KR101626598B1 - 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법 - Google Patents

Abstract

방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 1차 재결정 형성 전(후)의 방향성 전기강판 표면에 강판 두께의 4~10%의 깊이를 갖는 홈 형성 시, 홈 형성 효율(레이저 에너지 밀도 대비 홈 형성 깊이, 주사선 속도 대비 홈 형성 깊이)을 극대화 하기 위해, 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 빔의 주파수를 강판의 공진 주파수와 일치시킴으로써, 보다 낮은 에너지 밀도와 높은 주사선 속도에서 깊은 홈을 형성함으로써 철손 개선 특성을 나타낸다.

Description

방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법{METHOD FOR REFINING MAGNETIC DOMAIN OF ORIENTED ELECTRICAL STEEL}

본 발명은 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 조사로 표면 홈 형성시 홈 형성 효율을 극대화 하기 위해 레이저의 에너지 밀도를 최소화시켜 홈 깊이를 극대화시켜 철손을 개선시킴으로써 열처리후 철손 개선효과를 유지함으로 1차 재결정 전, 후의 방향성 전기강판 공정에 적용 가능한 철손 개선율을 극대화시킨 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법에 관한 것이다.

방향성 전기강판은 압연방향으로 자화용이축의 집합조직을 발달시킴으로써 변압기 등의 전기기기의 에너지 변환용 철심재료로 사용된다. 변압기 적용 시 전력손실을 줄여 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는 철손이 낮고 자속밀도 특성이 우수한 강판이 요구된다.

일반적으로, 방향성 전기강판은 열연, 냉연과 소둔공정을 통해 압연방향으로 {110}<001> 방향으로 배향된 집합조직(일명 “Goss Texture” 라고도 함)을 갖고 있는 재료를 말한다. 이러한 방향성 전기강판에 있어서 {110}<001> 방향은 철의 자화용이축 방향으로 배향된 정도가 높을수록 자기적 특성이 우수하다.

방향성 전기강판의 자기적 특성을 향상시키기 위한 목적으로 자구 폭을 감소시키는 자구미세화 방법이 이용되고 있다. 자구미세화 방법은 응력제거 소둔 후에도 자구미세화 개선효과 유지 유, 무에 따라 일시 자구미세화 방법과 영구 자구미세화 방법으로 구분할 수 있다.

레이저 조사시 표면의 용융(혹은 기화) 혹은 용융과 기화를 동반하여 홈을 형성하는 자구미세화 방법은 강판에 형성되는 홈 깊이 변화에 따라 영구 혹은 일시 자구미세화 효과를 발현할 수 있다. 영구 자구미세화 기술에 있어서 강판 표면에 홈을 형성시키는 효율(임의의 홈 깊이 형성에 필요한 레이저 출력 및 주사속도)을 향상시키기 위해서 표면에 코팅을 하거나 레이저 조사시 매질의 환경(분위기 가스 등)을 변화시키는 방법 등이 있다.

특히, 표면에 코팅 혹은 도포 하는 방법은 코팅(도포)에 필요한 유(무)기물 재료와 코팅 (도포)기가 필요함으로 공정이 복잡한 단점이 있다. 또한, 레이저 조사시 조사부에 분위기 가스 등을 사용하는 방법은 분위기 가스 공급장치 등이 필요하기 때문에 비용이 부가됨으로 인한 원가상승을 초래하는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 레이저 조사로 판 두께의 10% 이내 깊이로 강판 표면에 홈을 형성시키는 경우, 홈을 형성시키는 레이저의 에너지밀도를 감소시킴으로써 고속주사를 가능하게 한 고효율 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 1차 재결정 형성 전(후)의 방향성 전기강판 표면에 강판 두께의 4~10%의 깊이를 갖는 홈 형성 시, 홈 형성 효율(레이저 에너지 밀도 대비 홈 형성 깊이, 주사선 속도 대비 홈 형성 깊이)을 극대화 하기 위해, 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 빔의 주파수를 강판의 공진 주파수와 일치시킴으로써, 보다 낮은 에너지 밀도와 높은 주사선 속도에서 깊은 홈을 형성함으로써 철손 개선 특성을 나타내는 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법이 제공될 수 있다.

상기 강판의 공진 주파수와 일치되는 상기 레이저 빔의 주파수는 최종 강판에 입사되는 최종 레이저 빔의 주파수일 수 있다.

상기 레이저 발진기는 연속발진 및 펄스(Pulsed) 발진 형태와는 무관하고, 빔 단면 방향의 에너지 세기가 가우시안(Gaussian mode) 에너지 분포 및 비가우시안 에너지 분포를 갖는 레이저를 모두 포함할 수 있다.

