KR101077167B1 - 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법 - Google Patents

자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터, 변압기 및 자기실드와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 철손이 낮고, 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 중량%로 C:0.0010~0.0026%, Si:4.5% 이하(0%는 제외), Mn:0.5% 이하(0%는 제외), P:0.005% 이하(0%는 제외), S:0.005% 이하(0%는 제외), Al:0.2~1.5%, N:0.003% 이하(0%는 제외), O:0.003% 이하(0%는 제외)이며, C/P의 비가 0.2~6.0이고, C와 P의 합이 적어도 0.002% 이상으로 조성되며, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 슬라브를 1050℃이상 1200℃이하의 온도로 재가열후 열간압연하고,
680℃ 이하의 온도로 권취, 열연판소둔 및 산세하며,
1차 냉간압연후 830~1000℃온도로 중간소둔하고 2차 냉간압연하는 2회 냉간압연법으로 냉간압연하고,
800~1070℃의 온도에서 10초 이상 300초 이내로 냉연판을 소둔하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 무방향성 전기강판 제조시 작용되는 불순물을 어느 정도 남겨두고도 그 자기적 특성을 향상시킬 수 있어 이들 불순물 제거에 소요되는 비용을 현저히 절감하고, 작업공수를 줄여 생산성 향상을 도모할 수 있다.
무방향성, 전기강판, CORE LOSS, P, C, O, 자속밀도

Description

자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법{Method for manufacturing non-oriented electrical steel sheets with improved magnetic property}
본 발명은 모터, 변압기 및 자기실드와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철손이 낮고, 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.
무방향성 전기강판은 전기기기에서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 주는데 필요한 중요한 부품으로서 에너지절감을 위해서는 그 자기적 특성 즉, 철손을 낮추고 자속밀도를 높이는 것이 필요하다.
철손은 에너지변환 과정에서 열로 변하여 사라지며, 자속밀도는 동력을 일으키는 힘으로 나타난다. 따라서, 자속밀도가 높으면 전기기기의 동손을 줄일 수 있어서 소형화가 가능하다.
철손이 낮고 자속밀도가 높은 소재를 제조하려면 강의 불순물이 적은 청정강으로 제조하거나 특수원소를 첨가하기도 한다. 불순물원소는 C, S, P, N 및 기타 탄화물 및 질화물을 발생시키는 원소가 있다.
일본특허공보 특개평10-212555는 P를 첨가하고 있는데, 타발가공성을 향상시키기 때문으로 설명하고 있다. 또한, 일본특허공보 특개평10-18005는 기계적 특성향상을 위하여 P를 첨가하고 있다. 이와 같이 종전의 특허들은 기계적 특성을 향상시키기 위하여 P를 첨가하거나 함유시키고 있다.
한편, 대한민국 특허출원 2000-45785는 P가 0.001~0.005%인 범위를 특허청구범위로 하고 있으나 P가 낮은 이 범주에서 C 등 다른 원소와의 관계는 언급하지 않고 있다.
Si, Mn 및 Al을 함유하는 무방향성 전기강판에서 불순물 원소로 알려진 원소인 C, P, S 및 N 등은 가능하다면 적게 함유되도록 하는 것이 자기적 특성을 향상 시키기 위하여 바람직하다. 그런데 이들 원소를 제거하기 위해서는 많은 제조비용을 들여야만 가능하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 단점들을 감안하여 이를 더욱 개량 발전시키기 위하여 창출된 것으로, 무방향성 전기강판에서 불순물 원소로 알려진 C, P, S, N 등을 최대한 적게 함유하도록 어느 정도는 남겨 놓은 상태에서도 자기적 특성이 매우 우수한 그러한 형태의 무방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하는 것에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 중량%로 C:0.0010~0.0026%, Si:4.5% 이하(0%는 제외), Mn:0.5% 이하(0%는 제외), P:0.005% 이하(0%는 제외), S:0.005% 이하(0%는 제외), Al:0.2~1.5%, N:0.003% 이하(0%는 제외), O:0.003% 이하(0%는 제외)이며, C/P의 비가 0.2~6.0이고, C와 P의 합이 적어도 0.002% 이상으로 조성되며, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 슬라브를 1050℃이상 1200℃이하의 온도로 재가열후 열간압연하고,
680℃ 이하의 온도로 권취, 열연판소둔 및 산세하며,
1차 냉간압연후 830~1000℃온도로 중간소둔하고 2차 냉간압연하는 2회 냉간압연법으로 냉간압연하고,
800~1070℃의 온도에서 10초 이상 300초 이내로 냉연판을 소둔하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법의 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.
