KR101580837B1 - 방향성 전자 강판 - Google Patents

Abstract

자구(磁區;magnetic domain) 세분화 처리에 의해 철손(鐵損)을 저감시킨 방향성 전자(電磁) 강판에 있어서, 변압기의 철심 등에 적층하여 사용한 경우에 당해 철심이 발생하는 소음의 저감을 가능하게 하는 방도에 대해서 제안한다. 강판의 압연 직각 방향과 이루는 각도가 30° 이내의 방향으로 연장되는 선 형상의 변형을, 당해 강판의 압연 방향으로 주기적으로 갖고, 철손 W_{17 /50}이 0.720W/㎏ 이하 및 자속(磁束) 밀도 B₈이 1.930T 이상인 방향성 전자 강판에 있어서, 상기 변형 부분에 발생한, 환류 자구가 차지하는 체적을, 강판 중의 전체 자구 체적의 1.00％ 이상 3.00％ 이하로 한다.

Description

방향성 전자 강판{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET}

본 발명은, 변압기 등의 철심 재료에 적합한 방향성 전자(電磁) 강판에 관한 것이다.

방향성 전자 강판은, 주로 변압기의 철심으로서 이용되고, 그 자화(磁化) 특성이 우수한 것, 특히 철손(鐵損;iron loss)이 낮은 것이 요구되고 있다.

그러기 위해서는, 강판 중의 2차 재결정립을 (110)[001] 방위(고스 방위(Goss orientation))에 고도로 일치시키는 것이나 제품 중의 불순물을 저감하는 것이 중요하다. 또한, 결정 방위의 제어나 불순물의 저감에는 한계가 있는 점에서, 강판의 표면에 대하여 물리적인 수법으로 불균일성을 도입하고, 자구(磁區;magnetic domain)의 폭을 세분화하여 철손을 저감하는 기술, 즉 자구 세분화 기술이 개발되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 최종 제품판에 레이저를 조사하고, 강판 표층에 고(高)전위 밀도 영역을 도입함으로써, 자구폭을 좁게 하여 철손을 저감하는 기술이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 전자빔의 조사에 의해 자구폭을 제어하는 기술이 제안되어 있다.

일본공고특허공보 소57-2252호 일본공고특허공보 평06-072266호

그런데, 최근에는, 변압기의 철심으로서 적층했을 때에 발생하는, 소음이 작은 것도 강하게 요구되고 있다. 특히, 상기한 자구 세분화에 의해 저(低)철손을 실현한 방향성 전자 강판을 변압기의 철심에 제공했을 때의, 변압기의 소음을 억제하는 것이 요망되고 있었다.

그래서, 본 발명은, 자구 세분화 처리에 의해 철손을 저감시킨 방향성 전자 강판에 있어서, 변압기의 철심 등에 적층하여 사용한 경우에 당해 철심이 발생하는 소음의 저감을 가능하게 하는 방도에 대해서 제안하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 변압기의 소음은, 전자 강판이 자화했을 때에 발생하는 자왜(磁歪; magnetostriction) 거동이 주된 원인이다. 예를 들면, 3질량％ 정도의 Si를 함유하는 전자 강판에 있어서는, 자화한 방향으로 강판이 신장하는 것이 일반적이다.

그런데, 연속 레이저 혹은 전자빔 등으로 강판의 압연 방향에 대하여, 직교 방향 혹은 직교 방향으로부터 일정한 각도를 가진 선 형상의 변형을 부여하면, 이 변형 부분에 환류 자구(closure domain)가 발생한다. 이 강판 중의 환류 자구가 일절 존재하지 않고, 또한 강판의 자구 구조가 압연 방향을 향하는 180° 자구만으로 구성되는 이상적인 경우, 강판을 자화했을 때의 자구 구조의 변화는, 이미 자왜에 의해 압연 방향으로 완전히 신장한 180° 자구의 자벽(磁壁) 이동만으로 완결되고, 그렇기 때문에 자왜의 변화에 의한 강판의 신축은 발생하지 않는다. 그러나, 강판 중에 환류 자구가 존재하면, 강판을 자화했을 때의 자구 구조의 변화는, 180° 자구의 자벽 이동에, 환류 자구의 생성·소멸이 더해진다. 여기에서, 환류 자구는 판폭 방향으로 신장하기 때문에, 환류 자구의 생성·소멸에 의해 강판은 압연 방향 및 판폭 방향·판두께 방향으로의 자왜의 변화에 의한 신축을 나타낸다. 따라서, 강판 중의 환류 자구의 양이 상이하면, 자화에 의해 발생하는 자왜 및, 변압기 철심으로서 적층했을 때의 소음도 변화하는 것을 생각할 수 있다.

