KR101283702B1 - 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 이 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 이 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것으로, 방향성 전기강판의 절연피막 처리 공정에 있어 금속 인산염과 콜로이달 실리카를 주요성분으로 하는 비크롬계 방향성 전기강판 장력코팅제로서, 상기 금속 인산염은 제1인산 마그네슘(Mg(H₂PO₄)₂)과 제1인산 알루미늄(Al(H₂PO₄)₃)이 혼합된 혼합액이고; 상기 금속인산염 용액 100g에 대하여 콜로이달 실리카 30~60g, 산화촉진제 2~15g을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 절연성을 갖는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 비크롬계 장력코팅제의 주요 문제인 건조 속도 저하에 의한 절연성, 밀착성 저하 및 이로 인한 코팅에 의한 장력저하를 산화촉진제를 도입함으로써 해결할 수 있고, 또한 도입된 산화촉진제는 코팅제의 주요 성분인 인산염의 반응속도를 가속화시키기 때문에 미건조에 의한 절연 불량 및 밀착성 저하 문제도 해소할 수 있게 되므로 궁극적으로 전기 절연성과 피막에 의한 장력을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 이 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판{TENSION COATING AGENT FOR FORMING INSULATING FILM WITH EXCELLENT DRYING PROPERTY, ELECTRICAL RESISTANCE AND METHOD FOR FORMING INSULATION FILM USING THAT, AND ELECTRICAL STEEL SHEET WITH INSULATING FILM BY THAT METHOD}

본 발명은 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 이 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것으로, 특히 크롬을 포함하지 않는 장력코팅제가 갖는 건조 불완전에 의한 절연성 및 장력 부여 열위 현상을 해소시켜 변압기의 효율을 높일 수 있도록 개선된 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 이 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 방향성 전기강판이란 3.1% Si성분을 함유한 강판으로서, 결정립의 방위가 (110)[001]방향으로 정열된 집합조직을 가지고 있으며, 이 제품은 압연방향으로 극히 우수한 자기적 특성을 가지고 있으므로 이 특성을 이용하여 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자 기기 등의 철심 재료로 사용된다.

본 발명과 관계되어 있는 공정은 방향성 전기강판의 최종공정인 '절연코팅 및 평탄화 소둔'으로서, 이 공정은 방향성 전기강판 포스테라이트층으로 구성된 1차 코팅위에 재코팅을 시행한 후 소둔하는 공정을 말하며, 이를 통해 소둔 후 냉각과정에서 피막과 소재와의 열팽창계수 차이에 의해 부가되는 인장응력으로 소재의 자기적 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

우수한 절연코팅은 기본적으로 외관에 결함이 없는 균일한 색상을 가져야 하지만, 기능성을 부여하려는 여러 가지 기술의 접목에 의하여 전기절연성을 향상시키고 피막의 밀착성을 강화시키는 것이 주로 이용되는 기술이었다.

최근 고 자속밀도급의 방향성 전기강판이 상용화되면서 최종 절연피막의 고 장력화를 추구하게 되었고, 실제 고 장력 절연피막이 최종제품의 자기적 특성 개선에 크게 기여함이 확인되었다.

또한, 장력피막의 특성 향상을 위해서 여러 가지 공정인자의 제어 기법이 응용되고 있으며, 현재 상품화되어 있는 방향성 전기강판은 강판과 폴스테라이트계 바탕 피막 위에 형성된 절연피막의 열팽창계수 차이를 이용하는 것에 의해 강판에 인장응력을 부가함으로써 철손감소 효과를 도모하고 있는 것이 좋은 예다.

