KR20150036775A - 철심용 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 변형 영역의 근방에, 150㎫ 이상의 잔류 응력을, 압연 방향에 대하여 300㎛ 이내의 범위, 또한 판두께 방향에 대하여 42㎛ 이상의 범위에 존재시키고, 또한 상기 변형 영역을, 압연 방향으로 2∼10㎜의 간격으로 주기적으로 형성함으로써, 1.5∼1.9T의 여자(勵磁) 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수함으로써, 변압기의 동작시에 있어서의 에너지 손실이 적은 철심용 방향성 전자 강판을 얻을 수 있다.

Description

철심용 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET FOR IRON CORE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 변압기의 철심 용도로 사용되는 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 에너지 사용의 효율화가 진행되어, 변압기의 동작시에 있어서의 에너지 손실의 축소가 요구되고 있다. 변압기에서 발생하는 손실에는, 주로 도선(conductors)에 발생하는 동손(copper loss)과 철심에 발생하는 철손(iron loss)이 있다. 또한 철손은, 히스테리시스손(hysteresis loss)과 와전류손(eddy current loss)으로 분리하는 것이 가능하며, 히스테리시스손의 저감에는, 소재의 결정 방위의 개선이나, 불순물의 저감 등이 유효하다는 것이 알려져 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 최종 냉연 전의 어닐링 조건을 적정화함으로써, 자속 밀도와 철손이 우수한 방향성 전자 강판을 제조하는 방법이 나타나 있다.

한편으로, 와전류손은, 판두께의 저감이나, Si의 첨가량을 증대하는 것 외에, 강판 표면으로의 홈(groove) 형성이나 변형(strain)의 도입에 의해, 극적으로 개선되는 것이 알려져 있다.

예를 들면, 특허문헌 2에는, 강판의 편(片)표면에 선 형상의 홈을, 홈폭: 300㎛ 이하, 홈 깊이: 100㎛ 이하로 하여 형성함으로써, 홈 형성 전에는 0.80W/㎏ 이상이었던 철손 W_{17 /50}을, 0.70W/㎏ 이하로 저감하는 기술이 나타나 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 2차 재결정 후의 강판에 플라즈마 아크를 조사함으로써, 조사 전에는 0.80W/㎏ 이상이었던 철손 W_{17 /50}을, 0.65W/㎏ 이하로 저감하는 기술이 나타나 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 피막 두께와, 전자 빔 조사에 의해 강판면에 형성된 자구(magnetic domain) 불연속부의 평균폭을 적정화함으로써, 철손이 낮고, 소음이 작은 트랜스용 소재를 얻는 기술이 나타나 있다.

일본공개특허공보 2012-1741호 일본특허공고공보 평06-22179호 일본공개특허공보 2011-246782호 일본공개특허공보 2012-52230호 일본공개특허공보 2003-27196호 일본공개특허공보 2007-2334호 일본공개특허공보 2005-248291호 일본공개특허공보 2008-106288호 일본공개특허공보 2008-127632호

가와사키 제철 기보 29(1997)3, 153-158

위에 게재된 특허문헌 2에 나타낸 홈 형성한 저(低)철손재는, 플라즈마 아크나 레이저 등에 의해 열변형을 도입하여 자구 세분화한 강판에 대하여, 권취형 변압기의 제작 과정에서 행해지는 변형 제거 어닐링 후에도 자구 세분화 효과(magnetic domain refining effect)가 소실되지 않는 점에 있어서는 유리하다. 그러나, 홈 형성에 의한 자구 세분화는, 철손 저감 효과가 약간 작고, 홈 형성에 의한 지철(steel substrate)의 체적 감소에 의해, 자속 밀도가 작아진다는 문제가 있다.

여기에서, 적층형 변압기의 철손을 궁극적으로 낮게 하는 소재를 얻기 위해서는, 열변형을 강 중에 도입하는 수법이 유리하지만, 위에 게재된 특허문헌 3이나 특허문헌 4에 나타나는 바와 같은 방법은, 모두 W_{17 /50}의 특성만을 평가하고 있었다.

방향성 전자 강판이 사용되는 변압기는, 반드시 1.7T에서의 여자(勵磁;excitation)만으로 사용되는 것은 아니고, 소형 변압기에서는 1.5T 정도의 자속 밀도로 사용되는 한편, 대형의 변압기에서는 1.8T를 초과하는 자속 밀도 범위에서 사용되는 것이 적지 않다.

따라서, 변압기 메이커의 설계 자유도 향상 등의 관점에서는, 변압기 등의 철심에 사용되는 방향성 전자 강판은, 1.5T 내지 1.9T 정도의 자속 밀도 범위에 걸쳐, 철손이 낮은 것이 바람직하다.

도 1에는, 상이한 시료에 있어서의, 변압기 철손에 미치는 여자 자속 밀도의 영향을 나타낸다. 도면 중, 1.7T로 여자한 경우에 있어서는, 시료 A와 B에서 동등한 철손을 나타내고 있지만, 1.5T 및 1.9T로 여자한 경우에 있어서는, 시료 A와 B의 철손에 명료한 차이가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 1.7T에서의 여자에 있어서, 양호한 철손을 나타내는 강판이, 반드시 다른 여자 조건에 있어서, 양호한 철손이라고는 할 수 없는 것이 분명해졌다.

