KR840000179B1 - 방향성 전자강판의 철손 특성 개선방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

방향성 전자강판의 철손 특성 개선방법

제1도는 본 발명의 철손감소(△W)의 이론치를 설명하는그래프.

제2도는 본 발명 방법의 실예를 표시한 설명도.

제3도는 본 발명 방법의 레이저조사 패턴의 형태를 표시한 설명도.

제4도는 본 발명의 다른 실예를 표시한 설명도.

제5도, 제6도는 레이저조사패턴의 다른 형태를 표시한 설명도.

제7도는 본 발명의 철손감소(△W)의 실예를 표시한 그래프.

제8(a)도, 제8(b)도는 레이저조사에 의한 자구(磁區)의 세분 효과를 표시한 주사형(走査型) 전자현미경사진.

본 발명은 방향성 전자강판의 철손특성 개선방법에 관한 것이다.

방향성 전자강판은 2종류가 있다.

그러나 공업적으로 생산하고, 주로 변압기 그 외의 전기기기의 철심용재로 쓰이고 있는 것을 통상 결정학적으로는 (110)[001] 조직으로 표시되고 있는 것이며 그가 의미하는 바는 강판내의 각 결정립의(110)면이 판면에 평행이고, 자화 용이축(磁化容易軸)[001]이 압연방향으로 평행하다는 것이다.

그러나 실제의 강판에 있어서는, 각 결정립의(110)면은 판면에서 약간 경사지고, 또 [001] 방향은 압연 방향에서도 약간 치우쳐져 있다. 그런데, 전자강판의 여자 특성 및 철손은 이들의 치우침의 정도에 크게 좌우되기 때문에 모든 결정립을 (110)[110] 이상(理想)방위에 가깝도록 다대한 노력을 기울이고 있다. 그 결과, 현재는 판두께 0.30mm 일 때, W17/50이 1.03W/kg 전후의 낮은 철손치를 갖는 전자강판이 공업적으로 생산되게끔 되어 있다. 여기서 W17/50은 자속밀도 1.7T, 50Hz의 철손을 말한다.

그러나 최근에는 이치 이하로 철손을 비약적으로 낮추기 위해서, 각 결정립을 이상방위로 가까이 하는 것만으로는 곤란하다는 것이 차차 분명하여졌다. 그 이유는, 일반적으로 철손은 여자 특성이외의 결정립도에도 의존하기 때문에, 여자 특성을 높이고저 하는 종래의 노력에 있어서 통상 경험하는 결정립의 과대화에 의해서, 여자특성 향상으로 인한 철손 감소분이 상쇄되기 때문이다. 즉 결론을 말하면 통상의 야금학적 수단에 의해서 철손의 비약적인 감소를 달성한는 것은 결코 용이한 일은 아니다. 그래서 야금학적 수단 이외의 방법을 강구하지 않으면 이상의 철손의 향상을 기대할 수는 없다.

이와 같은 수단의 하나도 USP, 3856568에서 볼 수 있는 강판에 장력을 주는 방법이 알려져 있다. 즉 그 구체적인 수단으로는 절연피막에 의해서 장력을 부여하는 방법이다. 그러나 이 피막에 의한 장력에는 한계가 있으며, 그로인해 개선되는 철손에도 한계가 있다. 즉 피막의 장력효과리 가미하여도 얻을 수 있는 최고 특성은 상기한 1.03W/kg 정도에 불과하다.

또 다른 비야금적 수단으로 USP, 3647575에서와 같이 강판 표면에 칼이나 면도칼날 또는 금강사, 쇠솔 등으로 날카로운 상처를 내는 방법이 있다. 이 방법은 확실히 단판에서는 철손의 저하를 기대할 수 있겠으나, 기계적인 방법의 숙명으로서 상처형성에 의한 표면의 심한 요철(즉 상처의 단부가 부풀어올라 온다)로 인해서, 강판을 적층했을 경우 점적율이 대폭 열화할 뿐 아니라 자왜(磁歪)가 대폭 증가하는 등의 결함이 있으며, 또 적층강판의 철손치가 소정치에 미치지 못한다고 하는 중대한 결함 조차 생기는 것이다.

