KR100530062B1 - 자장열처리조건의 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성전기강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기 등의 전기기기 철심으로 사용되는 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 임계응력을 기준으로 강판의 길이방향과 폭방향의 두가지 패턴으로 자장을 인가하면서 자장인가개시온도와 냉각속도를 제어하여 자장열처리함으로써 적용응력에 따른 자기변형(magnetostriction)을 감소시키면서 생산성을 높일 수 있는 방향성전기강판의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

응력을 적용하여 사용하는 방향성전기강판의 제조방법에 있어서,

자장열처리전 방향성 전기강판에 응력을 변화시켜 가며 자기변형을 측정하는 단계,

상기 응력에 따라 측정된 강판의 자기변형중 -0.5×10^-6~0.5×10^-6의 범위에서 선택된 임의의 자기변형 값에 해당하는 응력을 임계응력으로 결정하는 단계,

(a) 상기 적용되는 응력값이 상기 임계응력값 보다 작을 경우에는 상기 강판의 길이방향(압연방향)으로 자장을 인가하여 자장열처리하고,

(b) 상기 적용되는 응력값이 상기 임계응력값 보다 클 경우에는 상기 강판의 폭방향(압연방향에 대하여 수직방향)으로 향하는 자장을 인가하여 자장열처리하는 단계를 포함하고,

상기 자장열처리는 강판의 온도가 450~600℃의 범위에서 자장인가를 개시하여 85~120℃/sec의 속도로 냉각하는 자장열처리조건 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

자장열처리조건의 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법{Method for grain oriented electrical steel sheet with low magnetostriction by controlling magnetic field-heating treatment }

본 발명은 변압기 등의 전기기기 철심으로 사용되는 자기변형이 적은(저소음) 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 임계응력을 기준으로 강판의 길이방향과 폭방향의 두가지 패턴으로 자장을 인가하면서 자장인가개시온도와 냉각속도를 제어하여 자장열처리함으로써 적용응력에 따른 자기변형(magnetostriction)을 감소시키면서 생산성을 높일 수 있는 방향성전기강판의 제조방법을 제공하는 것이다.

방향성전기강판은 압연방향으로 {110}<001>방위의 집합조직을 갖는 것으로, 제조법이 미국특허 1,965,559에 고스(N.P. Goss)에 의해 처음으로 제시된 이래, 많은 연구자들에 의해 새로운 제조방법의 발명과 특성향상이 이루어져 왔다. 방향성전기강판에 있어서의 자기적인 특성으로는 자속밀도, 철손, 투자율 그리고 자기변형이 있다.

자기변형은 방향성전기강판을 변압기의 철심 등으로 사용할 때 발생하는 소음의 원인이 된다. 즉, 방향성전기강판은 일정형상으로 가공하여 수십에서 수백장 적층한 철심으로 변압기의 내부에 들어가며, 이 철심주위는 코일이 감싸게 된다. 코일에 전류를 흘려 철심을 동작시키면 철심내부에서 자속방향의 변화로 철심의 길이변화가 일어나게 된다. 이 현상을 자기변형(magnetostriction)이라 한다. 철심의 길이변화는 공급되는 전압 또는 전류의 주파수에 배수로 발생된다. 길이변화로 인해 철심의 끝단이 공기를 때리게 되어 이 소리는 사람의 귀로 들을 수 있을 정도로 크다. 방향성전기강판의 자기변형은 “길이변화량÷원래시편길이”로 표시되고 통상의 일반 방향성 전기강판의 경우 1.7Tesla에서 1.5x10^-6 정도 된다. 즉 자속의 방향이 바뀔 때 마다 원래길이에 대해 이 정도의 비율만큼 늘어났다 줄어 들었다를 반복하는 것이다.

자기변형은 강판에 가해지는 응력에 따라 그 값이 크게 달라진다. 특히 강판의 압연방향으로 인장응력 보다는 압축응력에 대하여 자기변형이 크게 달라진다. 실제로 강판을 적층하여 변압기의 철심을 만들 때에는 강판사이의 틈을 없애기 위하여 볼트를 죄거나 용접을 하므로 강판에 압축응력이 가해지게 된다. 이것을 고려하여 강판의 낱장에 의도적으로 압축응력을 부여하여 자기변형을 측정하면 응력이 가해지지 않은 경우 보다는 높은 자기변형 값이 나타난다. 측정되는 자기변형 크기는 측정기기와 시편의 형상에 따라 조금씩 차이가 난다. 이는 자기변형 값이 미소한 응력에도 민감하며, 그 양이 매우 적어(10^-6~10^-7) 시편과 자기변형측정장치 사이에 발생되는 마찰이 측정기기마다 서로 다르기 때문이다. 이러한 이유로 자기변형 크기는 보고되는 문헌마다 차이를 나타낸다. 예로서 방향성전기강판의 경우 일반적으로 자기변형크기가 1.7Tesla에서 1.5x10^-6정도 되며, 이것에 실제 변압기 제작시 들어가는 응력을 고려하여 길이방향에 대한 압축응력을 가하게 되면 자기변형이 급격히 증가한다. 즉 2MPa의 압축응력하에서는 4.2x10^-6 정도가 된다. 이 수준의 자기변형크기를 가진 방향성전기강판으로 만들어진 변압기의 경우에 소음문제가 심각하게 대두된다. 따라서, 자기변형을 최대한 낮추어 소음을 줄이기 위하여 방향성 전기강판을 가능한 낮은 자속밀도에서 사용하고 있으며, 이러한 점을 고려하여 통상의 변압기는 1.65∼1.75Tesla수준의 자속밀도로 설계되고 있다. 따라서, 변압기의 효율이 떨어질 수 밖에 없으므로 방향성 전기강판의 자기변형을 가능한 낮출 있다면 더 높은 자속밀도에서 변압기를 사용할 수 있게 되고 이에 따라 변압기의 효율을 높이거나 크기를 줄일 수 있으므로 자기변형이 작은 방향성 전기강판의 필요성이 그 만큼 커지고 있다.

