KR900001099B1 - 스피커에 사용되는 철-크롬-코발트-x 영구자석의 응력시효에 의한 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

스피커에 사용되는 철-크롬-코발트-X 영구자석의 응력시효에 의한 제조방법

제1도는 본 발명에서 실시한 시험의 시편도.

제2a도는 본 발명에서 실시한 시험의 시료의 상태도, 제2b도는 본 발명에서 실시한 시험의 열처리 공정도.

제3도는 본 발명에서 실시한 시험의 원리도.

제4도는 본 발명에서 실시한 시험의 응력시효 온도에 따른 자기적 특성.

제5는 본 발명에서 실시한 시험의 응력세기에 따른 자기적 특성.

제6도는 본 발명에서 실시한 시험의 응력시효 시간에 따른 자기적 특성.

본 발명은 고급스피커등에 사용되는 철-크롬-코발트-X(첨가원소) 합금으로된 영구자석의 제조방법에 관한 것이다.

종래 고급스피커에 사용되는 알니코(Alnico)는, 전략원소이며 고가인 코발트 함량이 25wt% 정도 함유되고 있을 뿐만 아니라 주조자석으로 냉각 가공등 가공성이 없다는 단점을 가지고 있다.

그런데 코발트 함량이 15wt% 정도이면서도 자성은 알니코와 비슷하거나 그 이상이 되는 철-크롬-코발트-X-의 합금이 개발되었다.

이 자성합금의 구체적인 특성은 다음과 같다.

1) 냉각 가공 및 소성변형이 잘된다.

2) 가공성이 양호하여 요구되는 형태의 자석을 만들 수 있다.

3) 알니코와 비슷하거나 그 이상의 자성을 갖는다.

4) B-H Curve 의 탈자곡선의 각형성(Squareness)이 좋다.

5) 전략 원소이면서 값이 고가인 코발트의 함량이 알니코의 25wt%에 비해 10-17wt%로 낮다.

6) 알니코에 비해 제조원자가가 비슷하거나 오히려 낮다.

이 Fe-Cr-Co-X계 자성합금계에서 영구자석 합금으로 가치를 갖게되는 것은 a₁(철, 코발트, 부유상(rich phase))이 어느 일정방향으로 길게 늘어난 형태를 갖아야 한다. 따라서 α입자를 길게 늘어나게 하는 것이 이 합금 개발의 관건이 되고 있다.

본 발명에서는 Fe-Cr-Co-X 합금에서 외부응력을 가하면서 시효(ageing) 열처리하여 스피노달 분해 입자(a₁)가 길게 늘어나게 하는 응력시효 방법을 사용하였다.

Fe-Cr-Co-X 합금의 상세한 제조공정은 다음과 같다.

[합금설계]

15wt% Co 함량의 Fe-Cr-Co 의 상태도는 도면 제2a도와 같다. Fe-Cr의 스피노달(Spinodul) 분해온도는 475℃ 정도로 낮아 분해속도가 너무 느려서 자성재료로써 가치가 없기 때문에 여기에 코발트를 첨가시켜 스피노달 분해가 일어나는 온도를 상승시키고 분해상의 조성차를 크게하여 준다. 그러나 코발트가 r(비자성)상의 형성을 촉진하는 원소로써 r-loop를 확장시킨다. 이렇게 되면 용체화 처리온도가 높아지기 때문에 철-크롬-코발트의 합금에-상 형성원소인 X(여기서 X는 α상형성원소인 Al, V, Ti, Zr, Si, Mow 등)를 그중 하나의 원소, 혹은 혼합하여 첨가하여 r-loop를 축소시켜 낮은 온도에서 용체화 처리를 할 수 있게 하고 r-상의 석출을 억제시켜야 한다. 만약 r 상이 형성되면 r 상은 비자성체로서 자기적 성질을 해치며 열처리의 제반조건을 제어하기 어렵다. 그러나 X 원소를 5% 이상 첨가하면 포화자화등 자기적 특징이 낮아지므로 유의해야 한다.

[용해 및 용체화 처리]

용해는 고주파 유도로에서 실시하며 진공 또는 Ar 분위기에서 실시한다. 용해후에 ingot 상태로 만든 후 단조 및 groove-rolling 등으로 봉상의 시료로 제조한다. 이 봉상의 시료를 1000℃-1250℃ 범위의 온도에서 용체화 처리를 30분에서 2시간 정도 실시한다.

