KR20030094030A - 자기 특성이 우수한 일방향성 전자 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
자속 밀도의 열화 및 점적율의 저하가 없어, 왜곡 제거 어닐링에 견디는 저철손의 일방향성 전자 강판을 제공하는 것으로, 일방향성 전자 강판의 압연 방향과 수직 즉 판 폭 방향으로 표면 혹은 양면에 대해 용융 재응고층이 압연 방향으로 피치 2 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하로 주기적으로 형성되어 있고, 한 쪽면당의 용융 재응고층의 종횡비 ＝ 깊이/폭이 0.20 이상이고 또한 깊이가 15 ㎛ 이상으로 한다. 또한, 레이저를 사용하여 상기 용융 재응고층을 형성한다.
Description
본 발명은, 일방향성 전자(電磁) 강판 표면에 레이저 가공에 의해 용융 재응고층을 형성함으로써, 왜곡 제거 어닐링에 견딜 수 있는 자기 특성이 우수하고, 권철심에 사용 가능한 일방향성 전자 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일방향성 전자 강판은 철손을 저감하는 것이 에너지 절약의 관점으로부터 요망되고 있다. 그 방법으로서, 레이저 조사에 의해 자구(磁區)를 세분화하는 방법이 이미 일본 특허 공고 소58-26405호 공보에 개시되어 있다. 이 방법에 의한 철손의 저감은 레이저 빔을 조사함으로써 생기는 열충격파의 반력에 의해 방향성 전자 강판에 응력 왜곡을 도입하고, 자구를 세분화함으로써 철손의 저하를 도모하는 것이다. 그러나, 이 방법에서는 레이저 조사에 의해 도입한 왜곡이 어닐링시에 소실되어 자구 세분화 효과를 잃게 되는 문제가 있다. 따라서, 이 방법은 왜곡 제거 어닐링을 필요로 하지 않는 적철심 트랜스용으로서는 사용할 수 있지만, 왜곡 제거 어닐링 처리를 필요로 하는 권철심 트랜스용으로서는 사용할 수 없다.
그래서, 철손치 저감 효과가 왜곡 제거 어닐링 후에도 남도록 한 방향성 전자 강판의 철손 개선 방법으로서, 강판에 응력 왜곡 레벨을 넘는 형상 변화를 부여하여 투자율을 변화시키고, 자구를 세분화하는 방법이 다양하게 제안되어 있다. 예를 들어, 이(齒)형 롤로 강판을 압박하고, 홈형 또는 점형의 오목부를 강판 표면에 형성하는 방법(일본 특허 공고 소63-44804호 공보 참조), 화학적 에칭에 의한 오목부를 강판 표면에 형성하는 방법(미국 특허 제4750949호 공보 참조), 혹은 Q 스위치 CO2레이저로 강판 표면에 점열 홈을 형성하는 방법(일본 특허 공개 평7-220913호 공보 참조) 등이 있다. 또한, 강판 표면에 홈이 아닌 용융 재응고층을 레이저에 의해 형성하는 방법(일본 특허 공개 2000-109961호 공보, 일본 특허 공개평6-212275호 공보 참조) 등이 있다.
상술한 종래 기술 중, 이형 롤을 이용하는 기계적 방법은 전자 강판의 경도가 높기 때문에 이형이 단기간에 마모하므로 보수 빈도가 높다는 문제가 있다. 화학적 에칭에 의한 방법은 이형이 마모되는 문제는 없지만, 마스킹, 에칭 처리, 마스크 제거의 공정이 필요하고, 기계적 방법에 비해 공정이 복잡해지는 문제가 있다. Q 스위치 CO2레이저로 강판에 점열 홈을 형성하는 방법은 비접촉으로 오목부를 형성하므로, 이형이 마모되는 공정이 복잡해지는 문제가 없지만, 시판되고 있는 레이저 발진 장치에 특수한 Q 스위치 장치를 별도로 추가할 필요가 있다는 문제가 있다. 또한, 홈 형성에 의한 방법은 강판의 일부를 제거하기 위해 점적율의 저하를 초래하여 변압기 성능에 영향을 끼쳐 불리하다. 또한, 용융 재응고층을 형성하는 방법은 점적율 저하를 해소하지만, 철손 개선이 불충분하였다.
