FeSiAl 연자성 분말의 물성에 미치는 인산화 공정의 영향
FeSiAl 연자성 합금 분말은 고주파 전자기기, 모터 분야, 전자기 차폐, 친환경 에너지 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.
소개
연자성 재료는 현대 전력 전자 산업에서 핵심적인 구성 요소로, 에너지 변환, 신호 변환 및 전송에 중요한 역할을 합니다.
금속 연자성 재료는 연자성 재료의 중요한 부분을 차지하며, 여기에는 전기용 순철, 철-규소 합금, 철-규소-알루미늄 합금, 다결정 퍼멀로이 및 비정질-나노결정 연자성 합금 재료 등이 포함됩니다.
금속 연자성 물질을 제조하는 방법으로는 주로 가스 분무법과 물 분무법이 있다.
FeSiAl 합금 분말은 최근 몇 년간 급속히 발전한 연자성 재료의 일종으로, 분무법으로 제조됩니다. 이 재료는 높은 저항률, 우수한 포화 특성, 낮은 고주파 손실을 특징으로 하며, 특히 소형·고주파·고출력 핵심 인덕터 제조에 적합합니다.
그러나 새로운 유형의 합금 분말인 FeSiAl 합금 분말의 표면 처리 및 코팅 공정에 대한 연구는 아직 충분히 정립되지 않았으며, 특히 FeSiAl 합금 분말의 표면 인산염 처리 기술은 더욱 그러하다. 다양한 인산염 처리 공정을 적용하여, 서로 다른 인산염 처리 조건 하에서 FeSiAl 연자성 분말의 압축 성형 특성, 전자기적 성능 및 기계적 강도를 연구할 예정이다.
01
실험 재료 및 방법
1.1 FeSiAl 연자성 분말의 제조
입자 크기가 -500 메쉬인 FeSiAl 원분말을 5분량 취한다. 인산 농도(wt%)가 0.1% (인산염 미첨가), 0.21%, 0.41%, 0.81%, 1.61%인 인산 알코올 용액을 준비한다. 용액 내 알코올의 중량은 원료 분말 중량의 12%를 차지합니다. 인산염 알코올 용액을 원료 분말과 혼합하고 교반하여 균일한 슬러리를 만듭니다. 30분 동안 방치한 후, 슬러리를 건조시켜 사용할 인산염 처리된 FeSiAl 분말을 얻습니다.
화학 성분:
로트 번호 20260130-J
1.2 FeSiAl 코어의 제조
에폭시 수지와 아세톤을 혼합한 용액을 준비하고, 인산염 처리된 FeSiAl 분말을 에폭시 수지-아세톤 용액에 부어 슬러리를 만듭니다. 30분 동안 골고루 혼합한 후, 슬러리를 건조시켜 분말 형태로 만들어 에폭시 수지로 코팅된 인산염 처리 FeSiAl 분말을 얻습니다. 에폭시 수지로 코팅된 인산염 처리된 FeSiAl 분말을 자성 링 금형에 부어 압축 성형한다. 압축 압력은 600 MPa이며, 이를 통해 FeSiAl 연자성 링을 얻는다. 자성 분말 코어를 분사 건조 오븐에 넣어 건조 및 경화시킨다.
1.3 분말 코어의 성능 시험
자석 링의 인덕턴스는 고정밀 LCR 테스터를 사용하여 측정합니다. 자석 링의 직류 포화 방지 특성은 직류 바이어스 시험 시스템을 사용하여 시험합니다. 다양한 자기장 조건 하에서 자석 링의 손실은 전력 신호 시험 시스템을 사용하여 측정합니다. 자석 링의 기계적 강도는 범용 인장 시험기를 사용하여 시험합니다.
