KR20240098885A - 방향성 전기강판 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 전기강판 기재; 와 상기 전기강판 기재 상에 위치하는 절연 피막층을 포함하고, 상기 절연피막층 표면에 하나 이상의 선형의 변형부가 존재하며, 상기 변형부의 앞쪽과 뒤쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성되고, 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮다.
Description
방향성 전기강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 2차 재결정이 이루어진 전기강판의 표면에 파장이 서로 다른 중첩 레이저를 조사하여 표면 손상을 방지하면서 동시에 우수한 철손 및 보자력을 갖는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
방향성 전기강판은 우수한 자기적 특성을 가지고 있어 변압기의 철심 재료로 사용된다. 이러한 방향성 전기강판은 전기강판 제조 공정만이 가지고 있는 고유의 압연 및 소둔 공정을 거쳐 {110} <001> 방위로 재결정되어 있는 Goss 집합조직을 강판 전체에 형성시킨다.
기후 변화에 대응하기 위해 세계는 온실가스 배출량의 산정등급을 나날이 강화하고 있다. 변압기 철심의 경우, 온실가스 배출량 산정등급에 영향을 주는 요인은 전기강판을 사용할 때의 효율성 향상과 관련이 되어 있다. 그리고 변압기 철심의 효율성은 전기강판의 철손과 자속밀도 그리고 보자력 즉, 자기적 특성이 중요한 요소로 작용하고 있다.
전기강판의 자속밀도는 결정 구조에서 자화가 용이한 결정축이 모인 정도, 즉 결정 방위성이 높을수록 자속밀도가 높게 나타나므로 전기강판의 제조 공정이 중요하게 영향을 미칠 수 있다.
그리고 전기강판의 철손은 최대 자속밀도 1.7 T에서 50 Hz 주파수의 자기장을 인가하였을 때 측정되는 W17/50 [W/kg] 값을 철심소재의 보증 철손값이라고 하고 이 값을 전기강판의 철손의 척도로 일반적으로 사용한다. 그러나 변압기를 설계할 때에는 이 보다 낮은 최대 자속밀도 인 1.5 T에서 50 Hz 주파수의 자기장을 인가하였을 때 측정되는 W15/50 [W/kg] 값을 사용하기도 한다. 변압기에서 효율은 이러한 변압기 설계 철손 값이 낮을수록 그 효율이 우수하다고 평가한다.
따라서 전기강판의 경우 강판의 자속밀도가 높고 철손이 낮을수록 효율이 우수한 변압기 철심으로 사용될 수 있다. 이 중에서 자속밀도는 전기강판의 제조 공정의 상향 평준화로 고 자속밀도를 확보하는 공정기술은 변압기의 효율을 뒷받침할 수 있는 정도로 발달되어 왔기 때문에 철손이 보다 중요한 지표로 평가되고 있다.
이러한 철손은 와전류손과 히스테리시스손으로 구분되고 히스테리시스손은 자속밀도가 높으면 낮아지는 경향이 있어서 방향성 전기강판에서 와전류손이 전체 철손을 제어하는 데 중요한 위치를 차지한다. 철손 중 와전류손은 고전적 와전류손과 이상 와전류손으로 구분되고 고전적 와전류손은 강판의 두께에 비례하므로 강판을 얇게 하면 할수록 고전적 와전류손은 감소한다. 따라서 이상 와전류손을 제어하는 것이 철손을 저감시키는 중요한 기술로 자리 잡고 있다.
이러한 철손 중의 와전류손은 압연 방향 자구인 180°자구의 자벽 간격이 좁을 수록 감소되는 것이어서 전기강판의 자구(magnetic domain)를 미세화 시켜 철손을 저감 시킬 수 있다.
전기강판에서 자구를 미세화 한다는 것은 하나의 자구적 특성을 갖는 결정입자에 물리적 자극을 부여하여 여러 개의 자구로 분리하여 미세화 하는 과정을 의미한다. 자구를 미세화는 방법으로는 레이저 조사, 전자빔 조사, 플라즈마 처리, 에칭 또는 롤 압입등의 방법을 이용할 수 있다. 그리고 이러한 자구 미세화 처리를 한 다음 응력 완화소둔(SRA)을 행한 다음에도 자구 미세화 효과가 유지되는지 여부에 따라 영구자구 미세화와 일시자구 미세화로 구분된다.
일반적으로 일시자구 미세화 방법은 레이저등 여러 가지 수단을 이용하여 강판의 자구 미세화 처리면에서 반대쪽인 자구 미세화 미처리면까지 형성되는 180°자구의 폭을 감소시키는 것이다. 이와 같이 180°자구의 폭을 감소시키게 되면 외부에서 강판에 자장을 인가할 경우 자구의 이동 거리를 줄이고 또한 압연방향으로 잔류 인장응력(Residual tensile stress)을 증가시키게 되어 결과적으로 자기적 특성을 개선시키게 된다.
레이저 등을 이용하여 강판의 180°자구 폭을 감소시키기 위해서는 레이저 출력(에너지 밀도)을 증가시켜 단위면적당 레이저의 에너지밀도를 증가시켜야 한다. 또 다른 방법으로 레이저 등의 최종 빔의 직경을 감소시키고 길이를 늘려서 단위길이당 체류시간(Duration time)을 증가시키는 방법을 사용하기도 한다. 그러나 이와 같이 일시자구 미세화 공정 중에 강판의 표면에 180°자구의 폭을 미세화 시킬 정도로 강한 레이저 등의 에너지 원을 입사할 경우 강판의 표면을 손상시키는 경우가 있다.
이와 같이 일시자구 미세화를 구현하기 위하여 레이저 조사면의 표면손상을 최소화 하면서 자속밀도를 높이고 실질적으로 변압기 설계 철손값(W15/50)을 개선하고자 하지만 일시 자구 미세화 공정 중에는 강판의 표면손상이 동반하기 때문에 강판의 내식성이 열화되는 현상을 피할 수 없다는 단점이 있다.
방향성 전기강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 2차 재결정이 이루어진 전기강판의 표면에 파장이 서로 다른 중첩 레이저를 조사하여 표면 손상을 방지하면서 동시에 우수한 변압기 설계 철손값과 보자력 특성을 갖는 방향성 전기강판의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은, 전기강판 기재; 와 상기 전기강판 기재 상에 위치하는 절연 피막층을 포함하고, 상기 절연피막층 표면에 하나 이상의 선형의 변형부가 존재하며, 상기 변형부의 앞쪽과 뒤쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성되고, 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮게 나타난다.
그리고 이러한 방향성 전기강판에서 상기 재응고층의 P 농도가 낮아지기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면에서부터 전체 절연 피막층 두께의 15% 이하에 위치하는 것이 바람직하다.
또한 방향성 전기강판에서 상기 재응고층의 P 농도가 낮기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면으로부터 500 nm 이하에 위치하는 것이 바람직하다.
