KR20130055912A - 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판 - Google Patents

광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판 Download PDF

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Abstract

광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것으로, 방향성 전기강판의 절연피막 처리 공정에 있어 금속인산염, 콜로이달 실리카를 주요성분으로 하는 방향성 전기강판 장력코팅제로서, 상기 금속인산염은 제1인산 마그네슘(Mg(H2PO4)2)과 제1인산 알루미늄(Al(H2PO4)3)이 혼합된 혼합액이고; 상기 금속인산염 용액 100g에 대해, 5~15nm의 입자 크기를 갖는 콜로이달 실리카 고형분 30~60g을 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 방향성 전기강판 장력코팅제의 주요성분인 금속인산염의 구성비를 달리하여 코팅제의 건조속도를 향상시킴으로써 미건조에 의한 절연 불량 문제를 해소할 수 있고, 아울러 콜로이달 실리카의 입자를 현재의 30% 이상 미세한 크기와 혼용하여 코팅 조도를 낮춤으로써 궁극적으로 전기 절연성과 피막의 광택을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판{TENSION COATING AGENT FOR FORMING INSULATING FILM WITH EXCELLENT GLOSSY PROPERTY, ELECTRICAL RESISTANCE AND METHOD FOR FORMING INSULATION FILM USING THAT, AND ORIENTED ECECTRICAL STEEL SHEET WITH COATED INSULATING FILM THAT METHOD}
광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것으로, 특히 코팅제의 전기절연성 열위로 인한 와전류손의 저하를 막고 광택을 개선하여 변압기 제조를 위한 적층 작업시 피딩성을 좋게 함은 물론 궁극적으로 층간 고절연으로 인해 변압기의 효율을 높일 수 있도록 개선된 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 방향성 전기강판이란 3.1% Si성분을 함유한 강판으로서, 결정립의 방위가 (110)[001]방향으로 정열된 집합조직을 가지고 있으며, 이 제품은 압연방향으로 극히 우수한 자기적 특성을 가지고 있으므로 이 특성을 이용하여 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자 기기 등의 철심 재료로 사용된다.
본 발명과 관계되어 있는 공정은 방향성 전기강판의 최종공정인 '절연코팅 및 평탄화 소둔'으로서, 이 공정은 방향성 전기강판 포스테라이트층으로 구성된 1차 코팅위에 재코팅을 시행한 후 소둔하는 공정을 말하며, 이를 통해 소둔 후 냉각과정에서 피막과 소재와의 열팽창계수 차이에 의해 부가되는 인장응력으로 소재의 자기적 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
우수한 절연코팅은 기본적으로 외관에 결함이 없는 균일한 색상을 가져야 하지만, 기능성을 부여하려는 여러 가지 기술의 접목에 의하여 전기절연성을 향상시키고 피막의 밀착성을 강화시키는 것이 주로 이용되는 기술이었다.
최근 고 자속밀도급의 방향성 전기강판이 상용화되면서 최종 절연피막의 고 장력화를 추구하게 되었고, 실제 고 장력 절연피막이 최종제품의 자기적 특성 개선에 크게 기여함이 확인되었다.
또한, 장력피막의 특성 향상을 위해서 여러 가지 공정인자의 제어 기법이 응용되고 있으며, 현재 상품화되어 있는 방향성 전기강판은 강판과 폴스테라이트계 바탕 피막 위에 형성된 절연피막의 열팽창계수 차이를 이용하는 것에 의해 강판에 인장응력을 부가함으로써 철손감소 효과를 도모하고 있는 것이 좋은 예다.
대표적인 절연피막 형성방법으로서, 일본특허 특개평11-71683에서와 같이 고온의 유리 전이점을 가진 콜로이달 실리카를 사용하여 피막장력을 향상시킨 방법 또는 일본특허 제3098691호, 일본특허 제2688147호에서와 같이 알루미나 주체의 알루미나 솔(alumina sol)과 붕산 혼합액을 이용, 전기강판에 고장력의 산화물 피막을 형성하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 국내 등록특허 제0377566호와 같이 폴스테라이트계 바탕 피막 위에 특정 금속원자를 함유한 인산 수소염과 실리카로 구성된 제1층을 형성시킴으로써 폴스테라이트계 바탕피막과 절연피막과의 밀착성 향상을 유도하고, 그 위에 재차 붕산 알루미늄을 주성분으로 하는 제2층을 형성시킴으로써 더욱 강력한 피막장력 효과를 내는 기술이 개시되어 있다.
