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KR101433493B1 - 결정축 〈001〉의 방위가 제어된 체심 입방（ｂｃｃ） 구조의 고용체인 금속 재료 및 그 제조 방법 - Google Patents

결정축 〈001〉의 방위가 제어된 체심 입방（ｂｃｃ） 구조의 고용체인 금속 재료 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101433493B1
KR101433493B1 KR1020127024629A KR20127024629A KR101433493B1 KR 101433493 B1 KR101433493 B1 KR 101433493B1 KR 1020127024629 A KR1020127024629 A KR 1020127024629A KR 20127024629 A KR20127024629 A KR 20127024629A KR 101433493 B1 KR101433493 B1 KR 101433493B1
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유스케 오누키
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Abstract

본 발명은 금속 재료의 결정축 <001>의 분포를 제어하여 가공면을 따라서 결정축 <001>을 분포시킨 금속 재료, 예컨대 전자 재료(전자 강판) 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체로 이루어지는 금속 재료에 있어서 BCC 단상 고용체가 되는 온도 범위에서의 열간 압축 가공에 의해 상기 금속 재료의 가공면을 따라서 금속의 결정축 <001>을 분포시킨 금속 재료 및 그 제조 방법이다. 예컨대, 상기 금속 재료가 Fe-Si 합금이며 이것을 BCC 단상 고용체가 되는 온도 범위로 가열하여, BCC 단상 고용체에 나타나는 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하고, 또한 결정립에 축적되어 있는 변형 에너지를 구동력으로 하여 결정립계를 이동할 수 있는 가공 상태를 유지할 수 있는 변형 속도로 상기한 BCC 단상 고용체에 압축 가공을 행함으로써, 가공면과 평행하게 {100}을 분포시키는 것을 특징으로 하는 금속 재료, 예컨대 전자 재료(전자 강판) 및 그 제조 방법이다.

Description

결정축 〈001〉의 방위가 제어된 체심 입방（ＢＣＣ） 구조의 고용체인 금속 재료 및 그 제조 방법{METALLIC MATERIAL WHICH IS SOLID SOLUTION OF BODY-CENTERED CUBIC（ＢＣＣ） STRUCTURE HAVING CONTROLLED CRYSTAL AXIS 〈001〉 ORIENTATION, AND PROCESS FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 결정축 <001>의 방위가 판면 내에 제어된 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 예컨대 전기 기기의 철심 재료에 사용되는 전자 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
금속의 결정축을 나란히 하는 것으로 큰 기술적 효과를 얻을 수 있는 예로서 전기 기기에서 폭넓게 사용되고 있는 전자(電磁) 강판이 있다. 예컨대, 도 3에 도시하는 변압기와 같이 자계의 방위가 결정되어 있는 경우는 결정축이 제어된 방향성 전자 강판이 사용된다. 도 3에 있어서 점선(33)이 자력선의 흐름을 나타내고 있어 코어재(31)의 자화 용이 방향이 적층되는 판재의 면내에 있는 것이 바람직하다.
또한 모터의 로터나 스테이터에는, 철손을 저감시키기 위해서, 소위 무방향성 전자 강판이 사용된다. 예컨대, 단상 SRM(Switched reluctance motor)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 외부 전원과 접속된 코일이 감긴 스테이터(10)와, 스테이터(10)의 내부에 회전 가능하게 설치되어, 스테이터(10)에 외부 전원이 공급되면, 이 스테이터(10)와 전자기력이 상호 작용하여 회전하는 로터(20)로 구성된다.
스테이터(10)는, 링형의 구조를 갖는 요크(12)와, 요크(12)로부터 로터(20)를 향하여 반경 방향으로 돌출 설치되며, 원주 방향을 따라서 소정의 슬롯(14)을 사이에 두고 서로 이격되는 복수 개의 폴(16)과, 이들 폴(16)에 휘감겨져서 외부 전원에 접속되는 코일(18)로 이루어진다.
모터의 스테이터(10)는, 매우 얇은 전자 강판으로부터, 요크(12)와 폴(16)의 평면 형상을 갖는 스테이터 시트를 펀칭하고, 이와 같이 준비한 스테이터 시트를, 일정한 높이로 적층하여 철심을 만들며, 이 철심에 코일(18)을 휘감는 것으로 제조된다.
이러한 모터에서는, 그 로터의 회전에 따라 로터의 회전축을 중심으로 하여 자계 방향이 변화된다. 이 때문에, 스테이터나 로터용의 전자 강판으로서는, 소위 무방향성인 것이 사용되고 있다(예컨대, 특허문헌 1을 참조).
강철의 자화에는 결정의 축에 따른 이방성이 있고, <001>이 가장 자화가 용이하며 히스테리시스 손실이 적고, 다음에 <011>이 자화가 용이하며 히스테리시스 손실이 적고, 가장 자화가 곤란하며 히스테리시스 손실이 큰 것은 <111>이다. 그래서, 모터의 스테이터나 로터에는 반경 방향에 <001>을 우선적으로 배향시켜, 자화를 용이하게 하고 히스테리시스 손실에 의한 철손을 작게 하는 것이 바람직하다. 즉, 모터의 축을 중심으로 하여 회전 대칭으로 <001>이 배향된 철심 재료가 요구된다.