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특히, 본 발명을 구성하기 위해 각종의 조사와 검토를 행한 결과 금속재료 내부에는 결정립계가 존재하며, 이 결정립계안에는 불순물원소 특히 P와 C이 많은 것을 확인하였다. 이들 원소는 편석이 많이 발생되는 특성이 있으며, 결정립계 내부에는 어느 정도 이들 원소가 어느 정도 존재하는 것으로 판단되었다.
따라서, C와 P가 적정량 존재하여야 한다는 가정하에서 P와 C의 양을 변화시켜 실험한 결과, P가 0.005%이하로 존재하고 C량을 0.0010~0.0026%의 범위로 제어하고, C/P의 비를 적절하게 유지하여 C, P의 양을 일정하게 유지하면 철손이 낮고, 자속밀도는 높일 수 있는 것으로 조사되었다.
그리고, C와 P의 합이 적어도 0.002%이상이 요구되었다. 이때 O의 양이 많아지면 P저감의 효과가 떨어지기 때문에 0.0030%이하로 관리되어야 하는 것이 조사되었다.
결국, 본 발명의 조건으로 무방향성 전기강판을 제조할 때 철손을 낮추는 결정립의 크기가 크게 성장하며, 자화용이 방향인 <100> 방향이 많이 함유되는 (200)면의 집합조직이 잘 발달되어 자속밀도도 높아짐을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은 중량%로 C:0.001~0.0026%, Si:4.5%이하, Mn:0.5%이하, P:0.005%이하, S:0.005%이하, Al:0.2~1.5%, N:0.003%이하, O:0.0030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 강슬라브를 가열하여 열간압연하고 권취후 열연판을 소둔하고 중간소둔을 포함한 2회 냉간압연한후 냉간압연판을 최종소둔하는 자기적 특성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 성분계의 수치한정에 대하여 설명한다. 아울러, 설명되지 아니하고 단지 %로 기재된 모든 표시는 중량%임을 전제로 한다.
[C:0.0010~0.0026%]
C는 최종제품에서 자기시효를 일으켜서 사용중 자기적 특성을 저하시키므로 일반적으로는 낮을 수록 자기적 특성에 바람직한 것으로 알려져 있다.
그러나, 본 발명은 C가 0.0010%미만으로 과도하게 낮아도 자성이 저하되는 것, 특히 P가 0.005%이하로 낮아지면 자성이 현저히 저하되는 것을 확인하였다.
또한, C은 너무 높아도 자기적 특성이 저하되는 것을 확인하였다.
그러므로, 제강의 성분제조단계에서 C은 0.0010~0.0026%의 범위로 한다.
[Si:4.5%이하]
Si는 비저항을 증가시켜서 철손중 와류손실을 낮추는 원소이지만 본 발명의 강에서는 냉간압연성을 고려하여 4.5%이하로 첨가한다.
[Mn:0.5%이하]
Mn은 비저항을 증가시키며, 집합조직을 향상시키므로 첨가하며, 너무 많아도 집합조직의 향상이 적으므로 0.5%이하로 첨가한다.
