WO2024136048A1 - 방향성 전기강판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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김창호
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Definitions

  • It relates to grain-oriented electrical steel sheets and their manufacturing methods. More specifically, it relates to a method of manufacturing grain-oriented electrical steel sheets with excellent iron loss and coercive force while preventing surface damage by irradiating overlapping lasers with different wavelengths on the surface of electrical steel sheets that have undergone secondary recrystallization.
  • Grain-oriented electrical steel has excellent magnetic properties and is used as an iron core material for transformers.
  • This grain-oriented electrical steel sheet undergoes a rolling and annealing process unique to the electrical steel manufacturing process to form a Goss texture recrystallized in the ⁇ 110 ⁇ ⁇ 001> orientation throughout the steel sheet.
  • the world In order to respond to climate change, the world is strengthening the calculation levels of greenhouse gas emissions day by day.
  • the factor affecting the greenhouse gas emissions calculation level is related to the improvement in efficiency when using electrical steel sheets.
  • the efficiency of the transformer iron core is influenced by the iron loss, magnetic flux density, and coercive force, or magnetic properties, of the electrical steel sheet.
  • the magnetic flux density of an electrical steel sheet can be significantly affected by the manufacturing process of the electrical steel sheet because the degree to which crystal axes that are easy to magnetize are gathered in the crystal structure, that is, the higher the crystal orientation, the higher the magnetic flux density.
  • the W17/50 [W/kg] value measured when a magnetic field with a frequency of 50 Hz is applied at a maximum magnetic flux density of 1.7 T is called the guaranteed iron loss value of the iron core material, and this value is a measure of the iron loss of the electrical steel sheet. It is generally used as However, when designing a transformer, the W15/50 [W/kg] value measured when a magnetic field with a frequency of 50 Hz is applied at a lower maximum magnetic flux density of 1.5 T is used. The efficiency of a transformer is evaluated to be superior as the design core loss value of the transformer is lower.
  • iron loss is evaluated as a more important indicator because the process technology for securing high magnetic flux density through upward standardization of the manufacturing process of electrical steel sheets has been developed to the extent that it can support the efficiency of transformers.
  • This iron loss is divided into eddy current loss and hysteresis loss, and hysteresis loss tends to decrease when the magnetic flux density is high, so eddy current loss plays an important role in controlling the overall iron loss in grain-oriented electrical steel sheets.
  • eddy current loss is divided into classical eddy current loss and abnormal eddy current loss.
  • Classical eddy current loss is proportional to the thickness of the steel sheet, so the thinner the steel sheet is, the classical eddy current loss decreases. Therefore, controlling abnormal eddy current loss has become an important technology for reducing iron loss.
  • Refining the magnetic domains in electrical steel sheets refers to the process of dividing crystal particles with one magnetic domain into multiple magnetic domains by applying physical stimulation to them and refining them.
  • Methods for refining the magnetic domain include laser irradiation, electron beam irradiation, plasma treatment, etching, or roll press fitting. And, depending on whether the magnetic domain refinement effect is maintained even after stress relief annealing (SRA) is performed after such magnetic domain refinement treatment, it is divided into permanent magnetic domain refinement and temporary magnetic domain refinement.
  • SRA stress relief annealing
  • the temporary magnetic domain refinement method uses various means such as a laser to reduce the width of the 180° magnetic domain formed from the magnetic domain refinement treated surface of the steel sheet to the opposite magnetic domain unprocessed surface.
  • reducing the width of the 180° magnetic domain reduces the moving distance of the magnetic domain when a magnetic field is applied to the steel sheet from the outside and also increases the residual tensile stress in the rolling direction, resulting in improved magnetic properties. do.
  • the energy density of the laser per unit area must be increased by increasing the laser output (energy density).
  • Another method is to reduce the diameter of the final beam such as a laser and increase the length to increase the duration time per unit length.
  • an energy source such as a laser strong enough to refine the width of the 180° magnetic domain is incident on the surface of the steel sheet, the surface of the steel sheet may be damaged.
  • It relates to grain-oriented electrical steel sheets and their manufacturing methods. More specifically, it relates to a method of manufacturing grain-oriented electrical steel sheets that prevent surface damage and have excellent transformer design core loss values and coercive force characteristics by irradiating overlapping lasers with different wavelengths on the surface of electrical steel sheets that have undergone secondary recrystallization.
