KR100544642B1 - 고자속밀도 방향성전기강판의 자장열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기 등의 전기기기 철심으로 사용되는 동시탈탄질화소둔을 행하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 고자속밀도 방향성전기강판의 적용응력특성에 맞추어 적합한 자장을 부여하여 자기변형을 최소화할 수 있는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.02~0.1%, Si:1.0~4.8%, S:0.006%이하, 산가용성 Al:0.01~0.05%, Mn:0.05~0.2%, N:0.010%이하, B:0.001~0.012%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1200~1300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 다음의 조건, 1360 - 11,111 x [Sol. Al(wt%)] ± 100℃을 만족하는 온도범위에서 열연소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시 혹은 잇달아 행하여 AlN을 형성시키고, 최종마무리소둔한 후 장력코팅공정을 포함하여 이루어지는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 장력코팅하고 코팅층의 경화를 위한 냉각하는 공정에서,

상기 강판의 폭방향으로 펄스폭 10~40ms, 주파수 1~8Hz 의 펄스자장을 400~700 Oe의 세기로 720~350℃사이에서 인가를 개시하여 120℃/sec이하의 속도로 냉각하면서 200℃ 이전에서 자장인가를 종료하는 자장열처리 단계를 포함하고, -5Mpa~+4Mpa의 응력을 적용하여 사용하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

고자속밀도, 방향성 전기강판, 자장열처리, 수직자장, 펄스, 바이어스자장

Description

고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법{Method for Magnetic annealing high permeability grain oriented electrical steel with low magnetostriction }

도 1는 자장방향에 따른 자장열처리의 개요도로서

도 1(a)는 강판의 길이방향(압연방향)으로 자장부여하는 자장열처리(LDMA)의 개요도

도 1(b)는 강판의 폭방향(강판의 압연방향에 대한 수직방향)으로 자장부여하는 자장열처리(TDMA)의 개요도

도 2는 수직자장부여방향에 따른 자기변형 개선효과를 나타내는 그래프

도 3은 수직자장과 강판의 각도에 따른 자기변형율을 나타내는 그래프

도 4는 자장의 종류에 따른 자장세기와 주기의 관계를 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 펄스자장과 바이어스 직류자장을 동시한 인가한 자장형상의 개략도

도 9는 자장인가개시온도와 냉각속도에 따른 자기변형개선율을 나타내는 그래프

도 10은 종래의 자장열처리방법에 의한 자기변형율을 나타내는 그래프

도 11은 본 발명에 사용된 자장열처리장치의 일례도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1..... 방향성 전기강판 2, 4, 5..... 솔레노이드

30..... 수직자장부 32..... 자장발생수단

34.....펄스전원공급기 35.....직류전원공급기

36..... 펄스파형제어기 37.....직류파형제어기

본 발명은 변압기 등의 전기기기 철심으로 사용되는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고자속밀도 방향성전기강판의 적용응력특성에 맞추어 적합한 자장을 부여하여 자기변형을 최소화할 수 있는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법에 관한 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.

본 출원인은 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조기술을 한국 특허출원번호 2000- 72745호에 제안한 바 있다. 그 제조기술은, 중량%로, C:0.02~0.1%, Si:1.0~4.8%, S:0.006%이하, 산가용성 Al:0.01~0.05%, Mn:0.05~0.2%, N:0.010%이하, B:0.001~0.012%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1200~1300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 다음의 조건, 1360 - 11,111 x [Sol. Al(wt%)] ± 100℃을 만족하는 온도범위에서 열연소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시 혹은 잇달아 행하여 AlN을 형성시키고, 최종마무리소둔하는 것이다.

이와 같이 최종소둔한 강판에는 내식성과 와전류손실을 방지하여 전력손실을 최소화하면서 강판표면에 장력을 부여하기 위하여 통상적으로 장력코팅을 하고 있다. 장력코팅은 무기질, 유기질 또는 무기질과 유기질의 혼합용액을 강판의 표면에 코팅한 후에 800℃ 정도의 경화로에서 경화처리하여 절연피막을 형성한다. 그리고, 자기변형을 줄이기위한 자장열처리를 적용한다면 경화처리후의 냉각과정에 적용된다.

