JP2022515235A - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
方向性電磁鋼板は熱延、冷延、および焼鈍工程を通じて2次再結晶された結晶粒が圧延方向に{110}<001>方向に配向された集合組織(一名「Goss Texture」とも言う)を有する機能性鋼板をいう。
方向性電磁鋼板の鉄損を下げる方法として、磁区微細化方法が知られている。即ち、磁区をスクラッチやエネルギー的衝撃を与えて方向性電磁鋼板が有している大きな磁区の大きさを微細化させることである。この場合、磁区が磁化されその方向が変わる時、エネルギー消耗量を磁区の大きさが大きかった時より減らすことができるようになる。磁区微細化方法としては、熱処理後にも磁気的特性が改善されてその効果が維持される永久磁区微細化と、そうでない一時磁区微細化がある。
ロールによる永久磁区微細化方法は、ロールに突起形状を加工してロールや板を加圧することによって板表面に一定の幅と深さを有する溝を形成した後に焼鈍することによって溝下部の再結晶を部分的に発生させる鉄損改善効果を示す磁区微細化技術である。ロール法は、機械加工に対する安定性、厚さによる安定的な鉄損確保が得難い信頼性およびプロセスが複雑であり、溝形成直後(応力緩和焼鈍前)鉄損と磁束密度特性が劣化する短所を有している。
レーザによる永久磁区微細化方法は、高出力のレーザを高速で移動する電磁鋼板表面部に照射し、レーザ照射によって基地部の溶融を伴うグルーブ(groove)を形成させる方法を使用する。しかし、このような永久磁区微細化方法も磁区を最小大きさに微細化させるのは難しい。
永久磁区微細化の場合、溝を彫って静磁エネルギーを受けることができる自由電荷面積を広げることであるため、できる限り深い溝深さが必要である。もちろん、深い溝深さによって磁束密度の低下などの副作用も発生する。そのため、磁束密度劣化を減らすために適正溝深さとして管理する。
一方、磁区微細化技術で製造した方向性電磁鋼板は、成形および熱処理過程を経て変圧器鉄心などの製品に製造される。また、製品は比較的に高温の環境で使用されるため鉄損特性だけでなく、絶縁コーティング層との密着性を確保することが必要である。
アイランドの密度は、0.5個/μm2以下であることを特徴とする。
電磁鋼板において、R/Hhill-upは、0.02~1.0であることを特徴とする。
[数1]
密着性係数(Sad)=(0.8×R)/Hhill-up
数1中、Rは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面の平均粗さ(μm)を示し、Hhill-upは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(μm)を示す。
冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(Hhill-up)は5.0μm以下であることを特徴とする。
グルーブの下部に再凝固層が形成できることを特徴とする。
ここで使用される専門用語はただ特定実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形態は文句がこれと明確に反対の意味を示さない限り複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は特定特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分の存在や付加を除外させるのではない。
ある部分が他の部分「の上に」または「上に」あると言及する場合、これは直ぐ他の部分の上にまたは上にあり得るか、その間に他の部分が伴われることがある。対照的に、ある部分が他の部分「の真上に」あると言及する場合、その間に他の部分が介されない。
異なって定義しなかったが、ここに使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞典に定義された用語は関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り理想的であるか非常に公式的な意味に解釈されない。
図1は、本発明の一実施形態によって磁区微細化された方向性電磁鋼板10の模式図を示す。
図1に示すように、本発明の方向性電磁鋼板10は、電磁鋼板の一面または両面に、圧延方向(RD方向)と交差する方向に形成された線状のグルーブ20が形成されている。
以下各段階別に具体的に説明する。
まず、冷延板を製造する。本発明では冷延板製造以後、磁区微細化方法にその特徴があるものであって、磁区微細化の対象になる冷延板は方向性電磁鋼板分野で使用する冷延板を制限なく使用することができる。特に、方向性電磁鋼板の合金組成とは関係なく本発明の効果が発現される。したがって、方向性電磁鋼板の合金組成に関する具体的な説明は省略する。一例として、冷延板は重量%で、C:0.07%以下、Si:1.0~6.5%、Mn:0.005~3.0%、Nb+V+Ti:0.050%以下、Cr+Sn:1.0%以下、Al:3.0%以下、P+S:0.08%以下、および希土類およびその他不純物総合0.3%以下を含み、残部はFeからなる。
冷延板製造方法についても方向性電磁鋼板分野で使用する冷延板製造方法を制限なく使用することができ、これに関する具体的な説明は省略する。
グルーブを形成する段階で、圧延垂直方向に対して、グルーブを2~10個断続的に形成する。図1では圧延垂直方向に対して、グルーブを4個断続的に形成した例を示す。但し、これに限定されるのではなく、グルーブを連続的に形成することも可能である。
図1および図2で示すように、グルーブ20の長さ方向(図1のRD方向、図2のX方向)と圧延方向(RD方向)は75~88°の角度をなしている。前述の角度でグルーブ20を形成する時、方向性電磁鋼板の鉄損を改善するのに寄与する。
グルーブの幅(W)は10~200μmであり、グルーブ20の幅が過度に狭いか大きい場合、適切な磁区微細化効果が得られないことがある。
