KR100940714B1 - 응력제거소둔 후 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강시 P함량을 엄격하게 낮은 수준으로 관리하지 않더라도 냉연판 소둔온도를 P함량에 따라 제어함으로써 수요가 가공에 이은 응력제거소둔 후 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로 0.005% 이하의 C, S:0.005% 이하, N:0.005% 이하, Si:0.1∼1.0%, Al:0.1~1.0%, Mn:0.1~1.0%, P:0.016~0.160% 및 잔부의 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도범위에서 재가열하고, 1.8~3.0mm두께로 열간압연한 후 600∼800℃온도범위에서 열연코일을 권취한 다음, 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연한 다음, 700∼800℃ 온도범위에서 P함량에 따라 제어된 온도, Ta=400-100xlog(P/160)±5℃ [여기서 Ta:적정 냉연판 소둔온도, P:P함량(중량%)]에서 30∼300초동안 소둔하고, 이어서 수요가 가공 후 700∼850℃온도에서 응력제거 소둔하는 것을 하는 것을 특징으로 한다.

무방향성전기강판, 철손, 응력제거소둔

Description

응력제거소둔 후 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법 {Method for manufacturing non-oriented electrical steel sheet having low core loss after stress relief annealing}

본 발명은 응력제거소둔 후 철손이 낮은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간압연판소둔과 경압연(Skin-Pass) 과정을 거치지 않고서도 응력제거소둔 후 철손 특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

무방향성 전기강판은 뛰어난 자기특성을 가지고 있으므로 각종 모터, 소형변압기, 안정기 등의 전기기기의 철심재료로 널리 사용되고 있으며, 수요가가 가공후에 응력제거소둔을 반드시 실시해야만 하는 세미프로세스(Semi-Process) 제품과 수요가가 응력제거소둔을 할 필요가 없는 풀리프로세스(Fully-process) 제품으로 크게 구분된다.

상기 세미프로세스 제품은 통상 제강 →연속주조 → 슬라브 재가열 →열간압연 →권취 →열연판소둔 → 냉간압연 → 소둔 → 경(Skin-Pass)압연 → 절연코팅의 제조공정으로 변형을 받은 상태로 출하되므로 수요가는 제품을 구입하여 원하는 형상으로 제품을 가공한 후에는 그 제품에 맞는 자기특성을 얻기 위하여 응력제거소둔을 실시해야한다.

또한, 풀리프로세스 제품은 제강 →연속주조 →슬라브 재가열 →열간압연 →권취 →열연판소둔 → 냉간압연 → 최종소둔 → 절연코팅의 제조공정을 통하여 변형이 해소된 상태로 출하되므로 수요가가 응력제거소둔을 하지 않고 사용할 수 있는 장점을 갖는다.

최근 에너지절약의 차원에서 전기기기의 효율을 높이려는 추세에 따라 철심재료인 전기강판에 있어서도 철손특성이 우수한(철손이 낮은) 제품에 대한 욕구가 점차 증가되고 있는 실정이다. 일반적으로 철손은 철심의 무게(㎏)당 전기적 손실(Watt), 즉, 특정 자속밀도 및 주파수에서 발열 등으로 나타나는 전기에너지 손실로서 W/㎏으로 표시한다. 따라서, 철손이 낮은 철심 소재일수록 고효율 전기기기를 제작하는 데 바람직하다.

이에 본 발명자 등은 저철손을 갖는 무방향성 전기강판을 제공하고자 한국특허출원 2000-82818호에 Si, Al, Mn, Ni 등을 함유한 응력제거소둔 후 우수한 철손특성을 갖는 무방향성 전기강판의 제조방법을 제안한 바 있다.

그러나, 이는 고가인 Ni을 첨가하는 것을 필수로 하며, Si을 다량으로 첨가해야 하므로 제조원가가 상승하게 되며, 아울러 강판의 강도 및 취성의 증가로 인해 타발성이 열화되는 문제점이 있다. 타발성이 좋지 않으면 수요가 가공시 금형의 마모 및 파손율이 증가하여 가공비용이 급증하게 되는 문제점을 유발하게 된다.

