KR100516458B1 - 자성이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

자성이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심용으로 사용되는 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 무방향성 전기강판에서 O 및 P의 함량을 제어하여, 강중 불순물이 결정립성장을 억제하는 것을 방지함으로써, 자성이 우수한 무방향성 전기강판을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 1.5~4.0%, Mn: 0.6% 이하, P: 0.0010~0.005%, S: 0.0050% 이하, Al: 1.5% 이하, N: 0.0040% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 자성이 우수한 무방향성 전기강판 및, 상기와 같이 조성되는 강 슬라브를 1200℃ 이하의 온도로 재가열한 후 열간압연하고, 550~650℃ 온도로 권취하고, 900~1150℃의 온도에서 열연판소둔하고, 산세한 다음, 1회 냉간압연이나 혹은 중간소둔을 포함한 2회 냉간압연을 실시한 다음, 900~1100℃ 온도에서 냉연판을 소둔하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.

Description

자성이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법{A NON-ORIENTED SILICON STEEL WITH EXCELLENT MAGNETIC PROPERTY AND A METHOD FOR PRODUCING IT}
본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심용으로 사용되는 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성이 우수한 무방향성 전기강판 및 이 같은 강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
모터와 변압기 등의 전기기기에서 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판은, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꿔주는데 필요한 중요한 부품으로서, 에너지절감을 위해서는 그 자기특성을 향상시켜야 한다.
자속밀도를 향상시켜 자기특성을 향상시키기 위해서는, 강중 불순물을 낮추어 강을 청정하게 하고, 재결정된 결정립의 집합조직을 잘 발달시켜야 한다. 또한, 자속밀도는 철손과 서로 상반된 특성, 즉 철손이 낮으면 자속밀도가 낮아지고, 반대로 철손이 높으면 자속밀도가 높아지는 경향을 나타내므로, 이들 두 특성을 모두 향상시킬 수 있는 강 성분의 제어 또한 필요하다.
이와 같은 무방향성 전기강판에서 철손을 낮추기 위해서, 와류손실과 이력손실을 낮추고 있다. 와류손실을 감소시키기 위해서, 성분에서는 비저항을 증가시키는 Si와 Al을 높이는 방법이 있고, 형상에서는 두께를 얇게 하는 방법이 있다. 그리고, 이력손실을 낮추기 위해서, 강판의 재질특성인 결정립크기를 크게 성장시키거나 청정도를 향상시키는 방법 등이 있다.
일례로, 일본특허공보 평2-50190호에서는 강을 청정하게 하기 위해 불순물 원소인 S, O, 및 N의 함량을 극저로 낮추어 결정립을 성장시킴으로써, 자기적 특성을 향상시키는 기술을 제안하였다. 그러나, 상기 기술에서는 그외 불순물 원소에 대해서는 조사된 바가 없다.
또한, 일본특허공개 평8-333658호에서는 강을 청정하게 하기 위해 강중 개재물인 유화물과 산화물의 함량 및 입도 분포를 제어하고, P은 0.005~0.15%로 함유하고 있다.
한편, 불순물의 영향을 줄이기 보다 제조조건을 제어하여 자기적 특성을 향상시키고자 한 기술이 일본특허공개 평11-61256호에 제안되어 있지만, 이 기술에서는 편석원소인 P가 타발성 향상을 위해 필요한 원소로 기술하고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 무방향성 전기강판에서 불순물 원소인 S,O 뿐 아니라, P의 함량을 제어하여, 강중 불순물이 결정립성장을 억제하는 것을 방지함으로써, 자성이 우수한 무방향성 전기강판을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 조성을 갖는 무방향성 전기강판을 제조하는데 있어서, 그 조건이 최적화된 무방향성 전기강판의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 1.5~4.0%, Mn: 0.6% 이하, P: 0.0010~0.005%, S: 0.0050% 이하, Al: 1.5% 이하, N: 0.0040% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 자성이 우수한 무방향성 전기강판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기와 같이 조성되는 슬라브를 1200℃ 이하의 온도로 재가열한 후 열간압연하고, 550~650℃ 온도로 권취하고, 900~1150℃의 온도에서 열연판소둔하고, 산세한 후, 1회 냉간압연이나 혹은 중간소둔을 포함한 2회 냉간압연을 실시한 다음, 900~1100℃ 온도에서 냉연판을 소둔하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 발명자들은 강중에 불순물이 존재하면 결정립성장을 억제하여 자성을 저하한다는 사실과 함께, 일반적으로 알려진 불순물인 S,N, 및 O 이외에 P도 특정 함량 이상에서는 자기적 특성을 저하시킨다는 것을 발견하였다.
