KR102639341B1

KR102639341B1 - 방향성 전기강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102639341B1
Application number: KR1020217041294A
Authority: KR
Inventors: 요시히사 이치하라; 다케시 오무라; 구니히로 센다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2024-02-21
Also published as: WO2020255552A1; US11866796B2; CA3143693A1; CA3143693C; JPWO2020255552A1; MX2021015737A; CN114026258B; EP3985134A1; KR20220009449A; US20220298599A1; EP3985134A4; CN114026258A; JP7031752B2

Abstract

저철손과 저자왜를 양립시키는 방향성 전기강판을, 그 유리한 제조 방법과 함께 제공한다. 압연 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 선상 변형부를 구비하는 방향성 전기강판으로 하고, 상기 선상 변형부는, 압축 응력역과 인장 응력역이, 그 선상 변형부의 길이 방향으로 교대로 배열되는 응력 분포를 갖는다. 또, 상기 선상 변형부는, 상기 강판의 표면에, 전자빔의 조사를, 상기 강판의 압연 방향을 횡단하는 방향으로의 이동 및 정류를 반복하여 실시할 때에, 상기 강판에 판두께 방향의 진동을 부여함으로써 형성한다.

Description

방향성 전기강판 및 그 제조 방법{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은 변압기 등의 철심 재료로서 바람직한 방향성 전기강판 및, 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 에너지 절약·환경 규제의 관점에서, 변압기에 있어서의 에너지 손실의 저감, 및 변압기의 동작 시에 있어서의 소음의 저감이 요구되고 있다. 변압기의 에너지 손실 및 소음은, 철심 재료에 사용되는 방향성 전기강판의 철손 및 자왜에 상관하기 때문에, 철손 특성 및 자왜 특성이 양호한 전기강판을 개발하는 것이 요구되고 있다.

방향성 전기강판의 철손은, 히스테리시스손과 와전류손으로 분리할 수 있다. 히스테리시스손의 저감에는, 지철의 결정 방위 집적성의 향상이나, 불순물의 저감이 유효한 것이 알려져 있다.

한편, 와전류손을 개선하는 수법으로서는, Si 첨가에 의한 전기 저항의 증가에 부가하여, 자구 세분화 기술이 알려져 있다. 자구 세분화 기술이란, 강판에 홈이나 변형을 도입함으로써, 강판의 철손을 극적으로 개선하는 방법이다.

예를 들어 특허문헌 1 에는, 폭 300 ㎛ 이하 또한 깊이 100 ㎛ 이하의 선상 홈을 강판 표면에 도입함으로써, 0.80 W/kg 이상 있던 철손을, 0.70 W/kg 이하로까지 저감하는 기술이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 2 차 재결정 후의 강판 표면의 판폭 방향으로 플라스마염을 조사하여, 국소적으로 열변형을 도입함으로써, 800 A/m 의 자화력으로 여자 했을 때의 자속밀도 (B₈) 가 1.935 T 인 강판에 있어서, 최대 자속밀도 1.7 T, 주파수 50 Hz 로 여자했을 때의 철손 (W_17/50) 을 0.680 W/kg 까지 저감하는 방법이 개시되어 있다.

변형 도입에 의한 자구 세분화는, 철손을 저하시킬 수 있지만, 그 반면, 변형의 도입에서 기인하는 자왜의 증가를 초래하는 것이 알려져 있다. 따라서, 변형의 도입 방법을 제어함으로써, 저철손 또한 저자왜의 방향성 전기강판을 제조하는 시도가 많이 검토되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 3 에는, 강판에 레이저를 조사하여 변형을 도입하는 과정에 있어서, 포커스 렌즈를 진동시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법에서는, 환류 자구가 직선상으로 형성되지 않기 때문에, 렌즈를 진동시키지 않고 조사한 경우에 비해, 변압기 철손이 증가하는 것이 과제가 되고 있다.

한편, 특허문헌 4 에서는, 전자빔을 강판에 조사하여 변형을 도입하는 과정에 있어서, 방향성 전기강판의 포르스테라이트 피막 장력을 증가시키고, 도트상으로 빔을 조사하는 것에 의해, 압연 방향으로 불균일한 압축 응력역을 형성함으로써, 저철손·저자왜 재료를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법에서는, 포르스테라이트 피막의 장력을 증가시키는 것이 필수가 되지만, 포르스테라이트 피막의 장력을 증가시킨 경우, 지철과의 계면에서 발생하는 전단응력이 증가하기 때문에, 빔 조사 시에 피막 박리가 발생하기 쉬워, 제조 시에 문제가 일어나기 쉽다는 과제가 있다.

일본 특허공보 평6-22179호 일본 공개특허공보 평7-192891호 일본 공개특허공보 2017-128765호 일본 공개특허공보 2012-36445호

본 발명은, 상기 과제를 해결하여, 변압기 특성이 우수한, 저철손과 저자왜를 양립시키는 방향성 전기강판을, 그 유리한 제조 방법과 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 방향성 전기강판의 저철손 및 저자왜를 양립시키는 방법으로서, 보다 적은 변형량으로 환류 자구를 형성하는 수법에 대해 검토를 시도한 결과, 환류 자구의 형성 기구에 주목하기에 이르렀다.