대표적인 절연피막 형성방법으로서, 일본특허 특개평11-71683에서와 같이 고온의 유리 전이점을 가진 콜로이달 실리카를 사용하여 피막장력을 향상시킨 방법 또는 일본특허 제3098691호, 일본특허 제2688147호에서와 같이 알루미나 주체의 알루미나 솔(alumina sol)과 붕산 혼합액을 이용, 전기강판에 고장력의 산화물 피막을 형성하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 국내 등록특허 제0377566호와 같이 폴스테라이트계 바탕 피막 위에 특정 금속원자를 함유한 인산 수소염과 실리카로 구성된 제1층을 형성시킴으로써 폴스테라이트계 바탕피막과 절연피막과의 밀착성 향상을 유도하고, 그 위에 재차 붕산 알루미늄을 주성분으로 하는 제2층을 형성시킴으로써 더욱 강력한 피막장력 효과를 내는 기술이 개시되어 있다.

그런데, 최근 환경규제 강화에 따라 전기강판에서도 Cr-free화(비크롬계)가 활발히 진행되고 있는데 방향성 전기강판 코팅제의 경우 Cr 부재(不在)에 따른 내식성 및 밀착성 약화를 보강하기 위해 인산염을 도입하는 방법과 콜로이달 실리카 도입을 통한 배리어 효과를 유도하는 방법이 활발히 제안되고 있다.

그러나, 인산염 또는 콜로이달 실리카를 주축으로 하는 Cr-free 코팅제 모두 인산염이 가지고 있는 스티키성 및 콜로이달 실리카가 가지고 있는 내식성 향상의 한계를 각각 가지고 있다.

방향성전기강판용 Cr-free 장력 코팅제의 경우는 일본특허 특개 2007-23329에서 공시된 바와 같이, Fe, Al, Ga, Ti 등이 개질 된 콜로이달 실리카를 도입하는 방법 및 국내공개특허 제2008-0025733호와 같이 Fe, Co, Cu 등의 산화물을 도입하여 내식성과 피막장력을 향상 시키는 방법이 제안되고 있으나, 전자의 경우는 콜로이달 실리카를 Fe, Al 등과 반응시켜 개질시키는 과정이 상당히 복잡하며, 제조비용 측면에서도 불리한 점이 많은 반면에 그 효과도 충분하지 않아 산업계에 응용 되기에는 어려우며, 후자의 경우는 전자에 비해 간단하게 이용할 수 있으나 도입된 산화물들이 단순히 코팅제 건조시 발생되는 자유인산을 방지하는 효과에 의해 부수적으로 피막 치밀성이나 피막장력을 향상시키는 메커니즘을 가지고 있어 전반적으로 높은 내식성과 피막장력이 요구되는 고급 방향성 전기강판 수준을 만족 시키는 데에는 한계점을 가지고 있다.

따라서, 아직까지 모든 물성적인 측면에서 만족할 만한 방향성용 Cr-free 장력코팅제의 상용화 기술은 집중적인 투자와 함께 기술 개발에 매진할 필요성이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 많은 한계점들을 극복하기 위해 창출된 것으로, 크롬 배제시 열화되는 상용성, 내식성 및 밀착성을 극복하고, 장력코팅제의 피막장력이 우수한 방향성 전기강판을 제조할 수 있도록 크롬을 포함하지 않는 대신 금속인산염, 소듐 퍼보레이트(Sodium perborate)와 같은 산화촉진제, 그리고 Fe 이온 농도가 균일하고 입자 외부는 히드록시 그룹을 가지고 있는 헤마타이트 졸을 도입하여 환경측면에서 유리하고 건조속도를 가속화시키도록 한 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 이 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 방향성 전기강판의 절연피막 처리 공정에 있어 금속 인산염과 콜로이달 실리카를 주요성분으로 하는 비크롬계 방향성 전기강판 장력코팅제로서, 상기 금속 인산염은 제1인산 마그네슘(Mg(H₂PO₄)₂)과 제1인산 알루미늄(Al(H₂PO₄)₃)이 혼합된 혼합액이고; 상기 금속인산염 용액 100g에 대하여 콜로이달 실리카 30~60g, 산화촉진제 2~15g을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 절연성을 갖는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 제공한다.