용체화 처리된 시료는 X-ray 및 금속, 광학 현미경으로 상의 석출을 확인하여 용체와 처리온도를 설정하는데 α상 촉진원소(Co, N)가 많아지면 용체화 처리온도가 높아지고 α상 촉진원소의 첨가량이 많으면 반대로 용체화 처리온도가 낮아진다.

[응력시효]

응력시효는 본 발명에서 개발된 제조방법으로서 외부에서 응력을 가하면서 스피노달 분해를 일으켜서 α상(철, 코발트, 부유상)이 인장 응력방향에 평행하고 압축응력에 수직하게 늘어난 길쭉한 형태로 만드는 방법이다.

기존 제조공정은 α₁입자의 형태 이방성을 유도시키기 위해 자장 열처리(시효)방법을 이용하는바, 자장시효 방법은 외부에서 강력한 자장(2KOe 정도)을 가해주어야 하는데 자장을 가해주기 위해서는 솔레노이드(Solenoid)에 직류전기를 통과시켜 여기서 나오는 자장을 이용하고 있다. 따라서 전기에너지 손실이 상당하게 되어 Fe-Cr-Co-X 합금의 원가를 상승시키는 요인으로 작용하고 있다. 반면에 중력을 이용하는 응력시효 방법을 채택하면 자장시효 방법에서 자장을 가할 때 필요한 에너지 소비가 없기 때문에 그만큼 제조원가가 절감되어 가격면에서 유리하게 된다.

이 응력시효의 원리는 다음과 같다.

스피노달 분해가 일어날 때 α₁상과 α₂상의 조성차이에 의해 내부변형(internal strain)이 발생하고 이 변형에 의해 내부 응력(internal stress)이 발생된다.

스피노달 분해시에 외부에서 인장응력을 가하면 스피노달 분해에 의해 발생된 내부응력과의 반응에 의해 분해 입자가 인장응력방향과 평행으로 형성될 때 내부응력이 완화되어 결국 계의 자유에너지가 낮아지게 된다.

그러므로 외부에서 인장응력을 가하면서 스피노달 분해의 시효 열처리를 실시하면 분해된 스피노달 입자는 인장응력방향으로 α₁입자가 길게 늘어날 형태 즉, 형태 이방성을 얻을 수 있다.

또한 압축응력을 가하면 반대로 응력방향에 수직하게 길게 늘어난 형태 이방성을 갖게 된다. 이와 같은 처리로써 길쭉한 형태의 이방성 입자를 얻은 후에 서냉으로 입자의 안정성을 증가시킨 후 2차 시효를 실시하게 된다.

[2차 시효 열처리]

응력 시효를 실시한 시료는 분해상 즉 α₁(Fe, Co 부유상)과 α₂(Cr 부유상)의 조성차를 증가시키기 위해 2차 시효를 실시한다.

2차 시효는 응력시효를 완료한 온도부터 500℃정도까지 4-10℃/hr로 서냉하여 거의 평형에 가까운 조성으로 상분해를 시켜 α₁의 강자성 입자의 조성이 Fe 와 Co 가 높은 농도가 되게하고 α₂의 비자성 입자에서 Cr의 농도를 증가시켜서 자성의α₁과 비자성 또는 약자성의 입자의 포화 자기밀도(Ms)의 차를 증가시켜 전체의 자기적 성질을 향상시킨다. 2차 시효 처리까지 완료된 시효는 냉각하여 외부 가공으로 원하는 형태를 만든다.

이렇게 해서 만든 시효의 자성은 응력시효 대신 자장시효처리한 시료의 자성과 비슷하거나 약간 낮은 자성을 갖는데 상세한 결과는 다음과 같다.

[실시예 1]

본 실시예 1에서는 철-크롬-코발트-X 계 합금으로 이용가능한 것으로 판단되는 크롬이 20-30wt%이고, 코발트가 10-17wt%이며, α상 형성원소인 X의 범위가 1-5wt%인 합금중에서 대표적인 합금성분을 표 1과 같이 선정하여 실시하였다.

표1에 나타낸 화학조성의 시료를 도면 제2b도같은 공정으로 To를 710℃에서 620℃까지 변화시켜 실시하였다.

이때 외부 응력은 6.5Kg중/㎟로 30분 동안 외부 응력 시효를 실시하였으며 60℃/hr 로 600℃까지 냉각하여 30분 동안 유지한 후 계속해서 2차 시효를 실시하였다.

그에 따른 자기적 특성은 도면 제4도에 나타낸다.

