KR20170107575A - 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

저철손이고, 변압기에 조입했을 때의 소음이 작은 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 강판의 표층부에 국소적으로 존재하고, 압연 방향을 가로지르는 방향으로 연장되는 변형 영역이, 압연 방향으로 주기적 간격 s(㎜)로 복수 형성된 방향성 전자 강판으로서, 각각의 상기 변형 영역에는, 폭 방향으로 200㎜ 이상에 걸쳐 연속적으로, 압연 방향의 폭이 주기적으로 변화한 환류 자구 영역이 형성되고, 각각의 환류 자구 영역이, 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 최대 폭 W_max의 최소 폭 W_min에 대한 비(W_max/W_min)가 1.2 이상 2.5 미만, 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 평균 폭 W_ave가 80㎛ 이상, 판두께 방향의 최대 깊이 D가 32㎛ 이상, (W_ave×D)/s가 0.0007㎜ 이상 0.0016㎜ 이하의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 한다.

Description

방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은, 예를 들면 변압기의 철심에 이용되는 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

방향성 전자 강판이 사용되는 변압기에는, 저철손(low iron loss)과 저소음(low noise properties)인 것이 끊임없이 요구되고 있다. 변압기의 저철손화에는, 방향성 전자 강판 그 자체의 저철손화가 유효하고, 그것을 위한 기술의 하나로서, 강판 표면에 레이저, 플라즈마, 전자 빔 등을 조사함으로써 자구(magnetic domain)를 세분화하는 기술이 있다. 특허문헌 1에는, 전자 빔 조사에 의해 방향성 전자 강판의 압연 방향과 교차하는 방향으로 점렬(dot-sequence manner)로 열 변형을 도입함에 있어서, 조사점(irradiation point) 간격이나 조사 에너지를 적정화함으로써, 철손을 저감하는 기술이 기재되어 있다. 이 기술은, 주자구(main magnetic domains)를 세분화할 뿐만 아니라, 강판 내부에 환류 자구(closure domain)라고 칭해지는 새로운 자구 구조를 형성함으로써, 저철손을 실현하는 것이다.

그러나, 환류 자구가 증대하면 변압기에 조입(incorporated)했을 때의 소음이 불리해진다. 이것은, 환류 자구의 자기 모멘트가 압연 방향에 직교하는 면 내를 향하고 있기 때문에, 방향성 전자 강판의 여자 과정에서 압연 방향으로 방향이 변화하는 데에 수반하여, 자기변형(magnetostriction)(자왜(磁歪))을 발생시키기 때문이다. 강판 내부에는, 그 외에 랜싯(lancet)이라고 칭해지는 환류 자구가 존재하지만, 교류 자계에서 여자 중에 랜싯이 생성 소실하는 것에 의해서도 자왜가 발생한다. 랜싯은 장력 부여 등에 의해 저감될 수 있고, 자왜도 개선되는 것이 알려져 있다. 한편, 상기의 자구 세분화에 의해 발생하는 환류 자구도 자왜나 변압기 소음 열화의 요인이 된다. 따라서, 랜싯과 마찬가지로 저철손과 저소음을 양립하기 위한 환류 자구의 적정화가 요구되고 있다.

전자 빔 법에 의한 철손과 소음의 개선 기술로서는, 이하의 것이 있다. 특허문헌 2에는, 전자 빔을 점 형상으로 조사하여 자구 세분화 처리를 행하는 경우에, 전자 빔의 출력에 따라서, 일점당의 체류 시간 t와 점 간격 X의 관계를 제어함으로써, 우수한 철손 특성 및 소음 특성을 갖는 방향성 전자 강판을 제공하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 3에는, 전자 빔 조사에 의해 자구 세분화 처리가 되어, 열 변형 도입 영역의 직경 A와 조사 피치 B의 관계를 적정화한 방향성 전자 강판이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 전자 빔 법에 의해, 환류 자구의 압연 방향폭, 판두께 방향 깊이, 압연 방향 도입 간격을 적정화하는 기술이 기재되어 있다.

