KR101089305B1

KR101089305B1 - 이방성이 작은 무방향성 전기강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101089305B1
Application number: KR1020080129846A
Authority: KR
Inventors: 배병근
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-12-02
Also published as: KR20100071213A

Abstract

본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 자성이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은. 중량%로 Si:1.6~4.0%, Mn:0.1~0.45%, P:0.01~0.1%, Al:0.30~1.0%, (C+S+Ti+N): 0.0059~0.011%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 강판의 결정립 크기(㎛)가 (Si+Al)x45 보다 작고, 강판의 압연방향의 철손(L)과 압연방향의 직각방향의 철손(C)으로 구성되는 철손 편차가 (C-L)x100/(C+L)≤10을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 무방향성 전기강판에서 이방성이 작아지도록 불순물원소의 양과 첨가하는 (Si+Al)의 원소의 양을 적절히 조합하여 철손의 편차를 감소시켜 자성을 향상시키는 방법을 제공한다. 따라서 불순물원소의 양을 과도하게 낮추지 않고도 자성을 향상시킬 수 있어서 원가도 절감할 수 있는 강판을 제공한다.

이방성, 무방향성 전기강판, 결정립, 압연방향, 철손편차

Description

이방성이 작은 무방향성 전기강판 및 그 제조방법{Non-directional Electrical Steel Sheets having Low Anisotropy and Manufacturing Method thereof}

무방향성 전기강판은 모터 및 발전기 등의 회전기기와 정지기중 소형 변압기의 철심용 재료로 사용되고 있으며, 전기에너지를 회전에너지로 바꾸는데 있어서 에너지손실이 가장 커질 수 있는 부품이어서 전기제품 설계에서 가장 중요한 부품이 된다. 철심은 전기를 부가하여 자기장을 걸어줄 때 자기장의 크기를 크게 하여 주기 때문에 사용하며, 무방향성 전기강판의 철손이 낮으면 전기손실도 줄일 수 있다. 최근 전기자동차를 구동하는 모터용 전기강판에 관심이 집중되고 있는데, 가장 중요한 재료가 무방향성 전기강판이기 때문이다.

철손은 두께를 낮추거나 합금원소를 많이 첨가하면 낮아질 수도 있지만, 불순 물이 적은 청정강으로 제조하거나, 추가적인 원소를 첨가하여 자성을 향상할 수 있는 강으로 제조하기도 하였다. 전자의 경우 제조공정에서 추가공정에 대한 원가가 증가되며, 후자의 경우 추가로 첨가하는 원소에 대한 비용이 증가하게 된다.

무방향성 전기강판에서 요구되는 주요 자기적 특성은 철손이 낮고 자속밀도가 높으며, 압연방향과 압연수직방향 및 원주방향으로의 자기적 특성에 편차가 적어야 한다. 무방향성 전기강판은 압연 방향 또는 압연방향 대비 기타의 방향과의 편차가 작아야 하며, 결국 이방성이 낮아야 회전이 용이하기 때문이다. 그 중에서도 철손은 이방성이 낮아야 회전이 용이하기 때문에 중요한 인자로 판단된다.

자기적 특성에 영향을 미치는 인자로는 첨가 및 불가피하게 첨가되는 불순물성분, 재료의 결정립크기 등이 있으며, 일본특허공보 제2700505호는 Sn, Ni 및 Cu가 첨가되는 문제가 있다.

이방성에 대해서는 일본공개특허 2008-127659 은 압연방향 대비 55도 각도에서의 이방성 특성이 우수한 소재를 요구하고 있다. 일본공개특허 2006-045613 는 압연 방향 대비 45도에서의 자기특성이 우수한 소재를 요구하고 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고, 이방성이 작고 자기특성이 우수한 무방향성 전기강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은. 중량%로 Si:1.6~4.0%, Mn:0.1~0.45%, P:0.01~0.1%, Al:0.30~1.0%, (C+S+Ti+N): 0.0059~0.011%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 강판의 결정립 크기(㎛)가 (Si+Al)x45 보다 작고, 강판의 압연방향의 철손(L)과 압연방향의 직각방향의 철손(C)으로 구성되는 철손 편차가 (C-L)x100/(C+L)≤10을 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 강판은, Sn: 0.01~0.10%를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이방성이 작은 무방향성 전기강판의 제조방법은, 상기 성분조성으로 된 슬라브를 재가열하고 열간압연한 후, 열연판 소둔을 행하거나 생략하고, 냉간압연한 다음, 1단 소둔로와 2단 소둔로로 구분된 소둔로에서 최종 소둔하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 슬라브는 Sn:0.01~0.10%를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 1단 소둔로의 온도는 800~1050^oC로 하고, 2단 소둔로의 온도는 850~1,100^oC의 온도범위로 하는 것을 특징으로 하며, 상기 1단 소둔로와 2단 소둔로 사이에는 연결통로로 연결되어 연속 소둔되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 무방향성 전기강판에서 이방성이 작아지도록 불순물원소의 양과 첨가하는 (Si+Al)의 원소의 양을 적절히 조합하여 철손의 편차를 감소시켜 자성을 향 상시키는 방법을 제공한다. 따라서 불순물원소의 양을 과도하게 낮추지 않고도 자성을 향상시킬 수 있어서 원가도 절감할 수 있는 강판을 제공한다.