방향성 전기강판에 전자빔을 조사하면, 전자빔이 조사된 부분 (도 1 에 있어서의 「빔 조사 영역」이며, 이하, 조사부라고 부르는 경우가 있다) 이 국소적으로 급가열되고, 열팽창·열수축의 과정을 거쳐, 열변형이 형성된다. 이때, 조사부에는 강판의 압연 방향, 이것과 교차하는 판폭 방향 모두 압축 응력이 잔류한다 (도 1). 일반적으로, 열의 확산은 등방적이고, 통상적인 재료이면 영률은 등방적이기 때문에, 압축 응력도 등방적으로 된다. 한편, 방향성 전기강판은 압연 방향으로 자화 용이축이 되는 GOSS 방위 (110)[001] 을 가지는 결정립이 집적되어 있으므로, 영률은 이방성을 갖고, 이로써, 판폭 방향의 압축 응력에 비해, 압연 방향의 압축 응력이 강하게 잔류한다. 이 결과, 판폭 방향으로 자화 방향을 가지는 자구 (환류 자구) 를 발생시키고, 자구가 세분화되고, 철손이 저하한다.

이와 같이, 방향성 전기강판에 있어서는, 압연 방향으로 압축 응력이 발생함으로써, 자화 용이축과 수직 방향으로 자화를 가지는 환류 자구가 형성된다. 이 효과는 자기 탄성 효과로 불린다. 자기 탄성 효과는, 규소강과 같이 정 (正) 의 자왜 정수를 가지는 재료에 응력을 인가한 경우, 인장 응력의 경우에는 응력축 방향에 대해 평행 방향, 압축 응력의 경우에는 응력축 방향에 대해 직교 방향으로 자화하기 쉬워지는 현상이다. 따라서, 방향성 전기강판에 있어서, 판폭 방향으로 자화 방향을 갖는 환류 자구를 형성하기 위해서는, 종래의 압연 방향으로의 압축 응력에 부가하여, 판폭 방향으로의 인장 응력도 유효한 것이 판명되었다. 즉, 본 발명자들은, 종래와 같은 압연 방향으로의 압축 응력에 부가하여, 조사부에 판폭 방향으로의 인장 응력도 발생시킴으로써, 자기 탄성 효과가 더욱 증가하여, 보다 효과적으로 환류 자구가 형성되는 것을 새롭게 지견했다.

이 지견에 근거하여, 전자빔 조사 후의 방향성 전기강판의 판폭 방향으로 인장 응력을 발생시키는 방법에 대해 예의 검토를 실시했다. 그 결과, 본 발명자들은, 강판을 판두께 방향으로 진동시키면서 전자빔을 판폭 방향 또한 도트상으로 조사하면, 조사부의 판폭 방향으로 주기적인 강약을 가지고 선상의 변형 (선상 변형부) 을 도입할 수 있는 것을 알아냈다. 그리고, 그 결과, 도 2 에 나타내는 바와 같은, 도입한 선상의 변형의 길이 방향 (판폭 방향) 을 따라 압축 응력역과 인장 응력역이 교대로 배열되는, 응력 분포를 형성 가능한 것을 알아냈다. 또한, 강판의 판두께 방향으로 주기적 강약을 가지고 강판에 변형을 도입하는 방법으로서는, 강판을 진동시키는 것 이외에도, 전자빔의 수속 코일의 위치나, 수속 코일에 흘리는 전류량을 변화시키는 것도 생각된다. 그러나, 코일의 자장 변동에 의한 빔 수속성의 열화 등이 일어날 수 있으므로, 강판 자체를 진동시키는 것에 도달했다.

상기의 수법에 근거하여, 자구 세분화 처리를 실시함으로써, 환류 자구의 형성이 용이하게 되어, 종래 동등의 철손 개선 효과를 얻기 위해서 필요한 변형량을 저감하는 것이 가능해므로, 저철손 또한 저자왜의 방향성 전기강판을 제공할 수 있다. 그리고, 상기와 같이 얻어진 방향성 전기강판을 이용하면, 저에너지 손실 또한 저소음의 변압기를 제공할 수 있다. 또, 자기 탄성 효과는, 결정의 배향성이 높은, 요컨대 높은 자속밀도 B₈ 을 갖는 재료에 있어서, 보다 높은 효과를 얻을 수 있다. 이 관점에서, 상기의 수법은, 고자속밀도의 전기강판에 대해, 보다 양호한 저철손화 및 저자왜화를 가져올 수 있고, 나아가서는, 변압기에 대해, 보다 양호한 저소음화의 효과를 부여할 수 있다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.

(1) 방향성 전기강판의 압연 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 선상 변형부를 구비하고,

그 선상 변형부는, 압축 응력역과 인장 응력역이, 그 선상 변형부의 길이 방향으로 교대로 배열되는 응력 분포를 갖는, 방향성 전기강판.

(2) 상기 압축 응력역에 있어서의 최대 압축 응력이 30 MPa 이상 항복 응력 이하이며,

상기 인장 응력역에 있어서의 최대 인장 응력이 20 MPa 이상 항복 응력 이하인,

상기 (1) 에 기재된 방향성 전기강판.

(3) 상기 방향성 전기강판의 자속밀도 B₈ 이 1.94 T 이상인, 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 방향성 전기강판.

(4) 방향성 전기강판에 선상 변형부를 형성하는 방향성 전기강판의 제조 방법으로서, 상기 강판의 표면에, 전자빔의 조사를, 상기 강판의 압연 방향을 횡단하는 방향으로의 이동 및 정류를 반복하여 실시할 때에, 상기 강판에 판두께 방향의 진동을 부여하여 상기 선상 변형부를 형성하는, 방향성 전기강판의 제조 방법.