  • a grain-oriented electrical steel sheet includes an electrical steel sheet base material; and an insulating film layer located on the electrical steel sheet base, wherein at least one linear deformation part is present on the surface of the insulating film layer, and a re-solidification layer is formed at any one of front and rear boundaries of the deformation part, and the insulation In the thickness direction of the coating layer, the P concentration in the re-solidification layer appears lower than the P concentration in the lower insulating coating layer in which the re-solidification layer is not formed.
  • the location where the P concentration of the re-solidification layer begins to decrease is preferably located at 15% or less of the total insulation coating layer thickness from the surface of the insulation coating layer in the thickness direction of the insulation coating layer.
  • the position where the P concentration of the re-solidified layer begins to be low is preferably located 500 nm or less from the surface of the insulating coating layer in the thickness direction of the insulating coating layer.
  • the width of the boundary where the re-solidified layer is formed is preferably 10 ⁇ m or less at either the front or the rear centering on both ends of the deformed portion.
  • a glass film layer may be further formed between the electrical steel sheet substrate and the insulating film layer.
  • the grain-oriented electrical steel sheet according to an embodiment of the present invention preferably has an iron loss (material W15/50) improvement rate of 7% or more and a coercive force improvement rate of 11% or more.
  • a grain-oriented electrical steel sheet includes an electrical steel sheet base material; and an insulating film layer located on the electrical steel sheet base, wherein at least one linear deformation part is present on the surface of the insulating film layer, and a re-solidification layer is formed at any one of the upper and lower boundaries of the deformation part, and the insulating film In the thickness direction of the coating layer, the Si concentration in the re-solidification layer appears to be higher than the Si concentration in the lower insulating coating layer in which the re-solidification layer is not formed.
  • the P concentration in the re-solidification layer is lower than the P concentration in the lower insulating coating layer in which the re-solidification layer is not formed.
  • the position at which the P and Si concentrations in the re-solidification layer begin to change is preferably 15% or less of the total insulation coating layer thickness from the surface of the insulation coating layer in the thickness direction of the insulation coating layer.
  • the iron loss (W15/50) improvement rate of the electrical steel sheet is 7% or more and the coercive force improvement rate of the electrical steel sheet is 11% or more.
  • a method of manufacturing a grain-oriented electrical steel sheet includes a first beam spot formed by irradiating a first laser beam of a first wavelength, and a second laser beam of a second wavelength being formed by irradiating a second laser beam of a second wavelength. It consists of a second beam spot, and the width of the second beam spot is controlled to be located within the width of the first beam spot on the surface of the electrical steel sheet based on the direction of movement of the electrical steel sheet. It is irradiated on the surface of a steel plate to form a linear deformed part.
  • the first laser is a CO2 laser and the second laser is a disk laser.
  • the length of the disk laser beam, which is the second laser beam is preferably longer or shorter than the length of the CO2 laser beam, which is the first laser beam, based on the width direction of the electrical steel sheet.
  • the CO2 laser which is the first laser
  • the disk laser which is the second laser
  • the CO2 laser, which is the first laser, and the disk laser, which is the second laser are scanned separately by a laser beam scanning device, so that the laser beams may overlap each other on the surface of the electrical steel sheet.
  • the beam spot of the CO 2 laser which is the first laser, is preferably an elliptical beam spot with a width of 100 to 400 ⁇ m and a length of 0.4 to 20 mm.
  • the beam spot of the disc laser which is the second laser
  • the beam spot of the disc laser has a width of 10 to 200 ⁇ m, and the length is less than or greater than the length of the CO 2 laser beam spot, which is the first laser, is oval or circular. It is desirable.
  • the irradiation interval of the overlapping laser beams is 2 to 7 mm and the scanning speed is 1 to 300 m/sec.
  • the inclination direction of the overlapping laser beam is ⁇ 10° or less.
  • the output of the CO 2 laser, which is the first laser is preferably 200 to 2,000 W
  • the output of the disk laser, which is the second laser is preferably 10 to 550 W.
  • magnetism by performing optimal magnetic domain refinement using overlapping lasers with different wavelengths, magnetism can be further improved and damage to the surface of the steel sheet can be sufficiently suppressed.
  • the magnetic domain refinement method uses a CO 2 laser as a long-wavelength laser to stably preheat a steel sheet without destroying the insulating film layer, and uses a disk laser as a short-wavelength laser to precisely form the magnetic domain. With this width, residual stress due to thermoelastic deformation of the steel sheet can be induced, making accurate magnetic domain refinement possible.
  • the magnetic domain refinement method according to another embodiment of the present invention simultaneously irradiates the surface of a steel sheet on which secondary recrystallization has been completed with lasers with different wavelengths in an overlapping state to maximize thermal shock in the thickness direction even under low laser power conditions, thereby providing excellent low-field iron loss.
