KR101051744B1 - 자기특성이 우수한 방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판에 관한 것으로서, 그 목적은 고스집합조직의 양적인 증대를 위해 제강단계에서 저렴한 원소인 Mn의 함량을 높게 함유시키고, C, Si, Mn 등의 성분함량을 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 를 만족하도록 제어한후 슬라브를 재가열하여 오스테나이트 분율이 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하며, 열간압연후 권취구간까지의 냉각속도를 조절하고, 열연판소둔을 통해 열간압연조직의 균질화 및 석출물의 균질화를 도모하며, 탈탄 및 질화소둔을 통해 1차 재결정립의 성장을 제어하고, 최종소둔시 고스집합조직을 형성하여 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 데 있다.

본 발명은 전기강판용 슬라브를 재가열한 후, 재가열된 슬라브를 열간압연후 권취하며, 열연판소둔을 행한 다음, 1회 강냉간압연하여 최종 판두께로 하고, 1차 재결정 소둔 및 계속해서 2차 재결정 소둔을 실시하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 슬라브 재가열은 중량%로 C : 0.03 ~ 0.10 %, Si : 2.0 ~ 4.5 %, Mn : 1.0 ~ 2.0 %, 산가용성 Al : 0.005 ~ 0.04 %, S : 0.01 % 이하, P : 0.005 ~ 0.05 %, N : 0.01 % 이하를 함유하는 것과 동시에 Sn : 0.01 ~ 0.3 % 및 Sb : 0.01 ~ 0.3 % 로부터 선택되는 1종류 또는 2종류를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강슬라브를 1050 ~ 1250 ℃ 온도에서 재가열하여, 페라이트와 오스테나이트의 복합조직내에 상기 오스테나이트의 분율이 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 고가의 합금원소가 아닌 저렴한 원소인 Mn의 함량을 높게 함유시켜 생산원가를 낮출 수 있고, 제강단계에서 C, Si, Mn의 함량을 제어하고 슬라브 재가열시 일정 온도를 유지하여 오스테나이트 분율을 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하여 최종소둔시 (110)[001] 방위의 집적도가 높은 고스집합조직을 형성함에 의해 공정의 복잡한 제어없이 저렴하고 안정적인 제조방법으로 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판을 확보할 수 있는 효과가 있다.

고망간, 고탄소, 방향성, 강판, 오스테나이트, 결정립성장억제, 고스

Description

자기특성이 우수한 방향성 전기강판 및 그 제조방법{THE GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEETS WITH HIGH MAGNETIC PROPERTY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 발전기와 같은 대형 회전기 및 각종 변압기와 전자기기의 철심재료로 사용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고함량의 Mn 함유 및 C, Si, Mn 등의 성분함량을 조절하고, 슬라브를 재가열함에 의해 오스테나이트 분율을 60 % 이상 100 % 이하로 제어하여 최종소둔시 (110)[001] 방위의 집적도가 높은 고스집합조직을 형성함에 의해 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 방향성 전기강판은 냉간압연과 소둔공정을 통하여 압연방향으로 (110)[001] 방향이 배향된 집합조직(일명 '고스집합조직'이라고도 함)을 갖고 있는 재료를 말한다. 이러한 방향성 전기강판에 있어서 (110)[001] 방향은 철의 자화가 용이한 방향으로 그 배향된 정도가 높을수록 자기적 특성이 우수하게 된다.

일반적으로, 방향성 전기강판에 요구되는 특성으로는 자속밀도와 철손 등이 있다. 상기 자속밀도는 클수록 우수한 것으로, 자장의 강도가 1000Amp/m 에서 측정 되는 B10의 값이 사용된다. 또한, 철손은 작을수록 우수한 것으로, 주파수 50Hz 및 자기장 1.7T(테슬라)에서의 Kg당 손실(Watt)로 나타낸다.

한편, 방향성 전기강판의 2차 재결정 공정은 결정립 성장 억제제에 의해서 1차 재결정된 입자들의 정상적인 성장이 억제된 가운데 자기적 특성이 우수한 고스결정립(Goss grain)만을 선택적으로 성장시켜 고스집합조직(Goss texture)을 확보하는 공정이다. 따라서, 방향성 전기강판이 2차 재결정 공정을 통하여 우수한 자기적 특성을 나타내기 위해서는 결정립 성장 억제제인 AlN, MnS와 같은 석출물을 미세하게 석출시켜 1차 재결정립의 정상적인 성장을 억제하여 2차 재결정의 구동력을 증가시켜 고스집합조직을 강화해야 한다.

일반적인 방향성 전기강판은 주로 2 ~ 4 %의 실리콘과 결정립 성장 억제제(Inhibiter)로 MnS 등을 함유하며, N. P. Goss가 냉간압연법에 의한 방향성 전기강판 제조방법을 발명한 이래 최근까지 슬라브를 잉곳 또는 연주 공정을 거쳐 슬라브로 주조한 후 재가열 - 열간압연 - 예비소둔, 중간소둔이 포함된 2회 냉간압연 - 탈탄소둔 - 융착방지제 도포 - 최종 고온소둔의 공정을 통하여 최종제품으로 완성된다.

