다중 스캔 기반 선택적 레이저 용융 공정으로 제조된 Fe-Si-B-C-Cr 연자성 합금의 미세 조직 및 자기 특성 Microstructure and magnetic properties of Fe-Si-B-C-Cr soft magnetic alloy fabricated by selective laser melting process with multiple scanning원문보기
연자성합금은 모터, 발전기 및 변압기를 포함한 다양한 전자기 응용분야에서 널리 사용된다. 기존의 전기강판(Fe-si)기반의 연자성합금은 제한된 설계, 높은 철손, 낮은 투자율의 문제점이 있다. 반면, Fe계 비정질 연자성합금은 현재의 전기강판과 비교하여 높은 투자율을 가지며, 결정이방성이 없어 매우 낮은 철손을 가져 ...
연자성합금은 모터, 발전기 및 변압기를 포함한 다양한 전자기 응용분야에서 널리 사용된다. 기존의 전기강판(Fe-si)기반의 연자성합금은 제한된 설계, 높은 철손, 낮은 투자율의 문제점이 있다. 반면, Fe계 비정질 연자성합금은 현재의 전기강판과 비교하여 높은 투자율을 가지며, 결정이방성이 없어 매우 낮은 철손을 가져 3차원 부품 제조가 가능해질 경우 고효율/고출력 모터에 활용될 수 있다. 그러나 구리몰드 흡입주조 및 멜트스피닝, 스파크 플라즈마 소결로 제조된 비정질 연자성 합금은 연자성특성이 낮으며 두께 및 형상에 제한이 있다. 이러한 문제점의 대안으로, 얇은 금속분말 층에 레이저를 조사하여 적층제조하는 방식인 선택적 레이저 용융 공정이 떠오르고 있다. SLM 공정은 〖10〗^3-〖10〗^4의 급냉 및 3차원 구조의 자유설계 구현으로 인해서 Fe계 비정질연자성 부품 제조에 적합한 급속용융냉각 공정이다.하지만 SLM 공정에서 온도구배,잔류응력, Melt pool의 불안정한 상태, 화학적 불균일성으로인해 균일한 비정질 상의 형성이 어려운 점이 있다. 이에 본 연구에서는 기존 SLM 공정을 문제점을 해결하고자 화학적 균일성을 향상시켜 비정질 상을 안정적으로 형성시킬 수 있는 다중스캔 기법을 적용하였다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금 분말을 이용하여, 일반스캔과 다중스캔 방식을 적용하고 각각의 방식에서 에너지 밀도에 따른 비정질분율과 자기적특성, 기계적특성을 비교 분석하였다. 상대밀도 측정 결과 다중스캔이 일반스캔에 비해 증가한 것을 확인하였으며, 두 조건 모두 90 W까지 에너지밀도 상승시 상대밀도가 증가하는 것을 확인하였다. XRD 측정결과 다중스캔 적용시 결정 Peak가 완화되는 것을 확인하였고, FE-TEM 분석결과 부분결정과 비정질상 영역이 공존하는 것을 확인하였다. 자기적특성분석을 통해 포화자화(emu/g), 포화자기분극(T), 보자력(Oe)을 분석하였으며, 다중스캔적용 시 일반스캔보다 높은 포화자화, 포화자기분극 값을 나타내고, 보자력또한 다중스캔에서 감소하는 것을 확인하였다. 이는 밀도 향상과 함께 비정질상의 증가로 결정자기이방성이 감소되어 자구의 이동이 용이해졌기 때문이다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 철손(Core loss) 특성 분석 결과 다중스캔이 일반스캔 보다 철손 감소에 효과적이었다. 이는 비정질상 분율 향상으로 보자력 감소에 따른 히스테리시스 손실감소에 기인한 것으로 사료된다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 열처리에 따른 자성 특성 향상 효과를 확인하였다. 다중스캔과 열처리를 모두 진행한 소재가 가장 낮은 철손과 가장 높은 투자율을 나타내었으며, 이는 열처리 시 잔류응력 감소로 응력장에 잡혀있던 자벽구조가 원활 해지면서 자화이동이 원활 해졌다고 볼 수 있다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 항절력(Transverse test) 측정을 통한 기계적 특성 분석을 진행하였으며, 다중스캔이 일반스캔 보다 높은 기계적 강도를 나타냄을 확인하였다. 이는 다중스캔 적용 시 기공의 감소로 인한 밀도 향상 때문인것으로 사료된다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 다중스캔 기법 적용 연구를 통해 일반스캔 보다 밀도와 비정질상 분율이 향상되며, 이로 인해 자기적특성 및 기계적특성이 향상 되는 것을 확인하였다. 하지만 원분말에 비해 낮은 자기적 특성을 가지므로 앞으로 밀도와 자성특성을 향상시키기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
