온간 성형으로 제조된 Fe-Si 분말코어의 자성특성에 미치는 바인더의 영향

Abstract

나노구조 재료는 일반적으로 결정립 크기가 매우 작아 결정립계의 부피분율이 기존재료에 비해 상대적으로 높고 이에 따라 기존의 마이크론 및 벌크재료에 비해 상이한 물리적, 화학적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 특히 나노구조 자성재료의 자성 특성은 결정립 크기, 내부변형, 결정 구조 등과 같은 미세구조에 의해 영향을 많이 받기 때문에 미세구조를 제어함으로써 나노구조 재료의 자성특성을 향상시킬 수 있다. 실리콘 수지는 규소와 산소가 번갈아 있는 실록산 구조에 메틸기, 페닐기 등이 서로 가교결합을 이루고 있는 수지로, 일반적으로 내열성이 우수하며기타 다른 수지에 비해 열 분해량이 매우 작고, 전기 절연도성 좋아 넓은 온도 범위에서 사용 가능하고 극성이 거의 없으므로 주파수 의존성이 적으며 탄화되는 성분이 적다. 이번 연구에서는 다른 나노구조 합금분말 제조방법들 보다 상대적으로 비용이 적게 들고 대량생산이 가능한 고에너지 볼밀링법을 이용하였으며, 상용의 Fe-33at.%Si 합금분말을 사용하여 나노구조의 Fe-Si 분말을 제조함으로써 제조비용을 낮추고 우수한 연자성 특성을 가지고 성형시 자성코어 특성을 가지는 분말을 제조하고자 하였다. 또한, 성형밀도를 높이고 바인더의 절연효과에 의한 자성특성을 높이고자실리콘 바인더를 첨가한 온간 성형법을 도입하였으며, 바인더의 종류 및 함량을 변화시키면서 온간성형을 실시하였다. 본 실험에서는 나노구조 분말을 제조하기 위하여 상용 Fe-33at.%Si 합금분말을 400rpm 으로 수직식 어트리션 밀에서 1~50 시간까지 고에너지 볼밀링을 실시 하였다. 제조된 합금분말의 밀링시간에 따른 분말의 구조적 특성을 SEM, XRD, PSA, TEM 등의 분석방법을 이용해 조사한 결과, 20 시간의 볼밀링 후 입자 크기와 결정립 크기가 평형상태에 도달함을 관찰할 수 있었다. 이때 입자 크기는 약 2㎛, 결정립의 크기는 약 16nm였다. 본 실험에 사용된 상용 3개社의 실리콘 바인더를 FT-IR 및 DSC를 이용하여 분석한 결과, Silicophen P50/X는 실록산에 메틸기, 페닐기, 히드록시기가, KR114A는 실록산에 메틸기가, DC805는 실록산에 메틸기, 페닐기가 결합된 각기 서로 다른 구조로 이루어져 있었고, Silicophen P50/X의 유리전이온도(Tg)는 33℃로 가장 높았으며, DC805는 19℃, KR114A는 -21℃로 가장 낮은 유리전이온도(Tg)를 나타내었다. 이는 FT-IR 측정결과에서 알 수 있듯이 Silicophen P50/X와 DC805는 페닐기를 가지고 있어 KR114A에 비해 높은 유리전이온도(Tg)를 가짐을 알 수 있었다.볼밀링을 통해 얻은 Fe-Si 분말을 650MPa, 240℃의 압력 및 온도 조건으로 3개社의 상용 실리콘 바인더를 각각 0.2wt%, 1.1wt%, 2.0wt%로 첨가하여 온간성형을 실시하였다. 이렇게 제조된 성형체의 상대밀도를 측정한 결과 바인더 함량이 1.1wt% 일때 3개社의 성형체 모두 가장 큰 상대밀도값을 나타내었고, 2.0wt% 일때는 바인더가 과량으로 첨가되어 오히려 1.1wt%보다 적은 상대밀도값을 갖았다. 또한 바인더의 종류에 따라서는 3개社 성형체 모두 경향성을 보이지 않는 것으로 보아 바인더의 특성과 상대밀도와는 관계가 없음을 알 수 있었다. 자성특성으로는 3개社의 성형체 모두 상대밀도 값이 증가할수록 포화자화값(Ms) 또한 증가하여 가장 큰 상대밀도값을 가질때 즉 바인더 함량이 1.1%일때 가장 큰 포화자화값(Ms)을 나타내었다. 이로써 상대밀도와 포화자화값(Ms)은 비례한다는 것을 알 수 있었다. 보자력값(Hc)의 경우는 2개社의 성형체는 바인더 함량이 증가함에 따라 반비례하여 2.0wt%일때 가장 작은값을 나타내었지만,DC-805 바인더를 사용한 성형체의 경우는 함량에 따른 경향성을 나타내지 않았다. 이는 바인더의 경화가 완전하게 이루어지지 않아 성형체 내부 구조에 영향을 끼쳐 보자력값(Hc)에도 영향을 준 것으로 판단된다.또한, 성형체의 자성특성도 상대밀도와 마찬가지로 바인더의 종류에 따라 경향성을 나타내지 않는 것으로 보아 바인더의 특성과는 관계가 없음을 알 수 있었다.; Generally, nanostructured materials exhibit different properties from those of their conventional coarse-grained materials because the grain size is so small, significant volume fraction of their microstructures is composed of interfaces, mainly grain boundary. Specially, studies on the synthesis of nanostructured materials with controlled microstructure are necessary for significant improvement in magnetic properties, because magnetic properties of nanostructured materials are affected by their microstructure such as crystal structure and grain size. Silicone resins are composed of siloxane bonds with methyl, phenyl, or hydroxy groups those are crosslinked each other. Generally they have high thermal resistance, electrical resistance and electrical insulating properties. so they can be used in wide range of temperature. they also have low frequency dependance and carbonization because they have few polarity. In this study, Commercial Fe-33at.