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KR-20260061791-A - Iron-based powder with soft magnetic and Method for manufacturing the same

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Abstract

본 개시에서는 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하고, 제1 철분말의 평균 입도와 및 제2 철분말의 평균 입도가 상이하여, 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하는 전체 철분말의 입도분포가 바이모달(bimodal)인 철계 연자성 복합체 분말 및 그 제조방법이 소개된다.

Inventors

  • 이진수
  • 김신규
  • 김진우
  • 윤준철
  • 류현곤

Assignees

  • 현대자동차주식회사
  • 기아 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (20)

  1. 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하고, 제1 철분말의 평균 입도와 및 제2 철분말의 평균 입도가 상이하여, 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하는 전체 철분말의 입도분포가 바이모달(bimodal)인, 철계 연자성 복합체 분말.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 철분말의 표면에는 제1 절연코팅층이 형성되고, 상기 제2 철분말의 표면에는 제2 절연코팅층이 형성된, 철계 연자성 복합체 분말.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 철분말 및 제2 철분말은 철(Fe) 90중량% 이상, 탄소(C) 0.1중량% 이하 및 기타 불순물을 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 철분말의 입도는 500㎛ 이하(단, 0㎛ 초과)인, 철계 연자성 복합체 분말.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 철분말의 입도는 10 내지 30㎛ 인, 철계 연자성 복합체 분말.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 철분말은 복수의 미세 철분말의 응집체인, 철계 연자성 복합체 분말.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 미세 철분말의 입도는 0.1 내지 0.3㎛ 인, 철계 연자성 복합체 분말.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 철분말 및 상기 제2 철분말이 중량비 기준 70:30 내지 90:10 비율로 포함된, 철계 연자성 복합체 분말.
  9. 제1 철분말을 준비하는 단계; 제2 철분말을 준비하는 단계; 및 상기 제1 철분말 및 상기 제2 철분말을 혼합하는 단계;를 포함하고, 제1 철분말의 평균 입도와 및 제2 철분말의 평균 입도가 상이하여, 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하는 전체 철분말의 입도분포가 바이모달(bimodal)인, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 철분말 및 제2 철분말은 철(Fe) 90중량% 이상, 탄소(C) 0.1중량% 이하 및 기타 불순물을 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 철분말의 입도는 500㎛ 이하(단, 0㎛ 초과)인, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 철분말을 준비하는 단계는, 상기 제1 철분말을 불규칙한 형상으로 가공하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 철분말을 준비하는 단계는, 상기 제1 철분말의 표면에 제1 절연코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 철분말의 입도는 10 내지 30㎛ 인, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 철분말을 준비하는 단계는, 미세 철분말을 준비하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 미세 철분말의 입도는 0.1 내지 0.3㎛ 인, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 철분말을 준비하는 단계는, 상기 미세 철분말을 응집하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 제조방법.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 철분말을 준비하는 단계는, 미세 철분말을 환원하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  19. 청구항 9에 있어서, 상기 제2 철분말을 준비하는 단계는, 상기 제2 철분말의 표면에 제2 절연코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.
  20. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 철분말 및 상기 제2 철분말을 혼합하는 단계는, 상기 제1 철분말 및 상기 제2 철분말을 중량비 기준 70:30 내지 90:10 비율로 혼합하는 단계;를 포함하는, 철계 연자성 복합체 분말 제조방법.

