KR101342140B1 - 롤연마칩을 이용한 센더스트계 소결코아와 그 제조방법 - Google Patents

롤연마칩을 이용한 센더스트계 소결코아와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

제철소 롤연마칩을 원료분말로 이용하는 센더스트계 연자성 소결코아와 그 제조방법이 제공된다. 이 센더스트계 연자성 소결코아는, Fe-(9~10중량%)Si-(5~6중량%)Al의 센더스트와 상기 센더스트 100중량부에 대해 제철소 롤연마칩 1~10중량부로 조성되는 것이다. 이 센더스트계 연자성 소결코아의 제조방법 역시 제공된다.
본 발명에 따르면 제철소에서 발생하는 롤연마 칩을 센더스트의 원료분말로 활용하더라도 소결코아의 자기특성은 확보되며, 또한, 폐기되는 롤연마칩을 자원재활용함으로써 환경오염을 방지할 수 있을 뿐 아니라 센더스트 소결코아의 제조비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
센더스트, 소결코아, 롤연마칩, 자원재활용, 자기특성

Description

롤연마칩을 이용한 센더스트계 소결코아와 그 제조방법{SENDUST SINTERED CORES CONTAINING THE GRINDED CHIP OF ROLL, AND FABRICATION METHOD}
일본공개특허공보 소52-32809,
일본공개특허공보 소62-103343,
일본공개특허공보 평2-57615
본 발명은 센더스트계 연자성 소결코아와 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철소에서 발생하는 롤연마 칩을 원료의 일부로 이용한 센더스터계 연자성 소결코아와 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자, 전기, 기계부품의 코아로서 소형 및 고성능의 연자기 특성을 나타내는 복잡형상의 부품에 대한 수요가 증대되고 있다. 이들 부품은 높은 주파수의 응용 부품이 아닌 용도로 그 활용이 기대되고 있다. 그러한 부품의 예로는 감지 시스템, DC 모터의 고정자, 솔레노이드 플런저(solenoid plunger)와 프린터 헤드(printer-head) 등이 있다. 이와 같은 수요를 만족시키기 위하여 Fe계, 센더스 트(Fe-Si-Al)계, Fe-Ni계와 같이 연자기 특성이 우수한 재료를 분말야금법을 활용하여 부품중 자성 코아를 제작하고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 분말야금법은 최종 부품의 형상 혹은 그것에 가까운 형상으로 재료의 손실을 최소화하며 높은 효율로 생산 가능하다.
그러나 일반적으로 소결재는, 원료가 분말이라는 특성상 밀도 증가가 어렵고, 특히 자기적으로는 용제재에 비하여 상당히 열악한 특성을 나타낸다는 것이 주지의 사실이다. 따라서 보다 높은 소결밀도와 그에 따른 양호한 자기특성을 발현시키기 위한 노력이 경주되어 왔다(일본공개특허공보 소52-32809, 소62-103343, 평2-57615).
한편, Fe가 주성분인 롤(roll)을 대량 사용하며, 롤 표면의 주기적 연마가 필요한 제철소에서는 롤의 연마로 발생되는 칩(간단히 롤연마 칩으로 표기함)의 량이 년간 수 백톤 이상으로, 특별한 용도가 없어 매립 등 폐기 처분된다. 롤연마칩을 Fe-Ni-Mo계 퍼멀로이에 원료로 사용하는 기술은 제안된 바 있다. 연자성 소결코아에 롤연마 칩의 첨가는 소결품의 순도를 떨어뜨리는 치명적 영향으로 연자기 특성의 악화가 예상되지만 자원 활용의 측면에서 그 활용가능성의 확대가 필요한 시점이다.