방향성 전기강판에 대한 연구의 역사는 철손저감 노력의 역사라 해도 과언은 아닌데, 상기 연구들의 주요한 개선내용은 제품의 두께를 얇게 하거나, 성분에 첨가원소를 다양하게 첨가하며, 제품에 열적 또는 기계적 처리를 하여 자구를 미세하게 하는 것 등이 있다.

즉, 일본 특허공개공보 평5-302122호에서는 강판두께 0.1 ~ 0.25 mm의 자기 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법이 개시되어 있는데, 열연판을 10 ~ 50 %의 냉연율로 예비냉연하고, 80% 이상의 냉연율로 최종냉연을 하여 최종두께 0.1 ~ 0.25 mm의 전기강판을 생산하고 있으나, 2회의 냉간압연으로 제조원가가 상승되는 문제점이 있다.

또한, 일본 특허공개공보 평1-283324호에서는 B, Se 등의 원소를 첨가한 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법이 개시되어 있는데, B는 미량 첨가하는 경우에도 제강단계에서 제어가 매우 곤란하고, 가공성의 저하을 초래하고, Se는 MnSe로서 결정립 성장 억제제(Inhibitor)로서의 기능을 하지만 완전용체화를 위하여 슬라브의 재가열 온도를 높게 또는 소둔 시간을 길게 할 필요가 있기 때문에 조업상 부하가 커지는 문제가 있다.

또한, 일본 특허공개공보 2000-109961호 및 한국 특허공개공보 2002-63515호에는 표면에 선상 또는 점 배열 모양의 홈을 형성시키는 자구 미세화 기술이 개시되어있으나, 이러한 자구미세화 방법은 최종 소둔의 종료 후에 최종 제품에 대하여 추가로 처리하는 것이기 때문에 제조원가가 상승하는 부담이 있다.

그러나, 상술한 바와 같이, 이러한 방법들은 철손을 어느 정도 저감시킬 수는 있었으나, 제조원가를 상승시키고 제조방법을 복잡하게 하는 것들이다.

따라서 최근에 이러한 자성을 개선하려는 연구가 한계에 도달하면서, 제조원가를 절감시키면서도 우수한 자기특성을 갖는 방향성 전기강판을 안정적으로 생산하기 위한 제조방법이 요청되어 왔다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판에 관한 것이며, 고스집합조직의 양적인 증대를 위해 제강단계에서 저렴한 원소인 Mn의 함량을 높게 함유시키고, C, Si, Mn 등의 성분함량을 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 를 만족하도록 제어한후 슬라브를 재가열하여 오스테나이트 분율이 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하며, 열간압연후 권취구간까지의 냉각속도를 조절하고, 열연판소둔을 통해 열간압연조직의 균질화 및 석출물의 균질화를 도모하며, 탈탄 및 질화소둔을 통해 1차 재결정립의 성장을 제어하고, 최종소둔시 고스집합조직을 형성함에 의해 공정의 복잡한 제어없이 저렴하고 안정적으로 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 전기강판용 슬라브를 재가열한 후, 재가열된 슬라브를 열간압연후 권취하며, 열연판소둔을 행한 다음, 1회 강냉간압연하여 최종 판두께로 하고, 1차 재결정 소둔 및 계속해서 2차 재결정 소둔을 실시하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 슬라브 재가열은 중량%로 C : 0.03 ~ 0.10 %, Si : 2.0 ~ 4.5 %, Mn : 1.0 ~ 2.0 %, 산가용성 Al : 0.005 ~ 0.04 %, S : 0.01 % 이하, P : 0.005 ~ 0.05 %, N : 0.01 % 이하를 함유하는 것과 동시에 Sn : 0.01 ~ 0.3 % 및 Sb : 0.01 ~ 0.3 % 로부터 선택되는 1종류 또는 2종류를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불 가피한 불순물로 이루어진 강슬라브를 1050 ~ 1250 ℃ 온도에서 재가열하여, 페라이트와 오스테나이트의 복합조직내에 상기 오스테나이트의 분율이 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 강슬라브 내의 C, Si, Mn이 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 를 만족하는 화학조성을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 열간압연은 열연판의 두께를 1.5 ~ 2.5 mm로 열간압연하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 권취는 상기 열간압연후 15℃/초 이상의 냉각속도로 600 ℃ 이하의 온도까지 급냉하여 권취하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 열연판 소둔은 900 ~ 1200 ℃ 온도에서 5분이내로 실시하고, 급냉시키는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 급냉은 15℃/초 ~ 500℃/초의 냉각속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 냉간압연은 1회 강냉간압연법으로 최종 판두께를 0.15 ~ 0.50 mm 로 냉간압연하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전 기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 1차 재결정 소둔은 상기 냉간압연후 800 ~ 950 ℃ 온도에서 탈탄소둔 및 수소와 질소의 혼합가스 분위기에서 질화소둔을 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 1차 재결정 소둔의 재결정립을 12 ~ 28 ㎛ 의 크기로 제어하여 상기 2차 재결정 소둔을 개시온도 1050 ~ 1200 ℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법들중 어느 한가지 방법에 의해 제조된 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제공한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고가의 합금원소가 아닌 저렴한 원소인 Mn의 함량을 높게 함유시켜 생산원가를 낮출 수 있고, 제강단계에서 C, Si, Mn의 함량을 제어하고 슬라브 재가열시 일정 온도를 유지하여 오스테나이트 분율을 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하여 최종소둔시 (110)[001] 방위의 집적도가 높은 고스집합조직을 형성함에 의해 공정의 복잡한 제어없이 저렴하고 안정적인 제조방법으로 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전기강판용 슬라브를 재가열한 후, 재가열된 슬라브를 열간압연후 권취하며, 열연판소둔을 행한 다음, 1회 강냉간압연하여 최종 판두께로 하고, 1차 재결정 소둔 및 계속해서 2차 재결정 소둔을 실시하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 슬라브 재가열은 중량%로 C : 0.03 ~ 0.10 %, Si : 2.0 ~ 4.5 %, Mn : 1.0 ~ 2.0 %, 산가용성 Al : 0.005 ~ 0.04 %, S : 0.01 % 이하, P : 0.005 ~ 0.05 %, N : 0.01 % 이하를 함유하는 것과 동시에 Sn : 0.01 ~ 0.3 % 및 Sb : 0.01 ~ 0.3 % 로부터 선택되는 1종류 또는 2종류를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강슬라브를 1050 ~ 1250 ℃ 온도에서 재가열하여, 페라이트와 오스테나이트의 복합조직내에 상기 오스테나이트의 분율이 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