일반적으로 P은 집합조직을 향상시키고, 비저항을 증가시켜 철손을 낮추는 원소로 인식되어 왔다. 또한, 적정량 첨가시 기계적 특성을 향상시켜 타발성을 향상시키는 것으로도 알려져 왔다. 그러나, Si의 함량이 높거나 기타 원소의 함량이 많아지면, P에 의한 경도상승이 오히려 기계적 가공성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하고, P이 편석원소로 작용하여 강판의 중앙부와 표면부의 조직편석을 유발하기도 하는 것이다.
이에, 본 발명자들은 강중 P의 함량에 따른 철손 및 자속밀도의 변화에 대해 조사한 결과, 도1(a),(b)에 나타난 바와 같이, 철손 및 자속밀도를 동시에 개선할 수 있는 P의 특정 함량이 존재한다는 것을 알 수 있었다. 본 발명에서는 철손 및 자속밀도를 함께 고려하여 상기 P의 함량범위를 0.001~0.005%로 관리한다. 그 이유는, 도1(a)에 나타난 바와 같이, 자속밀도는 P의 함량이 낮을수록 좋지만, P이 너무 낮게 함유되면 강중 O가 증가하고 미세한 석출물도 증가됨에 따라, 도1(b)에 나타난 바와 같이, 철손이 오히려 증가되기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따라, P의 함량을 0.001~0.005%로 관리하면, 도1(a),(b)에 나타난 바와 같이, 철손(W15/50)이 2.00~2.51W/kg이고 자속밀도(B50)가 1.67~1.72Tesla인 자성이 우수한 무방향성 전기강판을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명 성분계의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.
상기 C는 최종제품에서 자기시효를 일으켜 사용중 자기적 특성을 저하시키므로 슬라브에서는 0.01% 이하로 하고, 필요시 탈탄소둔을 실시하며, 최종제품에서는 0.003% 이하로 하는 것이 바람직하다. 일례로서, 탈탄소둔을 냉연판소둔 전에 추가할 수 있다.
상기 Si는 비저항을 증가시켜서 철손중 와류손실을 낮추는 원소로, 철손을 일정수준으로 향상하기 위해서는 1.5% 이상 첨가해야 한다. 그러나, 본 발명에서는 냉간압연성을 고려하여 4.0% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 Mn은 S와 결합하여 미세한 석출물인 MnS를 형성하므로 0.6% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 P은 철손을 낮추는 동시에 자속밀도를 높여서 자성특성의 향상에 기여하는 원소로서, 상기한 바와 같이, 그 함량을 0.001~0.005%로 관리하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 P의 함량이 0.005%를 초과하면 오히려, 기계적 가공성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하고, 또한 편석원소로 작용하여 강판의 중앙부와 표면부의 조직편석을 유발하여 자성을 열화시키기 때문이다. 반면, 그 함량이 0.001% 미만이면, 산소가 결합할 수 있는 P이 너무 적어 강중에 산소가 많아지게 되므로, 미세한 개재물이 증가하고 자성이 저하되는 문제가 있다.
상기 S는 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 자기특성에 나쁜 영향을 미치므로 가능한 낮게 함유되는 것이 유리한데, 본 발명에서는 0.005% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
상기 Al은 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는 역할을 하는 원소이나, 1.5% 이상 첨가되면 그 첨가량에 비해 자성의 향상정도가 작고 가격이 비싸기 때문에, 그 함량을 1.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.2~1.5%로 첨가하는 것인데, 그 이유는 상기 Al이 0.2% 미만으로 첨가되면 미세한 석출물이 많이 발생될 수도 있기 때문이다.
상기 N은 미세하고 긴 AlN 석출물을 형성하므로 가능한한 억제하여야 하는데, 본 발명에서는 0.004% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
상기 O는 강중 거의 모든 원소와 결합하여 산화물을 형성시키는데, 이러한 산화물이 많으면 자성이 열화되므로, 본 발명에서는 상기 O의 함량을 0.003% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.