시험 결과 및 분석
2.1 인산 함량이 FeSiAl 자성 코어의 압축 밀도에 미치는 영향
그림 1. 가스 분무법으로 제조한 FeSiAl 분말의 SEM 사진
그림 2에서 볼 수 있듯이, FeSiAl 자성 코어의 압축 밀도는 인산 함량에 따라 달라집니다. 인산의 양이 증가함에 따라 FeSiAl 자성 코어의 압축 밀도는 점차 감소합니다. 인산을 첨가하지 않았을 때의 압축 밀도는 5.688 g/cm³이며, 1.6%의 인산을 첨가했을 때의 압축 밀도는 5.438 g/cm³이다.
그림 2. 인산 함량에 따른 FeSiAl 코어의 압축 밀도
2.2 인 함량이 자기 투자율에 미치는 영향
그림 3은 인산 함량의 변화에 따른 FeSiAl 자성 코어의 유효 투과율 추이를 보여준다. 유효 투자율은 고정밀 LCR 테스터를 사용하여 측정하였다. 시험 전압은 0.5 V, 시험 주파수는 100 kHz였다. 인산 함량이 증가함에 따라 FeSiAl 자성 코어의 유효 투자율이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 인산을 첨가하지 않았을 때 FeSiCr의 유효 투자율은 26.7이며, 1.6%의 인산을 첨가하면 투자율은 19.5로 떨어집니다.
그래프에서 볼 수 있듯이, 인산 농도가 0%에서 0.4% 사이인 범위 내에서 투과성은 인산 함량에 매우 민감하게 반응합니다. 26.7에서 21.8로 4.9 감소하는 반면, 인산 함량을 0.4%에서 1.6%로 증가시키는 과정에서 자성 코어의 자화율은 21.8에서 19.5로 2.3 감소합니다. FeSiAl 분말의 자화율은 분말의 자화 과정에서 비롯됩니다. 분말의 자화 과정에는 자기 도메인의 회전과 도메인 벽의 변위라는 두 가지 과정이 있습니다. FeSiAl 분말을 인산 알코올 용액과 혼합하면 FeSiCr 분말 표면에 인산염 코팅층이 형성됩니다. 인산염층의 존재는 도메인 벽의 변위를 방해합니다. 인산 함량이 낮을 때는 형성된 인산염층이 얇아 도메인 벽의 변위에 미치는 방해 효과가 작으므로, FeSiAl 자석의 유효 자기 투자율은 높아집니다. 인산 함량이 증가함에 따라 인산염층은 점차 두꺼워지고, 도메인 벽의 이동에 대한 방해 효과는 커지며, FeSiAl 자석의 유효 자기 투자율은 점차 감소한다. 한편, FeSiAl 분말 표면에 인산염 피막이 형성되면 분말의 압축 특성에 영향을 미쳐 FeSiAl 자석의 압축 밀도가 감소하고, 결과적으로 자석의 유효 자기 투자율이 더욱 낮아지게 된다.
그림 3. 인산 함량에 따른 FeSiAl 코어의 전도도
2.3 인 함량이 포화 특성에 미치는 영향
그림 4는 인산 함량의 변화에 따른 FeSiAl 자성 코어의 직류 바이어스 특성 추이를 보여준다.
그림 4. 인산 함량에 따른 FeSiAl 코어의 잔류 투과도
FeSiAl 연자성 분말의 직류 바이어스 특성은 작동 조건에서 직류 전류가 흐를 때 회로 내의 FeSiAl 자성 링이 포화 상태에 도달하기 쉬운 정도를 나타냅니다. 우수한 포화 특성은 자석이 포화 상태까지 자화되기 어렵고 더 큰 직류 조건에서도 사용할 수 있음을 나타냅니다. 그러나 자석이 일단 포화 상태에 도달하면 연자성 재료가 고장 나고, 장치의 인덕턴스가 급격히 감소하여 전체 회로 시스템의 안정적인 작동에 영향을 미치게 됩니다. 이 실험에서는 직류 자기장이 100 Oe일 때, 외부 자기장이 없는 상황과 비교하여 FeSiAl 자기 코어의 자기 투자율 변화를 관찰했습니다.