이때, 상기 금속인산염 혼합액은 제1인산 마그네슘과 제1인산 알루미늄의 비가 금속인산염 혼합액 100g을 기준으로 제1인산 마그네슘 25~90g, 제1인산 알루미늄 10~75g이 혼합되어 전체 100g이 되게 조성되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 산화촉진제는 NaNO₃, Sodium perborate, Pyridine 중에서 선택된 어느 하나인 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 방향성 전기강판에 절연피막을 형성하는 방법에 있어서; 마무리 소둔 된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판의 표면에 상기에 기재된 장력코팅제 조성물을 0.5 ~ 6.0 g/㎡ 범위에 걸쳐 도포하고, 550~900℃에서 10~50초간 가열 처리하여 절연피막을 형성한 것을 특징으로 하는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 이용한 절연피막 형성방법도 제공한다.

아울러, 본 발명은 마무리 소둔 된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판의 표면에 상기에 기재된 방법으로 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 있어서; 상기 절연피막은 54mA 이하의 절연성을 갖는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판도 제공한다.

본 발명에 따르면, 비크롬계 장력코팅제의 주요 문제인 건조 속도 저하에 의한 절연성, 밀착성 저하 및 이로 인한 코팅에 의한 장력저하를 산화촉진제를 도입함으로써 해결할 수 있고, 또한 도입된 산화촉진제는 코팅제의 주요 성분인 인산염의 반응속도를 가속화시키기 때문에 미건조에 의한 절연 불량 및 밀착성 저하 문제도 해소할 수 있게 되므로 궁극적으로 전기 절연성과 피막에 의한 장력을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 방향성 전기강판용 장력코팅제를 제조함에 있어 Cr⁶⁺을 함유하지 않으면서도 Cr이 가지고 있는 건조속도 가속화 성질을 대체할 수 있는 특별한 첨가제를 도임함으로써 통상의 피막건조 온도보다 저온에서 건조 가능한 동시에 도포 후 형성된 피막이 내식성과 소재와의 우수한 접착성 및 계면특성을 보이고, 이에 상응하여 피막 장력을 향상시키는 것에 그 주된 특징이 있다.

이와 관련하여, 일반적인 Cr-타입 장력코팅제의 주요성분을 먼저 고찰해 보면, 피막장력을 부여하는 콜로이달 실리카, 코팅제와 강판 계면에 접착력을 부여하는 금속인산염, CrO₃ 그리고 이외 기능성을 보강하기 위한 미량의 첨가제로 구성된다.

그런데, 이러한 구성에서 Cr이 배제되게 되면 대표적으로 건조속도가 저하되고, 이로 인해 절연성 및 코팅에 의한 장력 부여능이 저하되게 된다.

좀더 구체적으로, 일단 장력코팅제에 Cr이 배제되었을 경우 가장 문제되는 물성으로는 건조속도 저하를 들 수 있다.

통상, Cr계 장력코팅제의 주요성분은 앞서 설명한 바와 같이, 피막장력을 부여하는 콜로이달 실리카, 코팅제와 강판 계면에 접착력을 부여하는 금속인산염(제1인산 마그네슘(Mg(H₂PO₄)₂)과 제1인산 알루미늄(Al(H₂PO₄)₃) 혼합액), CrO₃ 그리고 이외 기능성을 보강하기 위한 미량의 첨가제를 포함한다.

이때, 콜로이달 실리카는 장력코팅제에 피막장력을 부여하는 역할을 하고, 금속인산염은 장력코팅제의 바인더로 사용되어 코팅제와 모재간의 밀착력을 제공한다.

이렇게 밀착성을 제공하는 금속인산염은 건조온도에 따라 탈수 축합 반응이 진행되면서 조막 반응도 진행되는데,

- 저온 상태 (코팅제 온도, ≤ 550 ℃)

인산염: 2Al(H₂PO₄)₃ → Al₂(H₂P₂O₇)₃ + 3H₂O ↑ ...............(1)

- 고온 상태 (코팅제 온도, ≥ 650 ℃)

인산염: nAl₂(H₂P₂O₇)₃ → [Al(PO₃)₃]_2n + 3nH₂O ↑ ............(2)

이때, Cr이 코팅제 내에 존재하는 경우에는 식 (1)과 같은 저온상태에서 존재하는 자유인산염을 다음과 같은 반응을 통해 저온에서 조막이 가능한 상태로 만들 수 있다.

