KR20140102689A - 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

방향성 전자 강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

철손과 소음의 양자가 함께 저감된 방향성 전자 강판을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명은, 강판 표면 또는 내부에, 국소적으로 격자 결함 밀도가 높은 영역을 형성하고, 자구를 세분화시킨 전자 강판에 대해, 마이크로 비커스 경도계로 측정한 상기 고 격자 결함 밀도 영역의 경도를, 다른 영역의 경도와 동등 또는 그 이하로 하는 것을 특징으로 한다.

Description

방향성 전자 강판 및 그 제조 방법{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 변압기의 철심 등의 용도에 사용되는 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 에너지의 효율적 사용을 배경으로, 변압기 제조 업체 등에 있어서, 자속 밀도가 높고, 철손(iron loss)이 낮은 전자 강판이 요구되고 있다.
자속 밀도는, 강판의 결정 방위를 고스(Goss) 방위로 집적시키는 것에 의해 향상이 가능하며, 예를 들면 특허문헌 1에는, 1.97T를 넘는 자속 밀도 B8를 갖는 방향성 전자 강판의 제조 방법이 개시되어 있다.
한편, 철손은, 소재의 고순도화, 고배향성, 판 두께 저감, Si, Al 첨가 및 자구(磁區) 세분화(magnetic domain refining)에 의해 개선이 가능(예를 들면 비특허문헌 1)하지만, 일반적으로 자속 밀도 B8를 높게 할수록 철손은 열화(劣化)하는 경향이 있다.
예를 들면, 자속 밀도 B8의 향상을 목적으로 하여 결정 방위를 고스 방위로 집적시키면, 정자(靜磁) 에너지(magnetostatic energy)가 떨어지기 때문에, 자구 폭이 넓어져, 와전류(eddy current) 손실이 높아지는 것이 알려져 있다.
그래서 와전류 손실을 저감하는 방법으로서, 피막 장력의 향상(예를 들면 특허문헌 2)이나 열 변형의 도입에 의한 자구 세분화 기술이 이용되고 있다.
그러나 특허문헌 2에 나타나 있는 바와 같은 피막 장력의 향상 방법은, 부여하는 변형이 탄성 영역 근방으로 작기 때문에, 철손의 저감에는 한계가 있었다.
한편, 열 변형의 도입에 의한 자구 세분화는, 플라스마 염(flame)이나 레이저, 전자 비임 조사 등에 의해 행해지고 있다.
예를 들면, 특허문헌 3에는, 전자 비임 조사에 의해, W17 /50이 0.8W/㎏을 밑도는 철손을 갖는 전자 강판의 제조 방법이 개시되어 있으며, 전자 비임 조사는 극히 유용한 저 철손화 방법인 것을 알 수 있다.
또한, 특허문헌 4에는, 레이저 조사에 의해, 철손을 저감하는 방법이 개시되어 있다.
그런데 플라스마 염이나 레이저, 전자 비임 등을 조사하면, 자구가 세분화하여 와전류 손실이 낮아지는 한편으로, 히스테리시스 손실(hysteresis loss)이 증대되는 것이 알려져 있다.
예를 들면, 특허문헌 5에는, 레이저 조사 등에 의해 강판에 생기는 경화 영역이, 자벽(磁壁) 이동을 방해하여, 히스테리시스 손실을 높게 한다고 보고되어 있다.
이 문제에 대해, 특허문헌 5에서는, 레이저 출력과 스폿 지름 비를 조정하는 것에 의해, 레이저 주사 방향과 직각 방향의 레이저 조사에 의해 경화하는 영역을 0.6㎜ 이하로 축소시켜, 조사에 의한 히스테리시스 손실의 증대를 억제함으로써, 한층 더 철손의 저감을 도모하고 있다.
또, 최근의 변압기에는, 양호한 생활 환경을 창출하기 위해, 고 자속 밀도, 저 철손뿐만 아니라, 저 소음일 것이 요구되고 있다. 변압기에 발생하는 소음은, 주로 철심의 결정 격자의 신축 운동이 원인이라고 생각되고 있으며, 억제 수단의 하나로서, 단판(單板)의 자기 변형을 저감하는 것이 유효한 경우가 다수 나타나고 있다(예를 들면 특허문헌 6 등).
특허문헌 1 : 일본 특허 제4123679호 공보 특허문헌 2 : 일본 특공 평 2-8027호 공보 특허문헌 3 : 일본 특공 평 7-65106호 공보 특허문헌 4 : 일본 특공 평 3-13293호 공보 특허문헌 5 : 일본 특허 제4344264호 공보 특허문헌 6 : 일본 특허 제3500103호 공보
비특허문헌 1 : 「연 자성재료의 최근의 진보」, 제155ㆍ156회 니시야마 기념 기술 강좌, 사단법인 일본철강협회, 평성 7년 2월 10일 발행 비특허문헌 2 : 「J.appl.phys. 91(2002), p.7854」 비특허문헌 3 : 「일본 응용자기학회지, 25(2001), p.895」 비특허문헌 4 : 「JFE기보, No.18(2007), p.23」
상기 특허문헌 5에 나타난 저 철손화 방법은, 강판의 경화 영역을 축소시키지만, 축소시킨 상기 0.6㎜ 이내에는, 「마이크로 비커스 경도계를 사용하여 강판 표면의 경도를 측정하여, 가공 경화에 의한 경도 상승량이 5% 이상」이라고 기재되는, 경화량이 과도하게 큰 영역의 형성을 피할 수 없게 된다.