일본공개특허공보 2012-036450호 일본공개특허공보 2012-172191호 일본공개특허공보 2012-036445호 국제 공개 제2014/068962호

그러나, 특허문헌 2, 3에서는, 점렬 형상으로 전자 빔을 조사하고 있기 때문에, 형성된 환류 자구의 형상이 저철손 및 저소음을 양립하는 관점에서 충분히 적정화되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 4의 기술에서는, 철손은 낮고, 환류 자구의 압연 방향폭이나 환류 자구의 체적도 큰 점에서 빌딩 팩터(building factor)도 작은 것이 추정되지만, 환류 자구의 판두께 방향 깊이를 일정 이상으로 하기 위해 판두께 방향의 자왜가 커지는 경향이 있어, 소음을 중시하는 변압기 용도로서는, 적절하지 않다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 저철손이며, 변압기에 조입했을 때의 소음이 작은 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 환류 자구 형성의 사고 방식은 종래에도 인정되고 있지만, 본 발명자들은, 변압기의 저철손과 저소음을 양립하기 위한 환류 자구의 조건으로서, 그 판두께 방향의 깊이는 크고, 그 체적(본 명세서에서는, 「환류 자구의 압연 방향의 평균 폭 W_ave×최대 깊이 D/주기적 간격 s」로 정의함)은 작게하는 것이 유효한 것을 발견했다. 그리고, 이러한 환류 자구의 도입 방법으로서, 전자 빔 법이 가장 유리한 것을 발견했다. 전자 빔은 강판 내부로의 투과 능력이 높고, 조사면에서 더욱 판두께 내부로까지 변형과 환류 자구를 형성할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명자들은, 빔의 제어성이 매우 높고, 고도의 위치 제어가 가능한 전자 빔 법으로, 강판 표면에 있어서의 환류 자구를, 압연 방향의 폭이 주기적으로 변화한 형상으로 하고, 압연 방향의 최대 폭 W_max의 최소 폭 W_min에 대한 비(W_max/W_min)를 최적화함으로써, 종래보다도 양호한 철손·소음 밸런스가 실현될 수 있는 것을 발견했다.

그리고, 본 발명자들은, 이들 조건을 충족시키는 환류 자구를 형성하기 위한 최적의 전자 빔 조사 조건을 발견했다. 구체적으로는, 고(高)가속 전압 빔을 종래 이상으로 소경화시킴과 함께, 정류(停留;retention)와 이동을 고속으로 제어하는 기술이다.

본 발명은, 상기의 인식에 의해 완성된 것으로, 그 요지 구성은 이하와 같다.

(1) 강판의 표층부에 국소적으로 존재하고, 압연 방향을 가로지르는 방향으로 연장되는 변형 영역이, 압연 방향으로 주기적 간격 s(㎜)로 복수 형성된 방향성 전자 강판으로서,

각각의 상기 변형 영역에는, 폭 방향으로 200㎜ 이상에 걸쳐 연속적으로, 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 폭이 주기적으로 변화한 환류 자구 영역이 형성되고,

각각의 상기 환류 자구 영역이,

강판 표면에 있어서의 압연 방향의 최대 폭 W_max의 최소 폭 W_min에 대한 비(W_max/W_min)가 1.2 이상 2.5 미만,

강판 표면에 있어서의 압연 방향의 평균 폭 W_ave가 80㎛ 이상,

판두께 방향의 최대 깊이 D가 32㎛ 이상,

(W_ave×D)/s가 0.0007㎜ 이상 0.0016㎜ 이하의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.

(2) 상기 (1)에 기재된 방향성 전자 강판을 얻기 위한 제조 방법으로서,

방향성 전자 강판의 표면 상에서 압연 방향을 가로지르는 방향으로 전자 빔을 주사하면서, 상기 표면에 전자 빔을 조사하고, 상기 변형 영역을 형성할 때에, 그 조사 조건이,

가속 전압이 90㎸ 이상,

주사 방향과 직교하는 방향의 빔 지름 d1이 80㎛ 이상 220㎛ 이하,

주사 방향의 빔 지름 d2가, (0.8×d1)㎛ 이상 (1.2×d1)㎛ 이하,

빔 프로파일이 가우시안 형상(Gaussian shape),

전자 빔이 상기 표면 상에서, 정지와, 이동거리 p(단, 1.5×d2≤p≤2.5×d2)의 이동을 반복하면서 주사되는 것,

의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(3) 상기 정지 시간이 2μ초 이상이고, 상기 주사의 평균 속도가 100㎧ 이상인 상기 (2)에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(4) 상기 정지 시간이 8μ초 이상이고, 상기 주사의 평균 속도가 30㎧ 이상인 상기 (2)에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(5) 상기 표면 상에서, 전자 빔의 폭 방향 주사 길이가 200㎜ 이상인 상기 (2)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(6) 상기 표면 상에서, 전자 빔의 폭 방향 주사 길이가 300㎜ 이상인 상기 (2)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(7) 전자 빔의 발생원이 LaB₆인 상기 (2)∼(6) 중 어느 하나에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.