최근에는 고효율을 강조하여 고자속밀도급의 방향성 전기강판이 상용화되면서 최종 절연피막의 고장력화를 추구하게 되었고, 이에 따라 자성 개선의 기능적인 새로운 역할이 부가되고 있다.
통상의 절연 피막에 의한 장력 부여능은 0.23mm 방향성 전기강판의 경우 0.30~0.36 kg/㎟의 수준이고, 이 정도의 장력부여에 의해서도 최종 제품에 자성 기여율은 약 2~3%의 개선효과가 있다고 보고 되고 있다.
따라서, 피막층의 고장력부여에 의한 자성개선은 자성중의 철심손실 즉, 철손에 영향을 주고 있으며, 소재에 부여하는 장력에 의하여 와류손실을 축소할 수 있기 때문에 자성 개선이 가능하다.
이와 더불어 전기강판의 와전류손을 감소시키기 위해서 재료를 박판으로 제조하게 되었으며, 이러한 재료를 적층해서 사용하는 경우 판의 표면이 절연되어 있지 않으면 박판에 의한 적층 효과가 사라진다. 따라서 전기강판에 있어서 표면 절연은 매우 중요하며, 이를 위해서 강판에 전기 절연성을 부여하는 장력 코팅의 역할은 매우 크다고 하겠다.
특히, 고전압용 변압기에서는 전기 절연성이 더욱 중요한데, 상기에서 언급한 바와 같이 현 장력코팅 연구는 대부분이 고장력 부여 및 친환경을 강조한 Cr-free 코팅제 개발에 그 초점이 맞추어져 있으며, 전기절연성 및 고객사 작업성을 향상시키기 위한 코팅조도의 향상에는 기술개발이 매우 미진한 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 많은 한계점들을 극복하기 위해 창출된 것으로, 방향성 전기강판 장력코팅제의 주요성분인 콜로이달 실리카의 입자를 현재의 30% 이상 미세한 크기와 혼용하여 이를 통해 표면의 충진 효과를 극대화 시킴과 동시에 금속 인산염을 구성하고 있는 성분들의 구성비를 조정하여 건조속도를 가속화시켜 전기 절연성과 피막의 광택을 향상시킬 수 있도록 한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 그 방법에 의해 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 방향성 전기강판의 절연피막 처리 공정에 있어 금속인산염, 콜로이달 실리카를 주요성분으로 하는 방향성 전기강판 장력코팅제로서, 상기 금속인산염은 제1인산 마그네슘(Mg(H2PO4)2)과 제1인산 알루미늄(Al(H2PO4)3)이 혼합된 혼합액이고; 상기 금속인산염 용액 100g에 대해, 5~15nm의 입자 크기를 갖는 콜로이달 실리카 고형분 30~60g을 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 제공한다.
이때, 상기 금속인산염 혼합액은 제1인산 마그네슘과 제1인산 알루미늄의 비가 금속인산염 혼합액 100g을 기준으로 제1인산 마그네슘 25~90g, 제1인산 알루미늄 10~75g이 혼합되어 전체 100g이 되게 조성되는 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 콜로이탈 실리카는 5nm(A), 7nm(B), 15nm(C)로 서로 다른 입자 크기를 갖는 A,B,C가 혼합되어 구성되되, 상기 A,B,C의 구성비는 1:1:0, 0:1:1, 1:1:2 중 어느 하나의 중량비로 혼합된 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 방향성 전기강판에 절연피막을 형성하는 방법에 있어서; 상기 방향성 전기강판의 표면에 앞서 설명한 장력코팅제 조성물을 0.5 ~ 6.0 g/㎡ 범위에 걸쳐 도포하고, 800~900℃에서 10~50초간 건조 소부시켜 절연피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 이용한 절연피막 형성방법도 제공한다.
그리고, 본 발명은 방향성 전기강판의 표면에 앞서 설명한 방법으로 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 있어서; 상기 절연피막은 90mA 이하의 절연성을 가지면서 광택도는 45-53%를 유지하는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판도 제공한다.