일반적으로, 열선ㆍ광선ㆍ입자선의 조사에 의해 자구 세분화를 행하는 경우, 조사부 근방에 있어서의 강판의 급격한 열 변형과, 피막의 급격한 증발에 따른 강판에의 반력(反力)이 클수록, 조사부 근방의 강판에, 더 고밀도인 전위 영역이 형성되어, 강판의 경도가 상승한다고 생각된다. 이러한 전위 밀도가 높아질수록, 히스테리시스 손실이 증가하는 것이 언급되어 있으며, 예를 들면 비특허문헌 2에는 강판을 인장 변형시키면 히스테리시스 손실이 증가하는 것이 나타나 있다.
또한, 조사부의 경화량이 클수록, 피 조사재에 조사면 측이 오목 형상으로 되는 휨이 현저해지는 경향이 있다. 이것은, 경화량이 클수록, 더 큰 잔류 응력이 생기기 때문이라고 생각된다.
열선ㆍ광선ㆍ입자선의 조사에 의해 자구 세분화시킨 전자 강판은, 변압기의 철심에 사용될 때, 주로 평탄한 형상으로 적층되어 사용되지만, 휨이 큰 것일수록 평탄하게 교정되었을 때의 강판의 내부 응력이 높아진다. 그 결과, 여자(勵磁) 시에, 결정 격자의 신축에 따른 철심의 변형에 더해, 내부 응력을 해방하도록 한 철심의 변형 모드가 부가되기 때문에, 소음이 커진다.
본 발명자들은, 특허문헌 5에 나타나 있는 바와 같은, 종래의 저 철손화 방법은, 강판의 경화 영역을 축소시키지만, 축소시킨 상기 0.6㎜ 이내에는, 「마이크로 비커스 경도계를 사용해서 강판 표면의 경도를 측정하여, 가공 경화에 의한 경도 상승량이 5% 이상」이라고 기재되는, 경화량이 과도하게 큰 영역이 형성되어 있다는 점에 주목하고, 이러한 경화량을 저감시킬 수 있다면, 새로운 히스테리시스 손실과 소음 저감이 가능해지지 않을까 생각했다.
또, 일반적으로는, 강판에 조사하는 에너지를 저감하는 것에 의해, 경도 증가를 더 작게 할 수 있다면, 히스테리시스 손실, 나아가 소음의 증대를 억제할 수 있지만, 조사 에너지를 저감한 경우, 자구 세분화에 의한 와전류 손실의 저감 효과가 작아져, 결과적으로 전(全) 철손(히스테리시스 손실과 와전류 손실의 합)이 높아진다는 문제가 있다(비특허문헌 3).
그래서 본 발명자들은, 상기 문제를 해결하기 위해, 많은 실험을 행하여, 열선ㆍ광선ㆍ입자선의 조사에 의한 자구 세분화 후의 철손에 미치는, 자구 세분화 전의 소재 특성의 영향에 대해 조사를 행해, 저 철손화에 유리한 소재 특성을 밝혀냈다.
그 결과, 피 조사재를 선별하는 것에 의해, 종래보다 낮은 조사 에너지로, 충분한 저 철손화를 달성하는 것이 가능해진다는 식견을 얻었다.
또한, 조사 에너지를 낮게 할 수 있으므로, 조사에 의한 강판의 경화량이 현저히 작아지게 들어, 변압기 소음도 저감되는 것이 판명되었다.
또, 본 발명자들은, 조사 시간의 장시간화와, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사의 방법으로서 Fe보다 질량이 작은 하전(荷電) 입자를 조사하는 것, 혹은, 강판 상의 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사부의 평균 주사 속도를 30m/s 이하로 함에 따라, 철손 및 소음을 더 저감할 수 있다는 식견을 얻었다.
이하, 상기한 각 수단에 대해 구체적으로 설명한다.
[저 철손화에 유리한 소재 특성의 선별]
본 발명자들은, 자구 세분화 처리 후의 자기 특성(와전류 손실 및 히스테리시스 손실)이, 처리 전의 철손에 영향을 받는 것을 알아냈다.
즉, 도 1에 나타내는 바와 같이, 조사 후의 와전류 손실 We17 /50은, 조사 전의 와전류 손실 We17 /50이 낮을수록 낮아지고, 또한 도 2에 나타내는 바와 같이, 조사 후의 히스테리시스 손실 Wh17 /50은, 조사 전의 히스테리시스 손실 Wh17 /50이 낮을수록 낮아진다. 여기서, 와전류 손실 We17 /50은, 전(全) 철손 W17 /50에서 히스테리시스 손실 Wh17/50을 뺀 값이며, 각 데이터의 시료의 화학 조성, 피막 장력은 동등하다. 또한, 여기서의 자구 세분화 방법은, Ar 플라스마 염 조사에 의한 것으로, 조사 조건은 같다.
상기 결과로부터, 조사 후의 철손을 저감하기 위해서는, 조사 전의 와전류 손실 및 히스테리시스 손실의 양자를 저감하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
일반적인 방향성 전자 강판에 있어서, 이들은, 피막 장력의 증대 등에 의해 달성 가능하지만, 피막 장력이나 강판의 화학 조성 등이 동등한 경우에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 히스테리시스 손실이 낮은 강판일수록 와전류 손실이 높아지는 경향이 있다. 이것은, 히스테리시스 손실은, 결정립이 고스 방위로부터 벗어난 경우에 생성되는 랜싯(lancet) 등의 보조 자구(磁區)가 더 많이 형성되어 있는 경우, 바꿔 말하면 자속 밀도가 낮은 경우에 높아지는 한편으로, 결정립이 고스 방위로부터 벗어나면, 자구 폭이 좁아져, 와전류 손실이 낮아지기 때문이다.