즉 에프스타인측청치가 SST (단판측정기)측정치보다 높아지고 만다. 이 이유는 다음과 같이 추정할 수 있다. 즉 상처가 생긴 요부(凹部)는 판두께가 국부적으로 얇아졌기 때문에 자속의 일부가 강판밖으로 나와서 적층 강판 상하의 인접한 강판으로 옮겨가는 결과, 강판에 수직의 자화성분이 생겨 철손을 열화시키게 된다.

이상의 이유에서 기계적인 상처를 강판 표면에 만드는 것은 강판을 적층해서 구성하는 철심용으로는 좋은 방법이 아니며, 실제로 사용하기는 어렵다.

또 다른 수단으로 강판의 전표면에 기계적인 미소한 왜곡을 가하여 철손의 개선을 도모하는 방법도 있다.

철손은 주지하는 바와 같이 히스테리시스 손실과 와류손실로 나누고 후자는 고전(古典)적 와류손과 이상(異常) 와류손으로 나눈다. 고전적 와류손은 자성재료 중에서 자화의 변화가 고른 경우의 와류손으로 열로서 없어진다. 이상와류손은 자벽(磁壁)의 이동에 의한 와류손으로, 자벽이동 속도의 자승에 비례한다. 이 자벽의 이동속도는 외부 전류의 같은 주파수일 경우에는 속도는 자벽의 이동거리에 비례하기 때문에, 자구(磁區)폭이 큰 것일수록 속도가 빨라지고 와류손이 증가한다, 그러나 자구폭이 커지면 자벽의 수가 줄기 때문에 이상 와류손은 자구의 폭의 2승에는 비례하지 않고 대략 자구 폭에 비례한다. 이상 와류손은 상용(商用)주파수 50, 60Hz에서는 철손의 50% 정도를 차지하고 있다.

이상와류손은 방향성 전자 강판이 진보함에 따라 그가 차지하는 비율은 증대하고 있다. 이를 감소시키기 위하여 자구의 폭을 작게하는 것이 중요하다. 그러기 위하여서는 강력 효과를 증대시킴이 중요하고 표면피막을 벗긴 판에 장력을 가하면 철손이 감손한다는 것이 알려져 있다.

선행 기술에는 상법(常法)인 탈탄(脫炭) 공정과 최종소둔공정사이에 강판을 국부가공하여 가공영역과 비가공영역을 교호로 강표 판면에 형성하는 부가공정을 삽입하는 미국특허, 제3990923도 포함된다. 이 부가가 공공정은 국부 소성가공으로 하여도 좋고, 또는 적외선, 광선, 전자비임, 또는 레이저에 의한 국부 열처리로 해도 된다. 소성가공 또는 열처리에 의한 가공영역은 최종의 고온소둔 사이에 강판이 2차 재결정을 억제하는 역할을 한다. 2차 재결정은 가공영역에서는 비가공영역보다 저온에서 개시하고 가공영역은 비가공영역에 생길 2차 재결정립의 성장을 억제하는 기능이있다.

본 발명은 최종 소둔후의 기계적인 수단이나 또는 최종 소둔전의 소정가공, 또는 열처리에 의한 국부 가공과는 전혀 다른 수단에 의해서 방향성 전자강판의 철손을 감소시키고져 하는 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 철손의 일인자(一因子)인 이상 와류손에 영향을 줄 자구의 폭을 감소시키는 새로운 수단을 제공함에도 있다.

본 발명은 매우 간단한 수단으로 철손이 적은 방향성 전자강판을 제조하는 방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.

본 발명은 자구가 신규 수단으로 세분되어 있는 방향성 전자강판을 제공하는 것도 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은 규소함유 강판에 1회 이상의 냉연조작 및 필요하다면 소둔 조작을 하고, 다시 탈탄 및 최종 고온소둔 조작을 하며, 이러한 냉연 및 소둔 조작으로 표준치수로 만드는 방향성 전자강판의 제법에서, 마무리 소둔이 끝난 방향성 전자강판의 표면에 압연 방향으로 교차하는 방향에 순간적으로 레이저비임을 조사하므로써 자구를 세분하는 것을 특징으로 하는 방향성 전자강판의 철손 특성개선 방법에 의해 달성된다.