단지 탄소량만을 고함량으로 증가시킨 강슬라브를 일정온도에서 재가열하여 오스테나이트 분율이 60 % 이상이 되도록함으로써 최종소둔 후 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하고자 한다면 냉간압연전에 탈탄열처리가 부가적으로 필요하여 공정이 복잡해지며, 제조비용도 증가하는 문제점이 있을 것이다.

본 발명의 발명자들은 고스집합조직의 양적인 증대를 위해 제강단계에서 저렴한 원소인 Mn의 함량을 높게 함유시키고, C, Si, Mn 등의 성분함량을 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 를 만족하도록 제어한후 슬라브를 재가열하여 오스테나이트 분율이 60 % 이상 100 % 이하가 되도록 제어하여 최종소둔시 (110)[001] 방위로 고배향도의 고스집합조직을 형성함에 의해 공정의 복잡한 제어없이 저렴하고 안정적인 제조방법으로 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조할 수 있다는 사실을 발견하였다.

이하 본 발명의 성분 한정이유에 대하여 보다 자세하게 설명한다.

C : 0.03 ~ 0.1 중량%

C는 본 발명의 중요원소로서 0.03 중량% 이상을 첨가하여 슬라브내에 오스테나이트 분율을 증가시키고 냉각속도 제어를 통해 오스테나이트상을 강도가 높은 베이나이트상 또는 마르텐사이트상으로 변태시킬 수 있으며, 급냉에 의해 변태된 베이나이트상 또는 마르텐사이트상은 열연판소둔공정에서 핵생성장소를 제공하여 미세조직의 균질화를 확보하고, AlN 등의 석출물도 균질화시킬 수 있으며, 결국, (110)[001] 방향으로 배향도가 높은 매우 높은 고스집합조직을 형성할 수 있게 된다. 다만, 0.1 중량% 이상을 첨가하게 되면 슬라브상에서 오스테나이트 형성을 촉진하는 긍정적 측면이 있지만, 권취 및 냉각과정에서 조대한 탄화물이 형성될 수 있으며 상온에서 Fe₃C(세멘타이트)를 형성하여 페라이트와 세멘타이트의 혼합조직인 펄라이트(Pearlite)를 형성하거나 흑연(graphite)을 형성하여 불균일한 조직을 초래하게 되고 자기시효에 의한 품질열화를 야기하게 된다. 따라서 탄소의 함량은 0.03 ~ 0.1 중량% 로 한정하는 것이 바람직하다.

Si : 2.0 ~ 4.5 중량%

Si는 본 발명의 중요원소로서 강의 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 역할을 한다. Si의 함량이 2.0 중량% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손 특성이 열화되고 고온소둔시 상변태구간이 존재하여 2차 재결정이 불안정해지므로 바람직하지 않으며, 4.5 중량% 초과인 경우에는 취성이 커져 냉간압연이 극히 어려워지고 2차 재결정 형성이 불안정해지므로 좋지 않다. 따라서 Si의 함량은 2.0 ~ 4.5 중량%로 한정한다.

산가용성 Al : 0.005 ~ 0.04 중량%

산가용성 Al은 열간압연공정중 미세하게 석출된 AlN 이외에도 냉간압연이후 질화소둔 공정에서 질소이온이 강중에 고용상태로 존재하는 Al, Si, Mn과 결합하여 (Al, Si, Mn)N 형태의 질화물을 형성함으로써 강력한 결정립 성장 억제제의 역할을 수행하게 되며, 그 함량이 0.005 중량% 미만인 경우에는 결정립 성장 억제력을 기대할 수 없고, 그 함량이 0.04 중량%를 초과하는 경우에는 조대한 AlN을 형성함으로서 결정립 성장 억제력이 떨어지게 된다. 따라서 산가용성 Al의 함량은 0.005 ~ 0.04 중량%로 한정한다.