따라서 조사 후의 철손을 저감하기 위해, 조사 전에 히스테리시스 손실이 낮고, 와전류 손실이 높은 편이 유리한 것인지, 반대로 히스테리시스 손실이 높고, 와전류 손실이 낮은 편이 유리한 것인지는, 지금까지 불명확했다.
본 발명자들의 실험 결과에 의하면, 조사 후의 철손은, 이하와 같이 조사 전의 히스테리시스 손실과 좋은 상관 관계가 있는 것이 판명되었다.
조사 후 철손 = 조사 후 히스테리시스 손실 + 조사 후 와전류 손실
≒ 0.71×조사 전 히스테리시스 손실 + 0.11 + 0.15×조사 전 와전류 손실 + 0.31
≒ 0.71×조사 전 히스테리시스 손실 + 0.11 + 0.15(-0.56×조사 전 히스테리시스 손실 + 0.71) + 0.31
≒ 0.62×조사 전 히스테리시스 손실 + 0.57
상기 식은, 몇 가지 가정을 포함하는 것이지만, 도 4에 나타내는 조사 후의 전(全) 철손에 미치는 조사 전 히스테리시스 손실의 영향으로부터 근사적으로 얻어지는 회귀 식과 거의 동등한 결과로 되어 있어, 조사 후의 전 철손을 저감하기 위해서는, 조사 전의 히스테리시스 손실을 저감하는 것이 중요하다는 것을 나타내고 있다.
또한, 상기 결과는, 플라스마 염 조사법을 이용한 경우의 결과이지만, 레이저 조사나 전자 비임 조사에 있어서도 마찬가지로, 조사 전 히스테리시스 손실이 낮을수록, 조사 후의 전 철손이 낮아지는 경향이 확인되었다.
즉, 본 발명자들은, 실험에 의해,
(1) 조사 전의 철손이 동등한 경우, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실 비가 작은 편이, 동일한 에너지를 조사한 경우에, 철손을 낮출 수 있고,
(2) 조사 전후의 철손이 같아도, 조사 전의 전 철손에 대한 히스테리시스 손실 비가 작은 편이, 적은 조사 에너지로 와전류 손실을 저감시킬 수 있기 때문에, 조사에 의해 강판에 도입하는 격자 결함의 양을 적게, 또 조사부의 경화를 억제할 수 있기 때문에, 조사 후의 히스테리시스 손실과 소음을 낮출 수 있다는 것을 명확히 했다.
[Fe보다 질량이 작은 하전 입자 조사에 의한 저 철손화, 저 소음화]
또한, 본 발명자들은, 표 1에 나타내는 바와 같이, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사 방법으로서, Fe보다 질량이 작은 하전 입자를 사용하는 것에 의해, 조사 후의 히스테리시스 손실을 더 저감할 수 있는 것을 찾아냈다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 레이저와 비교해서, Ar 플라스마 염, 전자 비임을 조사한 경우에 히스테리시스 손실이 더 낮아지고 있다.
이 상세한 이유는 불명확하지만, 하전 입자는 강판 내부에의 침입 깊이가, 레이저와 비교하여 크기 때문에, 강판 내부의 영향 영역은 판 두께 방향으로 넓게 분산하게 되는 결과, 국소적인, 과도하게 격자 결함 밀도가 높은 영역이 적어지기 때문이라고 생각된다. 예를 들면, 가속 전압 : 150㎸의 경우, 전자 침입 깊이는, Archard, Kanaya and Okayama 모델에 의하면, 41㎛으로 예측되는데, 이것은 판 두께가 0.23㎜인 경우, 판 두께의 18%로 크다. 또한, 플라스마 염, 전자 비임 조사는, 레이저 조사와 비교해서, 조사부의 피막ㆍ지철(地鐵) 용융이 적은 것이 발명자들의 실험으로 밝혀졌고, 응고시에 생성되는 격자 결함의 도입과, 피막으로부터의 불순물 원소의 혼입이 적어지는 것이 영향을 미치고 있는 가능성도 고려된다.
[강판 상의 조사부 평균 주사 속도를 30m/s 이하로 하는 것에 의한 저 철손화, 저 소음화]
강판 내부의 국소적인, 과도하게 격자 결함 밀도가 높은 영역을 감소시키는 방법으로서, 단위 시간당 조사 에너지가 낮은 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 장시간 조사하는 방법이 고려된다. 이 경우, 조사하는 열선ㆍ광선ㆍ입자선의 에너지는, 조사 중에, 조사 표면으로부터 강 중으로 확산하기 때문에, 더 조사면으로부터 판 두께 방향으로 떨어진 영역까지 강이 고온화하여, 자구 세분화 효과가 높아진다. 또한, 단위 시간당 조사 에너지가 과도하게 높아, 조사 시간이 짧은 경우에 확인할 수 있는 바와 같은, 조사부의 국소적인 고온화에 의한 과대한 변형도 억제된다.
본 발명자들은, 이상의 방법에 의해, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사부의 경화를 한없이 작게 하는 것을 시도한 결과, 조사부의 경도를, 비조사부의 경도와 동등 이하로 할 수 있는 것, 그리고 경도 측정에 있어서의 경도 증가가 인정되지 않는 경우에는, 자기 특성이 비약적으로 증가하는 것을 알아냈다.
또, 여기서 말하는 동등이란, 비조사부의 경도 측정 데이터 10점 평균치와, 조사부의 경도 측정 데이터 10점 평균치의 차(≥0), 즉 조사에 의한 경도 상승분이 비조사부의 경도 측정 데이터 10점의 표준 편차의 1/2과 비교하여 작다는 것을 말한다.