이에, 본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위한 방법을 제공하고자 한국특허출원 2001-82121호에 제강시 Ni을 첨가하지 않음과 동시에 Si함량을 대폭 저감하여 제어함으로써 타발성을 개선하고, Ni 미첨가 및 Si 첨가량 저감에 따른 자기특성의 열화를 제어된 온도에서 슬라브 재가열 및 열간압연판 권취를 행함으로써 철손이 낮고 타발성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 제안한 바 있다.

그러나 이 방법의 경우는 강중 불순물로 혼입되는 P의 함량이 0.015%이하로 함유될 경우에는 문제가 없지만, 0.015%를 초과하는 양으로 첨가될 경우는 철손이 열화되는 폐단을 최근 발견하였다. 통상 고로법으로 제작되는 용강중에는 P가 다량 함유되어 있어 P 함량을 0.015%이하로 낮추기 위해서는 전로조업중 탈린공정을 추가해야 하므로 생산성이 감소하는 문제가 있다. 또한, 탈린공정에 의해 P를 저감시켰을 경우에도, S를 0.005%이하로 제어하기 위해 용강의 버블링(Bubbling) 조업을 행할 때, 슬래그중의 P가 용강으로 다시 녹아 들어가는 현상 때문에 P의 함량을 0.015%이하로 제어하는 것은 공업적으로 매우 어려운 기술이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 응력제거소둔 후 철손이 낮은 무방향성 전기강판을 더욱 간소화된 방법에 따라 제조하고자 하는 것으로서, 용강중 통상수준의 P를 함유하는 경우에도 타발 및 체결작업을 마친 후 응력제거소둔을 함으로써 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 철손 특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법은, 중량%로 0.005% 이하의 C, S:0.005% 이하, N:0.005% 이하, Si:0.1∼1.0%, Al:0.1~1.0%, Mn:0.1~1.0%, P:0.016~0.160%, 잔부의 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도범위에서 재가열하고, 1.8~3.0mm두께로 열간압연한 후 600∼800℃온도범위에서 열연코일을 권취한 다음, 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연한 다음, 700∼800℃ 온도범위에서 P함량에 따라 제어된 온도, Ta=400-100xlog(P/160)±5℃ [여기서 Ta:적정 냉연판 소둔온도, P:P함량(중량%)]에서 30∼300초동안 소둔하고, 이어서 수요가 가공 후 700∼850℃온도에서 응력제거소둔하는 것을 포함하여 구성된다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 P함량을 극미량(0.015%P이하)으로 제어하기 어려운 통상의 경우에도 냉간압연판 소둔시 소둔온도를 P함량에 따라 제어함으로써 열간압연 후 열간압연판소둔을 하지 않아도, 수요가 가공후의 응력제거소둔시 결정립 성장이 용이하게 되어 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제조할 수 있음을 연구와 실험을 통해 확인하고 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명은 크게 강 슬라브의 성분조성단계, 열간압연단계, 냉간압연단계, 소둔단계 및 응력제거소둔단계로 분류된다. 각 단계별 공정조건을 제어하여 열간압연판소둔 및 경압연을 생략하고서도 응력제거소둔 후 저철손 특성을 갖는 무방향성 전기강판을 제공하는데, 이하에서는 각 단계별로 작용 효과를 상세히 설명한다.

[강슬라브 성분조성 단계]

강 슬라브 제조를 위한 성분조성단계 전에는 통상적으로 제강, 용강 및 조괴 또는 연속주조공정이 선행된다. 먼저 제강단계에서 용강내에 C, N, S의 함유량을 낮게 제어하고 Si, Al, Mn 등을 적정량 부가한다. 이어 용강을 조괴 또는 연속주조공정을 행함으로써 적정량의 성분을 함유한 강 슬라브를 제조한다. 본 발명의 슬라브강의 구성성분 중 C, N, S는 결정립 성장을 방해하는 원소이므로 이미 제강단계에서 그 함유량을 낮게 제어하는 것이 필요하며, Si, Al, 및 Mn은 철손을 낮추기 위한 용도로 강내에 첨가한다. 그 조성범위 한정이유를 설명한다.