CrO₃ + 2H₃PO₄ → Cr(PO₄)₂ + 6 H₂O ...........................(3)

위와 같이 Cr을 함유하고 있는 장력코팅제의 경우 식 (3)과 같이, 산화크롬은 피막 건조 후 스티키(sticky) 불량을 일으키는 자유인산 발생을 억제함은 물론 저온에서도 인산염의 반응성을 향상시킨다.

또한, 피막건조시 Cr⁶⁺가 코팅제 내에 존재하는 물과 반응하여 H₂CrO₄ 화합물로 변하며, 다시 H₂CrO₄는 강판에 존재하는 Fe와 반응하여 FeO를 생성함으로써 FeO와 금속인산염과 반응할 수 있는 상태를 만든다.

이러한 작용은 강판과 코팅제 간의 밀착성을 향상시키는데 많은 도움을 주며, 결과적으로 피막장력의 향상에 도움이 된다.

뿐만 아니라, Cr⁶⁺는 생성된 FeO와도 반응하여 Cr³⁺로 환원되기도 하며 환원된 Cr³⁺의 축합중합에 의해 피막치밀성을 높일 수 있고, 이는 피막장력 향상에 지대한 영향을 미친다.

그러나, 크롬이 배제되게 되면 이러한 영향을 가질 수 없기 때문에 본 발명자들은 장력코팅제 성분 각각의 건조 메커니즘과 전기절연성 및 피막장력과의 관계에 주목하였다.

특히, 장력코팅제를 구성하는 물은 각각의 성분 자체가 가지고 있는 물과 전체적으로 비중을 맞추어 주기 위해 첨가된 물로 구성되어 있는데 이들의 건조 메커니즘에 대한 해석은 아직까지 되어 있지 않다.

본 발명자들은 이러한 성분들간의 건조 메커니즘이 다름을 파악함은 물론 건조가 완벽하게 이루어지지 않을 때 절연성과 코팅 밀착성이 저하됨에 주목 하였다.

그리하여, 장력코팅제 성분중 금속인산염 특히, 제1인산 마그네슘(Mg(H₂PO₄)₂) 인산염의 건조속도가 다른 성분대비 열위하며, 따라서 코팅 성분중 금속인산염의 구성 성분비를 제1인산 알루미늄(Al(H₂PO₄)₃) 위주로 설계하여 코팅제 건조 능력을 향상시킬 수 있음을 확신하였다.

최근 고전력 변압기 수요증가에 따라 대형화 되고 있으며, 이에 상응하게 적층되는 강판간의 절연 요구도 더욱 엄격해 지고 있는 현실이다.

장력코팅제의 전기절연성을 향상시키기 위해서는 절연에 영향을 주는 인자에 대한 분석이 필요하다. 본 발명자들은 문헌조사와 건조온도와의 실험적 관계를 통해 코팅의 건조가 불충분 할 때 코팅에 의한 전기절연성이 저하됨을 알아냈다.

따라서, 충분한 건조를 위해서는 건조로의 건조온도를 상향하는 것이 일반적인 방법이나 건조로 상향시 제품을 생산하기 위한 에너지의 소모가 커지므로 생산 원가의 증가를 초래할 뿐만 아니라 건조로의 능력이 미치지 못 할 경우 추가적인 설비 투자를 해야 한다.

때문에, 본 발명에서는 건조온도 상승 또는 건조로의 추가적인 건조능력 향상 없이 완전한 건조가 가능한 방법을 제시한다.

이를 위해, 먼저 장력코팅제 성분간의 건조 메커니즘의 차이를 분석하였다.