그리고 방향성 전기강판에서 상기 재응고층이 형성되는 경계부의 폭은 상기 변형부 양쪽 끝단을 중심으로 앞쪽과 뒤쪽 중 어느 곳에 10 ㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
한편 방향성 전기강판에서 상기 전기강판 기재와 상기 절연 피막층 사이에 유리 피막층이 더욱 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 전기강판의 철손(자구재 W15/50) 개선율이 7 % 이상이고 보자력 개선율이 11% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 방향성 전기강판은, 전기강판 기재; 와 상기 전기강판 기재 상에 위치하는 절연 피막층을 포함하고, 상기 절연피막층 표면에 하나 이상의 선형의 변형부가 존재하며, 상기 변형부의 위쪽과 아래쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성되고, 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 재응고층 내의 Si 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 Si 농도 보다 높게 나타난다.
이러한 방향성 전기강판에서 상기 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮게 나타나는 것이 바람직하다.
그리고 방향성 전기강판에서 상기 재응고층 내의 P와 Si 농도가 변화하기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면으로부터, 전체 절연 피막층 두께의 15% 이하인 것이 바람직하다.
또한 이러한 방향성 전기강판에서 상기 전기강판의 철손(W15/50) 개선율이 7 % 이상이고 상기 전기강판의 보자력 개선율이 11% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 방향성 전기강판의 제조방법은, 제1 파장의 제1 레이저 빔이 조사되어 형성되고 있는 제1 빔스팟과, 제2 파장의 제2 레이저 빔이 조사되어 형성되고 있는 제2 빔스팟으로 이루어지고, 전기강판의 진행방향 기준으로 상기 전기강판의 표면에서 상기 제2 빔스팟의 폭이 상기 제1 빔스팟의 폭 이내에 위치하도록 제어되어 형성되고 있는 중첩 레이저빔을 전기강판의 표면에 조사하여 선형의 변형부를 형성하는 것이다.
방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제1 레이저는 CO2 레이저이고, 상기 제2 레이저는 디스크 레이저인 것이 바람직하다.
이러한 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제2 레이저 빔인 디스크 레이저 빔의 길이는 상기 전기강판의 폭 방향 기준으로, 상기 제1 레이저 빔인 CO2 레이저 빔의 길이 보다 길거나 짧은 것이 바람직하다.
그리고 이러한 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제1 레이저인 CO2 레이저와 제2 레이저인 디스크 레이저는 레이저 빔 주사장치에서 광경로를 공유하여 조사될 수 있다.
또한 이러한 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제1 레이저인 CO2 레이저와 제2 레이저인 디스크 레이저는 레이저 빔 주사장치에서 각각 별도로 주사되어, 상기 전기강판의 표면에서 레이저 빔이 상호 중첩될 수도 있다.
방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제1 레이저인 CO2 레이저의 빔 스팟은 폭이 100 내지 400 ㎛ 이고, 길이는 0.4 내지 20 mm 인 타원형 빔 스팟인, 것이 바람직하다.
또한 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제2 레이저인 디스크 레이저의 빔 스팟은 폭이 10 내지 200 ㎛이고, 길이는 상기 제1 레이저인 CO2 레이저 빔 스팟의 길이 이하 또는 그 이상의 타원형 또는 원형인 것이 바람직하다.
그리고 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 중첩 레이저빔의 조사 간격은 2 ~ 7 mm이고, 주사 속도는 1 내지 300 m/sec인, 것이 바람직하다.
또한 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 중첩 레이저 빔의 경사 방향은 ±10°이하인, 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법에서 상기 제1 레이저인 CO2 레이저의 출력은 200 내지 2,000 W이고 상기 제2 레이저인 디스크 레이저의 출력은 10 내지 550 W 인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 파장이 서로 다른 중첩 레이저를 사용하여 최적의 자구 미세화를 수행함으로써, 자성을 더욱 향상시킬 수 있으면서 동시에 강판 표면의 손상을 충분히 억제할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 장파장 레이저를 사용하여 평균출력의 고출력화가 용이하게 가능하고 처리 라인의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 동시에 단파장의 레이저를 함께 조사하여 자구를 최소한으로 형성하여 자성을 효과적으로 개선할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 자구 미세화 방법은 장파장 레이저로 CO2 레이저를 사용하여 절연 피막층을 파괴하지 않고도 안정적으로 강판을 예열할 수 있으며, 단파장 레이저로 디스크 레이저를 사용하여 정확히 환류자구 형성에 필요한 만큼의 폭으로 강판의 열 탄성 변형에 따른 잔류 응력을 유발시킬 수 있어서 정확한 자구 미세화가 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자구 미세화 방법은 2차 재결정이 완료한 강판 표면에 파장이 서로 다른 레이저를 겹쳐진 상태로 동시에 조사하여 낮은 레이저 출력 조건에서도 두께 방향 열충격을 극대화함으로써 저 자장 철손이 우수한 방향성 자구미세화 제품을 제공할 수 있다.
도 1 a는 본 발명의 일 실시예에 따라 중첩 레이저 빔으로 자구 미세화를 실시한 다음 강판의 표면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 1 b는 도 1 a에서 G1 부분의 강판 단면을 강판의 표면에서 두께방향으로 확대하여 촬영한 FIB-TEM 사진이다.
도 2는 도 1 b의 FIB-TEM 사진에서 T1과 T2 선을 따라 분석한 강판 두께 방향으로의 성분 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 그래프에서 주요 성분의 변화를 도식적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판위에 주사한 경우를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판 표면에 주사한 경우의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판 표면에 주사한 경우의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판 표면에 주사한 경우의 에너지 밀도를 나타내는 모식도이다.
도 1 b는 도 1 a에서 G1 부분의 강판 단면을 강판의 표면에서 두께방향으로 확대하여 촬영한 FIB-TEM 사진이다.
도 2는 도 1 b의 FIB-TEM 사진에서 T1과 T2 선을 따라 분석한 강판 두께 방향으로의 성분 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 그래프에서 주요 성분의 변화를 도식적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판위에 주사한 경우를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판 표면에 주사한 경우의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판 표면에 주사한 경우의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 파장이 다른 중첩 레이저의 빔 스팟을 강판 표면에 주사한 경우의 에너지 밀도를 나타내는 모식도이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서는 전기강판 기재; 와 이러한 전기강판 기재 상에 위치하는 절연 피막층을 포함하고, 절연피막층 표면에 하나 이상의 선상(線狀)의 변형부가 존재하며, 변형부의 앞쪽과 뒤쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성되고, 이러한 절연 피막층의 두께 방향으로 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮게 형성된 방향성 전기강판을 제공한다.
전기강판 기재는 방향성 전기강판의 제조공정에 따라 최종소둔까지 실시하여 강판 내부에 GOSS 집합조직이 형성되어 2차 재결정이 완료된 전기강판인 것이 바람직하다.
그리고 이러한 전기강판 기재 상에 절연 피막층이 형성되어 있다. 이때 전기강판 기재와 절연 피막층 사이에는 유리 피막층이 더 형성될 수 있다.
여기서 절연 피막층은 인산염과 콜로이달 실리카를 주성분으로 하고, 유리 피막층은 포스테라이트(Forsterite)를 주성분으로 하고 한다. 그리고 본 발명에서 주 성분이라 함은 절연 피막층에서 인산염의 경우 강판 표면의 편면 도포량 기준으로 0.1 g/㎡ 이상을 포함하고, 절연 피막층에서 콜로이달 실리카는 강판 표면의 편면 도포량 기준으로 0.1 g/㎡ 이상을 포함한다. 그리고 유리 피막층의 포스테라이트의 경우 강판 표면의 산소 편면 도포량으로 0.7 g/㎡ 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에서 절연 피막층 표면에는 하나 이상의 선상의 변형부가 존재한다.