(8) 전자 빔을 수속시키기 위한 코일을 2개 이상 이용하는 상기 (2)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법.

본 발명의 방향성 전자 강판은, 저철손이고, 변압기에 조입했을 때의 소음이 작다. 또한, 본 발명의 방향성 전자 강판의 제조 방법에 의하면, 저철손이고, 변압기에 조입했을 때의 소음이 작은 방향성 전자 강판을 얻을 수 있다.

도 1은, 자왜 고조파 레벨(magnetostrictive harmonic level)과 변압기 소음의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는, (A)는 비교예에 있어서의, (B)는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의, 환류 자구의 형상을 나타내는 강판 표면의 개략도이다.
도 3은, 환류 자구 영역의, (압연 방향의 평균 폭 W_ave×최대 깊이 D)/주기적 간격 s와, 자왜 고조파 레벨의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 환류 자구 영역의, 압연 방향의 최대 폭 W_max의 최소 폭 W_min에 대한 비(W_max/W_min)와, 자왜 고조파 레벨의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 전자 빔의 가속 전압과 환류 자구 영역의 최대 깊이 D의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 여러 가지의 빔 프로파일의 형상을 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

(방향성 전자 강판)

우선, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 방향성 전자 강판(이하, 간단히 「강판」이라고도 함)을 설명한다.

본 발명에 사용되는 방향성 전자 강판의 종류(성분 조성, 조직 등)는 특별히 한정되지 않고, 각종 임의의 방향성 전자 강판을 사용할 수 있다.

본 실시 형태의 방향성 전자 강판은, 강판의 표면에 장력 피막을 갖는다. 장력 피막의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 마무리 어닐링에 있어서 형성된 Mg₂SiO₄를 주성분으로 하는 포스테라이트 피막과, 추가로 그 위에 형성된 인산염계 장력 피막으로 이루어지는 2층 피막으로 할 수 있다. 또한, 포스테라이트 피막을 갖지 않는 강판의 표면에, 인산염계의 장력 부여형 절연 피막을 직접 형성할 수도 있다. 상기 인산염계의 장력 부여형 절연 피막은, 예를 들면, 금속 인산염과 실리카를 주성분으로 하는 수용액을, 강판의 표면에 도포하고, 베이킹(baking)함에 따라 형성할 수 있다.

본 실시 형태의 방향성 전자 강판에서는, 그 표면 상에서 압연 방향을 가로지르는 방향으로 전자 빔을 주사하면서, 상기 표면에 전자 빔을 조사함으로써, 강판의 표층부에 국소적으로 존재하고(도입되고), 압연 방향을 가로지르는 방향으로 연장되는 소성 변형 영역이, 압연 방향으로 주기적 간격 s(㎜)로 복수 형성되어 있다. 그리고, 각각의 변형 영역에는, 환류 자구 영역이 형성되어 있다.

본 실시 형태에서는, 전자 빔 조사에 의해 장력 피막이 손상을 받지 않는다. 이 때문에, 전자 빔 조사 후에 보수를 위한 재 코팅(recoating)을 행할 필요가 없다. 그 때문에, 피막의 두께를 과도하게 두껍게 하는 일이 없고, 강판을 변압기용 철심으로 조입했을 때의 점적률(stacking factor)을 높게 할 수 있다. 또한, 전자 빔은, 강판의 조사하는 위치를 고속 또한 복잡하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

본 실시 형태의 특징은, 변압기의 저철손과 저소음을 양립하기 위한 환류 자구의 조건을 발견한 점으로서, 이하에 상세를 설명한다.

우선, 본 발명자들은, 전자 빔 조사법의 경우, 변압기 소음과 양호한 상관이 있는 자왜 파라미터는, 자왜 고조파 레벨인 점을 알아냈다. 여기에서, 「자왜 고조파 레벨」은, 레이저 도플러식 진동계(laser Doppler-type vibrometer)에 의해 얻어진 자왜 파형을, 100㎐ 마다의 속도성분으로 분해하고, 각 주파수 성분에 A 스케일(A-scale) 보정한 값에 대해서, 0∼1000㎐까지의 범위로 적산한 값이다. 또한, 자왜 측정시의 최대 자속밀도는, 최대 자속밀도 1.3∼1.8T의 변압기 소음과 가장 상관이 높았던 1.5T의 값으로 했다. 도 1은, 강판 표면에 포스테라이트 피막 및 인산염계 장력 피막을 갖는 판두께 0.23㎜의 방향성 전자 강판에, 여러 가지의 전자 빔 조건으로 자구 세분화했을 때의, 자왜 고조파 레벨과 변압기 소음의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1로부터 분명한 바와 같이, 자왜 고조파 레벨은 변압기 소음과 양호한 상관관계가 있었다. 따라서, 이하의 일부의 실험에서는, 자왜 고조파 레벨을 소음의 평가 지표로서 이용했다.