본 발명에서는 Fe-Si-Al계 센더스트 연자성 코아에 제철소에서 발생하는 롤연마칩을 원료로 활용하는 연자성 소결코아와 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연자성 소결코아는,
Fe-(9~10중량%)Si-(5~6중량%)Al의 센더스트와
상기 센더스트 100중량부에 대해 제철소 롤연마칩 1~10중량부로 조성되는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제철소 롤연마칩은 Cr:1-4중량%, C:0.5-1중량%를 포함하고 나머지 적어도 92%이상의 Fe와 기타 불순물로 조성되는 것을 사용할 수 있다. 상기 제철소 롤연마칩은 1-5중량부가 가장 바람직하다. 본 발명의 일실시예에 의하여 얻어지는 연자성 소결코아는 15Oe의 인가자장에서의 측정치로서 자속밀도가 8.1~8.98KG이고 최대투자율(　μmax)이 52000~58000의 특성을 갖는다.
또한, 본 발명의 연자성 소결코아의 제조방법은,
Fe-(9~10중량%)Si-(5~6중량%)Al의 센더스트의 원료분말 100중량부에 대해 제철소 롤연마칩 1~10중량부를 혼합하는 단계,
상기 혼합분말을 금형에 장입하여 8~10 ton/cm2의 압력으로 성형하는 단계,
상기에서 얻어진 성형체를 진공도가 10-5 torr이하의 소결로에서, 1100~1300℃ 의 온도에서 1~3 시간 소결하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에서 상기 센더스트 원료분말의 입도는 125-250㎛의 범위로 분급한 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제철소 롤연마칩은 Cr:1-4중량%, C:0.5-1중량%를 포함하고 나머지 적어도 92%이상의 Fe와 기타 불순물로 조성되는 것을 사용할 수 있다. 상기 제철소 롤연마칩은 1-5중량부를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명에서는 센더스트 퍼멀로이 소결코아와의 특성을 상대적으로 비교 하여 크게 손색이 없는 한도내에서 자성코아의 원료로서 제철소 롤연마 칩을 사용하는데 특징이 있다.
본 발명에 적용 대상이 되는 센더스트는 Fe-Si-Al계로서, 그 조성은 Si가 9-10중량%, Al이 5-6중량%, 나머지 Fe로 되는 것이다. 센더스트의 가장 대표적인 예로서 Fe-9.6%Si-5.4%Al이 있다. 본 발명에서는 센더스트 연자성 코아로서 알려져 있는 성분계이면 적용 가능하며, 특별히 그 조성을 한정하여 해석하지는 않는다.
본 발명에 따라 제철소 롤연마 칩을 포함하는 연자성 소결코아는,
센더스트 100중량부에 대해 제철소 롤연마칩 1~10중량부로 조성되는 것이다. 여 기서 제철소 롤연마칩은 제철소에서 사용하는 롤의 표면을 연마과정에서 발생하는 것으로, 특별히 그 조성을 한정하지는 않는다. 물론, 롤연마 칩에서 Fe함량이 높을수록 바람직하며, Fe함량이 92%이상이 가장 바람직하다. 대표적인 롤연마 칩의 조성은 Cr:1-4중량%, C:0.5-1중량%를 포함하고 나머지 적어도 92%이상의 Fe와 기타 불순물로 조성되는 것을 사용할 수 있다. 여기서 불순물이란 상기한 주성분외에 포함되는 것으로, Si, Mn, P, S등이 있다.
본 발명에 따라 소결코아에서 롤연마 칩의 함량은 센더스트 100중량부에 대하여 1-10중량부가 바람직하다. 롤연마칩의 함량이 1중량%이상 되어야 그 활용측면에서 의미가 있으며, 10중량부를 초과하게 되면 자속밀도가 감소하는 등 소결코아의 자기특성에 악영향을 미치게 된다. 바람직한 롤연마칩의 함량은 1-5중량부이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 연자성 소결코아는 15Oe의 인가자장에서의 측정치로서 자속밀도가 8.1~8.98KG이고 최대투자율(　μmax)이 52000~58000의 특성을 갖는다.
이하, 본 발명의 연자성 소결코아의 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, Fe-(9~10중량%)Si-(5~6중량%)Al의 센더스트의 원료분말 100중량부에 대해 제철소 롤연마칩 1~10중량부를 혼합한다.