본 발명의 일 실시예에서 선상의 변형부라 함은 실선 뿐만 아니라 점선이나 파선과 같이 단속적으로 이어지는 것을 포함하고, 아울러 미시적으로 보면 지그재그 형태이지만 거시적으로 보면 직선형태도 포함하여, 실질적으로 선형을 형성하는 모든 변형부를 포함한다.
도 1 a에서와 같이, 이러한 변형부는 도 1a의 C와 D 사이의 영역에서 형성되며, 전기강판의 표면에서 전기강판의 압연방향에 수직하는 방향(TD 방향을 따라 선상으로 형성된다.
도 1 a에서 C 선은 강판 표면에 후술하는 중첩 레이저 빔을 조사할 때 강판의 압연방향 앞쪽에 형성되는 변형부의 끝 단을 의미하고, D선은 변형부의 후단을 의미한다. 이러한 C선과 D선은 중첩 레이저가 주사된 선상을 따라 형성되며, 변형부의 경계선을 이루게 된다. 그리고 도 1 a에서 G1과 G2는 각각 C선과 D선을 중심선으로 하여 ± 5 내지 10 ㎛ 범위의 경계부를 이루는 일정 영역을 의미한다. 또한 도 1a에서 G1은 강판 압연 진행방향의 앞쪽 영역을 의미하고, G2는 강판 압연 진행방향의 뒤쪽 영역을 의미한다.
전기강판의 표면에 형성되는 선상의 변형부는 파장이 서로 다른 중첩 레이저 빔을 전기강판의 압연방향에 수직하는 방향(TD 방향)으로 조사하여 형성된다. 이와 같이 중첩 레이저 빔을 강판의 표면에 입사하게 될 경우, 전기강판의 두께 방향으로 전기강판 자체 뿐만이 아니라 강판의 상부에 형성되어 있는 절연피막 또는 유리피막과 절연피막에도 중첩 레이저 빔이 동시에 조사되어, 중첩 레이저 빔이 조사되기 직전과는 다른 물질상태로 변형이 이루어진다.
전기강판의 두께 방향으로 형성되는 전기강판 자체의 변형은 입사되는 중첩 레이저 빔에 의하여 절연 피막층 하부에 있는 강판의 결정조직에 강한 압축응력부가 형성되어 발생한다. 전기강판에 압축응력부가 형성되면 자기 탄성에너지를 감소하기 위해 란셋자구(환류자구)가 형성된다. 그 결과로 중첩 레이저가 영향을 미친 강판 부분에는 180°자구가 형성되고, 강판의 두께 방향으로 자기 탄성에너지를 감소하기 위해 90°자구를 형성시킴으로써 자구의 간격이 좁아지면서 자구를 미세화 하게 된다. 전기강판에 중첩 레이저에 의하여 자구가 미세화가 이루어지면 결과적으로 강판의 이상 와전류손은 감소하게 된다.
이와 같이 전기강판의 표면에 중첩 레이저를 조사할 경우 중첩된 레이저 빔의 폭만큼 전기강판의 두께 방향으로 열 탄성 변형에 따른 잔류 응력을 유발시킬 수 있어서, 정확한 자구 미세화가 가능하다. 이때 중첩 레이저 빔의 폭은 도 1a의 C와 D 사이의 영역과 거의 유사하다.
전기강판의 상부에 중첩 레이저 빔을 조사하여 강판 자체에 변형부를 형성할 경우 강판의 상부, 즉 중첩 레이저 빔이 직접 맞 닫는 절연 피막층의 표면에도 변형부가 형성된다. 이러한 절연 피막층의 변형부(C와 D 사이의 영역)는 중첩 레이저빔이 주사한 궤적을 따라 형성되며, 절연 피막층을 구성하는 일부 성분 원소들의 증발에 의하여 수축되어 오목한 그루브 형태를 형성할 수 있다. 이러한 그루브의 깊이는 입사하는 중첩 레이저의 에너지 밀도를 조절하여 제어할 수 있다.
한편, 절연 피막층의 표면에 형성된 변형부의 경계부(도 1a의 G1, G2)에는 절연 피막층의 두께 방향으로 재응고층이 형성된다. 이러한 절연 피막층의 재응고층은 중첩 레이저 빔의 조사에 의하여 절연 피막층이 부분적으로 용융한 다음 바로 재응고되어 형성된다.
도 1 b에서 나타나 있는 바와 같이, 절연 피막층 변형부의 경계부에 형성되는 재응고층은 중첩 레이저빔이 직접 조사된 부분에서 도 1a의 C선과 D선을 따라 형성될 수 있으며, 이러한 재응고층은 중첩 레이저빔이 주사된 궤적을 따라 단속적으로 또는 연속적으로 선상의 형태로 나타날 수 있다. 그리고 이러한 재응고층이 형성되는 경계부의 폭은 변형부 양쪽 끝단인 C선과 D선을 중심으로 10 ㎛ 이하의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
절연 피막층의 재응고층은 절연피막이 형성된 강판의 표면에 중첩 레이저를 조사할 경우, 절연 피막층을 형성하고 있는 일부 인산염이 중첩 레이저에 의하여 용융되고 중첩 레이저빔이 지나간 다음 바로 응고하게 되어 형성되는 것으로 추정된다. 따라서 이러한 재응고층을 인산염 재응고층 이라고도 한다.
절연 피막층에 재응고층이 형성되는 것은 중첩 레이저빔을 구성하는 각각의 레이저를 단독으로 조사한 경우에는 나타나지 않는 현상이다.
이와 같이 중첩 레이저빔을 조사한 경우에 중첩 레이저 빔이 조사된 영역의 경계부에서 주로 절연 피막층의 재응고층이 나타나는 이유는 절연 피막을 구성하고 있는 인산염의 기화점이 낮기 때문에 중첩 레이저 조사시 인(Phosphorus)이 먼저 기화되고 Si와 O로 이루어진 규소 산화물들은 비정질 상태로 재응고 되는 것으로 추정된다.
중첩 레이저빔의 조사로 인하여 절연 피막층에 재응고층이 형성될 경우, 도 2 와 도 3에서와 같이 절연 피막층의 두께방향으로 (T1에서 T2 방향으로) 절연 피막층을 구성하고 있는 성분의 변화가 발생한다.
즉, 재응고층이 형성된 부분 즉 중첩 레이저빔이 조사된 경계부에서는 인(P)이 기화되어 재응고층에서의 인(P)의 농도는 낮아지게 된다. 그러나 중첩 레이저 빔이 조사되었 지만 깊이가 깊어서 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도는 재응고층에서의 인(P)의 농도 보다 높게 나타낸다.
따라서 절연 피막층에서 중첩 레이저빔의 조사에 의하여 재응고층이 형성된 부분의 P 농도는 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮게 나타나게 된다.
이러한 재응고층에서의 인(P)의 농도 변화와는 다르게, 재응고층에서의 규소(Si)의 농도는 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 규소(Si) 농도 보다 높게 나타나게 된다. 이것은 중첩 레이저빔의 조사로 재응고층에서 Si와 O로 이루어진 규소 산화물들이 비정질 상태로 재응고 되기 때문으로 추정된다.