상기와 같이 조성되는 강슬라브는, 제강에서 용강으로 된 후 연속주조공정으로부터 제조된 슬라브로서, 열간압연전 가열로로 장입되어 가열된 후 열간압연되는데, 상기 가열시 가열온도는 1200℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 가열온도가 1200℃ 를 초과하면, AlN과 MnS 등 자성에 해로운 석출물이 재용해되어 열간압연후 미세하게 석출될 수 있기 때문이다.
그 다음, 550℃~650℃의 온도범위에서 열연판을 권취하고, 공기중에서 코일상태로 냉각하는데, 상기 열연판 권취온도가 550℃ 미만이면, 석출물들이 미세하게 석출되어 결정립 성장이 억제되므로 자성이 열화하고, 반대로 그 온도가 650℃ 보다 높으면 잔류응력이 부족하여 결정립 성장을 위해 열연판소둔시 소둔온도를 높게 설정해야 하는 문제가 있다.
상기와 같이 권취냉각된 열연판은 900℃~1150℃의 온도범위에서 열연판소둔을 실시하는 것이 바람직한데, 그 이유는 900℃ 미만에서 소둔할 경우 그 효과가 적으며, 1150℃이상에서 실시하면 판형상이 나빠질 수 있기 때문이다.
그 후, 냉간압연은 통상의 방법으로 행할 수 있는데, 1회 냉간압연으로 하거나, 혹은 중간소둔을 포함한 2회 냉간압연으로 실시할 수 있다.
상기와 같이 냉간압연판의 소둔은, 900~1100℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 소둔온도가 900℃ 미만이면 결정립성장이 미흡하고, 1100℃ 보다 소둔온도가 높으면 냉연판 표면온도가 지나치게 높아서 판 표면에 표면결함이 발생되어 자기적 특성이 나빠질 수 있는 문제가 있기 때문이다. 이 때, 소둔분위기는 수소, 질소 또는 그 혼합분위기로 할 수 있다.
한편, 슬라브 성분중 C가 높은 경우에는 냉연판소둔 전에, 탈탄소둔을 할 수 있다.
그 후 소둔판은 절연피막처리후 수요가로 출하되는데, 절연피막은 유기질 또는 무기질 및 유무기복합피막으로 처리할 수도 있으며, 기타 절연이 가능한 피막제를 입힐 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예1)
하기 표1과 같은 성분을 갖는 강슬라브를 제조하고, 제조한 슬라브들을 1150℃에서 2시간 가열하고, 2.0mm로 열간압연한 후 공기중에서 권취하여 냉각하였다. 냉각된 열연판을 하기 표2에 나타난 조건에 따라, 7분간 열연판소둔하고, 산세, 냉간압연, 및 냉연판소둔하였다. 상기 냉연판소둔은 수소30%와 질소70%의 분위기하에서 1분간 실시하였다. 그 다음, 소둔판을 절단하고 자기적 특성 및 결정립크기를 조사하여 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.
강종 구성성분(wt%)
C Si Mn P S Al N O
발명강a 0.003 3.20 0.17 0.0025 0.0015 1.14 0.0021 0.0010
발명강b 0.004 3.15 0.16 0.0045 0.0020 1.17 0.0015 0.0009
비교강a 0.003 3.20 0.17 0.0100 0.0020 1.18 0.0020 0.0012
비교강b 0.003 3.17 0.16 0.0050 0.0018 1.17 0.0047 0.0035
비교강c 0.003 3.16 0.17 0.0007 0.0020 1.20 0.0018 0.0040
구분 사용강종 제조조건 측정결과
열연판권취온도(℃) 열연판소둔온도(℃) 냉연판소둔온도(℃) 철손(W15/50)W/kg 자속밀도(B50)Tesla 결정립크기(㎛)
발명재1 발명강a 640 1100 1050 2.35 1.707 155
발명재2 620 1030 1030 2.25 1.701 160
발명재3 560 950 1000 2.36 1.680 145
발명재4 발명강b 560 1030 1030 2.30 1.692 150
비교재1 560 850 1030 2.67 1.695 120
비교재2 560 1000 850 2.60 1.67 125
비교재3 700 1000 1030 2.57 1.65 130
비교재4 비교강a 620 1030 1030 2.52 1.67 135
비교재5 비교강b 620 1030 1030 2.64 1.64 102
비교재6 비교강c 620 1030 1030 2.67 1.65 95
*W15/50: 50Hz에서 1.5Tesla로 자화했을 때 발생되는 손실*B50: 50Hz에서 5000A/m로 자기장을 부가했을 때 유기되는 자속밀도
상기 표2에 나타난 바와 같이, 발명강(b)로 제조된 비교재(1)은 열연판 소둔온도가 낮고, 비교재(2)는 냉연판 소둔온도가 지나치게 낮아서 결정립성장이 모두 저조하였다. 또한, 비교재(3)은 권취온도가 높아서 철손이 높고 자속밀도가 낮아 자성특성이 불량하였다.