이러한 1.7T 이외의 자속 밀도 범위에서의 저철손화 기술에는, 예를 들면, 특허문헌 5나 특허문헌 6에 개시된 기술이 있다. 전자에는, 자구 세분화 방법을 이용하지 않는 소재의 제조 방법으로서, 탈(脫)탄 어닐링시의 승온 속도나 분위기를 바꿈으로써, W_{17 /50}에 대한 W_{19 /50}의 비를 1.6 이하로 하는 기술이 나타나 있다. 그러나, 이 기술은, Bi의 첨가가 필요해지는 등, 강 조성에 제한이 있기 때문에, 소재가 되는 슬래브의 비용이 증대하고, 나아가서는, 강 중의 2차 재결정이 안정되지 않는 등의 문제가 있다.

이에 대하여, 후자에는, 강판에 조사하는 레이저의 조사 조건을 적정화함으로써, 여자 자속 밀도: 1.9T에 있어서의 철손을 저감하는 기술이 나타나 있다. 그러나, 이 기술은, 변형 제거 어닐링을 하는 철심으로의 적용을 기도하고 있는 것이기 때문에, 위에 게재된 특허문헌 2에 나타낸 홈 형성 기술과 동일하게, 강판 표면에 오목부(depression)를 형성하는 것으로서, 소재의 자속 밀도가 작아진다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기의 실상을 감안하여 개발된 것으로, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수함으로써, 변압기의 동작시에 있어서의 에너지 손실이 적은 철심용 방향성 전자 강판을 그 유리한 제조 방법과 함께 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 전술한 문제를 해결하기 위해, 예의 연구를 거듭한 결과, 강 중의 응력 분포를 적정화함으로써, 1.5T 이상의 모든 여자 자속 밀도 영역에 있어서, 매우 낮은 철손이 얻어지는 것을 밝혀냈다.

종래에 있어서도, 예를 들면, 특허문헌 7이나 특허문헌 8에는, 레이저 조사 후의 응력 분포를 적정화함으로써, 저철손화하는 기술이 나타나 있다.

여기에, 위에 게재한 특허문헌 7에는, 압연 방향으로 발생하는 강판 표면에 발생한 인장 최대 응력을 70∼150㎫로 함으로써, 강 중의 와전류손이 저감되어, 저철손화할 수 있다고 나타나 있다.

또한, 위에 게재한 특허문헌 8에는, 압연 방향의 압축 잔류 응력을, 압연 단면 내에서 적분한 값으로 0.02kgf 이상 0.08kgf 이하의 범위로 함으로써, 강판을 저철손화할 수 있다고 나타나 있다.

그러나, 어느 기술에 있어서도, 규정된 값을 초과하는 응력이 발생한 경우에는, 철손이 열화해 버리는 것이 나타나 있고, 특히, 위에 게재한 특허문헌 8에는, 「표면에 발생하는 인장 잔류 응력에 의한 소성 변형(plastic strain) 때문에 히스테리시스손이 증대」할 가능성이 시사되어 있다.

다른 한편, 강판 내부의 응력(판두께 방향의 인장 응력이나 압연 방향의 압축 응력)은, 앞에 게재한 특허문헌 7에 나타나는 바와 같이, 압연 방향으로 자화한(magnetized) 주(主)자구(primary magnetic domain)와는 상이한 자구(보조 자구(auxiliary magnetic domain))의 형성을 안정화시킬 수 있다. 즉, 응력이 높을수록, 보조 자구가 고(高)자장 영역까지 안정화하게 되어, 이하에 나타내는 바와 같이, 와전류손의 저감 효과가 고자장 영역까지 유효하게 작용하여, 저철손이 얻어진다고 생각된다.

일반적으로, 보조 자구가 형성되면, 주자구가 세분화하여, 와전류손이 낮아진다고 여겨지고 있다. 이유는, 확실히 밝혀지고 있지는 않지만, 이 보조 자구의 판두께 방향의 깊이가 와전류손에 강한 영향을 미쳐, 그 깊이가 확대될수록, 와전류손의 저감 효과가 커진다고 생각된다. 동일한 메커니즘은, 예를 들면, 비특허문헌 1에 기재된 홈 형성재에서, 고찰되어 있다.

이상의 인식에 기초하여, 추가로 실험을 거듭한 결과,

(1) 강판 내부에 있어서, 150㎫ 이상의 크기를 갖는 응력(판두께 방향의 인장 응력, 압연 방향의 압축 응력, 혹은 압연 직각 방향의 인장 응력의 크기 중 최대값) 형성 영역의 판두께 방향 깊이를 42㎛ 이상으로 함으로써, 종래보다도 큰 와전류손의 저감 효과가 얻어지고,

(2) 150㎫ 이상의 응력이 형성되어 있어도, 상기 와전류손 저감 효과가 크기 때문에, 히스테리시스손과 와전류손의 합인 철손은 매우 낮은 값이 되고,

(3) 150㎫ 이상의 강한 응력이 형성되어 있으면, 고자장 여자 영역에 있어서도, 보조 자구가 안정적으로 존재하여, 저철손이 얻어지는 것을 밝혀냈다.

즉, 발명자들은, 강판 내부에 150㎫ 이상의 강한 응력이 있어도, 저철손(W_{17 /50})이 얻어질 뿐만 아니라, 1.9T까지의 고여자 자속 밀도 영역까지, 매우 낮은 철손이 얻어지는 것을 발견했다. 또한, 강 중의 응력 분포로서, 150㎫ 이상의 응력이, 압연 방향으로 300㎛ 이내의 영역에서, 또한 판두께 방향으로 42㎛ 이상에 미치는 범위에서 형성되어 있고, 또한, 이 변형 형성 영역이, 압연 방향으로 2∼10㎜ 이하의 간격으로 주기적으로 형성함으로써, 상기 효과를 얻는 것도 아울러 인식했다.