이러한 재응고층에서의 인(P)과 규소(Si)의 농도 변화를 도 2와 도 3에서 나타내고 있다.
중첩 레이저빔의 조사로 절연 피막층의 재응고층이 형성될 경우 이러한 재응고층에는 규소 산화물이 비정질 상태로 응고하여 재응고층이 형성되고 이러한 재응고층은 비정질 고유의 특성에 의하여 부식 특성이 향상되게 된다.
한편 강판의 표면에 중첩 레이저빔을 조사하여 형성된 절연 피막층의 재응고층의 두께는 비변형부(중첩 레이저 비조사면)를 기준으로 전체 절연 피막층 평균 단면 두께의 15% 이내인 것이 바람직하다.
절연 피막층에 형성되는 재응고층의 두께가 중첩 레이저빔이 조사되지 않은 절연 피막층의 평균 단면 두께의 15% 이상 커지면 절연 피막층의 절대 두께가 얇아지므로 내식성에 불리하게 작용할 수 있으며, 절연 피막층에 의한 장력효과를 감소시켜 철손이 열위할 수 있기 때문에 이와 같은 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
이와 같이 절연 피막층에 재응고층이 형성될 경우, 절연 피막층의 물성이 변화하여 절연 피막층이 전체적으로 안정되어 부분적으로 벗겨지거나 손상되지 않게 된다. 만약 절연 피막층 두께의 15% 이상으로 재응고층이 형성될 경우, 절연 피막층이 손상되고 절연 피막층에 의한 장력효과를 잃어버리기 때문에 바람직하지 않다.
그리고 중첩 레이저의 조사에 의하여 절연 피막층에 재응고층이 형성될 경우, 이러한 재응고층의 형성에 의하여 절연 피막층에 수축이 발생하여 절연 피막층의 두께가 변화할 수 있다.
한편, 재응고층에서의 인(P)과 규소(Si)의 농도 변화가 시작되는 부분은 중첩 레이저빔이 조사되지 않은 절연 피막층을 기준으로 절연 피막층의 두께 방향으로 절연 피막층의 표면에서부터 500 nm 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이 재응고층이 절연 피막층의 표면에서부터 500 nm 이상의 깊이에서부터 형성될 경우, 절연 피막층이 손상되고 절연 피막층에 의한 장력효과를 잃어버리기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 일실시예에 의한 전기강판의 표면에 중첩 레이저를 조사하여 변형부를 하나 이상 형성할 경우 이러한 강판의 W15/50 철손 개선율은 7 % 이상인 것이 바람직하다. W15/50 철손 개선율이 7 % 이하인 경우 변압기 설계후 효율이 감소되는 효과가 미미하다.
그리고 본 발명의 일실시예에 의한 전기강판의 표면에 중첩 레이저를 조사하여 하나 이상의 변형부를 형성할 경우 이러한 강판의 보자력 개선율 11% 이상인 것이 바람직하다. 보자력 개선율 11% 이하인 경우 와전류손실 효과가 크게 나타나지 않기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 제1 파장의 제1 레이저 빔이 조사되어 형성되고 있는 제1 빔스팟과, 제2 파장의 제2 레이저 빔이 조사되어 형성되고 있는 제2 빔스팟으로 이루어지고, 전기강판의 진행방향 기준으로 강판의 표면에서 제2 빔스팟의 폭이 제1 빔스팟의 폭 이내에 위치하도록 제어되어 형성되고 있는 중첩 레이저빔을 강판의 표면에 조사하여 변형부를 형성하는, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구 미세화 공정은 도 4에서 예시한 바와 같이, 전기강판 전장(全長)에 걸쳐 강판의 압연 방향(RD방향)의 수직 또는 경사진 방향, 즉 강판의 폭 방향(TD방향)을 따라 중첩 레이저를 조사하여 선상의 변형부(10)를 형성하게 된다.
레이저에 의한 강판에서의 변형부(10) 형성은 레이저 조사로 열충격을 받아 발생한 결정격자의 변형을 의미하고, 이러한 결정격자의 변형은 레이저에 의하여 강판이 국부적으로 급속하게 가열되고 바로 냉각되는 과정에서 형성된다. 이때 강판의 가열 속도는 레이저 단위 시간당 에너지 밀도(파워밀도)에 비례한다.
그러나 레이저 조사시 열충격에 의한 결정격자의 변형은 레이저 총 조사 에너지가 클 수록 커지므로, 자구 미세화에 필요한 크기 이상의 에너지가 강판에 조사될 경우 환류자구 형성에 필요한 이상의 열원이 주변으로 확산하여 자기 변형이 커진다. 따라서 레이저 조사시 열충격에 의한 결정격자의 변형은 정확히 환류자구 형성에 필요한 만큼만의 격자 변형 에너지가 필요하고, 열 확산을 억제하기 위해서는 레이저 입사 에너지를 좁은 영역에 보다 단시간 동안만 조사하는 것이 바람직하다.
그리고 레이저 빔과 강판의 상호 작용 조건은 레이저의 특성과 강판에 대한 레이저 빔의 흡수율에 영향을 받으며, 강판의 제조조건이 일정할 경우 레이저 흡수율은 레이저의 파장에 영향을 받는다. 즉, 강판의 레이저 흡수율은 파장이 장파장인 CO2 레이저(파장; 10.6 ㎛인)인 경우 대략 10% 이하이고, 단파장 인 디스크 레이저(파장; 1.03 ㎛)의 CO2 레이저 보다 3배 내지 5배 가까이 높은 흡수율을 나타낸다.
그러나 강판의 상부에 형성된 절연 피막층은 강판과는 다르게 장파장인 CO2 레이저에 대해서는 큰 흡수를 나타내는 반면, 단파장인 디스크 레이저에 대해서는 레이저 빔을 상대적으로 작게 흡수한다.
따라서 장파장인 CO2 레이저와 단파장인 디스크 레이저를 동시에 중첩하여 사용할 경우, 각 레이저들이 자구 미세화에 적용되는 장점들만 부작용 없이 우선적으로 발휘되어 상호 상승(시너지) 효과를 유발시킬 수 있게 된다.
즉 장파장인 CO2 레이저는 평균 출력을 강판 속도에 따라 수백W에서 수KW 이상의 고출력으로 사용하는 것이 가능하고, 강판의 조사 부분에 열탄성 변형을 용이하게 유도할 수 있다. 또한 장파장인 CO2레이저는 인산염과 실리카로 이루어진 절연피막에 대한 흡수율이 높아 피막층들을 안정적 통과할 수 있다. 따라서 장파장인 CO2 레이저는 절연 피막층들을 파괴하지 않고도 안정적으로 강판의 열탄성 변형을 유도할 수 있어서 일종의 예열 역할을 하는데 적합하다.
반면 단파장인 디스크 레이저는 강판에 대한 레이저 흡수율이 상대적으로 높으므로, 정확히 환류자구 형성에 필요한 만큼만의 격자 변형 및 열 탄성 변형에 의한 잔류 응력을 유발할 정도의 입사 에너지를 좁은 영역에 보다 단시간 동안만 조사하는 것이 가능하다. 또한 단파장인 디스크 레이저는 입사 에너지 범위가 좁기 때문 주변으로의 열 확산을 억제할 수 있어서 불필요한 열변형을 최소화할 수 있다.