(5) 상기 방향성 전기강판의 판두께 방향의 진동에 있어서의 진폭이 1 mm 이하인, 상기 (4) 에 기재된 방향성 전기강판의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 변압기의 에너지 손실과 소음을 저감시키는 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

도 1 은 전자빔이 조사되어, 압축 응력이 존재하고 있는 방향성 전기강판의 평면도이다.
도 2 는 빔 조사 영역에 압축 응력과 인장 응력이 판폭 방향으로 교대로 존재하고 있는, 방향성 전기강판의 평면도이다.
도 3 은 방향성 전기강판에 있어서의, 전자빔의 도트상 조사의 모식도이다.
도 4 는 강판의 진폭과 철손 개선량의 관계를 나타내는 플롯도이다.
도 5 는 강판의 진폭과 소음 변화량의 관계를 나타내는 플롯도이다.
도 6 은 강판의 진폭과 판폭 방향 최대 응력값의 관계를 나타내는 플롯도이다.
도 7 은 판폭 방향 압축 응력 최대값과, 철손 개선량 및 소음 변화량의 관계를 나타내는 플롯도이다.
도 8 은 판폭 방향 인장 응력 최대값과, 철손 개선량 및 소음 변화량의 관계를 나타내는 플롯도이다.
도 9 는 방향성 전기강판에 있어서의 환류 자구폭의 모식도이다.

이하, 본 발명을 완성시키기에 이른 실험 결과에 대해 설명한다.

통상, 전자빔 조사에 있어서는, 강판 표면에 포커스가 맞은 조건으로 조사를 함으로써, 에너지 밀도가 최대가 되어, 높은 변형 도입 효과를 얻을 수 있는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 통상적인 방향성 전기강판의 자구 세분화 프로세스에 있어서는, 강판 표면에 포커스가 맞은 상태로 전자빔을 조사하도록 제어하고 있다. 이때, 도 2 에 나타내는, 도입한 선상의 변형 (빔 조사 영역) 의 길이 방향으로 압축 응력역과 인장 응력역이 교대로 배열되는 응력 분포를 얻는 방법으로서, 전자빔을 이동과 정류를 반복하여 조사하는, 이른바 도트상 조사 (도 3 참조) 를 검토했지만, 단순한 도트 조사만으로는, 이와 같은 응력 분포는 얻어지지 않았다. 이것은, 도트상으로 조사를 해도, 빔의 정류점뿐만 아니라, 빔의 이동역에 있어서도 강판 표면에 포커스가 계속 맞기 때문에, 이동역과 정류점 간에서, 변형량의 차가 그다지 커지지 않았기 때문이다.

상기의 도트상 조사에 있어서, 조사부 내에서 추가적인 변형량의 차를 부여하는 방법에 대해 예의 검토를 실시했는데, 빔 조사 중에 포커스 위치를 판두께 방향으로 일정한 주기로 변동시키면, 빔의 이동역에는 빔 조사에 의한 열변형이 거의 도입되지 않고, 응력장도 거의 형성되지 않는 것이 판명되었다. 한편, 빔 정류점에서는 일정 시간 빔이 계속 조사되기 때문에, 포커스 변동에 의한 변형량은 거의 변화하지 않고, 열변형에 의해 일정한 압축 응력이 잔류한다. 그 때문에, 전자빔의 이동역과 정류점 간의 열변형 분포가 크게 상이하고, 이동역은 인접하는 빔 정류점의 압축 응력의 영향으로, 정류점을 잇는 선분의 방향으로 인장되는 상태가 되고, 결과적으로 인장 응력이 형성된다. 그 결과, 압축 응력역과 인장 응력역이 교대로 배열되는 도 2 와 같은 응력 분포가 형성되는 것을 알아냈다.

통상은 강판 표면에 포커스가 맞은 조건으로 빔 조사를 실시하기 때문에, 통판 (通板) 중의 강판은 진동하지 않도록 제어되고 있지만, 상기 지견에 근거하면, 통판 중에 강판을 의도적으로 판두께 방향으로 진동시키는 것에 의해, 포커스 위치를 강판의 두께 방향으로 주기적으로 변동시키면서의 자구 세분화와, 강판 통판에 의한 제조를 양립시킬 수 있는 것을 밝혀냈다.

계속해서, 강판의 적정한 진동 범위를 분명히 하기 위해, 통판 시의 강판의 진동량을 변화시켜, 방향성 전기강판에 출력 450 W 로 전자빔을, 정류 시간 8 ㎲, 이동 속도 40 m/s, 이동역 길이 120 ㎛ 의 도트상으로 조사할 때에, 강판에 부여하는 진폭이, 강판의 철손 개선량, 소음 변화량 및 판폭 방향의 응력 분포 (압축 응력값 및 인장 응력값의 변화) 에 미치는 영향을 조사했다.