조사부의 경도가 비조사부의 경도와 동등 이하가 되는 상세한 메커니즘은 불명확하지만, 이하와 같이 추정할 수 있다.
종래 기술에서 알 수 있듯이, 경도 증가가 인정되는 경우에는, 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 조사하는 것에 의해 발생하는 격자 결함으로서, 히스테리시스 손실을 증대시키도록 한 결함(예를 들면, 고밀도 전위 등)이 많기 때문에, 철손의 열화 작용이 있는 한편으로, 본 발명에 나타나는 격자 결함의 도입 방법에서는, 약간 도입된 가동 전위가, 조사부의 변형 저항을 감소시키는 것 등의 이유에 의해, 경도가 저감한 것이라고 생각된다. 또, 가동 전위의 도입이 모재의 강도를 낮춘다는 보고가 비특허문헌 4에 되어 있다.
본 발명은, 상기 식견에 입각하여 완성된 것이다.
즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. 강판의 표면 또는 내부에, 국소적으로 격자 결함 밀도가 높은 영역을 형성하고, 자구를 세분화시킨 전자 강판에 있어서, 마이크로 비커스 경도계로 측정한 상기 고 격자 결함 밀도 영역의 경도가, 다른 영역의 경도와 동등 또는 그 이하인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.
2. 전(全) 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 45% 미만인 강판에 대해, 압연 직각 방향으로부터 30°이내의 각도 방향으로, 압연 방향으로 10㎜ 이하의 주기적인 간격을 갖고서, 열선, 광선 또는 입자선을 조사하는 것을 특징으로 하는, 상기 1에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.
3. 입자선의 조사가, Fe보다 질량이 작은 전하(電荷) 입자의 조사인 것을 특징으로 하는 상기 2에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.
4. 열선, 광선 또는 입자선의 조사를, 강판 상에 있어서의 조사부 평균 주사 속도가 30m/s 이하의 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 상기 2 또는 3에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.
본 발명에 따라, 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 조사하는 것에 의해, 조사부의 경도 상승이 인정되지 않는 방향성 전자 강판을 제조하는 것이 가능해지며, 또한 철손 W17/50을 0.80W/㎏ 미만으로 할 수 있을 뿐만 아니라, 소음을 45㏈A 이하로 할 수 있다. 또, 소음은 암 소음(background noise)에 의해 변동하기 때문에, 본 측정에 있어서는, 항상 암 소음이 25㏈A가 되도록 조정했다.
따라서 본 발명에 의하면, 철손의 저감에 의해, 변압기에 있어서의 에너지 사용 효율의 향상뿐만 아니라, 소음의 억제도 병행해서 달성할 수 있으므로, 산업상 극히 유용하다.
[도 1] Ar 플라스마 염의 조사 전의 와전류 손실 We17 /50과 조사 후의 와전류 손실 We17 /50의 관계를 나타낸 도면이다.
[도 2] Ar 플라스마 염의 조사 전의 히스테리시스 손실 Wh17 /50과 조사 후의 히스테리시스 손실 Wh17 /50의 관계를 나타낸 도면이다.
[도 3] Ar 플라스마 염의 조사 전의 히스테리시스 손실 Wh17 /50과 조사 전의 와전류 손실 We17 /50의 관계를 나타낸 도면이다.
[도 4] Ar 플라스마 염의 조사 전의 히스테리시스 손실 Wh17 /50과 조사 후의 전(全) 철손 W17 /50의 관계를 나타낸 도면이다.
[도 5] 전자 비임 조사 전에 있어서의 강판의 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율과 조사 후의 전 철손 W17 /50의 관계를 나타낸 도면이다.
[도 6] 전자 비임 조사 전에 있어서의 강판의 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율과 조사 후의 히스테리시스 손실 Wh17 /50의 관계를 나타낸 도면이다.
[도 7] 전자 비임의 조사 요령을 나타낸 도면이다.
[도 8] 모델 트랜스 변압기의 철심 형상을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
[피 조사재(被照射材)]
본 발명은, 방향성 전자 강판에 적용되며, 강판으로서는, 지철(地鐵) 상에 절연 피막 등의 코팅을 구비하고 있어도, 구비하고 있지 않아도 어느 것이라도 좋다.
또한, 본 발명에 있어서, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사 후의 전 철손을 0.80W/㎏ 미만으로 하기 위해서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 조사 전에 있어서, 강판의 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율을 45% 미만으로 하는 것이 중요하다. 그리고 철손을 더 저감하기 위해서는, 히스테리시스 손실의 비율을 한층 더 낮추는 것이 바람직하다. 또, 히스테리시스 손실의 비율이 45% 미만이었던 시료의 조사 후의 경도는, 모두 본 발명에서 규정한 조건을 만족하고 있다.
여기서, 도 5의 데이터는, 조사 전 전 철손 W17 /50이 0.75∼0.96W/㎏, 조사 전 B8이 1.880∼1.950T, 피막 장력이 15∼16㎫의 범위이며, 조사는 전자 비임으로 행했다.
또한, 도 5 및 6에 나타내는 바와 같이, 강판의 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 45% 이상인 경우에는, 조사 후의 전 철손, 특히 히스테리시스 손실이 증대하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 표 2에, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율(Wh/W)이 45% 미만인 시료와, 45% 이상인 시료에 대해, 펄스 레이저를 조사한 후의 철손, 조사부의 경도 상승량, 휨 및 소음에 대해 조사한 결과를 나타낸다. 또, 경도, 휨 및 소음에 대해서는, 실시예에서 나타내는 조건으로 측정을 행했다. 또한, 소음 측정용으로 사용한 시료는, 동일 코일로부터 길이 방향으로 연속적으로 잘라낸 시료이며, 코일 폭 단부 : 100㎜ 부분으로부터의 잘라냄은 행하고 있지 않다.