방향성전기강판 내부의 결정립들은 각각 모두 이상적으로 완벽한 고스방위(110)<001>를 가지고 있지 못하고 어느 정도의 편차를 가지고 있다. 이로 인하여 재료내부에는 주자구와 보조자구가 형성되어 있다. 주자구는 자구가 <001>방향을 향하고 있는 것으로 이것이 압연방향과 얼마나 일치하느냐에 방향성이 우수한 전기강판을 얻을 수 있게 되는 것이다. 보조자구는 재료에 자장을 가할 때 재료의 길이변화를 야기하는 주원인을 제공한다. 보조자구의 발생은 재료내부의 결정립이 가진 (110)면과 재료의 압연면이 이루는 각의 차이가 클수록 많아지며, 또한 잔류응력이나, 표면흠 등에 의해 발생한다. 재료에 자장을 가하면 보조자구의 회전으로 인하여 원자간 거리가 달라지게 되고 총체적으로 재료의 길이가 변하게 된다.

오랜 기간 동안 많은 연구자들이 재료내에 존재하는 자구를 조절하는데 있어서 자장열처리 방법을 이용하였다. 자장열처리는 1913년 Pender와 Jones에 의해 발견된 이후 여러 가지 재료에 응용되고 있다. 이는 큐리온도 이하에서 상온까지 냉각하는 동안에 자장을 부여하여 재료의 자구를 재배열함으로써 자화곡선을 변화시키는 것이다. 자장열처리는 자기이방성 에너지가 낮은 재료에서 자기적 특성을 향상시키기 위하여 주로 사용하고 있다. Physics of Ferromagnetism(S.Chikazumi. Oxford Press, NY, 1997)에서와 Introduction to Magnetic Materials(B.Cullity. A.Wesley Publ., London, 1972)에서는 열처리과정중 냉각을 포함하는 과정에서 자장을 자화용이축 방향 즉 압연방향으로 가하면서 열처리하는 것을 자장열처리로 그 의미를 설명하고 있다.

자장열처리현상을 방향성전기강판에 적용한 것은 1964년 V.A. ZAYKOVA등의 발표(Fiz. Metal. metalloved. 18, 349 (1964))를 효시로 하여 당시에 활발히 연구되었다. 그러나 방향성전기강판의 결정자기 이방성 에너지가 너무 큰 것으로 인하여 강판의 자성을 자장열처리를 통해 변화시키기가 쉽지 않음을 알고, 이후 연구가 거의 이루어지지 않았다.

자장열처리를 방향성전기강판에 적용한 기술로(1) 일본 특개평8-134543호, (2) 평8-134551 및 (3) 평7-197132호 등이 있다.

(1) 일본 특개평8-134543호에서는 자속밀도가 800A/m (B₈)에서 1.93~1.94 테스라(Tesla)인 재료를 이용하여 자장열처리의 적정온도와 냉각속도에 따른 자기변형 감소효과를 보여주고 있다. 여기서는 방향성전기강판을 이차재결정소둔후 코팅과 평탄화 과정을 거쳐 냉각과정중에 자기변태점 바로 직상 온도에서 약350℃ 까지 25℃/초 이하의 속도로 냉각하며 이때 직류자장은 10 에르스텟(Oe) 정도 부여하는 것을 특징으로 한다.

(2) 일본 특개평8-134551호에서는 자속밀도가 800A/m (B₈)에서 1.94 테스라(Tesla)인 재료를 이용하여 700℃이하의 온도에서 400℃까지 강판의 폭방향으로 온도경사를 1.5℃/cm으로 하면서 동시에 강판에 인장응력을 신장률 0.30% 이상 또는 0.15% 이하로 하고, 직류자장을 50 에르스텟 이상으로 부여하여 철손과 자속밀도가 낮아지는 효과를 보여주고 있다.

(3) 일본 특개평7-197132호에는 Si:1~10중량%을 함유하는 규소강판에 큐리온도미만의 영역에서, 유효자계 40A/m이상의 교번자계(사인파형, 삼각파형 및 사각파형 자장)를 인가하고, 이 자계중에서 400℃이하까지 냉각하는 방향성 전기강판의 제조방법이 개시되어 있다.

상기 선행기술들에서는 모두 자기적특성들이 우수한 고자속밀도 방향성전기강판(800A/m에서 자속밀도가 1.90 Tesla 이상) 또는 실질적으로 고규소(실리콘 함량이 4% 이상)강판을 이용하고 있다. 즉, 자속밀도가 낮은 일반 방향성 전기강판에 대해서 자장열처리를 통해 자기변형을 감소하는 기술과 관련된 선행기술은 찾아보기 어렵다. 이는 자장열처리가 모든 방향성전기강판에 대하여 자기변형 감소효과가 나타나는 것이 아니라 자속밀도가 낮은 일반 방향성 전기강판에서는 오히려 자기변형이 더 커지는 경우가 있기 때문이다. 그런데, 세계적으로 방향성전기강판의 생산량과 소비량측면에서 고자속밀도 방향성전기강판 보다는 일반 방향성전기강판의 양이 더 많다는 사실을 고려해 볼 때, 일반방향 방향성 전기강판에서 자기변형감소방안이 더 시급한 실정이다.