판두께 방향으로의 강판의 진폭을 변화시켰을 때의, 철손 개선량, 소음 변화량, 압축 및 인장의 응력값을 조사한 결과에 대해, 각각 도 4 내지 도 6 에 나타낸다. 또한, 진폭은, 수평으로 배치한 강판의 상하 진동으로서, 전자빔 조사 이면에 가이드 롤을 설치하고, 롤 위치를 변동시킴으로써 부여했다. 여기서, 강판의 진폭이 1 mm 를 초과하면, 통판 롤과 강판이 접하는 부분에서 파단이 일어나, 자구 세분화 처리를 실시할 수 없었다. 또, 강판을 진동시키지 않고 도트상 조사를 실시한 경우, 빔 이동역에 있어서도, 강판 표면에 포커스가 맞고 있기 때문에, 이동역에 있어서도 열변형이 도입됨으로써 압축 응력역이 형성되기 때문에, 본 발명에서 소기하는 인장 응력역과 압축 응력역이 교대로 배열되는 응력 분포는 얻어지지 않고, 저철손·저소음 (저자왜) 효과도 확인할 수 없었다.

먼저, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 강판을 진동시킴으로써, 진동시키지 않는 경우에 비해 0.01 W/kg 이상의 철손 개선이 보였다. 이것은, 이하의 이유에 의한 것이라고 추찰된다. 즉, 먼저, 강판이 진동함으로써, 포커스 위치가 연속적으로 변화하여, 이동역에 있어서의 변형의 양이 통상보다 감소했다. 한편, 정류점에서는 일정 시간 빔이 계속 조사되기 때문에, 변형량은 대폭은 변화하지 않는다. 이것으로부터, 이동역과 정류점 간에서 변형의 양에 큰 차가 발생한 결과, 전자빔의 주사 방향인 판폭 방향으로 인장 응력이 발생했다. 그리고, 이 인장 응력이 작용하여, 환류 자구가 보다 높은 자장까지 안정이 되고, 철손 개선 효과가 높아졌기 때문이라고 생각된다.

또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 소음 (자왜) 은 진폭이 증가함에 따라 감소하는 경향이 보였다. 이것은, 진폭이 증가하면, 포커스의 어긋남이 커져, 동일한 출력의 빔으로 이동역에 도입되는 변형의 총량이 감소했기 때문이라고 생각된다.

도 6 에, 각 샘플의 선상 변형부에 있어서의, 후술하는 수법으로 측정한 판폭 방향의 잔류 응력의 최대값을 나타낸다. 압축 응력의 최대값은, 진폭에 의한 변화는 작은 한편으로, 인장 응력은 강판을 진동시킴으로써 비로소 발생하고, 진폭의 증가에 수반하여 그 최대값도 증가하는 경향이 되었다. 이것은, 강판의 진동에 의해, 전자빔의 포커스가 맞는 장소와 맞지 않는 장소가 주기적으로 발생한 결과, 빔 이동역에 있어서 포커스가 맞는 시간이 감소하여, 이동역에 열변형이 거의 도입되지 않게 되었기 때문이라고 생각된다. 한편, 정류점에 있어서는, 빔이 일정 시간 계속 조사되기 때문에, 진동에 의한 변형량 감소의 영향은 작다고 추정된다. 이와 같이 하여 이동역과 정류점에 가져와지는 변형량에 큰 차가 생기고, 열변형이 거의 도입되지 않는 이동역이, 인접하는 정류점에 있어서의 열변형에 의해 형성된 압축 응력역으로부터 인장됨으로써, 압축 응력역과 인장 응력역이 교대로 배열되는 응력 분포가 형성된 것이라고 발명자들은 생각하고 있다.

또, 진폭을 증가시키면 인장 응력이 증가하는 것은, 진폭이 커짐으로써, 포커스의 어긋남이 커지고, 변형량의 차가 증가했기 때문이라고 추정하고 있다.

이상의 결과로부터, 본 실시형태에서는, 강판에 전자빔을 도트상으로 조사하여 자구 세분화 처리를 실시함에 있어서, 철손·자왜 양 특성이 우수한 방향성 전기강판을 얻기 위해서, 강판을 판두께 방향으로 파단되지 않는 정도 (1 mm 이하) 의 진폭으로 제어하여 진동시키는 것으로 했다.

다음으로, 강판의 진폭을 0.1 mm 로 고정한 상태에서 빔 출력을 변화시켜, 압축 및 인장의 최대 응력값이 여러 가지로 상이한 시료를 제작하고, 응력값과 철손·소음 (자왜) 의 관계를 조사했다. 그들의 결과를 도 7, 도 8 에 나타낸다. 인장 응력의 최대값이 20 MPa 이상, 압축 응력의 최대값이 30 MPa 이상인 경우에 있어서, 철손의 저감을 명확하게 확인할 수 있었다. 또, 특히 인장 응력의 최대값이 40 MPa 이상, 압축 응력의 최대값이 60 MPa 이상인 경우에 있어서, 높은 저철손·저소음 (저자왜) 효과를 확인할 수 있었다. 인장 응력의 증가에 의한 효과는, 전술한 바와 같지만, 본래 환류 자구의 형성에 불리한, 판폭 방향의 압축 응력의 증가에 의한 개선 효과에 대해서는 이하와 같이 추정하고 있다. 즉, 판폭 방향의 압축 응력의 크기는 포커스가 맞는 점에서 발생하는 변형의 강도에 상관하지만, 판폭 방향의 압축 응력이 증가하면, 진동에 의해 포커스가 맞지 않는 점과의 변형량의 차가 확대되기 때문에, 판폭 방향의 인장 응력이 증가한다. 그 결과, 본 발명의 효과가 향상되었다고 생각하고 있다.