표 2로부터 분명한 바와 같이, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 45% 미만인 경우에는, 조사 에너지를 약간 저감하는 것에 의해, 0.80W/㎏ 이하의 저 철손과 45㏈A 이하의 저 소음을 양립시키는 것이 가능해진다.
특히, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 35% 미만인 경우에는, 조사 에너지를 약간 저감하는 것에 의해, 0.70W/㎏ 이하의 저 철손과 40㏈A 이하의 저 소음을 양립하는 것이 가능해진다.
한편, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 35%보다 큰 경우, 철손이 0.70W/㎏ 이하가 되는 조사 조건은 있지만, 조사부의 경도가 높아지고, 소음이 40㏈A보다 커져 버린다. 또한, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 45% 이상인 경우에는, 철손이 0.80W/㎏를 넘어가 버린다.
또, 히스테리시스 손실의 비율이 45% 미만으로 되기 위해서는, 결정립의 <100>의 첨예성을 높이거나, 강판에 장력 피막을 도포하는 등의 방법에 의해, 환류(還流) 자구(磁區)를 저감하면 좋고, 이러한 기술에 대해서는 종래 기술을 적용할 수 있다. 또한, 신기술로써 히스테리시스 손실을 더 저감해도 지장은 없다.
[열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사 방법]
본 발명은, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사에 의해, 강판에 국소적인 격자 결함 영역을 형성하여, 자구를 세분화시키는 것에 의해, 저 철손화를 도모하는 것이지만, 그 방법은, 주로 플라스마 염 조사, 레이저 조사, 전자 비임 조사 등, 강판에 국소적으로, 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 조사할 수 있는 것이라면 좋다.
격자 결함 영역의 형성에 있어서는, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사부를, 강판의 폭 단부로부터 다른 쪽 폭 단부까지, 그 방향이 강판의 압연 직각 방향으로부터 30° 이내의 각도가 되도록, 강판 표면을 주사시킨다. 이 주사는, 직선상이어도 좋고, 파형(波形) 등의 규칙적인 패턴을 갖는 곡선상이어도 좋다.
또한, 조사를 필요로 하는 재료의 폭이 지나치게 넓은 경우에는, 복수의 조사원을 이용하여 조사해도 좋다.
또, 강판에의 열선ㆍ광선ㆍ입자선의 조사는, 상기 직선 혹은 곡선 주사선 상에서, 연속적이어도 좋고, 단속적이어도 좋다.
특히 전자 비임 조사 등의 경우에는, 주사선을 따라, 조사 시간이, 도 7에 나타내는 바와 같이, 장시간(s1), 단시간(s2)을 반복하도록 하여 행하는 경우가 많다. 이 반복 거리 주기(이하, 도트 피치(dot pitch)라 한다)는, 0.5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 통상, s2는 s1에 대해 충분히 짧아 무시할 수 있기 때문에(펄스 레이저 조사의 경우는, s2=0이다), s1의 역수(逆數)를 조사 주파수로 하여 좋다. 도트 피치가 0.5㎜보다 큰 경우에는, 충분한 에너지가 조사되는 면적이 감소하여, 충분한 자구 세분화 효과가 얻어지지 않는다.
또한, 조사부의 강판 상에서의 주사 속도는, 100m/s 이하로 하는 것이 바람직하다. 주사가 고속화하면, 생산 능력 증강 등의 이점이 있는 한편으로, 자구 세분화하기 위해 필요한 에너지를 조사하기 위해, 단위 시간당에 조사하는 에너지를 높게 할 필요가 있다. 특히, 주사를 100m/s보다 고속화하면, 단위 시간당 조사 에너지가 과도하게 높아져, 장치의 안정성ㆍ수명 등에 지장을 초래할 가능성이 있다.
한편, 주사가 느린 경우, 강판 상에서 열선ㆍ광선ㆍ입자선이 조사되고 있는 시간이 길어지기 때문에, 조사 중에, 조사한 열선ㆍ광선ㆍ입자선의 에너지가 조사 표면으로부터 강 중으로 확산하여, 조사면으로부터 판 두께 방향으로 떨어진 영역까지 강이 더 고온화한다. 이 경우, 주사가 빠르고, 단시간에 급격히 고온화하는 조건으로 조사한 경우에 종종 볼 수 있는 조사부의 지철 용융과, 그에 따른 조사부의 과도한 고 전위 밀도 영역의 형성도 억제된다. 따라서, 주사는 느린 편이 좋고, 특히 30m/s 이하로 하면, 상기 효과가 얻어지기 쉽다.
또한, 상기 강판의 단부에서부터 단부까지의 주사는, 압연 방향으로 2∼10㎜의 간격을 두면서 반복하여 행한다. 이 간격이 과도하게 짧으면, 생산 능력이 과도하게 감소해 버리기 때문에, 2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 과도하게 길면, 자구 세분화 효과가 충분히 발휘되지 않기 때문에, 10㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 그 외, 조사 에너지, 비임 지름, 또한 플라스마 염 조사의 경우에는 노즐 지름 등은, WD(working distance), 토치 선단과 강판 사이의 거리, 진공도 등 조건에 의해 조정 범위, 적정치가 다르기 때문에, 종래 식견에 기초하여 적절한 조정을 하면 좋다.
[열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사부의 경화의 정량화]
열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사부의 경화의 정량화는, 예를 들면, 비커스 경도를 측정하는 것에 의해 행한다. 본 발명에서 말하는 경도란, 지철의 경도를 가리킨다.