그래서, 발명자들은 강판 중에 포함되는 환류 자구의 체적분율에 착안하여, 철손 및 변압기의 소음에 미치는 영향을 조사했다.

우선, 강판의 자속(磁束) 밀도 B₈과 소음과의 관계에 대해서 조사했다. 즉, 180° 자구 내에서 자화가 압연 방향으로부터 어긋나 있으면, 전자 강판을 자화했을 때에 포화 자화 부근에서 자화의 회전이 발생한다. 이러한 회전은 압연 방향 및 판폭 방향의 신축을 크게 하여, 자왜의 증대로 연결되기 때문에, 변압기 철심에 있어서의 소음의 관점에서는 불리하다. 이 점에서, 결정립의 [001] 방위가 압연 방향으로 집적한 고배향성의 것이 유리하고, 발명자들은 B₈≥1.930T일 때에, 자화의 회전에 의한 변압기 철심의 소음 증대가 억제되는 것을 발견했다.

다음으로, 환류 자구의 체적분율에 대해서 서술한다. 강판의 압연 방향에 발생하는 자왜의 요인은, 앞서 서술한 바와 같이 환류 자구의 발생이다. 이 환류 자구가 존재하면, 환류 자구 중의 자화는 180° 자구의 자화와는 직교한 방향을 갖기 때문에, 강판은 수축되게 된다. 환류 자구가 체적분율로 하여 ξ로 존재할 때, 환류 자구가 없는 상태에 대한 압연 방향의 자왜 변화는, λ₁₀₀ξ에 비례한다. 여기에서, λ₁₀₀은 [100] 방향의 자왜 정수 23×10^-6이다.

또한, 이상적인 전자 강판은 모든 결정립의 [001] 방위가 압연 방향과 평행, 또한 180° 자구의 자화도 압연 방향과 평행하게 되지만, 현실적으로는 결정립의 방위는 압연 방향으로부터의 어긋남각을 갖는다. 그 때문에, 압연 방향으로의 자화에 의해 180° 자구의 자화 회전이 발생하여, 압연 방향의 자왜가 발생한다. 이때, 180° 자구의 자화가 압연 방향과 평행인 경우에 대하여, 자화 회전에 의한 압연 방향의 자왜 변화는 λ₁₀₀(1－cos²θ)에 비례한다. 강판을 여자(excitation)하여 압연 방향의 자왜를 측정하면, 상기 2개의 요인이 혼재된 것이 관측된다. 여기에서, B₈≥1.930T일 때, 결정립의 [001] 방위의 어긋남은 압연 방향에 대하여 4° 이하이지만, 자화 회전에 의한 자왜로의 기여는 (6×10^-4)λ₁₀₀ 이하로서, 3％ Si를 포함하는 전자 강판의 자왜에 비하여 매우 작다. 따라서, 소음 특성이 우수한 B₈≥1.930T인 강판에 있어서는, 자왜의 요인으로서 자화의 회전은 무시할 수 있어, 환류 자구의 체적분율의 변화에 의해서만 지배되고 있다고 생각해도 지장없다. 따라서, 압연 방향의 자왜를 측정함으로써, 환류 자구의 체적분율을 평가할 수 있다.

