KR0140788B1 - 극박형 철계 초미세 결정 합금 및 극박형 박대의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다음 조성식으로 표시되며 평균 입경이 5 내지 20nm인 결정립으로 된 것을 특징으로 하는, 자심 손실이 적고 고주파 특성이 우수한 철계 극박형 초미세 결정 합금 및 그의 극박형 박대의 제조 방법에 관한 것이다.

Fe_100-x-y-z-wB_wNb_yCu_zM_w

식중, M은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Zr, Mo, Hf 및 Ta 중에서 선택된 1개 이상의 원소이며, x, y, z 및 w는 각각 원자 %로서 5≤x≤15, 5≤y≤15,0≤z≤5, 0≤w≤5 및 10≤x+y+z+w≤40을 만족시키는 수이다.

Description

극박형 철계 초미세 결정 합금 및 극박형 박대의 제조 방법

제1도는 본 발명에 따라 철계 초미세 결정 합금의 분사 압력(0.16kg/cm²)에 따른 박대의 두께 변화를 나타낸 그래프.

제2도는 본 발명에 따라 철계 초미세 결정 합금의 용탕 냉각롤의 선속도에 따른 박대의 두께 변화를 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명에 따라 단일롤형 액체 급냉 방법에 의해 제조한 철계 초미세 결정 합금 박대의 두께에 따른 자심 손실(core loss)(100kHz, 0.2T조건에서 측정)의 변화를 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명에 따라 단일롤형 액체 급냉 방법에 의해 제조한 철계 초미세 결정 합금 박대의 주파수에 따른 실효 투자율의 변화를 나타낸 그래프.

제5도는 본 발명에 따라 단일롤형 액체 급냉 방법에 의해 제조한 철계 초미세 결정 합금 박대의 두께의 따른 자심 손실(1MHz, 0.2T조건에서 측정)의 변화를 나타낸 그래프.

제6도는 본 발명에 따라 철계 초미세 결정 합금의 분사 압력(0.16kg/cm₂이상)에 따른 박대의 두께 변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 저자심 손실과 우수한 고주파 특성을 나타내는 극박형 철계 초미세 결정 합금 및 그의 극박형 박대(薄帶)의 제조방법에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하자면, 본 발명은 철계 합금을 사용하여 액체 급냉 방법에 의해 비정질 박대를 제조함에 있어서, 각종 제조 변수를 적절히 제어하여 두께 3 내지 12㎛의 철계 초미세 결정 합금 극박형 박대를 제조하는 방법에 관한 것이다.

액체 급냉법으로 제조된 비정질 자성 합금 박대는 1970년대에 개발되어 새로운 연자성 재료로서 활발하게 연구가 진행되어 왔다. 이 비정질 재료는 철계와 Co계로 크게 분류할 수 있는데, 포화 자속 밀도가 큰 철계 비정질 합금은 상용 전력용 변압기 철심 재료로 실용화를 위한 연구가 진행되고 있으며 고투자율, 저자심 손실, 그리고 영자왜의 Co계 비정질 합금은 수 100kHz대역에서 작용되는 스위칭 전원용 자기 부품 분야에서 광범위하게 이용되고 있다.

최근 각종 전자기기의 경박단소형화(輕薄短小形化)에 따라 전자기기용 전원에 대한 소형화 및 이를 위한 고주파화의 요구가 더욱 강하게 대두되고 있으며, 이에 따라 Co계 비정질 합금 박대를 이용한 고주파용 자심의 경우 동작 주파수를 1kHz대역으로까지 끌어 올리기 위한 많은 연구가 행해져 왔다.

이들 연구의 결과로서, 최근 통상의 급냉 박대의 두께보다 훨씬 얇은 10㎛이하의 극박형 Co계 비정질 합금 박대 제조가 이루어졌는데, 종래 두께(약20㎛)의 박대에 비해 자심 손실 및 고주파 특성이 크게 개선되었다고 보고된 바 있다(일본국 특허 공개 평3-90547호). 이러한 연구의 배경은 금속 자심의 경우 고주파에서 발생하는 자기 손실의 대부분을 와전류 손실이 차지하므로, 고주파 특성을 개선하기 위해서는 와전류 손실을 저감시키는 것이 필요하다는 데 있다. 고전적인 이론에 의하면, 와전류 손실(We)은 다음과 같이 표현할 수 있다.