덧붙여서, 상기 결과를 기초로 하여, 전자빔이 아니고, 레이저 조사에 의한 자구 세분화 처리에 있어서도, 동일한 효과를 기대할 수 있는지 검증했지만, 레이저 조사에서는 동일한 효과는 확인할 수 없었다. 이것은, 전자빔과 레이저의 입열 과정의 차이에 의한 것이라고 추정된다. 전자빔은 물질의 투과능이 높기 때문에, 포커스가 강판 표면에 맞고 있지 않아도, 강판 내부까지 변형을 도입하는 것이 가능하지만, 레이저는 투과능이 낮아, 표면으로부터의 열전달이 주이기 때문에, 포커스가 강판 표면에 맞지 않는 경우, 변형을 거의 부여할 수 없었기 때문이라고 생각된다.

또한, 전자빔을 도트상이 아니고, 직선상으로 연속 조사하면서, 강판을 진동시킨 경우에 대해서도, 동일한 효과를 얻을 수 있는지 검증을 실시했지만, 이 경우에 있어서도 동일한 효과는 확인할 수 없었다. 이것은, 전자빔을 직선상으로 연속 조사한 경우, 선상 변형부 전체에 걸쳐, 도트상 조사에 있어서의 이동역과 같이 변형량이 저감했기 때문이라고 생각하고 있다.

다음으로, 본 발명의 실시형태에 대해, 구체적으로 설명한다.

·방향성 전기강판

본 실시형태에서는, 공지된 방법으로 제조된 방향성 전기강판에 대해, 압연 방향에 교차하는 방향으로 전자빔을 조사하여 하나 이상의 선상 변형부를 도입한다.

·선상 변형부

본 실시형태에서는, 상기와 같이 강판의 압연 방향에 교차하는 방향으로 전자빔을 조사하여 하나 이상의 선상 변형부를 도입하지만, 이 선상 변형부 중, 전자빔의 정류에 의해 도입된 변형이 압축 응력역을 발생시키고, 압축 응력역 간에 인장 응력역이 발생한다. 도 3 을 참조하여 설명하면, 이때, 인장 응력역의 판폭 방향의 길이 (이동역의 길이 L) 는, 빔 직경을 Φ 로 했을 때, 0.5Φ 이상이 바람직하고, 5.5Φ 이하가 바람직하다. 이것은, 이동역의 길이 L 을 0.5Φ 미만으로 한 경우, 이웃하는 정류점이 지나치게 가까워져, 환류 자구가 충분히 형성되지 않고, 철손의 개선대 (改善代) 가 저하하기 때문이다. 한편, 길이 L 이 5.5Φ 를 초과하는 경우, 환류 자구가 연속적인 직선상이 아니고, 국소적인 섬상으로 형성되어, 자구 세분화 효과가 저하하게 된다.

·압축 응력역에 있어서의 최대 압축 응력 : 30 MPa 이상 항복 응력 이하

·인장 응력역에 있어서의 최대 인장 응력 : 20 MPa 이상 항복 응력 이하

본 발명에서는 선상 변형부에 있어서, 적어도 압축 응력역과 인장 응력역이 그 선상 변형의 길이 방향으로 교대로 배열되는 응력 분포를 가지면 되지만, 그 압축 응력역에 있어서의 최대 압축 응력을 30 MPa 이상으로 하는 것이 바람직하고, 인장 응력역에 있어서의 최대 인장 응력을 20 MPa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 최대 압축 응력이 30 MPa 이상이면, 환류 자구가 확실하게 형성되어, 자구 세분화 효과가 커지기 때문이다. 또, 최대 인장 응력이 20 MPa 이상이면, 자기 탄성 효과에 의한 환류 자구의 안정화 작용이 충분한 것이 되어, 저철손 효과가 커진다. 최대 압축 응력에 대해, 보다 바람직하게는 60 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 80 MPa 이상으로 한다. 또, 최대 인장 응력에 대해, 보다 바람직하게는 40 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 60 MPa 이상으로 한다. 여기서 최대 압축 응력 및 최대 인장 응력이란, 후술하는 응력 측정 방법에 의해 얻어지는 압축 응력역 및 인장 응력역에 있어서의, 최대의 응력값으로 한다.

또, 방향성 전기강판의 제조 시의 파단을 방지하기 위해, 최대 압축 응력, 최대 인장 응력 모두 항복 응력 이하인 것이 바람직하다. 항복 응력은, 냉간압연 후의, 전자빔 조사에 제공하지 않은 강대로부터 채취한 샘플을, 인장 시험에 의해 측정한 값으로 한다.

·응력 측정 방법

강판의 응력 측정 방법에 관해서는, EBSD-Wilkinson 법이나 고에너지 X 선에 의한 XRD 측정에 의해, 강판에 도입된 변형량을 계측하고, 이 변형량의 값과, 영률 등으로부터, CrossCourt Ver.3.0 (BLG Productions Bristol 제조) 등의 해석 소프트를 사용하여 계산한다.

본 실시형태에 있어서의 변형 측정은, 강판의 전자빔 조사면으로부터 압연 방향과 판폭 방향으로 각 0.6 mm 의 범위를, 측정 피치 5 ㎛ 로 실시했다. 또한, 시야의 중심에서 변형 분포가 대칭이 되도록 하고, 변형 측정에 필요로 되는 무변형 참조점은, 측정 시야 단부 (端部) 에 설정했다.