이상과 같이 장파장인 CO2레이저와 단파장인 디스크 레이저를 동시에 중첩 사용하여 파장이 다른 중첩 레이저 빔을 조합한 특성을 발휘하기 위해서는, 도 5와 도 6 에서와 같이 CO2 레이저의 빔(A)의 폭 이내에 디스크 레이저의 빔(B)의 폭이 위치하는 것이 바람직하다.
즉, 도 5와 도 6에서와 같이 단파장인 디스크 레이저 빔(B)의 폭 만큼의 격자 변형 및 열 탄성 변형을 일으켜 변형부를 형성하는 한편, 장파장인 CO2레이저 빔(A)의 폭은 디스크 레이저 빔(B)의 폭 보다 더 넓은 영역에서 예열을 통한 열탄성 변형을 용이하게 유도할 수 있다.
그러나 CO2레이저 빔(A)과 디스크 레이저 빔(B)의 길이는 이들 빔(A, B)의 폭과는 다르다. 즉, 중첩 레이저 빔(20)이 강판의 표면에서 주행하는 방향으로 CO2레이저 빔(A)이던 디스크 레이저 빔(B) 이던 어느 하나의 빔이 먼저 주행선상을 통과하여 강판을 예열하는 역할을 하게 되면 되는 것이므로, 중첩 레이저 빔을 구성하는 어느 하나의 레이저 빔이 먼저 통과하여도 예열 역할은 가능하다.
따라서 도 5에서와 같이 CO2레이저 빔(A)의 길이가 디스크 레이저 빔(B)의 길이 보다 길 경우에는 중첩 레이저 빔 중에서 CO2레이저 빔(A)이 먼저 강판의 표면을 주사하여 예열 역할을 할 수 있다. 또한 도 6에서와 같이 디스크 레이저 빔(B)의 길이가 CO2레이저 빔(A)의 길이 보다 길 경우에는 디스크 레이저 빔(B)이 먼저 강판의 표면을 주사하여 예열 역할을 할 수 있다.
그러므로 디스크 레이저 빔(B)의 길이는 CO2레이저 빔(A)의 길이 보다 길거나 짧을 수가 있다.
다만, 도 7 에서와 같이 디스크 레이저 빔(B)의 길이가 CO2레이저 빔(A)의 길이 보다 짧을 경우에도 디스크 레이저 빔(B)의 에너지 밀도가 높은 “a” 위치에 디스크 레이저 빔(B)의 중심이 위치하는 것이 바람직하다. 반대의 경우 즉, 디스크 레이저 빔(B)의 길이가 CO2레이저 빔(A)의 길이 보다 긴 경우에는 디스크 레이저 빔(B)의 에너지 밀도가 높은 “a” 위치에는 디스크 레이저 빔(B)의 중심이 용이하게 위치할 수 있게 된다.
한편, 중첩 레이저 빔을 형성하는 방법은, 제1 레이저인 CO2 레이저와 제2 레이저인 디스크 레이저가 각각 레이저 발진기에서 레이저 빔이 생성되고 레이저 빔을 처리하는 광학계에서 광경로를 공유하는 방법이다. 이와 같이 광경로를 공유하는 방법은 2가지 다른 레이저 빔이 광학계에서 하나의 광경로를 이용하여 도 4에서와 같이 중첩 레이저 빔(30)을 형성한 다음, 강판의 표면에 중첩 레이저 빔(20)을 조사하게 된다.
또 다른 중첩 레이저 빔을 형성하는 방법은 제1 레이저인 CO2 레이저(A’)와 제2 레이저인 디스크 레이저(B’)가 각각 레이저 발진기에서 레이저 빔이 생성되고 레이저 빔을 처리하는 광학계에서 각각 고유의 광경로를 이용하는 방법이다. 이러한 고유의 광경로를 이용하는 방법은 2가지 다른 레이저 빔이 광학계에서 각각의 광경로를 이용하여 도 4에서와 같이, 강판의 표면에 도착하여 중첩 레이저 빔(20’)을 조사하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 사용한 중첩 레이저 중 제1 레이저(A, A’)인 CO2 레이저의 빔 스팟은 그 폭(도 4에서 “RD방향”의 길이)이 100 내지 400 ㎛ 이고, 그 길이(도 4에서 “TD 방향”의 길이)는 0.4 내지 20 mm 인 타원형 빔 스팟인 것이 바람직하다. 또한 CO2레이저의 빔 스팟은 반경이 100 ㎛ 이상의 원형으로도 사용이 가능하다.
제1 레이저(A)인 CO2 빔폭이 100㎛ 이내로 형성시키기 위해서는 디스크 레이저와 같이 미러 광학계가 복잡해지기 때문에 바람직하지 않으며, 400㎛ 이상 커지면 강판 길이방향 열영향이 커지기 때문에 자속밀도의 저하가 나타나기 때문에 바람직하지 않는다.
그리고, 중첩 레이저 중 제2 레이저(B, B’)인 디스크 레이저의 빔 스팟은 그 폭(도 4에서 “RD방향”의 길이)이 10 내지 200 ㎛이고, 그 길이(도 4에서 “TD 방향”의 길이)는 제1 레이저(A)인 CO2 레이저 빔 스팟의 길이 이하 또는 그 이상이며, 빔 스팟의 형태는 타원형 또는 원형인 것이 바람직하다.
디스크 레이저의 빔 스팟의 폭이 10㎛ 미만으로 감소하게 되면 좁은 영역에 에너지밀도가 집적됨에 따라 자속밀도 및 철손 열위가 나타날 수 있으며, 광학계 구조가 복잡해지는 문제점이 있다. 그리고 디스크 레이저의 빔 스팟 폭이 200㎛ 이상 커지면 강판 길이방향 열영향이 커져서 자속밀도의 저하가 나타날 수 있어서 바람직하지 않는다.
그리고 본 발명의 일실시예에서 사용하는 레이저 빔의 발진 모드는, 제1 레이저(A, A’)와 제2 레이저(B, B’) 모두, 레이저 광을 연속적을 발생시키는 연속파 레이저(Continuous Wave Laser)를 사용하는 것이 바람직하지만, 펄스 레이저 (Pulse Laser)를 사용할 수도 있다.
또한 사용하는 레이저 빔의 품질은, 제1 레이저(A, A’)와 제2 레이저(B, B’) 모두, TEM 00의 가우시안 모드(Gaussian mode)가 바람직하지만 TEM0i의 멀티 모드(multi transverse mode)도 사용할 수 있다.
그러나 본 발명의 일실시예에 따른 강판 표면에 조사되는 중첩 레이저빔(20, 20’)은 강판의 폭 방향으로 열영향을 최소화하는 반면 두께 방향으로 열충격을 극대화할 수 있으므로 각 레이저의 빔 형상이나 빔 품질을 구체적으로 한정하는 것은 아니다.