여기에서, 환류 자구의 구조에 관한 파라미터를 이하와 같이 정의한다.

W_max: 환류 자구 영역의 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 최대 폭(도 2 참조)

W_min: 환류 자구 영역의 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 최소 폭(도 2 참조)

W_ave: 환류 자구 영역의 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 평균 폭

D: 판두께 방향의 최대 깊이

또한, 환류 자구의 압연 방향에 있어서의 주기적 간격은, 변형 영역의 압연 방향에 있어서의 주기적 간격 s와 실질적으로 동일해진다.

환류 자구의 압연 방향의 폭은, 자성 콜로이드 용액을 포함한 마그넷 뷰어(magnet viewer)에 의해 강판의 표면의 자구를 관찰하여 구한다. 「평균 폭 W_ave」는, 최대 폭 W_max와 최소 폭 W_min의 상가 평균(arithmetic mean)으로 한다. 환류 자구의 최대 깊이 D는, 화학 연마의 방법에 의해 강판 표면을 단계적으로 감후(reducing the thickness)해 가며, 상기의 관찰 수법에 의해 환류 자구가 관찰되는 최대의 감후량으로 했다.

[판두께 방향의 최대 깊이 D가 32㎛ 이상]

환류 자구의 깊이는 철손에 영향을 미친다고 생각되고 있다. 자구 세분화 효과 증대를 위해서는, 깊이가 보다 큰 쪽이 좋지만, 과도하게 지나치게 크게 하면, 환류 자구의 체적이 커져, 자왜를 열화시킨다. 따라서, 판두께 방향의 최대 깊이 D는 32㎛ 이상 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[(W_ave×D)/s가 0.0007㎜ 이상 0.0016㎜ 이하]

본 발명자들은, 환류 자구의 체적을 작게 함으로써 저소음을 실현할 수 있는 것을 발견했다. 도 3은, 강판 표면에 포스테라이트 피막 및 인산염계 장력 피막을 갖는 판두께 0.23㎜의 방향성 전자 강판에, 전자 빔 조건을 바꾸어 자구 세분화하고, 여러 가지의 구슬 형상(beaded shapes)(자구 폭을 주기적으로 변화시킨 형상)의 환류 자구를 형성했을 때의, (W_ave×D)/s와 자왜 고조파 레벨의 관계를 나타냈다. 도면 중 백점(white dots)은, 철손 W_17/50이 0.70W/㎏ 이상이었던 데이터를 나타낸다. (W_ave×D)/s가 작을 수록, 자왜 고조파 레벨이 작고, 저소음을 실현할 수 있다. 이런 관점에서, 본 실시 형태에서 (W_ave×D)/s는 0.0016㎜ 이하로 한다. 한편, (W_ave×D)/s가 지나치게 낮으면, 자구 세분화 효과가 작고 철손이 높다. 이런 관점에서, 본 실시 형태에서 (W_ave×D)/s는 0.0007㎜ 이상으로 한다.

[환류 자구의 강판 표면에 있어서의 형상]

이어서, 환류 자구의 최대 깊이 D는 36㎛, 주기적 간격 s를 5㎜로 하고, 전자 빔 조사 조건(정류점의 간격(beam retention interval), 빔 전류)을 여러 가지로 변경하여, 강판 표면에 있어서의 형상을 변화시켰다. 그 결과, 도 2(A)와 같은 직선 형상의 환류 자구 형상보다도, 도 2(B)에 나타내는 바와 같이, 폭 방향으로 연속적으로, 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 폭이 주기적으로 변화한 형상의 쪽이, 자왜 고조파 레벨을 더욱 낮게 할 수 있는 것을 알았다. 도 4에, (W_max/W_min)와 자왜 고조파 레벨의 관계를 나타낸다. 평균 폭은, 백점(white dots)이 200∼220㎛인 것에 대하여, 흑점(black dot)은 270㎛로 약간 컸다. (W_max/W_min)이 1.2 이상 2.5 미만의 범위 내에서, (W_max/W_min)이 1.0, 즉, 직선 형상의 환류 자구의 경우와 비교하여, 자왜 고조파 레벨이 저감했다. 또한, 철손은 거의 동일한 값을 나타내고 있었다. 따라서 본 실시 형태에서, (W_max/W_min)는 1.2 이상 2.5 미만으로 한다.