[P:0.005%이하]
P는 편석원소이며, 불순물원소인 C을 0.0010~0.0026%로 함유시키고, P를 0.005%이하로 하며, C/P의 비가 0.2~6.0이 되게 함유되도록 함으로서 자기적 특성이 향상되었다. P가 0.005%를 초과하여 첨가되면 결정립성장이 억제되어 자성이 저하된다. 이때 C와 P의 합은 적어도 0.002%이상이 유지되어야 한다.
즉, 0.002% 이하인 경우에는 결정립계에 O나 N 등과 같은 원소들이 쉽게 이동하여 강 내부로 침투함으로써 내부 산화물이나 질화물이 과다하게 발생될 수 있고, 이들 질화물과 산화물은 결정립성장을 억제하여 자성을 저해하게 된다.
또한, C/P이 비가 적어도 0.2 이상은 함유되어야 자성이 향상되며, 이것은 최대 P 함유량에 대한 C의 최소한의 함유비이고, 침입형원소 C를 적정수준으로 유지함으로써 결정립계에 O 나 N의 침입을 억제하는 효과가 있으며, 또한 C/P가 6 이하가 되어야 자성이 향상되며 이것은 최소한의 P에 대한 C의 최대 함량을 의미하고 이때 P는 가능하다면 0.0010% 이상이 필요하다.
[S:0.005%이하]
S는 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 자기특성에 나쁜 영향을 미치므로 가능한한 낮게 함유되는 것이 유리하며, 본 발명에서는 0.005%이하로 함유토록 한다.
[Al:0.2~1.5%]
Al은 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는 역할을 하기 때문에 첨가하며, 0.2%미만으로 첨가되면 강내에 AlN의 미세한 석출물이 형성된다. 또한 1.5%를 초과하여 첨가시 첨가량에 비해 자성향상의 정도가 떨어진다. 따라서 Al은 0.2~1.5%로 첨가한다.
[N:0.003%이하]
N은 미세하고 긴 AlN석출물을 형성함으로 가능한 적게 함유토록 하며, 본 발명에서는 0.003%이하로 한다.
[O:0.003%이하]
O는 미세한 산화물 및 연성을 갖는 산화물을 만들며, 결정립계 편석원소가 낮게 함유될 경우 소재의 내부까지 침입하여 산화물을 쉽게 만들기 때문에 낮게 관리되어야 한다. 본 발명에서는 0.003%이하로 함으로서 낮은 P강의 첨가효과를 볼 수 있는 것으로 조사되었다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.
상기와 같이 조성되는 강의 슬라브는 제강에서 용강으로 제조된후 연속주조공정에서 슬라브로 응고시키고, 열간압연을 하기 위하여 가열로로 장입하며, 가열시 슬라브의 온도는 1100~1200℃ 범위로 한다.
1100℃ 보다 낮으면 압연시 압하부하가 너무 크게 되며, 1200℃ 보다 높게 가열하면, 불순물원소가 미세한 석출물로 석출되어 최종 제품의 결정립성장을 억제한다.
따라서, 재가열온도는 1050~1200℃의 범위로 한다.
열간압연후 열연판의 권취온도는 680℃ 이하에서 실시하고 공기중에서 코일상태로 또는 비산화성 분위기에서 냉각할 수 있고, 680℃가 넘으면 냉각시 소재의 내부산화로 자화가 곤란하여 자기적 특성이 나빠질 수 있다.
권취냉각된 열연판은 열연판소둔 생략하거나 또는 실시후 산세하고 냉간압연한다.
냉간압연은 1차냉간압연후 중간소둔한 다음 2차냉간압연을 실시하는 2회냉연법을 쓸 수 있다.
중간소둔온도는 830~1000℃의 온도범위로 한다. 830℃ 보다 낮으면 충분한 재결정이 되지 않으며, 1000℃ 보다 높으면 과도한 입성장이 됨으로서 2차냉간압연후 재결정 소둔시 결정립성장이 부족하여 자성이 열화될 수 있다.
최종 냉간압연된 강판은 소둔하며, 소둔온도는 800℃ 이상 1070℃이하로 한다.