We=(π·t·f·Bm)²6ρ

상기 식에서, t는 두께, f는 동작 주파수, Bm은 최대 유도 자속, p는 전기 저항을 나타내고 있다. 따라서, 이 식은 박대의 두께 감소에 의해 자심 손실을 감소시키는 것이 가능함을 제시하고 있다.

그러나, 지금까지 극박형 박대 제조의 대상이 되어온 Co계 비정질 합금은 우수한 특성을 나타냄에도 불구하고 포화 지속 밀도가 낮을 뿐만 아니라 Co의 가격이 높고 또 자원이 지역적으로 편재하므로 공급이 불안정해질 수도 있을 것으로 생각된다. 본 발명자들은 이러한 단점을 극복하고 보다 광범위한 응용을 위해서 고포화 자속 밀도와 저보자력의 우수한 자기적 특성을 보유하는 철계 초미세 결정 합금의 조성을 선택하여, Co계 비정질 합금에 비해 용융 상태에서 낮은 유동도 등의 물리한 성질을 가지고 있음에도 불구하고 박대 제조 조건을 적절히 제어하여 새로운 극박형 철계 초미세 결정 합금의 제조를 시도하였다.

본 발명자들은 상기의 사항들을 종합적으로 고려하여, 철계 초미세 결정 합금 조성의 용탕을 단일롤형 액체 급냉 방법에 의해 극박형 비정질 박대로 제조한 후, 적정 조건으로 열처리하여 고주파 자기 특성이 종래의 두께를 가진 초미세 결정 합금에 비해 크게 개선된 새로운 극박형 합금의 제조 방법을 개발하였으며, 이와 같은 발견을 기초로 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 저자심 손실과 우수한 고주파 특성을 나타내는 극박형 철계 초미세 결정 합금 및 그의 극박형 박대 제조 방법을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 다음 조성식으로 표시되며 평균 입경 5~20nm의 결정립으로 된 것이 특징인 극박형 철계 합금을 제공함으로써 달성된다.

Fe_100-x-y-z-wB_wNb_yCu_zM_w

여기서, M은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Zr, Mo, Hf 및 Ta 중에서 선택된 1개 이상의 원소이며, x, y, z 및 w는 각각 원자 %로서 5≤x≤15, 5≤y≤15,0≤z≤5, 0≤w≤5 및 10≤x+y+z+w≤40을 만족시키는 수이다.

x가 5이하이면 급냉 상태에서 비정질을 얻을 수 없고 15 이상 일때는 Fe-B화합물 형성의 우려가 있으며, y가 5 미만일 때는 급냉 상태에서 비정질을 얻기 어렵고, 15이상이면 Fe-Nb화합물이 석출되기 쉽다. 그리고, z가 5이상에서는 결정화되어 비정질상이 급냉 상태에서 얻어지지 않는다. 또한, w가 위해서 나타낸 적정 조성 영역을 벗어나게 되면 자기적 특성이 급격하게 저하하게 된다.

본 발명은 바람직하게는 M이 Al, Mo 및 Cr중에서 선택되고, 8≤x≤10, 6≤y≤8, 0.5≤z≤2.0, 0.5≤w≤1.5, 특히 x=9, y=7, z=1, 및 0.5≤w≤1.5인 합금이다.

또한, 본 발명의 상기 합금의 두께는 적절한 액체 급냉 조건의 제어에 의해 3 내지 12㎛범위에 존재한다.

또한, 본 발명은

1) 상기 식의 모합금을 공지의 진공 아크로에서 용해시켜 용탕을 얻는 단계,

2) 용탕이 1,000~1,500℃에 도달하였을 때 공지의 단일롤형 액체 급냉 방법에 따라서 용탕 분사 압력을 0.01 내지 0.3kg/cm², 냉각롤의 선속도를 30 내지 65m/s, 및 용탕 분사실내의 진공도를 5x10^-2토르 이하로 하여 박대를 제조하는 단계, 및

3) 박대를 진공중에서 열처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철계 극박형 초미세 결정 합금 박대의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 석영관의 장방형 노즐 폭은 0.1~0.25mm이다. 단일롤 액체 급냉시, 급냉 장치의 용탕 분사실 내의 진공도는 바람직하게는 5x10^-5토르 이하이다. 그리고, 석영관 노즐 분사압은 바람직하게는 0.02~0.16kg/cm²이며, 용탕 냉각롤의 선속도는 바람직하게는 35~60m/s이다. 극박형 박대를 제조한 후의 열처리는 일반적으로는 약500~650℃에서 약 20~120분 동안 수행하는데, 520~580℃에서 60분 동안 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라서, 두께 3~12㎛의 극박형 박대를 제조하기 위해서는 분사노즐의 형태 및 치수, 용탕의 온도, 용탕 분사실 내부의 진공도, 용탕의 분사 압력, 냉각롤의 선속도 등이 가장 큰 영향을 미치게 된다.