본 발명에 따르면, 방향성 전기강판 장력코팅제의 주요성분인 금속인산염의 구성비를 달리하여 코팅제의 건조속도를 향상시킴으로써 미건조에 의한 절연 불량 문제를 해소할 수 있고, 아울러 콜로이달 실리카의 입자를 현재의 30% 이상 미세한 크기와 혼용하여 코팅 조도를 낮춤으로써 궁극적으로 전기 절연성과 피막의 광택을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 방향성 전기강판용 장력코팅제를 제조함에 있어 전기절연성을 개선하여 층간 와전류손을 감소시키고 표면광택을 향상시켜 변압기 적층 작업시 작업성을 향상시키는 동시에 제품의 이미지를 고급화하는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 고자속밀도급의 방향성 전기강판이 상용화되면서 최종 절연피막의 고장력화를 추구하게 되었고, 이에 따라 자성 개선의 기능적인 새로운 역할이 부가되게 되었는데, 결과적으로 방향성 전기강판에 전기절연성을 부여하는 장력 코팅의 역할은 매우 크다고 하겠다.
이러한 방향성 전기강판은 변압기를 제조하는 고객사에 코일 상태로 제공되는데, 고객사에서는 변압기 규격에 맞게 재가공하게 된다.
이렇게 재가공된 낱장의 강판을 적층하여 변압기를 제조하는데, 적층시 표면의 조도가 크면 강판과 강판 사이의 마찰로 인해 작업성이 감소하게 된다.
이러한 경우 표면이 미려한 코팅을 적용함에 의해 강판과 강판 사이의 마찰을 줄일 수 있으며, 동시에 표면에 광택을 부여함으로써 제품에 고급스러운 이미지를 부여 할 수 있다.
이와 같은 상황을 고려한 본 발명에 따른 장력코팅제의 주요성분은 피막장력을 부여하는 콜로이달 실리카, 코팅제, 강판 계면에 접착력을 부여하는 금속인산염(제1인산 마그네슘(Mg(H2PO4)2)과 제1인산 알루미늄(Al(H2PO4)3) 혼합액), CrO3 그리고 이외 기능성을 보강하기 위한 미량의 첨가제로 구성된다.
이때, 콜로이달 실리카의 경우 피막장력이 우수하며 제조비용이 비교적 저렴한 염기성 콜로이달 실리카를 사용하고 있으며, 장력코팅제의 바인더로 사용되는 산성의 금속 인산염과는 상용성이 좋지 않아 겔화 현상을 일으키게 된다.
이런 경우 산화크롬을 사용을 하면 두 성분이 혼합될 때 겔화 현상을 방지하고 코팅제가 안정한 액상을 지닐 수 있도록 한다.
또한, 장력코팅제의 절연성과 표면 광택을 향상시키기 위해서는 장력코팅의 성분과 건조 메커니즘에 대한 고찰이 필요하고 이에 대한 근본적인 기술을 제시해야 한다.
따라서, 본 발명자는 다음과 같은 기술을 제안함으로써 문제점들을 해결하였다.
첫째, 장력코팅제 성분 각각의 건조 메커니즘과 전기절연성과의 관계에 주목하였다. 위에서 언급한 바와 같이 코팅제를 구성하고 물은 각각의 성분 자체가 가지고 있는 물과 전체적으로 비중을 맞추어 주기 위해 첨가된 물로 구성되어 있는데 이들의 건조 메커니즘에 대한 해석은 아직까지 되어 있지 않다. 본 발명자는 이러한 성분들간의 건조 메커니즘이 다름을 파악함은 물론 건조가 완벽하게 이루어 지지 않을 때 절연성이 저하됨에 알았다.
특히,코팅제 성분 중 금속인산염, 즉 제1인산 마그네슘(Mg(H2PO4)2) 인산염의 건조속도가 다른 성분대비 열위하며, 따라서 코팅 성분 중 금속 인산염의 구성 성분비를 제1인산 알루미늄(Al(H2PO4)3) 위주로 설계하여 코팅제 건조 능력을 향상시키는 것을 주요한 특징으로 하고 있다.