Description

철계 연자성 복합체 분말 및 그 제조방법 {Iron-based powder with soft magnetic and Method for manufacturing the same} 본 개시는 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하고, 제1 철분말의 평균 입도와 및 제2 철분말의 평균 입도가 상이하여, 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하는 전체 철분말의 입도분포가 바이모달(bimodal)인 철계 연자성 복합체 분말 및 그 제조방법에 관한 것이다. 연자성 복합체(soft magnetic composite, SMC)는 모터의 고정자(stator)와 회전자(rotor) 코어용 소재로 널리 사용되며, 일반적으로 전기강판(electrical steel)이라고 불리는 규소강판(silicon steel)을 적층한 코어(laminate core)가 현재까지 주로 적용되어 왔다. 그러나 모터 성능 향상을 위한 요구가 증가함에 따라, 3차원 설계 및 고주파 작동에 적합한 연자성 복합체에 대한 관심이 커지고 있다. 연자성 복합체는 전기적 절연 피막을 갖춘 철 기반의 분말을 사용하며, 전통적인 분말야금(powder metallurgy) 공정을 통해 코어로 제조된다. 연자성 복합체는 강판으로 제조된 적층 코어와 비교하여 높은 설계 자유도를 제공하고, 3차원 자속 전달이 가능하며, 공정 중 원료 손실률이 적어 제조 과정에서 장점을 지닌다. 또한, 적층 코어는 강판과 강판 사이가 절연되어 있지만, 연자성 복합체는 각 입자가 절연 코팅되어 있어 교류 전원에서 발생하는 와전류 손실(eddy current loss)을 감소시키는 특성을 가진다. 한편, 철 기반 연자성 복합체는 전기강판에 비해 와전류 손실이 낮지만, 히스테리시스 손실(hysteresis loss)은 상대적으로 높다. 전기강판은 1~4%의 Si을 포함하여 재료의 비저항을 증가시켜 히스테리시스 손실을 줄이는 반면, 철 기반 연자성 복합체는 Si을 첨가해 합금화할 경우, 분말야금 공정에서 성형성이 저하되어 자속밀도 및 투자율이 감소하는 한계가 있다. 최근 전기차의 고성능화를 위해 구동 모터의 고출력/고효율이 요구되고 있으며, 이를 위해 철 기반 연자성 복합체는 성형성을 확보하고 자속밀도 및 투자율을 향상시키며, 절연 코팅을 통해 철손을 감소시키는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 개시의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것이 아니다. 도 1은 일 실시예에 따른 제1 철분말을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 일 실시예에 따른 제2 철분말을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 일 실시예에 따른 제2 철분말을 촬영한 사진이다. 도 4는 일 실시예에 따른 철계 연자성 복합체 제조방법 및 연자성 복합체 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 일 실시예에 따른 제1 철분말 준비단계를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 일 실시예에 따른 제2 철분말 준비단계를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 비교예 1 내지 비교예 4와 실시예 1의 제1 철분말 및 제2 철분말의 혼합 비율에 따른 유동도 및 겉보기 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 8은 실시예 1에 따른 철계 연자성 복합체 분말의 입도 분포를 나타낸 그래프이다. 외부 자기장에 쉽게 자기화될 수 있지만, 외부 자기장이 제거되면 잔류 자기가 거의 남지 않는 성질을 의미할 수 있다. 바이모달(Bimodal)은 어떤 물질의 입자 크기 또는 분포가 두 가지 범주(크기 또는 특성)로 나뉘어 있는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 입도가 큰 입자와 상대적으로 입도가 작은 입자가 혼합되어 있는 상태를 바이모달이라 할 수 있다. 철계 연자성 복합체는 철분말을 주성분으로 하고, 철분말의 표면에 전기적으로 절연된 절연코팅층이 형성되어 와전류 손실을 줄이면서 자속 전달 성능을 향상시키는 것을 의미할 수 있다. 불규칙한 형상이란 일정한 패턴이나 대칭성을 가지지 않는 형상을 의미하며, 곡선, 굴곡, 요철 또는 복잡한 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 이는 직선이나 평면으로 정의될 수 없는 형상으로, 특정한 방향이나 비율에 따라 균일하지 않거나 다양한 변화가 발생하는 형상을 포함할 수 있다. 도 1은 일 실시예에 따른 제1 철분말을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 제2 철분말을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 일 실시예에 따른 제2 철분말을 촬영한 사진이다. 이를 참조하여 본 개시의 철계 연자성 복합체 분말에 대해 설명한다. 본 개시의 일 실시예에 따른 철계 연자성 복합체 분말은, 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하고, 제1 철분말의 평균 입도와 및 제2 철분말의 평균 입도가 상이하여, 제1 철분말 및 제2 철분말을 포함하는 전체 철분말의 입도분포가 바이모달(bimodal)일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 상기 제1 철분말(100)은 우수한 성형성을 갖도록 항복강도 및 인장강도가 낮은 순철을 포함할 수 있다. 