도1은 본 발명의 저철손 일방향성 전자 강판이 가공된 용융 재응고층의 단면 종횡비와 철손 개선율의 관계를 나타낸 설명도(강판 양면 형성, 압연 방향 피치 3 ㎜).
도2는 가공된 용융 재응고층의 단면 사진의 모식도.
도3은 가공된 용융 재응고층의 깊이와 철손 개선율의 관계를 나타낸 설명도(압연 방향 피치 5 ㎜).
도4는 용융 재응고층의 단면 종횡비와 철손 개선율의 관계를 나타낸 설명도(압연 방향 피치 5 ㎜).
도5는 강판 통판 방향의 가공 주기(L 방향 피치)와 철손 개선율의 관계를 나타낸 설명도.
도6은 본 발명의 저철손 일방향성 전자 강판이 가공된 용융 재응고층의 단면 종횡비와 철손 개선율의 관계를 나타낸 설명도(강판 한 쪽면 형성, 압연 방향 피치 3 ㎜).
도7은 본 발명의 저철손 일방향성 전자 강판이 가공된 용융 재응고층의 폭과철손 개선율의 관계를 나타낸 설명도(압연 방향 피치 3㎜).
도8은 본 발명의 레이저에 의한 저철손 일방향성 전자 강판 제조 방법을 나타낸 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 방향성 전자 강판
3 : 레이저 장치
4 : 미러
5 : fθ 렌즈
6 : 원기둥 렌즈
n : 철손 개선율
PL : 압연 방향 피치
d : 깊이
W : 폭
d/W : 종횡비
LB : 레이저 빔
본 발명은 레이저 가공에 의해 용융 재응고층을 형성하고, 왜곡 제거 어닐링 후에도 우수한 자기 특성을 갖는 일방향성 전자 강판 및 제조 방법에 있어서, 홈 형성과 동등한 철손 개선을 갖는 동시에 자속 밀도의 열화 및 점적률 저하가 생기지 않는 방향성 전자 강판 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 일방향성 전자 강판의 판 폭 방향으로, 한 쪽면 혹은 표리 양면에 대해 용융 재응고층이 압연 방향으로 피치 2 ㎜ 이상 5 ㎜보다 작게, 일정 주기로형성되어 있고, 한 쪽면당의 용융 재응고층의 종횡비 ＝ 깊이/폭이 0.20 이상이고 또한 깊이가 15 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 일방향성 전자 강판이다.
특히, 상기 용융 재응고층의 폭이 30 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 일방향성 전자 강판의 표면에 레이저 빔을 조사함으로써 용융 재응고층을 형성하는 것을 특징으로 하는 일방향성 전자 강판의 제조 방법이다.
또한, 본 발명은 레이저 장치로서 연속 발진 파이버 레이저로부터 출력되는 레이저 빔으로 용융 재응고층을 형성하는 것을 특징으로 하는 일방향성 전자 강판의 제조 방법이다.
본 발명자들은 마무리 어닐링한 후 혹은 절연 피막 부착의 방향성 전자 강판의 한 쪽면 혹은 양면에, 압연 방향으로 대략 수직이고, 일정 주기로 선형의 용융 재응고층을 형성하여 철손을 개선하는 방법에 있어서, 종래 기술에서는 고려하지 않았던 단면 형상의 종횡비와 피치, 깊이, 폭을 한정함으로써, 왜곡 제거 어닐링 처리해도 종래의 용융 재응고 방식 및 홈 방식을 상회하는 철손의 개선을 얻을 수 있는 것을 발견하였다. 이하에 실시예를 이용하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
<제1 실시예>
용융 재응고층 형성 방법으로서 레이저 빔 조사법을 채용하여, 철손 개선을 상세하게 검토하였다. 도8은 본 발명에 관한 레이저 빔의 조사 방법의 설명도이다. 본 실시예에서는 레이저 장치(3)로부터 출력되는 레이저 빔(LB)을 도면에 도시한 바와 같이 주사 미러(4)와 fθ 렌즈(5)를 사용하여, 방향성 전자 강판(1)에 주사 조사하였다. 부호 6은 원기둥 렌즈이며, 필요에 따라서 레이저 빔의 집광 직경을 원형으로부터 타원형으로 하는 데 이용한다. 도8은 1대만 도시하지만, 강판의 판 폭에 따라서 판 폭 방향으로 같은 장치를 배치한다. 또한, 양면 조사하기 위해 같은 장치를 강판을 협지하여 상하에 배치한다.
