KR20020050012A

KR20020050012A - 초고규소강판의 제조방법

Info

Publication number: KR20020050012A
Application number: KR1020000079341A
Authority: KR
Inventors: 전중환; 정진호; 박치록
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-06-26

Abstract

본 발명은 변압기와 모터 등의 철심재료로서 널리 사용되고 있는 규소강판에 관한 것이며; 그 목적은 초고규소강판을 제조하는데 있어서 화학증착법 대신에 물리증착을 이용하여 순수 실리콘을 증발시킨 후 확산열처리를 통해 초규소강판을 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 규소강판의 제조방법에 있어서, 통상의 규소강판의 표면을 세정하여 표면에 부착된 불순물을 제거한 다음, 불순물이 제거된 강판의 온도를 200℃ 이상으로 유지한 상태에서 전자빔을 조사하여 증착막의 양면 총 두께를 기준으로 상기 규소강판의 두께 대비 2.2~ 15.5%의 범위에서 실리콘을 상기 규소강판의 표면에 진공증착한 후, 실리콘이 증착된 강판을 900~ 1200℃의 온도에서 확산 열처리으로 하는 초고규소강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

초고규소강판의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING ULTRA HIGH SILICON STEEL SHEETS BY PVD}

본 발명은 변압기와 모터 등의 철심재료로서 널리 사용되고 있는 규소강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 통상 3%의 최대 규소농도를 가지고 있는 규소강판의 규소농도를 6.5%까지 증대시킬 수 있는 초고규소강의 제조방법에 관한 것이다.

규소강판은 우수한 연자성(soft magnetism)으로 인하여 변압기와 모터의 철심 등에 널리 사용되고 있다. 최근에 들어 고주파 영역에서 작동되는 기기에 대한 수요가 늘어나면서 고주파에서 자기적 특성이 우수한 소재에 대한 욕구가 증대되기 시작하였다.

규소강판의 자기적 특성 등은 보통 강중에 함유된 규소량에 따라 변화되는데, 도1에 도시된 바와 같이 규소 함량이 6.5%인 규소강판(이하, `초고규소강판')의 경우 규소강판의 자기적 특성이 최적 상태에 도달한다는 것은 잘 알려진 사실이다.

이러한 규소 함량 6.5%의 초고규소강판은 주로 방향성 규소강판의 대체재로 사용되는데, 주로 전차전원, 유도가열장치, 무정전 전원장치 등의 고주파 리액터(reactor)와, 도금전원, 용접기, X-선 전원 등의 고주파 변압기에 적용될 수 있다. 그 외에도 모터의 소모 전력을 줄이고 효율을 높이는 용도로 적용이 가능하며, 또한 자기차폐재로도 활용할 수 있다. 현재로서는 시장 규모가 크지 않지만 전자·전기기기의 고주파 사용이 급격히 늘어나고 있는 상황을 생각할 때 향후 그 응용분야는 점차 증대될 것으로 생각된다.

그러나, 규소농도가 높아질수록 규소강판의 연신율은 급격히 작아지며, 따라서 3% 이상의 규소를 함유하는 규소강판을 기존의 냉간압연법으로 제조하는 것은 거의 불가능하다. 현재 6.5% 초고규소강판을 제조할 수 있는 방법으로 알려져 있는 것은 ① 망간, 니켈, 알루미늄 등을 첨가한 고규소강 슬라브를 1.5∼3mm 두께로 열간압연한 후 온간(500∼700℃)압연으로 0.35∼0.5mm 두께의 판재를 제조하는 방법, ② 약 3% 규소강판을 0.3∼0.5mm 두께로 냉간압연한 후 열화학증착법(thermal CVD)을 이용해 Si을 증착하고 확산열처리를 통해서 균일한 조성분포를 갖는 6.5% 규소강판을 제조하는 방법, 그리고 ③ 단롤(single roll) 또는 쌍롤(twin roll)을 이용하여 고규소강을 직접 판재로 주조하는 방법 등이 있다.

이 중에서 유일하게 실용화되어있는 방법은 ②의 화학증착법과 확산열처리를 조합하는 기술이다. 그대표적인 예로서 일본 특허공개 소63-26312호에는 규소강판 코일 소재의 표면에 Si를 CVD증착한 후 확산 열처리하여 냉각하는 고규소강판이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법으로 6.5% Si의 초고규소강판을 제조하는 공정은 대단히 긴 반응조를 필요로 한다는 단점이 있다. 그리고, 유독성이면서 부식성이 강한 반응성 기체인 사염화규소(SiCl₄)를 규소 증착의 원료로 사용하기 때문에 안전을 위한 설비 투자가 필요하며, 또한 설비의 부식이 심해서 잦은 정비가 필요하다는 단점이 있다.

본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 그 목적은 초고규소강판을 제조하는데 있어서 화학증착법 대신에 물리증착을 이용하여 순수 실리콘을 증발시킨 후 확산열처리를 통해 초규소강판을 제공함에 있다.

도1은 규소함량에 따른 강판의 자기적, 기계적 특성 변화를 보이는 그래프.