또한, 상기 (1)(2)(3)의 선행기술에서는 자장을 자화용이축 방향(강판의 압연방향 즉, 강판의 길이방향을 향하여 자장부여)으로 가하는 자장열처리기술로서, (1)(2)에서는 직류자장을 (3)에서는 교류자장을 부여하고 있다. 직류자장의 경우에는 자장세기에 따라 많은 전력이 필요하게 되어 높은 자장세기를 얻기가 매우 어려울 뿐 아니라 들어가는 전력에 비해 자장이 세기가 높지 않으므로 매우 비효율적이다. 또한, 교류자장은 자장세기에 따라 자기변형감소 효과가 좋고, 직류자장 보다 더 좋은 효과를 가지나 이 또한 높은 자장을 얻기에는 많은 전력을 필요로 하게 된다.

임계응력을 기준으로 강판의 길이방향과 폭방향의 두가지 패턴으로 자장을 선택적으로 인가하면서 자장인가개시온도와 냉각속도를 제어하여 자장열처리함으로써 응용제품의 적용응력에 따른 자기변형(magnetostriction)을 감소시키면서 생산성을 높일 수 있는 방향성전기강판의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방향성전기강판 제조방법은,

응력을 적용하여 사용하는 방향성전기강판의 제조방법에 있어서,

자장열처리전 방향성 전기강판에 응력을 변화시켜 가면 자기변형을 측정하는 단계,

상기 응력에 따라 측정된 강판의 자기변형중 -0.5×10^-6~0.5×10^-6의 범위에서 선택된 임의의 자기변형 값에 해당하는 응력을 임계응력으로 결정하는 단계,

(a) 상기적용되는 응력값이 상기 임계응력값 보다 작을 경우에는 상기 강판의 길이방향(압연방향)으로 자장을 인가하여 자장열처리하고,

(b) 상기 적용되는 응력값이 상기 임계응력값 보다 클 경우에는 상기 강판의 폭방향(압연방향에 대하여 수직방향)으로 향하는 자장을 인가하여 자장열처리하는 단계를 포함하고,

상기 자장열처리는 강판의 온도가 450~600℃의 범위에서 자장인가를 개시하여 85~120℃/sec의 속도로 냉각하는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

자화용이축 방향(강판의 길이방향)으로 방향성 전기강판에 자장을 가하여 열처리한 다음에 부하응력에 따른 자기변형(길이변화량÷원래시편길이)를 측정해 보면, 적용응력에 따라 자기변형 값이 양의 값과 음의 값을 갖는다(도 1a). 도 1(a)에서 보면 자장열처리한 강판의 자기변형은 특정 응력상태에서는 자장열처리전 보다 오히려 커지는 경우(0의 자기변형값에서 멀어지는 경우)가 발생한다는 사실도 알 수 있다. 즉, 도 1에서 약 -5Mpa의 응력(압축응력) 보다 작은 압축응력과 인장응력이 적용되는 경우에는 자기변형이 커지는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명자들은 응용제품에 적용되는 모든 적용응력에 대해 자기변형을 감소시킬 수 있는 자장열처리 방안을 찾는 연구과정에서 자장의 방향과 자장의 종류에 따른 자구의 배열에 대하여 심도 있게 조사한 결과,

[1] 자장을 응용제품에 적용되는 응력에 따라 강판의 길이방향과 강판의 폭방향으로 다르게 부여하면 모든 적용응력에 따른 자기변형을 감소시킬 수 있다는 점과,

[2] 강판의 폭방향으로 자장을 인가하는 열처리에서의 자장인가개시온도와 냉각속도를 제어하면 자기변형개선율이 높아진다는 점, 나아가

[3] 자장은 직류자장이나 교류자장 보다 펄스자장을 가할 때 자구를 한 방향으로 변화시키는데 효과적이라는 점 또한,

[4] 상기 강판의 폭방향으로 자장을 인가할 때는 강판의 길이방향으로 인장응력을 부여하면서 자장열처리하면 철손개선을 도모할 수 있다는 점에 주목하여 본 발명을 완성한 것이다. 상기 [1][2][3][4]를 구체적으로 설명한다.

본 발명에서 "응력값"이라는 용어는 예를 들어 -5Mpa, 0MPa, 5Mpa의 응력에서 -5, 0, 5의 숫자를 의미한다. 응력값의 부호는 "-"인 경우 압축응력을 의미하고, "+"인 경우는 인장응력을 의미하고 그 크기는 0을 기점으로 멀어질수록 응력의 세기가 센것이다. 이하 용어표현의 단순화를 위하여 응력 0을 기점으로 부호가 "-"쪽으로 멀어질수록 응력값이 "작다"라고 표현하며, "+"쪽으로 어질수록 응력값이 "크다"라고 표현한다.

또한, 본 발명에서 압연방향(자화용이축 방향)인 강판의 길이방향으로 인가하는 자장은 "수평자장"(LDMA:Longitudinal Direction Magnetic annealing)이라 명하고, 강판의 폭방향으로 인가하는 자장은 "수직자장"(TDMA:Transverse Diretion Magnetic annealing)이라 명한다.

[1] 자장의 방향

도 1(a)에 나타나 있듯이, 자화용이축 방향으로 자장을 가하여 자장열처리한 경우에는 부하응력이 대략 -5Mpa의 응력을 기준으로 이 응력값 보다 작은 응력값에서는 자장열처리의 효과가 있다(자장열처리전 보다 자기변형이 0의 값에 가까워짐). 그러나, 약 -5Mpa의 응력값 보다 큰 응력값에서는 자장열처리전 보다 오히려 자기변형이 더 커지는 것(자장열처리전 보다 자기변형값이 0의 값에서 멀어짐)을 알 수 있다. 결국, 지금까지의 자장열처리는 자기변형감소에 효과가 있기는 하지만 적용응력에 따라서는 역효과가 있다는 결론을 내릴 수 있다.

