KR20110063187A - 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향성 전기강판에 관한 것으로, 표면에 선상 홈이 다수개 형성되어 자구미세화 처리된 방향성 전기강판에 있어서, 강판 표면으로부터 바닥부에 이르는 홈 깊이를 H, 강판 표면으로부터의 깊이가 홈 깊이의 4/5 이상인 바닥면의 수평길이를 W라 할 때, 상기 홈 깊이와 바닥면의 수평길이는 0.1≤2H/W≤2 의 관계를 만족하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판이 제공된다. 이에 따라 방향성 전기강판의 철손을 자구미세화에 의해 10~20% 개선함과 동시에, 응력제거 소둔후에도 자속밀도가 열화되지 않게 되어 극히 우수한 자기적 특성을 갖는 방향성 전기강판의 제조가 가능하다.

방향성 전기강판, 자구미세화, 펨토세컨드(femto-second) 레이저, 엔디야그(Nd-YAG) 레이저, 응력제거 소둔

Description

저철손 고자속밀도 방향성 전기강판{Grain-oriented electrical steel sheet having low core loss and high magnetic flux density}

본 발명은 변압기 등에서 권선에 인가된 전압에 의해 자장의 이동경로로 이용되는 철심 등으로 사용되는 방향성 전기강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적정 홈 형상인자를 갖는 자구미세화 홈이 표면에 형성되어 응력제거 소둔후의 철손과 자속밀도가 모두 우수한 방향성 전기강판에 관한 것이다.

방향성 전기강판은 압연방향과 평행한 {110}<001>방위의 이차재결정 집합조직을 나타내는 실리콘강(Si-Steel)으로, 그 제조법은 미국특허 1,965,559에서 고스(N.P.Goss)에 의해 처음으로 제시된 이래, 철손특성 향상을 위해 많은 연구자들에 의해 새로운 제조방법이 발명되어 소개되고 있다.

방향성 전기강판의 철손저감 방안으로는 {110}<001> 방위의 집합조직 배향성을 증대시키는 방법, 강판의 두께를 감소시키는 방법, 코팅 등에 의해 장력을 인가하는 방법 및 레이저나 치차롤 등에 의해 자구를 미세화하는 방법으로 대별할 수 있다.

집합조직의 배향성을 증대시키는 방법은 1차 재결정립의 결정립 성장 억제력 을 강화시켜 (110)[001] 고스(Goss) 방위로부터의 편차가 적은 2차 재결정립을 성장시키는 방법으로 미국특허 USP 3159511에 게시되어 있다.

강판의 두께를 감소시키는 방법은 와전류에 의한 손실을 감소하여 철손을 개선하는 방법으로 미국특허 USP 3287183에 개시되어 있다.

자구를 미세화하는 방법은 일본특허공보 58-26405 및 미국 USP 4203784에소개되어 있으며, 강판의 표면에 레이저나 기계적 방법을 이용하여 압연방향과 수직한 방향으로 자구를 미세화하여 철손을 감소시키도록 하는 방법이다.

자구미세화 방법은 응력제거 소둔후 자구미세화에 의한 자기특성 개선효과가 유지되는지 여부에 따라 일시자구미세화와 영구자구미세화로 대별할 수 있다.

일시자구미세화 방법은 열에너지나 기계적 에너지로 표면에 국부적인 압축응력을 인가함으로써 발생한 자기탄성에너지를 최소화시키기 위해 90°도메인 (Domain)을 형성함으로써 자구를 미세화시키는 기술이다.

일시자구미세화 기술은 도메인을 미세화시키는 에너지원에 따라 특공소 57-2252B, 특공소 58-5968B 및 특공평7-072300에서와 같이 1)레이저 자구미세화법, 2)볼스크래치법, 3)플라즈마에 의한 자구미세화법 및 4)초음파에 의한 자구미세화법이 있으며, 레이저나 볼, 플라즈마 및 초음파에 의하여 전기강판의 표면에 국부적인 압축 응력부를 형성시킴으로써 자구를 미세화시키도록 하고 있다.