그러나, 현재 충분히 강판의 <001>을 제어하여 배향시키는 기술이 없기 때문에, 차선책으로서 <111>의 반경 방향의 배향을 피하고, 또한 강판의 특정 방향으로 <001>이 치우친 배향을 피하는 것을 목적으로 하여, 도 5에 도시한 바와 같이, 입체적으로 전혀 배향이 없는, 규소강으로 이루어지는 무방향성 전자 강판이 신일본제철(주), JFE 스틸(주) 등에 의해 개발되어, 실용에 제공되고 있다. 예컨대 신일본제철(주)로부터는 하이라이트 코어, 홈 코어(모두 등록 상표) 등의 상품명으로 판매되고 있다.
그러나, 도 5에 도시하는 입체적으로 특정한 배향이 없는 무방향성 전자 강판에서는, 용이 자화 방향이 강판의 특정 방향에 치우쳐 있지 않지만, 결정의 자화 용이축인 <001>이 강판면을 따라서 없는 것이 많기 때문에, 강판면을 따른 자속 밀도를 높게 할 수 없다. 이 때문에 모터의 효율 향상에 한계가 있었다.
따라서, 모터의 에너지 절감의 관점에서, 도 6에 도시한 바와 같이, 결정면 {100}이 강판면에 대하여 평행하고 결정의 자화 용이축인 <001>이 강판면을 따라서 강판의 면내에 방향적으로는 360도 전체에 걸쳐 <001>이 배향됨으로써, 전자 강판면을 따른 자속 밀도를 높게 한 무방향성 전자 강판의 개발이 요구되고 있다(예컨대, 비특허문헌 1을 참조).
또한, 변압기의 효율을 높이기 위해서 자력선의 통과 방향으로 <001>이 배향된 방향성 전자 강판의 개발이 요구된다.
따라서, 모터나 변압기 등의 전자 기기의 에너지 효율을 높이기 위해서는 전자 재료의 결정축 <001>을 제어하는 것이 요구된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-87289호 공보
비특허문헌 1 : NIPPON STEEL MONTHLY 2005 4. P11-14
종래, Al과 같은 면심 입방(FCC) 구조의 금속에 있어서는, 압축 축의 둘레로 회전 대칭성이 있는 결정 배향을 실현하기에는 단축(單軸) 압축 가공이 유효한 것이, {011}(압축면) 섬유 집합 조직의 발달로 알려져 있다. 또한, Fe과 같은 체심 입방(BCC) 구조의 금속에 대해서는, 상온에서의 단축 압축 가공(냉간 압축)에 의해서 {111}+{100}의 이중 섬유 집합 조직, 즉 {111}과 {100}이 압축면에 평행하게 되는 회전 대칭 배향이 변형에 대하여 안정적인 결정 배향으로서 형성되는 것이 알려져 있다.
그러나 Fe에 대한 종래의 단축 압축 가공에서는, 우수한 자기 특성을 갖는 <001>의 강판면에 평행한 배향을 야기하는 {100}뿐만 아니라 <001>을 판면 내에 배향시킬 수 없는 {111}이 공존한다고 하는 문제가 있다. 또한 종래의 단축 압축 가공에서는 판면 내에서 {111}쪽이 보다 발달한 상태가 생기기 때문에, 판면 내에 <001>을 배향시키는 전자 강판의 제조 기술로서 단축 압축 가공은 이용되지 않는 것이 현재의 상황이다.
종래에는 단축 압축 가공뿐만 아니라 다른 가공 방법에서도, 자화 용이축 <001>의 방위를 제어하는 것이 어려웠다. 이 때문에 자화 용이축 <001>이 강판의 표면에 평행하게 되도록 제어되어, 자속 밀도가 높고, 철손이 낮은 자기 특성이 우수한 무방향성 전자 강판을 얻는 제조 방법이 존재하지 않았다고 말할 수 있다. 즉 판면 내에 자화 용이축 <001>이 배향된 무방향성 전자 강판은 존재하지 않는다.
따라서 본 발명은, 전술한 현재의 상황에 감안하여 금속의 결정축을 제어하는 것을 과제로 하고 있다. 예컨대, 철 재료의 자화 용이축 <001>을 가공면을 따라서 제어하는 것을 과제로 하고 있다. 그리고 자화 용이축 <001>을 가공면을 따라서 제어함으로써, 판면을 따른 자화가 용이하고 자속 밀도가 높게 취해지며 철손이 낮은 자기 특성이 우수한 금속 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
종래에는, FCC 구조인 Al-Mg 고용체 합금을 고온에서 단축 압축 변형하면 {110}(압축면)을 포함하는 결정 배향이 형성되는 것이 알려져 있다. 그러나, 본 발명자들은 {100}을 얻기 위해 연구를 진행한 결과, 변형량을 크게 하면 변형의 증대와 함께 {100}이 발달하고, 결국은 {100}만이 존재하는 결정 배향이 되는 것을 발견했다.
그 메커니즘에 관해서 연구를 진행한 결과, 이 배향의 변화는, 변형에 의해 전위(轉位)의 양이 증가하면 {100} 방위의 결정립이, {110} 방위를 비롯하여 다른 결정 방위의 결정립을 입계 이동에 의해서 소비하여 우선적으로 성장하여, 생기는 것이라는 사실을 실험적으로 발견했다.
그리고, {100}은 변형에 수반되는 전위의 도입량이 적다고 고려되는, 결정 중에서의 전단 변형률의 양의 총합 지표인 Taylor 인자가 작은 결정 방위이며, 또한 {100}이 변형에 대하여 안정적인 것에 착안했다.