한편, 제1 레이저인 CO2 레이저의 출력은 200 내지 2,000W이 바람직하고, 제1 레이저인 디스크 레이저의 출력은 10 내지 550 W이 바람직하다. 이러한 각 레이저의 출력 범위는 강판 진행속도가 15mpm 속도로 진행할 때 레이저 출력조건을 적시한 것으로 각 레이저의 출력값은 강판의 진행속도에 따라 입사되는 에너지 밀도를 고려하여 최적으로 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 중첩 레이저빔(20, 20’)의 조사 간격은 2 ~ 7 mm 가 바람직하다. 강판 표면에 조사되는 중첩 레이저 빔(20, 20’)의 조사간격이 2mm 미만으로 너무 좁아지면, 열영향부의 영향이 커져서 자속밀도와 철손이 열위하게 되며, 조사간격이 7mm 이상에서는 자구미세화 효과를 확보하기 위한 열충격 효과가 떨어져서 효과를 발휘하기 쉽지 않다.
그리고 중첩 레이저 빔은 압연방향의 직각 방향으로 ±10°이하로 경사지게 주사하는 것이 바람직하다. 이 각도 이상의 경사진 각도로 중첩 레이저 빔을 조사할 경우 필요한 자구 미세화 효과가 나타나지 않을 수 있다.
중첩 레이저의 주사속도는 강판 진행속도와 동일하게 진행속도가 빨라지면 해당 주사속도는 더 빨라져야 하므로, 1 내지 300 m/sec 가 바람직하며, 이 속도는 15mpm 조건에서 예시한 값을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 방향성 전기강판의 제조 방법 및 자구미세화 방법에 대하여 자세히 설명한다.
방향성 전기강판을 제조하기 위하여 먼저 전기강판 기재의 슬라브를 제조한다. 슬라브의 화학조성 및 금속조직은 자화 용이축이 일정 방향으로 정렬되어 전기강판으로 기능하는 것이면 그 성분과 조직은 별도로 한정하지 아니한다. 다만 예를 들어 설명하면 슬라브의 화학조성은 아래와 같다.
즉, 슬라브의 화학조성은 질량 %로 C : 0.08 % 이하(0%는 제외한다), Si : 1.0 ~ 6.5 %, Mn: 0.005 ~ 3.0%, (Nb, V, Ti 중 어느 하나 이상의 합계); 0.070% 이하, (Cr, Sn, Sb 중 어느 하나 이상의 합계): 2.5% 이하, Al : 2.0% 이하(0%는 제외한다), (P, S 중 어느 하나 이상의 합계): 0.100%이하(0%는 제외한다), (Cu 와 Sn은 합계): 1.0% 이하, 희토류 및 기타 불순물 총합은 0.2%이하를 포함하고 잔부는 Fe로 이루어 진다.
본 발명의 일 실시예에서 전술한 합금 성분 외에 다른 원소의 추가를 배제하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 사상을 해치지 않는 범위 내에서 다양하게 포함될 수 있다. 추가 원소를 더 포함하는 경우 잔부인 Fe를 대체하여 포함한다.
이러한 조성을 갖는 강판을 연속주조법으로 슬라브를 제조한 다음 통상적인 방법으로 가열하여 열간압연을 하고 필요에 따라 선택적으로 열연판 소둔을 한 다음 냉간압연을 하여 두께 0.1 ~ 0.5 mm 범위로 제조한다. 여기서 냉간압연은 1회 냉간압연 또는 중간소둔을 사이에 두는 2회 이상의 냉간압연을 실시할 수 있다.
그리고 제조한 냉연 강판을 동시 탈탄질화 또는 탈탄후 질화 공정을 통하여 1차 재결정 소둔을 실시한다. 동시 탈탄질화에 의한 1차 재결정 소둔을 진행한 경우 소둔 공정 중에 변형된 냉간압연의 조직이 1차 재결정을 포함하여 탈탄소둔하게 된다. 이를 위해 질소, 수소, 수분이 혼합되어 있는 혼합 가스 분위기에서 실시하게 된다. 그리고 탈탄후 질화의 경우 탈탄 후 암모니아 가스를 사용하여 강판에 질소이온을 도입하는 질화 처리를 실시할 수도 있다.
동시 탈탄질화를 할 경우 로내에 장입된 냉연 강판을 700 ~ 900 ℃ 구간에서 분위기 가스의 이슬점온도를 40~70℃로 하고, 표면의 Fe2SiO4/SiO2비가 0.5~3.0으로 제어하여 전기강판의 표면에 산화층을 형성한다.
그 다음 1차 재결정이 완료된 강판의 표면에 MgO를 기본으로 하는 소둔분리제를 도포한 다음 1,000℃ 이상으로 승온하여 장시간 균열 소둔하여 2차 재결정을 일으킴으로써 강판의 {110}면이 압연면에 평행하고, <001>방향이 압연방향에 평행한 Goss 방위의 집합조직을 형성하게 된다.
이와 같은 최종 고온소둔 공정에 의하여 강판의 표면에는 포스테라이트가 포함된 유리 피막층을 형성하며 강판의 내부에는 2차 재결정이 형성된다.
이와 같이 2차 재결정이 이루어진 강판에 대하여 콜로이달 실리카와 금속인산염의 단독 혹은 복합된 절연 코팅액으로 코팅한 다음 소둔하여 유리 피막층이 형성된 전기강판의 표면에 절연 피막층을 형성한다.
이러한 절연 피막층을 형성하는 방법은 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 일예로, 인산염을 포함하는 절연 코팅액을 도포하는 방식으로 절연 피막층을 형성할 수 있다. 이러한 절연 코팅액은 콜로이달 실리카와 금속인산염을 포함하는 코팅액을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때 금속인산염은 Al 인산염, Mg 인산염, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 절연 코팅액의 중량 대비 Al, Mg, 또는 이들의 조합의 함량은 15 중량% 이상일 수 있다.
이상과 같은 공정에 의하여 유리 피막과 절연 피막이 순차적으로 형성된 전기강판의 표면에 제1 레이저(A, A’)와 제2 레이저(B, B’)가 중첩된 레이저 빔(20, 20’)을 동시에 조사하여 강판의 표면에 선상의 변형부(10)를 형성한다.
이때 전기강판은 일정한 속도로 이동하는 상태에서 중첩 레이저 빔을 조사할 수 있다.
여기서 중첩 레이저 빔의 조사 각도나 사용하는 레이저 빔의 품질 그리고 레이저 모드의 종류는 앞서 설명한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
아래 표 1의 조성을 갖는 슬라브를 이용하고 열간압연과 냉간압연을 순차적으로 실시하여 0.23mm 두께의 냉연강판을 제조하였다. 표 1에서 원소 %는 중량 %를 의미한다.
| C (%) |
Si (%) |
Mn (%) |
Cr (%) |
Sn (%) |
Sb (%) |
Al (%) |
잔부 |
| 0.06 | 3.515 | 0.100 | 0.116 | 0.0700 | 0.020 | 0.002 | Fe |
이러한 냉연강판에 대하여 845℃의 온도로 습한 수소와 질소 및 암모니아 혼합가스 분위기 (이슬점 온도 68℃, Fe2SiO4/SiO2 비는 1.2로 제어하였다) 속에서 160초간 유지하였고 1차재결정 소둔을 포함한 탈탄소둔과 질화처리를 하였다.