·자속밀도 B₈ : 1.94 T 이상

자속밀도 B₈ : 1.94 T 이상에 있어서는, 본 발명에 따르는 응력 분포의 부여에 의해, 더 높은 저철손 효과를 발현한다. 이것은, B₈ 이 높을수록 자기 탄성 효과가 향상되기 때문이다. 따라서, 전자빔 조사 전의 방향성 전기강판의 자속밀도 B₈ 은 1.94 T 이상이 바람직하고, 1.95 T 이상이 보다 바람직하다. 또, 통상, 전자빔 조사에 의해 자속밀도가 크게 변하지 않기 때문에, 전자빔 조사 후의 방향성 전기강판의 바람직한 자속밀도에 대해서도 상기와 동일한 범위이다.

·전자빔 조사 방향

본 실시형태에서는, 1 대 이상의 전자총을 사용하여, 강판의 압연 방향을 횡단하는 방향으로 전자빔을 조사함으로써 선상 변형부를 형성한다. 이때, 빔의 주사 방향은, 압연 방향으로부터 60°~ 120°의 범위로 하는 것이 바람직하고, 압연 방향으로부터 90°, 즉 판폭 방향 (압연 직각 방향) 을 따르도록 주사하는 것이 보다 바람직하다. 이것은, 판폭 방향으로부터의 주사선의 어긋남이 커지면, 강판에 도입되는 변형의 양이 증가하여, 자왜의 증가를 초래하기 때문이다. 또, 조사 형태는 주사 방향을 따라 이동과 정류를 반복하는 조사 방법 (도트상 조사, 도 3 을 참조) 에 있어서만, 철손·소음의 개선 효과가 얻어진다.

·도트상 조사 조건

도트상 조사의 일례로서, 전자빔 조사를, 정류점에 있어서 2 ~ 20 ㎲ 정류시키고, 속도 30 m/s 이상으로, 이동역의 길이 L 이 빔 직경 Φ 에 대해 0.5Φ ~ 5.5Φ 정도가 되도록 이동시키고, 상기의 정류 및 이동을 반복하는 조사법으로 할 수 있다.

정류 시간이 2 ㎲ 미만에서는, 에너지 투입량이 불충분해져 변형이 도입되기 어려워진다. 한편, 정류 시간이 20 ㎲ 를 초과하면 전자빔의 처리 시간이 장대해져 생산성이 저하한다. 또, 이동 속도가 30 m/s 미만에서는, 처리 시간의 증가에 의해 생산성이 저하한다. 이동 속도에 상한은 특별히 형성하지 않지만, 실용상 300 m/s 정도이다. 이동역의 길이 L 이 빔 직경 Φ 에 대해 0.5Φ 미만이 되는 경우, 이웃하는 정류점이 지나치게 가까워져, 환류 자구가 충분히 형성되지 않고, 철손의 개선대가 저하한다. 한편, 이동역의 길이 L 이 빔 직경 Φ 에 대해 5.5Φ 를 초과하는 경우, 환류 자구가 연속적인 직선상이 아니고, 국소적인 섬상으로 형성되어, 자구 세분화 효과가 저하한다.

그리고, 「압축 응력역과 인장 응력역이 선상 변형부의 길이 방향으로 교대로」란, 선상 변형부가 연장되는 방향 (압연 방향과 교차하는 방향) 을 따라, 압축 응력역과 인장 응력역이, 압축 응력역/인장 응력역/압축 응력역/인장 응력역으로 반복되는 것이다. 전술한 바와 같이, 상기의 정류점에 압축 응력역이 형성되고, 이동역에 인장 응력역이 형성된다. 따라서, 이웃하는 압축 응력역의 간격 (이웃하는 인장 응력역의 간격), 즉 교호 반복의 간격은 상기한 정류점의 간격 (도 3 을 참조) 에 일치한다. 그리고, 정류점의 간격은 이동역의 길이 L 과 빔 직경 Φ 의 합이 되기 때문에, 정류점의 바람직한 간격은 1.5Φ 이상이며, 6.5Φ 이하이다.

·전자빔의 강판 압연 방향에 있어서의 조사 간격

강판에 복수개의 선상 변형부 (조사부) 를 형성하는 경우, 조사부 상호간의 압연 방향에 있어서의 간격은, 7.0 mm 이상이 바람직하고, 15 mm 이하가 바람직하고, 7.0 ~ 15 mm 가 바람직하다. 이것은, 조사부의 선 간격이 좁으면 강판 전체에 도입되는 변형량이 과대해져, 소음이나 히스테리시스손의 열화를 초래하기 때문이다. 한편으로, 조사부의 선 간격이 지나치게 넓은 경우에는 자구 세분화 효과가 저하하여, 철손 개선 효과가 약해지기 때문이다.

또한, 본 발명을 실시함에 있어서, 전자빔을 조사하는 조건에 대해 상세하게 설명한다.

·가속 전압 : 60 kV 이상 300 kV 이하

강판에 대한 전자빔의 투과능을 증가시키기 위해서는, 가속 전압은 높을수록 바람직하다. 이것은, 강판에 대한 투과능이 높으면, 포커스가 강판 표면에 맞고 있지 않은 조건하에서도 강판에 변형을 도입할 수 있기 때문이다. 따라서, 가속 전압은 60 kV 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 가속 전압은 90 kV 이상이고, 120 kV 이상이면 더욱 좋다.

한편, 가속 전압을 지나치게 높게 하면, 전자빔 조사에 수반하여 발생하는 X 선의 차폐가 곤란해진다. 그 때문에, 실용상의 관점에서 가속 전압을 300 kV 이하로 하면 바람직하다. 보다 바람직한 가속 전압은 200 kV 이하이다. 또, 본 실시형태에서는, 선상 변형부의 길이 방향을 따라 변형량에 차를 형성하는 것이 중요하기 때문에, 빔 이동역에 도입되는 변형량을 억제하는 관점에서도, 가속 전압의 상한을 상기와 같게 하는 것이 바람직하다.

