KR20140133599A

KR20140133599A - 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140133599A
Application number: KR1020147028018A
Authority: KR
Inventors: 고오지 히라노; 사토시 아라이; 히데유키 하마무라; 히로후미 이마이
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-19
Also published as: US20150059932A1; PL2843062T3; JPWO2013161863A1; RU2605725C2; CN104203486B; KR101681822B1; IN2014DN07669A; CN104203486A; WO2013161863A1; EP2843062A1; JP5935880B2; BR112014025281B1; RU2014140878A; EP2843062B1; EP2843062A4; US10131018B2

Abstract

본 발명의 방향성 전자 강판은, 레이저 빔의 조사에 의해, 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 홈이 상기 반송 방향으로 소정의 피치 PL로 형성된 방향성 전자 강판이며, 상기 홈의 홈 폭 방향의 중심선의 최소 제곱법에 의한 선형 근사선과, 상기 중심선 상의 각 위치와의 사이의 거리의 표준 편차값 D 및 상기 피치 PL의 관계가, 하기의 식(1)을 만족시키고 ; 상기 중심선 상의 각 위치에 있어서의 접선과, 상기 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 평균 각도가, 0°초과 30°이하이다.

Description

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

본 발명은, 권선 변압기의 철심 재료 등에 사용되는 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 레이저 가공에 의해 그 표면에 홈을 형성하여 철손을 저감시킨 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2012년 04월 27일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-103212호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

방향성 전자 강판은, Si를 포함하고, 그 결정립의 자화 용이축({110}＜001＞ 방위)이 그 제조 공정에 있어서의 압연 방향으로 대략 정렬된 전자 강판이다. 이 방향성 전자 강판은, 압연 방향으로 자화가 향한 자구가, 자벽을 사이에 두고 복수 배열된 구조를 갖고, 이들 자벽 중 대부분은, 180°자벽이다. 이 방향성 전자 강판의 자구는, 180°자구라 불리고, 방향성 전자 강판은, 압연 방향으로 자화되기 쉽다. 그로 인해, 비교적 작은 일정 자화력에 있어서, 자속 밀도가 높고, 철손(에너지 손실)이 낮다. 따라서, 방향성 전자 강판은, 변압기의 철심 재료로서 매우 우수하다. 철손의 지표로는, 일반적으로 W17/50[W/kg]이 사용된다. W17/50은, 주파수 50Hz에 있어서 최대 자속 밀도가 1.7T로 되도록 교류 여자하였을 때, 방향성 전자 강판에 발생하는 철손의 값이다. 이 W17/50을 작게 하면, 보다 효율이 높은 변압기를 제조할 수 있다.

통상의 방향성 전자 강판의 제조 방법을 이하에 개략적으로 설명한다. 소정량의 Si를 포함하는 열연된 규소 강판(열연판)을, 어닐링 및 냉연 공정에 의해 원하는 판 두께로 조정한다. 다음으로, 연속식의 어닐링로에서 이 규소 강판을 어닐링하고, 탈탄 및 변형 제거를 겸하여 1차 재결정(결정 입경:20∼30㎛)을 행한다. 계속해서, 주성분으로서 MgO를 포함하는 어닐링 분리재를 이 규소 강판 박판(이하에서는, 단순히 강판이라 기재하는 경우도 있음)의 표면에 도포하여, 강판을 코일 형상(외형이 원통 형상)으로 권취하고, 약 1200℃의 고온에서 20시간 정도의 뱃치 어닐링을 행하여, 강판 중에 2차 재결정 조직을 형성시키고, 강판 표면 상에 글래스 피막을 형성시킨다.

그때, 강판 중에 예를 들어 MnS나 AlN 등의 인히비터를 포함하므로, 압연 방향과 자화 용이 자구가 일치한, 이른바 고스 입자가 우선적으로 결정 성장한다. 그 결과, 마무리 어닐링 후에 결정 방위성(결정 배향성)이 높은 방향성 전자 강판이 얻어진다. 마무리 어닐링 후, 코일이 풀려, 별도의 어닐링로 내에 강판을 연속 통판하여 평탄화 어닐링을 행하여, 강판 내의 불필요한 변형을 제거한다. 또한, 강판 표면에 장력과 전기 절연성을 부여하는 코팅이 실시되어, 방향성 전자 강판이 제조된다.

이러한 공정을 거쳐 제조된 방향성 전자 강판에서는, 추가의 처리를 행하지 않아도 철손이 낮지만, 압연 방향(이하, 반송 방향이라고도 칭함)에 대략 수직, 또한 일정 주기(일정 간격)의 변형을 부여하면, 더욱 철손이 저하된다. 이 경우, 국소적인 변형에 의해 압연 방향과 자화가 직교하는 90°자구가 형성되고, 거기서의 정자(靜磁) 에너지를 원으로 하여 대략 직사각형의 180°자구의 자벽 간격이 좁아진다(180°자구의 폭이 작아진다). 철손(W17/50)은 180°자벽의 간격에 양(正)의 상관을 가지므로, 이 원리에 의해 철손이 저하된다.