자기변형은 방향성전기강판을 변압기의 철심 등으로 사용할 때 발생하는 소음의 원인이 되므로 자장열처리를 통해 줄이는 것이 요구된다. 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)라 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 줄어들었다를 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. 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 고려 하여 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 더 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 가할시 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 것 이다. 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 이방성에너지가 너무 큰 것으로 인하여 자장열처리로 강판의 자성을 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 특개평8-134543에서는 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 평탄화과정을 거쳐 냉각과정중에 자기변태점 바로 직상 온도에서 약350℃ 까 지 25℃/초 이하의 속도로 냉각하며 이때 직류자장은 10 에르스텟(Oe) 정도 부여하는 것을 특징으로 한다.

(2) 일본 특개평8-134551에서는 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 (1)(2)(3)의 선행기술에서는 자장을 자화용이축 방향(강판의 압연방향을 향하여 자장부여)으로 가하는 자장열처리기술로서, 본 출원인이 제안한 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리에도 이러한 자장열처리기술이 적용될 수 있다. 그러나, 이들 기술을 적용하더라도 -5~+4Mpa이상의 응력에서는 자기변형 감소에 별다른 도움이 되지 않았다.

선행기술 (1)(2)에서는 직류자장을 (3)에서는 교류자장을 부여하고 있다. 직류자장의 경우에는 자장세기에 따라 많은 전력이 필요하게 되어 높은 자장세기를 얻 기가 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.

본 발명은 -5~4Mpa이상의 응력이 적용되어 사용하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자기변형을 최대한 낮출 수 있는 자장열처리방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자장열처리 방법은, 중량%로, C:0.02~0.1%, Si:1.0~4.8%, S:0.006%이하, 산가용성 Al:0.01~0.05%, Mn:0.05~0.2%, N:0.010%이하, B:0.001~0.012%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1200~1300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 다음의 조건, 1360 - 11,111 x [Sol. Al(wt%)] ± 100℃을 만족하는 온도범위에서 열연소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시 혹은 잇달아 행하여 AlN을 형성시키고, 최종마무리소둔한 후 장력코팅공정을 포함하여 이루어지는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 장력코팅하고 코팅층의 경화를 위한 냉각하는 공정에서,

상기 강판의 폭방향으로 펄스폭 10~40ms, 주파수 1~8Hz 의 펄스자장을 400~700 Oe의 세기로 720~350℃사이에서 인가를 개시하여 120℃/sec이하의 속도로 냉각하면 서 200℃ 이전에서 자장인가를 종료하는 자장열처리 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따라 자장열처리한 방향성 전기강판은 -5Mpa~+4Mpa의 응력을 적용하여 사용한다. 물론, 필요하다면 +4Mpa이상의 응력을 적용하여 사용할 수 있다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 본 출원인이 한국특허출원번호 2000-72745호에 제안한 고자속밀도 방향성전기강판의 제조방법에 자장열처리를 적용하는데 특징이 있다. 이 제조방법은, 중량%로, C:0.02~0.1%, Si:1.0~4.8%, S:0.006%이하, 산가용성 Al:0.01~0.05%, Mn:0.05~0.2%, N:0.010%이하, B:0.001~0.012%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1200~1300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 다음의 조건, 1360 - 11,111 x [Sol. Al(wt%)] ± 100℃을 만족하는 온도범위에서 열연소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시 혹은 잇달아 행하여 AlN을 형성시키고, 최종마무리소둔하는 것이다.

이러한 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조기술에서 조성범위 한정이유와 최종소둔까지의 구체적인 제조조건은 한국 특허출원번호 2000-72745호에 자세히 기재되어 있어 여기서는 중복을 피하기 위하여 설명을 생략한다.