연자성합금은 모터, 발전기 및 변압기를 포함한 다양한 전자기 응용분야에서 널리 사용된다. 기존의 전기강판(Fe-si)기반의 연자성합금은 제한된 설계, 높은 철손, 낮은 투자율의 문제점이 있다. 반면, Fe계 비정질 연자성합금은 현재의 전기강판과 비교하여 높은 투자율을 가지며, 결정이방성이 없어 매우 낮은 철손을 가져 3차원 부품 제조가 가능해질 경우 고효율/고출력 모터에 활용될 수 있다. 그러나 구리몰드 흡입주조 및 멜트스피닝, 스파크 플라즈마 소결로 제조된 비정질 연자성 합금은 연자성특성이 낮으며 두께 및 형상에 제한이 있다. 이러한 문제점의 대안으로, 얇은 금속분말 층에 레이저를 조사하여 적층제조하는 방식인 선택적 레이저 용융 공정이 떠오르고 있다. SLM 공정은 〖10〗^3-〖10〗^4의 급냉 및 3차원 구조의 자유설계 구현으로 인해서 Fe계 비정질연자성 부품 제조에 적합한 급속용융냉각 공정이다.하지만 SLM 공정에서 온도구배,잔류응력, Melt pool의 불안정한 상태, 화학적 불균일성으로인해 균일한 비정질 상의 형성이 어려운 점이 있다. 이에 본 연구에서는 기존 SLM 공정을 문제점을 해결하고자 화학적 균일성을 향상시켜 비정질 상을 안정적으로 형성시킬 수 있는 다중스캔 기법을 적용하였다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금 분말을 이용하여, 일반스캔과 다중스캔 방식을 적용하고 각각의 방식에서 에너지 밀도에 따른 비정질분율과 자기적특성, 기계적특성을 비교 분석하였다. 상대밀도 측정 결과 다중스캔이 일반스캔에 비해 증가한 것을 확인하였으며, 두 조건 모두 90 W까지 에너지밀도 상승시 상대밀도가 증가하는 것을 확인하였다. XRD 측정결과 다중스캔 적용시 결정 Peak가 완화되는 것을 확인하였고, FE-TEM 분석결과 부분결정과 비정질상 영역이 공존하는 것을 확인하였다. 자기적특성분석을 통해 포화자화(emu/g), 포화자기분극(T), 보자력(Oe)을 분석하였으며, 다중스캔적용 시 일반스캔보다 높은 포화자화, 포화자기분극 값을 나타내고, 보자력또한 다중스캔에서 감소하는 것을 확인하였다. 이는 밀도 향상과 함께 비정질상의 증가로 결정자기이방성이 감소되어 자구의 이동이 용이해졌기 때문이다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 철손(Core loss) 특성 분석 결과 다중스캔이 일반스캔 보다 철손 감소에 효과적이었다. 이는 비정질상 분율 향상으로 보자력 감소에 따른 히스테리시스 손실감소에 기인한 것으로 사료된다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 열처리에 따른 자성 특성 향상 효과를 확인하였다. 다중스캔과 열처리를 모두 진행한 소재가 가장 낮은 철손과 가장 높은 투자율을 나타내었으며, 이는 열처리 시 잔류응력 감소로 응력장에 잡혀있던 자벽구조가 원활 해지면서 자화이동이 원활 해졌다고 볼 수 있다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 항절력(Transverse test) 측정을 통한 기계적 특성 분석을 진행하였으며, 다중스캔이 일반스캔 보다 높은 기계적 강도를 나타냄을 확인하였다. 이는 다중스캔 적용 시 기공의 감소로 인한 밀도 향상 때문인것으로 사료된다. FeSiBCCr 비정질 연자성합금의 다중스캔 기법 적용 연구를 통해 일반스캔 보다 밀도와 비정질상 분율이 향상되며, 이로 인해 자기적특성 및 기계적특성이 향상 되는 것을 확인하였다. 하지만 원분말에 비해 낮은 자기적 특성을 가지므로 앞으로 밀도와 자성특성을 향상시키기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Soft magnetic alloys are widely used in a variety of electromagnetic applications, including motors, generators, and transformers. The Fe-Si-based soft magnetic alloy has a problem of limited design, high iron loss, and low permeability. For this reason, the Fe-based amorphous soft magnetic alloy ha...