그러나 이러한 일시자구미세화 방법은 강판 표면의 절연 코팅층 손상을 일으키기 때문에 재코팅을 하거나, 최종제품이 아닌 중간 공정에서 자구미세화 처리를 하기 때문에 제조비용이 높고, 응력제거 소둔 후에 자구미세화 효과를 상실하는 단 점을 갖고 있다. 또한 에너지원을 레이저, 볼압입, 플라즈마 및 초음파를 이용하기 때문에 강판의 압축변형층 영역을 조절하기 위해서는 입력되는 에너지값을 증가시켜야만 가능한데, 이는 자구미세화 처리시에 표면 손상을 일으키는 문제를 발생시킨다.

열처리 후에도 철손개선 효과를 유지할 수 있는 영구자구미세화 방법은 에칭법과 롤법으로 대별할 수 있다.

에칭법은 전기강판 표면에 감광성수지로 마스킹 후 포토에칭이나 레이저 혹은 플라즈마를 이용하여 표면수지를 탈착한 후 용액 내에서 전기화학적인 방법으로 강판 표면에 5~300μm의 폭과 100μm의 깊이를 갖는 홈을 형성시키는 방법이 특공평6-57857에 공시되어 있다. 이러한 에칭법은 용액 내에서 산용액에서 전기화학적인 부식반응에 의해 강판 표면에 홈을 형성시키기 때문에 홈의 형상(홈 폭, 홈 깊이) 제어가 어렵고, 강판을 생산하는 중간공정(탈탄소둔, 고온소둔 전)에서 홈을 형성 시키기 때문에 최종 제품의 철손특성의 보증이 어려우며 산 용액을 사용하기 때문에 환경친화적이지 못한 단점을 갖고 있다.

롤에 의한 영구자구미세화 방법은 롤에 돌기모양을 가공하여 가압법에 의해서 강판 표면에 홈을 형성하는 방법으로 강판 표면에 300μm이하의 폭과 5μm의 깊이를 갖는 홈을 형성시키는 방법이 특개평5-202450에 소개되어 있다. 이러한 롤에 의한 영구자구미세화 방법은 영구자구미세화 처리후 강판을 소둔하여 홈 하부의 재결정을 발생시킴으로써 자구를 미세화시키는 기술에 해당하나, 기계 가공에 대한 안정성과 신뢰성이 낮고 프로세스가 복잡한 단점을 갖고 있다.

뿐만 아니라, 에칭법과 롤법 등의 영구자구미세화 기술은 자구미세화에 의하여 철손을 저감하는 효과가 달성되나 응력제거 소둔후에 자속밀도가 낮아지는 문제를 발생한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 적정 홈 형상인자를 갖는 자구미세화 홈이 표면에 형성되어 철손이 낮으면서도 응력제거 소둔후에 자속밀도가 열화되지 않아 자기적 특성이 우수한 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판은 표면에 선상 홈이 다수개 형성되어 자구미세화 처리된 방향성 전기강판에 있어서, 강판 표면으로부터 바닥부에 이르는 홈 깊이를 H, 강판 표면으로부터의 깊이가 홈 깊이의 4/5 이상인 바닥면의 수평길이를 W라 할 때, 상기 홈 깊이와 바닥면의 수평길이는 하기 식1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

[식1] 0.1≤2H/W≤2

상기 홈은 폭 4~300um, 깊이 3~30um로 형성되어 압연방향으로 2~15mm의 간격으로 배열된 것을 특징으로 한다.

상기 바닥면의 수평길이와 개구부의 홈 폭은 하기 식2의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

[식2] W≥0.4L (L은 개구부의 홈 폭)

상기 전기강판의 표면에 형성된 다수의 선상 홈은 U자, W자, 사다리꼴, 직사각형, 반원형 중의 어느 하나의 단면 형상을 갖는 홈을 적어도 하나 이상 포함함을 특징으로 한다.