일반적으로, 레이저나 플라스마 염 등은, 장력 코트나 산화물 피막이 표면에 부여되어 있는 강판 표면에 조사하지만, 조사에 의해, 피막에 응력이 걸리거나, 일부 피막이 증발ㆍ용융하거나 하는 경우가 있다. 그 때문에, 피막의 경도가, 조사부 근방과, 그 이외에서 다를 가능성이 있어, 각 점의 경도 비교에 의해, 지철의 경도를 직접 비교할 수 없다. 또, 피막은 많은 경우, 취성을 갖는 것이기 때문에, 통상 연성 재료의 경도를 측정하는 비커스 경도 시험에 적합하지 않다. JIS Z 2244에 있어서도, 측정 시료 표면에 산화물 등의 이물질이 없는 것을 규정하고 있다.
따라서, 피막이 붙어 있는 시료의 경도 측정을 할 때에는, 사전에 피막을 제거했다. 피막 제거 처리 후, 피막이 잔존하지 않는 경우는, EPMA 측정 등에 의해 간단하면서도 편리하게 확인할 수 있다. 제거 방법은, 종래 식견에 기초하여 행하면 좋지만, 피막 제거 시, 지철을 깎아내는 일이 없도록 주의할 필요가 있다. 예를 들면, 초산수(硝酸水)를 이용하여 산화물 피막을 제거하는 경우에는, 5% 이하의 농도로 희석하여 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 피막과 지철의 계면(界面)의 요철이 큰 경우에는, 피막 제거 시에, 약간의 지철 용출이 허용되지만, 과도하게 용출시키면, 격자 결함 도입 영역이 소실된다고 생각되기 때문에, 지철의 판 두께 감소량으로서는 3㎛ 이하, 바람직하게는 1㎛ 이하로 할 필요가 있다.
피막을 제거한 시료 표면 경도는, 마이크로 비커스 경도계를 사용하여 측정했다. 시험력(試驗力)은 0.49N(50gf), 유지 시간은 15s로 했다. 시료는, 측정 중 움직이지 않도록, 마그네트 척 등을 이용하여 고정했다.
경도는, 측정 데이터의 편차를 고려하여 충분한 데이터를 평균해서 구한다. 또한, 압흔(壓痕)의 2방향의 대각선 길이의 비(≥1)가 1.5 이상인 때나, 대각선 길이가 불명료한 경우에는, 재측정을 행했다.
또한, 경도 측정에 사용하는 시료의 사이즈는, 결정립경보다 충분히 큰 사이즈인 것이 바람직하다고 생각되며, 적어도 조사 후의 경도 측정부 근방에, 전단 등에 의한 변형의 영향이 없도록 했다.
[철손의 평가]
압연 방향 : 280㎜, 압연 직각 방향 : 100㎜의 시료를 사용하여, JIS C 2556에 준거한 단판 자기 시험 장치에 의한 자기 측정(자속 밀도 B8, 전 철손 W17 /50의 측정)을 행했다. 또, 측정치는 엡스타인(Epstein) 측정 환산치로 나타냈다. 또한, 같은 시료에 대해, 직류 자화(0.01㎐ 이하)에서, 자속 최대치 : 1.7T, 최소치 : -1.7T의 히스테리시스 B-H 루프의 측정을 행하고, 이 B-H 루프 1주기로부터 구한 철손을 히스테리시스 손실로 했다. 와전류 손실은, 직류 자화 측정에 의해 얻어진 히스테리시스 손실을 전 철손으로부터 빼는 것으로, 산출했다.
[휨의 평가]
압연 방향 : 280㎜, 압연 직각 방향 : 100㎜의 시료를 수평면에 두고, 수평으로부터의 시료 위치를 레이저 변위계로 측정하며, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 조사 후의 최대 휨을, 처리 전의 최대 휨에서 뺀 값을 휨으로 했다.
[소음의 평가]
소음은, 삼상(三相) 삼각(三脚)의 적층 철심형 변압기를 모의한, 모델 트랜스 변압기를 사용하여 평가를 행했다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 모델 트랜스 변압기의 외형 : 500㎜ 각(square), 폭 : 100㎜의 강판으로 구성된다. 강판을, 도 8에 나타내는 형상으로 경사진 각으로 절단하여, 적층 두께 : 약 15㎜, 철심 중량 : 약 20㎏이 되도록, 0.23㎜ 두께의 강판으로는 70매, 0.27㎜ 두께의 강판으로는 60매, 0.20㎜ 두께의 강판으로는 80매를 적층한다. 본 측정에서는, 경사진 각으로 전단한 시료의 길이 방향이 압연 방향이 되도록 했다. 적층 방법은 2매 중첩의 5단 스텝 랩(step-lap) 적층으로 했다. 구체적으로는, 중앙의 다리 부재(형상 B)로서, 대칭 부재(B-1) 1종과, 비대칭 부재(B-2, B-3) 2종의 합계 3종(실제로는, 비대칭 부재(B-2, B-3)를 뒤집는 것으로 도합 5종)을 사용하며, 실제의 적층 방법은 예를 들면 「B-3」 「B-2」 「B-1」 「B-2 반전(反轉)」 「B-3 반전」 순으로 적층한다.
철심은 평면 상에 평평하게 적층하고, 또 베이크라이트 제의 누름판으로 약 0.1㎫의 가중으로 끼워 넣어, 고정했다. 삼상은 120°위상을 두고 여자를 행하며, 자속 밀도 : 1.7T에서, 소음 측정을 행했다. 소음은, 철심 표면으로부터 20㎝ 떨어진 위치(2개소)에서 마이크로 측정하여, A 스케일 보정을 행한 ㏈A 단위로 나타낸다.