센더스튼 원료분말은 원심분무법을 통하여 제조한 센더스트계 분말을 사용할 수 있다. 상기 센더스트 원료분말의 입도는 125-250㎛의 범위로 분급한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 센더스트 원료분말의 입도가125μm미만의 경우에는 소결완료 후 자기특성중 자속밀도값은 높으나 작은 분말 입도에서 생성된 작은 결정입경에 연유한 증가된 입계가 보자력 및 투자율 등의 연자기 특성에 악영향을 줄 우려가 있다. 센더스트 원료분말의 입도가 250μm초과의 경우에는 소결시 높은 소결밀도를 얻을 수 없어 높은 자속밀도를 얻을 수 없기 때문이다.
롤연마 칩은 그 형상이 강종에 따라 다르나 150 μm 이하의 체(sieve)를 사용하여 성형전에 제거하는 것이 바람직하다. 그 이유는 큰 형상의 롤 칩이 첨가되었을 경우에 소결체의 밀도를 크게 하여 소결코아의 자기특성중 자속밀도를 작게 하기 때문이다. 상기 제철소 롤연마칩은 Cr:1-4중량%, C:0.5-1중량%를 포함하고 나머지 적어도 92%이상의 Fe와 기타 불순물로 조성되는 것이다.
제철소 롤연마 칩의 배합은 센더스트 원료분말 100중량부에 대하여 1-10중량부 보다 바람직하게는 1-5중량부로 한다. 그 이유는 롤연마칩의 함량이 1중량부 미만의 경우에는 순철 소결코아와 비교하여 비교적 양호한 자기특성은 얻어지나 롤 칩의 활용 측면에서 활용 가능한 칩의 량이 작아 의미가 없다. 롤연마 칩의 함량이 10중량부 초과할 때는 자속밀도가 감소하는 등 소결코아의 자기특성에 악영향을 미치기 때문이다.　
다음으로, 상기 혼합분말을 금형에 장입하여 8~10 ton/cm2의 압력으로 성형한다.
소결밀도 증가를 위하여 가능한 한 성형체 밀도를 증가시키면 좋으며 프레스의 인가 하중은 8~10 ton/cm2이 바람직하다. 성형압력이 8ton/cm2 미만에서는 높은 성형밀도를 얻을 수 없으며, 10 ton/cm2 초과에서는 금형내부와 분말의 강한 마찰로 분말 내부에 발생된 응력과 마찰력이 오히려 자기특성에 악형향을 줄 가능성이 있기 때문이며 보다 바람직하게는 10 ton/cm2의 압력이면 좋다. 금형의 일례로, 스테아린산 아연을 윤활재로서 도포하고 내경, 외경이 각각 6 mmΦ, 12 mmΦ인 것을 사용할 수 있으나, 반드시 여기에서 행할 필요는 없다.
상기에서 얻어진 성형체를 진공도가 10-5 torr이하의 소결로에서, 1100~1300℃의 온도에서 1~3 시간 소결한다. 진공도가 나쁠 때는 소결체의 산화가 우려되기 때문이다. 또한, 소결온도, 시간은 1100~1300℃, 1～2 시간이 적합하다. 소결온도와 시간이 낮고 짧으면 소결밀도가 저하되고, 필요이상 소결온도가 높고 시간이 길면 코아형상의 변화 및 자구의 고착등으로 코아특성에 오히려 바람직하지 않는 결과를 초래할 수 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 1300 oC에서 2 시간이면 좋고 냉각시는 로냉이 무방하다. 생산성을 고려하여 불활성 가스로 급냉 (gas quenching)하는 것은 급격한 냉각으로 열응력이 발생하여 연자기 특성에 악영향을 줄 수 있기 때문이다.　　
본 발명에 따라 얻어지는 소결체는 15Oe의 인가자장에서의 측정치로서 자속밀도가 8.1~8.98KG이고 최대투자율(　μmax)이 52000~58000의 특성을 갖는다.
