KR100940719B1

KR100940719B1 - 응력제거 소둔 후 자속밀도 특성이 우수한 무방향성전기강판의 제조방법

Info

Publication number: KR100940719B1
Application number: KR1020020082839A
Authority: KR
Inventors: 이청산
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2010-02-08
Also published as: KR20040056260A

Abstract

본 발명은 제강시 Ti함량을 엄격하게 낮은 수준으로 관리하지 않더라도 열연코일 권취온도를 Ti함량에 따라 제어함으로써 수요가 가공에 이은 응력제거소둔 후 자속밀도 특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로 0.005% 이하의 C, S:0.0005~0.005%, N:0.0005~0.005%, Si:0.1∼1.5%, Al:0.1~1.0%, Mn:0.1~1.0%, Ti:0.0011~0.0110% 및 잔부의 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도범위에서 재가열하고, 1.8~3.0mm두께로 열간압연한 후 열간압연한 후 700∼800℃온도범위에서 Ti함량에 따라 제어된 온도, Tc=1200+100×log(T/110)±10℃ [여기서 Tc:적정 권취온도, T:Ti함량(중량%)]로 열연코일을 권취한 다음, 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연한 다음, 600∼800℃ 온도범위에서 30∼300초동안 소둔하고, 이어서 수요가 가공 후 700∼850℃온도에서 응력제거소둔하는 것을 특징으로 한다.

무방향성전기강판, 자속밀도, 응력제거소둔

Description

응력제거소둔 후 자속밀도 특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법{Method for manufacturing non-oriented electrical steel sheet having higher magnetic induction after stress relief annealing}

본 발명은 응력제거소둔 후 자속밀도가 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간압연판소둔과 경압연(Skin-Pass) 과정을 거치지 않고서도 응력제거소둔 후 자속밀도가 높은 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) 제품dmf이 그것이다. 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. 한편, 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 높이고 소형화하려는 추세에 따라 철심재료인 전기강판에 있어서도 자속밀도특성이 우수한(자속밀도가 높은) 제품에 대한 욕구가 점차 증가되고 있는 실정이다. 특히 모터 등의 회전기기의 고속화를 위해서는 자속밀도의 향상이 매우 중요한 관건이 된다.

이에 본 발명자 등은 한국특허출원 2000-82818호에 Si, Al, Mn, Ni 등을 함유한 응력제거소둔 후 자기특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 제안한 바 있다. 그러나, 이는 고가인 Ni을 첨가하는 것을 필수로 하며, Si을 다량으로 첨가해야 하므로 높은 자속밀도가 얻어지지 않는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위한 방법을 제공하고자 한국특허출원 2001-82121호에 제강시 Ni을 첨가하지 않음과 동시에 Si함량을 대폭 저감하고 제어된 온도에서 슬라브 재가열 및 열간압연판 권취를 행함으로써 자속밀도특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 제안한 바 있다.

그러나 이 방법의 경우는 강중 불순물로 혼입되는 Ti의 함량이 0.001%이하로 함유될 경우에는 문제가 없지만, 0.001%를 초과하는 경우는 자속밀도가 대폭 열화되는 단점을 최근 발견하였다. 통상 고로법으로 제작되는 용강중에는 Ti이 극미량 함유되어 있지만 Fe-Si 및 금속 Al 등의 합금재료로부터 강중으로 혼입되므로 Ti을 0.001%이하로 낮추기 위해서는 고순도의 합금재료를 사용해야 하므로 제조원가가 상승하게되는 문제점이 있다.