또한, 각각의 환류 자구 영역은, 강판 표면에 있어서 폭 방향으로 200㎜ 이상에 걸쳐 연속적으로 형성되는 것이 바람직하고, 폭 방향 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 200㎜ 미만의 경우, 폭 방향으로 발생하는 환류 자구 영역의 이음매부가 많아져도 강판의 자구 구조를 불균일화하여, 자기 특성을 열화시키기 때문이다.

[강판 표면에 있어서의 압연 방향의 평균 폭 W_ave가 80㎛ 이상]

W_ave가 80㎛ 미만의 경우, 지나치게 좁아서 충분한 자구 세분화 효과가 얻어지지 않기 때문에, 본 실시 형태에서 W_ave는 80㎛ 이상으로 한다. 또한, W_ave는 250㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 250㎛ 초과의 경우, 자왜가 증대하기 쉽기 때문이다.

(방향성 전자 강판의 제조 방법)

본 발명의 일 실시 형태에 의한 방향성 전자 강판의 제조 방법은, 상기에서 설명한 방향성 전자 강판을 얻는 것으로, 방향성 전자 강판의 표면 상에서 압연 방향을 가로지르는 방향으로 전자 빔을 주사하면서, 상기 표면에 전자 빔을 조사하여, 상기 변형 영역을 형성한다.

본 발명자들은, 예의 실험을 거듭하여, 상기의 환류 자구의 조건을 충족시키기 위한 적합한 전자 빔 조사 조건을 발견했다.

[가속 전압 Va: 90㎸ 이상 300㎸ 이하]

가속 전압은 높은 쪽이 바람직하다. 이것은, 전자 빔의 물질 투과성이 높아짐으로써, 피막을 투과하기 쉬워지고 피막의 손상이 억제되기 쉬워질 뿐만 아니라, 변형 영역에 형성되는 환류 자구 영역을, 판두께 방향 깊게 형성하기 쉽기 때문이다. 또한, 본 실시 형태에서는 후술하는 바와 같이 환류 자구 체적을 작게 하기 위해 빔 지름을 극력 좁힐 필요가 있지만, 가속 전압이 높을 수록 빔 지름이 작아지기 쉬운 이점도 있다. 도 5에, 강판 표면에 포스테라이트 피막 및 인산염계 장력 피막을 갖는 판두께 0.23㎜의 방향성 전자 강판에, 소정의 전자 빔 조건(빔 지름 200㎛, 주사 속도 30㎧, 주사 방향: 폭 방향)으로 자구 세분화했을 때의, 전자 빔의 가속 전압과 환류 자구 영역의 최대 깊이 D의 관계를 나타낸다. 모든 방향성 전자 강판에 있어서 W_17/50으로 0.70W/㎏ 미만이었다. 본 조건에서는, 가속 전압을 90㎸ 이상으로 함으로써, 판두께 방향의 최대 깊이 D를 32㎛ 이상으로 할 수 있다. 또한, 그 외의 빔 조건을 적정화하면, 가속 전압을 변경시키지 않고, 환류 자구 깊이를 증대하는 것도 가능하다. 예를 들면, 전자 빔을 동일 개소에 장시간 조사함으로써, 열전도의 영향으로 보다 깊은 영역으로까지 변형을 도입할 수 있다.

한편, 가속 전압은 높아지면, 피조사체로부터 발생하는 X선의 차폐가 곤란하게 되는 점에서, 실용상은 상한을 300㎸ 정도로 하는 것이 좋다. 더욱 바람직한 가속 전압의 하한은 150㎸이다.

[주사 방향과 직교하는 방향의 빔 지름 d1: 80㎛ 이상 220㎛ 이하]

본 실시 형태에서는, 환류 자구의 체적을 작게 하기 위해, 전자 빔을 소경화했다. 즉, 빔 지름 d1은 220㎛ 이하로 한다. 또한, 빔 지름이 과도하게 좁고, 환류 자구의 폭이 지나치게 좁아지면, 자구 세분화 효과가 작아지기 때문에, 빔 지름 d1은 80㎛ 이상으로 한다. 보다 적합한 빔 지름 d1의 범위는, 100∼150㎛이다.