C: 0.005%이하

C는 과량 함유될 경우 본 발명의 전기강판 제조과정중에 탄화물(Carbide)을 형성하여 결정립 성장을 방해하며, 또한 전기기기의 철심으로 사용하는 중 자기시효를 일으켜서 자기적 특성을 저하시키는 경향이 있으므로 슬라브강내에 0.005 이하의 조성을 갖도록 함유하는 것이 바람직하다.

N:0.005%이하

N은 본 발명의 강판 제조과정중에 Al과 반응하여 AlN 석출물을 형성하여 입자성장을 억제시키는 경향이 있어 가능한한 최소량을 갖도록 하는 것이 바람직하므 로 본 발명의 경우 0.005% 이하의 조성을 갖도록 함유하는 것이 바람직하다.

S:0.005%이하

상기 C 및 N과 더불어, S는 Mn과 반응하여 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 결정립 성장을 억제시키는 경향이 있어 가능한한 최소량을 갖도록 하는 것이 중요하므로 본 발명의 경우 0.005% 이하의 조성을 갖도록 함유하는 것이 바람직하다.

Si:0.1~1.0%

Si의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 1.0% 초과인 경우에는 우수한 자속밀도를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 타발성이 열화되므로 수요가 금형마모율이 증가하여 좋지 않다.

Al:0.1~1.0%

Al은 0.1% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 1.0% 초과인 경우에는 냉간압연성을 해치게 되어 나쁘다.

Mn:0.1~1.0%

Mn의 경우도 0.1% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 1.0% 초과인 경우에는 롤 하중이 증가하여 냉간압연성이 열화되므로 바람직하지 않다.

상기 성분외에 강내에는 Fe 및 기타 불가피한 불순물들이 함유되어 있다. 제강중 강내에 불순물로 함유되는 P는 결정립계에 편석되어 결정립 성장을 억제함으로써 철손을 열화시키는 원소로 가급적 그 함량이 낮을수록 철손특성에 유리하다. 그러나 0.016%미만으로 극미량 함유된 경우에는 본 발명의 특징인 P함량에 따른 냉연판 소둔온도의 제어에 의한 철손개선 효과가 미약하며, 0.16%를 초과하는 경우에는 취성이 증가하여 냉간압연성이 열화되므로 , 본 발명의 경우 P의 함량은 0.016~0.16%의 범위로 제한한다.

[열간압연단계]

상기 성분조성단계 이후 행하여지는 열간압연단계의 전처리과정으로서 상기 강 슬라브를 가열로에 장입하여 재가열하는데, 이때 열간압연이 용이하기 위해서는 강 슬라브의 재가열온도를 1050℃ 이상으로 하여야 하지만, 1250℃를 넘으면 AlN, MnS 등과 같은 철손특성에 해로운 석출물이 재용해되어 열간압연 후 미세한 석출물이 과도하게 발생하는 경향이 있다. 이러한 미세한 석출물은 결정립 성장을 방해하여 철손특성을 열화시키므로 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 경우 1050∼1250℃ 온도로 가열하는 것이 좋다.

상기와 같이 가열하여 열간압연하는데, 그 조업조건은 통상의 방법에 따라 행해지며, 이때 열간압연판의 산화층이 과다하게 발생하지 않도록 하기 위해서는 마무리압연온도는 800∼950℃로 조절하는 것이 바람직하다. 열간압연판 두께는 1.8mm 미만인 경우는 열간압연판 형상이 불량해지므로 바람직하지 않으며, 3.0mm를 초과하는 경우는 양호한 집합조직을 얻을 수 없어 자속밀도가 열화되므로 좋지 않다.