예를 들어, 특허문헌 1에 개시되는 바와 같이, 레이저 조사에 의해 강판에 변형을 부여하는 방법이 이미 실용화되어 있다. 마찬가지로, 방향성 전자 강판의 압연 방향에 대략 수직, 또한 일정 주기로 10∼30㎛ 정도의 깊이의 홈을 형성하면, 철손이 저감된다. 이것은, 홈의 공극에서의 투자율의 변화에 의해 홈 주변에 자극이 발생하고, 이 자극을 원으로 180°자벽의 간격이 좁아져, 철손이 개선되기 때문이다. 홈을 형성하는 방법에는, 특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이 전해 에칭을 이용하여 냉연판에 홈을 형성하는 방법, 특허문헌 3에 개시되는 바와 같이 기계적인 치형을 냉연판에 프레스하는 방법, 혹은 특허문헌 4에 개시되는 바와 같이 레이저 조사에 의해 강판(레이저 조사부)을 용융 및 증발시키는 방법이 있다.

그런데, 전력 변압기에는, 크게 구별하여 적층 변압기와 권선 변압기가 있다. 적층 변압기는, 복수의 전자 강판을 적층하고 고정하여 제조된다. 한편, 권선 변압기의 제조 공정에서는, 방향성 전자 강판을 권취하면서 적층하여 권체(seaming)하므로, 그 변형 응력(예를 들어, 굽힘에 의한 응력)을 제거하는 어닐링 공정이 포함된다. 따라서, 철손을 개선하기 위해 응력을 부여하는 특허문헌 1에 기재된 발명의 방법으로 제조한 방향성 전자 강판은, 철손 개선 효과를 유지한 채 적층 변압기에 사용 가능지만, 철손 개선 효과를 유지한 채 권선 변압기에 사용할 수 없다. 즉, 권선 변압기에서는, 응력 제거 어닐링에 의해 응력이 소실되므로 철손 개선 효과도 소실된다. 한편, 철손을 개선하기 위해 홈을 형성하는 방법으로 제조한 방향성 전자 강판은, 응력 제거 어닐링을 행해도 철손을 개선하는 효과가 손상되지 않으므로, 적층 변압기 및 권선 변압기의 양쪽에 사용 가능하다고 하는 이점을 갖는다.

여기서, 홈을 형성하는 방법의 종래 기술을 설명한다. 특허문헌 2에 기재된 전해 에칭에 의한 방법에서는, 예를 들어 2차 재결정 후의 표면에 글래스 피막이 형성된 강판을 사용하여, 레이저나 기계적 방법에 의해 표면의 글래스 피막을 선 형상으로 제거하고, 에칭에 의해 지철이 노출된 부분에 홈을 형성한다. 이 방법에서는, 공정이 복잡해져 제조 비용이 높아지고, 처리 속도에 한계가 있다.

특허문헌 3에 기재된 기계적인 치형 프레스에 의한 방법에서는, 전자 강판이 약 3％의 Si를 포함하는 매우 단단한 강판이므로, 치형의 마모 및 손상이 발생하기 쉽다. 치형이 마모되면 홈 깊이에 편차가 발생하므로, 철손 개선 효과가 불균일해진다. 이것을 피하기 위해 조업상은 치형의 관리를 엄격하게 행할 필요가 있다.

레이저 조사에 의한 방법(레이저법이라 기재함)에서는, 고파워 밀도의 집광 레이저 빔에 의해 고속 홈 가공이 가능하다고 하는 이점이 있다. 또한, 레이저법이 비접촉 가공이므로, 레이저 파워 등의 제어에 의해 안정되고 균일한 홈 가공을 행할 수 있다. 레이저법에 있어서는, 효율적으로 깊이 10㎛ 이상의 홈을 강판 표면에 형성하기 위해, 종래 다양한 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어, 특허문헌 4에는, 고피크 파워의 펄스 CO₂ 레이저(파장 9∼11㎛)를 사용하여, 2×10⁵W/㎟ 이상의 높은 파워 밀도(집광점에 있어서의 에너지 밀도)를 실현하고, 홈을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 여기서, 펄스 CO₂ 레이저를 사용하는 방법에서는, 연속되는 펄스 사이에 레이저 정지 시간이 있으므로, 고속으로 레이저 빔을 강판면 상에 주사하는 경우, 레이저 빔의 주사선 상에는, 각 펄스에 의해 형성되는 구멍(점렬)이 연결되어 홈이 형성된다.

한편, 특허문헌 5에는, 연속파 레이저 빔을 사용하여 연속적으로 연장되는 홈을 형성하고, 홈의 주변부에 발생하는 용융물에 의한 돌기를 크게 저감시키는 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 공고 소58-26406호 공보 일본 특허 공고 소62-54873호 공보 일본 특허 공고 소62-53579호 공보 일본 특허 공개 평6-57335호 공보 국제 공개 제2011/125672호 팸플릿

그런데, 레이저법에 있어서는 다음과 같은 문제가 있었다. 특허문헌 5의 발명에 의해, 강판 표면에 나타나는 돌기가 최소화되었다고는 해도, 홈의 저부 부근에는, 레이저 조사에 수반되는 용융 재응고부가 여전히 존재하여, 이것에 의한 강판의 변형, 보다 구체적으로는 압연 방향의 휨(이른바 L형 휨)이 발생한다. 복수의 강판을 조합하여 변압기에 마무리하였을 때, 이 변형의 영향으로부터 점적률이 저하되어 버려, 변압기의 성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 마찬가지의 변형의 영향으로부터, 적층 및 압축 과정에서 국부적인 응력 집중이 발생하는 결과, 변압기로서의 철손을 열화시킬 가능성도 있다.