지금까지 자장인가 기술에 따라 고자속밀도 방향성 전기강판을 자장열처리하더 라도 자기변형 감소에 별다른 긍정적인 영향이 없었다. 따라서, 본 발명자들은 고자속밀도 방향성 전기강판의 경우에는 제품(변압기의 철심)으로 응용될 때 적용되는 특정응력조건에서는 지금까지의 자장열처리기술과는 달리 강판의 폭방향으로 자장을 인가하면서 자장열처리할 때 자기변형을 줄이는데 효과적이라는 사실을 밝혀내고 본 발명을 완성한 것이다. 본 발명은 강판의 폭방향으로 자장을 인가할 때 자장열처리의 여러가지 공정조건을 제어하여 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리조건을 최적화하고 있다. 즉, 통상의 방법에 따라 최종소둔처리한 고자속밀도 성분계의 방향성전기강판의 표면에 미반응되고 남은 소둔분리제를 깨끗이 씻어내고, 장력코팅용액을 도포한다. 도포된 코팅액를 건조시키고, 강판에 장력을 발생케 하기 위하여 경화처리하여 냉각하는 과정에 인가하는 자장처리조건 즉, [1]자장인가방향, [2]인가자장의 종류, [3]열처리조건, [인장응력부가]을 제어하는 것이다. 이하, 그 구체적인 조건별로 자장열처리방법을 설명한다.

[1]자장인가방향

본 발명자들은 고자속밀도 방향성 전기강판의 자화용이축방향인 강판의 길이방향으로 자장을 인가하면서 열처리한 결과, -5Mpa~+4Mpa의 응력적용구간에서는 자장열처리전 보다 자기변형이 더 열화된다는 사실을 알게 되었다.

따라서, 본 발명자들은 지금까지 정설로 받아들여지던 강판의 길이방향으로 자장을 인가하는 수평자장 부여 이론(도 1a, LDMA:Longitudinal Direction Magnetic annealing)과는 반대로 강판의 폭방향으로 자장을 부여하는 수직자장(도 1b, TDMA:Transverse Diretion Magnetic annealing)를 인가하면서 자장열처리한 결과, 도 2의 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 고자속밀도 방향성 전기강판의 경우에는 -5Mpa~4Mpa의 적용응력구간에서는 수직자장을 인가할 때 자기변형을 줄일 수 있음을 알 수 있다.

이때 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, 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.

[2]자장의 종류

방향성 전기강판의 자기장 모멘트가 한 방향으로 정렬되는 정도가 높을수록 자기변형이 감소되지만, 결정내 자기이방성에너지가 크면 자구의 회전은 어렵다. 따라서, 이 자구의 방향을 모두 임의의 한 방향으로 변화시키려면 많은 에너지가 필 요하므로 자장의 세기를 높여야 하고 이를 위해서는 많은 전력이 필요하게 된다. 지금까지는 직류자장과 교류자장을 주로 적용하고 있다.

본 발명자들은 각기 서로 다른 방향을 향하고 있는 자구의 회전을 위해서는 펄스자장을 가해는 경우에 순간적으로 높은 자장이 결정내에 흐르게 되어 자구를 임의의 한 방향으로 변화시키는데 더 효과적이라는 결론을 얻을 수 있었다.

즉, 도 4(a)에 나타나 있듯이, 직류(DC)자장의 경우에는 에너지가 H-T의 면적에 비례하므로 들어가는 에너지에 비하여 높은 H를 얻지 못한다. 도 4(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. 이에 반해, 도 4(c)의 펄스자장의 경우에는 동일한 양의 에너지로 DC와 AC에 비하여 매우 높은 H(AC의 약 10배)를 얻을 수 있으며, 또한, 필드가 한쪽 방향으로만 부여되므로 큰 교란이 없다. 펄스에서는 자장세기에 따른 파형의 크기는 변하여도 그 형태도 변하지 않는다.

본 발명에 따른 펄스자장의 조건은, 펄스자장을 가하는 경우에 가장 최적의 조건은 펄스폭 10~40ms, 주파수 1~8Hz, 펄스세기 400~700 Oe로 하는 것이다.