소둔온도가 800℃ 보다 낮으면 결정립성장이 미흡하며, 1070℃ 보다 높으면 표면온도가 과다하게 높아서 판표면에 표면결함이 발생될 수 있으며, 자기적 특성도 나빠질 수 있기 때문이다.
소둔시간은 10초이상 300초이내로 한다. 소둔시간은 적어도 10초 이상이 되어야 재결정이 충분히 일어날 수 있으며, 300초를 초과하면 내부산화가 일어날 수 있기 때문에 10초 이상 300초 이하로 한다.
이때 소둔분위기는 수소10%이상의 질소와의 건조한 비산화 혼합분위기로 할 수 있다.
수소가 10%미만이 되면 미세한 비금속개재물인 Al2O3, MnO 및 FeO가 강판의 표면직하에 발생되어 집합조직이 열화되어 자성이 나빠진다.
소둔판은 절연피막처리후 수요가로 출하된다. 절연피막은 유기질, 무기질 및 유무기복합피막으로 처리할 수도 있으며, 기타 절연이 가능한 피막제를 입힐 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
[실시예 1]
표 1과 같은 성분을 갖는 본 발명강 슬라브를 제조하고, 본 발명강과 성분조성이 비슷한 비교강 슬라브를 제조하였다.
이어, 표 2와 같이 이들 슬라브를 재가열하고, 1.8mm로 열간압연후 650℃의 온도에서 권취하여 냉각하였다.
냉각된 열연판은 소둔온도 1050℃에서 3분간 소둔하고 산세한후 0.35mm 두께 로 1회 냉간압연하거나 1차 냉간압연후 중간소둔하고 2차 냉간압연 하였다.
냉연판소둔은 1070℃에서 소둔시간을 변화하여 실시되었으며, 소둔판은 절단후 자기적 특성 및 결정립크기가 조사되었다. 소둔분위기는 수소와 질소의 혼합분위기로 작업되었다.
실험결과, 본 발명의 성분범위와 제조조건에서 자기적 특성이 우수한 것으로 조사되었다.
강 종 C Si Mn P S Al N O C/P
발명강a 0.0010 2.15 0.25 0.0012 0.001 0.38 0.0018 0.0015 0.8
발명강b 0.0015 2.94 0.26 0.0020 0.001 1.40 0.0017 0.0012 0.7
발명강c 0.0020 2.92 0.27 0.0040 0.001 1.42 0.0016 0.0010 0.5
발명강d 0.0012 2.90 0.25 0.0050 0.002 1.43 0.0018 0.0012 0.2
발명강e 0.0026 2.92 0.25 0.0006 0.002 1.10 0.0017 0.0018 4.3
비교강a 0.0005 2.93 0.26 0.0105 0.001 1.40 0.0017 0.0016 0.04
비교강b 0.0035 2.91 0.25 0.0080 0.001 1.42 0.0017 0.0018 0.4
비교강c 0.0025 2.92 0.25 0.0003 0.001 1.39 0.0018 0.0017 8.3
비교강d 0.0009 2.92 0.25 0.0003 0.001 1.39 0.0018 0.0040 8.3
비교강a는 C가 과도하게 낮으며 C/P도 낮다.
비교강b는 C와 P가 높으며, 비교강c는 C와 P가 관리범위를 만족하지만 C/P의 비가 너무 높으며, 비교강d는 O가 높고 C와 P의 합이 낮다.
아울러, 하기한 표 2에서와 같이, 비교재1은 재가열온도가 높았으며, 냉연판소둔시간이 짧았다. 비교재2는 재가열온도가 과도하게 낮아서 균질화가 되지 않았고 중간소둔 온도도 낮았으며, 비교재3과 비교재4는 성분비가 적합하지 않았다.