도2는 본 발명의 제조공정을 설명하기 위한 모식도.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 규소강판의 제조방법에 있어서,

통상의 규소강판의 표면을 세정하여 표면에 부착된 불순물을 제거한 다음, 불순물이 제거된 강판의 온도를 200℃ 이상, 1,400℃ 이하로 유지한 상태에서 전자빔을 조사하여 증착막의 양면 총 두께를 기준으로 상기 규소강판의 두께 대비 2.2~ 15.5%의 범위에서 실리콘을 상기 규소강판의 표면에 진공증착한 후, 실리콘이 증착된 강판을 900~ 1200℃의 온도에서 확산 열처리하는 초고규소강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 통상적인 규소강판의 표면에 물리증착에 의해 Si증착한 후 확산 열처리하여 초고규소강판을 제조함에 특징이 있다. 본 발명의 제조에 있어 적용되는 규소강판은 통상적인 규소강판이면 어떠한 것이라도 무방하나, 바람직하게는 규소 함량이 약 1.0~ 3.5% 정도 함유된 규소강판을 사용하는 것이다. 보다 바람직하게는 약 3.0%의 Si함유 강판을 이용하는 것이다.

도2는 본 발명의 초고규소강판의 제조공정을 설명하기 위한 모식도로서, 도2에 도시된 바와 같이, 먼저 본 발명에 의한 초고규소강판의 제조에 있어서는 진공증착에 앞서서 소지 강판의 표면에 흡착 수분이나 오염물, 불순원소 등이 존재하지 않도록 청정한 표면을 구현하는 것이 대단히 중요하다. 그렇지 못한 경우에는 확산열처리 과정에서 소재의 내부에 불균일한 확산으로 인하여 공극이 형성되며 결과적으로 자성에 악영향을 미치게 된다. 이러한 전처리 과정에는 산세 및 초음파 세척 등 다양하게 이용될 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터 에칭(sputter etching)을 행하는 것이다. 보통 스퍼터 에칭을 할 때 수소 플라즈마를 이용해서 표면을 에칭하는 것이 가장 청정한 표면을 얻을 수 있지만, 본 발명에 있어서는 수소를 사용하지 않고 아르곤 가스의 플라즈마만을 이용해서 물리적인 방법으로 표면 청정을 실시함이 바람직하다. 본 발명에서는 수소 플라즈마 에칭을 사용할 때 표면의 수소 안정화 현상이 일어나서 실리콘 피막이 증착된 후 대부분 박리되는 현상이 일어나기 때문이다.

이렇게 통상의 규소강판의 표면을 세정하여 표면에 부착된 불순물을 제거한 다음에는, 상기 불순물이 제거된 강판의 온도를 200℃ 이상으로 유지한 상태에서 전자빔을 조사하여 도2와 같이 강판의 표면에 실리콘을 증착한다.

진공증착 공정에서 소지 강판의 온도를 200℃ 이하로 하여 실리콘을 증착하게 되면 부분적으로 또는 전체적으로 피막의 박리가 일어나서 후속 공정을 시행할 수 없는 상황이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 상기 강판의 온도를 200℃ 이상으로 규정하여 피막의 최소한의 밀착성을 확보하기 위함이다.

또한, 진공증착 공정에서 소지 강판의 온도를 1,400℃ 이하로 유지하는 이유는 이 온도 이상에서는 소지강판의 기계적 성질이 크게 열화되어 증착후 사용이 불가능한 상태가 되기 때문이다. 다시 말해서 소지강판의 취성이 증대되어 모터 코어 등으로의 가공을 실시하는 경우에 소재의 파단이 일어나게 된다.

본 발명에서는 이와같이 강판을 가열한 상태에서 최종적으로 얻고자 하는 조성을 고려해서 실리콘 증착 두께를 제어하면서 실리콘 진공증착을 행한다. 실리콘 진공증착시 증착두께는 소지 강판의 두께에 대한 비율로서 양면의 총 두께를 2.2~ 15.5%의 범위가 되도록 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 실리콘 증착 두께가 소지강판의 두께 대비 2.2%에 이르게 되면 확산열처리를 거쳐서 최종적으로 얻게 되는 규소조성은 3.5%가 되므로 이 이하의 규소 조성에서는 이와 같이 복잡한 공정을 통해서 제조할 만큼 우수한 자성을 얻을 수 없기 때문이다. 또한, 소지 강판 두께 대비 15.5%는 약 6.5%의 규소 조성에 해당한다. 앞에서도 설명한 바와 같이 이 조성은 철-규소 합금에서 자왜가 최저값을 갖는 조성이기 때문에 이 이상으로 규소를 함유시키더라도 더 이상의 자성 향상을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 오히려 자성이 악화되었다. 뿐만 아니라 규소가 지나치게 많이 함유됨에 따라 소재의 취성이 커져서 철심재로 등으로의 사용이 불가능할 정도가 되어 바람직하지 않다.

본 발명의 경우 증착은 물리증착방법이면 어느 것이나 가능한데, 예를 들어진공증착, 스퍼터링(sputtering) 혹은 이온플레이팅(ion plating) 등을 적용할 수 있다.