펄스폭은 도 5(주파수 3Hz, 펄스세기 520Oe)에 나타나 있듯이, 10ms이상으로 하 면 자기변형개선 효과가 나타나기 시작하며 40ms보다 커지더라도 자기변형개선효과는 그다지 크지 않다는 것을 알 수 있다.

주파수는 도 6(펄스폭 20ms, 자장세기 520Oe)에 나타나 있듯이, 주파수가 커질수록 자기변형개선율이 커지는데, 1Hz이상 될 때 자기변형개선 효과가 크게 나타나며, 8Hz 보다 커지면 자기변형개선 효과의 개선율에 변화가 없다.

펄스세기는 도 7(펄스폭 20ms, 주파수 5Hz)에 나타나 있듯이, 자장세기가 높을수록 자기변형개선효과가 커지며 200Oe이상일때부터 자기변형개선율과 비례하여 커지다가 700 Oe를 초과하면서 자기변형개선효과가 더 이상 나타나지 않는다. 따라서, 본 발명에서 자기변형개선효과가 뚜렷한 400~700Oe의 자장을 인가한다.

그런데, 이러한 펄스파형을 자세히 나타낸 도 8(a)에서 보면, 펄스가 끝나는 지점에 펄스의 자장세기가 음의 값을 가지며 아래방향으로 내려가는 것을 볼 수 있는데, 이 부분에서 약간의 교란이 일어난다. 이러한 교란은 펄스파형에서 불가피하게 발생되며, 자기변형을 감소시키는 효과를 저감하는 요인으로 밝혀졌다. 왜냐하면 자기변형을 저감하기 위하여는 자장을 부여하는 방향으로 자구를 재배열해야 되는데 이때 자장방향의 교란이 약간 생기더라도 자구의 배열이 흐트러져 원하는 방향으로의 자구 배열정도가 그 만큼 떨어지기 때문이다.

따라서, 본 발명자들은 이를 해결하기 위하여 직류자기장을 바이어스로 걸어주는 방안을 모색하였다. 즉, 시간에 따라 변하지 않는 바이어스 직류자기장을 펄스 자기장과 동일한 방향으로 걸어주어 펄스자장의 세기가 모두 양의 값을 갖도록 하는 것이다. 본 발명에서 바이어스 직류자기장이란 용어는 펄스자장의 최소 세기가 0 이상이 되도록 보상하여 펄스자장이 늘 동일한 방향으로 향하게 하는 직류자장을 의미하는데, 이를 도 4를 통해 설명한다.

도 8(a)에서 펄스자장의 최소세기는 -5Oe이다. 따라서, 도 8(b)와 같이 적어도 5Oe 이상 즉, 10Oe 세기의 직류자장을 펄스자장과 함께 바이어스로 걸어주면 도 8(c)와 같이 펄스자장의 최소세기는 0Oe이상인 5Oe가 되어 자장의 교란이 일어나지 않는다. 이와 같이 펄스가 끝나는 지점에서 교란이 생겨도 교란되는 자기장의 크기 보다 더 큰 직류자장으로 바이어스 직류자장을 펄스 자장과 동일한 방향으로 부여하면 전체자기장은 늘 동일한 방향으로 향하게 되어 자구의 흐트러지는 일 없이 자장의 부여방향으로 자구를 재배열할 수 있다.

이러한 바이어스 직류자장은 펄스자장의 교란되는 자기장의 크기 보다 큰 직류자장을 부여하면 되는데, 상기한 펄스자장의 조건에서는 10Oe이상의 직류자장이면 충분하다.

[3]열처리조건

본 발명에서는 방향성 전기강판에 자장을 인가할 때 자장인가개시온도에 따른 자기변형개선율을 조사한 결과, 자장인가 개시온도가 높아질수록 자기변형개선율이 높아진다는 것을 확인하였다. 그런데, 자장인가 개시온도를 약 350℃까지 낮추더라도 자기변형개선율의 차이가 크지 않았다(도 9a). 따라서, 자장열처리에서 열에너지를 소비하면서 굳이 높은 온도에서 자장열처리를 하지 않아도 된다는 사실을 알게 되었다. 따라서, 생산성과 자기변형을 고려할 때 바람직한 자장인가 개시온도는 350~720℃이다.