다음에 본 발명을 구체적으로 상술한다.

방향성 전자강판의 출발재료는 전로(轉爐), 전기로등을 사용하여 제조되는 강철이고, 이것을 슬래브로 제조한 다음 핫코일로 열연한다. 열연강은 4.5% 미만의 규소를 함유하고 있으며, 필요하다면 산에 녹는 알루미늄을 0.010 내지 0.050%, 유황을 0.010 내지 0.035% 함유하고 있지만, 규소 함유량을 제외하고는 조성에 제한은 없다.열연코일을 1회 이상의 냉연조작, 더 필요하다면 1회이상의 중간소둔 조작을 하여 두께를 표준치수로 만든다. 이와같이 가공한 강판을 습성수소분 위기 중이서 탈탄처리하고 1100 C 보다 고온에서 10시간 보다 장시간의 최종 고온소둔 처리를 한다. 이 결과, 2차 재결정이 되고(110) [001] 조직으로 된 조립(粗粒) 강판이 생긴다.

본 발명은 이러한 강판표면에 레이저광을 조사하므로써 국부적으로 고전위(高轉位)밀도 영역을 형성시키는 것 즉 강판(표면)에 심한 형상 변화를 일으키지 않고 미소한 소성 왜곡을 가하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 실제적 형태는 후술한

을 충족시킬 범위의 조건에서 전자강판의 표면에다 예컨대 0.1m/m-1m/m 특히 0.2m/m-1m/m 정도의 폭인 펄스레이저비임을 압연 방향에 거의 직각으로 2.5-30m/m의 근접조사 조운(zone) 간격으로 순간적(시간 폭 10ms 이하 특히 1-10ns정도)으로 조사하여 강판에 국부적인 고전위밀도 영역을 형성시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

여기서 본 발명의 원리에 대해서 설명한다.

에너지밀도(P)의 레이저비임이 강판표면에 조사된다 하고, 이 강판의 흡수율을 α'로 한다면 (0

α'

1), 강판내에 레이저비임에 의해 발생하는 압출응력(P)은

Pc∝α'P ……(1)

또, 강판내에 발생하는 압축응력 P에 의해 강판내에 생성할 전 위밀도 ρ는,

(단 n은 정수이다)

따라서 에너지 밀도 P와 전위밀도 ρ사이의 관계는

으로 된다.

그리고 레이저 조사로 생긴 고전위 밀도 영역에는 자구를 세분화시키기 위한 새로운 자벽의 핵(nuclei)이 발생한다는 새로운 생각에서 본 발명이 전개되고 있다. 이 핵의 발생확율 (단위체적당 발생하는 핵의 수)가 전위밀도 ρ에 비례한다고 하면 조사폭 d, 조사간격 ℓ의 조건으로 레이저 조사한 강판(판두께 일정) 단위길이당 발생하는 핵수(즉 발생밀도) m은

핵의 발생밀도 m과 이것으로 인해 세분화된 자구폭 L의 관계를

(단 L_O는 m=0일 때의 L 위치로 함)

로 한다.

종래의 기술에서 설명하여 이해되겠지만 일반적으로 철손치(W)와 자구폭(L)은 정(正)의 상관 관계에 있다. 레이저 조사로 고전위 밀도영역이 생기면 그 부분은 자벽에 난조(亂調)를 일으켜 고전위 밀도 영역의 체적 d/l 및 전위밀도 ρ에 비례해서 철손치가 증대한다.

따라서 레이저 조사한 강판의 철손치(W)는

(단, C₁,C₂'는 계수)

따라서 레이저 조사에 의한 철손감소치 △W는

(단, C¹,C₂, ∝는 정수)

그래서 종축을 △W, 횡축을

, Pⁿ으로 하여 (7)식을 도시하면 일반적으로 제1도와 같이 되고,

이고 △W>0, 즉 철손치가 감소하게 된다.