장력코팅제의 성분별 건조속도를 파악하기 위해 인산염을 기본으로 콜로이달 실리카, 코팅제 희석용 물 순으로 차례대로 첨가하여 건조온도 850 ℃에서 시간을 달리하여 건조한 후 증발된 양을 알아 보았으며, 그 결과 콜로이달 실리카는 짧은 시간 안에 거의 완벽하게 건조되는데 반해, 인산염은 20초 이전까지는 인산염 내에 존재하는 물을 완전히 건조시키지 못하고 30초 이상이 되어야 성분 내에 존재하는 물을 증발시킴을 확인할 수 있었다.

이러한 현상을 초래하는 인산염의 미건조 원인은 여러가지 이유가 있을 수 있는데, 첫째로 인산염 자체의 건조 메카니즘이 일반 물이 포함된 성분들의 건조 메카니즘과 다름을 들 수 있다.

- 저온 상태 (코팅제 온도, ≤ 550 ℃)

인산염: 2Al(H₂PO₄)₃ → Al₂(H₂P₂O₇)₃ + 3H₂O ↑

콜로이달 실리카: nSiO2 + H₂O → nSiO2 + H₂O ↑

코팅제 희석용 첨가물: H₂O ↑

- 고온 상태 (코팅제 온도, ≥ 650 ℃)

인산염: nAl₂(H₂P₂O₇)₃ → [Al(PO₃)₃]_2n + 3nH₂O ↑

위의 화학식을 보면, 저온 상태에서 각각의 성분에 포함된 물은 일반적으로 생각되는 바와 같이 100℃ 이상이 되면 증발되고 각 성분에 포함된 고체성분 만이 존재하게 된다.

그러나, 금속 인산염의 경우에는 100℃ 정도에서 증발되는 통상적인 물이 있고, 여기에 더하여 온도가 상승함에 따라 화학반응이 진행되어 물로 빠져 나오는 물이 존재한다.

이러한 물은 통상적으로 650℃ 이상에서 빠져 나오기 때문에 건조로의 온도가 최소한 650℃ 이상이어야 됨은 물론이고, 인산염의 반응시간과 관련이 있기 때문에 건조로에서 일정 시간 이상을 체류하여야 완벽한 건조를 이룰 수 있게 된다.

따라서, 완벽한 건조를 위해서는 저온상태에서 인산염의 자발적인 반응 뿐만 아니라 Cr과 같은 산화제를 도입하여 식 (3)과 같은 반응도 같이 일으켜야 반응 속도를 가속화시킬 수 있다. 때문에, Cr이 포함되어 있지 않은 비크롬계 장력코팅제는 Cr의 역할을 해 줄 수 있는 조막 촉진제의 도입이 필요해진다.

조막 촉진제로는 산화제 형태가 바람직하며, 본 발명에 사용된 물질로는 NaNO₃, Zn(NO₃), Ni(NO₃), Sodium perborate, Pyridine, Hydroxyl amine sulfate, Sodium Bromate, Hydroxyl ammonium chloride, N-Cyclohexylsulfamic acid 등을 예시할 수 있다.

아울러, 금속 인산염의 종류에 따른 건조 속도를 알아보기 위해 알루미늄 인산염과 마그네슘 인산염의 차이를 확인하였으며, 그 결과 같은 금속인산염 내에서도 마그네슘 인산염의 건조 속도가 알루미늄 인산염 대비 느리며 따라서 코팅제를 구성하고 있는 인산염의 구성비를 낮추는 것이 건조에 유리함을 알 수 있었다.

이러한 기초 확인 실험을 통해 표 1과 같이 금속인산염 내에서 알루미늄 인산염과 마그네슘 인산염의 비율을 조정하여 건조 속도를 확인하여 보았다.