우선, 압연 방향 피치 PL 5 ㎜에서, 용융 재응고층부 단면 깊이를 변수로 자구 제어 효과를 조사하였다. 도3에 도시한 바와 같이 철손 개선율(η)은 최대 6％ 정도, 이는 종래의 홈 방식 및 용융 재응고 방식과 동등하며, 또한 깊이에 대한 상관이 거의 보이지 않는다.
여기서, 철손 W17/50(W/㎏)의 개선율(％)은 (레이저 조사 전의 철손 - 레이저 조사 후의 철손)/레이저 조사 전의 철손 × 100으로 정의된다. 레이저 조사 후의 철손은 왜곡 제거 어닐링 800 ℃ × 4시간 후의 측정치이다. 또, W17/50은 주파수 50 Hz, 최대 자속 밀도 1.7T일 때의 철손을 나타낸다.
용융 재응고층 방식의 자구 제어 메카니즘은 지금으로서는 명확하지 않지만, 본 발명자들은 용융 재응고층과 비용융 재응고층의 경계에서 발생하는 잔류 왜곡에 의해 압연 방향으로 장력이 발생하고, 자구가 세분화된다는 가설을 생각하였다. 이 가설에 의거하여, 용융 재응고층의 깊이 방향의 경계선이 압연 방향으로 수직에 가까울수록, 왜곡의 압연 방향 성분이 보다 커진다고 생각하였다. 또한, 용융 재응고층부가 깊을수록 그 효과는 판 두께 내부까지 침투하여, 보다 높은 자구 세분화 효과를 기대할 수 있다고 생각하였다.
용융 재응고층의 단면은 일반적으로 표면의 레이저 조사점을 기점으로 반원형이 된다. 그래서 용융 재응고층의 경계선의 압연 방향에 대한 수직도를 표현하기 위해, 본 발명자들은 용융 재응고층 단면의 깊이(d)와 압연 방향의 폭(W)을 이용하여, 도2에 도시한 바와 같이 단면 종횡비(d/W)를 정의하였다. 이 새로운 변수인 용융 재응고층 단면 종횡비를 이용하여, 용융 재응고층 깊이(d)를 변수로 도3의 결과를 도4에 재정리하였다. 그 결과, 철손 개선율(η)은 용융 재응고층 단면 종횡비의 증가와 함께 상승하는 것이 명백해졌다. 또한, d ＜ 10 ㎛ 이하에서는 용융 재응고층 단면 종횡비를 증가시켜도 철손 개선율(η)은 거의 증가하지 않는다.
또한, 본 발명자들은 용융 재응고층 사이의 장력 효과는 압연 방향 피치(PL)를 축소하면, 상기 방향의 장력 효과는 상승적으로 높아진다고 추측하였다. 투입 파워와 빔 스캔 속도를 고정, 빔 포커스 위치를 바꾸어, 즉 종횡비를 바꾸어, 압연 방향 피치(PL)를 변수로 하여 조사한 결과, 도5에 도시한 바와 같이 홈 방식 혹은 종래의 용융 재응고층법식을 초과하는 철손 개선을 얻기 위해서는 0.2 이상의 종횡비를 갖고, 압연 방향 피치(PL)가 2 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하일 필요가 있다. 이는 2 ㎜ 이하인 경우, 용융 재응고층의 자구 세분화 효과에 의한 와전류손의 개선과 비교하여, 내부 왜곡에 의한 히스테리시스 손상이 커지므로 철손의 개선을 얻을 수 없고, 또한 5 ㎜ 이상인 경우는 인접하는 용융 재응고층이 상호 작용이 약해지므로, 충분한 자구 세분화가 생기지 않아 철손의 개선을 얻을 수 없다고 생각된다.