[주사 방향의 빔 지름 d2: (0.8×d1)㎛ 이상 (1.2×d1)㎛ 이하]

빔을 정류와 이동을 반복하면서 움직이는 방법에 있어서는, 빔 형상은 진원에 가까운 쪽이 좋은 것도 분명해졌다. 이것은, 빔 지름이 타원 형상이 되면, 빔의 에너지 밀도가 감소하기 때문에, 빔 전류를 증대시켜 고에너지화할 필요가 있지만, 그 경우, 빔 지름이 큰 값이 되어 버리기 때문이다. 이런 관점에서, 빔 지름 d2는 (0.8×d1)∼(1.2×d1)㎛로 한다.

여기에서 「빔 지름」은 d1, d2 모두, 슬릿법(슬릿 폭 0.03㎜)에 의해 측정한 빔 프로파일의 반값 폭으로 정의한다.

[빔 프로파일이 가우시안 형상]

전자 빔은 수속의 방법에 따라, 다양한 프로파일 형상을 취하고, 도 6에 나타낸 4개의 형상으로 크게 나눌 수 있는 것이 분명해졌다. 이 중, #1의 빔이 가장 에너지 밀도가 높고, 저철손화에 유효했다. 즉, 에너지 밀도가 낮은 #2, #3 및 #4의 빔을 조사한 경우, 환류 자구의 깊이를 소망하는 깊이로 하기 어려워진다. 반대로 소망하는 환류 자구의 깊이로 하기 위해, 빔 전류를 높게 하는 등, 에너지 밀도를 높게 하는 조치를 강구한 경우에는, 환류 자구의 폭이 증대하기 때문에, 오히려 철손 증대를 초래해 버리기 때문이다. 본 실시 형태에 있어서, #1과 같은 빔을 「가우시안 형상의 빔」이라고 칭하고, 강도 1/2의 빔폭(빔 지름)이 265㎛ 이하이며, 또한 강도 1/5의 빔폭과의 비가 3.0 이하인 것으로 정의한다.

[선각도: 60° 이상 120° 이하]

전자 빔의 직선 형상의 주사 방향은, 압연 방향으로부터 60° 이상 120° 이하의 각도를 이루는 방향으로 한다. 90°로부터 벗어나면, 변형부의 체적이 증대해 버리기 때문에, 바람직하게는 90°로 하는 것이 좋다.

[전자 빔 조사 패턴]

전자 빔을 주사하여, 통판되는 강판에 폭 방향으로 연속적으로 분포하는 변형을 형성한다. 이때, 전자 빔의 강판상의 평균 주사 속도는 30㎧ 이상으로 하는 것이 좋다. 평균 주사 속도가 30㎧보다 작으면, 높은 생산성을 달성할 수 없다. 바람직하게는, 100㎧ 이상으로 하는 것이 좋다. 평균 주사 속도의 상한은, 빔의 정지와 이동의 고속 반복 제어를 행할 수 있도록 하기 위해, 300㎧로 하는 것이 좋다. 또한, 전자 빔의 주사 중은 일정 속도이고, 「평균 주사 속도」란, 정지 시간을 포함한 평균 주사 속도를 의미하는 것이다.

이와 같이 고속으로 전자 빔을 주사하는 경우, 빔의 on, off에 불필요한 시간이 소비되는 점에서, 전자 빔은 상시 조사 상태로 하는 것이 좋다. 이 경우, 전술한 바와 같이 환류 자구 폭을 폭 방향에 있어서 주기적으로 변화시키기 위해서는, 빔을 폭 방향으로 일정 속도로 주사시키는 것이 아니라, 주사와 정류를 반복하도록 조사시키면 좋다. 그리고, 인접하는 정류부 사이의 거리(이동거리) p는, 주사 방향 빔 지름 d2×1.5≤p≤주사 방향 빔 지름 d2×2.5로 한다. p가 d2×1.5보다 작으면, 환류 자구가 연속적인 형상이 되어 버리고, d2×2.5보다 크면, 환류 자구가 폭 방향으로 불연속이 되거나, 폭비(W_max/W_min)가 지나치게 커져 버린다.

또한, 전술한 환류 자구를 형성하려면, 정류부에 있어서의 빔 정지 시간을 가능한 한 장시간 확보할 필요가 있다. 평균 주사 속도가 100㎧ 이상일 때에는 2μ초 이상 정류할 필요가 있다. 평균 주사 속도가 30㎧ 이상인 경우에는 8μ초 이상으로 하면, 더욱 높은 효과를 얻을 수 있다. 상한은, 피막 손상 억제의 관점에서 20μ초로 하는 것이 바람직하다.

