Fe-Al계 금속분말 연자성 코아의 개발 = Development of Fe-Al alloy soft magnetic powder cores

국문 초록 (Abstract)

분말합금 연자성 재료는 초투자율과 최대 투자율이 커야하고 자성체의 체적효율을 높이기 위하여 포화자속밀도가 높고 외부자장의 방향전환에 따라 쉽게 자화반전이 일어나기 위해 보자력이 작아야 한다. 또한 이 재료는 외부자장에 신속하게 반응하여 높은 자속밀도를 저손실로 얻어야 한다. 이를 위해서는 합금조성의 최적화와 입자의 미세화, 안정적인 절연확보, 고압성형 등이 필수적으로 적용되어야 한다.
본 연구에서는 연자성 재료 중 Fe-Al 조성을 갖는 합금 용융체를 제조하고 이를 분말화 하여 절연코팅 후 고압성형을 함으로서 기존 Fe-Al 판재나 Fe-Si판재에서 얻을 수 없었던 저손실을 실현하고 센더스트 재질에 비해 높은 자속밀도를 얻으며 퍼말로이 재료에 비해 저렴한 새로운 개념의 금속분말 연자성 코아롤 개발하고 그에 대한 자성 특성을 평가하였다.
본 연구의 실험은 다음과 같이 진행되었다. 첫 번째로 Fe-Al 재료의 연자기적 최적 조성을 확인하기 위해 진공용해로를 이용하여 Al을 wt% 별로 합금화를 진행하고 이를 고압 가스분사 하여 미세한 합금분말을 제조하였다. 이후 합금분말의 성분을 분석함으로써 원하는 조성이 얻어졌는지를 확인하였고 EDX분석을 통해 다시 한 번 정성분석을 실시하였다. 이렇게 얻어진 합금분말의 입도분포와 경도를 확인하여 분말 코아로 제조가 가능한지를 확인하였다. VSM측정을 통해 Ms와 Hc를 분석하고 다른 자성재료와 비교하여 높은 자속밀도를 낼 수 있고 저손실화가 가능하다는 판단을 할 수 있었다.
두 번째로 이렇게 얻어진 합금 분말을 탈크, 카올린 등의 세라믹으로 절연코팅하고 트로이달 형상으로 고압성형 함으로써 고밀도화를 실현하고이를 열처리하여 연자성 코아의 기본적인 특성인 투자율과 직류중첩특성, 코아손실을 분석하여 타 재질과 비교하였다.
본 연구에서는 Al 함량을 3～16 wt%까지 1～2 %씩 증가시키면서 분체특성 및 코아의 자성특성을 확인하였다. 확인결과 트로이달 코아로 성형시의 성형성과 밀접한 관계가 있는 분말의 경도는 Al함량이 증가하면서 지속적으로 증가하는 경향을 알 수 있었으나 최대 16 wt%에서도 기존재질인 센더스트나 Fe-6.5 wt% Si보다 낮은 경도값을 나타내어 코아로 성형시 밀도를 높이는데 유리할 수 있음을 확인하였다. 분말 자성코아의 경우 성형밀도가 높으면 코아손실이나 직류중첩특성이 우수해 지기 때문에 분말의 경도값은 자성특성을 극대화하는데 매우 중요한 요소이다.
Vibrating sample magnetometer (VSM) 분석에서는 Al의 함량이 증가 할수록 점차 포화 자화 (Ms : saturation magnetization) 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 비자성체인 Al의 증가에 기인하는 것으로 판단된다. 코아의 밀도 또한 Al함량이 증가 할수록 점차 감소하는 경향을 보였다.
초기 투자율은 Al함량이 16 wt%에서 가장 높았으며 13 wt%에서도 높은 값을 나타내었다.
직류중첩특성은 13 wt% 까지는 100 Oe에서 40 μ이상의 값을 가졌으나 14 wt% 이상에서는 급격하게 저하되는 경향을 확인하였다.
손실특성인 코아손실은 Al함량이 증가 할수록 낮아지는 경향을 보이며 특히 13, 16 wt%에서 낮은 값을 보였다.
전체적으로 13 wt% Al 조성에서 모든 자성특성이 연구목적인 퍼말로이 재질대비 저가격, 센더스트 대비 높은 직류중첩특성, Fe-6.5 wt% Si대비 저손실에 부합하는 특성을 보이고 있어 이의 상용화가 이루어 질 경우 향후 새로운 금속분말 연자성 코아 로서의 응용이 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 요지 ........................................................................................................................... i
• 1. 서론 ..................................................................................................................... 1
• 2. 이론및 문헌적 배경 ....................................................................................... 8
• 2.1 고투자율 연자성 재료 ................................................................................. 8
• 2.1.1 연자성 재료의 원리 ................................................................................ 8
• 2.1.2 연자성과 불순물 ..................................................................................... 10
• 2.1.3 연자성과 첨가원소 ................................................................................. 11
• 2.2 강자성체의 자화과정 .................................................................................. 16
• 2.2.1 자화과정의 개요 ..................................................................................... 16
• 2.2.2 자벽 이동에 의한 자화 ......................................................................... 17
• 2.2.2.1 가역적 자벽이동 ................................................................................ 17
• 2.2.2.2 비가역적 자벽이동 ............................................................................ 18
• 2.2.2.3 비자성 개재물과 자벽이동 .............................................................. 19
• 2.2.3 회전자화에 의한 자화 ........................................................................... 20
• 2.3 교류자화 ......................................................................................................... 21
• 2.3.1 교류자화의 자기손실 ............................................................................. 21
• 2.3.2 자기 손실의 종류와 원인 ..................................................................... 23
• 2.3.2.1 와전류 손실 ........................................................................................ 24
• 2.3.2.2 자기이력 손실 .................................................................................... 26
• 2.3.2.3 잔류손실 .............................................................................................. 27
• 3. 실험 방법 ......................................................................................................... 28
• 3.1 분말제조 ........................................................................................................ 28
• 3.1.1 원재료 ....................................................................................................... 28
• 3.1.2 합금화 및 분말제조 ............................................................................... 29
• 3.1.3 분말 열처리 ............................................................................................. 29
• 3.1.4 세라믹 코팅 ............................................................................................. 31
• 3.1.5 분말 분석 ................................................................................................. 31
• 3.2 코아제조 ........................................................................................................ 32
• 3.2.1 코아성형 ................................................................................................... 32
• 3.2.2 코아 열처리 ............................................................................................. 32
• 3.2.3 코아 특성평가........................................................................................... 32
• 4. 결과 및 고찰..................................................................................................... 34
• 4.1 분말분석결과 ................................................................................................ 34
• 4.1.1 성분분석결과 ........................................................................................... 34
• 4.1.2 분말의 입형, 입도, 유동도 및 겉보기 밀도 .................................... 37
• 4.1.3 분말의 결정립 크기 ............................................................................... 40
• 4.1.4 분말의 경도 ............................................................................................. 42
• 4.1.5 VSM 분석결과 ....................................................................................... 44
• 4.2 코아 특성분석 .............................................................................................. 49
• 4.2.1 코아밀도 ................................................................................................... 49
• 4.2.2 알루미늄 함량에 따른 투자율 ............................................................ 52
• 4.2.3 알루미늄 함량에 따른 코아손실 ........................................................ 55
• 5. 결론 .................................................................................................................... 59
• 6. 참고문헌 ........................................................................................................... 61
• Abstract ................................................................................................................ 65