KR101008152B1 - 브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법 - Google Patents

브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 허스롤 브러싱용 강판의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 허스롤 표면부에 견고히 부착된 이물질을 보다 짧은 시간내에 브러싱하여 청결하게 제거할 수 있는 브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 중량%로, C: 0.04~0.07%, Si: 2.5~4.0%, Mn: 0.5~0.25%, P: 0.03% 이하, S: 0.02% 이하, Al: 0.1% 이하, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 제조용 냉연강판을 방향성 전기강판의 고온소둔시의 분위기에 2.00~5.5Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하면서, 53~70℃의 이슬점온도 및 800~900℃의 질화처리온도에서 1~5분동안 질화처리하여 침질층을 형성시키는 단계; 및
소둔로내 분위기가 수소: 5~15부피%, 암모니아: 85~95부피%로 조성되도록 0.2~2.0Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하며, 소둔로 내 온도가 680~800℃, 이슬점온도가 5~40℃로 유지되는 소둔로에 상기 침질층이 형성된 강판을 10~15분 동안 장입하여 상기 침질층 상부에 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 브러싱강판의 표면을 질화처리하여 형성된 침질층 상단에 부착성 이 강하면서 표면거칠기가 적절히 형성된 별도의 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시킴에 의하여 허스롤 표면의 이물질을 짧은 시간 내에 보다 양호하게 제거할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020030038344
브러싱강판, 표면처리, 전기강판, 외부산화층, 침질층

Description

브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법{Method for surface treating brushing steel sheet having enhanced brushing effect}
도 1은 수평식 고온 소둔로에서 방향성 전기강판을 고온 소둔하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 브러싱 코일을 이용하여 소둔로 내 허스롤 표면부의 이물질을 제거한 후 허스롤(Hearth Roll) 상태를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 브러싱 코일을 이용하여 소둔로 내 허스롤 표면부의 이물질을 제거한 후 허스롤(Hearth Roll) 상태를 나타낸 사진이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1... 가변모터 2,3... 회전력 전달용 체인
4... 종동측 스프로킷 휠 5... 허스롤측 스프로킷 휠
6... 허스롤(Hearth Roll) 7... 브러싱강판
8... 이물질 9... 수평식 고온 소둔로
본 발명은 허스롤 브러싱용 강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기기기의 핵심부품인 각종 모터나 발전기등의 철심재료로 사용되는 전기강판용 고온 소둔로의 허스롤 표면부에 부착되는 이물질을 제거하는데 사용되는 브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 소형 변압기 코어 및 안정기등의 전기기기의 철심으로 사용되는 방향성 전기강판은 수요가 타발성 향상을 위해 글라스(Glass)피막을 제거한 후 절연코팅을 실시하게 된다.
한편, 방향성 전기강판의 중요한 특성 중의 하나는 철손이 낮다는 것이다. 전기강판의 철손은 와류손실과 이력손실로 이루어져 있으며, 철손을 낮추기 위해서는 와류손실과 이력손실을 낮추어야 한다.
상기 와류손실을 감소시키기 위한 방법으로는 비저항을 증가시키는 Si와 Al을 높이는 방법 및 두께를 얇게 하는 방법을 들 수 있다.
또한, 모든 방향성 전기강판에서는 층간 절연성을 확보하기 위해 베이스 코팅(Base Coating)을 하고 그 위에 절연코팅을 하게 되는데, 이중 베이스 코팅은 강판 표면위에 얇은 유리 필름을 형성시켜 절연성 확보에 크게 기여를 하게 된다.
또한, 이력손실을 감소시키기 위해서는 강판의 재질 특성인 결정립 크기를 크게 성장시키거나 청정도를 향상시키는 방법 등이 사용되고 있다.
일반적으로, 방향성 전기강판의 제조공정은 고온소둔 공정을 필요로 하게 된다. 상기 전기강판의 고온 소둔시 소둔로의 허스롤 표면에 이물질이 부착되는등 표면부 오염이 발생되게 된다. 상기와 같이 허스롤 표면부가 오염되는 경우에는 고온의 조건에서 진행되는 강판에 볼록한 이물질 마크등이 발생하게 된다. 상기와 같이 강판에 볼록한 이물질 마크등이 발생하는 경우에는 절연성 확보를 위해 도포되는 절연코팅시 공간부를 형성시켜 코팅용액의 부착성을 떨어뜨려 응력제거를 위한 예비 소둔처리 및 코어로 타발시 절연코팅층이 쉽게 박리되어 절연성 확보 및 와전류 손실방지를 달성하지 못하고, 전기강판을 코어 형태로 타발 가공하여 다수 개를 적층시켜 사용시 점적율(코어간 밀착성)이 현저히 떨어져 와류손실이 발생되는 등의 문제점이 발생된다.