상기 제1 철분말(100)의 철의 함량은 90 중량% 이상일 수 있고, 바람직하게는 95 중량%, 더욱 바람직하게는 99 중량% 이상일 수 있다. 상기 제1 철분말(100)의 탄소 함량은 0.1 중량% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.01 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.001 중량% 이하일 수 있고, 그 외 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 상기 제1 철분말(100)은 성형 중에 높은 냉간압접(cold welding) 효과를 갖도록 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 철분말(100)의 입도는 500㎛ 이하 바람직하게는 450㎛ 이하, 더욱 더 바람직하게는 380㎛ 이하(단, 0㎛ 초과) 일 수 있다. 이는 제1 철분말(100)을 제조하는 과정에서 불가피하게 불순물이 함께 생성되는데, 불순물 입자의 크기가 500㎛ 이상의 크기를 나타내므로, 상기 제1 철분말(100)의 입도가 500㎛ 이하의 크기를 갖도록 분급하여 사용해야 되기 때문일 수 있다. 상기 제1 철분말(100)의 표면에는 제1 절연코팅층(110)이 형성될 수 있다. 상기 제1 절연코팅층(110)은 인산염을 포함할 수 있고, 상기 인산염과 상기 제1 철분말의 산화반응으로 형성된 인산철을 포함할 수 있다. 상기 제1 절연코팅층(110)은 인산염을 포함하는 제1 레이어, 규산나트륨, 비스무트(III) 산화물 및 질화붕소 미립자를 포함하는 제2 레이어, 질화규소 미립자를 포함하는 제3 레이어를 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 제1 절연코팅층(110)은 전기적으로 절연을 수행할 수 있는 다양한 재질 또는 형상일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 철분말(200)은 우수한 성형성을 갖도록 항복강도 및 인장강도가 낮은 순철을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 상기 제2 철분말(200)의 철의 함량은 90 중량% 이상일 수 있고, 바람직하게는 95 중량%, 더욱 바람직하게는 99 중량% 이상일 수 있다. 또한, 제2 철분말(200)의 탄소 함량은 0.1 중량% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.01 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.001 중량% 이하일 수 있고, 그 외 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 상기 제2 철분말(200)은 복수의 미세 철분말(210)의 응집체일 수 있고, 이는 도 3에 도시된 사진과 같을 수 있다. 상기 미세 철분말(210)은 산화철분말이 환원된 것일 수 있고, 구체적으로 제철공정의 냉연강판 제조 시 발생되는 산세 스케일 철분말을 이용하여 환원시킨 것일 수 있다. 상기 미세 철분말(210)의 입도는 0.1 내지 0.3㎛일 수 있다. 상기 미세 철분말(210)이 응집된 제2 철분말(200)의 입도는 10 내지 30㎛일 수 있다. 상기 제2 철분말(200)은 상기 미세 철분말(210)의 응집을 보조하는 응집분말(220)이 포함할 수 있다. 상기 응집분말(220)은 금속 산화물 또는 세라믹 입자가 포함할 수 있고, 구체적으로 SiO2, 질화붕소 또는 이들의 혼합물 중에 적어도 하나일 수 있다. 상기 응집분말(220)은 철계 연자성 복합체 분말 총 중량을 기준으로 0.6 중량% 미만, 바람직하게는 0.5 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 0.4 중량% 미만(단, 0 중량% 제외) 첨가될 수 있다. 상기 제2 철분말(200)의 표면에는 제2 절연코팅층(230)이 형성될 수 있다. 상기 제2 절연코팅층(230)은 인산염을 포함할 수 있고, 상기 인산염과 상기 제2 철분말의 산화반응으로 형성된 인산철을 포함할 수 있다. 상기 제2 절연코팅층(230)은 인산염을 포함하는 제1 레이어, 규산나트륨, 비스무트(III) 산화물 및 질화붕소 미립자를 포함하는 제2 레이어, 질화규소 미립자를 포함하는 제3 레이어를 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 제2 절연코팅층(230)은 전기적으로 절연을 수행할 수 있는 다양한 재질 또는 형상일 수 있다. 본 개시의 철계 연자성 복합체 분말은 상기 제1 철분말(100) 및 상기 제2 철분말(200)이 중량비 기준 70:30 내지 90:10 비율로 포함할 수 있고, 바람직하게는 70:30 내지 80:20 비율로 포함할 수 있다. 이는 상기 혼합비 내에서 유동도가 빠르고 겉보기 밀도가 높아 성형 시 금형 내부에 분말의 충진성이 향상되어 성형밀도를 증가되기 때문일 수 있다. 한편, 본 개시의 철계 연자성 복합체 분말을 이용하여 연자성 복합체가 제조될 수 있다. 상기 연자성 복합체는 7.55g/㎤ 이상, 더욱 바람직하게는 7.65g/㎤ 이상의 성형 밀도를 가질 수 있고, 1.40T 초과, 바람직하게는 1.60T 초과, 더욱 바람직하게는 1.80T 초과의 포화자속밀도를 가질 수 있으며, 200A/m 미만의, 바람직하게는 150A/m 미만의 보자력을 가질수 있고, 1T 인덕션 및 1kHz 주파수에서 200W/kg 미만의, 바람직하게는 150W/kg 미만의, 더욱 바람직하게는 100W/kg 미만의 자기적 손실을 가질 수 있다. 상기 연자성 복합체는 모터의 고정자(stator) 및 회전자(rotor)의 코어용 소재로 제조 및 사용될 수 있다. 도 4는 일 실시예에 따른 철계 연자성 복합체 제조방법 및 연자성 복합