상기 홈은 고출력 레이저로부터 출사된 레이저빔이 강판 표면에 조사되어 형성되어진 것을 특징으로 한다.

상기 강판은 0.30mm미만의 박물 두께 또는 0.30mm이상의 후물 두께로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 강판은 자구미세화전에 대비하여 응력제거 소둔후의 철손 저감율이 10%이상, 자속밀도 감소율이 1% 미만인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 자구미세화 처리에 의한 철손 개선효과를 약 10~20%로 극대화함과 동시에, 응력제거 소둔후의 자속밀도 열화를 방지함으로써 극히 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

본 발명자는 종래 기술에서 인식하지 못하였던 자구미세화 홈의 열영향부에 의한 자속밀도 열화 문제를 해소하고자 많은 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과 종래에 제시되어 있지 않은 자구미세화 처리된 강판 표면의 홈 형성인자를 제어함으로써 응력제거 소둔후의 철손 저감효과를 극대화하면서도 열영향부에 의한 자속밀도 열화를 억제할 수 있음을 최초로 발견하였다.

본 발명자는 우선, 종래의 방법으로 레이저의 출력과 조사속도를 제어하여 2차재결정후의 강판 표면에 여러가지 폭과 깊이의 자구미세화 홈을 형성하였다. 이와 같이 형성된 자구미세화 홈을 단면을 관찰한 결과 모두 쐐기형(V자형)으로 형성 되었으며, 어떠한 폭과 깊이로 홈을 형성하더라도 응력제거 소둔후의 철손과 자속밀도는 종래수준 이상으로 개선되지 않았다. 이는 자구미세화 홈을 형성하는 과정에서 생성된 열영향부가 응력제거소둔 후에 자성을 열화시키는 요인으로 크게 작용하기 때문인 것으로 생각되었으며, 단순히 자구미세화 홈의 폭과 깊이, 또는 이들의 관계를 제어하는 것만으로는 응력제거 소둔후의 자성 열화문제를 해소하지 못할 것으로 결론지을 수 있었다.

이에 더 나아가, 본 발명자는 자구미세화 홈 하부의 바닥면이 열영향부로 인한 자성 열화를 방지하는데 어떠한 영향을 미치는 것은 아닌지의 여부를 확인하기 위해 여러 실험을 수행하였으며, 그 결과 기존에 알려져 있지 않은 새로운 홈 형성인자를 도입함으로서 응력제거 소둔후에 종래에는 달성되기 어려운 높은 수준의 자속밀도를 갖는 방향성 전기강판을 제조할 수 있음을 발견하였다.

본 발명의 요지는 다음과 같다.

본 발명은 2차재결정후의 강판 표면에 선상 홈이 다수개 형성되어 자구미세화 처리된 방향성 전기강판에 있어서, 강판 표면으로부터 바닥부에 이르는 홈 깊이(H)와, 바닥면의 수평길이(W)로부터 정의되는 홈 형성인자(2H/W)가 하기 식1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다.

[식1] 0.1≤2H/W≤2

여기서, 바닥면은 강판 표면으로부터의 깊이가 홈 깊이의 4/5 이상인 부분을 의미한다.