본 발명은 상술한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 철손을 저감시키기 위해, 레이저 가공에 의해 표면에 홈이 형성된 방향성 전자 강판에 있어서, 그 홈에 기인하는 압연 방향의 휨 등의 변형을 억제하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하고 이러한 목적을 달성하기 위해 이하의 수단을 채용한다. 즉,

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 방향성 전자 강판은, 레이저 빔의 조사에 의해, 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 홈이 상기 반송 방향으로 소정의 피치 PL로 형성된 방향성 전자 강판이며, 상기 홈의 홈 폭 방향의 중심선의 최소 제곱법에 의한 선형 근사선과, 상기 중심선 상의 각 위치와의 사이의 거리의 표준 편차값 D 및 상기 피치 PL의 관계가, 하기의 식(1)을 만족시키고; 상기 중심선 상의 각 위치에 있어서의 접선과, 상기 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 평균 각도가, 0°초과 30°이하이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 방향성 전자 강판에 있어서, 상기 홈이, 상기 방향성 전자 강판에 곡선 형상으로 형성되어 있어도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 방향성 전자 강판에 있어서, 상기 홈이, 상기 방향성 전자 강판의 표면 및 이면에 형성되어 있어도 된다.

(4) 상기 (3)에 기재된 방향성 전자 강판에 있어서, 상기 표면에 형성된 홈의 위치가, 상기 이면에 형성된 홈의 위치와 동일한 위치여도 된다.

또한,

(5) 본 발명의 일 형태에 관한 방향성 전자 강판의 제조 방법은, 방향성 전자 강판에 레이저 빔을 조사하여, 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 홈을 상기 반송 방향으로 소정의 피치 PL로 형성하는 방향성 전자 강판의 제조 방법이며, 상기 홈의 홈 폭 방향의 중심선의 최소 제곱법에 의한 선형 근사선과, 상기 중심선 상의 각 위치와의 사이의 거리의 표준 편차값 D 및 상기 피치 PL의 관계가, 하기의 식(1)을 만족시키고; 상기 중심선 상의 각 위치에 있어서의 접선과, 상기 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 평균 각도가, 0°초과 30°이하이다.

(6) 상기 (5)에 기재된 방향성 전자 강판의 제조 방법에 있어서, 상기 레이저 빔의 파장이, 0.4∼2.1㎛의 범위에 있어도 된다.

상기한 형태에 따르면, 철손을 저감시키기 위해, 레이저 가공에 의해, 표면에 홈이 형성된 방향성 전자 강판에 있어서, 그 홈에 기인하는 압연 방향의 휨 등의 변형을 억제하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 표면에, 레이저 가공에 의해 홈을 형성하는 모습을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판에 형성된 홈(곡선)의 형상의 상세를 도시하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판에 형성된 복수의 곡선군(홈군)끼리의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 홈 형상의 제1 예를 도시하는 모식도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 홈 형상의 제2 예를 도시하는 모식도이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 홈 형상의 제3 예를 도시하는 모식도이다.
도 4d는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 홈 형상의 제4 예를 도시하는 모식도이다.
도 5a는 레이저 가공에 사용되는 레이저 스캐너의 제1 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 5b는 레이저 가공에 사용되는 레이저 스캐너의 제2 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 5c는 레이저 가공에 사용되는 레이저 스캐너의 제3 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 6은 홈의 중심선의 선형 근사선에 대한 표준 편차값과 점적률의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 다른 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 단면 형상을 도시하는 모식도이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판은, 강판과, 강판의 표면에 형성된 글래스 피막과, 글래스 피막의 상에 형성된 절연 피막을 구비하고 있다. 강판은, 통상, 방향성 전자 강판의 소재로서 사용되는, Si를 함유하는 철 합금으로 구성된다. 본 실시 형태의 강판 조성은, 일례로서, Si;2.5질량％ 이상 4.0질량％ 이하, C;0.02질량％ 이상 0.10질량％ 이하, Mn;0.05질량％ 이상 0.20질량％ 이하, 산 가용성 Al;0.020질량％ 이상 0.040질량％ 이하, N;0.002질량％ 이상 0.012질량％ 이하, S;0.001질량％ 이상 0.010질량％ 이하, P;0.01질량％ 이상 0.04질량％ 이하, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물이다. 또한, 강판의 두께는, 일반적으로 0.15㎜ 이상 0.35㎜ 이하로 되어 있다. 강판의 폭은, 예를 들어 1m 정도이다.

또한, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판은, 상기 원소 외에, 불가피적 불순물로서, 또는 자기 특성을 양호하게 하는 원소로서 Cu, Cr, Sn, Sb, Ti, B, Ca, REM(Y, Ce, La 등의 희토류 원소) 등을, 방향성 전자 강판의 기계 특성 및 자기 특성을 손상시키지 않는 범위에서 함유해도 된다.