시료번호 재가열온도(℃) 중간소둔
온도(℃)		 냉연판 소둔시간(초) 철손
(W15/50)W/kg		 자속밀도
(B50)Tesla		 결정립
크기(㎛)		 강 종
발명재1 1150 미실시 50 1.85 1.73 140 발명강a
발명재2 1150 미실시 50 1.99 1.66 160 발명강b
발명재2 1150 930 50 1.90 1.65 170 발명강b
비교재1 1250 미실시 5 2.38 1.64 135 발명강b
발명재3 1120 미실시 30 1.89 1.69 160 발명강c
발명재4 1120 미실시 60 1.95 1.67 165 발명강d
발명재5 1120 미실시 200 1.89 1.66 170 발명강e
비교재2 1000 700 50 2.31 1.64 120 발명강a
비교재3 1120 900 50 2.12 1.64 145 비교강b
비교재4 1120 900 50 2.45 1.63 125 비교강c
비교재5 1120 900 50 2.52 1.64 105 비교강d
W15/50 : 50Hz에서 1.5Tesla로 자화했을 때의 발생되는 손실
B50 : 50Hz에서 5000A/m로 자기장을 부가했을 때의 유기되는 자속밀도
[실시예 2]
중량%로 C:0.0023%, Si:3.2%, Mn:0.23%, P:0.002%, S:0.0005%, Al:1.24%, N:0.0017%, O:0.0017%, C/P=1.1이고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 슬라브를 1130℃로 가열한후 1.9mm의 두께로 열간압연하고, 620℃온도로 권취냉각하였다.
열연판은 1020℃에서 5분간 소둔하고 산세후 0.5mm로 1차냉연후 930℃에서 30초간 중간소둔후 2차냉간압연하고 산세후 0.20mm의 두께로 냉간압연하였다.
냉연판은 소둔온도 1050℃에서 1분간 소둔하였다.
소둔후 절단하고 자기적 특성을 측정한 결과 철손(W10/400)이 9.6W/kg이었고, 자속밀도(B50)는 1.66Tesla이었고, 결정립크기는 150㎛이었다.
[실시예 3]
중량%로 C:0.0012%, Si:0.98%, Mn:0.25%, P:0.004%, S:0.001%, Al:0.24%, N:0.0013%, O:0.0018%, C/P=0.3이고 잔부 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 슬라브를 1150℃로 가열한후 2.2mm의 두께로 열간압연하고, 680℃온도로 권취후 냉각하였다.
열연판은 950℃에서 4분간 소둔하고 산세후 0.5mm로 냉간압연후 950℃에서 30초간 소둔하였다.
소둔후 절단하고 자기적 특성을 측정한 결과 철손(W15/50)이 4.5W/kg이었고, 자속밀도(B50)는 1.75Tesla이었고, 결정립크기는 65㎛이었다.
이들 실시예를 통해서, 본 발명의 조성범위와 제조방법을 통해 무방향성 전기강판 제조시 불순물을 일부 잔류시키면서도 우수한 자기적 특성을 갖도록 할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 무방향성 전기강판 제조시 작용되는 불순물을 어느 정도 남겨두고도 그 자기적 특성을 향상시킬 수 있어 이들 불순물 제거에 소요되는 비용을 현저히 절감하고, 작업공수를 줄여 생산성 향상을 도모할 수 있다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 중량%로 C:0.0010~0.0026%, Si:4.5% 이하(0%는 제외), Mn:0.5% 이하(0%는 제외), P:0.005% 이하(0%는 제외), S:0.005% 이하(0%는 제외), Al:0.2~1.5%, N:0.003% 이하(0%는 제외), O:0.003% 이하(0%는 제외)이며, C/P의 비가 0.2~6.0이고, C와 P의 합이 적어도 0.002% 이상으로 조성되며, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 슬라브를 1050℃이상 1200℃이하의 온도로 재가열후 열간압연하고,
    680℃ 이하의 온도로 권취, 열연판소둔 및 산세하며,
    1차 냉간압연후 830~1000℃온도로 중간소둔하고 2차 냉간압연하는 2회 냉간압연법으로 냉간압연하고,
    800~1070℃의 온도에서 10초 이상 300초 이내로 냉연판을 소둔하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법.
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