또한, 본 발명자들은 필요한 용융 재응고층 깊이(d)를 조사하기 위해, 압연 방향 피치(PL)를 최적치의 3 ㎜, 투입 파워를 고정하고, 빔 스캔 속도와 빔 포커스위치를 바꾸어 철손 개선율(η)과 종횡비, 깊이(d)의 관계를 조사하였다. 결과를 도1에 나타낸다. 이에 의해 자구 세분화 효과의 근원인 왜곡 혹은 장력을 효과적으로 부여하기 위해서는, 소정 이상의 보다 큰 종횡비 및 용융 깊이를 갖는 용융 재응고층을 형성할 필요가 있는 것을 알 수 있었다. 홈 방식 혹은 종래의 용융 재응고층법식을 초과하는 철손 개선을 얻기 위해서는 0.2 이상의 종횡비를 갖고, 용융 깊이(d)가 15 ㎛를 넘는 용융 재응고층의 형성으로 실현할 수 있다. 또한, 비교로서 도1에 종래 기술인 제5 특허 문헌의 실시예에 기술한 조건으로서, 판 두께의 5 ％ 즉 판 두께 0.23 ㎜의 5 ％의 깊이 12 ㎛, 폭 100 ㎛, 즉 종횡비 0.12를 갖는 용융 재응고층을 표리 양면에 3 ㎜ 주기로 형성한 결과를 ●로 기재하였다. 실시예에 따르면, 레이저 가공 전의 철손 0.8 W/㎏이 가공에 의해 0.753 W/㎏으로 개선되므로 개선율은 6 ％가 되고, 종횡비 및 용융 깊이가 작기 때문에 충분한 철손 개선을 얻을 수 없다는 것을 알 수 있다.
이들의 실시예는 강판의 표리 양면에 용융 재응고층을 형성했을 때의 결과이지만, 한 쪽면에 형성한 경우에 대해 같은 검토를 행한 결과를 도6에 나타낸다. 이에 의해 양면의 경우와 비교하여 철손 개선율은 낮지만, 종횡비를 0.2 이상 및 깊이 15 ㎛ 이상의 용융 재응고층을 형성함으로써, 종래 기술 동등 내지 동등 이상의 철손 개선율을 얻을 수 있다.
이와 같이, 자구 세분화 효과의 근원인 왜곡 혹은 장력을 효과적으로 부여하여, 높은 철손 개선율을 얻기 위해서는 0.2 이상보다 큰 종횡비 및 15 ㎛ 이상의 용융 재응고층 깊이를 갖고, 압연 방향 피치가 2 ㎜ 내지 5 ㎜ 사이에서 용융 재응고층을 형성할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명자들은 레이저 장치로서 연속 발진 파이버 레이저를 이용하여 필요한 용융 재응고층 폭(W), 깊이(d), 종횡비를 조사하기 위해, 압연 방향 피치(PL)를 최적치의 3 ㎜, 투입 파워를 고정하고, 빔 스캔 속도와 빔 포커스 위치를 바꾸어 철손 개선율(η)과 폭(W), 깊이(d)의 관계를 조사하였다. 그 결과를 도7에 나타낸다.
파이버 레이저는 반도체 레이저를 여기원으로서 파이버 코어 자신이 발광하는 레이저 장치이며, 발진 빔 직경은 파이버 코어 직경에 의해 규제되므로, 빔 품질이 높고, 따라서 CO2레이저 등에서는 실용적으로는 집광 직경 ø 100 ㎛ 정도가 한계였지만, 수십 ㎛라는 미소 집광 가능하다는 특징을 갖는다. 이에 의해, 용융 재응고층의 폭을 10 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위에 걸쳐 변경할 수 있다. 특히 실용적으로 용융 재응고층의 폭을 100 ㎛ 이하로 형성하기 위해서는 파이버 레이저가 가장 적절하다.