본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 강판(1)의 표면에 압연 방향과 대략 수직한 방향(판 폭 방향)을 따른 곡선 형상의 홈(G)(도 2 참조)이 압연 방향에 대해 주기적으로 형성되어 있다. 홈(G)의 단면 형상에 대해서는, 공지와 같이, 예를 들어 홈 깊이 5㎛ 이상 50㎛ 이하, 홈 폭 10㎛ 이상 300㎛ 이하로 한다. 홈(G)의 피치는, 2㎜ 이상 10㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 강판(1)의 표면에 있어서 홈(G)이 일직선 형상이 아닌 곡선 형상으로 형성되어 있다. 이하, 홈(G)의 홈 폭 방향의 중심선[이하, 단순히 홈(G)의 중심선이라고도 칭함]이 그리는 곡선의 바람직한 형상에 대해 설명한다. 이하에서는, 설명의 편의상, 홈(G)의 중심선이 그리는 곡선을 단순히 곡선이라고도 칭한다. 통상, 도 1에 도시하는 바와 같이, 강판(1)의 약 1m에 걸친 전체 폭은, 각각 복수의 홈(G)의 집합인, 복수의 곡선군(Gs1, Gs2, Gs3)(이하 생략)으로 커버되어 있다. 통상 1대의 레이저 스캐너로 전체 폭의 홈을 형성하는 것이 어려우므로, 복수의 레이저 스캐너(LS1, LS2, LS3)(이하 생략)로 홈 형성 처리를 행한다. 그 결과, 복수의 곡선군(Gs1, Gs2, Gs3)(이하 생략)이 강판(1) 상에 형성된다. 단, 이것에 한정되지 않고, 전체 폭에 걸쳐 1대의 레이저 스캐너로 단일의 곡선군을 형성해도 된다. 레이저 스캐너의 구조에 대해서는 이후에 상세하게 서술한다. 또한, 이하에서는, 곡선군(Gs1, Gs2, Gs3)(이하 생략) 중 어느 하나를 특정할 필요가 없는 경우에는, 곡선군(Gs)이라 총칭한다.

각 곡선군(Gs)은, 각각 소정의 피치 PL로 형성된 복수의 곡선 G[홈(G)]를 포함한다. 도 2에서는, 설명의 편의상, 1개의 곡선 G만을 나타내고 있다. 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판에서는, 곡선 G의 선형 근사선 C에 대한 표준 편차값 D와, 피치 PL의 관계가 하기의 식(1)을 만족시키고 있다. 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판에서는, 이 식(1)이 각 곡선군(Gs)을 구성하는 모든 곡선 G에 대해 성립되어 있다.

표준 편차값 D는 이하와 같이 구한다. 우선, 강판(1)의 반송 방향에 수직한 방향을 x축, 반송 방향을 y축으로 하는 좌표계에 있어서, 곡선 G를 함수 y＝f(x)로서 표현하고, y＝ax＋b의 형태를 취하는 곡선 G에 대한 선형 근사선 C를, 잘 알려진 최소 제곱법을 사용하여 구한다. 다음으로, 이 선형 근사선 C의 방향을 X축, X축에 수직한 방향을 Y축으로 하여 좌표계를 다시 취하고, 곡선 G를 Y＝g(X)의 형태로 표현한다. X축 및 Y축은, x축 및 y축과 평행하게 되는 경우도 있지만, 곡선 G의 형상에 따라서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, x축 및 y축에 대해 기우는 경우도 있다. 표준 편차값 D는, 이하의 식(2)로 정의된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 곡선 G의 선형 근사선 C로부터 위(Y축의 양의 방향)로 가장 떨어진 점까지의 거리 Au와 아래(Y축의 음의 방향)로 가장 떨어진 점까지의 거리 Ab의 합으로서 곡선 G의 진폭 A를 정의한다(A＝Au＋Ab).

다음으로, 식(1)과 같이 (D/PL)을 0.02 이상으로 하는 이유에 대해 설명한다. 홈(G)의 중심선이 일직선 형상으로 되는 종래법의 경우(D/PL＝0), 변형의 기점으로 되는 홈(G)의, 홈 폭 방향의 중심 위치가, 상기 선형 근사선 C 상에 일직선 형상으로 배열된다. 이에 반해, 본 발명자들은, 홈(G)의 중심선을 만곡시킴으로써, 상기 변형의 기점을 상기 선형 근사선 C의 위치에 대해 분산시키면(구체적으로는, 도 2에 도시하는 X축 방향으로부터 곡선 G를 보았을 때, 곡선 G 상의 각 점의 위치를 Y축 방향으로 분산시키면), 강판 전체적인 휨 변형량을 저감시킬 수 있는 것을 발견하였다. 이 변형 기점의 분산 정도를 나타내는 양이 표준 편차값 D인데, 휨 변형에 대해 중요한 것은, 이 길이의 차원을 가진 양의 홈 피치 PL의 크기에 대한 비율이다. 이후의 실시예에서 서술하는 바와 같이, (D/PL)이 0.02 이상으로 되면 점적률을 크게 할 수 있는 것이 명백하게 되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 홈(G)의 형상으로서는, 일직선 형상이 아니면 되고, 도 4a에 나타내는 바와 같은 원호 형상의 것이나, 또한 도 4b에 나타내는 바와 같은, 하나로 연속되어 있는 매끄러운 곡선 형상이 아닌, 복수의 직선을 접속하여 얻어지는 구분 직선 형상의 것 등 여러 가지가 생각되지만, 상술한 휨 변형 메커니즘은 불변이며, (D/PL)을 0.02 이상으로 함으로써 동등한 효과가 얻어진다.