또한, 고순도 합금재료를 사용하여 Ti을 저감시켰을 경우에도, S를 0.005%이하로 제어하기 위해 용강의 버블링(Bubbling) 조업을 행하게 되면, 슬래그중의 Ti이 용강으로 다시 녹아 들어가는 현상 때문에 Ti의 함량을 0.001%이하로 제어하는 것은 공업적으로 매우 어려운 기술이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 응력제거소둔 후 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판을 더욱 간소화된 방법에 따라 제조하여, 용강중 통상수준의 Ti을 함유하는 경우에도 응력제거소둔후 자속밀도 특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자속밀도 특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법은, 중량%로 0.005% 이하의 C, S:0.0005~0.005%, N:0.0005~0.005%, Si:0.1∼1.5%, Al:0.1~1.0%, Mn:0.1~1.0%, Ti:0.0011~0.0110% 및 잔부의 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도범위에서 재가열하고, 1.8~3.0mm두께로 열간압연한 후 열간압연한 후 700∼800℃온도범위에서 Ti함량에 따라 제어된 온도, Tc=1200+100×log(T/110)±10℃ [여기서 Tc:적정 권취온도, T:Ti함량(중량%)]로 열연코일을 권취한 다음, 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연한 다음, 600∼800℃ 온도범위에서 30∼300초동안 소둔하고, 이어서 수요가 가공 후 700∼850℃온도에서 응력제거소둔하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 Ti함량을 극미량(0.001%이하)으로 제어하기 어려운 통상의 경우에도 열간압연후 열연코일 권취온도를 Ti함량에 따라 제어함으로써 열간압연 후 열간압연판소둔을 하지 않아도, 수요가 가공후의 응력제거소둔시 바람직한 집합조직을 갖은 결정립이 발달되어 자속밀도 특성이 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 바람직하므로 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:0.1~1.5%

Si의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 1.5% 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 Ti은 제강시 또는 열간압연공정 중에 TiC를 형성하여 열간압연판 결정립을 미세화시키며, 또한 냉간압연판 소둔시 재결정에 영향을 미쳐 자기특성에 유리한 (200) 및 (110)면의 강도를 감소시키는 원소로 가급적 그 함량이 낮을수록 우수한 자속밀도 특성을 얻는 데 유리하다.

그러나 0.0011%미만으로 극미량 함유된 경우에는 본 발명의 특징인 Ti함량에 따른 열연코일 권취온도의 제어에 의한 자속밀도 개선 효과가 미약하며, 0.011%를 초과하는 경우에는 열연코일의 에지크랙(Edge Crack)이 과다하게 발생하여 실수율이 감소하므로, 본 발명의 경우 Ti의 함량은 0.0011~0.011%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 양호한 집합조직의 형성을 위해 700℃ 이상의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 이후 공기중에서 코일상태로 냉각하거나, 보다 바람직하게는 로냉한다.

한편, 본 발명자 등은 다수의 실험결과 열연코일 권취온도는 TiC 석출물의 성장거동에 영향을 미쳐 응력제거소둔후의 집합조직을 변화시킴으로써 자속밀도 특성이 달라지게 되는 것을 발견하였다. Ti함량이 많은 경우에는 권취온도가 높을수록 우수한 자속밀도 특성이 얻어지는 반면, Ti함량이 적은 경우에는 소둔온도가 너무 높게 되면 과도한 표면산화에 의해 자속밀도가 열화되는 것을 발견하였으며, 이에 근거하여 적정한 권취온도는 Ti함량에 의해 아래 관계식1에 의해 제어된 온도에서 행하는 것이 바람직하다는 결론을 얻었다.

(관계식1)

Tc=1200+100×log(T/110)±10℃

여기서 Tc:적정 권취온도, T:Ti함량(중량%)

적정 권취온도가 Ti함량에 따라 달라지는 점을 설명하면 다음과 같다. Ti은 TiC 석출물을 형성하여 냉간압연전 결정립도 및 냉연판 소둔시 재결정거동에 영향을 미침으로써 집합조직의 형성에 영향을 미친다. 본 발명과 같이 Ti이 일정량이상으로 함유될 때 형성되는 TiC는 냉연판 소둔 후 자기특성에 유리한 (200)면강도를 감소시키는 결과 응력제거소둔판의 자속밀도를 열화시킨다.그러나 본 발명자등은 권취온도를 높이게 되면 TiC가 조대하게 성장하여 (200)면강도가 감소되지 않는 것을 발견하였다.

즉, TiC의 조대화를 위해서는 권취온도를 높일수록 바람직하지만, 권취온도가 너무 높게 되면 열연코일의 표층부에 내부산화층(Internal Oxydation Layer)이 증가하여 자구(Magnetic Domain) 이동이 억제되는 결과 TiC의 조대화에 의한 잇점이 상쇄되어 오히려 자속밀도가 감소하는 결과가 얻어졌다. 따라서 집합조직은 P가 입계에 편석되어 응력제거소둔시 입성장을 억제하는 결과 철손특성이 열화된다.