또한, 이 {110}으로부터 {100}으로의 변화가 순알루미늄(Al)에서는 볼 수 없기 때문에, Al-Mg 합금에서의 압축에 수반되는 변형이, 용질 원자인 마그네슘(Mg) 분위기를 끌고가는 전위의 운동이 지배적인 변형 메커니즘인 경우에 생기는 것으로 추측되고, 전위의 균일 분포가 {100} 방위의 입계 이동의 우선성을 야기하고 있다는 가설을 제창하기에 이르렀다.
이 가설로부터, 발명자들은 체심 입방(BCC) 구조의 고용체에서도 순금속과는 다른 결정 배향이 생기는 것은 아닌가라고 생각했다. 그리고 BCC 금속의 단축 압축 변형에서는, FCC과는 미끄럼계가 다르기 때문에, 실온에서도 FCC과는 다르게 {100}과 {111}이 공존하는 상태가 형성되는 것, 그리고 {100}의 Taylor 인자는 {111}의 Taylor 인자보다 낮은 것에 착안했다.
그래서, 용질 원자 분위기를 끌고가는 전위의 운동이 지배적인 변형 메커니즘이 되고, 또한 입계 이동이 가능한 가공 조건을 찾아낼 수 있다면 {111}이 소멸하는 한편 {100}이 빈도 높게 판면에 배향된 재료를 제조하는 기술을 개발할 수 있는 것은 아닌가 라는 착상을 얻기에 이르렀다.
이 착상은 체심 입방(BCC) 구조의 금속 재료 일반에 적용 가능하다고 추정된다. 그래서, 이 착상을 살리는 금속 재료로서 체심 입방(BCC) 구조를 갖는 철-실리콘 합금, 즉 규소강에 관해서 검토를 진행한 결과, 자속 밀도를 증대시키기 위해서 필요한 결정립경의 조대화와 판면 내의 <001> 배향을 가공 조건으로 제어할 수 있는 것을 발견했다.
이 발견에 기초하여, 종래의 무방향성 전자 강판의 제조 방법이 냉간 가공과 열처리, 또는 열간 가공과 열처리 등의 두 개의 처리를 조합하고 있는 데 비하여, 열간 단축 압축 가공 또는 열간 평면 변형 압축 가공 등의 하나의 처리만으로 자화 용이축 <001>이 가공면을 따르도록 제어된 전자 강판을 제조할 수 있는 것을 명확히 하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은, 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료의 제조 방법에 있어서 상기 금속 재료가 BCC 단상 고용체가 되는 온도 범위에서의 열간 압축 가공에 의해 상기 금속 재료의 가공면을 따라서 결정축 <001>을 분포시킨 것을 특징으로 하는 금속 재료의 제조 방법이다.
본 발명은, 가공후의 열처리를 필요로 하지 않고 가공면을 따라서 금속의 결정축 <001>을 분포시킬 수 있으며, 그 원리는 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료로 적용이 가능하기 때문에, 그 적용 범위가 넓다.
또한, 본 발명은 상기 금속 재료가 Fe-Si 합금이며 이것을 BCC 단상 고용체가 되는 온도 범위로 가열하고, 이 BCC 단상 고용체에 나타나는 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하며, 또한 결정립에 축적되어 있는 변형 에너지를 구동력으로 하여 결정립계가 이동할 수 있는 가공 상태를 유지할 수 있는 변형 속도로 상기 BCC 고용체에 압축 가공을 행함으로써 가공면과 평행하게 {100}을 분포시키는 것을 특징으로 하는 금속 재료, 예컨대 전자 강판의 제조 방법이다.
BCC 단상 고용체에 나타나는 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하고, 또한 결정립에 축적되어 있는 변형 에너지를 구동력으로 하여 결정립계가 이동할 수 있는 가공 상태를 유지할 수 있는 변형 속도로, BCC 단상 고용체를 압축 가공하면 가공면과 평행하게 {100}을 분포시킬 수 있다. 즉, 가공면을 따라서 <001>이 분포하게 된다.
또한, 본 발명은, 상기 체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 Fe-Si 합금이며, 상기 Fe-Si 합금을 BCC 단상 고용체가 되는 온도 범위로 가열하고, 변형 속도를 1×10-5s-1에서 1×10-1s-1의 범위내로 하여 압축 가공한 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2에 기재된 금속 재료, 예컨대 전자 강판의 제조 방법이다.
고용체가 Fe-Si 합금인 경우, BCC 단상 고용체에 나타나는 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하고, 또한 결정립에 축적되어 있는 변형 에너지를 구동력으로 하여 결정립계가 이동할 수 있는 가공 상태를 유지할 수 있는 변형 속도가 1×10-5s-1에서 1×10-1s-1의 범위내이며, 이 상태에서의 압축 가공을 행하면 가공면과 평행하게 {100}을 분포시킬 수 있다. 예컨대, 변형 속도를 1×10-5s-1에서 1×10-1s-1의 범위내로 하여 단축 압축 가공하면, 특성이 양호한 Fe-Si 합금에 의한 전자 강판을 얻을 수 있다. 여기서 Fe-Si 합금은, Si를 중량%로 1∼7% 함유하고, 잔부가 Fe과 불가피적 불순물로 이루어지는 Fe-Si 합금인 것이 바람직하다.
또한 청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 3에 기재된 금속 재료, 구체적으로는 전자 강판의 제조 방법에 있어서 상기 온도 범위가 800∼1300℃의 범위내의 온도인 것을 특징으로 한다.
온도 범위를 특정함으로써, 재현성 좋고 특성이 양호한 전자 강판을 제조할 수 있다.
또한 청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 4에 기재된 금속 재료, 구체적으로는 전자 강판의 제조 방법에 있어서, 상기 압축 가공에 의해 상기 체심 입방(BCC) 구조의 단상 고용체에, 적어도 총변형률의 양이 -0.5인 변형을 주는 것을 특징으로 한다.