강판(1)의 휨량 저감 효과를 얻기 위한 (D/PL)의 상한값은 특별히 존재하지 않지만, 지나치게 크게 하면, 곡선 G의 진폭 A가 커져, 곡선 G와 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 각도가 커진다. 종래의 일직선 형상의 홈(G)을 형성하는 것에 의한 자구 세분화 기술에 있어서는, 홈(G)의 방향과, 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 각도가 ±30°초과로 되면 철손 저감 효과가 저하되는 것이 알려져 있다. 본 실시 형태에 관한 곡선 형상의 홈(G)의 경우도 마찬가지로, 홈(G)의 방향과, 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 각도의 평균값이 ±30°초과로 되면 철손이 낮아지기 어려워지므로, 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 각도의 평균값을 ±30°이내로 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 곡선 G 상의 각 점에서 정의되는 곡선 G의 접선과, 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 각도를 θ(°)로 하였을 때, θ가 이하의 식(3)을 만족시키는 것이 바람직하다.

또한, 홈(G)(곡선 G)이 매끄러우며, 홈(G)(곡선 G) 상의 모든 점에 있어서, 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 각도를 ±30°이내로 하는 것이 철손 저감의 관점에서 한층 더 바람직하다.

또한, 이상의 설명에 있어서는 연속적으로 연장되는 홈(G)을 전제로 하여 설명해 왔다. 이러한 홈(G)은 특허문헌 5에 개시된 바와 같이, 연속파 레이저를 사용하여, 레이저 빔을 강판(1) 상에 있어서 연속적으로 스캔함으로써 얻어진다. 한편, 다른 실시 형태에 있어서는, 예를 들어 특허문헌 4에 개시된 바와 같이, 시간적으로 간헐적으로 발진하는 레이저를 사용하여 얻어지는 점렬의 홈, 혹은 파선 형상의 홈을 갖는 전자 강판이어도 된다.

또한, 본 실시 형태로서, 도 3에 도시하는 바와 같이, 곡선군 Gs1 중의 곡선과 곡선군 Gs2 중의 곡선 G의 양단부끼리를 완전히 일치시킴으로써, 복수의 레이저 스캐너를 사용하지만, 마치 하나의 곡선 G가 길게 이어져 있는 것과 같은 곡선군 Gs를 얻는 것이 가능하다. 이때는, 하나로 이어져 있는 범위의 곡선 G에 대해, 상술한 바와 완전히 마찬가지로 얻어지는 선형 근사선 C에 대한 표준 편차값 D를, 식(1)의 범위로 하면, 휨량이 작은 방향성 전자 강판이 얻어진다.

또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 홈(G)의 형성은 강판(1)의 표리면 양쪽에 행해도 된다. 그것에 의해, 강판(1)의 휨량을, 한쪽 면에만 홈(G)을 형성하는 경우와 비교하여 더욱 저감시키는 것이 가능해진다. 도 7은, 판 폭 방향으로부터 강판(1)을 보았을 때의 강판(1)의 단면 형상을 도시하는 모식도이다. 도 7에서는, 강판(1)의 표면(1a) 및 이면(1b)에 홈(G)이 형성되어 있고, 표면(1a)에 형성된 홈(G)(곡선 G)의 위치는, 이면(1b)에 형성된 홈(G)(곡선 G)의 위치와 동일한 위치이다. 여기서, 동일한 위치라 함은, 표면(1a)의 홈(G)의 위치와 이면(1b)의 홈(G)의 위치가 일치하는 경우뿐만 아니라, 압연 방향 및 판 폭 방향 중 적어도 어느 한쪽의 방향에 있어서 2개의 홈(G)이 어긋나 있어도, 어긋남량이 홈(G)의 홈 폭 이하인 경우도 포함하는 것을 의미한다. 이와 같이, 강판(1)의 표면(1a) 및 이면(1b)에 형성된 곡선 G[홈(G)]의 위치가 동일한 경우에는, 강판(1)의 표면(1a) 및 이면(1b)에 형성된 곡선 G의 위치가 동일하지 않은 경우와 비교하여, 강판(1)의 휨량을 더욱 저감시키는 것이 가능해진다.

다음으로, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판의 제조 방법의 일 실시 형태를, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 우선, 본 실시 형태에 관한 방향성 전자 강판은, 기본적으로는, 예를 들어 소재를 규소 강 슬래브로 하고, 열간 압연 공정, 어닐링 공정, 냉간 압연 공정, 탈탄 어닐링 공정, 마무리 어닐링 공정, 평탄화 어닐링 공정 및 절연 피막 형성 공정이라고 하는 순서로 실시되는, 방향성 전자 강판의 일반적인 제조 프로세스에, 레이저 조사에 의한 주기적인 홈 형성 공정을 추가함으로써 제조된다. 레이저 조사에 의한 홈 형성은, 냉간 압연 공정 후, 절연 피막 형성 공정 전의 어딘가에, 혹은 절연 피막 형성 공정 후에 행한다. 절연 피막 형성 공정 후에 홈 형성을 행하는 경우는, 레이저 조사 주변부에 절연 피막이 박리되는 부분이 발생하므로, 다시 절연 피막 형성을 행하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 평탄화 어닐링 공정 후, 절연 피막 형성 공정 전에 레이저 조사에 의한 홈 형성을 행하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 다른 공정에 있어서도 이하와 마찬가지의 조사 방법을 이용할 수 있다.