  • Directional magnetic domain refinement products can be provided.
  • Figure 1a is a photograph taken with an electron microscope of the surface of a steel plate after magnetic domain refinement was performed with an overlapping laser beam according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 b is a FIB-TEM photograph taken by enlarging the cross section of the steel plate at part G1 in FIG. 1 a in the thickness direction from the surface of the steel plate.
  • FIG. 2 is a graph showing changes in components in the thickness direction of the steel sheet analyzed along lines T1 and T2 in the FIB-TEM photo of FIG. 1b.
  • Figure 3 is a schematic diagram schematically showing changes in main components in the graph of Figure 2.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a case where beam spots of overlapping lasers with different wavelengths are scanned on a steel plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram when beam spots of overlapping lasers with different wavelengths are scanned on the surface of a steel sheet according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram of a case where beam spots of overlapping lasers with different wavelengths are scanned on the surface of a steel sheet according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing the energy density when beam spots of overlapping lasers with different wavelengths are scanned on the surface of a steel sheet according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, and third are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers, and/or sections. These terms are used only to distinguish one portion, component, region, layer or section from another portion, component, region, layer or section. Accordingly, the first part, component, region, layer or section described below may be referred to as the second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
  • an electrical steel sheet base and an insulating film layer located on the electrical steel sheet base, wherein at least one linear deformation part exists on the surface of the insulating film layer, and a re-solidified layer is formed at any one of the front and rear boundaries of the deformed part, and the insulating film layer
  • a grain-oriented electrical steel sheet in which the P concentration in the re-solidification layer in the thickness direction is lower than the P concentration in the lower insulating film layer in which the re-solidification layer is not formed.
  • the electrical steel base material is an electrical steel sheet in which secondary recrystallization has been completed by performing final annealing according to the manufacturing process of grain-oriented electrical steel sheets to form a GOSS texture inside the steel sheet.
  • an insulating film layer is formed on this electrical steel sheet substrate.
  • a glass film layer may be further formed between the electrical steel sheet substrate and the insulating film layer.
  • the insulating film layer is mainly composed of phosphate and colloidal silica
  • the glass film layer is mainly composed of forsterite.
  • the main component includes 0.1 g/m2 or more of phosphate in the insulating film layer based on the amount applied to one side of the surface of the steel sheet, and 0.1 g/m2 or more of colloidal silica in the insulating film layer based on the amount applied to one side of the surface of the steel sheet.
  • the amount of oxygen applied to one side of the steel sheet surface is 0.7 g/m2 or more.
  • one or more linear deformation parts exist on the surface of the insulating film layer.
  • the deformation part on a line includes not only a solid line but also an intermittent continuous line such as a dotted or broken line, and includes a zigzag shape when viewed microscopically, but a straight line when viewed macroscopically, and all forms that are substantially linear. Includes a deformation part.
  • this deformed portion is formed in the area between C and D of FIG. 1A, and is formed in a line along the TD direction (direction perpendicular to the rolling direction of the electrical steel sheet) on the surface of the electrical steel sheet.
  • line C refers to the end of the deformed section formed in the front of the rolling direction of the steel sheet when irradiating an overlapping laser beam, which will be described later, on the surface of the steel sheet
  • line D refers to the rear end of the deformed section.
  • C lines and D lines are formed along the lines where the overlapping lasers were scanned, and form the boundaries of the deformed area.
  • G1 and G2 mean a certain area forming a boundary in the range of ⁇ 5 to 10 ⁇ m with the C line and D line as the center line, respectively.
  • G1 refers to the front area in the direction of steel sheet rolling
  • G2 refers to the rear area in the direction of steel sheet rolling.
  • the linear deformation part formed on the surface of the electrical steel sheet is formed by irradiating overlapping laser beams of different wavelengths in a direction perpendicular to the rolling direction of the electrical steel sheet (TD direction).
  • TD direction the rolling direction of the electrical steel sheet
  • the overlapping laser beam is simultaneously radiated not only to the electrical steel sheet itself but also to the insulating film or glass film and insulating film formed on the top of the steel sheet in the thickness direction of the electrical steel sheet.
  • the material is transformed into a different state from just before the overlapping laser beam is irradiated.
  • lancet domains (reflux domains) are formed to reduce magnetoelastic energy.