도7로부터 자구 세분화 효과의 근원인 왜곡 혹은 장력을 효과적으로 부여하기 위해서는, 어떤 소정 범위의 용융 폭 및 소정 이상의 종횡비 및 용융 깊이를 갖는 용융 재응고층을 형성할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다. 홈 방식 혹은 종래의 용융 재응고층법식의 철손 개선비 6 ％를 넘는 철손 개선을 얻기 위해서는, 용융 폭이 30 ㎛ 이상 200 ㎛의 범위에서 0.2 이상의 종횡비를 갖고, 용융 깊이(d)가 15 ㎛를 넘는 용융 재응고층의 형성으로 실현할 수 있다. 용융 폭이 30 ㎛ 이하인경우는 얻기 위해서는 용융 재응고층의 상호 작용이 약하므로, 충분한 자구 세분화가 생기지 않아, 철손의 개선을 얻을 수 없다. 또한, 용융 폭이 200 ㎛ 이상인 경우는 용융 깊이를 종횡비 0.2 이상이 되도록 형성하면, 어느 정도의 철손 개선 효과는 얻을 수 있다고 추측되지만, 이와 같이 단면적이 매우 큰 용융 재응고층을 형성하기 위해서는, 매우 큰 에너지를 요구하기 때문에 비용이나 높은 생산성을 요구하는 공업화에는 문제가 있다. 또한, 지나친 용융 체적 증가를 위해 히스테리시스 손실이 커져, 큰 철손 개선 효과는 얻을 수 없는 문제도 있다.
또한, 보다 큰 철손 개선 효과를 얻기 위해서는 용융 폭이 50 ㎛ 이상 150 ㎛의 범위에서 0.2 이상의 종횡비를 갖고, 용융 깊이(d)가 15 ㎛를 넘는 용융 재응고층의 형성이 바람직하다.
게다가, 철손 개선 조건을 최적의 근방으로 한정하는 시점에서 철손 개선율 9 ％를 넘는 매우 높은 철손 개선 효과를 얻기 위해서는, 용융 폭이 60 ㎛ 이상 100 ㎛인 범위에서 0.2 이상의 종횡비를 갖고, 용융 깊이(d)가 30 ㎛를 넘는 용융 재응고층을 강판 양면에 압연 방향으로 대략 수직이고, 또한 일정 피치 PL ＝ 3 ㎜로 형성하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 용융 재응고층의 형성에 있어서 단면 형상과 압연 방향 피치를 상기 범위로 한정함으로써, 종래의 용융 재응고층 방식 혹은 기계 방식, 에칭 방식, 레이저 방식에 의한 홈 형성 방식을 상회하는 철손 개선율을 얻을 수 있다는 이점이 있다. 또한, 레이저 처리 공정의 부가만으로높은 생산성 및 저비용으로 상기 강판을 제조할 수 있다. 또한, 레이저 장치로서 연속 발진 파이버 레이저를 적용하면, 용융 재응고층의 폭이 축소 가능하고, 따라서 필요한 에너지도 적고, 또한 높은 생산성 및 저비용으로 상기 강판을 제조할 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 강판의 한 쪽면 혹은 양면에, 압연 방향으로 대략 수직이고, 또한 일정 주기로 선형의 용융 재응고층을 형성하여 철손 특성을 개선한 일방향성 전자 강판에 있어서, 용융 재응고층 단면의 압연 방향 폭을 W, 깊이를 d, 압연 방향 피치를 PL이라 했을 때, 이하의 조건을 모두 충족시키는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 일방향성 전자 강판.d ≥ 15 ㎛d/W ≥ 0.22 ㎜ ≤ PL 〈 5 ㎜
- 강판의 양면에, 압연 방향으로 대략 수직이고, 또한 일정 주기로 선형의 용융 재응고층을 형성하여 철손 특성을 개선한 일방향성 전자 강판에 있어서, 용융 재응고층 단면의 압연 방향 폭을 W, 깊이를 d, 압연 방향 피치를 PL이라 했을 때, 이하의 조건을 모두 충족시키는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 일방향성 전자 강판.30 ㎛ ≤ W ≤ 200 ㎛d ≥ 15 ㎛d/W ≥ 0.22 ㎜ ≤ PL ＜ 5 ㎜
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 레이저 빔을 조사하여 용융 재응고층을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 일방향성 전자 강판의 제조 방법.
- 제3항에 있어서, 레이저 장치가 연속 발진 파이버 레이저로부터 출력되는 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 일방향성 전자 강판의 제조 방법.
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