그런데, 환류 자구의 체적분율을 구하기 위해서는, 강판 중에 환류 자구가 전혀 없는 상태와 최대량의 환류 자구가 발생하고 있는 상태를 비교할 필요가 있다. 그러나, 종래의 자왜 평가에서는 강판을 자기 포화시키는 일 없이 측정을 행하고 있고, 이러한 상태에서는 강판 중의 환류 자구가 잔존하고 있어, 환류 자구의 체적분율을 올바르게 평가할 수 없다. 그래서, 발명자들은, 포화 자속 밀도하에서의 자왜 측정으로부터, 환류 자구의 체적분율을 평가했다. 포화 자속 밀도하에서는 강판의 자구는 모두 180° 자구로 되어 있고, 교류 자장에 의해 자속 밀도가 0(제로)에 가까워지면 환류 자구가 발생하여 자왜가 발생한다. 이때의 자왜의 최대값과 최소값과의 차 λ_P-P를 이용하여, 이하의 식 (A)로 환류 자구의 체적분율 ξ를 구했다.

이어서, 강판의 환류 자구의 체적분율을 계산하고, 단판 자기 시험기(SST)에 의한 W_{17 /50}의 측정과 변압기 철심의 소음 측정을 실시했다. 이들 측정 결과를, 도 1에 정리하여 나타낸다. 환류 자구의 체적분율은 상기 방법을 이용하여 계산하고, 압연 방향의 자왜 측정은, 주파수 50㎐ 및 포화 자속 밀도하에서 레이저 도플러 진동계를 이용하여 행했다. W_{17 /50}은 주파수 50㎐, 최대 자속 밀도 1.7T에 있어서의 철손이다. 또한, 변압기 철심의 여자 조건은 주파수 50㎐, 최대 자속 밀도 1.7T이다. 시료는, 판두께 0.23㎜의 방향성 전자 강판에서, B₈≥1.930T를 충족하는 것이다. 변형을 도입하는 방법은, 레이저빔의 출력 100W, 주사 속도 10m/s, 강판 표면에 있어서의 빔 지름을 변화시킨 여러 가지의 조건으로, 강판 표면에 연속 레이저빔을 조사했다.

또한, 빔 지름을 변화시키는 방법으로서는, 강판 표면 상에서 레이저빔을 조사하고 싶은 점 및 그 주변 영역에 레이저를 수속(收束)시키기 위한, 집광 렌즈에 입사하는 레이저빔의 지름을 변화시킴으로써 대응했다. 이에 따라, 발명자들은 빔 지름을 확대해 가면, 시료에 도입되는 환류 자구의 체적분율은 저하되고, 그에 수반하여 철심의 소음도 감소해 가는 것을 발견했다.

한편으로, W_{17 /50}은 빔 지름이, 레이저 조사 장치로 가능한 빔 지름의 최소값에 가까운 부분에서 최소가 되고, 빔 지름을 확대하면, W_{17 /50}은 열화되는 경향이 있는 것이 판명되었다. 특히, 빔 지름의 확대에 의해 환류 자구의 체적분율이 1.00％ 미만이 되면, W_{17 /50}은 0.720W/㎏보다도 열화되어, 양호한 자기 특성이 얻어지지 않게 되었다. 빔 지름 확대에 의한 환류 자구의 체적분율 저하는, 강판에 도입된 변형의 감소를 의미하는 점에서, 이러한 자기 특성의 열화는 자구 세분화 효과가 희미해졌기 때문이라고 생각된다.

이상의 결과로부터, 발명자들은 B₈이 우수하고, 또한 도입된 변형의 양을, 변형 부분에 발생하는 환류 자구의 체적분율로 하여 1.00％ 이상 3.00％ 이하의 범위로 함으로써, 변압기 철심 등으로서 적합한 소음 특성 및 자기 특성이 우수한 방향성 전자 강판을 제공하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 요지 구성은, 다음과 같다.