また、グルーブの深さ(H)は30μm以下であり、グルーブの深さ(H)が過度に深ければ、強いレーザ照射によって鋼板10の組織特性を大きく変化させるか、多量のヒルアップおよびスパッタを形成して磁性を劣化させることがある。したがって、前述の範囲でグルーブ20の深さを制御することができる。さらに具体的に、グルーブの深さは3~30μmである。
レーザを使用する場合、冷延板表面に500W~10KW平均出力のTEMoo(M2≦1.25)レーザビームを冷延板表面に照射することによってグルーブを形成することができる。レーザの発振方式は制限なく使用することができる。即ち、連続発振またはPulsed modeを使用することができる。このように表面ビーム吸収率が鋼板の溶融熱以上となり得るようにレーザを照射して、図1および図2で表したグルーブ20を形成する。図2で、X方向はグルーブ20の長さ方向を示す。
このようにレーザまたはプラズマを使用する場合、レーザまたはプラズマから放出される熱によってグルーブの下部に再凝固層が形成できる。再凝固層は製造中の電磁鋼板の全体組織と結晶粒粒径が異なっていて区分される。再凝固層の厚さは5.0μm以下に形成できる。再凝固層の厚さが過度に厚い場合、後述の金属酸化物層が厚く形成されて、金属酸化物層と基地組織の密着性および耐食性が悪くなることがある。
グルーブを形成する段階以後、レーザまたはプラズマから発生する熱および空気中の酸素および水分、噴射ガス内の酸素および水分によって鋼板表面が一部酸化されてFe-O酸化物が存在する。
Fe-O酸化物は、Fe2O3、Fe3O4などの鉄酸化物を意味する。Fe-O酸化物は全部または一部を除去することができる。
Fe-O酸化物を除去する前には、冷延板表面の平均粗さ(R)は1.2μm以上である。この時、Fe-O酸化物を除去せず、後続工程を行う場合、グルーブ部分の金属酸化物層が不安定に形成され、密着性および耐食性が低下することがある。
Fe-O酸化物を除去した後、冷延板表面の平均粗さ(R)は3.0μm以下となる。前述の範囲でFe-O酸化物を除去することによって、金属酸化物層が安定的に形成され、密着性および耐食性が向上できる。好ましくは、冷延板表面の平均粗さ(R)は0.05~0.30μmである。
Fe-O酸化物を除去する過程で、グルーブ形成過程で発生したヒルアップも一部除去できる。ヒルアップが過度に高く形成される場合、酸化物層が不安定に形成され、密着性および耐食性が劣位になることがある。具体的に、酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(Hhill-up)は5.0μm以下である。
1次再結晶焼鈍する段階は方向性電磁鋼板分野で広く知られているので、詳しい説明は省略する。1次再結晶焼鈍過程で脱炭または脱炭と窒化を含むことができ、脱炭または脱炭と窒化のために湿潤雰囲気で焼鈍することができる。1次再結晶焼鈍する段階での均熱温度は800~950℃である。
次に、焼鈍分離剤を塗布し、2次再結晶焼鈍する。焼鈍分離剤については広く知られているので、詳しい説明は省略する。一例として、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を使用することができる。
本発明の一実施形態で、下記数1で計算される密着性係数が0.016~1.13である。
[数1]
密着性係数(Sad)=(0.8×R)/Hhill-up
数1中、Rは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面の平均粗さ(μm)を示し、Hhill-upは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(μm)を示す。
密着性係数が前述の範囲を満足することによって、優れた密着性および耐食性を確保することができる。
2次再結晶焼鈍する段階は、900~1210℃の均熱温度で行うことができる。
2次再結晶焼鈍過程で、焼鈍分離剤内のMgO成分が鋼板表面に形成された酸化層と反応して鋼板およびグルーブの表面に金属酸化物層(フォルステライト層)が形成できる。図3では金属酸化物層30を概略的に表した。本発明の一実施形態で、2次再結晶焼鈍前にグルーブが形成されるため、鋼板だけでなくグルーブの表面にも金属酸化物層30が形成できる。
本発明の一実施形態で、グルーブ形成以後、鋼板表面にFe-O酸化物を除去するため、焼鈍分離剤内のMgOが鋼板内部に浸透または通過して金属酸化物層30下部にアイランド40が形成できる。このアイランド40は金属酸化物を含む。さらに具体的に、フォルステライトを含む。
アイランド40が不連続的に適切に形成されることによって、金属酸化物層30と鋼板の密着性を向上させるのに寄与し得る。具体的に、グルーブの下部に金属酸化物を含むアイランドの密度が0.5個/μm2以下である。この時、基準は鋼板圧延方向(RD方向)および厚さ方向(ND方向)を含む断面(TD面)からグルーブ20下部に5μm以内の深さ面積に対するアイランドの密度を意味する。
グルーブ20下部に位置するアイランド40は、平均粒径0.5~5μmである。この時、基準は鋼板圧延方向(RD方向)および厚さ方向(ND方向)を含む断面(TD面)となる。粒径とは、TD面で測定したアイランド40の面積と同一な面積の仮想の円を想定し、その円の直径を意味する。アイランド40の平均粒径はグルーブ20下部に位置するアイランド40の平均粒径であり、グルーブ20が形成されていない表面下部に位置するアイランド40は前述の平均粒径の計算から除外する。アイランド40の平均粒径を制御することによって、磁性向上と共に絶縁コーティング層との密着性を向上させることができる。さらに具体的に、グルーブ20下部に位置するアイランド40は平均粒径0.75~3μmである。
絶縁コーティング層を形成する方法は特に制限なく使用することができ、一例として、リン酸塩を含む絶縁コーティング液を塗布する方式で絶縁被膜層を形成することができる。このような絶縁コーティング液はコロイダルシリカと金属リン酸塩を含むコーティング液を使用するのが好ましい。この時、金属リン酸塩はAlリン酸塩、Mgリン酸塩、またはこれらの組み合わせであってもよく、絶縁コーティング液の重量に対するAl、Mg、またはこれらの組み合わせの含量は15重量%以上である。