따라서, 본 발명자들은 지금까지 정설로 받아들여지던 자화용이축 방향의 자장 부여 이론(도 2a, LDMA:Longitudinal Direction Magnetic annealing)과는 반대로 강판의 폭방향으로 자장을 부여하는 자장열처리(도 2b, TDMA:Transverse Diretion Magnetic annealing)를 적용하고 이때의 부하응력에 따른 자기변형값을 측정한 결과 놀랍게도 도 1(b)와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 도 1(b)에서는 자장열처리전 자기변형이 대략 0의 범주를 기점(적용응력이 대략 -5Mpa의 응력)으로 -5Mpa 부근 보다 큰 응력값이 적용되는 경우에 강판의 폭방향으로 자장을 가할 때 오히려 자기변형이 "0"의 값에 가까워짐을 알 수 있다. 즉, 수평자장은 원래의 자기변형값을 "양"의 방향으로 가져가게 하며, 수직자장은 "음"의 방향으로 자기변형값을 가져간다. 따라서, 자장열처리전에 특정응력에서 자기변형값이 "음"의 값을 갖는 다면 수직자장(강판의 폭방향으로 자장인가)을 적용하고, 반대로 "양"의 값을 갖는 다면 수평자장(강판의 길이방향으로 자장인가)을 적용하는 것도 가능하다. 그런데, 자기변형이 -0.5×10^-6~0.5×10^-6의 구간에서는 수직자장이나 수평자장의 차이는 크지 않고 오히려 자장열처리를 하지 않는 것이 자기변형에 유리함을 알 수 있다. 이 구간에 해당하는 응력값을 기준으로 수평자장을 적용하는가 수직자장을 적용하는가에 따라 자기변형의 차이는 확연히 달라진다.

이 실험결과로부터 본 발명자들은 자장열처리전 방향성전기강판의 자기변형이 임계응력을 전후하여 강판의 길이방향으로 자장을 적용할 때 자기변형이 감소하는 구간이 있는 반면 강판의 폭방향으로 자장을 적용할 때 자기변형이 감소하는 구간이 있다는 사실에 주목하였다.

본 발명자들은 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

첫째, 자장열처리는 자화용이축이 아닌 강판의 폭방향(압연방향의 수직방향)으로 자장을 부여하더라도 자기변형감소효과가 있다는 점

둘째, 자장의 부여 방향은 방향성 전기강판을 철심으로 사용할 때의 적용응력에 따라 탄력적으로 적용해야 된다는 점,

셋째, 자장의 부여방향을 결정하는 임계점(응력)이 존재한다는 점이다.

[2] 자장열처리조건의 제어

본 발명에서는 방향성 전기강판에 자장을 인가할 때 자장인가개시온도에 따른 자기변형개선율을 조사한 결과, 자장인가 개시온도가 높아질수록 자기변형개선율이 높아진다는 것을 확인하였다. 그런데, 자장인가 개시온도를 약 450℃까지 낮추더라도 자기변형개선율의 차이가 크지 않았다. 따라서, 자장열처리에서 열에너지를 소비하면서 굳이 높은 온도에서 자장열처리를 하지 않아도 된다는 사실을 알게 되었다.

또한, 자장을 인가하면서 강판을 냉각하는 속도에 대한 자기변형개선율을 알아본 결과, 냉각속도가 느릴수록 자기변형개선율이 좋아지는데, 냉각속도를 최대 약 120℃/sec까지 높이더라도 어느 정도의 자기변형개선효과를 확인하였다. 따라서, 80~120℃/sec의 냉각속도로 하는 경우에는 생산성도 확보하면서 자기변형개선율도 높일 수 있는 것으로 판단되었다.

자기변형을 일정수준으로 유지하면서 자장인가 개시온도를 낮추고 냉각속도를 높이는 것은 공업적인 측면에서 생산성을 높일 수 있어 중요하다.

[3] 자장의 종류

방향성 전기강판의 자기장 모멘트가 한 방향으로 정렬되는 정도가 높을수록 자기변형이 감소되는데, 결정내 자기이방성 에너지가 크면 자구의 회전은 어렵다. 그래도, 강판의 자속이 포화되면 자구의 회전이 용이해져 어느 정도 자기변형이 낮아지므로 직류포화자장을 가하면서 자장열처리를 하는 경우가 많다.

그런데, 강판내에는 수 많은 결정립들이 존재하고 각 결정립들은 각기 서로 다른 방위들을 가지고 있으므로 그 속에 형성된 자기 또한 각기 서로 다른 방향을 향하고 있다. 따라서, 이 자구의 방향을 모두 임의의 한 방향으로 변화시키려면 많은 에너지가 필요하다. 본 발명자들은 각기 서로 다른 방향을 향하고 있는 자구의 회전을 위해서는 직류자장 또는 교류자장 보다는 펄스자장을 가하는 경우에 순간적으로 높은 자장이 결정내에 흐르게 되어 자구를 임의의 한 방향으로 변화시키는데 효과적이라는 결론을 얻을 수 있었다.

도 3(a)에 나타나 있듯이, 직류(DC)자장의 경우에는 에너지가 H-T의 면적에 비례하므로 들어가는 에너지에 비하여 높은 H를 얻지 못한다. 도 3(b)에 교류(AC)자장의 경우에도 동일한 양의 에너지로 DC에 비하여는 높은 H를 얻을 수 있지만, 필드가 마이너스쪽으로도 흐르게 되므로 필드의 교란이 일어나 자구의 배열에 문제가 있을 수 있다. 도 3(c)의 펄스자장의 경우에는 동일한 양의 에너지로 DC와 AC에 비하여 매우 높은 H(AC의 약 10배)를 얻을 수 있으며, 또한, 자장의 부호가 바뀌지 않고 "+"방향으로 형성되므로 강판내부의 자구가 교란을 받지 않는다는 장점이 있다.