Soft magnetic alloys are widely used in a variety of electromagnetic applications, including motors, generators, and transformers. The Fe-Si-based soft magnetic alloy has a problem of limited design, high iron loss, and low permeability. For this reason, the Fe-based amorphous soft magnetic alloy has a much higher permeability than the current electric steel sheet. It has very low core loss due to high electrical resistance due to lack of crystal anisotropy and is used for high efficiency motor parts in three dimensional design manufacture. However, amorphous soft magnetic alloys produced by copper mold suction casting, melt spinning and spark plasma sintering have limitations in their thickness and shape due to poor soft magnetic properties. As an alternative to this problem, selective laser melting process has been considered as a promising candiates. It is suitable for the production of Fe-based amorphous soft magnetic alloy due to the rapid cooling rate of 〖10〗^3-〖10〗^4 and free design of 3-dimensional structure. However, in SLM fabrication, it is difficult to fabricate amorphous structure due to temperature gradient, residual stress, unstable state of meltpool, and chemical unevenness. In order to solve the problems of the existing SLM, we used the multiple scan strategy to induce high amorphous generation rate and to improve the soft magnetic property due to the amorphous stability due to the chemical uniformity. In this study, process-parmeter-modulated samples made by normal and multiple scan strategies using FeSiBCCr amorphous soft magnetic alloy powder were prepared. Then, the amorphous fraction, the magnetic properties, and the mechanical properties were characterized. As a result of the relative density measurement, we observed that multiple scans increased much more than ordinary scans, and the relative density increased with increasing energy density up to 90W in both conditions. As a result of XRD measurement, we observed that crystal peaks were alleviated when multiple scans were applied. As a result of the FE-TEM analysis, the ring pattern and the crystal pattern appearing in the diffraction pattern in which the partial crystal and the amorphous phase coexist in the general scan were similar. Only the ring pattern in which the amorphous phase exists is shown. The saturation magnetization (saturation magnetization), saturation magnetization (T) and coercive force (Oe) were measured through the magnetic characteristic curves. Multiple scans appeared to be further reduced. The maximum permeability was also highest for multiple scans. The reason is that the increase of the amorphous phase is the greatest decrease of the crystal anisotropy and the movement of the magnetization is easy. Reduction of iron loss and amplitude permeability were measured. In general scan, the lower energy density at 50w-1600 tended to decrease the iron loss, but the higher the energy density, the greater the decrease of iron loss at 90w-1600. The increase of the amorphous phase due to the chemical uniformity of the multiple scans is increased, and it seems to have a great effect on the iron loss reduction. Amplitude permeability showed a tendency that multiple scans increased from low frequency to high frequency and gradually decreased. The maximum permeability we saw earlier is like multiple scans. However, annealing heat treatment was performed due to lack of multiple scan in terms of decrease of iron loss. It was found that application of multiple scan and heat treatment showed good characteristics in terms of iron loss reduction and amplitude permeability as compared with general scan and multiple scan only specimens, The reason seems to be a decrease in residual stress. The mechanical properties were measured by the energy test at the break through the mechanical strength. The mechanical strength of the multi-scan was higher than that of the general scan, and the mechanical properties and the mechanical properties were uniformly increased throughout the material due to the increase of the amorphous fraction Respectively.