단축 압축 가공에 의해, 적어도 총변형률의 양이 -0.5인 변형을 가함으로써, 확실하게 판면 내에 <001>을 제어한 고품질의 전자 강판을 얻을 수 있다. 변형 에너지가 낮은 결정 방위는 단축 압축 변형에서는 {100}(압축면)이며, 게다가 이 방위가 변형에 대하여 안정되기 위해서 이 결정립이 커지도록 변형 중에 입계 이동하므로, 변형률의 양을 크게 하면 {100} 섬유 집합 조직이 발달한다. 변형은 클수록 좋은 결과를 얻을 수 있다. 총변형률의 양을 크게 하는 것에 의해 가공면과 평행한 {100}의 성장이 현저해진다.
또한, 본 발명은, 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료로서 열간 압축 가공에 의해 가공면을 따라서 결정축 <001>이 분포된 것을 특징으로 하는 금속 재료이다. 특히, 체심 입방(BCC) 구조의 고용체로 이루어지는 금속 재료에 있어서 가공면을 따르는 금속의 결정축 <001>의 분포를 나타내는 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2= 0°단면의 Φ= 0°선상의 방위 밀도가 평균치 1에 대하여 14배 이상인 것을 특징으로 하는 금속 재료이다.
본 발명에 의해, 종래 얻을 수 없었던 특정 방향으로 향한 방위 밀도가 높은 집중을 실현했다.
체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료에 있어서 용질 원자 분위기를 끌고가는 운동이 지배적인 변형 메커니즘이 되는 상태에서의 열간 단축 압축 가공에서는, 고용체 내의 전위가 균일하게 분포되기 때문에, 전위에 수반되는 변형 에너지의 분포에 의거하여 입계 이동이 발생한다. 그렇게 하면, 변형 에너지가 작은 {100}이 판면에 평행하게 성장된 상태를 만들 수 있다. 또한 열간 압연 가공 또는 열간 평면 변형 압축 가공하는 경우는 신장 방향으로 <001>이 향하게 된다. 즉, 어느 경우에 있어서도 가공면을 따라서 <001>이 제어되고 있다.
상기 체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 Fe-Si 합금인 금속 재료, 구체적으로는 전자 강판의 열간 단축 압축 가공에서는, <001>의 분포를 조사하는 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2=0°단면의 Φ=0°선상의 방위 밀도가 평균치 1에 대하여 14배 이상인 전자 강판도 용이하게 실현할 수 있다.
종래의 판재에서는, 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2=0° 단면의 Φ=0°선상의 방위 밀도가 평균치 1에 대하여 2 이하였다.
가공면과 평행하도록 {001}의 분포가 제어된 Fe-Si 합금에 의한 전자 강판은, 종래의 무방향성 전자 강판에 비해서 그 특성이 우수하다.
본 발명의 금속 재료 및 그 제조 방법에 따르면, 그 결정축이 제어된 금속 재료를 얻을 수 있고, 특히 전자 강판에 대해서는 철의 자화 용이축 <001>이 가공면을 따르도록 제어되며, 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 자기 특성이 우수한 전자 강판이 제공된다.
도 1은 본 발명의 열간 단축 압축 가공을 이용하는 제조 방법에 의해 제조된 무방향성 전자 강판의 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2=0°단면도이다.
도 2는 종래의 무방향성 전자 강판의 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2=0° 단면도이다.
도 3은 변압기의 전자 강판에서의 자력선의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 4는 전자 강판을 사용한 모터의 구성도이다.
도 5는 종래의 소위 무방향성 전자 강판의 결정 분포를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제조 방법에 의해서 제조되는 무방향성 전자 강판의 결정분포를 도시하는 개략도이다.
도 7은 단축 압축 가공의 모습을 설명하는 도면으로서, (a)는 압축전을 (b)는 압축후를 각각 보여준다.
도 8은 평면 변형 압축 가공하는 모습을 설명하는 도면으로서, (a), (b)는 가공 지그를, (c)는 가공전의 시료를, 그리고 (d)는 가공후의 시료를 각각 보여준다.
도 9는 압연 가공을 설명하는 도면이다.
도 10은 다방향 압연 가공을 설명하는 도면이다.
도 11은 다이스 가공을 설명하는 단면도이다.
도 12는 체심 입방(BCC) 구조의 모델도이다.
도 13은 모터의 스테이터에 있어서 용이 자화 축 <001> 방위의 모습을 도시하는 도면으로서, (A)는 종래의 무방향성 전자 강판을, (B)는 이상적인 전자 강판을 각각 보여준다.
도 14는 모터의 스테이터에 있어서 {100} 극점도를 도시하는 도면으로서, (A)는 종래의 무방향성 전자 강판을, (B) 본 발명에 따른 전자 강판을 각각 보여준다.
도 15는 종래의 무방향성 전자 강판(점선)과 본 발명에 따른 전자 강판(실선)의 자기 특성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 전자 강판 및 그 제조 방법의 실시형태에 관해서 설명한다.
고온에서 금속 재료를 변형하면, 여러 가지 구조가 변형에 기여한다. 일반적으로, 금속 재료에서는 전위의 운동에 의해 변형되는 것이 기본적인 구조이다.