이와 같이 본 발명에서 제시된 조건에 따라 분말의 혼합, 성형, 소결을 실시하면 연자기 특성이 양호한 소결코아의 제조가 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
[실시예]
제철소에서 발생하는 연마롤 칩을 150 μm 이하로 분급하였다. 이 연마롤 칩은 중량비로 나타내었을 때 Fe:92~98중량%, Cr:1~4중량%, C:0.5~1중량%가 주성분이며 나머지가 Si, Mn, P, S등으로 조성되는 것이다. 분급한 연마롤 칩을 제조될 코아의 중량에 대하여 1~10 중량%가 되도록 평량한 후 원심분무법을 통하여 Fe-9.6Si-5.4Al (wt.%) 조성을 나타내는 125~180 μm (평균입도 153 μm), 180~250 μm (평 균입도 215 μm) 입도의 센더스트 분말에 혼합하였다. 윤활재로 스테아린산 아연이 도포된 내경, 외경이 각각 6 mmΦ, 12 mmΦ인 금형에 장입한 후 10 ton/cm2의 수직압력으로 약 5 mm 두께의 성형체를 제작하였다. 그 후 진공도가 10-5 torr이하인 진공 소결로를 이용하여 1100～1300 oC의 소결온도에서 1～3 시간 소결을 실시하였다.
상기한 방법으로 제작된 코아의 직류 자기특성(10 Oe의 인가 자기장으로 측정된 자속밀도 B10, 보자력 Hc, 최대투자율 μmax) 및 소결밀도에 미치는 센더스트 원료 분말의 입도, 첨가 롤 칩의 량 및 소결온도, 시간의 영향을 상온에서 측정하였다. 그 측정결과를 표 1과 표 2에 나타내었다.
표 1은 1300℃에서 2 시간 소결 후, Fe-9.6Si-5.4Al (중량%) 조성을 나타내는
125~180 μm 입도의 원료분말에 롤연마칩의 첨가량에 따른 코아의 직류자기특성 결과를 나타낸 것이다. 표 2는 1300℃에서 2 시간 소결 후, Fe-9.6Si-5.4Al (중량%) 조성을 나타내는 180～250 μm 입도의 원료분말에 롭 칩의 첨가량에 따른 코아의 직류자기특성을 나타낸 것이다.
조 성 Bmax (kG)
(at 15 Oe)		 Hc
(Oe)		 　μmax ρ
(g/cm3)		 비고
A1 Fe-9.6Si-5.4Al + 1 wt.%롤 연마 칩 8.6～8.71 0.09～0.1 57000～
58000 		8.28 롤연마 칩 사용
A2 Fe-9.6Si-5.4Al + 3 wt.%롤 연마 칩 8.3～8.72 0.12～0.13 54000～
56000		 8.26
A3 Fe-9.6Si-5.4Al + 5 wt.%롤 연마 칩 8.5～8.98 0.15～0.16 52000～
53000		 8.24
A4 Fe-9.6Si-5.4Al + 8 wt.%롤 연마 칩 8.6～9.07 0.2～0.3　 47500～
50000		 8.21 롤연마 칩 사용
A5 Fe-9.6Si-5.4Al + 10 wt.%롤 연마 칩 8.7～9.18 0.4～0.5 44000～
46000		 8.18
A6 Fe-9.6Si-5.4Al 8.66 0.085 57000 8.33 원심분무
분말
조 성 Bmax (kG)
(at 15 Oe)		 Hc
(Oe)		 μmax ρ
(g/cm3)		 비고
B1 Fe-9.6Si-5.4Al + 1 wt.%롤 연마 칩 8.52 0.09～0.1 57000～
58000		 8.24 롤연마 칩 사용
B2 Fe-9.6Si-5.4Al + 3 wt.%롤 연마 칩 8.1～8.64 0.11～0.12 54500～
56500		 8.22
B3 Fe-9.6Si-5.4Al + 5 wt.%롤 연마 칩 8.2～8.80 0.14～0.16 52500～
54000		 8.20 롤연마 칩 사용
B4 Fe-9.6Si-5.4Al + 8 wt.%롤 연마 칩 8.5～8.90 0.15～0.20 48000～
51500		 8.17
B5 Fe-9.6Si-5.4Al + 10 wt.%롤 연마 칩 8.6～9.02 　0.3～0.4 45000～
47000		 8.14
B6 Fe-9.6Si-5.4Al 8.47 0.08 57000 8.3 원심분무
분말
표 1과 표 2에 나타낸 바와 같이, 제철소 롤연마 칩을 원료로 사용해도 전반적인 자기특성은 확보될 수 있다. 센더스트 원료분말의 평균입도가 커질수록 이론밀도에 대한 소결밀도비(ρ) 및 B10은 감소하나 Hc는 감소, μa는 증가하는 등 연자기 특성이 양호하게 되는 경향이 확인되었다.