Soft magnetic alloys are widely used in a variety of electromagnetic applications, including motors, generators, and transformers. The Fe-Si-based soft magnetic alloy has a problem of limited design, high iron loss, and low permeability. For this reason, the Fe-based amorphous soft magnetic alloy has a much higher permeability than the current electric steel sheet. It has very low core loss due to high electrical resistance due to lack of crystal anisotropy and is used for high efficiency motor parts in three dimensional design manufacture. However, amorphous soft magnetic alloys produced by copper mold suction casting, melt spinning and spark plasma sintering have limitations in their thickness and shape due to poor soft magnetic properties. As an alternative to this problem, selective laser melting process has been considered as a promising candiates. It is suitable for the production of Fe-based amorphous soft magnetic alloy due to the rapid cooling rate of 〖10〗^3-〖10〗^4 and free design of 3-dimensional structure. However, in SLM fabrication, it is difficult to fabricate amorphous structure due to temperature gradient, residual stress, unstable state of meltpool, and chemical unevenness. In order to solve the problems of the existing SLM, we used the multiple scan strategy to induce high amorphous generation rate and to improve the soft magnetic property due to the amorphous stability due to the chemical uniformity. In this study, process-parmeter-modulated samples made by normal and multiple scan strategies using FeSiBCCr amorphous soft magnetic alloy powder were prepared. Then, the amorphous fraction, the magnetic properties, and the mechanical properties were characterized. As a result of the relative density measurement, we observed that multiple scans increased much more than ordinary scans, and the relative density increased with increasing energy density up to 90W in both conditions. As a result of XRD measurement, we observed that crystal peaks were alleviated when multiple scans were applied. As a result of the FE-TEM analysis, the ring pattern and the crystal pattern appearing in the diffraction pattern in which the partial crystal and the amorphous phase coexist in the general scan were similar. Only the ring pattern in which the amorphous phase exists is shown. The saturation magnetization (saturation magnetization), saturation magnetization (T) and coercive force (Oe) were measured through the magnetic characteristic curves. Multiple scans appeared to be further reduced. The maximum permeability was also highest for multiple scans. The reason is that the increase of the amorphous phase is the greatest decrease of the crystal anisotropy and the movement of the magnetization is easy. Reduction of iron loss and amplitude permeability were measured. In general scan, the lower energy density at 50w-1600 tended to decrease the iron loss, but the higher the energy density, the greater the decrease of iron loss at 90w-1600. The increase of the amorphous phase due to the chemical uniformity of the multiple scans is increased, and it seems to have a great effect on the iron loss reduction. Amplitude permeability showed a tendency that multiple scans increased from low frequency to high frequency and gradually decreased. The maximum permeability we saw earlier is like multiple scans. However, annealing heat treatment was performed due to lack of multiple scan in terms of decrease of iron loss. It was found that application of multiple scan and heat treatment showed good characteristics in terms of iron loss reduction and amplitude permeability as compared with general scan and multiple scan only specimens, The reason seems to be a decrease in residual stress. The mechanical properties were measured by the energy test at the break through the mechanical strength. The mechanical strength of the multi-scan was higher than that of the general scan, and the mechanical properties and the mechanical properties were uniformly increased throughout the material due to the increase of the amorphous fraction Respectively.
주제어
#selective laser melting soft magnetic amorphous magnetic material additive manufacturing
학위논문 정보
저자
남영균
학위수여기관
울산대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
첨단소재공학과재료공학전공 재료공학전공
지도교수
김병기
발행연도
2019
총페이지
64
키워드
selective laser melting soft magnetic amorphous magnetic material additive manufacturing
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