이하에서는 본 발명자에 의해 수행된 구체적인 실험내용을 바탕으로 본 발명 에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명자는 2차재결정후의 강판상에 레이저 빔을 조사하여 자구미세화 홈을 강판 표면에 형성하였다. 레이저에 의한 홈 형성은 펨토세컨드(Femto-Second) 레이저 및 엔디야그(Nd-YAG) 레이저를 이용하여 10KHz~200MHz의 진동수와, 6~100Watts의 세기 범위에서 출력을 조절하면서 레이저 빔을 출사하여 수행하였다. 이에 따라 강판 표면에 다양한 폭과 깊이로 이루어진 홈을 형성시킬 수 있었다. 이때, 레이저로부터 출사된 빔은 빔형성 미러와 초점미러(Focal Mirror)를 통해 강판의 표면에 조사되도록 하였으며, 다양한 형상과 초점거리를 갖는 빔형성 미러와 초점미러들을 사용하고 그 배치 위치와 거리조절 및 각도를 제어함으로서 홈의 형상을 쐐기형(V자형)은 물론, U자형, W자형, 반원형, 직사각형, 사다리꼴 등의 여러가지 형상으로 변화시킬 수 있었다. 그 결과 강판 표면에 깊이 6~15μm, 폭 6~50μm의 예리한 홈을 강판의 진행방향에 수직방향으로 형성시킬 수 있었다.

도 1은 이와 같이 형성된 홈의 3차원 홈 형성도, 도 2는 본 발명에 따른 강판 표면의 홈 형상 모식도, 도 3은 본 발명에 따른 자구미세화 홈의 단면을 나타낸 도면이다.

도 3의 도시를 참조하면 바닥부(B)는 자구미세화 홈의 저점(邸店)에 해당하며, 홈 깊이(H)는 강판 표면으로부터 바닥부에 이르는 거리이다. 강판 표면으로부터의 깊이가 홈 깊이(H)의 4/5 이상인 영역을 홈 하부 바닥면으로 하였으며, 이때, 바닥면의 수평길이(W)는 상기 바닥면의 압연방향으로의 길이(A-A'간 거리)를 측정한 값으로 하였다.

레이저 조사 전의 강판의 철손과 자속밀도, 레이저 조사에 의한 자구미세화 홈을 강판 표면에 형성하고 응력제거 소둔을 수행한 후의 강판의 철손과 자속밀도를 각각 측정하였다.

하기 표 1은 강판의 홈 형성인자와, 레이저 조사전 대비 응력제거 소둔후의 철손 개선율 및 자속밀도 변화율을 나타낸 것이다.

[표 1]

표 1로부터, 홈 깊이(H)와 바닥면의 수평길이(W)에 의하여 정의되는 홈 형성인자가 0.1≤2H/W≤2 인 관계를 만족하는 때에 응력제거 소둔후 철손과 자속밀도가 모두 우수한 것으로 확인된다.

즉, 본 발명의 홈 형상인자 범위에 속하는 발명예C~H는 철손 개선율이 높음은 물론, 응력제거소둔 후에도 자속밀도가 열화되지 않았다. 이에 반하여, 비교예I 와 J는 홈의 단면 형상이 쐐기형이었으며, 홈 바닥부의 수평길이가 짧아 응력제거 소둔후의 자속밀도가 낮았다. 비교예A와 B는 홈의 깊이가 작아 자구미세화에 의한 철손 저감 효과가 미미하였으며, 응력제거소둔 후에 자속밀도가 열화되었다.

이와 같이 바닥면의 수평길이(W)와 홈 깊이(H)가 본 발명의 홈 형상인자 범위에 속하는 경우, 응력제거 소둔후 열영향부에 의한 자속밀도 열화가 발생되지 않으나, 본 발명의 홈 형상인자 범위에서 벗어나는 경우 응력제거 소둔후 열영향부의 영향으로 자속밀도가 열화된다.

이는 자구미세화 홈 하부 바닥면의 수평길이와 홈 깊이를 본 발명의 홈 형성인자 범위를 만족하도록 제어하는 경우, 자구미세화 홈 형성으로 인한 열영향부의 생성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 응력제거 소둔시 작용되는 열영향부의 영향을 최소화하여 자성을 열화를 방지할 수 있기 때문으로 생각된다.