  • a 180° magnetic domain is formed in the portion of the steel sheet affected by the overlapping laser, and by forming a 90° magnetic domain to reduce the magnetic elastic energy in the thickness direction of the steel sheet, the spacing between the magnetic domains is narrowed and the magnetic domains are refined.
  • the abnormal eddy current loss of the steel sheet is consequently reduced.
  • a deformed part is also formed on the top of the steel sheet, that is, on the surface of the insulating film layer that the overlapping laser beam directly contacts.
  • the deformed part (area between C and D) of the insulating film layer is formed along the trajectory scanned by the overlapping laser beam, and can be contracted by evaporation of some of the component elements that make up the insulating film layer to form a concave groove shape. The depth of these grooves can be controlled by adjusting the energy density of the incident overlapping laser.
  • a re-solidified layer is formed at the boundary portion of the deformed portion (G1, G2 in FIG. 1A) formed on the surface of the insulating film layer in the thickness direction of the insulating film layer.
  • the re-solidified layer of the insulating film layer is formed by partially melting the insulating film layer by irradiation of an overlapping laser beam and then immediately re-solidifying it.
  • the re-solidified layer formed at the boundary of the deformed part of the insulation film layer can be formed along lines C and D of Figure 1a in the area where the overlapping laser beam is directly irradiated, and this re-solidified layer is formed by the overlapping laser beam. This may appear intermittently or continuously in the form of a line along the scanned trajectory.
  • the width of the boundary where this re-solidification layer is formed is preferably formed within a range of 10 ⁇ m or less centered on lines C and D, which are both ends of the deformed region.
  • the re-solidified layer of the insulating film layer is formed when an overlapping laser is irradiated on the surface of a steel sheet with an insulating film formed, some of the phosphate forming the insulating film layer is melted by the overlapping laser and solidifies immediately after the overlapping laser beam passes. . Therefore, this re-solidification layer is also called a phosphate re-solidification layer.
  • the formation of a re-solidification layer in the insulating film layer is a phenomenon that does not occur when each laser constituting the overlapping laser beam is irradiated separately.
  • the reason why the re-solidified layer of the insulating film layer mainly appears at the boundary of the area where the overlapping laser beams are irradiated is because the vaporization point of the phosphate constituting the insulating film is low, so phosphorus is released during overlapping laser beam irradiation. It is assumed that the silicon oxides that are vaporized first and are composed of Si and O are re-solidified in an amorphous state.
  • phosphorus (P) is vaporized at the portion where the re-solidification layer is formed, that is, at the boundary where the overlapping laser beam is irradiated, and the concentration of phosphorus (P) in the re-solidification layer is lowered.
  • the P concentration in the lower insulating film layer, where the re-solidification layer was not formed due to the deep depth is higher than the phosphorus (P) concentration in the re-solidification layer.
  • the P concentration of the part of the insulating film layer where the re-solidification layer is formed by irradiation of the overlapping laser beam appears lower than the P concentration of the lower insulating film layer where the re-solidification layer is not formed.
  • the concentration of silicon (Si) in the re-solidification layer appears to be higher than that of the lower insulating film layer in which the re-solidification layer is not formed. This is presumed to be because silicon oxides composed of Si and O are re-solidified in an amorphous state in the re-solidified layer by irradiation of overlapping laser beams.
  • silicon oxide is solidified in an amorphous state to form a re-solidification layer, and the corrosion characteristics of this re-solidification layer are improved due to the inherent characteristics of the amorphous state.
  • the thickness of the re-solidified layer of the insulating film layer formed by irradiating overlapping laser beams on the surface of the steel sheet is preferably within 15% of the average cross-sectional thickness of the entire insulating film layer based on the non-deformed area (non-overlapping laser irradiation surface).
  • the absolute thickness of the insulating film layer becomes thin, which may have a detrimental effect on corrosion resistance, and the tension effect caused by the insulating film layer Since core loss may be inferior by reducing , it is desirable to limit it to this range.
  • the physical properties of the insulating film layer change, so that the insulating film layer is overall stable and does not partially peel off or be damaged. If the re-solidification layer is formed more than 15% of the thickness of the insulating film layer, it is undesirable because the insulating film layer is damaged and the tension effect of the insulating film layer is lost.
  • a re-solidification layer when a re-solidification layer is formed on the insulating film layer by irradiation of an overlapping laser, the formation of this re-solidification layer may cause shrinkage in the insulating film layer, thereby changing the thickness of the insulating film layer.