둘째, 장력코팅제의 주요성분인 콜로이달 실리카의 입자 크기를 줄임으로써 코팅조도 향상에 의한 마찰 감소 및 광택을 향상시켰다. 콜로이달 실리카는 코팅제 소부시 열팽창 계수가 낮은 세라믹층을 형성하여 소재에 인장응력을 부여하는 작용을 하며, 그 첨가량은 인산염 용액 100g에 대하여 고형분인때의 중량으로 30g 이하인 경우는 적절한 세라믹층을 형성하지 못하여 소재에 인장응력을 부여하는 것이 부족하게 되고, 60g 이상에서는 코팅제에 고형분비가 높아져 강판의 표면품질을 저하시킨다.
그러나, 콜로이달 실리카는 인장응력을 부여하는 역할 외에 코팅 형성 이후에 표면조도를 좌우하며, 특히 사용되는 콜로이달 실리카의 입자 크기가 코팅조도에 결정적인 역할을 미치는 것으로 본 연구를 통해 밝혀졌다. 따라서 본 발명에서는 입자 크기에 대한 코팅조도 및 광택도와의 관계를 구했으며, 현재 사용되고 있는 콜로이달 실리카의 입자 크기에 비해 2배 이하로 작은 크기를 사용했을 때 가장 큰 효과를 발휘함을 알게 되었다.
더구나, 최근 고전력 변압기 수요증가에 따라 대형화되고 있으며, 이에 상응하게 적층되는 강판간의 절연 요구도 더욱 엄격해지고 있는 현실이다. 코팅제의 전기절연성을 향상시키기 위해서는 절연에 영향을 주는 인자에 대한 분석이 필요하다.
본 발명은 이를 위해 문헌적 조사와 함께 건조온도와의 실험적 관계를 통해 코팅의 건조가 불충분 할 때 코팅에 의한 전기절연성이 저하 됨을 알아냈다.
이를 기반으로 충분한 건조를 위해서는 건조로의 건조온도를 상향하는 것이 일반적인 방법이나 건조로 상향시 제품을 생산하기 위한 에너지의 소모가 커지며 따라서 생산 원가의 증가를 초래할 뿐만 아니라 건조로의 능력이 미치지 못할 경우 추가적인 설비 투자를 해야 하므로 본 발명에서는 건조온도 상승 또는 건조로의 추가적인 건조능력 향상 없이 완전한 건조가 가능한 방법에 대하여 고민하였다.
이에, 코팅제 성분간의 건조 메커니즘의 차이를 분석하였는데, 코팅제 성분별 건조속도를 파악하기 위해 인산염을 기본으로 콜로이달 실리카, 코팅제 희석용 물 순으로 차례대로 첨가하여 건조온도 800-900℃의 범위, 특히 850℃에서 시간을 달리하여 건조한 후 증발된 양을 표 1에 나타내었다.
표 1에서 보는 바와 같이, 콜로이달 실리카는 짧은 시간 안에 거의 완벽하게 건조되는데 반해, 인산염은 20초 이전까지는 인산염내에 존재하는 물을 완전히 건조 시키지 30초 이상이 되어야 성분내에 존재하는 물을 증발시킬 수 있었다.
이때, 표 1에서 미건조 물 함량이 0에 가까울수록 완벽한 건조를 의미한다.
코팅제 성분 이론적 물 함량
(%)		 건조 시간에 따른 물 함량 미건조 물 함량
(%)
15초 60초
알루미늄 인산염 42 40.2 41.8 0.2
마그네슘 인산염 38.8 40.1 1.9
콜로이달 실리카 70 29.8 30.0 0
알루미늄 인산염+
콜로이달 실리카		 57 55.2 56.4 0.6
마그네슘 인산염+
콜로이달 실리카		 52.5 54.6 2.4.