이하, 본 실시 형태에서 사용하는 레이저 광원 및 레이저 스캐너를 구비하는 제조 장치의 일례를 도시하는 모식도를 이용하여, 레이저 조사에 의한 홈 형성 방법에 대해 상세하게 설명한다. 도 1은 레이저 광원 및 레이저 스캐너를 도시하고 있다. 강판(1)은, 소정의 라인 속도 VL로 압연 방향(반송 방향)으로 일정 속도로 통판된다. 도시하는 바와 같이, 복수의 레이저 광원(LO1, LO2, LO3)(이하 생략)으로부터 출력된 광이, 각각, 광 파이버(3)(도 5a∼도 5c 참조)를 통해, 복수의 레이저 스캐너(LS1, LS2, LS3)(이하 생략)에 전송되고 있다. 이들 레이저 스캐너(LS1, LS2, LS3)(이하 생략)가 각각, 강판(1) 상에 레이저 빔(LB1, LB2, LB3)(이하 생략)을 조사함으로써, 곡선군(Gs1, Gs2, Gs3)(이하 생략)이 강판(1) 상에 형성된다.

이하에서는, 레이저 광원(LO1, LO2, LO3)(이하 생략) 중 어느 하나를 특정할 필요가 없는 경우에는, 레이저 광원(LO)이라 총칭한다. 또한, 레이저 스캐너(LS1, LS2, LS3)(이하 생략) 중 어느 하나를 특정할 필요가 없는 경우에는, 레이저 스캐너(LS)라 총칭한다. 또한, 레이저 빔(LB1, LB2, LB3)(이하 생략) 중 어느 하나를 특정할 필요가 없는 경우에는, 레이저 빔(LB)이라 총칭한다.

레이저 광원(LO)으로서는, 파장 0.4∼2.1㎛에서 집광성이 높은 레이저 광원, 즉, 파이버 레이저나 박디스크형의 YAG 레이저와 같은 레이저 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 레이저 광원(LO)으부터 출사되는 레이저 빔(LB)을 사용하면, 플라즈마의 영향이 작아져, 돌기의 발생을 억제할 수 있다.

도 5a는, 레이저 스캐너(LS)의 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 이 레이저 스캐너(LS)로서는, 예를 들어 잘 알려진 갈바노 스캐너를 사용할 수 있다. 이러한 레이저 스캐너(LS)는, 도 5a에 도시하는 바와 같이, 광 파이버(3)를 통해 레이저 광원(LO)과 접속된 콜리메이터(5)로부터 출사된 레이저 빔(LB)을 집광하기 위한 집광 렌즈(6)와, 레이저 빔(LB)을 반사하는 2매의 갈바노 미러(GM1 및 GM2)로 구성되어 있다.

이들 2매의 갈바노 미러(GM1 및 GM2)의 각도를 조정함으로써, 집광 렌즈(6)에 의해 집광된 레이저 빔(LB)을 강판(1) 상에서 고속 주사할 수 있다. 도 5a에 도시한 레이저 스캐너(LS)의 구성예에서는, 갈바노 미러(GM2)의 회전에 의해, 주로 압연 방향에 직교하는 방향(판 폭 방향)으로의 레이저 빔(LB)의 스캔이 행해진다. 또한, 갈바노 미러(GM1)의 회전은, 주로 판 폭 방향에 직교하는 방향(즉, 압연 방향)의 주사에 의해, 선형 근사선으로부터의 간격(진폭)을 만들어 내는 역할을 담당하고 있다. 집광 렌즈(6)는, 2매의 갈바노 미러(GM1 및 GM2)의 편향각의 조합에 따라서 발생하는 워크 디스턴스의 변화를 보정하기 위해, 레이저 빔(LB)의 광축 방향에 전후하여 동작 가능하게 되어 있다. 물론, 레이저 스캐너(LS)의 구성은, 도 5a에 나타내는 구성에 한정되지 않고, 강판(1) 내에 2차원적으로 곡선 G[홈(G)]를 그릴 수 있는 것이면 된다.

예를 들어, 도 5b에 도시하는 바와 같이, 특허문헌 5에 개시된 폴리곤 미러에 1매의 갈바노 미러를 조합한 구성도 생각된다.

도 5b에 도시하는 레이저 스캐너(LS)의 구성예에서는, 폴리곤 미러(10)의 회전에 의해, 주로 판 폭 방향으로의 레이저 빔(LB)의 스캔이 행해진다. 또한, 갈바노 미러(GM1)의 회전은, 주로 압연 방향의 주사에 의해, 선형 근사선으로부터의 간격(진폭)을 만들어 내는 역할을 담당하고 있다. fθ 렌즈(20)가 집광 렌즈로서 사용되고 있다. 레이저 빔(LB)의 스캔에 수반하여, 레이저 빔(LB)이 fθ 렌즈(20)에 사입사해도, 레이저 빔(LB)의 초점을 강판(1) 상에 유지할 수 있다.