[조사선 간격: 15㎜ 이하]

전자 빔은, 폭 방향으로 형성되는 환류 자구 영역의 압연 방향의 주기적 간격 s가 15㎜ 이하가 되도록 조사하는 것이 바람직하다. 조사선 간격이 지나치게 넓으면, 자구 세분화 효과가 부족해지고, 철손이 개선되기 어렵기 때문이다. 선 간격의 하한은 특별히 없지만, 이미 서술한 환류 자구 체적인 정도 제한을 받는다. 단, 선 간격이 좁으면 생산 능력을 손상시키기 때문에, 바람직한 조건으로서는 5㎜ 이상이다. 또한, 선 간격은, W_ave×D)/s가 0.0007∼0.0016㎜가 되도록 할 필요가 있다.

[빔 전류: 0.5㎃ 이상 30㎃ 이하]

빔 전류는, 빔 지름 축소의 관점에서는 낮은 쪽이 좋다. 이것은, 하전 입자끼리가 반발하면, 빔이 수속되기 어려워지기 때문이다. 따라서, 빔 전류의 상한은 30㎃로 한다. 보다 바람직하게는 20㎃ 이하이다. 한편, 빔 전류가 지나치게 낮은 경우에는, 자구 세분화의 효과가 얻어지지 않기 때문에, 0.5㎃를 하한으로 한다.

[가공실의 압력: 3㎩ 이하]

전자 빔은, 기체 분자에 의해 산란되어 그 지름이 커져 버리기 때문에, 3㎩ 이하의 압력이 필요하다. 또한 하한에 대해서는, 과도하게 낮게 하면, 진공 펌프 등의 진공계에 걸리는 비용이 증대하기 때문에, 실용상 10^-5㎩ 정도이다.

[WD(워킹 디스턴스(working distance)): 1000㎜ 이하]

WD는, 수속 코일의 중심에서 강판 표면까지의 거리이다. 이 거리는, 빔 지름에 현저한 영향을 미친다. WD는 작은 쪽이, 빔의 행로 길이가 짧아져, 빔이 수속되기 쉬워진다. 따라서, 1000㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[코일 배치: 2단 수속 코일]

전술한 가우시안 형상의 전자 빔을 강판상에서 만들기 위해서는, 열전자원으로부터 방출된 전자를 수속 코일로 강력하게 수속시킬 필요가 있다. 그러나, 전자가 고전압으로 가속된 경우에는, 수속 코일을 통과하는 시간이 매우 짧아지기 때문에, 수속 능력이 부족하고, 소망하는 프로파일을 얻을 수 없다. 코일 전류를 증대하여 자계 강도를 증대시키는 방법이 있지만, 코일이나 수속에 걸리는 회로 기판 내에서 발열이 과도하게 증대해 버린다. 그래서, 수속 코일을 2개 이상 이용함으로써, 발열량을 분산시켜, 안정된 가우시안 형상 빔을 형성시키는 것이 가능하다.

[강판 표면에서의 전자 빔의 폭 방향 주사 길이: 200㎜ 이상]

강판 표면에서의 전자 빔의 폭 방향 주사 길이는 클수록, 적은 전자총 대수로 광폭 코일을 조사할 수 있다. 예를 들면, 코일의 폭이 1000㎜인 경우, 주사 길이가 200㎜이면 5대 전자총이 필요하고, 50㎜이면 20대의 수량이 필요해진다. 따라서, 생산 효율이나 메인터넌스성을 고려하면, 이 주사 길이는 클수록 바람직하고, 200㎜ 이상, 바람직하게는 300㎜ 이상으로 한다. 그러나, 주사 길이가 과도하게 큰 경우에는, WD를 확대하거나, 편향 각도를 증대할 필요가 있고, 전자의 경우, 빔 지름이 퍼져 버리는 문제가 있고, 후자의 경우, 편향 수차(deflection aberration)가 크고, 편향 빔의 강판상에서의 형상이 타원화되어 버리기 때문에, 빔 소경화의 관점에서 바람직하지 않다. 따라서, 상한은 650㎜가 바람직하다.

[전자 빔의 발생원: LaB₆]

일반적으로, LaB₆는 고휘도 빔을 출력하는데에 유리한 것이 알려져 있고, 빔 지름을 좁히기(reduction) 쉽기 때문에, 바람직하다.

실시예

강판 표면에 포스테라이트 피막 및 인산염계 장력 피막을 갖는 판두께 0.23㎜의 방향성 전자 강판에, 표 1에 나타내는 여러 가지의 전자 빔 조사 조건으로 자구 세분화 처리를 실시했다. 800A/m로 자화했을 때의 자속밀도 B₈은 약 1.935T였다. 전자 빔의 주사 방향은, 강판의 압연 방향에 직각이고, 가공실 압력은 0.02㎩로 했다. 빔 전류는 출력 1∼3㎾의 범위 내에서 조정했다. No.12는 WD를 300㎜로 하고, 그 이외는 WD를 900㎜로 했다. 표 1의 프로파일 형상의 란에 있어서의 「#1」은, 도 6의 #1과 같은 가우시안 형상을 나타내고, 「#4」는 도 6의 #4와 같은 형상을 나타낸다.