1차 재결정 처리된 강판의 표면에 MgO를 포함하는 소둔분리제를 도포하여 최종 고온소둔하였다. 이때 최종 고온소둔은 1,200℃까지 25 부피% 질소 및 75 부피% 수소의 혼합분위기로 하였으며, 1,200℃ 도달 후에는 100 부피% 수소분위기에서 8시간 가량 유지후 노냉하였다.
이상의 최종 고온소둔 공정에 의하여 2차 재결정 소둔을 완료한 강판의 표면에 콜로이달 실리카 입자와 금속 인산염을 혼합한 코팅용액을 도포하고 880 ℃ 온도에서 50 초간 열처리하여 경화하며, 로내에서 강판의 장력을 3.1 MPa이하로 유지하였다. 이상의 공정에 의하여 강판의 표면에 포스테라이트층과 절연코팅층이 순차적으로 형성된 방향성 전기강판을 제조하였다.
그 다음 제1 레이저(CO2)와 제2 레이저(디스크)가 중첩된 레이저 빔(20)을 강판의 표면에 동시에 조사하여 표면에 선상의 변형부(10)를 형성하였다.
이 때 강판의 표면에 조사되는 중첩 레이저 빔(20)의 조사 간격을 2.0 ~ 7.0 mm 로 변화시키면서 강판의 표면에 압연방향과 교차하는 방향으로 선상의 변형부(10)를 형성하였다.
자구미세화에 사용한 레이저는 150 ~ 3.0 kW의 CO2레이저를 제1 레이저(A)로 사용하였고, 40 ~ 550W 출력을 갖는 디스크 레이저를 제2 레이저(B)로 사용하였다. 이 때 중첩 레이저빔(20)의 주사속도는 5 내지 150m/s 범위내에서 변화하였고, 조사각도는 1 ° 이하로 조사하였다.
아래 표 2에 0.23 mm 두께의 강판에 대한 시험 조건과 측정된 자성 값을 나타내고 있다. 아래 표2에서 W15/50 철손 개선율과 보자력 개선율은 원판 대비 자구처리한 시편에 대한 철손 및 보자력 개선비율을 의미한다.
| 구분 |
시험 조건 | 주사속도 (m/sec) |
철손 W15/50(W/kg) |
보자력 Hc at 1.7T,50Hz (A/m) |
재응고층 형성여부 | |||||||
| 조사방식 | 디스크 출력(W) |
CO2 출력(W) |
조사 간격(mm) |
조사전 | 조사후 | 철손 개선율(%) |
조사전 | 조사후 | 보자력 개선율(%) |
|||
| 실험 1 | 중첩 | 75 | 350 | 2.0 | 20.0 | 0.572 | 0.530 | 7.3 | 18.1 | 16.1 | 11.0 | ◎ |
| 실험 2 | 75 | 350 | 3.0 | 13.3 | 0.572 | 0.525 | 8.2 | 18.2 | 15.6 | 14.3 | ◎ | |
| 실험 3 | 75 | 350 | 4.0 | 13.4 | 0.571 | 0.520 | 8.9 | 18.0 | 15.3 | 15.0 | ◎ | |
| 실험 4 | 75 | 350 | 5.0 | 10.7 | 0.572 | 0.503 | 12.1 | 18.2 | 15.2 | 16.5 | ◎ | |
| 실험 5 | 75 | 350 | 6.0 | 8.9 | 0.571 | 0.501 | 12.3 | 18.1 | 15.5 | 14.4 | ◎ | |
| 실험 6 | 75 | 350 | 7.0 | 7.7 | 0.57 | 0.511 | 10.4 | 18.1 | 15.6 | 13.8 | ◎ | |
| 실험 7 | 100 | 1000 | 5.0 | 30.7 | 0.571 | 0.502 | 12.1 | 18.1 | 15.1 | 16.6 | ◎ | |
| 실험 8 | 200 | 1000 | 5.0 | 34.7 | 0.572 | 0.503 | 12.1 | 18.0 | 15.1 | 16.1 | ◎ | |
| 실험 9 | 300 | 1500 | 5.0 | 46.4 | 0.572 | 0.501 | 12.4 | 18.0 | 15.1 | 16.4 | ◎ | |
| 실험 10 | 350 | 1500 | 5.0 | 50.4 | 0.572 | 0.503 | 12.1 | 18.1 | 15.1 | 16.6 | ◎ | |
| 실험 11 | 400 | 2000 | 5.0 | 61.5 | 0.572 | 0.502 | 12.2 | 18.1 | 15.0 | 17.1 | ◎ | |
| 실험 12 | 500 | 2000 | 5.0 | 64 | 0.572 | 0.505 | 11.7 | 18.2 | 15.0 | 17.4 | ◎ | |
| 실험 13 | 550 | 2000 | 5.0 | 69.3 | 0.572 | 0.502 | 12.2 | 18.0 | 15.0 | 16.4 | ◎ | |
| 비교 1 | 순차 조사 | 75 | 350 | 5.0 | 10.7 | 0.572 | 0.552 | 3.5 | 18.0 | 17.0 | 5.6 | X |
| 비교 2 | CO2 단독 |
- | 350 | 5.0 | 8.0 | 0.587 | 0.547 | 6.8 | 18.1 | 16.5 | 8.8 | X |
| 비교 3 | - | 500 | 5.0 | 10.7 | 0.578 | 0.553 | 4.3 | 18.1 | 16.6 | 8.3 | X | |
| 비교 4 | - | 1000 | 5.0 | 32.0 | 0.575 | 0.557 | 3.1 | 18.0 | 16.6 | 7.8 | X | |
| 비교 5 | - | 1500 | 5.0 | 48.0 | 0.572 | 0.554 | 3.1 | 17.9 | 16.7 | 6.7 | X | |
| 비교 6 | - | 2000 | 5.0 | 64.0 | 0.572 | 0.552 | 3.5 | 17.9 | 16.7 | 6.7 | X | |
| 비교 7 | 디스크 단독 |
75 | - | 5.0 | 10.0 | 0.575 | 0.540 | 6.1 | 18.1 | 16.5 | 8.8 | X |
| 비교 8 | 100 | - | 5.0 | 20.0 | 0.571 | 0.542 | 5.1 | 18.0 | 16.5 | 8.3 | X | |
| 비교 9 | 200 | - | 5.0 | 38.4 | 0.572 | 0.544 | 4.9 | 18.1 | 16.6 | 8.3 | X | |
| 비교 10 | 300 | - | 5.0 | 56.8 | 0.571 | 0.541 | 5.3 | 18.0 | 16.4 | 8.9 | X | |
| 비교 11 | 400 | - | 5.0 | 76.0 | 0.568 | 0.543 | 4.4 | 18.1 | 16.5 | 8.8 | X | |
| 비교 12 | 500 | - | 5.0 | 95.2 | 0.571 | 0.547 | 4.2 | 18.0 | 16.6 | 7.8 | X | |
| 비교 13 | 550 | - | 5.0 | 104.0 | 0.572 | 0.546 | 4.5 | 18.1 | 16.6 | 8.3 | X | |
표 2에서 레이저 조사후 선상의 변형부가 존재하고, 변형부의 앞쪽과 뒤쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성된 경우 “◎” 로 표기하고 재응고층이 형성되지 않은 경우 “X”로 표기하였다.