상기 강판에 형성되는 최종 빔의 압연방향 폭은 0.010mm 이상 0.2mm 이하로 형성될 수 있다.

본 발명의 구현예에 따르면, 레이저 조사시 강판 표면 홈 깊이를 극대화하기 위해, 레이저 조사 대상재인 강판의 공진주파수를 레이저 최종 빔의 공진주파수와 일치시킴으로써 열처리 유무와 관계없이 철손 특성이 개선되는 저철손 방향성 전기강판 자구미세화 제품을 제조하는 것이 가능하다.

도 1은 강판 표면의 레이저 조사에 의한 홈 형성의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 강판 표면의 레이저 조사에 의한 홈 형성의 개략적인 구성도이다.

본 발명의 일 구현예에 따른 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법은, 1차 재결정 형성 전(후)의 방향성 전기강판 표면에 강판(1) 두께의 4~10%의 깊이를 갖는 홈(3) 형성 시, 홈 형성 효율(레이저 에너지 밀도 대비 홈 형성 깊이, 주사선 속도 대비 홈 형성 깊이)을 극대화 하기 위해,

레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 빔(10)의 주파수를 강판(1)의 공진 주파수와 일치시킴으로써, 보다 낮은 에너지 밀도와 높은 주사선 속도에서 깊은 홈(3)을 형성함으로써 철손 개선 특성을 나타낼 수 있다.

상기 강판(1)의 공진 주파수와 일치되는 상기 레이저 빔(10)의 주파수는 최종 강판에 입사되는 최종 레이저 빔의 주파수일 수 있다.

상기 레이저 발진기는 연속발진 및 펄스(Pulsed) 발진 형태와는 무관하고, 빔 단면 방향의 에너지 세기가 가우시안(Gaussian mode) 에너지 분포 및 비가우시안 에너지 분포를 갖는 레이저를 모두 포함할 수 있다.

상기 강판(1)에 형성되는 최종 빔의 압연방향 폭은 0.010mm 이상 0.2mm 이하로 형성될 수 있다.

본 발명은 연속발진(continuous wave) 혹은 펄스형태의 발진 방식과 관계없이 레이저 발진기의 발진 주파수를 강판의 공진 주파수와 일치시킴으로써 보다 낮은 에너지 밀도에서 홈을 형성시킬 수 있는 홈 깊이 극대화 고효율 자구미세화 기술이다.

강판 표면 홈 형성 시 보다 낮은 출력과 높은 주사속도로 홈을 형성시킴으로써 철손 개선특성을 확보하기 위해서는,

첫째, 강판 표면에 홈을 형성시키는 형성기구 (용융 혹은 기화)와는 무관하다. 다만, 강판(1)에 형성되는 최종 빔의 압연 방향 폭은 0.010mm 이상 0.2mm 이하로 하는 것이 바람직하다.

최종 빔의 압연 방향 폭이 10㎛ 미만이 되는 경우, 홈 하부 혹은 측부에 용융물의 트랩(Trap) 발생 빈도가 증가하게 되고 최종 빔의 압연 방향 폭이 200㎛ 보다 크게 되면 용융시 발생하는 열영향이 급격이 증가하여 소둔 및 열처리시 재결정에 영향을 미치게 됨에 따라 철손 및 자속밀도 특성이 열화되는 단점이 있기에 바람직하지 않다.

둘째, 레이저 발진기로부터 레이저 빔(10) 조사 시 레이저 빔 주파수를 강판의 공진 주파수와 일치시키는 것이 필요하다. 강판의 공진 주파수는 화학성분, 미세조직 및 치수변화에 따라 변화될 수 있기에 공진주 파수 범위를 한정하는 것은 한계가 있다.

공진 주파수는 주파수 변화시 강판(1)의 변위가 최대값으로 나타나는 값이나, 주파수에 따라 변위값이 변화하기 때문에 최대 변위값과 최대값 보다 낮은 변위값까지를 공진주파수라고 정의한다.

따라서, 좁게는 레이저 발진기의 발진 주파수를 공진주 파수와 일치하는 것을 의미하며, 보다 정확하게는 최종 강판에 입사되는 레이저 빔(10)의 주파수를 강판(1)의 공진 주파수와 일치시키는 것을 의미한다.