Mn : 1.0 ~ 2.0 중량%

Mn은 본 발명의 핵심원소로서 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 효과가 있고 오스테나이트의 안정영역을 확대하여 열처리중 변태를 활발하게 발생시킬뿐만 아니라 질화처리에 의해 도입되는 질소와 반응하여 (Al, Si, Mn)N의 석출물을 형성함으로써 1차 재결정립의 성장을 억제하여 2차 재결정을 일으키는데 중요한 원소이다. 본 발명에서는 그 함량을 1.0 중량% 이상을 함유하고, 1.3≤ Si / (Mn + C +0.4) ≤ 2.3 의 관계식을 만족하는 강슬라브를 1050 ~ 1250 ℃의 온도로 재가열하여 오스테나이트 분율이 60 ~ 100 %가 되도록 확보함으로써 후속 열처리에 의하여 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조할 수 있다. 다만, 그 함량이 2.0 중량%를 초과하게 되면 강판 표면에 Fe₂SiO₄ 이외에 과도한 Mn산화물(Mn Oxide)이 형성되면서 철손을 열화시킬 뿐만 아니라 고온소둔중에 형성되는 베이스코팅을 방해하여 표면 품질이 상당히 떨어지게 된다. 따라서 Mn의 함량은 1.0 ~ 2.0 중량%로 한정한다.

S : 0.01 중량% 이하

S 함량이 0.01 중량%를 초과하는 경우에는 주조시 슬라브 중심부에 편석하여 이후공정에서의 미세조직을 제어하기 어렵게 하고 열간압연시 고용온도를 높이므로 가능한 한 함유되지 않도록 제어하는 것이 바람직하지만 제강시에 함유되는 불가피한 불순물의 일종이다. 본 발명에서는 MnS를 결정립 성장 억제제로 사용하지 않기 때문에 S가 0.01 중량%를 초과하여 함유되어 MnS가 석출되는 것은 바람직하지 않다.

P : 0.005 ~ 0.05 중량%

P는 결정립계에 편석하여 결정립계의 이동을 방해하고 동시에 결정립 성장을 억제하는 보조적인 역할이 가능하며, (110)[001] 집합조직을 개선하는 효과가 있다. P의 함량이 0.005 중량% 미만이면 그 효과가 미미하며, 그 함량이 0.05 중량%를 초과하면 취성이 증가하여 냉간압연성이 열화되게 된다. 따라서 P의 함량은 0.005 ~ 0.05 중량%로 한정한다.

N : 0.01 중량% 이하

N은 Al과 반응하여 AlN을 형성하는 중요한 원소인데 질화소둔 공정에서 보강되므로 용해시에 불순물로 들어가는 양이면 충분하다. 다만, N함량이 0.01 중량%를 초과하게 되면 열간압연 작업이 어려워지고, 열연공정 이후공정에서 질소확산에 의한 Blister라는 표면결함을 초래하게 된다.

Sn : 0.01 ~ 0.3 중량%

Sn은 결정립계 편석원소로서 결정립계의 이동을 방해하는 원소이기 때문에 결정립 성장 억제제이고 (110)[001] 방위의 고스결정립의 생성을 촉진하여 2차 재결정이 잘 발달하도록 하므로, AlN, (Al, Si, Mn)N 이외에도 결정립 성장 억제력 보강에 중요한 원소이다. Sn 함량이 0.01 중량% 미만이면 그 효과가 떨어지고, 0.3 중량%를 초과하면 경정립계 편석이 심하게 일어나 강판의 취성이 커져서 압연시 판 파단이 발생하게 된다. 따라서 Sn의 함량은 0.01 ~ 0.3 중량%로 한정한다.

Sb : 0.01 ~ 0.3 중량%

Sn과 마찬가지로 결정립계 편석원소로서 결정립 성장 억제제의 효과가 있으며, 2차 재결정시 형성되는 강판표면의 산화층을 억제함으로써 강판과 산화층의 밀착성을 좋게 하여 철손을 개선시키는 효과가 있다. Sn함량이 0.01 중량% 미만이면 그 효과가 미미하고, 0.3 중량%를 초과하면 취성이 증가하여 압연시 판파단이 발생하게 된다. 따라서 Sb의 함량은 0.01 ~ 0.3 중량%로 한정한다.

1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3

본 발명자들은 탄소함량에 따른 오스테나이트 분율의 변화를 조사한 결과, C 및 Si 함량이외에도 Mn의 함량에 따라서도 변화하는 것을 알게 되었고, 실험결과, C, Si, Mn의 함량비가 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 일 때, 강판에서 오스테나이트 분율을 60 ~ 100 % 로 확보할 수 있다는 사실을 확인하였으며, 각 성분의 함량을 만족하는 범위에서 C와 Si, Mn의 함량이 위식을 만족해야 한다. 그 값이 1.3 미만인 경우에는 탄화물의 석출량이 증가하여 후공정인 탈탄소둔공정에서 탈탄이 불완전하게 되어 최종제품에서 탄화물이 잔존하게 되는 문제가 있고, 그 값이 2.3을 초과하는 경우에는 강판의 취성이 커져 냉간압연이 극히 어려워지고 2차 재결정 형성이 불안정해지게 된다.

상기 성분외에 강 내에는 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있다.