本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板は、電磁鋼板10の表面に位置するグルーブ20、グルーブ20上に位置する金属酸化物層30、およびグルーブの下部に位置するアイランド40を含む。
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳しく説明する。しかし、このような実施例はただ本発明を例示するためのものであり、本発明がここに限定されるのではない。
密着性は、製品板を多様な直径を有する棒状のcylinderに板を曲げることによって、絶縁コーティング層が剥離および亀裂しない最小の直径を表した。密着性に優れるほど棒状の直径は次第に減少するようになる。好ましく、絶縁コーティング層が剥離および亀裂しないシリンダーの最小直径は25mm未満でなければならない。25mm以上である場合、密着性が低下し密着性減少によって耐食性も減少する。(シリンダー最小直径20mm、24mm)
耐食性は、30℃の3.5重量%NaCl水溶液で正極分極実験を通じた自然腐食電流密度で測定した。耐食性は1.6×10-9A/cm2以下が好ましい。
焼鈍分離剤の粘度は10~84が好ましい。なぜなら、粘度が10未満である場合、焼鈍分離剤が流れ落ちることがあり、84超過になれば、厚さが過度に厚くなって焼鈍分離剤の消耗量が多くなる。したがって、通常の焼鈍分離剤粘度を考慮する時、本発明の電磁鋼板のR/Hhill-upは0.02~1.0が好ましい。
[数1]
密着性係数(Sad)=(0.8×R)/Hhill-up
数1中、Rは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面の平均粗さ(μm)を示し、Hhill-upは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(μm)を示す。
また、実施例1~10のグルーブの下部に位置したアイランド40の平均粒径範囲は0.5~5.0μmであるのを確認した。また、アイランド40の密度が0.5個/μm2以下であるのを確認した。
反面、比較例はアイランド40の平均粒径が0.5μm未満であるのを確認し、また、アイランド40の密度が0.5個/μm2超過で多数形成されるのを確認した。
本発明は実施例に限定されるわけではなく、互いに異なる多様な形態に製造でき、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態に実施できるということが理解できるはずである。したがって、以上で記述した実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
20:グルーブ
30:金属酸化物層
40:アイランド
Claims (10)
- 電磁鋼板表面に位置するグルーブ、
前記グルーブ上に位置する金属酸化物層、および
前記グルーブの下部に位置する不連続的に分散分布する金属酸化物系アイランドを含み、
前記グルーブの下部に位置するアイランドの平均粒径は0.5~5μmであることを特徴とする方向性電磁鋼板。 - 前記グルーブの下部に位置するアイランドの密度は0.5個/μm2以下であることを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記電磁鋼板を棒状のcylinderに曲げる場合、絶縁コーティング層の剥離または亀裂が起こらない最小の直径が25mm未満であることを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記電磁鋼板において、R/Hhill-upは0.02~1.0であることを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
(但し、Rは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面の平均粗さ(μm)を示し、Hhill-upは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さを示す) - 冷延板を製造する段階、
前記冷延板にグルーブを形成する段階、
前記冷延板表面に形成されたFe-O酸化物を除去する段階、
前記冷延板を1次再結晶焼鈍する段階、および
前記1次再結晶された冷延板に焼鈍分離剤を塗布し、2次再結晶焼鈍する段階を含み、
下記数1で計算される密着性係数が0.016~1.13であることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
[数1]
密着性係数(Sad)=(0.8×R)/Hhill-up
数1中、Rは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面の平均粗さ(μm)を示し、
Hhill-upは酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(μm)を示す。 - 酸化物を除去する段階以後、冷延板表面の平均粗さ(R)は3.0μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 酸化物を除去する段階以後、冷延板表面に存在するヒルアップの平均高さ(Hhill-up)は5.0μm以下であることを特徴とする請求項5に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記グルーブを形成する段階で、前記冷延板にレーザまたはプラズマを照射してグルーブを形成することを特徴とする請求項5に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記グルーブを形成する段階で、グルーブの下部に再凝固層が形成されることを特徴とする請求項5に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記酸化物を除去する段階前の粗さは冷延板表面の平均粗さ(R)は1.2μm以上であることを特徴とする請求項5に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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