상기 홈은 폭 4~300um, 깊이 3~30um로 형성되고, 홈의 압연방향으로의 간격은 2~15mm로 배열됨이 바람직하다. 개구부의 홈 폭이 4um미만, 또는 깊이가 3um미만이거나 홈간 간격이 15mm를 초과하게 되면 자구미세화에 의한 철손 저감효과를 충분히 얻을 수 없다. 또한, 개구부의 홈 폭이 300um를 초과하거나 깊이 30um를 초과하는 경우, 또는 홈간 간격이 2mm미만인 경우에는 오히려 철손의 열화를 초래하게 된다. 보다 바람직한 범위는 홈 폭이 6~50μm로 형성되고, 홈 깊이는 6~15μm로 형성되는 것이다.

또한 상기 선상 홈은 강판의 진행방향과 45~90°의 각을 이루도록 형성됨이 바람직하다. 이는 이와 같은 범위에서 자구미세화 홈에 의한 자성 향상 효과를 극 대화할 수 있기 때문이다. 보다 바람직한 선상 홈과 강판 진행방향이 이루는 각도는 85~90°이다.

또한, 본 발명자는 바닥면의 수평길이와 홈 깊이간 관계 뿐만 아니라, 바닥면의 수평길이와 개구부의 홈 폭간의 관계를 제어함으로서 응력제거 소둔후 철손을 보다 저감할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명자는 2차재결정후의 강판에 레이저 빔을 조사하여 U자형의 단면형상을 갖는 자구미세화 홈을 강판 표면에 다양한 깊이와 폭으로 형성하였으며, 레이저 조사전의 강판의 철손과 자속밀도, 레이저 조사에 의한 자구미세화 홈을 강판 표면에 형성하고 응력제거 소둔을 수행한 후의 강판의 철손과 자속밀도를 각각 측정하였다.

하기 표 2는 강판의 개구부의 홈 폭(L)에 대한 바닥부 수평길이(W)의 비와, 레이저 조사전 대비 응력제거 소둔후의 철손 개선율 및 자속밀도 변화율을 나타낸 것이다.

[표 2]

표 2로부터 알 수 있듯이, W/L이 0.4 이상인 발명예(K,L,O)의 경우 철손 개선율이 13%를 초과하여 W/L이 0.4 미만인 시험예(M,N)에 비하여 철손 개선효과가 보다 뛰어남을 알 수 있다.

따라서 홈 바닥면의 수평길이(W)와 홈 깊이(H)가 본 발명의 홈 형성인자 범위에 속하는 경우에 있어서도, 특히 개구부의 홈 폭(L)과 바닥면의 수평길이(W)가 W≥0.4L 의 조건을 만족하는 때에 응력제거 소둔후 철손 저감율이 13% 이상으로 매우 우수하며, 응력제거 소둔후에 자속밀도가 열화되지 않음을 확인할 수 있다.

본 발명의 방향성 전기강판 표면에 형성된 홈의 단면형상은 U자, W자, 사다리꼴, 직사각형, 반원형 형상인 것이 응력제거소둔 후의 철손과 자속밀도 향상에 바람직하다. 이는 본 발명의 홈 형상인자(2H/W) 조건에 부합되는 U자, W자, 사다리꼴, 직사각형 혹은 반원형의 단면을 갖는 홈을 형성시킴으로서 홈 바닥면의 비율이 증가되고, 또한 바닥면의 수평길이(W)와 개구부의 홈 폭(L)이 W≥0.4L 의 조건에 부합되어 열영향부로 인한 악영향이 최소화될 수 있기 때문이다.

그러나 본 발명에서 홈의 형상이 예시된 바와 같은 형태로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위에 속하는 홈 형성인자를 갖는 자구미세화 홈이 형성된 방향성 전기강판이라면 본 발명의 보호범위에 속함은 자명하다.