알루미늄 인산염+
콜로이달 실리카+
희석수		 72 68.0 71.0 1.0
마그네슘 인산염+
콜로이달 실리카+희석수		 65.4 68.2 3.8
이때 표 1에서와 같이, 인산염이 미건조되는 원인은 여러가지 이유가 있을 수 있는데, 첫째로 인산염 자체의 건조 메카니즘이 일반 물이 포함된 성분들의 건조 메카니즘과 다름을 들 수 있다
- 저온 상태 (코팅제 온도, ≤ 550 ℃)
인산염: 2Al(H2PO4)3 → Al2(H2P2O7)3 + 3H2O ↑
콜로이달 실리카: nSiO2 + H2O → nSiO2 + H2O ↑
코팅제 희석용 첨가물: H2O ↑
- 고온 상태 (코팅제 온도, ≥ 650 ℃)
인산염: nAl2(H2P2O7)3 → [Al(PO3)3]2n + 3nH2O ↑
위의 화학식을 보면, 저온 상태에서 각각의 성분에 포함된 물은 일반적으로 생각되는 바와 같이 100℃ 이상이 되면 증발되고 각 성분에 포함된 고체성분 만이 존재하게 된다.
그러나, 금속 인산염의 경우에는 100℃ 정도에서 증발되는 통상적인 물이 있고, 여기에 더하여 온도가 상승함에 따라 화학반응이 진행되어 물로 빠져 나오는 물이 존재한다.
이러한 물은 통상적으로 650℃ 이상에서 빠져 나오기 때문에 건조로의 온도가 최소한 650℃ 이상이어야 됨은 물론이고, 인산염의 반응시간과 관련이 있기 때문에 건조로에서 일정 시간 이상을 체류하여야 완벽한 건조를 이룰 수 있게 된다.
또한, 금속 인산염의 종류에 따른 건조 속도를 알아보기 위해 표 1과 같이 알루미늄 인산염과 마그네슘 인산염의 차이를 확인하였으며, 그 결과 같은 금속인산염 내에서도 마그네슘 인산염의 건조 속도가 알루미늄 인산염 대비 느리며 따라서 코팅제를 구성하고 있는 인산염의 구성비를 낮추는 것이 건조에 유리함을 알 수 있었다.
특히, 금속인산염 내에서 마그네슘 인산염의 비율을 최소한으로 하는 것이 건조로의 온도를 높이는 일 없이 코팅제의 건조속도를 높여 절연이 높아짐을 예상할 수 있었다(후술되는 표 2 참조).
전술한 바와 같이, 변압기 또는 발전기를 제조하는 고객사가 철강사로부터 방향성 전기강판을 코일 상태로 제공받는데, 이렇게 제공된 전기강판은 변압기 또는 발전기 규격에 맞게 재 가공하게 된다. 이렇게 재 가공된 낱장의 강판을 적층하여 변압기 또는 발전기를 제조하는데 고압용 변압기 또는 발전기의 경우 적층시 상당 부분을 수작업에 의존하고 있으며 따라서 적층시 표면의 조도가 크면 강판과 강판 사이의 마찰로 인해 작업성이 감소하게 된다. 이러한 경우 표면이 미려한 코팅을 적용함에 의해 강판과 강판 사이의 마찰을 줄일 수 있으며 동시에 표면에 광택을 부여함으로써 제품에 고급스러운 이미지를 부여 할 수 있다.
코팅 후 코팅면에 의한 조도는 하기에 첨부한 [참고도면]과 같이 표현될 수 있다.
[참고도면]
Figure pat00001
상기 [참고도면]에서 보는 바와 같이, 코팅제를 도포하고 건조하면 건조공정에서 코팅제에 포함된 물은 증발되고 고체성분만이 남아서 도시와 같은 형태로 존재하게 된다.
이와 같이 코팅후의 표면 조도는 건조후 표면에 존재하는 코팅제의 고체성분에 의존하며 표면 조도가 매우 미려할 경우 난반사를 줄일 수 있고, 따라서 광택도도 향상된다.
본 발명에서는 코팅 표면상태와 코팅제 성분과의 관계를 면밀히 검토한 결과, 콜로이달 실리카가 코팅 조도를 좌우하는 매우 중요한 요소임을 발견하였다.
콜로이달 실리카는 코팅제 소부시 열팽창 계수가 낮은 세라믹층을 형성하여 소재에 인장응력을 부여하는 작용을 하며, 그 첨가량은 인산염 용액 대비 너무 적으면 적절한 세라믹층을 형성하지 못하여 소재에 인장응력을 부여하는 것이 부족하게 되고, 너무 많으면 코팅제에 고형분비가 높아져 강판의 표면품질을 저하시킨다.