[표 1]

사용한 시료의 화학적 조성(wt%)

도면 제4도에서 690℃-700℃ 사이에서 자성이 급격하게 떨어지는 이유는 실험에서 사용한 시료의 스피노달 분해온도가 690℃ 부근이기 때문에 700℃에서는 스피노달 분해가 일어나지 않아서 응력없이 열처리할 효과를 갖는 것이다.

이는 전자 현미경 관찰로서 확인되었다. 만약 시료의 Co 함량이 15.7wt%보다 낮은 경우에 스피노달 분해 온도가 낮아져서 분해속도가 느려지고 a₁과 a₂의 조정차가 적어져서 자기적 성질은 점차 낮아지는데 Co가 12.5wt%인 경우(BH)max가 2.8MGOe 정도로 자기적 성질이 낮아진다.

결국 응력시효에 사용되는 시료는 코발트 함량이 가능한 높을수록 유리한다. 또한 응력없이 열처리한 경우((BH)max=0.3MGOe)보다 상당하게 자성이 증가하여 이는 응력이 크면 커진다.

[실시예 2]

표 1에 나타낸 화학조성의 시료를 660℃에서 30분 동안 응력시효를 시켰을 때 외부 응력의 크기에 따른 자기적 성질은 도면 제5도에 나타낸다. 도면 제5도에서 알 수 있듯이 응력없이 시효한 경우 자기적 성질은 (BH) max가 0.3MGOe 정도로 낮은 자기적 성질을 갖는데 비해 외부 응력이 증가함에 따라 자기적 특성은 향상되고 있음을 알 수 있다.

이것은 외부응력에 의해 유도되는 형태 이방성이 크게 되기 때문에 발생하는 것이며 가장 높은 자기적 특성은 자장시효 열처리를 한 시료와 거의 같은 자성을 갖는다.

그런데 외부응력이 9.5Kg중/㎟ 이상의 응력에서 자성이 오히려 감소하는 것은 외부응력이 너무 커서 Greep Cavity 및 intergranular crack(입계균열)등이 발생되어 내부결함의 발생으로 인해 실제로 분해상이 받는 응력은 낮게되는 효과를 갖는 것과 같이 재료 내부의 응력 완화 기구등의 발생으로 인한 것이다.

[실시예 3]

표 1에 나타낸 시료를 660℃에서 6.5Kg중/㎟의 응력하에서 시효시간을 15분, 30분, 45분으로 변화시킬 때 자기적 특성변화는 도면 제6도에 나타내었다.

도면 제6도에서 응력시효 시간은 15분 정도의 응력시효시간은 형태 이방성을 유도시키기 위해 충분하지 못하여 자성이 비교적 낮고 30분 정도에서 최고의 자성을 나타내며 45분 동안 응력 시효할 때 오히려 자성이 감소한다는 것을 알 수 있다.

이러한 이유는 시효시간이 길어질 때 분해입자의 성장에 의해 형태 이방성이 오히려 감소하기 때문에 발생되는 것으로 생각할 수 있다. 대체적으로 자장시효시 α의 폭방향의 크기가 400Å 정도일 때 최고의 자성값을 갖는다고 알려지고 있다. 결국 30분 정도가 가장 적당한데 온도가 낮을수록 최고치의 자성을 갖는 시간을 길어진다.

위의 3가지 실시예에서 Br : 14500G, He : 595Oe, (BH)max : 5.3MGOe 정도의 자성을 얻을 수 있었던 바 이는 자장 시효시킨 시료와 거의 비슷한 자성의 자석을 얻을 수 있고 특히 가격면에서 상당히 유리한 자석을 얻을 수 있었다.

이는 응력시효 방법으로 제조한 시료가 Alnico-V 정도의 자석과 거의 유사한 자기적 특성으로 Alnico-V를 대체할 수 있으며 자장 시효공정을 응력시효방법으로 대체할 수 있다.

Claims (1)

1. 합금은 Cr이 20-30wt%이고, Co 가 12.5-15.7 이며 X(X는 α 형성원소 : Ti, V, Al, Zr, Si, W 등)의 성분이 1-5wt% 범위이고 나머지는 Fe로 된 합금으로된 영구자석의 제조방법에 있어서, 600℃-710℃ 온도범위에서 15-45분 동안 1Kg중/㎟-9.5kg중/㎟의 응력으로 응력시효하여 (BH)max가 2-6MGOe 범위로 되게한 것을 특징으로 하는 철-크롬-코발트-X 영구자석의 응력시효에 의한 제조방법.

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