인산을 첨가하지 않고 100 Oe의 외부 바이어스 자기장을 가했을 때, 자성 코어의 자기 투자율은 외부 자기장이 없는 조건에서 측정된 값의 83.2%에 해당했으며; 즉, 외부 자기장이 없는 상태에서 자성 코어의 자기 투과율은 26.7이었으며, 1000 Oe의 직류 바이어스 자기장을 인가한 후 자성 코어의 자기 투과율은 22.2가 되었다. 그림에서 볼 수 있듯이, 인산 함량이 증가함에 따라 FeSiAl 자성 코어의 직류 바이어스 저항 성능이 점차 향상된다. 인산을 첨가하지 않았을 때의 값은 83.2%이다. 인산 첨가량이 0.8%일 때, 1000e 직류 바이어스 조건 하에서 자기 코어의 잔류 투자율은 89.7이 됩니다. 그 후 인산 함량이 계속 증가함에 따라 직류 바이어스 특성은 더 이상 상승하지 않고 약간 하락하는 경향을 보입니다.
2.4 인 함량이 손실 특성에 미치는 영향
그림 5는 인산 함량의 변화에 따른 FeSiAl 자성 코어의 손실 특성 추이를 보여준다.
그림 5. 인산 함량에 따른 FeSiAl 심재의 손실
저자속력을 갖는 FeSiAl 연자성 재료는 교번 자기장 내에서 작동하며, 자화와 손실을 모두 경험합니다. 연자성 재료의 주요 손실 원인으로는 와전류 손실과 히스테리시스 손실이 있습니다. 본 논문에서 적용한 손실 시험 조건은 50 mT 및 200 kHz입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 인산 함량이 증가함에 따라 코어 손실도 점차 증가한다. 인산을 첨가하지 않았을 때, 50 mT 및 200 kHz 조건에서의 코어 손실은 1787 mW/cm³이다. 인산염 용액의 인산 함량이 1.6%일 때, 50 mT 및 200 kHz 조건에서의 코어 손실은 2,159 mW/cm³이다.
FeSiAl 분말에 인산염 처리를 한 후, FeSiAl 분말 표면에 형성된 인산염층은 자석 내부의 자기 도메인이 뒤집히는 것을 방해합니다. 인산염 피막이 자기 도메인의 반전을 방해하는 효과로 인해, FeSiAl 자석 내부의 자화 방향 변화는 교번 자기장의 방향 변화보다 뒤처지게 되어 히스테리시스 손실이 발생합니다. 저주파수에서는 히스테리시스 손실이 자기 코어 손실의 주된 원인이 됩니다. 인산 농도가 증가함에 따라 인화물 층이 점차 두꺼워지고, 인화물 층이 자기 도메인 벽에 미치는 고정 효과가 강화되어 히스테리시스 효과가 더욱 두드러지게 나타납니다. 따라서 50 mT 및 200 kHz에서 FeSiAl 자성 코어의 손실은 인산 농도가 증가함에 따라 커집니다.
2.5 인 함량이 기계적 강도에 미치는 영향
그림 6에서 볼 수 있듯이, 인산염 처리 용액의 인산 농도가 증가함에 따라, 완제품 분말의 경화 후 자석 링의 기계적 강도는 점차 감소합니다. 인산 처리 전 자석의 기계적 강도는 759 N이었으나, 인산 농도가 1.6%로 증가했을 때 자석의 기계적 강도는 252 N으로 감소하여 현저한 저하를 보였습니다. 인산 농도가 증가함에 따라 인산염 처리층이 두꺼워졌고, 두꺼워진 인산염 처리층은 기판과의 접착력이 약해졌습니다. 또한, 두꺼워진 인산염 처리층 자체는 다공성이 높고 밀도가 낮아져 FeSiAl 분말과 에폭시 수지 사이의 접착력이 감소했고, 이로 인해 자석의 기계적 강도가 저하되었습니다.
그림 6. 인산 함량에 따른 FeSiAl 코어의 기계적 강도