또한, 예를 들어 도 5c에 도시하는 바와 같이, 2개의 레이저 빔(LB)에 대해 공통의 폴리곤 미러(10)를 사용하는 구성으로 하면, 강판(1)의 판 폭 방향 전체에 홈(G)을 형성하기 위해 복수의 레이저 스캐너(LS)를 사용할 필요가 있는 경우에, 레이저 스캐너(LS)의 대수를 삭감할 수 있으므로, 제조 장치 전체를 소형화하는 것이 가능하다.

홈(G)의 폭 및 깊이는, 레이저 빔(LB)의 출력, 스캔 속도 및 집광 형상 등의 파라미터에 의해 정해진다. 홈 깊이 5㎛ 이상 50㎛ 이하, 홈 폭 10㎛ 이상 300㎛ 이하로 되도록, 이들 파라미터를 조정한다. 소정의 피치 PL로 조사하기 위해, 1회의 스캔을 행하는 시간, 즉, 스캔 폭의 시단부로부터 레이저 조사를 개시하여, 스캔 폭의 종단부까지 레이저 스캔을 행하고, 다음 회의 스캔의 시단부로부터 레이저 조사를 개시할 때까지의 시간 T는, 이하의 식(4)와 같이 설정한다.

도 4c 및 도 4d에는, 각각, 본 실시 형태로서, 1대의 레이저 스캐너(LS)로부터의 레이저 빔(LB)의 주사에 의해 얻어지는 1개의 곡선 G[홈(G)]의 형상예를 나타낸다. 이들 곡선 G로부터 계산되는 (D/PL)은 동일하지만, 도 4c와 같이, 곡선 G의 1주기의 파장 λ가 지나치게 짧아지면, 반송 방향으로 고속의 스캔이 요구되어, 스캐너에서 허용되는 최고 스캔 속도의 제약을 받는 경우가 있다. 한편, 도 4d의 경우에는, 도 4c에 비해 곡선 G의 파장 λ가 커, 스캔 속도의 제약을 받기 어렵다. 예를 들어, 일 실시 형태로서 도 4c 및 도 4d와 같은, 정현파 형상의 곡선 G를 형성하는 경우는, 곡선 G의 파장 λ를 10㎜ 이상으로 하는 것이 공업 생산에 적합하다.

실시예

다음으로, 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험에 대해 설명한다. 우선, Si;3.0질량％, C;0.05질량％, Mn;0.1질량％, 산 가용성 Al;0.02질량％, N;0.01질량％, S;0.01질량％, P;0.02질량％, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물과 같은 조성의 슬래브를 준비하였다. 이 슬래브에 대해 1280℃에서 열간 압연을 실시하여, 두께 2.3㎜의 열간 압연재를 만들어냈다. 다음으로, 열간 압연재에 대해 1000℃×1분의 조건으로 열처리를 행하였다. 열처리 후에 산세 처리를 실시한 후 냉간 압연을 실시하여, 두께 0.23㎜의 냉간 압연재를 만들어냈다. 이 냉간 압연재에 대해 800℃×2분의 조건으로 탈탄 어닐링을 실시한 후, 마그네시아를 주성분으로 하는 어닐링 분리재를 도포하였다. 그리고, 어닐링 분리재를 도포한 냉간 압연재를 코일 형상으로 권취한 상태에서, 뱃치식로에 장입하고, 1200℃×20시간의 조건으로 마무리 어닐링을 실시하였다. 그 후 평탄화 어닐링을 행한 후, 이하에서 상세하게 서술하는 방법으로 레이저 조사에 의한 홈 형성을 행하고, 마지막에 절연 피막을 형성하였다.

레이저 스캐너(LS) 등의 제조 장치로서는, 도 1 및 도 5a에 도시된 것을 사용하였다. 레이저 매질로서 Yb가 도핑된 파이버 레이저를 레이저 광원(LO)으로서 사용한 예를 설명한다. 도 1에 있어서, 강판(1)은 상술한 프로세스를 거쳐 제작된, 마무리 어닐링 후의 판 폭 1000㎜의 방향성 전자 강판이며, 지철 표면에는 글래스 피막이 형성되어 있다. 강판(1)은, 라인 속도 VL로 압연 방향(반송 방향)으로 일정 속도로 통판된다.

레이저 빔 강도 P가 1000W, 집광 빔 직경 d가 0.04㎜, 피치 PL이 5㎜였다. 각 순간의 속도는 곡선 G의 접선을 따른 방향을 갖지만, 선형 근사선에 사영한 속도의 크기는 8000±450㎜/s의 범위에 있었다. 이들 레이저 빔 조사 조건을 사용하여 도 4a에 도시하는 개략 원호 형상의 홈(G)을 형성하였다. 스캐너 1대당 스캔 폭에 의해 정해지는 홈의 길이 Lc(도 2 참조)는 100㎜였다. 실험에 있어서는, 진폭 A를 파라미터로 하여 변화시킴으로써, 서로 다른 곡선 형상의 홈(G)을 갖는 방향성 전자 강판을 제작하였다. 진폭 A에 상관없이, 홈 폭은 55±5㎛, 홈 깊이는 15±3㎛의 범위에 있었다.