또한, 자장을 인가하면서 강판을 냉각하는 속도에 대한 자기변형개선율을 알아본 결과, 냉각속도가 느릴수록 자기변형개선율이 좋아진다. 그런데, 냉각속도를 약 120℃/min까지 높이더라도 이 보다 냉각속도를 천천히 하는 경우에 비해 자기변형개선율에는 차이가 크지 않았다. 따라서, 50~120℃/min의 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.

[4] 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 자장열처리기술은 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 회복되는 것을 확인하였다.

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 1b, 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 회복되는 것을 확인하였다.

즉, 강판의 폭방향으로 자장을 가하면서 강판의 길이방향으로 인장응력을 적절히 가하면 자기변형개선은 물론 철손의 열화를 방지할 수 있어, 고자속밀도 방향성 전기강판의 폭방향으로 자장을 부여하는 열처리방법을 자장열처리기술로 적극적으로 도입할 수 있었다.

이때의 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.

[종래예]

중량%로 C:0.035%, Si:3.15%, Sol-Al:0.027%, N:0.0069%, Mn:0.1%, S:0.006%, B:0.0065%, 나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 규소강 슬라브를 1250℃의 온도로 2시간 가열하여, 2.3mm 두께로 열간압연하고, 1120℃에서 2분간 열연판소둔을 한 후, 냉각하여, 0.3mm로 냉간압연하였다.

상기와 같이 최종 두께로 된 냉연판은, 탈탄소둔과 질화소둔을 동시에 실시한다.

탈탄과 침질을 동시에 일으키게 하는 공정은 냉연판을 암모니아+수소+질소의 혼합가스의 습윤분위기에서 875℃로 유지된 로에 노점 48℃인 25%수소+75%질소의 혼합가스와 건조한 암모니아를 함유시킨 분위기에서 155초 동안탈탄과 질화를 동시에 행하였다.

5분간 처리 하였다. MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 강판표면에 도포한 다음 마무리 고온소둔하였다. 이때 상기 고온소둔은 2차재결정을 일으키기 위해 15℃/hr의 승온속도로 1200℃까지 승온하고 15시간 균열후 냉각하는 열처리 사이클로 행하였으며, 승온중 분위기가스로는 25%N2+75%H2를 사용하고, 1200℃로 승온한 이후에는 순수소 가스를 사용하였다. 1200℃에서 10시간을 유지 후 로냉하였다. 최종고온소둔 후 강판표면에 도포시킨 MgO주성분인 소둔분리제중 미반응되고 남은 것들을 깨끗이 씻어내고, 강판표면에는 장력코팅을 하였다. 장력코팅재는 인산알미늄과 무수크롬산 및 콜로이달 실리카 슬러리가 혼합된 것이다. 도포된 코팅액를 건조시키고, 강판에 장력을 발생케 하기 위하여 약 800℃에서 1분정도 경화를 실시하였다.

이렇게 제조된 방향성전기강판의 자성은 자속밀도 B10=1.92 Tesla, 철손 W17/50=1.06 watt/kg이며, 응력에 따른 자기변형값을 도 10에 나타내었다. 자기변형은 1.7Tesla, 50Hz에서 측정하였다. B10은 1000A/m의 여자력에서 유기되는 자속밀도를 말하며, W17/50은 1.7Tesla, 50Hz에서의 철손실을 말한다.

도 10에 나타난 바와 같이, -5MPa~+4MPa의 응력이 적용되는 제품에 사용될 때에는 자기변형이 커서 소음이 많이 발생함을 알 수 있다.