  • the part where the concentration change of phosphorus (P) and silicon (Si) in the re-solidification layer begins is 500 nm or less from the surface of the insulation film layer in the thickness direction of the insulation film layer, based on the insulation film layer not irradiated with the overlapping laser beam. desirable. In this way, if the re-solidified layer is formed from a depth of 500 nm or more from the surface of the insulating film layer, it is undesirable because the insulating film layer is damaged and the tension effect of the insulating film layer is lost.
  • the W15/50 iron loss improvement rate of this steel sheet is preferably 7% or more. If the W15/50 iron loss improvement rate is less than 7%, the effect of reducing efficiency after transformer design is minimal.
  • the coercive force improvement rate of the steel sheet is 11% or more. If the coercivity improvement rate is less than 11%, it is not desirable because the eddy current loss effect is not significant.
  • a first beam spot is formed by irradiation of a first laser beam of a first wavelength
  • a second beam spot is formed by irradiation of a second laser beam of a second wavelength
  • a grain-oriented electrical steel sheet in which a deformed portion is formed by irradiating an overlapping laser beam, which is formed by controlling the width of the second beam spot on the surface of the steel sheet to be within the width of the first beam spot, based on the traveling direction of the electrical steel sheet, on the surface of the steel sheet. Provides a magnetic domain refinement method.
  • the magnetic domain refinement process of a grain-oriented electrical steel sheet according to another embodiment of the present invention is performed in a vertical or inclined direction of the rolling direction (RD direction) of the steel sheet over the entire length of the electrical steel sheet, that is, the steel sheet.
  • Overlapping lasers are irradiated along the width direction (TD direction) to form a linear deformed portion 10.
  • the formation of the deformed portion 10 in a steel sheet by a laser refers to the deformation of the crystal lattice caused by thermal shock due to laser irradiation, and this deformation of the crystal lattice occurs in the process where the steel sheet is locally rapidly heated and immediately cooled by the laser. is formed At this time, the heating rate of the steel sheet is proportional to the energy density (power density) per laser unit time.
  • the deformation of the crystal lattice due to thermal shock during laser irradiation increases as the total laser irradiation energy increases, so when energy exceeding the amount required for magnetic domain refinement is irradiated to the steel sheet, the heat source exceeding that required for forming the looped domain spreads to the surroundings, causing magnetic deformation. It gets bigger. Therefore, the deformation of the crystal lattice due to thermal shock during laser irradiation requires exactly the amount of lattice strain energy required to form the looped domain, and in order to suppress heat diffusion, it is desirable to irradiate the laser incident energy to a narrow area for a shorter period of time.
  • the interaction conditions between the laser beam and the steel sheet are affected by the characteristics of the laser and the absorption rate of the laser beam for the steel sheet. If the manufacturing conditions of the steel sheet are constant, the laser absorption rate is affected by the wavelength of the laser. In other words, the laser absorption rate of the steel sheet is approximately 10% or less for the CO 2 laser with a long wavelength (wavelength: 10.6 ⁇ m), and is 3 to 5 times closer to that of the CO 2 laser for the short-wavelength disk laser (wavelength: 1.03 ⁇ m). Shows high absorption rate.
  • the insulating film layer formed on the top of the steel sheet shows large absorption for long-wavelength CO 2 lasers, but absorbs relatively small laser beams for short-wavelength disk lasers.
  • the long-wavelength CO 2 laser can be used at high outputs ranging from hundreds of W to several KW or more, depending on the speed of the steel sheet, and can easily induce thermoelastic deformation in the irradiated part of the steel sheet.
  • the long-wavelength CO 2 laser has a high absorption rate for insulating films made of phosphate and silica, so it can stably pass through the film layers. Therefore, the long-wavelength CO 2 laser can stably induce thermoelastic deformation of the steel sheet without destroying the insulating film layers, making it suitable for acting as a kind of preheating.
  • a short-wavelength disk laser has a relatively high laser absorption rate for a steel sheet, so it irradiates incident energy that is sufficient to cause residual stress due to lattice strain and thermoelastic strain exactly as needed to form a looped domain in a narrow area for a shorter period of time. It is possible. In addition, because the short-wavelength disk laser has a narrow incident energy range, heat diffusion to the surroundings can be suppressed and unnecessary thermal deformation can be minimized.
  • the beam (A) of the CO 2 laser is used as shown in FIGS. 5 and 6. It is desirable that the width of the beam B of the disk laser is located within the width.
  • lattice strain and thermoelastic strain equal to the width of the short-wavelength disk laser beam (B) are generated to form a deformed part, while the width of the long-wavelength CO 2 laser beam (A) is equal to the width of the disk laser beam (A).