%Si alloy powders were used to fabricate the nanostructured Fe-Si alloy powders through a high energy ball-milling process which cuts down expenses and has mass production. In addition, Fe-Si alloy powders and silicone binders were mixed when they were warm compacted. And this has been tried to improve their magnetic properties by various types and amounts of silicone binders as a warm compaction parameter. In this work, a high energy ball-milling process was performed to make nanostructured Fe-Si alloy powder at 400rpm for 50h. SEM, XRD, PSA and TEM analysises were used to analyze the structural characteristics of the fabricated powders on milling time. As a results, The Fe-Si alloy powders have an average particle size of 2㎛ and an average grain size of 16 nm. The commercial silicone binders of three companies were analyzed by FT-IR spectroscopy and DSC(Differential Scanning Calorimeter). As a result, Silicophen P50/X was a Polymethylphenylsiloxane resin with silanol functional group, KR114A was a Polymethylsiloxane resin and DC805 was a Polymethylphenylsiloxane resin. The glass transition temperature(Tg) of the Silicophen P50/X, DC805 and KR114A resins was 33℃, 19℃ and -21℃ respectively. The Silicophen P50/X and DC805 resin have higher glass transition temperature than KR114A because of phenyl group. The three kinds of silicone binder were added to the Fe-Si alloy powders at 0.2wt%, 1.1wt% and 2.0wt% respectively and then warm compaction was performed at 650MPa and 240℃ The warm compacted specimens which were added 1.1wt% silicone binder had the highest relative density values. The specimens added 2.0wt% silicone binder had lower relative density values than the ones added 1.1wt% silicone binder because they were added excessively. And there was no relationship between the types of binders and relative density of the warm compacted specimens. The effects of silicone binder on magnetic properties such as saturation magnetization and coercivity of Fe-Si alloy powders core by warm compaction were investigated. In proportion to the increase of relative density of specimens, the saturation magnetization values were increased. So the specimens with 1.1wt% binder had the highest saturation magnetization values. The coercivity values of the specimens used two types of binders were in inverse proportion to the amount of binder added. So specimens added 2.0wt% binder had the lowest coercivity values. There was no trend in case of the specimens used DC-805 binders because the binders were not hardened perfectly at warm compaction condition. And there was also no relationship between the types of binders and magnetic properties like saturation magnetization and coercivity in the warm compacted specimen.