전위의 운동을 지배하는 현상 중의 하나가, 어떤 범위의 온도와 변형 속도의 조합으로 고용체 합금에 나타나는 용질 원자 분위기를 끌고가는 운동이다. 이것은, 전위가 용질 원자에 둘러싸여서 운동하는 상태를 말한다. 예컨대, Fe-Si 합금에 있어서는, 용질 원자인 Si가 결정 전체의 평균 농도보다도 높은 농도로 전위의 주위에 존재하는 용질 원자 분위기를 형성하고, 어떤 범위의 변형 조건에서는, 전위는 용질 원자 분위기로부터 탈출할 수 없으며, 전위를 끌고가면서 운동한다. 그렇게 하면 전위는 용질 원자 분위기를 끌고가기 위해서 그 운동 속도가 저하된다. 그 결과 전위는 상온 부근에서의 변형과는 달리, 결정 내에서 균일하게 분포되게 된다. 즉, 용질 원자 분위기를 끌고가는 운동을 하고 있는 전위는 결정 내에서 균일하게 분포되도록 되기 쉽다.
여기서, 전위는 격자 결함이며, 변형 에너지를 갖는다. 결정의 방위에 따라서 변형에 기여하는 전위의 양이 다르기 때문에, 동일한 변형량을 부여하더라도, 결정립마다 전위의 양은 다르고, 그 결과 결정립마다 축적되는 변형 에너지량이 다르다. 그러나, 통상의 가공 조건에서는 전위가 서로 변형장을 상쇄하도록 분포되기 때문에, 결정립마다의 전위 밀도의 차이가 그대로 축적되는 변형 에너지의 차로서는 반영되지 않는다.
이에 비하여, 본 발명에서의 변형 조건인, 용질 원자 분위기를 끌고가는 전위의 운동이 생기는 고온에서의 압축 가공에서는, 전위가 균일하게 분포되도록 되기 때문에 전위가 상호 변형을 상쇄하는 효과가 작고, 전위 양의 차이가 그대로 축적되는 변형 에너지의 차이에 반영된다.
이와 같이, 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하도록 되면, 개개의 결정립이 갖는 변형 에너지의 양이, 결정 방위에 강하게 의존하게 된다. 그렇게 하면, 변형 에너지가 작은 결정립이 커지려고 하여, 변형 에너지가 작은 결정립의 결정립계가 우선적으로 이동한다.
변형 에너지가 낮은 결정 방위는 체심 입방(BCC) 구조의 고용체의 단축 압축 변형에서는 {100}(판면)이며, 압연 등의 평면 변형 압축 변형에서는 {100}(판면), <001>(신장 방향)이다. 그렇기 때문에 이들 결정 방위의 결정립이 다른 결정 방위의 결정립을 소비하여 성장하는 것이 된다.
또한 {100}의 방위가 압축 변형에서는 변형에 대하여 안정적이므로, 이 결정립이 커지도록 변형 중에 입계 이동하기 때문에, 변형률의 양을 크게 하면 단축 압축 변형에서는 {100} 섬유 집합 조직이, 평면 변형 압축 변형에서는 {100}<001> 집합 조직이 발달한다.
여기서, {100}은 가공면, <001>은 연신 방향을 나타낸다.
본 발명은 전술한 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 본 발명의 방법에서는, 단축 압축 변형, 평면 변형 압축 변형 중 어느 것에 있어서도 {100}이 판면에 평행하게 배향된다. 압축 변형에서는, 판면에 평행하게 결정면 {100}이 배향되고, 특히 단축 압축 가공에서는 결정면 {100}의 법선인 <100>을 회전축으로 하여 판면 내의 압축 방향에 대하여 직각인 방향으로 360도 균일하고 조밀하게 결정 방향 <001>이 분포된다. 또한, 압연 등의 평면 스트레인 변형에 있어서는, 판재의 두께가 압축 가공에 의해서 감소하면, 판재는 한 방향으로 신장된다. 이 경우는 신장 방향으로 조밀하게 <001>이 분포하게 된다.
자화 용이축 <001>이 강판의 표면에 평행하게 분포되는 전자 강판의 제조에 있어서, Fe-Si 합금에 있어서는 적어도 Si를 함유하고, 잔부가 Fe과 불가피적 불순물로 이루어지는 합금을, 체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 되는 온도 범위로 가열하고, 이 상태로, 상기 BCC 고용체에 생기는 용질 원자 분위기를 끌고가는 전위의 운동이 지배적인 변형 메커니즘이 되고, 또한 결정립에 축적되어 있는 변형 에너지를 구동력으로 하여 결정립계가 이동할 수 있는 가공 상태를 유지할 수 있는 변형 속도로 상기 체심 입방(BCC) 구조의 고용체에 단축 압축 가공 또는 압연 등의 평면 스트레인 압축 가공을 행하며 이 가공에 의해 가공면과 평행하게 {100}을 밀도 높게 분포시킨다.
그리고, 가공 조건을 정하는 온도와 변형 속도는, 온도 범위가 800∼1300℃ 범위내인 온도와, 변형 속도가 1×10-5s-1에서 1×10-1s-1 범위내인 변형 속도이다.
압축 가공에 의해 체심 입방(BCC) 구조의 고용체에 가하는 변형률의 양의 합계는 진변형률로 -0.5 이상이다. 목적으로 하는 상태는, 변형률의 양의 증대와 함께 단조롭게 발달하고, 변형률의 양이 적으면 불충분한 발달 상태가 되지만, 변형률의 양이 크면 그만큼 보다 우수한 상태가 생겨나기 때문에, 가하는 변형률의 양에는 상한이 없고, 게다가 복수 회로 나누어서 변형을 가하더라도 좋다.