·전자빔 직경 : 300 ㎛ 이하

전자빔 직경은, 작을수록 에너지 밀도가 증가하고, 저스트 포커스점에서 보다 강한 변형을 도입할 수 있으므로, 바람직하다. 그래서, 본 실시형태에서는, 전자빔의 직경을 300 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 빔 직경은 280 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 260 ㎛ 이하이다. 여기서, 빔 직경이란, 폭 30 ㎛ 의 슬릿을 사용하여 슬릿법으로 취득한 빔 프로파일의 반치폭을 가리킨다.

또, 빔 직경의 하한에 대해서는 특별히 형성하지 않지만, 실용상, 빔 직경은 50 ㎛ 정도를 하한으로 하는 것이 바람직하다.

·빔 전류 : 0.5 ~ 40 mA

빔 전류는, 빔 직경 축소의 관점에서는, 작은 편이 바람직하다. 이것은, 전류를 크게 하면 쿨롱 반발에 의해 빔 직경이 확대되기 쉽기 때문이다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 빔 직경을 40 mA 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편으로 빔 전류가 지나치게 작으면, 변형을 형성하기 위한 에너지가 부족하기 때문에, 0.5 mA 이상으로 하는 것이 바람직하다.

·빔 조사 영역 내 진공도 : 3 Pa 이하

전자빔은 기체 분자에 의해 산란을 받고, 빔 직경의 증대나, 에너지의 감소가 발생한다. 그 때문에, 빔 조사 영역의 진공도는 높은 편이 좋고, 압력으로서 3 Pa 이하로 하는 것이 바람직하다. 하한에 대해서는 특별히 제한을 형성하지 않지만, 지나치게 과도하게 낮게 하면, 진공 펌프 등의 진공 계통에 드는 비용이 증대한다. 그 때문에, 실용상은, 10^-5 Pa 이상의 압력으로 하는 것이 바람직하다.

·강판 진폭 : 1 mm 이하

강판의 진폭은, 지나치게 크면 강판이 파단되어 제조가 곤란해지므로, 일정 이하의 진폭에 들어가도록, 조업 시에 제어를 실시할 필요가 있다. 진폭의 기준 위치는 전자빔이 저스트 포커스가 되는 위치로 하고, 진폭의 계측은 레이저 거리계에 의해 실시하고, 계측값에 따라 후술하는 수법으로 통판 라인에 있어서의 장력을 증감시킴으로써 진폭을 제어한다.

바람직한 진폭의 범위는, 전술한 바와 같이, 판두께 방향으로 1 mm 이하이며, 이것보다 큰 진폭을 부여하면, 강판이 파단되어, 조업에 악영향이 될 우려가 있다. 진폭의 하한은, 0 mm 를 조금이라도 초과하면 본 발명의 효과가 얻어지지만, 보다 바람직하게는 0.05 mm 이상이다. 또한, 진폭은, 강대의 전자빔 조사부 이면에, 가이드 롤을 설치하고, 가이드 롤의 위치를 변동시켜 통판 장력을 증감시킴으로써 부여할 수 있다.

·강판의 진동 주파수

강판의 진동 주파수 fv 는 10 kHz 이상으로 하는 것이 바람직하고, 15 kHz 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 진동 주파수 fv 를 상기의 바람직한 하한 이상으로 함으로써, 빔 이동 중의 포커스 변동이 커져, 목적으로 하는 응력 분포가 얻어지기 쉬워진다. 한편, 진동 주파수 fv 의 상한은, 빔 정류점의 간격 (이동역의 길이 ＋ 빔 직경) 을 d 로 하고, 빔의 이동 속도를 v 로 하고, 빔의 정류 주파수 f 를 f = v/d 로 했을 때에, fv ≤ f 로 하는 것이 바람직하고, fv ≤ f/2 로 하는 것이 보다 바람직하다. 진동 주파수 fv 를 f 이하로 함으로써, 빔 정류점에서의 포커스 변동이 과잉이 되지 않고, 목적으로 하는 응력 분포가 얻기 쉬워진다.

·환류 자구폭 : 400 ㎛ 이하

강판에 대한 빔 조사에 의해 형성되는 환류 자구의 폭이 넓은 경우, 변형량이 증가하여 있으므로, 자왜가 증가한다. 따라서, 환류 자구폭은 400 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

여기서 환류 자구폭이란, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 환류 자구의 압연 방향의 영역 길이를 의미한다. 구체적으로는, 시판되는 마그넷 뷰어를 빔 조사면에 놓고 환류 자구를 전사했을 때의, 압연 방향으로의 전사 길이로 나타내어진다.

그리고, 환류 자구폭은, 상기 서술한 빔 조사 조건을 적절히 변경함으로써 조절 가능하다.