따라서, 종래에는 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 도 1에 나타난 바와 같이 강판의 후미에 연결된 브러싱용 강판(7)을 고온 소둔로(9) 내에 투입시켜 온라인 정지후 고온 소둔로(9)내에 취부된 허스롤(6)의 회전 방향을 역 방향(강판의 진행방향과 반대 방향)으로 10~20mpm의 저속으로 5~10분 동안 공회전시켜 허스롤(6)의 표면부와 접촉되어 있는 브러싱용 강판(7)과의 접촉마찰력으로 허스롤 표면에 부착되어 있는 이물질(8)을 허스롤 표면으로부터 분리, 제거하였다.
도 1에서 부호 1은 "가변모터"를 나타내고, 부호 2 및 3은 "회전력 전달용 체인"을 나타내고, 부호 4는 "종동측 스프로킷 휠"을 나타내고, 그리고 부호 5는 "허스롤측 스프로킷 휠"을 나타낸다.
상기와 같이 고온 소둔로의 허스롤 표면에 부착되어 있는 이물질을 제거하기 위하여 사용되는 종래의 브러싱용 강판은 표면에 질화층이 단단하게 형성되어 있어 연화가 쉽게 발생되지 않고, 브러싱용 강판으로 재사용시 소둔로내에서 장력제어가 가능하며, 브러싱 작업 중 쉽게 연신되지 않아 소둔로내 판 파단 및 조기에 스크랩 처리되는 문제점은 해결되었다. 그러나, 상기 종래의 브러싱용 강판은 허스롤 표면부에 부착되는 이물질을 완벽하게 제거할 수는 없었으며, 원하는 수준으로 이물질을 제거하기 위하여 반복적으로 브러싱해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고온 소둔로내에 투입되는 브러싱용 강판표면을 질화처리하여 표면을 강화시킨 다음 그 위에 단단하면서 부착성이 강한 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시킴으로써 허스롤 표면부에 견고히 부착된 이물질을 보다 짧은 시간내에 브러싱하여 청결하게 제거할 수 있는 브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 중량%로, C: 0.04~0.07%, Si: 2.5~4.0%, Mn: 0.5~0.25%, P: 0.03% 이하, S: 0.02% 이하, Al: 0.1% 이하, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 제조용 냉연강판을 방향성 전기강판의 고온소둔시의 분위기에 2.00~5.5Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하면서, 53~70℃의 이슬점온도 및 800~900℃의 질화처리온도에서 1~5분동안 질화처리하여 침질층을 형성시키는 단계; 및
소둔로내 분위기가 수소: 5~15부피%, 암모니아: 85~95부피%로 조성되도록 0.2~2.0Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하며, 소둔로 내 온도가 680~800℃, 이슬점온도가 5~40℃로 유지되는 소둔로에 상기 침질층이 형성된 강판을 10~15분 동안 장입하여 상기 침질층 상부에 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 중량%로, C: 0.04~0.07%, Si: 2.5~4.0%, Mn: 0.5~0.25%, P: 0.03% 이하, S: 0.02% 이하, Al: 0.1% 이하, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 제조용 냉연강판을 출발소재로 하며, 이 냉연강판은 본 발명이 적용되는 방향성 전기강판의 조성과 동일한 조성을 갖는다.
상기와 같이 조성되는 냉연강판을 방향성 전기강판의 고온 소둔분위기에 2.00~5.5Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하면서, 53~70℃의 이슬점온도 및 800~900℃의 질화처리온도에서 1~5분동안 질화처리하여 침질층을 형성시킨다.
상기 방향성 전기강판의 고온 소둔분위기는 방향성 전기강판을 제조하는데 이용되는 소둔로 분위기이면 어느 것이나 가능하다. 대표적인 예로는 수소: 20~25 부피%, 질소: 70~75부피%가 있다.