(1) 강판의 압연 직각 방향과 이루는 각도가 30° 이내의 방향으로 연장되는 선 형상의 변형을, 당해 강판의 압연 방향으로 주기적으로 갖고, 철손 W_{17 /50}이 0.720W/㎏ 이하 및 자속 밀도 B₈이 1.930T 이상인 방향성 전자 강판으로서, 상기 변형 부분에 발생한, 환류 자구가 차지하는 체적이, 강판 중의 전체 자구 체적의 1.00％ 이상 3.00％ 이하인 것을 특징으로 하는 소음 특성이 우수한 방향성 전자 강판.

(2) 상기 선 형상의 변형이, 연속 레이저빔의 조사에 의해 도입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 방향성 전자 강판.

(3) 상기 선 형상의 변형이, 전자빔의 조사에 의해 도입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 방향성 전자 강판.

본 발명에 의하면, 변형 부여를 이용하여 철손이 저감된, 방향성 전자 강판을 적층한 변압기에 있어서, 보다 낮은 소음을 달성할 수 있는 것이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명에 있어서의 환류 자구의 체적분율에 대해서 적합한 범위를 나타내는 것이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

우선, 변압기 소음 즉 강판의 자왜 진동에 관해서는, 소재 결정립의 자화 용이축으로의 집적도가 높을수록 진동 진폭이 작아지는 점에서, 소음 억제에는 자속 밀도 B₈로 1.930T 이상인 것이 필요하다. 자속 밀도 B₈이 1.930T 미만인 경우, 자화 과정에 있어서 자화를 여자 자계(excitation magnectic field)와 평행하게 하기 위해 자구의 회전 운동이 필수가 되지만, 이러한 자화 회전은 큰 자왜의 변화를 발생하여 변압기 소음을 증대시킨다.

또한, 부여하는 변형의 방향이나 간격 혹은 영역을 바꾸면, 얻어지는 철손 저감 효과가 변화한다. 적절한 변형 부여가 이루어지지 않는 경우, 철손이 충분히 저감되지 않아 양호한 자기 특성이 얻어지지 않거나, 환류 자구의 체적분율을 제어해도 자왜가 감소하지 않아 변압기 소음을 억제할 수 없는 경우가 있다. 그래서, 변형이 적절하게 부여되고, 철손 W_{17 /50}이 0.720W/㎏ 이하인 강판을 사용함으로써, 환류 자구의 제어에 의한 소음 저감 효과를 얻을 수 있게 된다.

다음으로, 변형을 도입하는 방법으로서는, 연속 레이저빔 조사나 전자빔 조사 등이 적합하다. 조사 방향은 압연 방향을 가로지르는 방향, 적합하게는 압연 방향에 대하여 60°∼90°의 방향(압연 직각 방향과 이루는 각도가 30° 이내의 방향)이며, 이 조사를 압연 방향으로 3∼15㎜ 정도의 간격으로 행한다. 변형의 도입량은 포화 자속 밀도를 부여하는 교번(alternating) 자장하에서 압연 방향의 자왜를 측정하고, 상기한 식 (A)에 의해 환류 자구의 체적분율을 계산함으로써 평가할 수 있다. 자왜의 측정은 전자 강판 단판을 준비하고, 레이저 도플러 진동계 혹은 변형 게이지(strain gauge)를 이용한 방법으로 측정하는 것이 바람직하다.

여기에서, 연속 레이저빔을 이용하는 경우의 조사 조건은, 빔 지름이 0.1㎜∼1㎜, 파워 밀도는 주사 속도에 의존하지만, 100∼10000W/㎟의 범위가 바람직하다. 레이저빔의 집광 지름에 대해서는, 레이저 조사 장치의 기기 구성으로 결정되는 최소 지름이 0.1㎜ 이하가 되는 바와 같은 가는 빔을 그대로 직접 강판 표면에 조사하면, 변형의 도입량이 커지고, 환류 자구의 체적분율도 커져, 변압기 철심에 있어서의 소음이 증대해 버린다. 따라서, 레이저 수속용의 집광 렌즈에 입사하는 레이저빔의 지름을 변화시킴으로써, 환류 자구의 체적분율을 조정한다. 예를 들면, 강판 표면에 있어서의 빔 지름을 최소 지름의 2배 정도로 크게 한 조건으로 조사하는 것이 바람직하다. 또한, 집광 지름이 지나치게 커지면, 자구 세분화 효과가 희미해져, 철손의 개선이 억제되어 버리기 때문에, 집광 지름의 확대는 5배 정도까지 한정시키는 것이 바람직하다. 여기원(excitation sources)으로서는 반도체 레이저 여기의 파이버 레이저 등이 유효하다.