상술한 본원 발명은 크게 제강단계, 강 슬라브의 재가열단계, 열간압연단계, 권취단계, 열연판소둔단계, 냉간압연단계, 1차 재결정 단계(탈탄소둔 및 질화소둔 단계), 2차 재결정 단계(최종 소둔단계)로 이루어진다. 본 발명은 각 단계별 공정조건을 제어하여 저철손 및 고자속밀도를 갖는 무방향성 전기강판을 제공하는데, 이하에서는 각 단계의 구성 및 작용효과에 대하여 상세하게 설명한다.

제강단계에서는 오스테나이트 분율을 최대로 확보하기 위하여 C, Si, Mn의 함량이 중요한데, 중량%로 C는 0.03 ~ 0.1 %, Si는 2.0 ~ 4.5 %, Mn은 1.0 ~ 2.0 %를 만족해야 하고, C와 Si, Mn의 함량이 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 의 관계식을 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명은 오스테나이트 분율이 60 ~ 100 %가 되는 1050 ~ 1250 ℃ 온도에서 슬라브를 재가열하여 결정립 성장 억제제 역할을 수행하는 AlN 등의 석출물을 고용시킨다. 특히, C와 Si, Mn의 함량이 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 의 관계식을 만족하는 경우에 1050 ~ 1250 ℃의 슬라브 재가열 온도에서 오스테나이트 분율을 60 ~ 100 % 로 확보할 수 있는데, 이 범위내에서는 슬라브 내에 존재하던 AlN 석출물이 페라이트상에 비하여 고용속도가 매우 빠르므로 통상의 슬라브 가열온도에서도 석출물의 고용이 매우 충분하게 이루어진다.

한편, 페라이트상에서 AlN의 고용도에 대해 문헌에 밝혀진 이론적인 관계식 으로는 1980년 Journal of Magnetism and Magnetic Materials 에 보고된 IWAYAMA가 제안한 다음과 같은 식이 있다. 여기서 T는 절대온도로 고용온도를 나타낸다.

일례로 산가용성 Al이 0.026 중량%, N이 0.005 중량% 로 가정하였을 때 상기 IWAYAMA식에 의한 이론적 고용온도 T는 1258 ℃인데 이와 같은 전기강판의 슬라브를 가열하기 위해서는 1300℃ 이상으로 가열해야만 한다. 그러나, 슬라브를 이와 같은 고온으로 가열하게 되면 슬라브 가열에 사용되는 에너지가 증가하고 용융슬래그가 과도하게 형성되어 실수율이 저하될 뿐만 아니라, 흘러내리는 슬래그와 노상이 반응하기 때문에 작업후에는 필히 보수를 해야 하는 문제가 있다.

또한, 오스테나이트상에서의 AlN 고용도 식은 다음과 같이 Darken과 Leslie에 의해서 구해졌다.

상기 식에의하면 산가용성 Al이 0.028 중량%, N이 0.005 중량%인 고용온도는 1112 ℃, 1002 ℃로서, 상술한 IWAYAMA식에 의한 페라이트상에서의 고용온도 1258 ℃ 보다 매우 낮다. 따라서, 슬라브내에 오스테나이트상이 많으면 많을수록 AlN의 고용온도는 낮아지게 되고 비용감소 및 생산성 향상의 효과를 갖게된다. 이와 같은 효과는 C와 Mn을 다량 첨가함으로써 AlN의 고용을 극대화시키고, 결국에는 충분한 결정립 성장 억제력을 확보할 수 있게 된다.

상기 슬라브 재가열 단계 후에는 열간압연을 하게 되는데, 열연판의 두께는 1.5 ~ 2.5 mm로 열간압연하고, 이어 15℃/초 이상의 냉각속도로 600 ℃ 이하의 온도까지 권취한다. 열연판의 두께가 2.5 mm를 초과하게 되면 열연이후 급냉과정에서 냉각속도가 감소하여 조대한 탄화물이 형성되고, 1.5 mm 미만이면 압연부하가 증가하게 되고 두께 제어가 어렵게 되므로 열연판의 두께는 1.5 ~ 2.5 mm로 한정한다. 또한, 열연코일을 600℃를 초과한 온도로 권취하면 조대한 탄화물이 형성되기 때문에 권취온도는 600℃ 이하의 온도로 한정한다. 다만, 상기 권취온도는 400 ℃ 이상이 바람직하다. 400℃ 미만까지 권취하면 결정립 성장이 잘 되지 않게 되기 때문이다.

한편, 15℃/초 미만의 냉각속도로 권취할 경우에는 조대한 탄화물의 형성과 함께 취약한 Fe₃C 및 페라이트의 층상구조인 펄라이트가 형성됨으로 인해 확산변태인 베이나이트 및 무확산변태인 마르텐사이트 변태가 지연되어 1회 강냉간압연의 효과가 용이하지 못하므로 냉각속도는 15℃/초 이상으로 한정한다.

한편, 상기 열간압연된 열연판내에는 응력에 의하여 압연방향으로 연신된 조직이 존재하게 되며 열간압연중에 AlN 등의 석출물이 석출된다. 따라서 냉간압연전에 균일한 재결정 미세 조직과 AlN 등의 석출물의 균질한 분포를 위해서는 다시 한번 열연판을 가열함에 의해 변형된 조직을 재결정시키고, AlN 등 석출물의 고용을 촉진시킬 필요가 있다. 따라서 본 발명에서 열간압연된 열연판은 열연판 소둔 공정을 거치는데, 소둔 온도는 900 ~ 1200 ℃로 5분이내에 가열하는 것이 바람직하다.