또한, 이러한 강판을 제조함에 있어서, LaB₆으로부터 방출된 전자 빔을 이용하는 것이 매우 유용함을 밝혀냈다. 일반적으로, LaB₆은 고휘도 빔을 출력하는 데에 유리하다는 것이 알려져 있고, 발명자들의 실험에 의해서도, LaB₆으로부터 방출되는 전자 빔은, 빔 지름(슬릿법으로 측정) 0.2㎜ 이하의 매우 높은 에너지 밀도의 빔인 것이 분명해졌다. 종래의 전자 빔에는, 텅스텐 필라멘트가 많이 사용되어 있고, 염가라는 이점이 있기는 하지만, 그 빔 지름은 저스트 포커스시(just-focus position)에 0.3㎜ 정도였다(표 1 참조).

여기에서, 상기 빔 지름이 작을수록 빔의 에너지 밀도가 높고, 강판을 국소적으로 보다 고온화, 팽창시킬 수 있기 때문에, 큰 응력을 발생시키는 데에 유리한 수단이라고 추정할 수 있다. 또한, 소정의 응력이 되는 영역을 판두께 방향으로 깊게 부여했다고 해도, 영역의 압연 방향으로의 응력의 확산은 적은 채로 형성 가능해진다.

또한, 전술한 특허문헌 9에, 레이저 조사에 의해 강판 내부에 형성된 판두께 방향 잔류 응력을 40㎫ 이상, 항복 응력 이하로 적정화함으로써, 열변형 도입에 의한 히스테리시스손 열화를 저감한, 저철손 소재를 얻는 기술이 나타나 있다.

그러나, 특허문헌 9에 나타나는 기술은, 레이저 피닝(laser peening)을 응용한 것으로, 수중 조사하는 특수한 환경이기 때문에, 코일을 연속 처리하기 위한 충분한 기술이 확립되어 있지 않아, 고비용화를 피할 수 없었다.

또한, 잔류 응력이 150㎫ 이상이 되도록 레이저 조건을 조정하고자 하면, 반드시 대출력이 필요해져, 그 결과, 조사 강판 표면의 피막이 손상되고, 나아가서는 지철이 용융해 버려, 변압기에 조입(built in)했을 때에, 적층된 강판의 사이에서 절연성의 확보를 할 수 없게 되어 버린다는 문제나, 지철 노출부에 녹이 발생해 버린다는 문제가 있다. 이들 문제에 대해서는, 재코팅을 행한다는 대응 방법이 있기는 하지만, 그 경우에는, 철심의 점적률(stacking factor)을 손상시켜 버린다. 한편, 잔류 응력이 150㎫ 미만이면, 레이저 조사부에 형성되는 환류 자구(closure domain)를 안정화시키는 잔류 응력이 낮기 때문에, 특히 고자장 여자시에, 변압기 철손에 유리하다고 생각되는 환류 자구 구조가 파괴되어 버린다.

따라서, 변압기의 철심으로서의 사용을 생각하면, 피막 손상을 발생시키지 않고, 강판 내부에 가능한 한 높은 잔류 응력을 발생시키며, 나아가서는, 철손이 과도하게 열화하지 않는 바와 같은 응력 분포 범위를 명확화할 필요가 있었다.

발명자들은, 피막 손상을 억제하기 쉬운 전자 빔법이라면, 상기의 문제를 해결할 수 있다고 생각하고, 몇 가지의 실험을 행하여, 이하의 점을 분명하게 했다.

즉, 강판 내부에 높은 잔류 응력을 형성하고, 또한 철손 열화의 원인이 되는 응력 분포의 확대를 최소한으로 억제하기 위해서는, 매우 고휘도인 빔을 조사하는 것이 중요하고, 전자 빔 발생원인 음극 재질을 LaB₆으로 하는 것이 유효한 것을 인식했다. 또한, 가속 전압을 90㎸ 이상까지 증대함으로써, 고휘도 빔을 조사해도, 피막 손상을 억제하는 것이 가능한 것을 인식했다.

본 발명은 상기 인식에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 강판면 내의 압연 방향에 대하여, 60 내지 120°의 방향으로, 선 형상 변형(linear strain)을 갖는 철심용 방향성 전자 강판에 있어서,

상기 선 형상 변형의 근방에, 압연 방향에 대하여 300㎛ 이내의 범위에서, 또한 판두께 방향에 대하여 42㎛ 이상의 범위에서, 150㎫ 이상의 잔류 응력이 부여된 잔류 응력 형성 영역을 갖고, 또한 상기 선 형상 변형이, 압연 방향으로 2∼10㎜의 간격으로 주기적으로 형성된 것인, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판.

2. 강판면 내의 압연 방향에 대하여, 60 내지 120°의 방향으로, 선 형상 변형을 갖는 철심용 방향성 전자 강판에 있어서,

상기 선 형상 변형의 근방에, 압연 방향에 대하여 300㎛ 이내의 범위에서, 또한 판두께 방향에 대하여 42㎛ 이상의 범위에서, 150㎫ 이상의 잔류 응력이 부여된 잔류 응력 형성 영역을 가짐과 함께, 당해 잔류 응력 형성 영역이 상기 선 형상 변형의 방향에 있어서 150㎛ 이상의 간격을 두고 형성되며, 또한 상기 선 형상 변형이, 압연 방향으로 2∼10㎜의 간격으로 주기적으로 형성된 것인, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판.