또한, 비교예로서, 동일한 강판 소재에 대해 기계적인 치형을 프레스하는 방법으로 홈을 형성하였다. 이때, 홈의 형상은 일직선 형상이며, 피치 PL은 5㎜였다. 홈 폭은 52㎛, 홈 깊이는 14㎛로, 상기 레이저법과 거의 동일한 단면 형상의 홈이 얻어졌다.

레이저 빔(LB)의 조사에 의해 형성된 휨량의 영향 평가로서, JIS 2550에 기초하는 점적률의 측정을 행하였다. 또한, 전술한 바와 같이, 점적률이 큰 것은 강판(1)의 휨량이 저감된 것을 의미한다.

도 6에 점적률의 측정 결과를 나타낸다. 도 6에 나타내는 그래프의 횡축은, 상술한 방법으로 구한 (D/PL)을 나타내고, 종축은 점적률을 나타낸다. 또한, 도 6에는, 비교예에 관한 기계적으로 형성된 일직선 형상 홈의 경우(D/PL＝0)의 점유율이 흰색 원으로 나타내어져 있다. 도 6에 나타내는 바와 같이, (D/PL)이 0.02 미만인 경우에는, 레이저법에 의해 얻어진 홈(G)은 기계식의 일직선 형상 홈과 비교하여 점적률이 떨어지지만, (D/PL)이 0.02 이상인 경우에는, 기계식보다도 점적률을 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 특히, (D/PL)이 0.05 이상인 경우에는, 점적률은 96.5％ 이상, 또한 (D/PL)이 0.1 이상인 경우에는, 점적률은 97％ 이상의 높은 값을 나타낸다.

이상의 결과로부터, 표준 편차값 D와 홈 피치 PL의 관계가, 상술한 식(1)을 만족시키는 경우에, 강판(1)의 휨 변형량을 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 휨 변형량을 저감시킬 수 있음으로써, 권선 변압기의 철심 재료로서 적층 및 압축되었을 때, 점적률이 높고 변압기로서의 성능이 높은 것에 더하여, 응력 집중의 영향이 완화되므로 우수한 철손 특성을 실현할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 밖의 변경이 가능하다. 본 발명은, 전술한 설명에 의해 한정되는 일 없이, 첨부의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

본 발명에 따르면, 레이저 빔 조사에 의해 강판의 표면에 홈을 형성할 때, 홈의 형성에 의한 강판의 변형량을 저감시킬 수 있으므로, 권선 변압기의 철심 재료로서 적층 및 압축되었을 때, 점적률이 높고 변압기로서의 성능이 높은 것에 더하여, 응력 집중의 영향이 완화되므로 우수한 철손 특성을 갖는 전자 강판을 제공할 수 있다.

1 : 방향성 전자 강판(강판)
3 : 광 파이버
5 : 콜리메이터
6 : 집광 렌즈
10 : 폴리곤 미러
20 : fθ 렌즈
LB : 레이저 빔
PL : 홈 피치
LO : 레이저 광원
LS : 레이저 스캐너
G : 홈(곡선)
Gs : 곡선군

Claims

레이저 빔의 조사에 의해, 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 홈이 상기 반송 방향으로 소정의 피치 PL로 형성된 방향성 전자 강판이며,
상기 홈의 홈 폭 방향의 중심선의 최소 제곱법에 의한 선형 근사선과, 상기 중심선 상의 각 위치 사이의 거리의 표준 편차값 D 및 상기 피치 PL의 관계가, 하기의 식(1)을 만족시키고;
상기 중심선 상의 각 위치에 있어서의 접선과, 상기 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 평균 각도가, 0°초과 30°이하인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자 강판.
[수학식 1]
제1항에 있어서, 상기 홈은, 상기 방향성 전자 강판에 곡선 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 방향성 전자 강판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홈은, 상기 방향성 전자 강판의 표면 및 이면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 방향성 전자 강판.
제3항에 있어서, 상기 표면에 형성된 홈의 위치는, 상기 이면에 형성된 홈의 위치와 동일한 위치인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자 강판.
방향성 전자 강판에 레이저 빔을 조사하여, 반송 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 홈을 상기 반송 방향으로 소정의 피치 PL로 형성하는 방향성 전자 강판의 제조 방법이며, 상기 홈의 홈 폭 방향의 중심선의 최소 제곱법에 의한 선형 근사선과, 상기 중심선 상의 각 위치와의 사이의 거리의 표준 편차값 D 및 상기 피치 PL의 관계가, 하기의 식(1)을 만족시키고;
상기 중심선 상의 각 위치에 있어서의 접선과, 상기 반송 방향과 직교하는 방향이 이루는 평균 각도가, 0°초과 30°이하인 것을 특징으로 하는, 방향성 전자 강판의 제조 방법.
[수학식 2]
제5항에 있어서, 상기 레이저 빔의 파장이, 0.4∼2.1㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 방향성 전자 강판의 제조 방법.