실시예

다음으로, 실시예에 기초하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는, 본 발명의 바람직한 일례를 나타내는 것이며, 본 발명은, 그 실시예에 의해 전혀 한정되지 않는다. 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그러한 양태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

공지된 방법으로 제조된, 방향성 전기강판에 대해, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 그 강판에 0 ~ 1.1 mm 의 판폭 방향의 진폭을 부여하면서, 출력 1.5 kW 의 레이저 또는 가속 전압 120 kV, 전자빔 직경 200 ㎛, 빔 전류 10 mA, 빔 조사 영역 내 진공도 0.3 Pa, 전자빔을 압연 직각 방향으로 조사하는 것을, 압연 방향으로 8.0 mm 의 간격으로 실시하여, 자구 세분화 처리를 실시했다. 또한, 전자빔을 조사한 강판의 일부는, 가속 전압 120 kV, 빔 전류 5 mA 의 조건으로 했다 (표 1 의 No.6 및 17. 다른 조건은 동일). 조사 방식은, 연속 조사 또는 도트상 조사로 하고, 도트상 조사는, 레이저 조사에 대해서도 전자빔 조사에 대해서도, 정류 시간 8 ㎲, 이동 속도 40 m/s, 이동역 길이 120 ㎛ 로 실시했다. 자구 세분화에 사용한 강판 (소재) 으로서는, B₈ 이 1.92 T, 1.94 T 인 것을 사용했다.

또, 자구 세분화 처리를 실시한 시료의 B₈ 도, 각각 1.92 T, 1.94 T 였다.

또, 얻어진 시료에 대해, 철손을 100 mm SST (단판 자기 시험) 에 의해 1.7 T, 50 Hz 의 교류 자장을 인가했을 때의 철손 (W_17/50) 을 측정했다. 또, 강판에 도입된 변형을 XRD 측정 (조건은 Cu-Kα, hν = 30 keV, 측정 피치 5 ㎛ 로 한다) 에 의해 측정하고, 선상 변형부의 길이 방향으로 압축 응력역과 인장 응력역이 교대로 배열되는 응력 분포를 갖는 것을 확인함과 함께, 변형 계측값으로부터, 판폭 방향의 압축 응력 성분과 인장 응력 성분의 각 최대값을 산출했다. 또, 각각의 시료를 사용하여, 변압기용 3 상 적철심을 제작하고, 여자 코일을 장착했다. 이 철심을 방음실에 설치하여 여자하고, 소음계 (JIS C 1509-1 Class2) 를 사용하여 소음 레벨을 측정했다. 여자 조건은 1.7 T, 50 Hz 이다.

상기의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다. 이 결과로부터, 본 발명의 요건을 만족하는 조건에 있어서, 저철손·저자왜의 쌍방을 만족하는 방향성 전기강판을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 방향성 전기강판의 저자왜에 대해서는, 그 강판을 사용하여 제작된 변압기용 철심에 있어서 저소음을 실현할 수 있는 것으로부터 알 수 있다. 또, 종래의 조사 방법 (연속 조사 및 진폭 0 mm) 을 사용한 경우, 고 B₈ 재가 갖는 원래의 자구폭이 넓기 때문에, 자구 세분화에 의한 저철손 효과는 낮아졌다. 한편, 본 수법에 의해 자구 세분화 처리를 실시한 경우, 고 B₈ 재에 있어서도, 보다 양호한 저철손·저소음 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, 자기 탄성 효과의 차에 의한 것이라고 생각된다.

또, 레이저 조사에서는, 전자빔 조사를 소정의 조건으로 실시한 경우와 동일한 효과는 확인할 수 없었다. 이에 대하여, 전자빔 조사에서는, 강판을 판폭 방향으로 진동시키고, 또한 도트상 조사를 실시한 경우만, 저철손·저소음 효과를 확인할 수 있었다. 진폭 0 mm 로 도트상 조사를 실시한 경우여도, 이동역과 정류점에서 본 발명과 마찬가지로 변형의 양에 강약이 발생하지만, 본 발명과 같은 저철손·저소음 효과는 보이지 않았다. 이것은, 강판을 진동시키지 않고, 도트상 조사를 실시한 경우, 이동역에 있어서도 포커스가 맞고 있기 때문에, 이동역과 정류점에 있어서의 변형량의 강약의 차가 본 발명 정도로 커지지 않아, 저철손화 또한 저소음화 (저자왜화) 의 효과가 낮아졌다고 생각된다.

Claims

방향성 전기강판의 압연 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 선상 변형부를 구비하고,
그 선상 변형부는, 압축 응력역과 인장 응력역이, 그 선상 변형부의 길이 방향으로 교대로 배열되는 응력 분포를 갖고,
상기 압축 응력역에 있어서의 최대 압축 응력이 22 MPa 이상이고,
상기 인장 응력역에 있어서의 최대 인장 응력이 12 MPa 이상인,
방향성 전기강판.
제 1 항에 있어서,
상기 압축 응력역에 있어서의 최대 압축 응력이 30 MPa 이상 항복 응력 이하이며,
상기 인장 응력역에 있어서의 최대 인장 응력이 20 MPa 이상 항복 응력 이하인,
방향성 전기강판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 방향성 전기강판의 자속밀도 B₈ 이 1.94 T 이상인, 방향성 전기강판.
방향성 전기강판에 선상 변형부를 형성하는 방향성 전기강판의 제조 방법으로서, 상기 강판의 표면에, 전자빔의 조사를, 상기 강판의 압연 방향을 횡단하는 방향으로의 이동 및 정류를 반복하여 실시할 때에, 상기 강판에 판두께 방향의 진동을, 상기 방향성 전기강판의 판두께 방향의 진동에 있어서의 진폭이 0.05 mm 이상 1 mm 이하가 되도록 부여하여 상기 선상 변형부를 형성하는, 방향성 전기강판의 제조 방법.
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