[소재의 성분 조성]
본 발명의 방향성 전자 강판의 소재는, 피 조사재로서 상술한 대로이지만, 소재의 성분 조성으로서는 이하의 원소를 들 수 있다.
Si : 2.0∼8.0 질량%
Si는, 강의 전기 저항을 높이고, 철손을 개선하는데 유효한 원소이지만, 함유량이 2.0 질량%에 달하지 않으면 충분한 철손 저감 효과를 달성할 수 없고, 한편 8.0 질량%를 넘으면 가공성이 현저히 저하하며, 또한 자속 밀도도 저하하기 때문에, Si량은 2.0∼8.0 질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
C : 50 질량ppm 이하
C는, 열연판 조직의 개선을 위해 첨가를 행하지만, 최종 제품에서는 자기 시효(磁氣時效)가 일어나지 않는 50 질량ppm 이하까지 C를 저감하는 것이 바람직하다.
Mn : 0.005∼1.0 질량%
Mn은, 열간 가공성을 양호하게 하는데 있어서 필요한 원소이지만, 함유량이 0.005 질량% 미만에서는 그 첨가 효과가 부족하고, 한편 1.0 질량%를 넘으면, 제품 판의 자속 밀도가 저하하기 때문에, Mn량은 0.005∼1.0 질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기의 기본 성분 이외에, 자기 특성 개선 성분으로서, 이어서 설명하는 원소를 적당히 함유시킬 수 있다.
Ni : 0.03∼1.50 질량%, Sn : 0.01∼1.50 질량%, Sb : 0.005∼1.50 질량%, Cu : 0.03∼3.0 질량%, P : 0.03∼0.50 질량%, Mo : 0.005∼0.10 질량% 및 Cr : 0.03∼1.50 질량% 중에서 선택한 적어도 1종
Ni는, 열연판 조직을 개선하여 자기 특성을 향상시키기 위해 유용한 원소이다. 그러나 함유량이 0.03 질량% 미만에서는 자기 특성의 향상 효과가 작고, 한편 1.50 질량%를 넘으면 2차 재결정이 불안정해져 자기 특성이 열화한다. 그 때문에, Ni량은 0.03∼1.50 질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또한, Sn, Sb, Cu, P, Mo 및 Cr은 각각, 자기 특성 향상에 유용한 원소이지만, 모두 상기한 각 성분의 하한에 달하지 않으면 자기 특성의 향상 효과가 작고, 한편 상기한 각 성분의 상한량을 넘으면 2차 재결정립의 발달이 저해되기 때문에, 각각 상기 범위로 함유시키는 것이 바람직하다.
또, 상기 성분 이외의 잔부(殘部)는, 제조 공정에서 혼입되는 불가피한 불순물 및 Fe이다.
실시예 1
본 실시예에서 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 조사한 시료는, 압연 방향의 B8이 1.89T에서부터 1.95T이며, 피막이 붙어 있는 방향성 전자 강판 및 피막이 없는 방향성 전자 강판이다. 피막이 붙어 있는 강판은, 지철의 표면에, Mg2SiO4를 주성분으로 하는 유리상 피막 및 그 위에 무기물 처리액을 소부(燒付)한 피막(인산염계 코팅)으로 된 2층 피막이 존재하는 구조로 되어 있다. 철손에 대해서는 표 3에 나타내는 바와 같다.
열선ㆍ광선ㆍ입자선에 의해 격자 결함을 도입하는 방법으로서, 레이저 조사, 전자 비임 조사, 또한 비교로서 볼펜, 나이프에 의한 스크라이빙(scribing)을 이용했다. 각 조사 및 스크라이빙을 할 때에는, 레이저 조사부, 전자 비임 조사부, 볼펜 선단부, 나이프 선단부를 강판의 압연 직각 방향으로, 전폭에 걸쳐 직선상으로 주사시켰다. 여기서, 레이저로는, 연속 조사(도트 피치 : 0) 또는 펄스 조사(펄스 간격 : 0.3㎜), 주사 속도 : 10m/s, 압연 방향의 반복 간격은 5㎜ 혹은 3.5㎜로 했다. 또한 전자 비임으로는, 도트 피치가 0.3㎜, 조사 주파수는 100㎑, 주사 속도는 30m/s 또는 4m/s, 압연 방향의 반복 간격은 5㎜ 혹은 3.5㎜로 했다. 또한, 볼펜 스크라이빙은, 제브라 주식회사제 N5000에 50g 분동을 얹어 행하고, 나이프 스크라이빙은, 손힘으로 적당한 하중으로 행했다. 레이저는, 연속 조사의 경우는 섬유 레이저, 펄스 조사의 경우는 YAG 레이저를 이용하며, 전자는 파장 : 1070㎚, 후자는 파장 : 1064㎚로 했다. 전자 비임은, 가속 전압 40㎸ 이상, 수속(收束) 코일 중심에서부터 피 조사재까지의 최단 거리(WD)가 700㎜, 가공실의 압력은 2㎩ 이하로 했다.
상기 방법에 의해 격자 결함을 도입한 후, 피막이 붙어 있는 시료에 대해서는, 경도 측정 전에, 다음과 같은 요령으로 피막을 제거했다. 먼저, 수산화나트륨 1200g을 4L의 물에 혼합해서, 110℃로 가열한 용액에 7분간 침지시켜, 인산염계 코팅을 제거했다. 이어서, 67.5% 초산 50mL를 1L의 물로 희석해서, 4.4%의 초산 수용액(상온)으로 하고, 이 초산 수용액에 시료를 2∼4분간 침지시켜, 유리상 피막을 제거했다. 각 처리 후에는, 당연한 것이지만, 처리액이 강판 표면에 잔존하지 않도록 처리했다.