한편, 전자빔을 이용하는 경우의 조사 조건은, 가속 전압 10∼200㎸, 빔 전류 0.005∼10㎃가 바람직하다. 여기에서, 빔 전류량을 조정함으로써, 환류 자구의 체적분율을 조정할 수 있다. 가속 전압에도 의존하지만, 전류가 이 범위를 상회하면, 변형의 도입량이 커져 변압기 철심에 있어서의 소음이 증대된다.

또한, 방향성 전자 강판은, 철손 W_{17 /50}이 0.720W/㎏ 이하 및 자속 밀도 B₈이 1.930T 이상의 특성을 갖고 있으면 특별히 성분 조성은 묻지 않지만, 예를 들면 질량％로, C: 0.002∼0.10％, Si: 1.0∼7.0％ 및 Mn: 0.01∼0.8％를 포함하고, 추가로 Al: 0.005∼0.050％, N: 0.003∼0.020％, Se: 0.003∼0.030％ 및 S: 0.002∼0.03％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 성분 조성이 적합하다.

실시예 1

질량％로, C: 0.07％, Si: 3.4％ 및 Mn: 0.12％, Al: 0.025％, Se: 0.025％ 및 N: 0.015％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강(綱) 슬래브를 연속 주조에서 제조하고, 이 슬래브를 1400℃로 가열하고 나서 열간 압연을 행하여 열연판으로 하고, 이 열연판에 열연판 어닐링을 행한 후, 중간 어닐링을 사이에 끼우는 2회의 냉간 압연을 행하여, 최종 판두께 0.23㎜의 방향성 전자 강판용 냉연판을 얻었다. 이어서, 이 방향성 전자 강판용 냉연판을, 탈탄, 1차 재결정 어닐링한 후, MgO를 주성분으로 한 어닐링 분리제를 도포하고, 2차 재결정 과정과 순화 과정을 포함하는 최종 어닐링을 행하여, 포스테라이트 피막(forsterite film)을 갖는 방향성 전자 강판을 얻었다. 그리고, 이 방향성 전자 강판에 60％의 콜로이달 실리카와 인산 알루미늄으로 이루어지는 절연 코트를 도포하고, 800℃에서 베이킹(baking)했다. 이어서, 압연 방향과 직각으로 연속 파이버 레이저를 조사하는 자구 세분화 처리를 행했다. 레이저 조사에 대해서는, 레이저 평균 출력 100W, 빔의 주사 속도 10m/s로 하고, 강판 표면에서의 빔 지름을 바꾼 여러 가지의 조건을 적용했다. 얻어진 시료의 SST 측정기에 의한 W_{17 /50} 측정을 행함과 함께, 폭 100㎜ 및 길이 280㎜의 장방형으로 선단하고, 레이저 도플러 진동계를 이용하여 압연 방향의 자왜를 측정하여, 상기한 식 (A)에 따라 강판 중의 환류 자구의 체적분율을 산출했다. 또한, 시료를 폭 100㎜의 사각재(bevel-edged material)로 하고, 두께 15㎜로 적층하여 3상(three-phase) 변압기 철심을 제작하고, 콘덴서 마이크로폰을 사용하여 최대 자속 밀도 1.7T, 주파수 50㎐에 있어서의 소음을 측정했다. 그때, 청감 보정(frequency weighting)으로서 A스케일 보정을 행하고 있다.

