는 최소 약 79.5 원자퍼어센트임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  3. 제1항에 있어서, a-b는 80.5원자퍼어센트임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  4. 제2항에 있어서, b는 0.4-0.6원자퍼어센트범위임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  5. 제3항에 있어서, b는 0.5원자퍼어센트임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  6. 제5항에 있어서, c는 13.5원자퍼어센트임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  7. 제6항에 있어서, d는 3.5원자퍼어센트임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  8. 제7항에 있어서, e는 2원자퍼어센트임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  9. 제1항에 있어서, 상기 합금은 최소 90% 비정질임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  10. 제1항에 있어서, 상기 합금은 실질적으로 전적으로 비정질임을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  11. 제1항에 있어서, 상기 합금이 최소 90% 비정질이고, 그리고 0℃-100℃의 온도범위에서 최소 1.5테스라의 포화유도값을 갖는 것을 특징으로 하는 코발트를 함유한 개선된 철-기초비정질합금.
  12. 식 Fea-bCobBcSidCe의 필수조성 및 기타불순물로 구성되고 최소 90% 비정질인 금속합금으로된 자기코어.(단, 상기식에서 a,b,c,d 및 e는 각각 원자퍼어센트로 75-85, 0.1-0.8, 12-15, 2-5, 그리고 1-3퍼어센트임)
  13. 제12항에 있어서, -40℃-150℃의 온도범위에서 1.3 테스라의 유도값에 코어손실이 0.2와트/kg을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 자기코어.
  14. 제13항에 있어서, 필요여진력(exciting power requirememts)이 1.5테스라까지의 유도값 수준에서 0.3볼트-암페어/kg을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 자기코어.
  15. 제12항에 있어서, 포화유도값이 100℃에서 최소 1.5테스라이고, 그리고 1.3테스라의 유도값 수준에서 0.2와트/kg 이하의 자기손실 및 1.5테스라의 유도값 수준에서 0.3볼트-암페어/kg 이하의 필요여진력을 나타내는 자기코어.
  16. 제15항에 있어서, 1.3테스라유도값 수준에서의 필요여진력이 0.2볼트-암페어/kg을 넘지 않음을 특징으로 하는 자기코어.
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