경도는, 열선, 광선, 입자선 조사에 의한 조사 흔적, 스크라이빙 흔적 근방의 영역에서 측정했다. 조사 흔적이 명료하지 않은 경우는, 조사 전에 미리 강판 표면에 유성 펜 등으로 선을 기입해 두면, 열 조사된 부분의 선이 기화하여 소실되므로, 조사부를 특정할 수 있다. 펜의 영향은 작다고 생각되지만, 마음에 걸리는 경우에는, 조사 에너지를 조금 강하게 해서 조사 테스트를 행하여, 조사 흔적 위치를 미리 특정해 두면 좋다. 또한, 경도 측정은, 조사 흔적, 스크라이빙 흔적 중심으로부터의 압연 방향 거리 X가 0.50㎜ 이하인 영역에서 행하고, 각 X(0, 0.05, 0.07, 0.13, 0.25, 0.50㎜)에서, 10점 측정을 행하여, 그 평균치를 경도 측정치로 했다. 이하, 이 10점 평균 경도를 간단히 「경도」라고 칭한다. 또, 자구 세분화 방법, 열선ㆍ광선ㆍ입자선의 조사 조건에 따라서는, 조사부, 스크라이빙부에 큰 요철이 생기는 경우가 있지만, 그 부분의 경도 측정은 행하고 있지 않다. 또한, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 비조사부의 경도는, 조사 흔적, 스크라이빙 흔적으로부터 2㎜ 떨어진 위치의 경도로 했다.
표 3, 4에, 실험 결과를 나타낸다.
또, 표 중 조사 흔적 근방의 최대 경도란, 조사 흔적, 스크라이빙 흔적 중심에서부터의 압연 방향 거리 X가 0.50㎜ 이내인 영역에서 측정한 경도의 최대치이다. 또한, 밑줄 부분은 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다.
Figure pct00003
Figure pct00004
표 3, 4로부터 분명한 바와 같이, 조사 전에, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 35% 이하인 강판에 대해 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 조사하는 것에 의해, 전 철손 W17 /50을 0.70W/㎏이하, 소음을 40㏈A 이하로 할 수 있다. 다만, 적절한 조건에서 조사를 행하지 않은 경우에는, No.15와 같이, 상기 범위를 벗어난다. No.15는, 종래 기술에 나타나는 것보다 출력이 과도하게 높은 조건으로 조사한 경우이다.
또한, 0.70W/㎏, 40㏈A를 밑돌았던 상기 강판의 다수는, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 비조사부의 경도에 대한 조사부의 경도 증가가, 10점 측정의 표준 편차와 비교해서 충분히 작기 때문에, 열선ㆍ광선ㆍ입자선 비조사부 경도와 조사부의 경도에 의미 있는 차가 있다고는 인정되지 않는다. 즉, 조사부에 경도 증가가 인정되지 않는다. 또, 그 외 일부 시료에 대해서는, 조사에 의해 경도 감소가 인정되었다.
한편, 펄스 레이저 조사의 경우는, 특히 No.15, 16의 시료에서 볼 수 있듯이, 조사에 의한 히스테리시스 손실의 증대가 높고, 조사부의 경도 상승이 매우 큰 것을 알 수 있다.
또한, No.16에 나타내는 바와 같이, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 35%보다 큰 강판이어도, 철손이 0.70W/㎏를 밑도는 것이 가능하다. 그러나 충분한 자구 세분화를 하기 위해, 높은 에너지를 강판에 조사하기 때문에, 조사부의 경도, 시료의 휨, 소음이 커져 버린다.
No.7, 8, 13의 비교 및 No.3, 14의 비교로 볼 수 있듯이, 전자 비임 조사재는, 레이저 조사재와 비교하여, 철손-소음의 밸런스가 뛰어나다.
No.22와 23의 비교로 볼 수 있듯이, 저속 주사 쪽이, 철손-소음 밸런스가 좋다.
이에 대해, 볼펜이나, 나이프에 의해 강판 표면에 스크라이빙 선을 넣어, 자구 세분화하는 방법에서는, 충분한 철손 저감 효과가 없을 뿐만 아니라, 나이프 스크라이빙의 경우에는, 스크라이빙부의 경도 상승량이 크고, 히스테리시스 손실이 높아진다.
또한, No.26, 27에서 볼 수 있듯이, 조사 전에, 전 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 45% 이하인 강판에, 조사부에 경도 증가를 생기게 하지 않도록 열선ㆍ광선ㆍ입자선을 조사하는 것에 의해, 0.80W/㎏, 45㏈A를 밑돌게 할 수 있다.
또, No.28∼30은 판 두께가 0.20㎜인 강판, 그 외는 판 두께가 0.23㎜인 강판이다.

Claims (4)

  1. 강판의 표면 또는 내부에, 국소적으로 격자 결함 밀도가 높은 영역을 형성하고, 자구(磁區)를 세분화시킨 전자 강판에 있어서, 마이크로 비커스 경도계로 측정한 상기 고 격자 결함 밀도 영역의 경도가, 다른 영역의 경도와 동등 또는 그 이하인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전(全) 철손에 대한 히스테리시스 손실의 비율이 45% 미만인 강판에 대해, 압연 직각 방향으로부터 30°이내의 각도 방향으로, 압연 방향으로 10㎜ 이하의 주기적인 간격을 갖고서, 열선, 광선 또는 입자선을 조사하는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    입자선의 조사가, Fe보다도 질량이 작은 전하 입자의 조사인 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    열선, 광선 또는 입자선의 조사를, 강판 상에 있어서의 조사부 평균 주사 속도가 30m/s 이하의 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.
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