3. 상기 선 형상 변형의 형성부 표면은, 지철 노출부가 없는 절연 피막인, 상기 1 또는 2에 기재된 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 철심용 방향성 전자 강판에 있어서의 선 형상 변형을 형성할 때에 있어서, LaB₆으로부터 방출되는 전자 빔을 강판 표면에 조사하는, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판의 제조 방법.

5. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 방향성 전자 강판을 제조함에 있어서, 90㎸ 이상의 전압으로 인가된 전자 빔을 강판 표면에 조사하는, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 전자 강판의 제조 방법.

6. 상기 4에 기재된 철심용 방향성 전자 강판의 제조 방법에 있어서, 추가로, 90㎸ 이상의 전압으로 인가된 전자 빔을 강판 표면에 조사하는, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서 변압기 철손이 우수한 철심용 전자 강판의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 1.5∼1.9T로, 매우 높은 여자 자속 밀도 영역까지의 넓은 자속 밀도 범위에 있어서 철손이 낮고, 에너지 효율이 높은 변압기를 만드는 것이 가능해진다.

도 1은 상이한 시료에 있어서, 변압기 철손에 미치는 여자 자속 밀도의 영향을 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 W_{19 /50}에 미치는 최대 응력(판두께 방향의 인장 응력, 압연 방향의 압축 응력, 혹은 압연 직각 방향의 인장 응력의 크기의 최대값)의 영향을, 도 2(b)는, W_{19 /50} 대 W_{17 /50}의 비에 미치는 최대 응력의 영향을, 각각 나타내는 도면이다.
도 3(a)는, W_{17 /50}에 미치는, 크기가 150㎫ 이상인 잔류 응력 형성 영역의 판두께 방향에 있어서의 확산의 영향을, 도 3(b)는, 와전류손 We_{17 /50}에 미치는, 크기가 150㎫ 이상인 잔류 응력 형성 영역의 판두께 방향에 있어서의 확산의 영향을, 각각 나타내는 도면이다.
도 4(a)는, W_{17 /50}에 미치는, 크기가 150㎫ 이상인 잔류 응력 형성 영역의 압연 방향에 있어서의 확산의 영향을, 도 4(b)는, 히스테리시스손 Wh_{17 /50}에 미치는, 크기가 150㎫ 이상인 잔류 응력 형성 영역의 압연 방향에 있어서의 확산의 영향을, 각각 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.

처음으로, 본 발명이 적용되는 철심용 방향성 전자 강판(이하, 단순히 강판이라고도 함)의 적합한 제조 조건에 관하여 설명한다.

본 발명에 이용하는 슬래브의 성분 조성은, 2차 재결정이 발생하는 성분 조성이면 좋다. 또한, 인히비터(inhibitor)를 이용하는 경우, 예를 들면, AlN계 인히비터를 이용하는 경우이면, Al 및 N을, 또한, MnS·MnSe계 인히비터를 이용하는 경우이면, Mn과, Se 및 S 중 적어도 어느 하나를 적량 함유시키면 좋고, 또한 양 인히비터를 병용해도 좋다.

인히비터 효과를 발휘하는 데에 적합한 Al, N, S 및 Se의 함유량은, 각각, Al: 0.01∼0.065질량％, N: 0.005∼0.012질량％, S: 0.005∼0.03질량％ 및 Se: 0.005∼0.03질량％이다.

또한, 본 발명은, Al, N, S 및 Se의 함유량을 제한한, 인히비터를 사용하지 않는 방향성 전자 강판에도 적용할 수 있다. 이 경우에는, Al, N, S 및 Se량은 각각, Al: 100질량ppm 이하, N: 50질량ppm 이하, S: 50질량ppm 이하 및 Se: 50질량ppm 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

또한, 방향성 전자 강판용 슬래브의 적합한 기본 성분 및 임의 첨가 성분은, 다음과 같다.

C: 0.08질량％ 이하

C는, 열연판 조직을 개선하기 위해 첨가하지만, 과잉하게 첨가한 경우, 제조 공정 중에 C를, 자기 시효(magnetic aging)가 일어나지 않는 50질량ppm 이하까지 저감하는 것이 곤란해지기 때문에, 0.08질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 하한은 특별히 제한은 없지만, 공업적으로 저감할 수 있는 것은, 0.0005질량％ 정도까지이다.

Si: 2.0∼8.0질량％

Si는, 지철의 상기 저항을 높여, 와전류손을 개선하는 원소이기 때문에, 2.0질량％ 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, 8.0질량％를 초과하면, 자속 밀도가 현저하게 저하되기 때문에, Si량은 2.0∼8.0질량％의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.005∼1.0질량％

Mn은, 열간 가공성을 양호하게 하는 데에 필요한 원소이지만, 함유량이 0.005질량％ 미만에서는 그 첨가 효과가 부족하고, 한편 1.0질량％를 초과하면 제품판의 자속 밀도가 저하된다. 따라서, Mn량은 0.005∼1.0질량％의 범위로 하는 것이 바람직하다.

상기한 기본 성분 이외에, 자기 특성 개선 성분으로서, 다음에 서술하는 원소를 적절하게 함유시킬 수 있다.