또한 표 2에서 비교 1의 레이저 조사방식이 “순차 조사” 방법은 먼저 제1 레이저(A)인 CO2레이저를 조사하고 난 다음, 일정 시간이 지나서 조사 부분의 강판이 상온으로 냉각된 상태에서 제 2 레이저(B)인 디스크 레이저를 CO2레이저가 지나간 위치에 겹쳐서 조사한 것이다.
표 2에서와 같이 강판의 두께가 0.23 mm이고 중첩 레이저의 주사 간격이 5 mm 으로 동일한 상태에서 각 레이저의 출력값이 동일한 경우 실험 4에서 알 수 있듯이, 중첩레이저에 의한 철손 개선율은 12.1%로, 비교 1의 순차 조사의 개선율 3.5%와 비교 2의 CO2 단독의 철손 개선율 6.8% 그리고 비교 7의 디스크 단독의 철손 개선율 6.1%에 비하여 현저하게 개선되었음을 알 수 있다.
더 나아가 표 2에서 알 수 있듯이 단독 CO2레이저의 출력값을 중첩 레이저의 CO2 레이저 출력값 (350 W) 보다 2000 W 로 크게 높인 비교 6의 경우에도 CO2 레이저 출력값이 작은 실험 7 내지 실험 10의 철손개선율 보다 낮게 나타나고 있다는 것을 알 수 있으며, 디스크 레이저의 출력을 높인 비교 13의 경우에도 실험 7 내지 실험 12의 철손개선율 보다 낮게 나타나고 있다는 것을 알 수 있다.
또한 표 2에서 알 수 있듯이 강판의 두께가 0.23 mm이고 중첩 레이저의 주사 간격을 2 내지 7 mm로 변경하여 주사한 경우에도 각 주사 간격 별로 본 발명에 의한 중첩 레이저를 조사한 각 실험예의 경우에 철손과 보자력이 많이 개선되었다는 것을 알 수 있다.
그리고 표 2에서 알 수 있듯이 단독 CO2인 비교 2내지 비교 6의 경우, 본 발명의 범위 내의 출력(W; 350~2000) 임에도 불구하고 철손 개선율이 매우 좋지 않게 나타나고 보자력 또한 좋지 않게 나타나고 있다.
또한 표 2에서 단독 디스크인 비교 7 내지 비교 13의 경우에도, 본 발명의 범위 내의 출력(W; 10 ~ 550)의 경우 철손 개선율도 매우 좋지 않게 나타나고, 보자력 또한 좋지 않게 나타나고 있다.
한편 표 2에서 알 수 있듯이 실시예의 경우에는 “재응고층”이 형성되어 있는 반면, 비교예에서는 “재응고층”이 형성되어 있지 않았다. 이러한 결과로부터 “재응고층”이 형성된 경우에 철손 개선율과 보자력 개선율이 높아진다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (22)
- 전기강판 기재; 와
상기 전기강판 기재 상에 위치하는 절연 피막층을 포함하고,
상기 절연피막층 표면에 하나 이상의 선형의 변형부가 존재하며,
상기 변형부의 앞쪽과 뒤쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성되고,
상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮은 방향성 전기강판. - 제1항에 있어서,
상기 재응고층의 P 농도가 낮아지기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면에서부터 전체 절연 피막층 두께의 15% 이하에 위치하는 방향성 전기강판. - 제1항에 있어서,
상기 재응고층의 P 농도가 낮기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면으로부터 500 nm 이하에 위치하는 방향성 전기강판. - 제1항에 있어서,
상기 재응고층이 형성되는 경계부의 폭은 상기 변형부 양쪽 끝단을 중심으로 앞쪽과 뒤쪽 중 어느 곳에 10 ㎛ 이하로 형성된 방향성 전기강판. - 제1항에 있어서,
상기 전기강판 기재와 상기 절연 피막층 사이에 유리 피막층이 형성된, 방향성 전기강판. - 제1항에 있어서,
상기 전기강판의 철손(자구재 W15/50) 개선율이 7 % 이상인 방향성 전기강판. - 제1항에 있어서,
상기 전기강판의 보자력 개선율이 11% 이상인 방향성 전기강판. - 전기강판 기재; 와
상기 전기강판 기재 상에 위치하는 절연 피막층을 포함하고,
상기 절연피막층 표면에 하나 이상의 선형의 변형부가 존재하며,
상기 변형부의 위쪽과 아래쪽 경계부 중 어느 하나의 위치에 재응고층이 형성되고,
상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 재응고층 내의 Si 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 Si 농도 보다 높은 방향성 전기강판. - 제8항에 있어서,
상기 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮은 방향성 전기강판. - 제9항에 있어서,
상기 재응고층 내의 P와 Si 농도가 변화하기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면으로부터, 전체 절연 피막층 두께의 15% 이하인 방향성 전기강판. - 제8항에 있어서,
상기 전기강판의 철손(W15/50) 개선율이 7 % 이상인 방향성 전기강판. - 제8항에 있어서,
상기 전기강판의 보자력 개선율이 11% 이상인 방향성 전기강판. - 제1 파장의 제1 레이저 빔이 조사되어 형성되고 있는 제1 빔스팟과
제2 파장의 제2 레이저 빔이 조사되어 형성되고 있는 제2 빔스팟으로 이루어지고
전기강판의 진행방향 기준으로 상기 전기강판의 표면에서 상기 제2 빔스팟의 폭이 상기 제1 빔스팟의 폭 이내에 위치하도록 제어되어 형성되고 있는 중첩 레이저빔을
전기강판의 표면에 조사하여 선형의 변형부를 형성하는, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 레이저는 CO2 레이저이고, 상기 제2 레이저는 디스크 레이저인 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제2 레이저 빔인 디스크 레이저 빔의 길이는 상기 전기강판의 폭 방향 기준으로, 상기 제1 레이저 빔인 CO2 레이저 빔의 길이 보다 길거나 짧은 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제1 레이저인 CO2 레이저와 제2 레이저인 디스크 레이저는 레이저 빔 주사장치에서 광경로를 공유하여 조사되는 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제1 레이저인 CO2 레이저와 제2 레이저인 디스크 레이저는 레이저 빔 주사장치에서 각각 별도로 주사되어, 상기 전기강판의 표면에서 레이저 빔이 상호 중첩되는 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제1 레이저인 CO2 레이저의 빔 스팟은 폭이 100 내지 400 ㎛ 이고, 길이는 0.4 내지 20 mm 인 타원형 빔 스팟인, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제2 레이저인 디스크 레이저의 빔 스팟은 폭이 10 내지 200 ㎛이고, 길이는 상기 제1 레이저인 CO2 레이저 빔 스팟의 길이 이하 또는 그 이상의 타원형 또는 원형인, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 중첩 레이저빔의 조사 간격은 2 ~ 7 mm이고, 주사 속도는 1 내지 300 m/sec인, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 중첩 레이저 빔의 경사 방향은 ±10°이하인, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제1 레이저인 CO2 레이저의 출력은 200 내지 2,000 W이고 상기 제2 레이저인 디스크 레이저의 출력은 10 내지 550 W 인 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
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