본 발명은 이와 같이 이론에 입각한 것으로, 레이저비임을 그 폭을 d(mm), 에너지밀도를 P(J/cm²), 조사견격을 ℓ(mm)로 하였을 때

바람직하기는

를 만족시킬 수 있는 관계에서 조사한다.

또 본 발명을 실시할 때에 사용할 수 있는 레이저 장치로는, 0.1-10J/cm²의 범위의 발진에너지에다 발진펄스시간폭이 10ms 이하의 사이이면 어떠한 종류의 고체 또는 가스레이저라도 된다. 따라서 현재 일반적으로 시판되고 있는 루비레이저, YAG레이저(Nd-Yittlium-Aluminium Garnet) 또는 질소레이저등을 사용하므로써 본 발명을 실시할 수 있음은 물론이다.

펄스시간폭 및 에너지가 상기 상한을 넘으면 조사시에 피조사부 강판에 생기는 전위밀도의 증대효과보다 열적 용융현상이 지배적으로 되어 조사부분의 결정구조의 변화등을 야기시키기 때문에 실적적으로 철손향상 효과는 바랄 수 없게 된다.

제2도에 표시하듯이 전자강판(1)과 펄스레이저(2) 사이에 슬릿이 있는 차폐판(3)을 끼우고, 레이저비임을 전자강판(1)의 표면에 수직 방향에서 압연방향(화살표로 표시)으로 뻗는 직각으로 방향의 조사 패턴으로 하고, 또 조사영역의 폭(d), 조사간격(ℓ)으로 조사할 수가 있다. 제3도에서 알 수 있듯이 본 발명에서 말하는 조사간격(ℓ)은 하나의 조사영역의 끝(端)과 근접조사영역인 전자와 같은 쪽의 끝과의 간격이다.

또 레이저비임조사 방법은 상기이외에도 제4도에 표시하듯이 반사경계(反射鏡系)(4)에 의해서 비임을 집광시켜 구형상(矩形狀)으로 해도 된다.

이와같은 조사를 되풀이하여 동일하거나 또는 다른 간격의 다수의 조사영역을 만든다.

또 레이저비임을 조사하는 모양은 강판 표면판폭 방향전장에 걸처 연속적 직선형으로 늘어놓는 외에 제5도와 같이 어긋나게 교호로 조사한다.

또 본 발명에서는, 수직방향에서 강판표면의 압연방향으로 교차하는 방향으로 레이저비임을 조사하지만, 이 교차하는 각도는 강판의 압연방향과 직각이면 좋다. 그러나 엄밀하게 직각이 아니라도 좋으며 3° 최대 정도까지의 치우친 것은 허용된다.

제2도 내지 제6도의 어느 조사방법에 있어서도 강판표면에는 미소한 왜곡이 형성되고 그 결과 자구가 세분된다. 제8a도 및 제8b도에서 2중 화살표 a방향으로 압연되고 또 최종 소둔된 방향성 전자강판을 b로 표시한 위치 및 방향으로 레이저 비임을 조사한 결과, 이 b부분에 미소한 왜곡이 형성되, 미소한 왜곡 영역 양측의 자구폭이 세분되어 있다. 레이저비임의 조사방향과 직각으로 자구가 세분되어 있는것에 주목해야 한다.

제8a도 및 제8b도를 비교하면 본명하듯이 전자는 후자보다 자구의 세분화 효과가 현저하다.

또 본 발명의 레이저비임 조사는 강판표면의 성상(性相)이 여하간에 유효하다. 즉 강판의 표면은 압연한 그대로이거나, 또는 표면을 연마하여 경면(鏡面)으로 하여도 되고, 혹은 공지인 절연피막을 도포한 다음이라도 된다.

또 본 발명에서 특필할 것은 전자강판의 표면에 절연피막을 피복한 다음, 레이저 비임을 조사한 경우에도 절연피막이 완전히는 파괴되지 않고 미소한 왜곡을 형성시킬 수 있다는 것이다.