본 발명에서 따르면 직류자장이던 교류자장이던 펄스자장인던 간에 자장의 종류에 상관없이 자장의 부여방향을 임계점을 기준으로 조절하면 종래기술에 비해 자기변형을 개선할 수 있으나, 이 적용자장을 펄스자장으로 할 때 그 효과가 배가되는 것이다.

[4] 강판의 폭방향 자장열처리에서의 인장응력부가

오래 전부터 자화용이축 방향(강판의 길이방향)이 아닌 다른 방향으로 자장을 부여하는 것은 길이방향의 자기적 특성을 나쁘게 한다는 고정관념에 의해 강판의 폭방향으로 자장을 부여하는 자장열처리(도 2b, TDMA:Transverse Diretion Magnetic annealing) 기술은 전혀 검토되지 않고 있었다.

본 발명자들이 실제 강판의 폭방향으로 자장을 부여하는 자장열처리를 한 결과 자기변형은 크게 개선되는 결과를 얻었으나, 약간의 철손 증가는 피할 수 없었다. 따라서, 폭방향으로 자장을 부여하여 자기변형개선을 확보하면서 철손의 열화를 방지하기 위한 방안을 찾던 중에 강판에 인장응력을 가하면서 자장 열처리한 결과, 철손이 원래상태로 회복할 수 있다는 것을 확인하였다.

즉, 강판의 폭방향으로 자장을 가하면서 강판의 길이방향으로 인장응력을 적절히 가하면 자기변형개선은 물론 철손의 열확를 방지할 수 있어, 강판의 폭방향으로 자장을 부여하는 열처리방법을 방향성 전기강판의 자장열처리기술로 적극적으로 도입할 수 있었다. 물론, 인장부가 공정을 생략하면서 강판의 폭방향으로 자장을 가하는 자장열처리기술을 도입하면 득실이 있지만 자기변형이 감소하는 이득이 더 크다고 할 수 있다.

다음은 상기한 [1][2][3][4]의 관점에 기초하여 완성된 본 발명을 대상강종과 자장열처리로 구분하여 설명한다.

[대상 강재]

본 발명은 방향성 전기강판을 대상강재로 한다. 방향성전기강판의 성분은 크게

고온슬라브 가열재(예:일본 공개특허공보 소 40-15644), 저온 슬라브 가열재(예:일본 공개특허공보 소59-56522, 소62-40315) , 질화처리재(예:한국 공개특허공보 2000-67565), B 첨가 재(한국 특허출원번호 2000-72745), Zr, Ce 첨가재(예:한국 특허출원번호 2000-68328호)등으로 구분되며, 이외에도 다양한 성분계가 제시되어 있으며, 이들 또한 본 발명의 대상재가 된다.

이러한 방향성 전기강판은, 최종두께로 냉간압연된 다음에, 최종소둔, 장력코팅하여 제품으로 응용된다. 자장열처리는 통상적으로 최종소둔재 또는 장력코팅재에 대해 행해지고 있으며, 경우에 따라서는 최종소둔재 또는 장력코팅재를 자구미세화 처리한 다음에 자장열처리하고 있다. 본 발명의 자장열처리는 방향성 전기강판이 최종소둔재, 장력코팅재, 또는 자구미세화 처리재 어떠한 상태이던 상관없이 적용된다.

[자장열처리]

자장열처리는 강판내부의 자구를 자기변형이 적은 방향으로 재배열하기 위하여 실시하는 것으로, 자구의 재배열을 위해서는 결정내의 자기이방성에너지를 낮게 하는 것이 유리하다. 방향성 전기강판의 자기이방성에너지는 온도가 높을수록 급격히 낮아지기 때문에 높은 온도에서 자장을 가하는 것이 좋다. 그러나, 자장열처리 온도가 강판의 자기변태점(약 720℃)에 가까이 갈수록 방향성 전기강판의 투자율이 낮아져 자속이 약해지므로 너무 온도가 높아도 좋지 않으므로 자장열처리 온도는 720℃이하에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 자장열처리온도가 200℃미만의 경우에는 방향성전기강판의 결정자기 이방성에너지가 높은 관계로 자장열처리효과가 미미하다. 따라서, 자장열처리는 200~720℃온도 구간에서 행하는 것이 바람직하다. 장력코팅직후에 자장열처리를 하는 경우에는 약 800℃에서 경화(curing)을 끝내고 냉각과정중 온도를 조절하여 자장을 부여하면 경제적이다.

이러한 온도에서 자장을 가하는데, 이때의 가하는 자장의 방향은 대상강판의 임계응력을 정한 다음에 이를 기준으로 정한다.

임계응력은 자장열처리전 방향성전기강판에 압축응력, 무부하, 인장응력을 적용하여 자기변형을 측정하여 측정된 강판의 자기변형중에 -0.5×10^-6~0.5×10^-6의 범위에서 선택된 임의의 자기변형 값에 해당하는 응력으로 한다. 임계응력을 -0.5×10^-6~0.5×10^-6의 범위의 자기변형값에 해당하는 응력으로 정한 것은 도 1를 참고로 한 것으로서, 이 범위 구간에서 자장의 방향에 따라 자기변형 값의 변화를 보이기 때문이다. 가장 바람직하게는 자장열처리전 자기변형값이 0이 되는 해당응력을 임계응력으로 하는 것이다.