또한, 성분에 관해서 설명하면, 체심 입방(BCC) 구조의 고용체 중의 Si는, 강판의 고유 저항을 증대시켜 와전류를 저감시키고, 와전류에 의한 철손치를 개선하기 위해서 첨가되어 있다. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체는 BCC 단상의 것이라면 2원계의 합금이 아니더라도 좋고, Si 이외의 성분도 함유하는 3원 이상의 계이더라도 좋다. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 Fe-Si 합금인 경우, Si의 함유량은 1∼7 중량% 정도의 조성 범위이다. Si의 함유량이, 1 중량% 미만이면, 저철손에 필요한 고유 저항을 충분히 얻을 수 없고, 그 함유량이 7 중량%를 넘으면, 압축시에 균열이 현저히 증가하여, 압축 가공이 곤란해지기 때문에, Si의 함유량은, 하한을 1 중량%, 상한을 7 중량%로 하는 것이 바람직하다.
Fe-Si 합금의 불가피적 불순물로서는, C, Mn, P, S, Al, N 등을 들 수 있지만, 특히 S과 상호 반응하여 미세한 황화물 MnS가 석출되고 자기 특성을 현저히 열화시키는 Mn과, 가공성을 저해하는 P에 대해서는, 0.01 중량% 미만으로, 결정립의 성장을 저해하는 S에 대해서는 0.0001 중량% 미만으로 각각 하는 것이 바람직하다.
체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 Fe-Si 합금인 경우, 이것을 가열하는 온도는 BCC 단상이 되는 온도 범위의 온도로서 800∼1300℃ 범위내의 온도이다. 이것은, Si의 함유량이 2∼5 중량%의 범위에서는 저온으로부터 융점까지 항상 BCC인 Fe-Si 합금도, Si의 함유량이 2 중량% 미만에서는, 그 함유량에 의존하여 고온에서 일단 FCC으로 되어 버려, {100} 섬유 집합 조직의 형성이 저해될 우려가 있기 때문이다. 그래서 Si의 함유량이 2 중량% 미만을 포함하는 온도 범위로서 BCC 단상이 되는 온도 범위의 온도로서, 800∼1300℃의 온도 범위내의 낮은 온도측에서 가열된다.
BCC 단상 고용체의 압축 가공시의 변형 속도는 단위 시간당 어느 만큼의 변형을 주는가를 나타내는, 소위 가공 속도이다. 가공 속도가 빠른지 느린지로, 변형에 기여하는 전위의 운동을 지배하는 구조가 변한다. 따라서 가공 속도는, 체심 입방(BCC) 구조의 고용체를 BCC 단상이 되는 온도 범위의 온도로 가열한 상태로, BCC 고용체에 나타나는 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하는 가공 조건을 유지할 수 있는 속도로 제한된다. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 Fe-Si 합금인 경우의 변형 속도는, 800∼1300℃의 온도 범위내의 온도와의 조합으로, 1×10-5s-1에서 1×10-1s-1 범위내에서 설정된다.
이 변형 속도의 범위는, Si의 함유량이 3 중량%인 Fe-Si 합금에 대해서, 온도 900℃에서 변형 속도가 1×10-5s-1에서 1×10-2s-1 범위, 온도 1250℃에서 1×10-4s-1에서 1×10-2s-1 범위에서 확인한 결과, 함유량의 증대와 함께 동일한 배향을 얻기 위한 조건이 변형 속도가 동일하면 저온측으로 변화되고, 함유량을 증대시켜서 온도를 일정하게 한 경우, 동일한 배향을 얻기 위한 가공 속도가 증가된다는 상정에 기초하여, 상기 범위내의 Si의 함유량 및 온도와의 조합으로 사용되는 단축 압축 가공에 의해 Fe-Si 합금에 가하는 변형 속도로서 정해진 것이다.
<실시예>
재료가 되는 체심 입방(BCC) 구조의 고용체는, 진공 용해하여 제작한 40 kg의 잉곳에 마무리 두께 40 mm의 열간 압연(가열 온도 1100℃×60분, 마무리 온도 850℃ 이상)을 행하고, 이것을 길이 320 mm로 절단한 뒤, 다시 마무리 두께 20 mm의 열간 압연(가열 온도 1100℃×60분, 마무리 온도 850℃ 이상)을 행한 것을 절단하여 제작한 두께 20 mm, 폭 140 mm, 길이 290 mm의 판으로부터 방전 가공기에 의해 제작한 직경 12 mm, 높이 18 mm 크기의 단면 원형의 기둥형 강편이다.
또한, 잉곳은 Si를 1.5, 3, 4, 5 중량%, 불가피적 불순물의 Mn 및 P을 0.01 중량% 미만, S을 0.001 중량% 미만으로 지정하여 제작했지만, 4 종류의 재료 A, B, C 및 D에는, 하기 표 1에 나타내는 제작후의 분석치로부터 알 수 있는 바와 같이, Mn, P, S 이외에 불가피적 불순물로서, 표에 나타낸 중량%의 C, Al, N 등이 함유되어 있었다.
Figure 112012076477233-pct00001
전술한 조성의 각 강편을 가열로에서 900℃ 또는 1250℃로 가열한 상태로, 1×10-5s-1에서 1×10-2s-1 범위내의 변형 속도로 진변형 -1.0까지 단축 압축에 의해 직경 20 mm, 높이 6.6 mm로 각각 가공하고, 상온 대기 중에서 서냉하여 강판을 각각 얻었다.