따라서 Ti함량이 많은 경우에는 권취온도를 높여 TiC의 폐해를 감소시키는 것이 중요한 반면, Ti함량이 적은 경우에는 TiC의 영향에 비해 표층부 산화에 의한 영향이 지배인자가 되므로 TiC에 기인된 폐해가 크게 나타나지 않는 한도내에서 권취온도를 낮추는 것이 보다 향상된 자속밀도 특성을 얻을 수 있는 조건이 된다는 것으로 정리할 수 있다.

[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, 소둔 온도가 600℃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, 600∼800℃온도에서 소둔하는 것이 바람직하다.

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 1180℃의 온도에서 가열하고 870℃의 마무리압연 온도조건으로 열간압연하여 2.0mm두께로 열간압 연 코일을 만든 후, 하기 표2에 나타낸 바와 같이 권취한 후 공기중에서 냉각하였다. 냉각권취된 열연코일은 열간압연판 소둔을 행하지 않고 산세만 한 후 0.5mm두께로 냉간압연한 다음, 하기 표2에 나타낸 바와 같이 750℃의 온도에서 최종소둔하였다. 최종소둔분위기는 수소 25%와 질소75%의 분위기였다. 소둔판은 유무기복합의 절연피막을 입힌후 절단후 780℃의 온도에서 1시간30분간 비산화성분위기로 응력제거소둔을 실시한 다음, 자기특성 및 (200)면강도를 조사하고 그 결과를 하기표2에 나타내었다. 이때, 철손, W_15/50은 50Hz의 교류에서 철심에 1.5Tesla의 자속밀도를 유도하였을 때 열 등으로 소모되는 에너지 손실량이며, 자속밀도, B₅₀은 5000A/m의 여자력에서 유기되는 값이며, 면강도는 호르타(Horta)식에 의한 집합조직강도로 그 정도를 나타내었는데, (200)면강도가 증가할수록 자화가 용이해져 자속밀도 특성이 개선되는 것이다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 발명재(1-4)가 비교재(1-8)에 비해 자속밀도 특성이 우수함을 알 수 있었다.

구체적으로 설명하면, 비교재(1,3,5,7)은 적정 권취온도를 초과한 경우로서, TiC의 조대화에 의한 잇점보다 표층부 산화층의 과다 형성에 의한 악영향이 더 크게 나타나는 결과 응력제거소둔후 (200)면강도가 낮았기 때문에 자속밀도 특성이 열화되었으며, 비교재(2,4,6,8)은 적정 권취온도에 못미친 경우로서 TiC의 조대화가 제대로 이루어지지 않아 응력제거소둔후 (200)면강도가 감소한 결과 우수한 자속밀도 특성이 얻어지지 않았다.

또한 비교재(9,10)은 강성분중 Ti함량이 본 발명범위 미만인 경우로서 Ti함량에 따른 적정 온도에서 권취를 하더라도 보다 개선된 자속밀도 특성이 얻어지지 않았으며, 특히 적정 권취온도가 700℃미만인 비교재9의 경우는 높은 (200)면강도의 집합조직이 형성되지 않기 때문에 우수한 자속밀도 특성이 얻어지지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 강중 Ti이 극미량으로 제어되지 않는 경우에(0.0011%Ti이상) 응력제거소둔후 자속밀도 특성이 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

중량%로 0.005% 이하의 C, S:0.0005~0.005%, N:0.0005~0.005%, Si:0.1∼1.5%, Al:0.1~1.0%, Mn:0.1~1.0%, Ti:0.0011~0.0110%, 잔부의 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도범위에서 재가열하고, 1.8~3.0mm두께로 열간압연한 후 열간압연한 후 700∼800℃온도범위에서 Ti함량에 따라 제어된 온도, Tc=1200+100×log(T/110)±10℃ [여기서 Tc:적정 권취온도, T:Ti함량(중량%)]로 열연코일을 권취한 다음, 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연한 다음, 600∼800℃ 온도범위에서 30∼300초동안 소둔하고, 이어서 수요가 가공 후 700∼850℃온도에서 응력제거소둔하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 응력제거소둔후 자속밀도 특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법.