또한, 열연판 소둔을 한 후 냉간압연전에 공냉, 수냉, 유냉 또는 2가지 이상의 냉각방식을 혼용한 급냉과정이 필요하다. 상기 급냉과정에서 오스테나이트상은 강도가 매우 높은 경질의 베이나이트 혹은 마르텐사이트상 또는 두상의 혼합변태가 일어나게 된다. 또한, 상기 급냉은 15℃/초 ~ 500℃/초의 냉각속도로 한정하는 것이 바람직한데, 15℃/초 미만의 냉각속도로 서냉이 되면 AlN 등 석출물의 추가 석출에 기인하여 산가용성 Al의 양이 작아지게 되고, 조대한 층상구조인 세멘타이트와 페라이트의 혼합조직인 펄라이트가 형성되어 냉간압연시 가공경화에 의해 전단변형대의 형성이 약해지며, 조직이 불균일하게 되어 배향성이 높은 고스집합조직 형성에 문제가 된다. 반면에 500℃/초를 초과한 냉각속도로 급냉이 되면 오스테나이트상이 전량 강도가 높은 마르텐사이트 상으로 변태되어 냉간압연 공정에 부하가 걸려 냉간압연판의 품질이 나빠지게 된다.

상기 열연판소둔 공정 후에는 Reverse 압연기 혹은 Tandom 압연기를 이용하여 0.15 ~ 0.50 mm 이하의 두께로 냉간압연하고, 중간에 변형된 조직의 풀림열처리를 하지 않고 초기 열연두께에서 곧바로 최종제품의 두께까지 압연하는 1회 강냉간압연으로 행하며, 냉간압연율은 90 % 이상으로 압연하는 것이 바람직하다. 강냉간압연에 의해 기지조직인 페라이트보다 월등하게 전단변형대가 증가하게 되고 이는 (110)[001] 고스집합조직의 2차 재결정 핵의 생성 증가를 유도하는 효과가 있다. 결국, 이러한 1회 강냉간압연으로 (110)[001]의 집적도가 낮은 방위들은 변형방위 로 회전하게 되고, (110)[001] 방위로 배열이 가장 잘된 고스결정립들만이 냉간압연판에 존재하게 된다.

한편, 전단변형대 내부에서의 2차 재결정의 핵인 (110)[001] 방위의 결정립들이 쉽게 재결정되고, 결국 1차재결정 집합조직에서 (110)[001] 방위의 집합조직이 증가하게 되므로, 2차 재결정된 (110)[001] 고스집합조직의 집적강도를 증가시켜 우수한 자기특성을 확보할 수 있다.

상기 1회 강냉간압연을 실시한 후에는 1차 재결정 소둔 즉, 탈탄소둔과 질화소둔 공정을 수행하게 된다. 탈탄소둔을 마치고 질화소둔하거나 탈탄과 질화소둔을 동시에 하는 방법 어느 것이나 본 발명의 효과를 발휘하는데 문제가 없으나, 탈탄과 질화소둔을 동시에 행하는 것이 생산비용 면에서 바람직하다. 탈탄과 질화소둔시 강판의 소둔온도는 800 ~ 950 ℃ 로 유지하는 것이 바람직하다. 소둔온도가 800 ℃ 미만이면 탈탄시간이 오래 걸리고 강판표면에 SiO₂ 산화층이 치밀하게 형성되어 코팅결함이 발생하게 되며, 소둔온도가 950 ℃를 초과하게 되면 재결정립이 조대하게 성장하여 결정성장의 구동력이 감소하므로 안정된 2차 재결정이 형성되지 못하게 된다. 소둔시간은 본 발명의 효과를 발휘하는데 크게 문제가 되지 않지만 생산성을 감안하여 5분 이내에서 처리하는 것이 바람직하다.

또한, 고온에서 슬라브 재가열시에 발생하는 자성에 악영향을 미치는 주상정조직의 조대성장 및 S(Sulfur)의 중심편석을 방지하기 위하여 탄소를 일정량 유지해야만 하고, 이러한 탄소는 페라이트-오스테나이트의 상변태를 일으켜 주상정조직 의 형성을 억제하기도 하고 결정립 성장 억제제인 AlN의 고용을 촉진하기도 하며 S의 중심편석을 억제하는 역할을 한다.

그러나, 탄소가 최종제품에 잔류하게 되면 방향성 전기강판 제품을 가공하여 최종수요자들이 사용할 때에 시간이 경과함에 따라 소재의 자기특성이 떨어지는 자기시효(Magnetic aging) 현상이 나타난다. 이는 주로 소재내에 고용되어 존재하는 잔류탄소가 제품 사용시에 발생하는 열에너지에 의하여 결정립계에 Fe₃C(시멘타이트)와 같은 탄화물로 석출하여 자구의 이동을 방해하기 때문에 자기특성이 떨어지게 된다. 따라서 본 발명은 탈탄소둔 공정을 통하여 제품생산시 잔류탄소함량이 50 ppm이 넘지 않도록 한다. 또한, 강판의 두께가 얇을수록 탄소가 제거되는 시간이 짧아지므로 최종제품의 판두께가 0.23 mm 이하인 것이 탈탄시간을 줄일 수 있어 생산원가 부담이 적어지게 되므로 바람직하다.