자구 세분화 후의 피막 손상의 유무, 환류 자구 영역의 각종 치수, 철손 W_17/50 및, 고조파 레벨 MHL_15/50을 표 2에 나타낸다.

본 발명에 의해, 가속 전압이 150㎸에서 LaB₆ 음극을 사용하여, 본 발명에 적합한 상한으로 전자 빔을 조사한 경우, 철손 W_17/50이 0.66∼0.68W/㎏ 또한, 자왜 고조파 레벨 MHL_15/50이 29dBA가 되는 저철손·저자왜를 양립했다. 음극을 Tungsten으로 한 경우는 0.67W/㎏ 또한 30dBA가 되는 저철손·저자왜를 양립했다. 또한 LaB₆ 음극으로 수속 코일을 일단으로 한 조건에서는 0.67/㎏ 또한 29dBA가 되는 저철손·저자왜를 양립했다. 또한, No.15와 No.16에 대해서는, 모델 변압기를 제작하여, 소음을 측정한 결과, No.15는 33dBA, No.16은 35dBA이며, 자왜 고조파 레벨의 저감에 의해, 변압기 소음을 작게 하는 것을 확인했다.

본 발명에 의하면, 저철손이고, 변압기에 조입했을 때의 소음이 작은 방향성 전자 강판 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다. 이에 따라, 변압기의 에너지 효율을 향상시키고, 사용 환경을 확대할 수 있다.

Claims (8)

1. 강판의 표층부에 국소적으로 존재하고, 압연 방향을 가로지르는 방향으로 연장되는 변형 영역이, 압연 방향으로 주기적 간격 s(㎜)로 복수 형성된 방향성 전자 강판으로서,
   각각의 상기 변형 영역에는, 폭 방향으로 200㎜ 이상에 걸쳐 연속적으로, 강판 표면에 있어서의 압연 방향의 폭이 주기적으로 변화한 환류 자구 영역이 형성되고,
   각각의 상기 환류 자구 영역이,
   강판 표면에 있어서의 압연 방향의 최대 폭 W_max의 최소 폭 W_min에 대한 비(W_max/W_min)가 1.2 이상 2.5 미만,
   강판 표면에 있어서의 압연 방향의 평균 폭 W_ave가 80㎛ 이상,
   판두께 방향의 최대 깊이 D가 32㎛ 이상,
   (W_ave×D)/s가 0.0007㎜ 이상 0.0016㎜ 이하
   의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.
2. 제1항에 기재된 방향성 전자 강판을 얻기 위한 제조 방법으로서,
   방향성 전자 강판의 표면 상에서 압연 방향을 가로지르는 방향으로 전자 빔을 주사하면서, 상기 표면에 전자 빔을 조사하고, 상기 변형 영역을 형성할 때에, 그 조사 조건이,
   가속 전압이 90㎸ 이상,
   주사 방향과 직교하는 방향의 빔 지름 d1이 80㎛ 이상 220㎛ 이하,
   주사 방향의 빔 지름 d2가, (0.8×d1)㎛ 이상 (1.2×d1)㎛ 이하,
   빔 프로파일이 가우시안 형상,
   전자 빔이 상기 표면 상에서, 정지와, 이동거리 p(단, 1.5×d2≤p≤2.5×d2)의 이동을 반복하면서 주사되는 것,
   의 조건을 충족시키는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 정지 시간이 2μ초 이상이고, 상기 주사의 평균 속도가 100㎧ 이상인 방향성 전자 강판의 제조 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 정지 시간이 8μ초 이상이고, 상기 주사의 평균 속도가 30㎧ 이상인 방향성 전자 강판의 제조 방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 표면 상에서, 전자 빔의 폭 방향 주사 길이가 200㎜ 이상인 방향성 전자 강판의 제조 방법.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 표면 상에서, 전자 빔의 폭 방향 주사 길이가 300㎜ 이상인 방향성 전자 강판의 제조 방법.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   전자 빔의 발생원이 LaB₆인 방향성 전자 강판의 제조 방법.
8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   전자 빔을 수속시키기 위한 코일을 2개 이상 이용하는 방향성 전자 강판의 제조 방법.
   

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