계측된 변압기 철심의 소음을, 레이저빔의 포커스 및 강판 표면에서의 빔 지름의 조건이나, 강판의 B₈ 및 환류 자구의 체적분율의 산출 결과와 아울러, 표 1에 나타낸다. 동(同) 표로부터 분명한 바와 같이, B₈≥1.930T로, 환류 자구의 체적분율이 지정의 범위 내에 있는 강판에서는 변압기 철심의 소음이 36㏈A보다도 낮고, W_{17 /50}도 0.720W/㎏ 이하의 양호한 특성이 얻어지고 있다.

한편으로, 빔 지름이 지나치게 가는 영역에서는 환류 자구의 체적분율이 발명 범위로부터 어긋나 있어, 소음도 열화되어 있다. 또한, 빔 지름이 지나치게 굵으면, 환류 자구의 체적분율은 발명 범위 내에서 또한 소음 특성도 양호하지만, W_{17 /50}이 높아진다. 또한, 환류 자구의 체적분율이 발명 범위 내에 있고, 또한 철손도 양호한 것이라도, B₈이 1.930T보다 낮은 강판에서는 변압기 철심의 소음이 열화 되어 있다. 이로부터, 변압기 철심 등으로서 적합한 방향성 전자 강판이기 위해서는, 자속 밀도 B₈, 철손 W_{17 /50} 및 환류 자구의 체적분율의 3개가 모두 발명의 범위에 들어가는 것이 중요하다.

실시예 2

실시예 1에서 레이저빔 조사에 이용한 레이저 조사 전의 전자 강판과 동일한 시료에, 가속 전압 60㎸, 빔 속도 30m/s의 조건하에서 빔 전류를 바꾼 여러 가지의 조건의 전자빔을 조사했다. 얻어진 시료를 실시예 1와 동일하게 하여, 강판 중의 환류 자구의 체적분율, W_{17 /50} 및 변압기 철심의 소음을 측정했다.

계측된 변압기 철심의 소음을, 빔 전류, B₈, 환류 자구의 체적분율과 아울러 표 2에 정리했다. 전자빔에 있어서도, B₈≥1.930T 또한, 빔 전류를 내려 환류 자구의 체적분율이 지정의 범위 내에 있는 것은, 소음이 36㏈A 이하로 저소음화되어 있다.

한편, 전류 밀도를 올린 조건에서는, 환류 자구의 체적분율이 발명 범위를 상회한 결과, 소음이 증대되고, 전류 밀도를 내리면, 환류 자구의 체적분율이 발명 범위를 하회하여 W_{17 /50}이 열화되었다. 또한, 환류 자구의 체적분율이 발명 범위 내, 또한 W_{17 /50}이 0.720W/㎏ 이하라도, B₈＜1.930T인 것에 대해서는 소음이 36㏈A보다 커져 있어, 전자빔 조사에 있어서도, 자속 밀도 B₈, 철손 W_{17 /50} 및 환류 자구의 체적분율의 3개가 모두 발명의 범위에 들어감으로써, 비로소 자기 특성과 소음 특성을 양립할 수 있다.

Claims (3)

1. 강판의 압연 직각 방향과 이루는 각도가 30° 이내의 방향으로 연장되는 선 형상의 변형을, 당해 강판의 압연 방향으로 주기적으로 갖고, 철손(鐵損) W_{17 /50}이 0.720W/㎏ 이하 및 자속(磁束) 밀도 B₈이 1.930T 이상인 방향성 전자(電磁) 강판으로서, 상기 변형 부분에 발생한, 환류 자구(磁區)가 차지하는 체적이, 강판 중의 전체 자구 체적의 1.00％ 이상 3.00％ 이하인 것을 특징으로 하는 소음 특성이 우수한 방향성 전자 강판.
2. 제1항에 있어서,
   상기 선 형상의 변형이, 연속 레이저빔의 조사에 의해 도입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.
3. 제1항에 있어서,
   상기 선 형상의 변형이, 전자빔의 조사에 의해 도입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.

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