이때, 레이저 발진기에서 조사된 레이저 빔(10)이 강판(1) 표면에 입사할 때까지 레이저 빔의 주파수를 변화시킬 수 있는 기구적인 영향을 포함한다. Si 함량이 3.0~3.6% 범위의 방향성 전기강판의 폭 900~1300mm의 공진주파수는 1.5 ~ 8.0kHz 구간이기에, 레이저 발진기의 발진 주파수는 상기 범위의 공진 주파수에서 동작시키는 것이 바람직하다.

셋째, 강판 표면에 절연 및 장력인가 목적으로 한 코팅물질이 존재할 경우, 레이저 빔 조사시 강판(1)에 형성되는 홈 깊이(D_H)는 공진 주파수에 의한 홈 깊이 영향과 레이저 흡수율 변화에 의한 홈 깊이 영향의 합으로 나타나게 된다.

따라서, 과도한 코팅두께로 판의 밀도변화를 일으킬 경우 강판의 공진 주파수는 코팅이 없는 판과 다소 상이할 수 있다.

본 발명은 전기강판 표면에 강판 두께의 4% 이상~10% 이하 깊이 홈(3)을 강판 압연(길이)방향에 대해 ±82~±98°로 홈 형성 시 판에 형성되는 홈 깊이를 발진 주파수와 강판의 공진 주파수를 일치시킴으로써 보다 낮은 에너지밀도와 높은 주사선속도에서 홈을 형성시킴으로써 보다 효율적으로 철손 개선 특성을 확보 하고자 함이다.

레이저 빔(10) 조사로 강판(1) 표면에 형성되는 홈의 깊이(D_H)는 강판 두께의 4t%≤D≤10t%(t: 강판 두께) 이어야 한다. 상기 홈 깊이가 4% 미만의 경우 열처리후 자구미세화 효과가 2% 이하로 미미하며, 10% 이상에서는 열처리 시 재결정 형성에 영향을 미치기 때문에 철손특성이 열화 되기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에서 사용한 전기강판 두께는 0.27mm 이고 연속파 레이저에 의해 압연 폭 방향에서 ±3.0° 방향으로 레이저 빔을 조사하였고, 폭 방향으로 3~8개 구간으로 나누어서 레이저 빔을 조사함으로써 사선형태의 홈을 판 표면에 형성시켰다. 레이저 조사시 레이저 발진기의 주파수는 0.27mm 강판의 공진 주파수로 나타나는 6.5kHz로 일치시켰다. 레이저 에너지 밀도 조정 시 레이저의 출력은 900W, 주사속도는 17m/s로 하기의 [표 1]과 같이 변화시킴으로써 철손 특성을 확보할 수 있었다.

[표 1]은 본 발명의 실시예(레이저 발진기의 주파수를 강판의 공진 주파수와 동일하게 조정한 경우)와 종래기술(레이저 발진기의 주파수를 강판의 공진 주파수와 동일하게 조정하지 않은 경우)에 따른 철손 개선율을 비교한 것이다.

[표 1]

* 레이저 발진기 주파수는 강판의 공진 주파수(6.5kHz)와 동일하게 조정하였으며, 본 발명과 비교예의 강판에 형성되는 최종빔은 동일함.

여기서, W17/50은 자속밀도의 값이 1.7 Telsa 일 때 주파수가 50Hz인 경우의 철손 값을 나타낸 것이다.

1: 강판
3: 홈
10: 레이저 빔
D_H:홈 깊이

Claims (4)

1차 재결정 형성 전 또는 1차 재결정 형성 후의 방향성 전기강판 표면에 강판 두께의 4~10%의 깊이를 갖는 홈 형성 시, 홈 형성 효율(레이저 에너지 밀도 대비 홈 형성 깊이 또는 주사선 속도 대비 홈 형성 깊이)을 극대화 하기 위해, 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 빔의 주파수를 강판의 공진 주파수와 일치시킴으로써, 설정된 에너지 밀도와 설정된 주사선 속도에서 깊은 홈을 형성함으로써 철손 개선 특성을 나타내는 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법.

제1항에 있어서,
상기 강판의 공진 주파수와 일치되는 상기 레이저 빔의 주파수는 최종 강판에 입사되는 최종 레이저 빔의 주파수인 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법.

제2항에 있어서,
상기 레이저 발진기는 연속발진 및 펄스(Pulsed) 발진 형태와는 무관하고, 빔 단면 방향의 에너지 세기가 가우시안(Gaussian mode) 에너지 분포 및 비가우시안 에너지 분포를 동시에 갖는 레이저를 포함하는 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법.

제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 강판에 형성되는 최종 빔의 압연방향 폭은 0.010mm 이상 0.2mm 이하로 형성되는 방향성 전기 강판의 자구 미세화 방법.

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