  • Thermoelastic deformation can be easily induced through preheating in an area wider than the width of the beam (B).
  • the lengths of the CO 2 laser beam (A) and the disk laser beam (B) are different from the widths of these beams (A, B). That is, in the direction in which the overlapping laser beam 20 travels on the surface of the steel sheet, either the CO 2 laser beam (A) or the disk laser beam (B) passes through the travel line first and plays the role of preheating the steel sheet. Since this is sufficient, the preheating role is possible even if any one of the laser beams constituting the overlapping laser beam passes through first.
  • the CO 2 laser beam (A) scans the surface of the steel sheet first among the overlapping laser beams to play a preheating role. can do.
  • the disk laser beam (B) may first scan the surface of the steel sheet to serve as preheating.
  • the length of the disk laser beam (B) may be longer or shorter than the length of the CO 2 laser beam (A).
  • the disk laser beam (B) is placed at position “a” where the energy density of the disk laser beam (B) is high.
  • the disk laser beam (B) is placed at position “a” where the energy density of the disk laser beam (B) is high.
  • the center can be easily located.
  • the method of forming an overlapping laser beam is a method in which the CO 2 laser, which is the first laser, and the disk laser, which is the second laser, each generate a laser beam in a laser oscillator and share an optical path in an optical system that processes the laser beam.
  • This method of sharing an optical path involves two different laser beams using one optical path in an optical system to form an overlapping laser beam 30 as shown in FIG. 4, and then forming an overlapping laser beam 20 on the surface of the steel plate. will be investigated.
  • Another method of forming an overlapping laser beam is that the first laser, a CO2 laser (A'), and the second laser, a disk laser (B'), each generate a laser beam in a laser oscillator and each has its own unique optical system that processes the laser beam.
  • This is a method that uses the optical path of .
  • two different laser beams arrive at the surface of the steel plate using their respective optical paths in the optical system and irradiate overlapping laser beams 20', as shown in FIG. 4.
  • the beam spot of the CO 2 laser which is the first laser (A, A'), has a width (length in the “RD direction” in FIG. 4) of 100 to 400 ⁇ m, and a length of (Length in “TD direction” in FIG. 4) is preferably an elliptical beam spot of 0.4 to 20 mm.
  • the beam spot of the CO 2 laser can be used in a circular shape with a radius of 100 ⁇ m or more.
  • the mirror optical system becomes complicated like a disk laser, and if it becomes larger than 400 ⁇ m, the thermal effect in the longitudinal direction of the steel sheet increases and the magnetic flux density decreases. Not desirable.
  • the beam spot of the disk laser which is the second laser (B, B') among the overlapping lasers, has a width (length in the “RD direction” in FIG. 4) of 10 to 200 ⁇ m and a length (length in the “TD direction” in FIG. 4). "length) is less than or more than the length of the CO 2 laser beam spot, which is the first laser (A), and the shape of the beam spot is preferably oval or circular.
  • the beam spot width of a disk laser decreases to less than 10 ⁇ m, energy density is concentrated in a narrow area, which may result in inferior magnetic flux density and core loss, and the optical system structure becomes complicated.
  • the beam spot width of the disk laser increases by more than 200 ⁇ m, the thermal effect in the longitudinal direction of the steel sheet increases, which may lead to a decrease in magnetic flux density, which is not desirable.
  • the oscillation mode of the laser beam used in one embodiment of the present invention is a continuous wave laser that generates laser light continuously for both the first laser (A, A') and the second laser (B, B'). It is preferable to use a laser, but a pulse laser can also be used.
  • the quality of the laser beam used is preferably the Gaussian mode of TEM 00 for both the first laser (A, A') and the second laser (B, B'), but the multi transverse mode of TEM0i is preferred. ) can also be used.
  • the overlapping laser beams 20 and 20' irradiated to the surface of the steel sheet according to an embodiment of the present invention can minimize the thermal effect in the width direction of the steel sheet while maximizing the thermal shock in the thickness direction, so the beam shape of each laser or There is no specific limitation on beam quality.
  • the output of the CO 2 laser, which is the first laser is preferably 200 to 2,000 W
  • the output of the disk laser, which is the first laser is preferably 10 to 550 W.
  • the output range of each laser specifies the laser output conditions when the steel sheet travels at a speed of 15 mpm, and it is desirable to optimally control the output value of each laser considering the incident energy density according to the steel sheet's travel speed.