대상강판의 임계응력을 기준으로, 자장열처리한 다음에 응용제품(예를 들어 변압기의 철심)에서 적용될 응력에 따라 다음과 같이 자장방향을 부여한다.

(a) 방향성전기강판을 응용제품으로 만들고 이 응용제품에 적용될 응력값이 상기 임계응력값 보다 작은 값의 경우에는 상기 강판의 길이방향(압연방향)으로 자장을 가하여 자장열처리한다.

(b) 방향성전기강판을 응용제품으로 만들고 이 응용제품에 적용될 응력값이 상기 임계응력값 보다 클 경우에는 상기 강판의 폭방향(압연방향에 대하여 수직방향)으로 향하는 자장을 가하여 자장열처리한다.

한편, 상기 임계응력이 적용되는 경우에는 자장열처리를 해도 자기변형 개선이 크지 않기 때문에 자장열처리를 하지 않아도 좋다. 만약 자장열처리를 하는 경우에는 자장의 방향을 길이방향으로 하던 폭방향으로 하던 크게 상관이 없다.

본 발명에 따라 자장을 강판의 폭방향(압연방향에 대하여 수직의 방향)으로 가할 때는 자장과 강판의 이루는 각도를 90°로 하는 것이 가장 바람직하지만 어느 정도의 각도범위는 허용된다. 도 4에 나타나 있듯이, 강판과 자장의 이루는 각도가 40°이상(즉, 40~140°)의 경우에는 자장열처리전 보다 자기변형이 작아짐을 알 수 있다. 바람직한 허용범위는 80~100°로 이 범위에서 우수한 자기변형개선율을 확보할 수 있다.

그리고, 이러한 자장의 방향은 처음부터 끝까지 한쪽 방향을 취하는 것이 좋다. N극과 S극을 교대로 주는 것이 아니라 같은 극을 유지하는 것으로, 극이 바뀌면서 생기는 자장의 교란을 없애기 위하여 동일한 방향으로의 자장을 형성하는 것이다.

그리고, 적용하는 자장의 종류는 통상적으로 적용되고 있는 직류자장, 교류자장도 가능하나, 바람직하게는 순간적으로 높은 자장을 가할 수 있는 펄스자장이 좋다 직류자장의 경우에는 직류포화자장을 가하는 것이 좋다. 펄스자장을 가하는 경우에는 가장 최적의 조건은 펄스폭 50~30ms, 주파수 2~8Hz, 펄스세기 150~700 Oe로 하는 것이다.

펄스폭은 도 5(주파수 3Hz, 펄스세기 520Oe)에 나타나 있듯이, 10ms이상으로 하면 자왜개선 효과가 나타나기 시작하며 30ms이상 되면서 그 효과가 커지며 50ms 보다 커지더라도 자기변형개선효과는 그다지 크지 않다는 것을 알 수 있다. 따라서, 펄스폭은 30~50ms로 하는 것이나, 본 발명이 반드시 여기에 제한되는 것은 아니다.

주파수는 도 6(펄스폭 20ms, 자장세기 520Oe)에 나타나 있듯이, 주파수가 커질수록 자왜개선율이 커지는데, 2Hz이상 될 때 자기변형개선 효과가 크게 나타나며, 8Hz 보다 커지면 자기변형개선 효과가 차츰 떨어지기 시작한다. 따라서, 가장 바람직한 주파수는 5~7Hz이나 본 발명이 반드시 여기에 제한되는 것은 아니다.

펄스세기는 도 7(펄스폭 20ms, 주파수 5Hz)에 나타나 있듯이, 자장세기가 높을수록 자기변형개선효과가 커지며 150Oe이상일때부터 자기변형개선율과 비례하여 커지다가 700에서 800Oe를 초과하면서 자기변형개선효과가 그다지 크지 않다. 따라서, 가장 바람직한 펄스자장세기는 150~700Oe이나, 본 발명이 반드시 여기에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따라 자장을 인가할 때에는 자장인가 개시온도를 약 450℃이상의 온도범위에서 하는 것이 자기변형개선율을 높이는 차원에서 좋다. 바람직하게는 450~600℃구간에서 자장인가를 개시하는 것이 열에너지소모를 줄이고 자기변형개선율을 높일 수 있다.

또한, 상기한 온도범위에서 자장인가를 개시하면서 강판을 냉각하는데, 이때의 냉각속도는 약 120℃/sec 이하로 하는 것이 자기변형개선차원에서 바람직하다. 보다 바람직하게는 냉각속도를 80~120℃/sec로 하는 것이 생산성도 확보하면서 자기변형을 낮출 수 있다.

본 발명에 따라 강판의 폭방향으로 자장을 인가할 때 강판의 길이방향으로 인장응력을 부여하면 철손이 크게 개선되므로, 인장부가도 함께 고려할 만 하다. 인장부가는 약 2~25Mpa정도의 인장응력이 가해지면 철손을 개선할 수 있다. 인장응력이 2Mpa보다 낮거나 25Mpa 보다 높으면 철손의 개선정도가 좋지 않다. 보다 바람직하게는 인장응력은 8~20Mpa의 범위일 때 철손개선 효과가 두드러진다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시예에서 대상강재는 다음과 같은 공정을 통해 제조한 것이다. 중량%로, C:0.050~0.055%, Si:3.10~3.15%, Mn:0.09~0.10%, S:0.005~0.006%, Al:0.025~0.030%, N:0.004~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 방향성전기강 슬라브를 1350℃로 가열한 후, 열간압연하여 판두께가 2.0mm인 열연판을 얻었다. 이 열연판을 950℃에서 5분간 소둔한 후 공기중에서 냉각하고, 표면을 산세한 후 0.30mm의 두께로 냉간압연을 하였다. 냉간압연된 판은 850℃로 유지된 로에 노점 51℃인 25%H₂+75%N₂의 혼합가스 내에서 2분동안 탈탄을 행하였다. 다음에 강판의 표면에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 최종 고온소둔을 행하였다. 고온소둔은 25%H₂+75%N₂ 분위기에서 1200℃까지 가열하고, 온도가 1200℃에 도달 후 100%H ₂분위기에서 10시간 유지하였다. 이와 같이 하여 안정된 2차 재결정이 끝난 방향성전기강판을 얻었다. 이후에 강판의 표면에 장력코팅재를 도포하고 800℃에서 경화(curing)시켰다.