이점은 종래의 금긋기(mar king-off)법 혹은 스크래치법으로 절연막상에 요면을 형성시키는 방법처럼 절연피막을 파괴시키지 않기 때문에 효과적이다.

[제 1 표]

제1표에 본 발명의 효과를 명시하기 위하여 여러가지 조건하에서 레이저비임을 조사했을 때의 철손치의 변화를 표시하였다.

이 표의 결과에서 분명하듯이 조사에너지 또는 에너지밀도(P)가 0.5내지 2.5J㎠이고 조사간격(ℓ)이 2.5 내지 30mm, 또 조사폭(d)이 0.1 내지 2.0mm의 범위내에서 적정한 조건하에 레이저비임을 조사하면 철손치가 감소한다.

제7도는 제1도의 실험결과를 횡측에

종축에 철손감소치(△W)를 표시한 것이다. 이 경우 철손 감소의 효과가 인정되는 한계를 △W=0.02watt/kg를 하여 이치에 대응하는

를 구하면 그 하한은 0.005, 상한은 1.0로 된다.

또 전자강판의 품질을 1 그레이드 이상 향상시키기 위해서는 철손감소치(△W)를 0.04이상 향상시킬 필요가 있지만, 이런 경우는

가 0.01-0.8의 범위가 되게 (1)식의 각 요건을 설정하고 레이저비임 조사를 하면 된다.

또

의치를 0.08이상 0.6이하로 하면 △W는 0.08이상으로, 0.2이상 0.4이하로 하면 △W는 0.10이상이 되어서 철손특성의 비약적인 향상을 도모할 수 있다.

종래법에 의하면 예를들어 1.05 내지 1.14W/kg 범위의 철손치를 갖고 있는 방향성 전자강판을 신뢰성을 갖고 제조할 수 있지만 본 발명의 철손치는 0.95-1.12W/kg이고, 본 발명의 레이저비임을 상기

를 0.01 내지 0.8, 0.08 내지 0.60, 0.2 내지 0.4의 범위로 선택해서 할 것 같으면 철손치는 각각 1.03 내지 1.12, 바람직하기는 0.97 내지 1.06, 더욱 바람직하기는 0.95 내지 1.04W/kg의 범위로 저하된다.

가 0.4-0.5일 것 같으면 0.95 내지 1.00W/kg의 매우 낮은 철손실도 달성된다.

다음에 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예 1]

탄소 0.051%, 규소 2.92%, 유황 0.026% 및 산에 녹는 알루미늄 0.027%를 함유한 폭 1100mm의 열연 강판을 1120℃에서 2분간 소둔하고, 두께 0.30mm로 냉연하여 습성수소 분위기 중에서 850 C, 4분간 탈탄하고 최후로 1200℃에서 20시간 최종 소둔하였다. 이 결과, 자속밀도 B₈가 1,935T, 철손치 W17/50이 1.10watt/kg 인 (110)[001]방향성 전자 강판이 만들어 졌다.

펄스폭 약 30ns인 시판펄스레이저로 강판을 조사하였다. 이때에 레이저 곽은 다음의 조건하에서 강판의 압연방향에 직각인 방향으로 조사되었다.

로 강판의 압연방향에 직각 방향으로 레이저비임을 주사하여 조사했다.

조사폭 d는, 제2도에서와 같은 슬릿이 있는 차폐판을 통해 생성하였다.

조사결과 철손감소분 △W는 0.02(W/kg)이고, 조사후 1.934(T) 똑같이 철손히 W17/50은 1.08(W/kg)였다.

이치는 감지할 수 있는 철손감소분으로서 최소한 의 치이다.

[실시예 2]

탄소 0.048%, 규소 2.90%, 유황 0.025% 및 산에 녹는 알루미늄 0.028%를 함유한 폭 1100mm의 열연 강판을 1120℃에서 2분간 소둔하고, 두께 0.30mm라 냉연하고, 습성 수소분위기 중에서 850℃, 4분간 탈탄하고 최후로 1200℃에서 20시간 최종 소둔하였다.