  • the irradiation interval of the overlapping laser beams (20, 20') is preferably 2 to 7 mm. If the irradiation interval of the overlapping laser beams (20, 20') irradiated to the surface of the steel sheet is too narrow to less than 2 mm, the influence of the heat-affected zone increases, resulting in inferior magnetic flux density and iron loss, and if the irradiation interval is 7 mm or more, the magnetic domain refinement effect is lost. It is not easy to achieve the effect because the thermal shock effect required to secure it is low.
  • the overlapping laser beam it is desirable to scan the overlapping laser beam at an angle of ⁇ 10° or less in a direction perpendicular to the rolling direction. If overlapping laser beams are irradiated at an inclined angle greater than this angle, the necessary magnetic domain refinement effect may not appear.
  • the scanning speed of the overlapping laser is the same as the moving speed of the steel sheet. As the progressing speed increases, the scanning speed must become faster, so 1 to 300 m/sec is preferable, and this speed refers to the value exemplified under the 15 mpm condition.
  • a slab based on electrical steel is manufactured.
  • the chemical composition and metal structure of the slab are not separately limited as long as the easy axis of magnetization is aligned in a certain direction to function as an electrical steel sheet.
  • the chemical composition of the slab is as follows.
  • the chemical composition of the slab in mass % is C: 0.08% or less (excluding 0%), Si: 1.0 to 6.5%, Mn: 0.005 to 3.0%, (sum of any one or more of Nb, V, and Ti); 0.070% or less, (sum of any one or more of Cr, Sn, Sb): 2.5% or less, Al: 2.0% or less (excluding 0%), (sum of any one or more of P, S): 0.100% or less (0 % is excluded), (total of Cu and Sn): 1.0% or less, total rare earth elements and other impurities include 0.2% or less, and the remainder consists of Fe.
  • the addition of other elements in addition to the above-described alloy components is not excluded, and may be variously included within a range that does not impair the technical spirit of the present invention. If additional elements are included, they are included by replacing the remaining Fe.
  • a steel sheet with this composition is manufactured into a slab by continuous casting, then heated and hot rolled in a conventional manner, optionally annealed as hot rolled sheet, and then cold rolled to produce a thickness in the range of 0.1 to 0.5 mm.
  • cold rolling can be performed once or at least twice with intermediate annealing in between.
  • the manufactured cold-rolled steel sheet is subjected to primary recrystallization annealing through a simultaneous decarburization or post-decarburization nitriding process.
  • primary recrystallization annealing by simultaneous decarbonitriding is performed, the structure of the cold rolling deformed during the annealing process is decarbonized and annealed, including primary recrystallization.
  • it is carried out in a mixed gas atmosphere containing nitrogen, hydrogen, and moisture.
  • nitriding treatment to introduce nitrogen ions into the steel sheet using ammonia gas may be performed after decarburization.
  • the dew point temperature of the atmospheric gas is set to 40 ⁇ 70°C in the range of 700 ⁇ 900°C for the cold rolled steel sheet charged into the furnace, and the Fe 2 SiO 4 /SiO 2 ratio on the surface is controlled to 0.5 ⁇ 3.0 to produce electrical steel sheets. Forms an oxide layer on the surface.
  • an annealing separator based on MgO is applied to the surface of the steel sheet on which primary recrystallization has been completed, and then the temperature is raised to over 1,000°C and crack annealed for a long time to cause secondary recrystallization so that the ⁇ 110 ⁇ plane of the steel sheet is parallel to the rolling surface. And, a Goss-oriented texture is formed in which the ⁇ 001> direction is parallel to the rolling direction.
  • a glass film layer containing forsterite is formed on the surface of the steel sheet, and secondary recrystallization is formed inside the steel sheet.
  • the steel sheet on which secondary recrystallization has been performed in this way is coated with an insulating coating solution of colloidal silica and metal phosphate alone or in combination, and then annealed to form an insulating film layer on the surface of the electrical steel sheet on which the glass film layer has been formed.
  • the method of forming such an insulating film layer can be used without particular limitation.
  • the insulating film layer can be formed by applying an insulating coating solution containing phosphate. It is preferable to use such an insulating coating solution containing colloidal silica and metal phosphate.
  • the metal phosphate may be Al phosphate, Mg phosphate, or a combination thereof, and the content of Al, Mg, or a combination thereof relative to the weight of the insulating coating liquid may be 15% by weight or more.
  • Laser beams 20 and 20' in which the first lasers (A, A') and the second lasers (B, B') are overlapped, are applied to the surface of the electrical steel sheet on which the glass film and the insulating film are sequentially formed through the above process. Simultaneously irradiated, a linear deformed portion 10 is formed on the surface of the steel plate.