[실시예 1]

상기와 같이 경화처리한 시편으로 자장열처리 실험을 하였다. 이들 강판을 재차 800℃까지 승온하여 20℃/초로 200℃까지 냉각시키면서 720~200℃ 범위에서 자장을 걸어주었다. 자장의 형태는 펄스자장(최고자장세기:500 Oe, 펄스폭: 30 ms, 펄스주 파수: 5 Hz )과 자장의 교란이 극의 방향을 바꾸는 것을 막기 위하여 시간에 따라 세기가 일정한 10 Oe 정도의 바이어스 자장을 동시에 걸어주었다. 이때 사용한 자장열처리 장치의 일례가 도 11에 나타나 있다.

상기의 조건으로 자장열처리 후 1.7 Tesla, 50Hz에서 측정한 응력에 따른 자기변형값을 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보면 수직방향의 자장열처리를 통하여 자기변형이 크게 감소되는 것을 볼 수 있다.

[실시예 2]

상기 경화처리한 시편을 650℃에서 자장을 인가하고, 강판의 온도가 100℃까지 냉각속도를 초당 60, 80, 100 및 120℃로 변화시켜 냉각속도가 자기변형에 미치는 영향을 실험하였다. 자장열처리 조건은 강판의 폭방향(강판의 압연방향과 이루는 각도를 75~105도 범위내)으로 펄스자장을 최대높이 600 에르스텟(Oe), 펄스폭은 40ms 펄스파형의 주파수는 6Hz가 되게 인가하였다. 자장열처리가 끝난 후, 자기변형 측정은 일반적으로 변압기에서 철심이 받는 응력인 -2MPa (압축응력)을 시편의 길이방향으로 가한 상태에서 자속밀도 1.7 Tesla, 50Hz에서 측정하고 그 결과를 표1에 나타내었다.

냉각속도(℃/초)	자기변형개선율(%)
60	50
80	47
100	34
120	12

상기 표에 나타난 바와 같이, 냉각속도가 120℃/sec 까지 커지면 자기변형개선율은 점차 작아지지만, 그 차는 크지 않음을 알 수 있다.

도 2에는 종래예1의 자장열처리전 자기변형도 함께 나타내었다. 도 2에서 알 수 있듯이, -5Mpa~+4Mpa의 응력이 적용될 때에는 본 발명에 따라 자장열처리하는 경우에 자기변형이 감소됨을 알 수 있다. 한편, 자장인가 종료온도를 100℃로 하더라도 200℃에 종료한 경우에 비해 자기변형의 변화는 크지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 자기변형의 적은 고자속밀도 방향성 전기강판이 제공되는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 중량%로, C:0.02~0.1%, Si:1.0~4.8%, S:0.006%이하, 산가용성 Al:0.01~0.05%, Mn:0.05~0.2%, N:0.010%이하, B:0.001~0.012%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1200~1300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 다음의 조건, 1360 - 11,111 x [Sol. Al(wt%)] ± 100℃을 만족하는 온도범위에서 열연소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시 혹은 잇달아 행하여 AlN을 형성시키고, 최종마무리소둔한 후 장력코팅공정을 포함하여 이루어지는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서,

   상기 장력코팅하고 코팅층의 경화를 위한 냉각하는 공정에서,

   상기 강판의 폭방향으로 펄스폭 10~40ms, 주파수 1~8Hz 의 펄스자장을 400~700 Oe의 세기로 720~350℃사이에서 인가를 개시하여 120℃/sec이하의 속도로 냉각하면서 200℃ 이전에서 자장인가를 종료하는 자장열처리 단계를 포함하고, -5Mpa~+4Mpa의 응력을 적용하여 사용하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 펄스자장과 함께 10 Oe 이상의 바이어스 직류자장을 강판의 폭방향으로 인가하는 것을 특징으로 하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 냉각속도는 50~120℃/sec임을 특징으로 하는 고자속밀도 방 향성 전기강판의 자장열처리방법.
4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 장력코팅한 강판의 길이방향으로 2~25Mpa의 인장응력을 부여하면서 자장열처리하는 것을 특징으로 하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 자장열처리방법.

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