다른 제조 조건이 일정하다면 비정질 급냉 박대의 두께의 조절은 용탕의 분사 압력과 냉각롤의 선속도를 변화시킴에 의해 가능하지만 박대의 두께를 줄이기 위해서 지나친 분사 압력의 감소는 박대폭이 과도하게 작아지거나 분사 노즐의 막힘 현상이 우려되며 또한 선속도의 증가는 진동을 증대시켜 오히려 역효과를 초래하게 된다. 따라서, 5x10^-5토르 이하로 유지된 용탕 분사실 내에서, 용탕이 온도가 1,000~1,500℃일 때 0.02~0.16kg/cm²의 분사 압력으로 불활성 기체를 가함으로써, 노즐을 통하여 35~60m/s의 선속도로 회전하는 철제 냉각롤에 용탕을 분사시키는 경우 가장 양호한 박대 표면 조도와 두께가 얇은 극박형 박대를 얻을 수가 있다.

상기한 바와 같이, 철계 초미세 결정 합금을 단일롤의 선속도, 진공도, 냉각롤과 노즐의 간격 및 용탕 온도 등을 적절히 제어하여 급냉 응고 박대를 제조한 후 최적 열처리 결과 낮은 자심 손실과 고주파 특성이 우수한 극박형 박대를 얻을 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에서 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

진공 아크로를 사용하여 Fe83원자%, B9원자%, Nb7원자%, Cu1원자% 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 진공 아크 용해로에서 제조하였다. 제조된 모합금을 장방향 노즐을 갖는 석영관 속에 넣고, 진공 및 불활성 분위기를 유지할 수 있는 단일롤형 액체 급냉 장치를 이용하여 두께 12㎛이하의 비정질 극박형 박대를 제조하였다.

구체적으로, 급냉 장치의 내부를 5x10^-5토르로 유지한 후, 용탕 온도가 1000~1500℃에 도달하면 0.02~0.16kg/cm²의 분사 압력으로 불활성 기체를 가함으로써 노즐을 통해 40~55m/s의 선속도로 회전하는 철롤에 용탕을 분사시켰다. 분사 압력에 따른 비정질 박대의 두께의 변화는 제1도에 나타내었다.

[실시예 2]

두께 12㎛이하의 비정질 극박형 박대를 제조하기 위해 노즐을 통한 용탕의 분사 압력을 일정하게 하고 냉각롤의 선속도를 35~65m/s로 변화시킨 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 일정한 용탕의 분사 압력에서 냉각롤의 선속도에 따른 비정질 박대의 두께 변화를 제2도에 나타내었다.

[실시예 3]

비정질 박대의 제조후 열처리를 행한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 12㎛이하의 극박형 박대를 제조하였다. 열처리는 외경 21mm의 구리 보빈에 적정 길이의 박대를 토로이드(toroid)형태로 감은 후 10^-3토르의 진공 중에서 560℃로 1시간 동안 실시하였다. X선 회절 시험과 투과 전자 현미경으로 관찰한 결과, 약10nm이하의 결정립으로 구성된 bcc-Fe 결정상으로 변태되었음을 확인하였다. 시료의 자심 손실은 B-H분석기(B-H Analyzer, Iwatsu, SY820)로 100kHz, 0.2T에서 측정하였으며, 박대 두께에 따른 자심 손실의 변화를 제3도에 나타내었다.

[실시예 4]

실시예 1과 동일한 방법으로 두께 두께 7㎛이하의 박대를 제조한 후 실시예 3과 같이 열처리를 행하였다.

이와 같이 하여 제조한 시료의 실효 투자율은 임피던스 분석기를 사용하여 측정하였으며, 주파수 변화에 따른 실효 투자율은 제4도에 나타내었다.

[실시예 5]

실시예 3과 같이 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 두께 12㎛이하의 박대를 제조하였다.

이와 같이 하여 제조한 시료의 자심 손실의 변화를 1MHz, 0.2T의 동적 자화 조건 하에서 측정하였으며, 박대 두께에 따른 자심 손실은 제5도에 나타내었다.

[실시예 6]

Fe81.5~82.5원자%, B9원자%, Nb7원자%, Cu1원자%, Al, Mo 또는 Cr0.5~1.5원자%, 및 기타 불가피한 원소로 이루어진 모합금을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 12㎛이하의 박대를 제조한 후 실시예 3과 같이 열처리를 행하였다.