  • the electrical steel sheet can be irradiated with overlapping laser beams while moving at a constant speed.
  • the irradiation angle of the overlapping laser beam, the quality of the laser beam used, and the type of laser mode are the same as described above, so detailed descriptions are omitted.
  • This cold-rolled steel sheet was maintained at a temperature of 845°C for 160 seconds in a humid mixed gas atmosphere of hydrogen, nitrogen, and ammonia (dew point temperature 68°C, Fe 2 SiO 4 /SiO 2 ratio was controlled to 1.2) and primary recrystallization annealing was performed. Including decarbonization and nitriding.
  • An annealing separator containing MgO was applied to the surface of the steel sheet that had undergone primary recrystallization, and final high temperature annealing was performed. At this time, the final high-temperature annealing was performed in a mixed atmosphere of 25% by volume nitrogen and 75% by volume up to 1,200°C. After reaching 1,200°C, it was maintained in a 100% by volume hydrogen atmosphere for about 8 hours and then furnace cooled.
  • a coating solution mixed with colloidal silica particles and metal phosphate is applied to the surface of the steel sheet that has completed secondary recrystallization annealing through the final high-temperature annealing process above and hardened by heat treatment at 880°C for 50 seconds, and the tension of the steel sheet is maintained in the furnace. It was maintained below 3.1 MPa.
  • a grain-oriented electrical steel sheet was manufactured in which a forsterite layer and an insulating coating layer were sequentially formed on the surface of the steel sheet.
  • a laser beam 20 in which the first laser (CO 2 ) and the second laser (disk) overlapped was simultaneously irradiated to the surface of the steel sheet to form a linear deformed portion 10 on the surface.
  • the laser used for magnetic domain refinement was a CO 2 laser with an output of 150 to 3.0 kW as the first laser (A), and a disk laser with an output of 40 to 550 W was used as the second laser (B).
  • the scanning speed of the overlapping laser beam 20 varied within the range of 5 to 150 m/s, and the irradiation angle was 1° or less.
  • Table 2 below shows the test conditions and measured magnetic values for a 0.23 mm thick steel plate.
  • the W15/50 iron loss improvement rate and coercive force improvement rate refer to the iron loss and coercive force improvement rate for the magnetic domain-treated specimen compared to the original plate.
  • the laser irradiation method in Comparison 1 is a “sequential irradiation” method, which first irradiates the CO 2 laser, which is the first laser (A), and then after a certain period of time, the steel plate in the irradiated area is cooled to room temperature.
  • 2 Laser (B) a disk laser, was irradiated by overlapping the location where the CO 2 laser passed.
  • the present invention is not limited to the embodiments, but can be manufactured in various different forms, and a person skilled in the art to which the present invention pertains can manufacture it in other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. You will understand that it can be done. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

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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 그의 제조 방법
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.
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 선상의 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)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재응고층의 P 농도가 낮기 시작하는 위치는 상기 절연 피막층의 두께 방향으로 상기 절연 피막층의 표면으로부터 500 nm 이하에 위치하는 방향성 전기강판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재응고층이 형성되는 경계부의 폭은 상기 변형부 양쪽 끝단을 중심으로 앞쪽과 뒤쪽 중 어느 곳에 10 ㎛ 이하로 형성된 방향성 전기강판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기강판 기재와 상기 절연 피막층 사이에 유리 피막층이 형성된, 방향성 전기강판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기강판의 철손(자구재 W15/50) 개선율이 7 % 이상인 방향성 전기강판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기강판의 보자력 개선율이 11% 이상인 방향성 전기강판.
  8. 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.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 재응고층 내의 P 농도가 재응고층이 형성되지 않은 하부 절연 피막층의 P 농도 보다 낮은 방향성 전기강판.
  10. 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.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전기강판의 철손(W15/50) 개선율이 7 % 이상인 방향성 전기강판.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전기강판의 보자력 개선율이 11% 이상인 방향성 전기강판.
  13. 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.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 CO2 레이저이고, 상기 제2 레이저는 디스크 레이저인 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
  15. 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.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 레이저인 CO2 레이저와 제2 레이저인 디스크 레이저는 레이저 빔 주사장치에서 광경로를 공유하여 조사되는 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 중첩 레이저빔의 조사 간격은 2 ~ 7 mm이고, 주사 속도는 1 내지 300 m/sec인, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 중첩 레이저 빔의 경사 방향은 ±10°이하인, 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
  22. 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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