그러나, 원료분말에 첨가되는 연마롤칩의 량이 증가하면 B10, Hc는 다소 증가하나, μa는 감소하는 경향을 나타낸다. 연마롤칩의 첨가시 나타나는 자기특성의 거동은 Fe 함량이 92 중량% 이상인 칩의 성분에 기인하는 것으로 판단된다. 소결밀도는 롤 칩의 첨가량 증가에 따라 다소 감소한다. 이는 센더스트 원료분말의 소결성이 연마롤칩보다 양호함에 기인한다. 또한, 소결시간이 3 시간 보다 길어지면 연자기 특성은 다소 나빠지는데, 자구의 고착과 관련 있다. 표 1, 2에는 각각 소결온도를 최고의 자기특성이 나타난 1300 oC로 고정하고 2 시간 소결시킨 후 변화시킨 후 원료분말의 입도가 125～180 μm, 180～250 μm인 것에서 얻은 결과만 나타냈다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제철소에서 발생하는 롤연마 칩을 센더스트의 원료분말로 활용하더라도 소결코아의 자기특성은 확보되며, 또한, 폐기되는 롤연마칩을 자원재활용함으로써 환경오염을 방지할 수 있을 뿐 아니라 센더스트 소결코아의 제조비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

Claims (9)

  1. Fe-(9~10중량%)Si-(5~6중량%)Al의 센더스트와
    상기 센더스트 100중량부에 대해 제철소 롤연마칩 1~10중량부로 조성되고,
    상기 제철소 롤연마칩은 Cr:1-4중량%, C:0.5-1중량%를 포함하고 나머지 적어도 92%이상의 Fe와 기타 불순물로 조성되는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제철소 롤연마칩은 1-5중량부임을 특징으로 하는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 소결코아는 15Oe의 인가자장에서의 측정치로서 자속밀도가 8.1~8.98KG이고 최대투자율(　μmax)이 52000~58000임을 특징으로 하는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아.
  5. Fe-(9~10중량%)Si-(5~6중량%)Al의 센더스트의 원료분말 100중량부에 대해 상기 제 1 항의 조성을 가지는 제철소 롤연마칩 1~10중량부를 혼합하는 단계,
    상기 혼합분말을 금형에 장입하여 8~10 ton/cm2의 압력으로 성형하는 단계,
    상기에서 얻어진 성형체를 진공도가 10-5 torr이하의 소결로에서, 1100~1300℃의 온도에서 1~3 시간 소결하는 단계를 포함하여 이루어지는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 센더스트 원료분말의 입도는 125-250㎛의 범위로 분급한 것임을 특징으로 하는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 제철소 롤연마칩은 1-5중량부임을 특징으로 하는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 소결코아는 15Oe의 인가자장에서의 측정치로서 자속밀도가 8.1~8.98KG이고 최대투자율(μmax)이 52000~58000임을 특징으로 하는 제철소 롤연마칩을 이용한 연자성 소결코아의 제조방법.
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