이와 같이 하여 얻은 시료의 자심 손실을 측정하여, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

[비교예 1]

두께 12㎛이상의 비정질 박대를 제조하기 위해 장방형 노즐을 통한 용탕의 분사 압력을 0.16~1.5kg/cm²로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.

이와 같이 하여 제조한 박대의 용탕 분사 압력에 따른 두께의 변화를 제6도에 나타내었다.

[비교예 2]

두께 12㎛이상의 비정질 박대를 제조하기 위해 용탕 분사시 회전하는 냉각롤의 선속도를 30m/s이하로 유지하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다.

이와 같이 하여 제조한 박대의 냉각롤의 선속도에 따른 비정질 박대의 두께 변화를 제2도에 나타내었다.

[비교예 3]

두께 12㎛이상의 박대를 제조하기 위해 장방형 노즐을 통한 용탕의 분사 압력을 0.16~1.5kg/cm²로 한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 시료를 제조 및 열처리 하였다.

이와 같이 하여 제조한 시료의 자심 손실은 100MHz, 0.2T동적 자화 조건에서 측정하였으며, 박대 두께에 따른 자심 손실의 변화는 제3도에 나타내었다.

[비교예 4]

두께 20㎛의 박대를 제조하기 위해 용탕의 분사 압력을 0.8kg/cm²이상으로 한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 시료를 제조 및 열처리하였다.

이와 같이 하여 제조한 시료의 주파수 변화에 따른 실효 투자율의 변화를 제4도에 나타내었다.

[비교예 5]

두께 12㎛이상의 박대를 제조하기 위해 장방형 노즐을 통한 용탕의 분사 압력을 0.16 내지 1.5kg/cm²로 한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 시료를 제조 및 열처리하였다.

이와 같이 하여 제조한 시료의 자심 손실은 1MHz, 0.2T동적 자화 조건에서 측정하였으며, 박대 두께에 따른 자심 손실의 변화를 제5도에 나타내었다.

본 발명은 이상의 실시예에 따라 구체적으로 기술되었지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 당업계 숙련자들은 본 발명의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위 및 정신에서 벗어나지 않는 한 다양하게 변경과 수정을 가할 수 있다는 사실을 인식하여야 한다.

Claims (5)

1. 다음 조성식으로 표시되며 평균 입경이 5 내지 20nm인 결정립으로 된 것을 특징으로 하는, 자심 손실이 적고 고주파 특성이 우수한 철계 극박형 초미세 결정 합금.

   Fe_100-X-y-z-wB_xNb_yCu_zM_w

   식중, M은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Zr, Mo, Hf 및 Ta 중에서 선택된 1개 이상의 원소이며, x, y, z 및 w는 각각 원자 %로서 5≤x≤15, 5≤y≤15,0≤z≤5, 0≤w≤5 및 10≤x+y+z+w≤40을 만족시키는 수이다.
2. 제1항에 있어서, M이 Al, Mo 및 Cr중에서 선택되고, x=9, y=7, z=1, 및 0.5≤w≤1.5인 합금.
3. 1) 다음 조성식으로 표시되는 합금을 공지의 진공 아크로에서 용해시켜 용탕을 얻는 단계

   Fe_100-X-y-z-wB_xNb_yCu_zM_w

   (식중, M은 Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Y, Zr, Mo, Hf 및 Ta 중에서 선택된 1개 이상의 원소이며, x, y, z 및 w는 각각 원자 %로서 5≤x≤15, 5≤y≤15,0≤z≤5, 0≤w≤5 및 10≤x+y+z+w≤40을 만족시키는 수임),

   2) 용탕이 1,000 내지 1,500℃에 도달하였을 때 공지의 단일롤형 액체 급냉 방법에 따라서 용탕 분사 압력을 0.01 내지 0.16kg/cm²로, 냉각롤의 선속도를 30 내지 65m/s로, 및 용탕 분사실내의 진공도를 5x10^-2토르 이하로 하여 박대를 제조하는 단계, 및

   3) 박대를 진공중에 약500내지 650℃에서 20 내지 120분 동안 열처리 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 자심 손실이 적고 고주파 특성이 우수한 철계 극박형 초미세 결정 합금 박대의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 용탕 분사 압력을 0.02 내지 0.16kg/cm²로 하는 것인 제조 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 냉각롤의 선속도를 35 내지 60m/s로하는 것인 제조 방법.