[실시예 1]

상기에서 얻은 방향성 전기강판에서 11종의 시편을 채취하고 이들의 자속밀도를 측정한 다음에 자장열처리 실험을 하였다. 11종의 시편을 재차 800℃까지 승온하여 냉각시키면서 720~200℃ 범위에서 자장을 걸어주었다. 이때, 대상재에 적용되는 압력을 0Mpa과 -2Mpa로서 압축응력과 응력이 적용되지 않는 경우에 대해 실험을 하였다.

한가지는 강판의 압연방향에 나란하게 50 에르스텟 (Oe)의 직류자장(시간에 따라 자장의 크기가 변하지 않는 것)을 사용하였다. 다른 한가지는 강판의 폭방향(강판의 압연방향과 수직방향, 0~10도의 오차를 허용)으로 도 8와 같은 펄스자장(펄스의 최대높이는 600 에르스텟(Oe), 펄스폭은 20ms 펄스파형의 주파수는 5Hz)을 걸어주었다. 이와 동일한 자장처리조건으로 강판의 길이방향으로 자장을 인가하여 제조하고 그 결과를 비교예로 나타내었다.

이때 열처리의 조건은 두 가지 모두 자장열처리 구간인 720~200℃까지 초당 100℃의 속도로 냉각하였다. 상기와 같은 조건으로 자속밀도(B10, 1000A/m에서의 자속밀도)가 각기 다른 여러 가지 종류의 강판에 대해 자장열처리를 실시한 후 자기변형을 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.

구간	자장열처리 전(x10-7)		수평자장(x10-7)		수직자장(x10-7)
B10 (Tesla)	σ=0	σ =-2Mpa	σ =0	σ =-2MPa	σ =0	σ =-2Mpa
1.77	+7.1	+1.9	+6.2	+12.3	+13.1	+33.2
1.790	-26.6	-22	-27.0	-24.1	-22.1	-15.5
1.821	-19.3	-17.8	-23.1	-20.5	-17.2	-13.5
1.861	-16.2	-14.7	-17.5	-16.3	-14.1	-10.1
1.885	-11.6	-10	-12.5	-11.2	-9.9	-3.5
1.911	-10.5	-9.3	-11.2	-9.9	-8.5	-7.1
1.932	-8.1	-7.15	-8.7	-8.3	-7.1	-5.5

표 1에서 알 수 있듯이, 자장열처리전 가장 낮은 자속밀도에서는 강판의 자기변형이 양의 값을 갖고 나머지는 음의 값을 갖는 것을 알 수 있다.

자장열처리전 자기변형이 양의 값을 갖는 시편(자속밀도 1.77)은 수평자장 열처리에서는 자기변형이 0에 가까워지는 반면에 수직자장 열처리한 경우에는 0에서 멀어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 시편은 임계응력이 0 보다 큰 인장응력이라고 판단할 수 있다.

한편, 자장열처리전 자기변형이 음의 값을 갖는 시편들은 수평자장열처리에서는 자기변형이 0의 값에서 멀어지는 반면에 수직자장 열처리한 경우에는 0의 값에 가까워지는 것을 것을 알 수 있다. 따라서, 이 시편은 임계응력이 -2MPa 보다 작은 응력값 즉 큰 압축응력이라고 판단할 수 있다. 이 경우에 특히 압축응력 상태에서는 자기변형 개선 효과가 매우 큰 것을 볼 수 있다.

결국, 본 발명에 따라 자장열처리 할 때 임계응력을 고려하지 않고 단순히 자장열처리전에 특정응력에서 자기변형값이 음의 값을 갖는 다면 수직자장(강판의 폭방향으로 자장인가)을 적용하고, 반대로 양의 값을 갖는 다면 수평자장(강판의 길이방향으로 자장인가)을 적용하는 것도 가능하다.

[실시예 2]

상기와 같이 경화처리한 시편을 800℃까지 재차 승온하여 자장인가 온도를 변화시켜 가면서 자장인가 개시온도에 따른 자기변형개선율을 측정하고 그 결과를 도 9(a)에 나타내었다. 이때, 강판의 냉각속도는 15℃/sec로 하였고, 냉각종점온도는 100℃로 하였다. 자장은 강판의 폭방향 (강판의 압연방향과 이루는 각도를 80~100도 범위)으로 펄스자장을 최대높이 600 에르스텟(Oe), 펄스폭은 20ms 펄스파형의 주파수는 5Hz가 되게 인가하였다.

도 9(a)에 나타난 바와 같이, 냉각개시온도를 350℃이상으로 하는 경우에는 강판의 폭방향으로 자장을 인가하더라도 자기변형을 개선할 수 있는 것으로 확인되었다.