이렇게 실리콘이 증착된 강판은 약 900~ 1200℃의 온도에서 확산 열처리를 행하면 강판 전체에 실리콘의 농도가 도2c와 같이 약 6.5% 정도로 균일하게 분포된 확산층이 형성될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

두께 0.30mm의 3% 방향성 규소강판의 표면을 염산용액을 이용하여 산세한 후, 아세톤과 알콜을 이용한 초음파 세척을 통해서 표면의 불순물을 최대한 제거하였다. 그 후 소재를 진공조에 장입하고 5×10^-5torr 이하의 진공도로 배기한 후, 진공이 이루어진 상태에서 소재를 200℃로 가열하여 표면에 흡착된 수분을 증발을 통해서 제거하였다. 그 다음, 5×10^-3에서 5×10^-2torr 사이의 진공도를 갖도록 아르곤 가스를 도입한 후 소재에 -800V에서 -2000V 사이의 직류 전압을 인가하여 글로방전 플라즈마를 발생시킴으로써 스퍼터 에칭을 실시하였다. 이때, 스퍼터 에칭 시간은 소재에 흐르는 전류가 초기치의 1/2 이하로 감소하는 시점까지를 기준으로 하였으며 대략 15분에서 30분 정도의 시간이 소요되었다.

스퍼터 에칭이 끝난 후에는 다시 5×10^-5torr 이하의 진공도로 진공조를 배기한 후, 전자빔 증발원을 이용해서 몰리브덴 도가니에 담긴 실리콘을 증발시켜서 표1과 같은 두께로 진공증착을 실시하였다. 이때, 진공증착은 소재의 양면에 모두균일하게 증착이 이루어지도록 소재를 360도 회전시키면서 3kW에서 5kW 사이의 전자빔 출력을 사용하여 최대 0.6 ㎛/min의 증착속도로 행하였으며, 원하는 두께로 실리콘을 증착한 후에는 소재를 50℃ 이하로 냉각시킨 후 진공조에서 탈착하였다.

그 다음, 불활성 분위기로 유지된 열처리로에 소재를 장입하고 표1과 같은 온도로 가열하여 확산열처리를 실시하였다. 표 1에 본 발명예와 비교예에 대한 주요 제조조건과 Si함량 및 성능 평가 결과를 나타내었다.

구분	증착조건	확산열처리(℃)	Si함량(중량%)	자성측정 결과
구분	증착온도(℃)	확산열처리(℃)	Si함량(중량%)	증착두께(㎛)	B₈	W_10/50	W_10/400	W_5/1000
발명예1	210	6.7	1,150	3.56	1.78	0.65	12.5	14.5
발명예2	320	15	1,150	4.25	1.67	0.61	11.0	12.8
발명예3	450	28	1,200	5.33	1.64	0.47	8.7	9.6
발명예4	420	42	1,200	6.50	1.58	0.32	7.5	8.6
비교예1	250	6.0	1,150	3.50	1.80	0.69	14.2	14.9
비교예2	400	46	1,200	6.83	-	-	-	-
비교예3	185	14	1,150	4.17	-	-	-	-
종래예	무처리	-	-	3.00	1.93	0.70	14.4	15.0

표1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건범위를 벗어나 소지 두께 대비 약 2% 정도로 증착된 비교예(1)의 경우 자기적 특성이 다소 떨어졌으며, 너무 두껍게 증착된 비교예(2)의 경우 확산열처리 후 소재의 취성이 급격히 증가하여 소재의 파괴가 발생함으로써 자성 측정이 불가능하였다. 또한, 증착온도가 다소 낮은 비교예(3)의 경우 실리콘 증착층의 심한 박리로 인하여 열처리 후 시편 상태가 자성 측정이 불가능할 정도로 변형이 발생하였다.

이에 반하여 본 발명의 조건 범위를 만족하는 발명예(1~ 4)의 경우 최종 강판에 Si함량이 약 6.5% 함유되면서 자기적 특성이 매우 우수함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 화학증착법 대신에 물리증착을 이용하여 순수 실리콘을 증발시킨 후 확산열처리를 통해 초규소강판을 제공하므로써, 화학증착법이 갖는 공해유발 및 설비의 부식 문제를 완벽하게 해결할 수 있으며, 이렇게 제공된 규소 함량 6.5%의 초고규소강판은 전차전원, 유도가열장치, 무정전 전원장치 등의 고주파 리액터와 도금전원, 용접기, X-선 전원 등의 고주파 변압기나 모터 등 다양하게 이용될 수 있다.

Claims

규소강판의 제조방법에 있어서,

통상의 규소강판의 표면을 세정하여 표면에 부착된 불순물을 제거한 다음, 불순물이 제거된 강판의 온도를 200℃ 이상, 1,400℃ 이하로 유지한 상태에서 전자빔을 조사하여 증착막의 양면 총 두께를 기준으로 상기 규소강판의 두께 대비 2.2~ 15.5%의 범위에서 실리콘을 상기 규소강판의 표면에 진공증착한 후, 실리콘이 증착된 강판을 900~ 1200℃의 온도에서 확산 열처리함을 특징으로 하는 초고규소강판의 제조방법.