상기 암모니아 가스의 투입량이 2.00Nm3/hr 미만이면 암모니아 가스로부터 분해되는 활성질소의 양이 적어 브러싱용 강판표면에 충분한 두께의 질화층이 형성되지 않으며, 5.5Nm3/hr를 초과하면 브러싱용 강판표면에 너무 두꺼운 질화층이 형성되어 강판이 쉽게 깨어질 수 있으므로, 상기 암모니아 가스의 투입량은 2.00~5.5Nm3/hr으로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 이슬점 온도가 53℃ 미만이면 강판표면에 글라스 피막 형성이 억제되어 산화층이 얇아지고, 70℃를 초과하면 분위기 가스내 수분이 과다하여 산화층 형성이 유리해지고 글라스 피막이 너무 두껍게 형성되어 브러싱 작업시 강판표면으로부터 박리되는 문제점이 발생할 수 있으므로, 상기 이슬점온도는 53~70℃로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 질화처리온도가 800℃ 미만이면 충분한 질화가 일어나지 않아 표면경화를 확보할 수 없고, 900℃를 초과하면 석출물이 조대해져 재질이 너무 연화되므로, 상기 질화처리온도는 800~900℃로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 질화처리 시간이 1분 미만이면 강판표면의 치밀한 산화층이 활성화 질소의 강판표면으로의 침투를 억제하여 충분한 질화층 형성이 어렵고, 5분을 초과하면 강판표면에 고온에서 생기는 FeO를 주성분으로 한 두껍고 성긴 산화층이 형성되어 활성질소가 강판으로 쉽게 확산되고 산화층이 두껍고 과도하게 발생되므로, 상기 질화처리 시간은 1~5분으로 제한하는 것이 바람직하다.
이후, 소둔로내 분위기가 수소: 5~15부피%, 암모니아: 85~95부피%로 조성되도록 0.2~2.0Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하며, 소둔로 내 온도가 680~800℃, 이슬점온도가 5~40℃로 유지되는 소둔로에 상기 침질층이 형성된 강판을 10~15분 동안 장입하여 상기 침질층 상부에 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시킨다.
상기 외부산화층(Fe2SiO4)의 형성은 다음과 같은 반응에 의한다.
2Fe + SiO2 + 2H2O → Fe2SiO4 + 2H2
상기 소둔로내 수소와 암모니아가 각각 5%, 85% 미만이면 침질층과 외부산화층(Fe2SiO4) 사이에 글라스 피막이 형성되지 않아 외부산화층(Fe2SiO4 )이 쉽게 박리되며, 15%, 95%를 초과하면 침질층과 외부산화층(Fe2SiO4) 사이에 글라스 피막이 너무 과다하게 형성되어 오히려 침질층과 외부산화층(Fe2SiO4)의 부착성을 감소시키므로, 상기 소둔로내 수소와 암모니아는 각각 5~15%, 85~95%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 암모니아 가스의 투입량이 0.2Nm3/hr 미만이면 침질층과 외부산화층(Fe2SiO4) 사이에 글라스 피막이 형성되지 않아 외부산화층(Fe2SiO 4)이 쉽 게 박리되며, 2.0Nm3/hr를 초과하면 침질층과 외부산화층(Fe2SiO4) 사이에 글라스 피막이 너무 과다하게 형성되어 오히려 침질층과 외부산화층(Fe2SiO4)의 부착성을 감소시키므로, 상기 암모니아 가스의 투입량은 0.2~2.0Nm3/hr으로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 소둔로내 온도가 680℃ 미만이면 침질층 상단에 형성되는 외부산화층(Fe2SiO4)이 너무 얇게 형성되어 최초 브러싱 작업시 전량 박리되는 문제가 발생되고, 800℃를 초과하면 브러싱 강판내 탄소가 확산되어 강판표면으로부터 표출되면서 기존에 형성된 침질층을 파괴하고 외부산화층(Fe2SiO4) 표면에 과도한 거칠기를 부여하게 되므로, 상기 소둔로내 온도는 680~800℃로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 이슬점 온도가 5℃ 미만이거나 소둔처리 시간이 10분 미만이면 외부산화층(Fe2SiO4)이 너무 얇게 형성되며, 이슬점 온도가 40℃를 초과하거나 소둔처리 시간이 15분을 초과하면 침질층 파괴 등의 문제점을 야기하므로, 상기 이슬점 온도는 5~40℃, 상기 소둔처리 시간은 10~15분으로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
중량%로, C: 0.04~0.07% , Si: 2.5~4.0%, Mn: 0.5~0.25%, P: 0.03%이하, S: 0.02% 이하, Al: 0.1% 이하, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 제조용 냉연강판을 2.00~5.5Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하면서, 53~70℃의 이슬점온도 및 800~900℃의 질화처리온도에서 1~5분동안 질화처리하여 침질층을 형성시켰다.
이후, 하기 표 1과 같은 조건으로 침질층 상부에 외부산화층을 형성시켰다. 상기와 같이 제조된 브러싱 강판을 소둔로내 오염된 허스롤 상단에 위치시켜 허스롤의 회전속도는 10~20mpm으로 하고, 그 회전방향을 강판의 진행방향과 역방향으로 하여 2~5분(종래는 5~10분)동안 허스롤 표면을 브러싱하여 브러싱강판의 표면거칠기, 허스롤 표면부 이물질 잔존여부, 브러싱강판 두께변화 및 브러싱 작업반복성을 조사하였으며, 그 결과는 하기 표 1, 도 2 및 도 3과 같다.