Ni: 0.03∼1.50질량％, Sn: 0.01∼1.50질량％, Sb: 0.005∼1.50질량％, Cu: 0.03∼3.0질량％, P: 0.03∼0.50질량％, Mo: 0.005∼0.10질량％ 및 Cr: 0.03∼1.50질량％ 중으로부터 선택한 적어도 1종

Ni는, 열연판 조직을 개선하여 자기 특성을 향상시키기 위해 유용한 원소이다. 그러나, 함유량이 0.03질량％ 미만에서는 자기 특성의 향상 효과가 작고, 한편 1.50질량％를 초과하면 2차 재결정이 불안정해져 자기 특성이 열화한다. 그 때문에, Ni량은 0.03∼1.50질량％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, Sn, Sb, Cu, P, Mo 및 Cr은, 모두 상기한 각 성분의 하한으로 충족되지 않으면, 자기 특성의 향상 효과가 작고, 한편, 상기한 각 성분의 상한량을 초과하면, 2차 재결정립의 발달이 저해되기 때문에, 각각 상기의 범위에서 함유시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 성분 이외의 잔부는, 제조 공정에 있어서 혼입되는 불가피적 불순물 및 Fe이다.

이어서, 상기한 성분 조성을 갖는 슬래브를 가열하여 열간 압연을 행한다. 단, 주조 후, 가열하지 않고 즉시 열간 압연해도 좋고, 박주편(thinner cast steel)의 경우에는 열간 압연을 생략하고 그대로 이후의 공정으로 진행해도 좋다.

또한, 필요에 따라서, 열연판 어닐링을 행한다. 이때, 열연판 어닐링 온도로서 800∼1100℃의 범위가 적합하다. 열연판 어닐링 온도가 800℃ 미만이면, 열간 압연에서의 밴드 형상 조직(band texture)이 잔류하고, 정립(uniformly-sized grain)된 1차 재결정 조직을 얻는 것이 곤란해져, 2차 재결정의 발달이 저해된다. 한편, 열연판 어닐링 온도가 1100℃를 초과하면, 열연판 어닐링 후의 입경이 지나치게 조대화(coarsen)되기 때문에, 정립된 1차 재결정 조직의 실현이 매우 곤란해진다.

열연판 어닐링 후는, 1회 또는 중간 어닐링을 사이에 두는 2회 이상의 냉간 압연을 행하여, 소망하는 판두께까지 가공한 후, 재결정 어닐링을 행한다. 그 후, 어닐링 분리제를 도포하고, 2차 재결정 및 폴스테라이트 피막(forsterite film)의 형성을 목적으로 하여 최종 마무리 어닐링을 행한다.

최종 마무리 어닐링시에, 코일 세트(coil setting) 등의 영향에 의해 생성되는 변형을 교정하기 위해, 평탄화 어닐링(flattening annealing)을 행하는 것이 유효하다. 또한, 본 발명에서는, 평탄화 어닐링 전 또는 후에, 강판 표면에 절연 코팅을 행한다. 여기에, 이 절연 코팅은, 본 발명에서는, 철손 저감을 위해, 강판에 장력을 부여할 수 있는 코팅(이하, 장력 코팅이라고 함)을 의미한다. 또한, 장력 코팅으로서는, 실리카를 함유하는 무기계 코팅이나 물리 증착법, 화학 증착법 등에 의한 세라믹 코팅 등을 들 수 있다.

본 발명에서는, 전술한 최종 마무리 어닐링 후 또는 장력 코팅 후의 방향성 전자 강판에 대하여, 이하에 나타내는 조건으로 강판 표면에 전자 빔을 조사함으로써, 자구 세분화 처리를 행하는 것이다.

이어서, 본 발명에 따른 전자 빔의 조사 방법에 관하여 구체적으로 설명한다.

[전자 빔 발생 조건]

전자 빔 발생원의 재질: LaB₆

전술한 바와 같이, LaB₆은, 고휘도 빔을 출력하는 데에 매우 유리하고, 강 중의 응력을 소정 범위로 형성하는 데에 적합하다고 생각된다. 즉, LaB₆으로부터 발생한 전자 빔은, 소정의 응력이 되는 영역을, 판두께 방향으로 깊게 하면서, 또한 압연 방향으로의 확산을 적게 형성할 수 있다.

가속 전압: 40∼300㎸

가속 전압은, 높을수록, 가공실 내의 잔류 가스에 의한 산란의 영향을 받기 어려운 이점이 있다. 그러나, 가속 전압이 과도하게 높아지면, 자구 세분화에 필요한 빔 전류가 작아져, 안정적인 제어가 곤란해질 뿐만 아니라, 강판으로부터 발생하는 X선의 차폐에 필요한 부재가 대형화하여, 고비용화해 버린다는 문제가 있다. 따라서, 가속 전압의 범위는 40∼300㎸ 정도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 선 형상 변형의 형성부 표면은, 지철 노출부가 없는 절연 피막인 것이 바람직하지만, 강판의 피막 손상을 억제하는 경우에는, 가속 전압 90㎸ 이상이 필요하다.