본 발명의 질화소둔은 암모니아 가스가 포함된 수소와 질소의 혼합가스 분위기에서 질소이온이 강중에 고용상태로 존재하는 Al, Si, Mn과 결합하여 (Al, Si, Mn)N 형태의 질화물을 형성함으로써 강력한 결정립 성장 억제제의 보강 역할을 수행하도록 한다. 본 발명은 상기 1차 재결정 소둔을 통해 결정립 성장을 억제하여 재결정립의 크기를 12 ~ 28 ㎛ 로 제어하게 되며, 상기 1차 재결정립 크기를 12 ~ 28 ㎛ 범위로 제어함에 의해 2차 재결정 소둔에서 개시온도를 1050 ~ 1200 ℃로 제어하여 우수한 자기특성을 나타내는 고스집합조직을 확보할 수 있게 된다.

마지막으로 방향성 전기강판의 제조시 강판에 MgO를 기본으로 하는 소둔분리 제를 도포한 후 장시간 고온에서 최종 소둔하여 2차 재결정을 발생시킴으로써 강판의 (110)면이 압연면에 평행하고 [001]방향이 압연방향에 평행한 (110)[001] 집합조직을 형성하여 자기특성이 우수한 방향성 전기강판이 제조된다. 즉, 재결정 성장 억제제(Inhibitor)에 의해서 1차 재결정된 입자들의 정상적인 성장이 억제된 가운데 자기적 특성이 우수한 고스결정립(Goss grain)만을 선택적으로 성장시켜 우수한 자기적 특성을 나타내는 고스집합조직(Goss texture)을 확보할 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

[실시예1]

중량%로 C의 함량을 0.034 ~ 0.095%, Si의 함량을 3.19 ~ 3.22%, Mn의 함량을 0.09 ~ 1.79%, Si / (Mn + C +0.4)의 값을 1.4 ~ 5.8의 범위 내에서 변화시키고, S : 0.003%, N : 0.004%, 산가용성 Al : 0.028%, P : 0.026%, Sn + Sb : 0.10%를 함유하고 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물을 함유하는 강슬라브를 1150℃의 온도로 재가열한 다음 두께 2.3 mm로 열간압연하고, 초당 50℃의 냉각속도로 600℃까지 권취하였다. 상기 열간압연된 열연판을 1050℃의 온도로 180초간 열연판소둔후 초당 200℃로 급냉시키고 산세한 후 0.27 mm 두께로 1회 강냉간압연하였다. 상기 냉간압연판을 850℃의 온도로 습한 수소와 질소 및 암모니아 혼합개스 분위기 속에서 180초간 유지하여 질소함량이 200ppm이 되도록 동시 탈탄 및 질화소둔 열처리를 하였다.

이렇게 열처리된 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일상으로 최종소둔하였다. 최종소둔은 1200℃까지는 25% 질소와 75% 수소의 혼합분위기로 하였고, 1200℃ 도달후에는 100% 수소분위기에서 10시간 이상 유지후 노냉하였다. 그리고 각각의 조건에 대하여 자속밀도와 철손 등의 자기특성을 측정한 값은 표 1과 같다.

이 때, 철손 W17/50은 50Hz의 교류에서 철심에 1.7 T의 자속밀도를 유도하였을 때 열 등으로 소모되는 에너지 손실량이며, 자속밀도 B10은 1000 Amp/m의 여자력에서 유기되는 값이다.

[ 표 1 ]

C(%)	Si(%)	Mn(%)	Si/(Mn+C+0.4)	자속밀도 (B10)	철손 (W17/50)	구분
0.065	3.22	0.09	5.8	1.922	0.975	비교재
0.074	3.20	0.27	4.3	1.923	0.982	비교재
0.077	3.19	0.52	3.2	1.919	0.976	비교재
0.034	3,20	1.09	2.1	1.929	0.963	발명재
0.083	3.21	1.30	1.8	1.933	0.959	발명재
0.095	3.20	1.79	1.4	1.937	0.951	발명재

상기 표 1에 나타난 바와 같이, Mn이 1.0 ~ 2.0중량%를 함유하고, 동시에 C와 Si, Mn이 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 의 범위에 부합하는 발명재가 그 범위를 벗어나는 비교재와 대비하여 자기적 특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 구체적으로 설명하자면, C와 Si, Mn의 함량이 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 을 만족하는 경우에 1050 ~ 1250 ℃의 슬라브 재가열 온도에서 오스테나이트 분율을 60 ~ 100 % 로 확보할 수 있고, 이 범위내에서 슬라브 내에 존재하던 AlN 등의 석출물이 페라이트상에 비하여 고용속도가 매우 빠르므로 통상의 슬라브 가열온도에 서도 석출물의 고용이 충분하게 이루어지며, 열연판소둔시 AlN 등 석출물이 균질하게 석출되어 결정립 형성 억제제로 작용하므로 고스집합조직을 발달시켜 우수한 자기특성을 갖게 된다.