시편 번호	금속인산염 (100g)		실리카 (g)	고체실리카 (g)	절연성 (mA)	코팅장력 (kgf/mm2)	Sticky성
	Mg	Al
1	0	100	48	2.5	95	0.45	sticky
2	10	90	48	2.5	110	0.42	sticky
3	25	75	48	2.5	150	0.41	양호
4	50	50	48	2.5	250	0.39	양호
5	75	25	48	2.5	270	0.38	양호
6	90	10	48	2.5	298	0.36	양호
7	100	0	48	2.5	310	0.36	양호

표 1을 통해 알 수 있듯이, 금속인산염 내에서 마그네슘 인산염의 비율을 최소한으로 하는 것이 건조로의 온도를 높이는 일 없이 코팅제의 건조속도를 높여 절연이 높아짐을 예상할 수 있다.

표 1과 같은 실험을 통해 금속인산염, 콜로이달 실리카, Cr으로 구성되어 있는 장력 코팅제의 기본 성분계를 결정하고, Cr 배제시 열위되는 건조속도, 밀착성 그리고 장력 부여능을 산화 촉진제 도입에 의하여 극복할 수 있었다.

이렇게 제조된 코팅제의 경우 코팅과 강판과의 밀착성도 향상되어 코팅제 주 목적인 인장응력을 향상시키는 효과를 발휘하였으며, 밀착성이 향상됨에 의해 코팅에 의한 인장응력 향상 효과는 등록특허 제0966819호에 기재되어 있듯이, 식 (4)에 의해 확인될 수 있다.

+ Adhesion effect .........(4)

식 (4)에서 보는 바와 같이, 코팅제 건조시 800℃ 이상의 고온에서 발생되는 실리카의 연쇄반응 외에 저온에서 발생될 수 있는 성분간의 복합적인 화학반응에 의한 공고한 피막 형성 과정 및 이렇게 생성된 물질이 모재와 코팅제의 바인더 역할을 하는 금속 인산염과의 반응을 통해 접착력을 추가적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

이를 바탕으로, 본 발명에서 사용되는 콜로이달 실리카는 코팅제 소부시 열팽창 계수가 낮은 세라믹층을 형성하여 소재에 인장응력을 부여하는 작용을 하며, 그 첨가량은 인산염 용액 100g에 대하여 30~60g 투입하여야 한다.

여기에서, 수치를 한정하는 이유는 콜로이탈 실리카의 첨가량이 30g 이하인 경우는 적절한 세라믹층을 형성하지 못하여 소재에 인장응력을 부여하는 것이 부족하게 되고, 60g 이상에서는 코팅제에 고형분비가 높아져 강판의 표면품질을 저하시킨다.

따라서, 본 발명에서는 상기 콜로이달 실리카의 함유량을 상기 인산염 용액 100g에 대하여 30~60g의 범위로 제한하여야 한다.

아울러, 산화촉진제는 인산염 용액 100g에 대하여 2~15g으로 첨가되어야 한다.

이는 2g 미만으로 첨가되면 피막의 치밀성이 낮아져 내식성이 저하되고, 15g을 초과하여 첨가되면 코팅제의 점도를 증가시켜 적용성에 문제가 생기기 때문이다.

특히, 금속인산염의 경우에는 후술되는 실시예 1의 설명에서와 같이, 제1인산 마그네슘과 제1인산 알루미늄의 혼합액을 구성할 때 제1인산 마그네슘/제1인산 알루미늄의 비가 금속인산염 전체 100g 용액을 기준으로 제1인산 마그네슘 25~90g, 제1인산 알루미늄 10~75g이 혼합되어 전체 100g이 되도록 유지하는 것이 본 발명 목적을 달성하는데 가장 적합함을 확인하였고, 그에 관한 사항은 실시예1에 기술하기로 한다.

이러한 조성으로 이루어진 장력코팅제 조성물을 방향성 전기강판의 표면, 더 정확하게는 마무리 소둔된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판의 표면에 건조 피막 도포량이 0.5 ~ 6.0 g/㎡, 특히 4.0 ~ 5.0 g/㎡이 되도록 도포한 후, 550 ~ 900 ℃의 온도 범위에서 10 ~ 50 초간 가열 처리함으로써 본 발명이 목적하는 절연피막을 형성할 수 있고, 나아가 최적의 도포량인 4.0~5.0 g/㎡ 이 구현될 수 있도록 장력코팅제 조성물의 용액온도는 20±5℃로 관리되어야 한다.