표 2에, LaB₆으로부터 출력: 0.6kW로 빔 지름(빔 반값폭): 0.2㎜의 전자 빔을 조사하여 자구 세분화한 방향성 전자 강판의 전자 빔 조사부의 피막 손상과 잔류 응력 결과를 나타낸다. 빔 지름은, 워킹 디스턴스(working distance)와 수렴 전류(focusing current)에 의해 조정했다. 피막 손상은, 손상이 없으면 ○, 있으면 ×로 했다. 또한, 잔류 응력(본 발명에서는, 단순히 응력이라고 한 경우는 잔류 응력을 의미함)은, 150㎫ 이상의 잔류 응력 범위가, 판두께 방향으로 42㎛ 이상 또한 압연 방향으로 300㎛ 이하인 경우에 ○으로 했다. 이로부터, 150㎫의 응력을 형성하는 조건에 있어서는, 가속 전압이 90㎸ 이상이면, 피막 손상의 억제가 가능하다는 것을 알 수 있었다.

선 간격: 2∼10㎜

전자 빔은, 직선 형상 혹은 점렬(dot-seguence) 형상으로 강판의 폭단부(widthwise edge)로부터, 또 다른 한쪽의 폭단부로 조사하고, 이것을 압연 방향으로 주기적으로 반복하여 행한다. 이 간격(선 간격)은, 2∼10㎜인 것이 필요하다. 선 간격이 좁으면, 강 중에 형성되는 변형 영역이 과도하게 커져, 철손(히스테리시스손)이 열화한다. 한편으로, 선 간격이 지나치게 넓으면, 자구 세분화 효과가 부족하여, 철손이 개선되지 않기 때문이다.

선 각도: 60 내지 120°

상기한, 선 형상으로 강판의 폭단부로부터, 또 다른 한쪽의 폭단부로의 빔 조사에 있어서, 강판의 압연 방향과, 선 형상의 조사의 시점으로부터 종점을 향하는 방향과의 이루는 각을, 본 발명에서는 선 각도라고 한다. 이 선 각도는, 압연 방향에 대하여 60 내지 120°로 한다.

상기 범위를 일탈하면, 강판의 빔 조사 영역이 과도하게 증대하여, 히스테리시스손이 열화해 버리기 때문이다.

본 발명에 있어서의 선 형상이란, 직선뿐만 아니라, 점선이나, 불연속선이라도 좋고, 그때의 상기 선 각도란, 점선이나 불연속선의 시점과 종점을 연결한 직선이 압연 방향과 이루는 각도를 의미한다.

여기에, 전자 빔을 점렬 형상으로 조사한 경우, 점렬 간격이 극단적으로 작은 경우를 제외하고, 강 중의 잔류 응력은, 점렬 간격의 주기로 형성된다. 후술의 실시예에 나타내는 바와 같이, 선 형상 변형의 방향에 있어서의 150㎫ 이상의 잔류 응력 형성부 간의 간격을 0.15㎜(150㎛) 이상으로 하면, 고자속 밀도에 있어서 매우 양호한 철손이 얻어진다(매우 낮은 W_{19 /50} 대 W_{17 /50}의 비가 얻어짐). 이것은, 점렬 형상으로 전자 빔을 조사함으로써, 잔류 응력 형성부의 체적이 최소한으로 억제되었기 때문이라고 생각된다.

다른 한편, 점선이나 불연속선 조사의 경우, 선 형상으로 존재하는 점과 점의 사이, 혹은 연속선과 연속선의 사이의 150㎫ 이상의 잔류 응력 형성부 간의 간격은 0.8㎜(800㎛) 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 조사 영역(응력 형성 영역)이 과도하게 적으면, 와전류손 개선 효과가 부족해질 우려가 있기 때문이다.

가공실 압력: 3㎩ 이하

가공실 압력이 높으면, 전자총으로부터 발생한 전자가 산란되어, 지철에 열영향을 주는 전자의 에너지가 감소하기 때문에, 강판은, 충분히 자구 세분화되지 않아, 철손이 개선되지 않는다. 그래서, 본 발명에서는, 가공실 압력을, 3㎩ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 하한값은 특별히 한정되지 않는다.

수렴 전류

전자 빔을 폭방향으로 편향하여 조사시키는 경우에는, 폭방향의 빔 파워 밀도가 균일해지도록, 사전에 수렴 전류를 조정하는 것이 바람직하다.

[강 중 응력 분포]

응력의 방향

본 발명에 따른 강판은, 강판면 내의 압연 방향으로부터 60 내지 120°의 방향으로, 선 형상 변형을 갖고, 이 변형의 영역 근방에 응력이 존재하고 있는 것이며, 그 응력은, 압연 방향의 압축 응력, 판두께 방향의 인장 응력, 혹은 압연 직각 방향의 인장 응력으로 이루어진다. 또한, 본 발명에 있어서의 선 형상 변형의 근방이란, 전술한 바와 같이, 선 형상 변형에 의한 응력이 존재하는 곳이지만, 구체적으로는, 전자 빔 조사부로부터 500㎛ 이내에 형성되는 영역으로 한다.

일반적으로, 자화의 방향은, 압축 응력 존재하에서는, 그 압축 방향으로부터 90°를 향했을 때에 자기 탄성 에너지적으로 안정화되고, 또한, 인장 응력 존재하에서는, 그 인장 방향을 향했을 때에 안정화된다.

따라서, 상기 응력이 형성된 경우에는, 원래 압연 방향을 향한 주자구가 불안정화되기 때문에, 다른 방향을 향한 보조 자구가 형성되게 된다.

강 중 최대 응력: 150㎫ 이상

상기 보조 자구는, 상기에 나타낸 응력(압연 방향의 압축 응력, 판두께 방향의 인장 응력, 혹은 압연 직각 방향의 인장 응력)의 크기가 클수록, 보다 높은 여자 영역까지 안정화된다고 생각된다.