[실시예2]

중량%로 C의 함량을 0.035 ~ 0.093%, Si의 함량을 3.27 ~ 3.29%, Mn의 함량을 0.2 ~ 1.7%, Si / (Mn + C +0.4)의 값을 1.5 ~ 5.0의 범위 내에서 변화시키고,

S : 0.003 %, N : 0.004 %, 산가용성 Al : 0.027 %, P : 0.027 %, Sn + Sb : 0.10 % 를 함유하고 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물을 함유한 강슬라브를 1150℃의 온도로 재가열한 다음 두께 2.3 mm로 열간압연하고, 초당 50℃의 냉각속도로 600℃까지 권취하였다. 상기 열간압연된 열연판을 실험재에 따라서 1100 ~ 1200℃ 온도 범위내에서 변화시켜 180초간 열연판소둔후 초당 200℃로 급냉시키고 산세한 후 0.27 mm 두께로 1회 강냉간압연하였다. 상기 냉간압연판을 850℃의 온도로 습한 수소와 질소 및 암모니아 혼합개스 분위기 속에서 180초간 유지하여 질소함량이 200ppm이 되도록 동시 탈탄 및 질화소둔 열처리를 하였다.

이렇게 열처리된 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일상으로 최종소둔하였다. 최종소둔은 1200℃까지는 25% 질소와 75% 수소의 혼합분위기로 하였고, 1200℃ 도달후에는 100% 수소분위기에서 10시간 이상 유지후 노냉하였다. 그리고 각각의 조건에 대하여 자속밀도와 철손 등의 자기특성을 측정한 값은 표 2에 나타내었다.

[ 표 2 ]

C(%)	Si(%)	Mn(%)	Si/ (Mn+C+0.4)	열연판소둔온도 (℃)	오스테나이트분율(%)	자속밀도 (B10)	철손 (W17/50)	구분
0.054	3.27	0.2	5.0	1100	26	1.913	0.881	비교재
				1200	26	1.911	0.925	비교재
0.035	3.27	1.2	2.0	1100	81	1.932	0.843	발명재
				1200	100	1.927	0.857	발명재
0.093	3.29	1.7	1.5	1100	100	1.929	0.851	발명재
				1200	100	1.930	0.864	발명재

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 C, Si, Mn의 함량범위와 1.3 ≤ Si/(Mn + C + 0.4) ≤ 2.3의 범위를 만족하고, 오스테나이트 분율이 60% 이상이 되는 발명재가 그 범위를 벗어나는 비교재에 비하여 자속밀도가 높고, 철손이 낮아 자기적 특성이 우수함을 확인할 수 있다. 구체적으로 설명하자면, 상기 범위를 만족하는 발명재의 경우에는 열연판 소둔 공정을 통하여 균일한 재결정 미세 조직과 AlN 등의 석출물의 균질한 분포를 이루어 탈탄 및 질화소둔, 최종 소둔을 거쳐 결정립 성장 억제제에 의해서 1차 재결정된 입자들의 정상적인 성장이 억제된 가운데 자기적 특성이 우수한 고스결정립(Goss grain)만을 선택적으로 성장시켜 고스집합조직(Goss texture)을 확보하여 자기적 특성이 우수하게 되는 것이다.

Claims (10)

1. 전기강판용 슬라브를 재가열한 후, 재가열된 슬라브를 열간압연후 권취하며, 열연판소둔을 행한 다음, 1회 강냉간압연하여 최종 판두께로 하고, 1차 재결정 소둔 및 계속해서 2차 재결정 소둔을 실시하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서,

   상기 슬라브 재가열은 중량%로 C : 0.03 ~ 0.10 %, Si : 2.0 ~ 4.5 %, Mn : 1.0 ~ 2.0 %, 산가용성 Al : 0.005 ~ 0.04 %, S : 0% 초과 0.01 %이하, P : 0.005 ~ 0.05 %, N : 0% 초과 0.01 % 이하를 함유하는 것과 동시에 Sn : 0.01 ~ 0.3 % 및 Sb : 0.01 ~ 0.3 % 로부터 선택되는 1종류 또는 2종류를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강슬라브를 1050 ~ 1250 ℃ 온도에서 재가열하여, 페라이트와 오스테나이트의 복합조직내에 상기 오스테나이트의 분율이 60 % 이상 100 % 미만이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 강슬라브 내의 C, Si, Mn이 1.3 ≤ Si / (Mn + C + 0.4) ≤ 2.3 를 만족하는 화학조성을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 열간압연은 열연판의 두께를 1.5 ~ 2.5 mm로 열간압연하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 권취는 상기 열간압연후 15℃/초 이상의 냉각속도로 600 ℃ 이하의 온도까지 급냉하여 권취하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 열연판 소둔은, 900 ~ 1200 ℃ 온도에서 5분이내로 실시하고, 15℃/초 ~ 500℃/초의 냉각속도로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
6. 삭제
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 냉간압연은 1회 강냉간압연법으로 최종 판두께를 0.15 ~ 0.50 mm 로 냉간압연하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 1차 재결정 소둔은 상기 냉간압연후 800 ~ 950 ℃ 온도에서 탈탄소둔 및 수소와 질소의 혼합가스 분위기에서 질화소둔을 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 1차 재결정 소둔의 재결정립을 12 ~ 28 ㎛ 의 크기로 제어하여 상기 2차 재결정 소둔을 개시온도 1050 ~ 1200 ℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 자기특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
10. 삭제