그러나, 콜로이달 실리카는 인장응력을 부여하는 역할 외에 코팅 형성 이후에 표면조도를 좌우하며, 특히 사용되는 콜로이달 실리카의 입자 크기가 코팅조도에 결정적인 역할을 미치는 것으로 본 연구를 통해 밝혀졌다.
따라서, 본 연구에서는 입자 크기에 대한 코팅조도 및 광택도와의 관계를 구했으며, 현재 사용되고 있는 콜로이달 실리카의 입자 크기에 비해 2배 이하로 작은 크기를 사용했을 때 가장 큰 효과를 발휘함을 알게 되었다.
이렇게 제조된 코팅제의 경우 코팅과 강판과의 밀착성도 향상되어 코팅제 주 목적인 인장응력을 향상시키는 효과를 발휘한다.
밀착성이 향상됨에 의해 코팅에 의한 인장응력 향상 효과는 식 1과 같이 표현되며 본 발명자의 이전 연구에 잘 나타나 있다(등록특허 제0966819호 참조).
Figure pat00002
+ Adhesion effect .......(식 1)
식 1에서 보는 바와 같이, 코팅제 건조시 800℃ 이상의 고온에서 발생되는 실리카의 연쇄반응 외에 저온에서 발생될 수 있는 성분간의 복합적인 화학반응에 의한 공고한 피막 형성 과정 및 이렇게 생성된 물질이 모재와 코팅제의 바인더 역할을 하는 금속 인산염과의 반응을 통해 접착력을 추가적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이를 바탕으로, 본 발명에서 사용되는 콜로이달 실리카는 코팅제 소부시 열팽창 계수가 낮은 세라믹층을 형성하여 소재에 인장응력을 부여하는 작용을 하며, 그 첨가량은 인산염 용액 100g에 대하여 고형분인 때의 중량으로 30~60g 투입하고, 건조온도는 800-900℃로 유지하는 것이 매우 유리함을 알 수 있었다.
여기에서, 수치를 한정하는 이유는 앞서 설명한 바와 같다.
특히, 금속인산염의 경우에는 후술되는 실시예 1의 설명에서와 같이, 제1인산 마그네슘과 제1인산 알루미늄의 혼합액을 구성할 때 제1인산 마그네슘/제1인산 알루미늄의 비가 금속인산염 전체 100g 용액을 기준으로 제1인산 마그네슘 25~90g, 제1인산 알루미늄 10~75g이 혼합되어 전체 100g이 되도록 유지하는 것이 본 발명 목적을 달성하는데 가장 적합함을 확인하였고, 그에 관한 사항은 실시예1에 기술하기로 한다.
이러한 조성으로 이루어진 장력코팅제 조성물을 방향성 전기강판의 표면에 건조 피막 도포량이 0.5 ~ 6.0 g/㎡ 되도록, 특히 4.0g/㎡이 되도록 도포한 후, 800-900℃의 온도 범위에서 10~50 초간 건조 소부시킴으로써 본 발명이 목적하는 절연피막을 형성할 수 있고, 나아가 최적의 도포량인 0.5~6.0 g/㎡ 이 구현될 수 있도록 장력코팅제 조성물의 용액온도는 20±5℃로 관리되어야 한다.
여기에서, 도포량이 0.5 g/㎡ 이하일 경우 절연성이 미미하고, 6.0 g/㎡ 이상일 경우 과도포에 따른 피막 건조 문제 및 피막 자중에 의한 균열로 견고한 피막을 형성하기 어렵다.
또한, 건조온도 800℃ 이하에서는 성분내의 인산염의 미건조가 의심이 되며 상대적으로 900℃ 이상에서는 성분내의 유기 에멀젼의 열화로 인한 피막 색상변화로 위의 온도조건에서 건조함을 기본으로 한다.
뿐만 아니라, 장력코팅제의 온도가 15℃ 미만으로 관리되면 점도가 증가하여 일정한 도포량을 관리하기 어렵고, 25℃를 초과하여 관리되면 코팅제의 주성분인 콜로이달 실리카의 겔화 현상이 가속화되어 표면 품질 저하를 초래하므로 상기 범위의 온도로 관리되어야 한다.