이 결과, 자속밀도 B₈가 1.954T, 철손치 W17/50가 1.06watt/kg인 (110)[001]방향성 전자강판이 만들어졌다.

으로 판두께 0.30mm의 강판에 조사하였더니 W는 0.12(W/kg)였다. 이때

이다. 조사후 1.952(T)와 똑같이 철손치 W17/50는 조사후 0.96(W/kg)로 감소하였다. 즉 W=0.12(W/kg)이다.

이치는 전자강판이 그레이드를 1탱크 이상 향상시키기에 충분한 치이다.

[실시예 3]

탄소 0.045%, 규소 2.90%, 유황 0.025% 및 산에 녹는 알루미늄 0.027%를 함유한 폭 1100mm의 열연 강판을 1120℃에서 2분간 소둔하고, 두께 0.30mm로 냉연하고, 습성수소 분위기중에서 850℃, 4분간 탈탄하여 최후에 1200℃에서 20시간 최종 소둔한 다음 통상의 절연을 시켰다.

이 결과, 자속밀도 B₈이 1.927T, 철손치 W17/50이 1.05watt/kg인 (110)[001] 방향성 전자강판이 만들어졌다.

로 강판에 조사한바 △W=0.06(W/kg)이였다.

조사전의 B₈은 1.927(T)이고 조사후 1.925(T), 철손치 W17/50도 똑같이 1.09(W/kg)가 1.05(W/kg)로 되었다. 따라서 △W=0.06(W/kg)이다.

[실시예 4]

탄소 0.048%, 규소 3.00%, 유황 0.024% 및 산에 녹는 알루미늄 0.026%를 함유한 폭 1100mm의 열연강판을 1120℃에서 2분간 소둔하여 두께 0.35mm로 냉연하고 습성 수소분위기 중에서 850℃, 4분간 탈탄하고 최후로 1200℃에서 20시간 최종 소둔하였더니 자속밀도 B₈가 1927T, 철손치 W17/50 1.14watt/kg인 (110)[001] 방향성 전자강판이 만들어졌다.

으로 판두께 0.35mm의 강판에 조사한바 철손감소분 △W는 0.08(W/kg)이었다. 단, 조사전후의 자속밀도 B₈, 철손치 W17/50(W/kg)은 각각 다음과 같았다.

[실시예 5(비교예)]

탄소 0.045%, 규소 2.90%, 유황 0.025% 및 산에 녹는 알루미늄 0.026%를 함유한 폭 1100mm의 열연 강판을 1120℃에서 2분간 소둔하여 두께 0.30mm로 냉연하고 습성 수소분위기중에서 850℃에서 4분간 탈탄하고 최후로 1200℃에서 20시간 최종 소둔하였더니 자속밀도 B₈가 1.943T, 철손치 W17/50 1.02watt/kg인 (110)[001] 방향성 전자강판이 만들어졌다.

펄스레이저 에너지밀도 P=1.7J/cm²

조사간격 ι=5mm

조사후 d=2mm

로 조사한 바 철손치는 반대로 1.02W/kg에서 1.06W/kg로 증가하였다. 즉 t-24 일때 0.04W/kg만큼 열화하였다.

B₈는 조사후 1.942(T)였다.

Claims (1)

1. 규소함유강판에 1회 이상의 냉연조작 및 필요할 경우 소둔조작을 하고 다시 탈탄 및 최종 고온소둔조작을 하는 이러한 냉연 및 소둔조작에 의해서, 표준치수로하는 방향성 전자강판의 제법에 있어서, 마무리 소둔이 끝난 방향성 전자강판의 표면에 레이저비임을 그 폭을 d(mm), 에너지밀도를 P(J/cm²), 조사간격을 ι(mm)로 할 때

   

   의 범위를

   만족하도록 압연 방향으로 직각 또는 압연 방향으로 직각 방향에서 30°이내의 각도로 조사하여 강판에 고전위 밀도를 형성시켜 자구를 세분하는것을 특징으로 하는 방향성 전자강판의 철손특성 개선방법.

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