이어, 열간압연판 권취는 열간압연판에 산화층이 과도하게 발생되지 않도록 800℃ 이하의 온도에서 행하되 열간압연판의 결정립 성장을 위해 600℃ 이상의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 이후 공기중에서 코일상태로 냉각하거나, 보다 바람직하게는 로냉한다.

[냉간압연단계]

이어, 상기 열간압연판은 열간압연판소둔을 행하지 않고 산세 후 바로 냉간압연 단계를 행한다. 이때 64% 미만의 압하율로 압연하는 경우 압연 생산성이 감소하므로 64%이상의 압하율로 1회 압연하는 것이 바람직하다. 이 때, 냉간압연 두께는 0.20mm미만인 경우 소둔후 자성에 불리한 집합조직인 (111)면 강도가 증가하여 자속밀도가 감소하므로 바람직하지 않으며, 0.65mm를 초과하는 경우에는 판두께의 증가에 따라 와전류손실(eddy current loss)이 증가하여 총 철손이 증가하게 되므로 좋지 않다.

[소둔단계]

상기 방법에 따라 제조된 냉간압연판은 이어 행하여지는 소둔단계에서, 소둔온도가 700℃보다 낮으면 재료내에 압연조직이 과도하게 잔류하여 수요가 가공시 가공이 어렵고, 800℃보다 높으면 재료내의 잔류응력이 없어져서 수요가가 응력제거 소둔후 강판의 자기적 특성 개선율이 낮게 되는 단점이 있으므로, 700∼800℃온도에서 소둔하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명자 등은 다수의 실험결과 냉간압연판 소둔온도는 응력제거소둔시의 입성장 및 집합조직 형성에도 영향을 미치게 됨을 발견하였다. P함량이 많은 경우에는 소둔온도가 낮을수록 우수한 철손특성이 얻어지는 반면, P함량이 적은 경우에는 소둔온도가 높을수록 보다 향상된 철손특성이 얻어지는 것을 발견하였으며, 이에 근거하여 적정한 소둔온도는 P함량에 의해 아래 관계식1에 의해 제어된 온도에서 소둔하는 것이 바람직하다는 결론을 얻었다.

(관계식1)

Ta=400-100×log(P/160)±5℃

여기서 Ta:적정 냉연판 소둔온도, P:P함량(중량%)

적정 소둔온도가 P함량에 따라 달라지는 점을 설명하면 다음과 같다. P는 입계편석에 의해 응력제거소둔시의 입성장 및 집합조직의 형성에 영향을 미친다. 본 발명과 같이 P가 일정량이상으로 함유되는 경우 소둔시 P가 입계에 편석되어 응력제거소둔시 입성장을 억제하는 결과 철손특성이 열화된다. 따라서 P의 입계 편석량을 감소시키기 위해서는 소둔온도를 낮게 가져갈 필요가 있다. 그러나 집합조직의 측면에서는 소둔온도가 높을수록 유리하게 된다. 그것은 소둔온도가 증가하게 되면 강판의 초기 승온속도가 증가하여 응력제거소둔시 자기특성에 불리한 (111)면의 강 도가 감소하기 때문이다.

이상을 종합해 보면 P함량이 많은 경우에는 소둔온도를 낮춰 편석의 폐해를 감소시키는 것이 중요한 반면, P함량이 적은 경우에는 입계편석에 의한 폐해가 크게 나타나지 않는 한도내에서 오히려 소둔온도가 높을수록 보다 향상된 철손특성이 얻어지는 것으로 결론지을 수 있다.

상기 소둔단계에서 소둔한 강판은 경(Skin-Pass) 압연 단계를 거치지 않고 바로 유기질, 무기질 및 유무기복합피막으로 처리하거나 기타 절연가능한 피막제를 입혀 절연피막처리후 수요가로 출하되며, 수요가는 원하는 형상의 제품으로 타발한다.