여기에서, 도포량이 0.5 g/㎡ 이하일 경우 절연성이 낮아 절연 기능이 미미하며, 6.0 g/㎡ 이상일 경우 과도포에 따른 피막 건조 문제 및 피막 자중에 의한 균열로 견고한 피막을 형성하기 어렵다.

또한, 건조온도 550℃ 이하에서는 성분내의 인산염의 미건조가 의심이 되며 상대적으로 900℃ 이상에서는 성분내의 유기 에멀젼의 열화로 인한 피막 색상변화로 위의 온도조건에서 건조함을 기본으로 한다.

뿐만 아니라, 장력코팅제의 온도가 15℃ 미만으로 관리되면 점도가 증가하여 일정한 도포량을 관리하기 어렵고, 25℃를 초과하여 관리되면 코팅제의 주성분인 콜로이달 실리카의 겔화 현상이 가속화되어 표면 품질 저하를 초래하므로 상기 범위의 온도로 관리되어야 한다.

특히, 이와 같은 방법에 의해 방향성 전기강판 표면에 절연피막을 형성했을 때 이 절연피막에 의해 54mA 이하의 절연성을 얻을 수 있게 된다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예 1]

중량비로 Si: 3.1%를 함유하고, 판 두께 0.23mm 마무리 소둔 된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판(300×60mm)을 공시재로 하고, 850℃ 에서 30초 동안 건조 시키면 코팅 된 면은 코팅제에 의한 인장응력 부가로 한 쪽 방향으로 휘게 되고 이러한 휨의 정도를 측정하여 피막에 의한 장력을 평가할 수 있다.

평가방법은 다음과 같다.

SRA는 건조한 100% N2 가스분위기에 750℃, 2시간 열처리하였으며, 절연성은 300PSI 압력하에서 입력 0.5V, 1.0A의 전류를 통하였을 때의 수납 전류 값으로 나타낸 것이고, 밀착성은 SRA 전, 후 시편을 10, 20, 30 ~ 100 mmf인 원호에 접하여 180°구부릴 때 피막박리가 없는 최소원호직경으로 나타낸 것이다.

그리고, 장력코팅제의 절연과 밀착성을 향상시키기 위해 우선 건조속도를 늦추고 불완전한 건조를 초래하여 절연을 저하시키는 주요 성분인 제1인산 마그네슘(Mg(H₂PO₄)₂) 인산염 성분을 하향 조정하여 금속인산염을 제조하였다.

이렇게 제조된 코팅제를 시편에 공히 4g/㎡ 도포한 후 절연성과 코팅장력을 측정하였다. 이때, 표 1에서 보는 바와 같이 금속인산염 구성비 중 Mg 비율을 올렸을 경우 예상한 바와 같이 절연성 및 코팅장력을 저하시킨다. 이러한 이유는 앞에서 설명한 바와 같이 제1 인산 마그네슘의 경우 제 1인산 알루미늄 대비 건조속도가 느리고 따라서 코팅제의 다른 성분이 건조로에서 완벽하게 건조되는 것을 방해하여 생기는 결과이며, 아울러 코팅제와 강판간의 바인더 역할을 하는 인산염의 본래의 기능을 수행하지 못해 밀착성 및 코팅장력 저하를 가져오는 것으로 예상된다.

따라서, 표 1을 참조할 때 시편 4 조건이 현 통상 장력코팅제의 조건이므로, 현 장력 코팅제의 절연성을 강화하기 위해선 시편 1, 2, 3 조건 모두 가능하나 제 1인산 알루미늄 구성비를 지나치게 높이면 코팅 처리 후 공기중에 존재하는 습도에 민감해져 생기는 스티키성 불량이 생길 수 있다.

이에, 본 발명에서는 시편 3의 조건을 기준으로 삼았으며, 이 기준의 성분비를 바탕으로 절연성과 밀착성을 증가시키는 방법을 모색하였다.