특히, 이와 같은 방법에 의해 방향성 전기강판 표면에 절연피막을 형성했을 때 후술되는 표 3에서와 같이, 이 절연피막에 의해 적어도 90mA 이하의 절연성을 가지면서 광택도는 45% 이상을 유지할 수 있게 된다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
중량비로 Si: 3.1%를 함유하고, 판 두께 0.23mm 마무리 소둔 된 1차 피막을 가진 방향성 전기강판(300×60mm)을 공시재로 하고, 850℃ 에서 30초 동안 건조시키면 코팅된 면은 코팅제에 의한 인장응력 부가로 한 쪽 방향으로 휘게 되고 이러한 휨의 정도를 측정하여 피막에 의한 장력을 평가할 수 있다.
평가방법은 다음과 같다.
SRA는 건조한 100% N2 가스분위기에 750℃, 2시간 열처리하였으며, 절연성은 300PSI 압력하에서 입력 0.5V, 1.0A의 전류를 통하였을 때의 수납 전류 값으로 나타낸 것이고, 밀착성은 SRA 전, 후 시편을 10, 20, 30 ~ 100 mm인 원호에 접하여 180°구부릴 때 피막박리가 없는 최소원호직경으로 나타낸 것이며, 표면광택은 표면광택 측정기를 이용하여 측정하였고, 표면에 입사한 광을 100으로 보았을 때 표면에 의해 반사된 정도를 %로 나타내었다.
그리고, 장력코팅제의 절연과 광택도를 향상시키기 위해 우선 건조속도를 늦추고 불완전한 건조를 초래하여 절연을 저하시키는 주요 성분인 제1인산 마그네슘(Mg(H2PO4)2) 인산염 성분을 하향 조정하여 금속인산염을 제조하였다.
이렇게 제조된 코팅제를 시편에 공히 4g/㎡ 도포한 후 절연성과 코팅장력을 측정하였다. 이때, 표 2에서 보는 바와 같이 금속인산염 구성비 중 Mg 비율을 올렸을 경우 예상한 바와 같이 절연성 및 코팅장력을 저하시킨다. 이러한 이유는 앞에서 설명한 바와 같이 제1 인산 마그네슘의 경우 제 1인산 알루미늄 대비 건조속도가 느리고 따라서 코팅제의 다른 성분이 건조로에서 완벽하게 건조되는 것을 방해하여 생기는 결과이며, 아울러 코팅제와 강판간의 바인더 역할을 하는 인산염의 본래의 기능을 수행하지 못해 밀착성 및 코팅장력 저하를 가져오는 것으로 예상된다.
따라서, 표 2를 참조할 때 시편 4 조건이 현 통상 장력코팅제의 조건이므로, 현 장력 코팅제의 절연성을 강화하기 위해선 시편 1, 2, 3 조건 모두 가능하나 제 1인산 알루미늄 구성비를 지나치게 높이면 코팅 처리 후 공기중에 존재하는 습도에 민감해져 생기는 스티키성 불량이 생길 수 있다.
이에, 본 발명에서는 시편 3의 조건을 기준으로 삼았으며, 이 기준의 성분비를 바탕으로 코팅 조도를 낮추어 광택을 증가시키는 방법을 모색하였다.
시편
번호		 금속인산염
(100g)		 실리카
(g)		 CrO3
(g)		 고체실리카
(g)		 절연성
(mA)		 코팅장력
(kgf/mm2)		 Sticky성
Mg Al
1 0 100 48 3 2.5 95 0.45 sticky
2 10 90 48 3 2.5 110 0.42 sticky
3 25 75 48 3 2.5 150 0.41 양호
4 50 50 48 3 2.5 250 0.39 양호
5 75 25 48 3 2.5 270 0.38 양호
6 90 10 48 3 2.5 298 0.36 양호
7 100 0 48 3 2.5 310 0.36 양호
그리고, 표 2를 통해 얻은 기본 성분계를 바탕으로 콜로이달 실리카의 입자 크기를 다양하게 적용하여 코팅제를 제조하였으며 이렇게 제조된 코팅제를 시편에 일정량 도포한 후 표면 물성을 확인하였고, 이는 표 3에 나타내었다.