구분 암모
니아
주입량
(Nm3/hr)		 수소와 암모니아 혼합비(%) 외부
산화층
형성시간
(분)		 이슬점
온도
(℃)		 소둔로내
온도
(℃)		 브러싱강판 표면거칠기
(㎛)		 브러싱
강판
두께변화
(mm)		 브러싱 작업
반복성
(mm)

수소		 암모
니아
비교재1 0.05 1 99 4 2 660 0.1(×) 0.03(△) 5(△)
비교재2 0.1 1.5 98 6 3 670 0.2(×) 0.04(△) 10(△)
비교재3 0.15 4 96 8 4 680 0.2(×) 0.06(△) 19(△)
발명재1 0.2 5 95 10 5 690 0.3(○) 0.01(○) 1(○)
발명재2 1.0 10 90 12.5 35 800 0.5(○) 0.02(○) 3(○)
발명재3 2.0 15 85 15 40 800 1.2(○) 0.03(○) 4(○)
비교재4 2.5 20 80 17 55 820 1.4(△) 0.06(×) 20(×)
비교재5 3.0 25 75 20 70 830 1.8(△) 0.1(×) 50(×)
○: 합격
△: 보통
×: 불합격

상기 표 1에서 브러싱강판 표면거칠기는 하부에 브러싱강판을 위치시킨 후, 100mm 상단에서 레이저발생기를 작동시켜 상면에 조사후 반사된 레이저 빛을 광검지기에서 전달받아 브러싱강판의 표면거칠기를 계산한 값이다. 상기 표면거칠기의 범위는 A1(0.15~0.3㎛), A2(0.3~0.5㎛), A3(0.5~1.3㎛), A4(1.3~1.8㎛)로 구분하되 A1은 거칠기가 약함, A2 및 A3는 거칠기가 적절함, A4는 거칠기 과다로 판정하여 A1의 경우 불합격(X), A2 및 A3는 합격(○), A4는 보통(△)으로 구분하였다.
또한, 상기 표 1에서 브러싱강판의 두깨변화는 최초 브러싱강판의 두께(0.65~0.7mm)를 기준으로하여 0.01~0.03mm로 줄면서 골판짐이 전혀 없을때를 합격(○)으로 하고, 두께(0.65~0.7mm)를 기준으로하여 0.03~0.06mm로 줄면서 골판짐의 조짐이 보이면 보통(△), 두께(0.65~0.7mm)를 기준으로하여 0.06~0.1mm로 줄면서 골판짐 식별이 가능한 경우에는 불합격(×)으로 구분하였다.
또한, 상기 표 1에서 브러싱 작업반복성은 브러싱 작업을 반복해서 8회 실시하여 재질연화 및 폭 변화가 1~4mm이면 합격(○), 폭 변화가 5~20mm이면 보통(△), 폭 변화가 20~40mm이면 불합격(×)으로 구분하였다.
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건하에서 브러싱강판의 표면에 형성된 침질층 상부에 또 다른 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시킨 경우(발명재1~3)에는 본 발명의 범위를 벗어나는 비교재(1~5)보다 브러싱강판 표면거칠기, 브러싱후 브러싱강판의 두께변화 및 브러싱 작업반복성에 있어서 모두 우수함을 알 수 있었 다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 브러싱강판을 이용하여 이물질을 제거한 허스롤(도 3)이 종래의 브러싱강판을 사용한 경우(도 2)보다 이물질 제거정도가 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 브러싱강판의 표면을 질화처리하여 형성된 침질층 상단에 부착성이 강하면서 표면거칠기가 적절히 형성된 별도의 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시킴에 의하여 허스롤 표면의 이물질을 짧은 시간 내에 보다 양호하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 중량%로, C: 0.04~0.07%, Si: 2.5~4.0%, Mn: 0.5~0.25%, P: 0.03% 이하(0은 제외), S: 0.02% 이하(0은 제외), Al: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.01% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 제조용 냉연강판을 방향성 전기강판의 고온소둔시의 분위기에 2.00~5.5Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하면서, 53~70℃의 이슬점온도 및 800~900℃의 질화처리온도에서 1~5분동안 질화처리하여 침질층을 형성시키는 단계; 및
    소둔로내 분위기가 수소: 5~15부피%, 암모니아: 85~95부피%로 조성되도록 0.2~2.0Nm3/hr의 유량으로 암모니아 가스를 주입하며, 소둔로 내 온도가 680~800℃, 이슬점온도가 5~40℃로 유지되는 소둔로에 상기 침질층이 형성된 강판을 10~15분 동안 장입하여 상기 침질층 상부에 외부산화층(Fe2SiO4)을 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 브러싱 효과가 향상된 브러싱강판의 표면처리방법.
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