표 2는 표 1에서 얻은 기본 성분계를 바탕으로 조막촉진제(산화촉진제)를 다양하게 적용하여 코팅제를 제조하였으며, 제조된 코팅제를 시편에 일정량 도포한 후 표면 물성을 확인하였다.

시편 번호	금속인산염(100g)		콜로이달 실리카 (g)	산화 촉진제 (2.5g)	이론적 물함량 (%)	미건조 물함량 (%)	절연성 (mA)	코팅장력 (kgf/㎟)
	Mg	Al
2-1	25	75	48	NaNO3	68.5	0.0	54	0.45
2-2				Zn(NO3)		1.5	150	0.33
2-3				Ni(NO3)		1.1	103	0.36
2-4				Sodium perborate		0.0	20	0.50
2-5				Pyridine		0.0	32	0.43
2-6				Hydroxyl amine sulfate		1.1	126	0.37
2-7				Sodium Bromate		0.9	97	0.39
2-8				Hydroxyl ammonium chloride		1.1	116	0.38
2-9				N-Cyclohexylsulfamic acid		1.5	138	0.32
통상	50	50	-	CrO3		1.9	203	0.30

표 2에서 보는 바와 같이, 조막촉진제의 종류에 따라 건조 능력이 매우 달라짐을 알 수 있다.

특히, NaNO₃, Sodium perborate, Pyridine 등을 도입하였을 경우 Cr이 함유된 일반 장력 코팅제에 대비하여 완벽한 건조를 이룰 수 있었으며, 이로 인해 절연성과 코팅에 의한 장력이 통상 조건시보다 50% 이상 향상됨을 확인할 수 있었는데, 무엇보다도 절연피막이 발휘하는 절연성은 54mA 이하로 유지됨도 확인하였다.

이때, 표 2에서 미건조 물함량이 0에 가까울수록 완벽한 건조를 의미한다.

이러한 이유는 저온상태에서 인산염의 자발적인 반응 뿐만 아니라 도입된 산화촉진제 에 의하여 식 (3)과 같은 인산염의 추가적 반응을 일으켜 반응 속도를 가속화시키고 이로 인해 밀착성이 향상된 것으로 예측된다.

이와 같은 밀착성 향상이 궁극적으로 코팅에 의한 장력 증가로 이어지며, 이는 코팅에 의한 철손 개선율 향상에도 기여할 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 방향성 전기강판의 절연피막 처리 공정에 있어 금속 인산염과 콜로이달 실리카를 주요성분으로 하는 비크롬계 방향성 전기강판 장력코팅제로서,
   상기 금속 인산염은 제1인산 마그네슘(Mg(H₂PO₄)₂)과 제1인산 알루미늄(Al(H₂PO₄)₃)이 혼합된 혼합액이고;
   상기 금속인산염 용액 100g에 대하여 콜로이달 실리카 30~60g, 산화촉진제 2~15g을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 절연성을 갖는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 금속인산염 혼합액은 제1인산 마그네슘과 제1인산 알루미늄의 비가 금속인산염 혼합액 100g을 기준으로 제1인산 마그네슘 25~90g, 제1인산 알루미늄 10~75g이 혼합되어 전체 100g이 되게 조성되는 것을 특징으로 하는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 산화촉진제는 NaNO₃, Sodium perborate, Pyridine 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물.
   
4. 방향성 전기강판에 절연피막을 형성하는 방법에 있어서;
   마무리 소둔 된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판의 표면에 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 기재된 장력코팅제 조성물을 0.5 ~ 6.0 g/㎡ 범위에 걸쳐 도포하고, 550~900℃에서 10~50초간 가열 처리하여 절연피막을 형성한 것을 특징으로 하는 건조속도 및 절연성이 우수한 비크롬계 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 이용한 절연피막 형성방법.
   
5. 마무리 소둔 된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판의 표면에 청구항 4에 기재된 방법으로 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 있어서;
   상기 절연피막은 54mA 이하의 절연성을 갖는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.