도 2(a)에, W_{19 /50}에 미치는 상기 응력의 최대값(최대 잔류 응력)의 영향을, 또한, 도 2(b)에 W_{19 /50} 대 W_{17 /50}의 비에 미치는 최대 응력의 영향을 각각 나타낸다.

최대 응력이 150㎫ 이상에서, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 1.12W/㎏ 미만의 W_19/50을 얻을 수 있고, 또한 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, W_{19 /50} 대 W_{17 /50}의 비는 1.60 이하가 되었다. 여기에서, 도면 중의 데이터는 모두, 자기 특성이 동등한 강판에 자구 세분화 처리를 행한 후의 데이터로서, W_{15 /50}은 0.51W/㎏, W_{17 /50}이 0.69∼0.70W/㎏였다. 또한, 150㎫ 이상의 잔류 응력 형성 영역의 강판 판두께 방향의 확산은, 42∼48㎛이며, 150㎫ 이상의 잔류 응력 형성 영역의 강판 폭방향의 확산은 200∼220㎛였다. 또한, 상기 응력의 확산은, 후술하는 방법으로 측정했다.

최대 응력의 방향은, 주로 판두께 방향이었지만, 그 경우, 압연 방향의 최대 응력은 30㎫ 이상이었다.

또한, 강 중 최대 응력의 상한은, 특별히 제한은 없기는 하지만, 600㎫ 정도가, 실용상의 상한이다.

150㎫ 이상 잔류 응력 형성 영역: 판두께 방향으로 42㎛ 이상

보조 자구의 판두께 방향의 확산은, 자구 세분화 및 와전류손의 저감에 영향을 준다고 생각된다.

도 3(a)는, W_{17 /50}에 미치는 크기가 150㎫ 이상인 응력의 형성 영역의 판두께 방향에 있어서의 확산의 영향을, 또한 도 3(b)는, 와전류손 We_{17 /50}에 미치는 크기가 150㎫ 이상인 응력의 형성 영역의 판두께 방향에 있어서의 확산의 영향을 각각 나타내고 있다.

150㎫ 이상의 영역이 판두께 방향으로 확대되면 될수록, 와전류손이 저감되고, 철손도 저감되어 있는 것이 확인되었다. 특히, 크기가 150㎫ 이상인 응력의 형성 영역이, 판두께 방향으로 42㎛ 이상 확산되어 있는 경우, 0.70W/㎏ 이하의 우수한 철손이 얻어지고 있다. 여기에서, 도면 중의 데이터는 모두, 자기 특성이 동등한 강판에 자구 세분화 처리를 행한 후의 데이터로서, 강 중의 최대 응력은 255∼300㎫의 범위였다. 또한, 150㎫ 이상의 영역의 폭방향의 확산은 180∼225㎛였다.

또한, 150㎫ 이상 잔류 응력 형성 영역의 판두께 방향의 상한은, 특별히 제한은 없기는 하지만, 100㎛ 정도가, 실용상의 상한이다.

150㎫ 이상 잔류 응력 형성 영역: 압연 방향으로 300㎛ 이내

잔류 응력 형성 영역이 강판 압연 방향으로 확대되어, 보조 자구가 새롭게 형성되었다고 해도, 주자구와 보조 자구의 경계에 발생하는 자유 자극(free magnetic pole)의 양은, 거의 변하지 않는 것으로 생각되기 때문에, 보조 자구의 새로운 형성은, 자구 세분화에, 특별히 영향을 미치지 않는다고 생각된다. 한편으로, 잔류 응력 형성 영역에는 변형이 존재하기 때문에, 과도한 확대는, 히스테리시스손을 증대시켜 버린다. 따라서, 150㎫ 이상 잔류 응력 형성 영역은, 압연 방향으로 300㎛ 이내로 한다.

또한, 150㎫ 이상 잔류 응력 형성 영역의 압연 방향의 하한은, 특별히 제한은 없기는 하지만, 20㎛ 정도가, 실용상의 하한이다.

도 4(a)에는, W_{17 /50}에 미치는 크기가 150㎫ 이상인 응력의 형성 영역의 압연 방향에 있어서의 확산의 영향을, 도 4(b)에는, 히스테리시스손 Wh_{17 /50}에 미치는 크기가 150㎫ 이상인 응력의 형성 영역의 압연 방향에 있어서의 확산의 영향을 각각 나타내고 있다. 150㎫ 이상의 영역이 강판 압연 방향으로 확대될수록, 히스테리시스손이 증대하고, 철손도 증대하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 압연 방향으로 300㎛를 초과하여 확산되어 있는 경우, 히스테리시스손이 0.35W/㎏ 이상으로 과도하게 증대하여, 0.70W/㎏보다 큰 철손이 되어 버린다. 여기에서, 도면 중의 데이터는 모두, 자기 특성이 동등한 강판에 자구 세분화 처리를 행한 후의 데이터로서, 최대 응력이 270∼300㎫였다. 또한, 판두께 방향의 응력의 확산은 45∼50㎛였다.

[응력 분포 측정 방법]

본 발명에 있어서, 강판의 응력 분포는, CrossCourt Ver.3.0(BLG Productions Bristol 제조)을 사용하고, EBSD-wilkinson법에 의해 측정된 변형 분포로부터, 3％ Si-Fe의 탄성 계수를 이용하여 구했지만, X선 회절법 등에 의한 방법에 의해서라도 좋다. 단, X선 회절법 등을 이용하는 경우에는, 측정 분해능을 높이기 위해, 작은 지름의 콜리메이터를 사용하는 것이 바람직하다.