한편, 상기 경화처리한 시편을 800℃까지 재차 승온하여 450℃에서 자장을 인가하여 냉각속도를 변화시켜가면서 100℃에서 냉각을 종료한 다음 냉각속도에 따른 자기변형개선율을 측정하고 그 결과를 도 9(b)에 나타내었다. 이때는 강판의 폭방향(강판의 압연방향과 이루는 각도를 80~100도 범위)으로 펄스자장을 최대높이 600 에르스텟(Oe), 펄스폭은 20ms 펄스파형의 주파수는 5Hz가 되게 인가하였다.

도 9(b)에 나타난 바와 같이, 냉각속도가 120℃/sec 이하의 경우에는 강판의 폭방향으로 자장을 인가하더라도 자기변형을 개선할 수 있는 것으로 확인되었다.

[실시예 3]

상기 경화처리한 시편을 선택하여 인장응력을 부가하면서 자장열처리 실험을 하였다. 이들 강판을 재차 800℃까지 승온하여 냉각시키면서 550℃에서 자장을 인가하여 초당 100℃의 냉각속도로 냉각하였다. 이때 5Mpa의 인장응력도 함께 부여하면서 철손의 변화를 측정하고 그 결과를 표 2에 나타내었다. 이때 강판의 폭방향(강판의 압연방향과 이루는 각도를 80~100도 범위)으로 펄스자장을 최대높이 600 에르스텟(Oe), 펄스폭은 20ms 펄스파형의 주파수는 5Hz가 되게 부여하였다.

구분	자장열처리 전	자장열처리 후	자장열처리+인장응력(5 Mpa)
B10 (Tesla)	W17/50(watt/kg)	W17/50	W17/50
1.790	1.42	1.44	1.42
1.821	1.35	1.37	1.35
1.861	1.21	1.22	1.21
1.885	1.19	1.20	1.19
1.911	1.01	1.02	1.01
1.932	0.94	0.95	0.94

표 2에서 알 수 있듯이, 인장응력 부여 없이 자장열처리하는 경우에는 자장열처리전에 비해 철손이 약 1%정도까지 증가한 것을 알 수 있다. 이에 반해, 5Mpa의 인장응력을 부여하면서 자장열처리하는 경우에는 철손의 자장열처리전의 상태로 회복됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 방향성 전기강판의 폭방향(압연방향의 수직방향)으로 자장을 부여하더라도 자기변형이 개선된다는 새로운 연구결실로부터 완성된 것으로, 방향성 전기강판의 응용제품에서 적용되는 응력을 고려하여 자장의 방향을 탄력적으로 적용하는 것과 함께 자장열처리시 자장인가 개시온도와 냉각속도를 조절함으로써 높은 생산성으로 자기변형을 대폭적으로 감소할 수 있어 응용제품의 소음을 줄여 환경개선에 유용한 효과가 있는 것이다.

도 1은 자장부여방향에 따른 자기변형 개선효과를 나타내는 그래프

도 2는 자장방향에 따른 자장열처리의 개요도로서

도 2(a)는 강판의 길이방향(압연방향)으로 자장부여하는 자장열처리(LDMA)의 개요도

도 2(b)는 강판의 폭방향(강판의 압연방향에 대한 수직방향)으로 자장부여하는 자장열처리(TDMA)의 개요도

도 3은 자장의 종류에 따른 자장세기와 주기의 관계를 나타내는 그래프

도 4는 수직자장과 강판의 각도에 따른 자기변형율을 나타내는 그래프

도 5은 펄스폭에 따른 자기변형율을 나타내는 그래프

도 6은 주파수에 따른 자기변형율을 나타내는 그래프

도 7은 자장세기에 따른 자기변형율을 나타내는 그래프

도 8는 본 발명의 일실시예에 사용된 펄스자장

도 9는 자장열처리조건에 따른 자기변형개선율을 나타내는 그래프

Claims (6)

1. 응력을 적용하여 사용하는 방향성전기강판의 제조방법에 있어서,

   자장열처리전 방향성 전기강판에 응력을 변화시켜 가며 자기변형을 측정하는 단계,

   상기 응력값에 따라 측정된 강판의 자기변형중 -0.5×10^-6~0.5×10^-6의 범위에서 선택된 임의의 자기변형 값에 해당하는 응력을 임계응력으로 결정하는 단계,

   (a) 상기 적용되는 응력값이 상기 임계응력값 보다 작을 경우에는 상기 강판의 길이방향(압연방향)으로 자장을 인가하여 자장열처리하고,

   (b) 상기 적용되는 응력값이 상기 임계응력값 보다 클 경우에는 상기 강판의 폭방향(압연방향에 대하여 수직방향)으로 향하는 자장을 인가하여 자장열처리하는 단계를 포함하고,

   상기 자장열처리는 강판의 온도가 450~600℃의 범위에서 자장인가를 개시하여 85~120℃/sec의 속도로 냉각하는 자장열처리조건 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 강판의 길이방향으로 향하는 자장은 펄스자장임을 특징으로 하는 자장열처리조건의 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 강판의 폭방향으로 향하는 자장은 직류자장 또는 펄스자장임을 특징으로 하는 자장열처리조건의 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법.
4. 제 1항, 제 3항, 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스자장은 150~700Oe의 세기로서 펄스폭 5~30ms, 주파수 2~8Hz임을 특징으로 하는 자장열처리조건의 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 강판의 폭방향(압연방향에 대하여 수직방향)으로 향하는 자장과 강판이 이루는 각도는 80~100°임을 특징으로 하는 자장열처리조건의 제어에 의한 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 강판의 폭방향으로 향하는 자장을 인가하는 경우에는 강판의 길이방향으로 2~25MPa인장력을 부여하면서 자장열처리하는 것을 특징으로 하는 자기변형이 적은 방향성 전기강판의 제조방법.