상기 홈은 고출력 레이저로부터 출사된 비접촉식 레이저빔이 강판 표면에 조사되어 형성되어진 것이 바람직하다. 특히 펨토세컨드 레이저로부터 출사된 빔을 강판 표면에 조사함으로써 CO₂ 레이저 빔 조사에서 발생할 수 있는 열영향부의 영향 을 줄일 수 있다. 이때, 빔형성 미러와 초점미러(Focal Mirror)의 초점거리와 배치 거리 및 위치, 혹은 각도를 제어하여 레이저 빔의 형태를 조절하고, 레이저 빔 조사속도와 출력을 조절함으로써 개구부의 홈 폭을 4μm까지 작게 가공할 수 있으며, 홈의 단면형상을 변화시켜 홈 형성인자를 제어할 수 있다. 이와 같은 방법을 이용하여 자구미세화 처리를 함으로써 롤압입이나 프레스법을 이용한 자구미세화에서 발생할 수 있는 홈 하부의 결함 발생을 억제함은 물론, 제어 및 신뢰성 측면에서 안정적인 이점을 얻을 수 있다.

절연피막의 재코팅을 방지하기 위하여는 절연피막 코팅 직전이나 탈탄판에 대하여 자구미세화를 수행함이 바람직하나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며 절연피막 코팅 후에 자구미세화를 수행하는 것도 가능하다.

본 발명의 선상 홈은 강판의 폭방향으로 연속적 패턴으로 형성되거나 혹은 다수의 홈들이 강판의 폭방향으로 형성된 단속적 패턴으로 형성될 수도 있다.

상기 강판은 0.30mm미만의 박물 두께 또는 0.30mm이상의 후물 두께로 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명은 0.30mm미만의 박물제품 뿐만 아니라, 0.30mm이상의 후물제품에 대하여도 응력제거 소둔후 자구미세화 효과를 유지할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 범위에 속하는 홈 형상인자를 갖는 자구미세화 홈이 형성된 방향성 전기강판은 응력제거 소둔후에 자속밀도가 열화되지 않으면서 높은 철손 개선 효과를 얻을 수 있으며, 레이저 조사 전과 대비하여 응력제거 소둔후의 철손 저감율이 10~20%로 높고 자속밀도 감소율이 1%미만에 해당하는 극히 우수한 자기적 특성을 갖는 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

도 1은 레이저에 의한 표면 홈 형상의 3차원도,

도 2는 본 발명에 따른 강판 표면의 홈 형상 모식도,

도 3은 본 발명에 따른 자구미세화 홈의 단면을 나타낸 도면이다.

Claims (7)

1. 표면에 선상 홈이 다수개 형성되어 자구미세화 처리된 방향성 전기강판에 있어서,

   강판 표면으로부터 바닥부에 이르는 홈 깊이를 H, 강판 표면으로부터의 깊이가 홈 깊이의 4/5 이상인 바닥면의 수평길이를 W라 할 때, 상기 홈 깊이와 바닥면의 수평길이는 하기 식1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.

   [식1] 0.1≤2H/W≤2
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 홈은 폭 4~300um, 깊이 3~30um로 형성되어 압연방향으로 2~15mm의 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 바닥면의 수평길이와 개구부의 홈 폭은 하기 식2의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.

   [식2] W≥0.4L (L은 개구부의 홈 폭을 의미한다)
4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전기강판의 표면에 형성된 다수의 선상 홈은 U자, W자, 사다리꼴, 직사각형, 반원형 중의 어느 하나의 단면 형상을 갖는 홈을 적어도 하나 이상 포함함을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.
5. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,

   상기 홈은 고출력 레이저로부터 출사된 레이저빔이 강판 표면에 조사되어 형성되어진 것을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.
6. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,

   상기 강판은 0.30mm미만의 박물 두께 또는 0.30mm이상의 후물 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.
7. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,

   상기 강판은 자구미세화전과 대비하여 응력제거 소둔후의 철손 저감율이 10%이상, 자속밀도 감소율이 1% 미만인 것을 특징으로 하는 저철손 고자속밀도 방향성 전기강판.

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