발명에서의 측정은, 압연 방향 판두께 단면에 있어서, 압연 방향으로 600㎛ 이상에서, 강판의 전체 두께의 범위를, 측정 피치 5㎛로 행했다. 또한, 시야의 중심에서 변형 분포가 대칭이 되도록 하여, 변형 측정에 필요로 되는 무변형 참조점(unstrained reference point)은, 측정 시야 단부로 설정했다.

또한, 본 발명에 있어서, 전술한 공정이나 제조 조건 이외에 대해서는, 종래 공지의 전자 빔을 이용한 자구 세분화 처리를 행하는 방향성 전자 강판의 제조 방법을 적용할 수 있다.

실시예

질량％로, C: 0.05％, Si: 3.1％, Mn: 0.12％, Ni: 0.01％, O: 0.003％, N: 0.007％, Al: 0.025％, Se: 0.02％ 및 S: 0.003％를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강 슬래브를 연속 주조로 제조하고, 1430℃로 가열 후, 열간 압연에 의해 판두께: 1.6㎜의 열연판으로 한 후, 1000℃에서 10초의 열연판 어닐링을 행했다. 이어서, 냉간 압연에 의해 중간 판두께: 0.55㎜로 하고, 산화도 PH₂O/PH₂＝0.37, 온도: 1100℃, 시간: 100초의 조건으로 중간 어닐링을 실시했다. 그 후, 염산 산세정에 의해 표면의 서브 스케일(subscale)을 제거한 후, 재차, 냉간 압연을 실시하여, 판두께: 0.23㎜의 냉연판으로 했다.

이러한 냉연판에, 산화도 PH₂O/PH₂＝0.45, 균열(均熱) 온도: 850℃에서 150초 유지하는 탈탄어닐링을 행한 후, MgO를 주성분으로 하는 어닐링 분리제를 도포했다. 그 후, 2차 재결정과 순화를 목적으로 한 최종 마무리 어닐링을 1180℃, 60h의 조건으로 실시했다.

이어서, 50％의 콜로이달 실리카와 인산 마그네슘으로 이루어지는 장력 코팅을 부여하고, 철손을 측정했다. 철손 W_{17 /50}은, 0.83∼0.86W/㎏이었다.

그 후, 선각도: 90°, 가공실 압력: 0.1㎩에서, 표 3에 기재하는 각 조사 조건으로 전자 빔을 조사하는 자구 세분화 처리를 행하여 철손을 측정했다.

표 4에 결과를 나타낸다.

표 3 및 4에 나타낸 바와 같이, LaB₆을 사용하여, 본 발명의 조건을 만족하는 잔류 응력 형성 영역을 갖도록 전자 빔을 조사한 경우는, W_{15 /50}이 0.52W/㎏ 이하, W_{17 /50}이 0.70W/㎏ 이하, 그리고 W_{19 /50}이 1.11W/㎏ 이하가 되어, 고여자 영역에 있어도, 매우 철손이 낮은 강판이 얻어지는 것을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 강판면 내의 압연 방향에 대하여, 60 내지 120°의 방향으로, 선 형상 변형을 갖는 철심용 방향성 전자 강판에 있어서,
   상기 선 형상 변형의 근방에, 압연 방향에 대하여 300㎛ 이내의 범위에서, 또한 판두께 방향에 대하여 42㎛ 이상의 범위에서, 150㎫ 이상의 잔류 응력이 부여된 잔류 응력 형성 영역을 갖고, 또한 상기 선 형상 변형이, 압연 방향으로 2∼10㎜의 간격으로 주기적으로 형성된 것인, 1.5∼1.9T의 여자(勵磁) 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판.
2. 강판면 내의 압연 방향에 대하여, 60 내지 120°의 방향으로, 선 형상 변형을 갖는 철심용 방향성 전자 강판에 있어서,
   상기 선 형상 변형의 근방에, 압연 방향에 대하여 300㎛ 이내의 범위에서, 또한 판두께 방향에 대하여 42㎛ 이상의 범위에서, 150㎫ 이상의 잔류 응력이 부여된 잔류 응력 형성 영역을 가짐과 함께, 당해 잔류 응력 형성 영역이 상기 선 형상 변형의 방향에 있어서 150㎛ 이상의 간격을 두고 형성되며, 또한 상기 선 형상 변형이, 압연 방향으로 2∼10㎜의 간격으로 주기적으로 형성된 것인, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 선 형상 변형의 형성부 표면은, 지철 노출부가 없는 절연 피막인, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 철심용 방향성 전자 강판에 있어서의 선 형상 변형을 형성할 때에 있어서, LaB₆으로부터 방출되는 전자 빔을 강판 표면에 조사하는, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서의 변압기 철손이 우수한 철심용 방향성 전자 강판의 제조 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 방향성 전자 강판을 제조함에 있어서, 90㎸ 이상의 전압으로 인가된 전자 빔을 강판 표면에 조사하는, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서 변압기 철손이 우수한 철심용 전자 강판의 제조 방법.
6. 제4항에 기재된 철심용 방향성 전자 강판의 제조 방법에 있어서, 추가로, 90㎸ 이상의 전압으로 인가된 전자 빔을 강판 표면에 조사하는, 1.5∼1.9T의 여자 영역에 있어서 변압기 철손이 우수한 철심용 전자 강판의 제조 방법.
   
   

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