표 3에서 보는 바와 같이, 콜로이달 실리카의 입자 크기가 작으면 코팅조도가 매우 낮아지고 이로 인해 광택도가 매우 향상됨을 알 수 있다.
그러나, 광택도를 높이기 위해 입자 크기가 아주 작은 콜로이달 실리카만 사용했을 때는 절연이 상대적으로 저하되는 것이 확인되었다.
따라서, 콜로이달 실리카의 입자크기가 다른 여러 종류를 혼합하여 코팅제를 제조하였고(시편 2-5~2-12), 이중에서 콜로이달 실리카 B, C 또는 A, B, C를 사용하였을 경우 절연은 더욱 향상 되면서 광택도 매우 미려한 시편을 얻을 수 있었다.
특히, 본 발명 범주, 즉 콜로이달 실리카의 입자크기가 5~15nm 일때, 이를 테면 콜로이달 실리카의 입자크기가 5nm, 7nm, 15nm를 갖는 것들을 1:1:0, 0:1:1, 1:1:2 중 하나의 중량비로 혼합한 예인 시편 2-5, 시편 2-6, 시편 2-10이 90mA 이하의 절연성을 가지면서 표면 광택은 45% 이상으로 광택도가 매우 우수함을 확인할 수 있었다(통상은 250mA의 절연성과 20%의 광택도를 가짐).
이러한 이유는 콜로이달 실리카의 입자크기가 작은 종류가 입자크기가 큰 실리카의 사이사이에 배치되어 충진성을 높이고 치밀성을 개선하는 역할을 하기 때문이라 예측된다.
시편
번호		 금속인산염 콜로이달 실리카 (입자크기) 절연성
(mA)		 표면조도
(mm)		 광택도
(%)
Mg Al A
(5 nm)		 B
(7 nm)		 C
(15 nm)		 D
(20 nm)
2-1 25 75 48 - - - 140 0.20 55
2-2 48 125 0.21 53
2-3 48 150 0.38 20
2-4 48 230 0.36 19
2-5 24 24 90 0.20 53
2-6 24 24 50 0.25 45
2-7 24 24 135 0.30 25
2-8 24 24 100 0.28 30
2-9 24 24 111 0.29 28
2-10 12 12 24 25 0.22 50
2-11 12 12 24 38 0.27 42
2-12 12 12 24 46 0.28 33
통상 50 50 - - 48 - 250 0.38 20

Claims (5)

  1. 방향성 전기강판의 절연피막 처리 공정에 있어 금속인산염, 콜로이달 실리카를 주요성분으로 하는 방향성 전기강판 장력코팅제로서,
    상기 금속인산염은 제1인산 마그네슘(Mg(H2PO4)2)과 제1인산 알루미늄(Al(H2PO4)3)이 혼합된 혼합액이고;
    상기 금속인산염 용액 100g에 대해, 5~15nm의 입자 크기를 갖는 콜로이달 실리카 고형분 30~60g을 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서;
    상기 금속인산염 혼합액은 제1인산 마그네슘과 제1인산 알루미늄의 비가 금속인산염 혼합액 100g을 기준으로 제1인산 마그네슘 25~90g, 제1인산 알루미늄 10~75g이 혼합되어 전체 100g이 되게 조성되는 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서;
    상기 콜로이탈 실리카는 5nm(A), 7nm(B), 15nm(C)로 서로 다른 입자 크기를 갖는 A,B,C가 혼합되어 구성되되,
    상기 A,B,C의 구성비는 1:1:0, 0:1:1, 1:1:2 중 어느 하나의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물.
  4. 방향성 전기강판에 절연피막을 형성하는 방법에 있어서;
    상기 방향성 전기강판의 표면에 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 장력코팅제 조성물을 0.5 ~ 6.0 g/㎡ 범위에 걸쳐 도포하고, 800~900℃에서 10~50초간 건조 소부시켜 절연피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 광택과 절연성이 우수한 방향성 전기강판용 장력코팅제 조성물을 이용한 절연피막 형성방법.
  5. 방향성 전기강판의 표면에 청구항 4에 기재된 방법으로 형성된 절연피막을 갖는 방향성 전기강판에 있어서;
    상기 절연피막은 90mA 이하의 절연성을 가지면서 광택도는 45-53%를 유지하는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.
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