[응력제거소둔단계]

이후 잔류응력을 제거하기 위한 수요가 열처리과정인 응력제거소둔단계는, 온도가 700℃보다 낮으면 강판내 잔류응력이 잔존할 수 있으며, 850℃보다 높으면 절연피막이 손상될 수 있으므로 본 발명의 경우 700∼850℃온도로 조절하는 것이 바람직하다. 이러한 온도하에서 30분 이상 비산화성 분위기로 실시한다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

하기 표1과 같은 성분을 갖는 강슬라브를 제조하고, 이 강슬라브를 1150℃의 온도에서 가열하고 850℃의 마무리압연 온도조건으로 열간압연하여 2.0mm두께로 열 간압연판을 만든 후, 700℃의 온도에서 권취후 공기중에서 냉각하였다.냉각권취된 열간압연판은 열간압연판 소둔을 행하지 않고 산세만 한 후 0.5mm두께로 냉간압연한 다음, 하기 표2에 나타낸 바와 같이 최종 소둔하였다.

최종소둔분위기는 수소 25%와 질소75%의 분위기였다. 소둔판은 유무기복합의 절연피막을 입힌후 절단후 780℃의 온도에서 1시간30분간 비산화성분위기로 응력제거소둔을 실시한 다음, 자기특성, 결정립도 및 (111)면강도를 조사하고 그 결과를 하기표2에 나타내었다. 이때, 철손, W15/50은 50Hz의 교류에서 철심에 1.5Tesla의 자속밀도를 유도하였을 때 열 등으로 소모되는 에너지 손실량이며, 자속밀도, B50은 5000A/m의 여자력에서 유기되는 값이며, 결정립도는 응력제거소둔한 시편의 단면을 연마한 후 3% 나이탈(Nital)로 에칭하여 이미지 어넬라이저(Image Analyzer)로 측정하였다. 면강도는 호르타(Horta)식에 의한 집합조직강도로 그 정도를 나타내었는데, (111)면강도가 감소할수록 자화가 용이해져 자기특성이 개선되는 것이다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 발명재(1-4)가 비교재(1-10)에 비해 철손특성이 우수함을 알 수 있었다. 구체적으로 설명하면, 비교재(1,3,5,7)은 적정 소둔온도를 초과한 경우로서, P의 입계편석량이 과다하여 응력제거소둔후 소둔판 결정 립도가 감소하게 되는 결과 철손이 열화되었으며, 비교재(2,4,6,8)은 적정 소둔온도에 못미쳐서 소둔된 경우로서 응력제거소둔후 (111)면강도가 증가하여 자속밀도가 감소하게 되는 결과 우수한 철손특성이 얻어지지 않았다.

또한 비교재8은 700℃이하에서 소둔되어 소둔판에 냉간압연시 부여된 잔류응력의 제거가 미흡한 결과 수요가 가공시 타발성이 불량하였다. 비교재(9,10)은 강성분중 P가 0.015%이하 함유된 것으로서 계산된 적정 소둔온도가 800℃를 초과하는 경우인데, 응력제거소둔후 결정립이 크게 성장하지 않아 우수한 철손특성이 얻어지지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 강중 P이 극미량으로 제어되지 않는 경우에(0.016P%이상) 응력제거소둔후 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 열간압연판소둔 및 경압연을 거치지 않고도 우수한 자기특성을 확보할 수 있어 제조공정이 단축되는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량%로 C : 0.005% 이하, S: 0.005% 이하, N: 0.005% 이하, Si: 0.1∼1.0%, Al:0.1~1.0%, Mn:0.1~1.0%, P:0.016~0.160%, 잔부의 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃ 온도범위에서 재가열하고, 1.8~3.0mm 두께로 열간 압연한 후 600∼800℃온도범위에서 열연코일을 권취한 다음, 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연한 다음, 700∼800℃ 온도범위에서 P함량에 따라 제어된 온도, Ta=400-100xlog(P/160)±5℃ {여기서 Ta:적정 냉연판 소둔온도, P:P함량(중량%)}에서 30∼300초동안 소둔한 다음, 수요가 가공 후 700∼850℃온도에서 응력제거소둔하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 응력제거소둔후 철손특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법.