제조조건은 본 발명범위를 만족시키지만, 강종이 비교강인 비교재(4),(5), 및 (6)도 본 발명재 대비 열화한 자성특성을 나타내었다.
한편, 본 발명의 발명재(1)~(4)는 모두 결정립 크기가 크고, 우수한 자성특성을 나타냄을 알 수 있다.
(실시예2)
중량%로, C: 0.003%, Si: 1.9%, Mn: 0.40%, P: 0.0032%, S: 0.0010%, Al: 0.75%, N: 0.0009%이고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 슬라브를 1130℃로 가열한 후 열간압연하여 2.2mm의 두께로 열간압연하고, 580℃온도에서 권취한 후 열연판을 1050℃에서 15분간 소둔하였다. 냉각된 열연판은 산세후 0.5mm의 두께로 냉간압연하였다. 냉연판은 1000℃에서 2분간 수소60%와 질소 40%의 분위기에서 소둔하였다. 소둔후 연속하여 유무기혼합의 절연피막을 입힌 후 절단하였다. 그 후, 자기적 특성 및 결정립크기를 조사한 결과, 자기적 특성중 철손(W15/50)은 2.51W/kg, 자속밀도(B50)은 1.72Tesla, 그리고 결정립크기는 132㎛였다.
(실시예 3)
중량%로, C: 0.004%, Si: 3.35%, Mn: 0.15%, P: 0.0032%, S: 0.0008%, Al: 1.35%, N: 0.0012%, O: 0.0009%이고 잔부 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 슬라브를 1150℃로 가열한 후 1.8mm의 두께로 열간압연하고, 620℃ 온도로 권취한 후 질소분위기하 1020℃에서 20분간 유지한 다음 로냉하였다. 로냉된 열연판은 중간소둔을 포함한 2회 냉간압연하여 최종두께를 0.5mm으로 하였다. 그 다음, 냉연판은 질소 50%, 수소50%의 건조분위기에서, 1000℃에서 30초간 소둔하였다. 소둔후 연속하여 유무기혼합의 절연피막을 입힌 후 절단하였다. 그 후, 자기적 특성 및 결정립크기를 조사한 결과, 자기적 특성중 철손(W15/50)은 2.01W/kg, 자속밀도(B50)은 1.69Tesla, 그리고 결정립크기는 135㎛였다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 강중 불순물 원소의 성분함량을 제어하고, 제조조건을 최적화함으로써, 자기적 특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.
도1(a)는 P함량에 따른 자속밀도의 변화를 나타내는 그래프
도1(b)는 P함량에 따른 철손변화를 나타내는 그래프

Claims (3)

  1. 중량%로, C: 0.01% 이하, Si: 1.5~4.0%, Mn: 0.6% 이하, P: 0.0010~0.005%, S: 0.0050% 이하, Al: 1.5% 이하, N: 0.0040% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 자성이 우수한 무방향성 전기강판.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무방향성 전기강판에는 O가 0.0030% 이하로 함유되는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판.
  3. 제1항 또는 제2항과 같이 조성되는 슬라브를 1200℃ 이하의 온도로 재가열한 후 열간압연하고, 550~650℃ 온도로 권취하고, 900~1150℃의 온도에서 열연판소둔하고, 산세한 다음, 1회 냉간압연이나 혹은 중간소둔을 포함한 2회 냉간압연을 실시한 다음, 900~1100℃ 온도에서 냉연판을 소둔하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법.
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