단축 압축 가공에는, 도 7에 도시하는 하중 용량 2톤의 인장 시험기(시마즈 오토그래프)의 크로스 헤드 스피드 일정의 기능을 이용했다. 인장 시험기로 압축 가공할 때에는, 상하로 원기둥형의 압축 지그를 부착하고, 그 사이에 시료인 강편을 넣어, 상하로부터 힘을 가하지만, 압축 가공 중에 온도를 일정하게 유지하기 위해서, 상하의 압축봉와 강편 전체가 가열로 내에 넣어져 있다. 도 7에서는 모델화하여 열원으로서 기재하고 있다.
얻어진 강판 중, 온도 900℃, 변형 속도 5.0×10-5s-1로 가공한 Si 함유량 3 중량%의 재료 B로부터 제조한 전자 강판을 높이가 절반이 되도록 2분하고, 직경 20 mm×3.3 mm의 원판 형상의 측정 샘플을 제작하며, 절단한 면을 대상으로, 면을 연마한 뒤에 Schulz의 반사법이라고 불리는 X-선 회절법으로 결정 방위 분포를 측정하여 결정 방위 분포 함수(ODF)를 얻었다. 구체적으로는, Schulz의 반사법에 의해, {100} 극점도, {110} 극점도, {211} 극점도를 각각 별도의 계측으로 얻은 데이터로 그리고, 3장의 극점도를 모순없이 설명할 수 있다, 3차원의 결정 방위 분포를 나타내는 결정 방위 분포 함수(ODF)를 컴퓨터로 계산했다.
도 1은 3장의 극점도를 모순없이 설명할 수 있도록 컴퓨터 계산하여 얻은 ODF의 φ2=0°단면도이다. 도 1에 있어서, φ1, Φ, φ2는 오일러각이며, 사각형의 윗변과 아랫변을 따른 등고선은, 강판면 내에서의 결정 방위 밀도의 분포를 나타내고 있다. 등고선의 수치는 평균치 1에 대한 배수로 나타낸 방위 밀도를 나타내고, 도 1에는, 수치 20과 1의 등고선 사이에, 수치 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6, 4의 등고선이 이 순서대로 그려져 있다. 도 1의 상부 프레임인 Φ=0°의 선상에서는 가장 낮은 영역에서도 14배를 넘는 높은 집적이 인정되고, 첨예한 {100} 섬유 집합 조직이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이 값은, 도 2에 도시하는 기존의 무방향성 전자 강판의 값을 훨씬 넘는 우수한 값이다.
도 2는 종래의 방법으로 얻어진 기존의 무방향성 전자 강판으로서 다용되고 있는 것의 φ2=0°단면도이지만, 윗변에 따른 방위 밀도는 0.5에서부터 2.0으로 거의 집합 조직이 없는 상태인 것을 알 수 있다.
또한, 실시예에서는, 가공전 재료의 결정 방위 분포에 대해서 언급하고 있지 않지만, 이것은 가공전의 상태가 어떠한 상태이든, 변형률의 양을 크게 하면, 열간 압축 가공에 의해 가공면과 평행하게 {100}이 배향되는 {100} 섬유 집합 조직이 형성되기 때문이다. 물론, 기존의 무방향성 전자 강판과 같은 결정 방위 분포를 갖는 것을 준비하더라도 좋다. 또한, 전술한 실시예에서는, 재료의 단면이 원형으로 되어 있지만, 원 이외의 사각형상이나 다각형상의 단면의 판이나 기둥체이더라도 좋다. 또한, 단축 압축 가공이 가해지는 면도, 같은 이유에 의해 평면 이외의 임의의 형상이어도 좋다.
여기서, 전자 강판의 주된 사용처인 모터에서의 용이 자화 방향의 모습을 구체적으로 설명한다. 원판형의 스테이터 재료는 중심 부분과 슬릿이 펀칭되어서 사용된다. 따라서, 스테이터 재료로서는 도 4의 폴(16)부의 특성이 중요해진다.
도 12에 BCC 구조의 모델을 도시한다. BCC 구조는 상하 좌우의 대칭성이 있기 때문에, 이 도면에 표시된 [100], [010], [001]은 등가이며, 이 3개의 결정축을 총칭하여 <001>로 나타낸다. 또한, 입방체의 면은 전부 등가이기 때문에 면을 총칭하는 {001}, {100}, {010}은 동일한 내용을 나타내고 있다.
다음에, 모터의 스테이터용인 종래의 무방향성 전자 강판의 용이 자화 방향의 모습을 도 13의 (A)에 도시한다. 종래의 전자 강판에서는, 용이 자화 방향은 입체적으로 360도 여러 방향을 향하고 있다. 또한, 도 13의 (B)에는 거의 이상적인 전자 강판에서의 용이 자화 방향을 도시한다.
또한, {100} 극점도에 의한 용이 자화 방향의 <001> 분포의 모습을 도 14에 도시한다. 도 14의 (A)는 종래의 무방향성 전자 강판, 도 14의 (B)는 본 발명에 따른 전자 강판의 <001>의 분포 모습이다. 도면 중의 숫자는, 평균치 1에 대하여 <001> 밀도의 집중 정도를 도시한다.
종래의 무방향성 전자 강판에서는, 특성에 큰 영향을 주는 외주부의 최소치는 평균치의 0.8배 이하이다. 한편, 도 14의 (B)에 도시하는 이번 개발한 전자 강판의 극점도를 보면 외주부의 최소치는 평균치의 1.6배 이상이며, 중심부는 평균치의 19배를 넘고 있기 때문에, 중요한 외주부의 <001> 밀도는 종래 기술에 의한 기존의 재료에 비교하여 크게 높아져 있는 것을 알 수 있다.
도 15에 본 발명에 의한 전자 강판의 자기 특성을 도시한다. 도면 중의 점선이 종래의 무방향성 전자 강판의 자기 특성이고, 실선이 본 발명에 의한 전자 강판의 자기 특성이다. 분명히, 인가하는 자계에 대하여 큰 자속 밀도를 얻을 수 있어 모터 등의 전자 기기의 특성 개선으로 이어지는 것을 기대할 수 있다.
또한, 실시예에서는, 단일의 재료를 단축 압축 가공하는 예를 보여주지만, 양산을 고려하여, 하중 용량이 큰 전용의 압축기에 의해서 다수의 재료를 적층하여 동시에 압축 가공하거나, 재료의 사이즈를 크게 하도록 하더라도 좋다.
또한, 압축 가공의 방법으로서는, 도 8에 도시하는 평면 변형 압축 가공이라도 전술의 가공 조건을 만족함으로써 {100}이 판면에 평행하게 배향된 결과를 얻을 수 있다.
또한, 양산을 하기 위해서는 도 9에 도시하는 압연 가공도 가능하고, 도 9에 도시하는 한 방향의 압연 가공에서는 압연면에 평행하게 {100}이 발달되며, 압연 방향으로 <001>이 많이 분포하는 판재를 얻을 수 있다. 또한, 도 10에 도시하는 다방향에서의 압연 가공을 하면 <001>을 면내에서 다방향으로 분포시킬 수 있어, 단축 압축 가공과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 11에 도시한 바와 같이 가열 상태로 부재를 다이스에 통과시키면 선형의 금속 재료를 얻을 수 있다. 재료의 <001>이 연신 방향으로 나란하기 때문에 자력선을 연신 방향으로 통과시키면 양호한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 변형률의 양을 크게 하여, 더욱 얇은 전자 강판으로 할 수도 있고, 이와 같이 하여 얻은 전자 강판의 자기 특성이 보다 우수한 것이 되는 것은, 전술한 것으로부터 분명하다. 본 가공은 고온에서 실시하기 때문에, 가공후에 잔류하는 격자 결함량은 적지만, 가공후 단시간의 소둔을 실시함으로써, 격자 결함량을 더 저감시킨 무방향성 전자 강판으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예로서는, 전자 재료인 Fe-Si를 예로 들었지만, 본 발명은 체심 입방(BCC) 구조의 상태로 열간 압축 가공이 가능한 금속 재료에 적용이 가능하다. 본 발명을 적용함으로써 열간 압축 가공에 의해 가공면과 평행하게 {100}이 성장된 금속 재료를 얻을 수 있다.
본 발명에 의해, 결정축의 방위가 제어된 금속 재료, 예컨대 전자 재료의 제조법이 밝혀지고, 좋은 특성의 전자 재료가 제공됨으로써 전자기 에너지의 손실이 적어지며, 사회 전체의 비용 절감으로 이어지고 환경 문제에도 이바지하는 것이 크다.
10 : 모터의 스테이터
12 : 요크
14 : 슬롯
16 : 폴
18 : 코일
20 : 모터의 로터
31 : 코어
32 : 코일
33 : 자력선

Claims (8)

  1. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료의 제조 방법으로서, 단상 고용체가 되는 온도 범위에서 상기 금속 재료를 가열하는 단계; 및 상기 온도 범위에서 열간 압축 가공에 의해 상기 금속 재료의 가공면을 따라서 상기 금속 재료의 결정축 <001>을 분포시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 제조 방법.
  2. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료의 제조 방법으로서, 상기 금속 재료를 체심 입방(BCC) 구조의 단상 고용체가 되는 온도 범위로 가열하고, 상기 온도 범위에서 상기 금속 재료의 용질 원자 분위기가 전위의 운동을 지배하며, 결정립에 축적되어 있는 변형 에너지를 구동력으로 하여 결정립계가 이동할 수 있는 가공 상태를 유지할 수 있는 변형 속도로 상기 금속 재료에 열간 압축 가공을 행함으로써 상기 금속 재료의 결정축 <001>의 배향을 상기 금속 재료의 압축 가공면과 평행하게 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 재료가 Fe-Si 합금인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 온도 범위가 800∼1300℃ 범위내의 온도인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열간 압축 가공에 의해 상기한 체심 입방(BCC) 구조의 단상 고용체에, 적어도 총변형률의 양이 -0.5인 변형을 주는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 제조 방법.
  6. 체심 입방(BCC) 구조의 고용체인 금속 재료로서, 상기 금속 재료의 제조시의 열간 압축 가공에 의해, 압축 가공면을 따라 금속의 결정축 <001>의 분포를 나타내는 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2=0°단면의 1을 넘는 방위 밀도의 연속된 등고선이 φ1의 0°내지 90°사이에서 Φ=0°및 90°의 선을 따라 그 근방에 존재하는 {100} 섬유 집합 조직이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 재료.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속 재료의 가공면을 따르는 금속의 결정축 <001>의 분포를 나타내는 결정 방위 분포 함수(ODF)의 φ2=0°단면의 Φ=0°선상의 방위 밀도가 평균치 1에 대하여 14배 이상인 것을 특징으로 하는 금속 재료.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 체심 입방(BCC) 구조의 고용체가 Fe-Si 합금인 것을 특징으로 하는 금속 재료.
KR1020127024629A 2010-02-26 2011-02-28 결정축 〈001〉의 방위가 제어된 체심 입방（ｂｃｃ） 구조의 고용체인 금속 재료 및 그 제조 방법 Expired - Fee Related KR101433493B1 (ko)

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