본 발명은 중량%로 Si:1.6~4.0%, Mn:0.1~0.45%, P:0.01~0.10%, Al:0.30~1.0%, (C+S+Ti+N): 0.0059~0.011%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 열간압연, 열연판 소둔 또는 생략하고, 냉간압연하고 소둔하여 제조하는 강판에서 성분과 결정립계의 수식(1): (Si+Al)x45>강판의 결정립 크기(GS), 및 강판의 압연방향의 철손 (L)과 압연방향의 직각방향의 철손(C)으로 구성되는 철손편차수식(2): (C-L)x100/(C+L)≤10을 만족하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판을 제공한다.

또한 상기한 성분에서 Sn:0.01~0.10%를 더 포함하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판을 제공한다.

또한 상기 성분 및 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 강판에서 열간압연, 열연판 소둔 또는 생략하고, 냉간압연하고 최종 소둔하는 무방향성 전기강판 제조공정에서, 최종 소둔할 때 소둔로는 1단소둔로와 2단소둔로로 구분하며, 1단소둔로의 온도는 800~1050℃로 하고 2단소둔로의 온도는 850~1100℃의 온도범위로 하는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

무방향성 전기강판에서 압연방향 대비 다른 방향의 편차가 적으려면 결정립 크 기가 작은 것이 필요한 것으로 조사되었다. 그런데 또한 무방향성 전기강판은 결정립이 과도하게 작으면 철손이 증가되는 문제도 발생하였는데, 철손 중에서 특히 이력손실이 증가되는 현상으로 나타났다. 평균자성값을 향상시키기 위해서는 결정립을 성장시켜야 하나 압연방향 대비 자성의 편차를 감소시키기 위해서는 결정립을 작게 하는 것이 요구되었다. 그런데 Si과 Al의 합금원소가 많이 첨가되면 결정립이 크게 성장되며, 또한 불순물원소 C, S, Ti 및 N 의 량이 감소되어도 결정립이 크게 성장되는 것으로 조사되었다. 그런데 결정립이 과도하게 크면 자성의 편차가 발생되고 자성도 나빠지는 것으로 나타났다. 또한 첨가원소중에서 Sn은 결정립계에 편석하여 결정립을 조정할 수 있도록 하기 위하여 첨가하였다.

불순물원소 (C+S+Ti+N)의 량을 줄이고, 합금원소 중에서 합금원소의 양과 결정립 크기를 적절히 함으로써 철손편차를 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

발명의 구성 성분에서 Si과 Al을 합한 성분과 결정립 크기가 어떤 수식 관계(1)가 있는 것으로 나타났는데, Si과 Al은 본 발명의 성분계에서 결정립을 성장시키는 대표적인 원소로 조사되어 결정립 크기가 아래와 같이 나타났다. 결정립을 보다 크게 성장시킬 수 있지만 불순물원소를 이용하여 본 발명의 범위로 성장시키고 자성의 편차를 감소시키는 것이 바람직하다. (Si+Al)에 45를 곱한 값 보다 결정립이 크면 이방성이 증가되는 것으로 나타났고, 작으면 이방성이 작은 것으로 조사되었다.

(1): (Si+Al)x45>강판의 결정립 크기 (단위:㎛)

또한 본 발명에서는 강판의 압연방향의 철손(L)과 압연방향과 직각 방향의 철손(C)으로 구성되는 철손편차 수식(2)을 이용하였다. 압연방향과 압연방향과 수직방향은 쉽게 방향을 측정할 수 있으며, 압연방향은 자성이 가장 좋으며 압연방향의 수직방향은 자성이 나빴기 때문에 이방성을 측정할 수 있는 잣대로 사용되었다.

(2): (C-L)x100/(C+L)≤10

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

불순물원소 (C+S+Ti+N)의 양을 줄이고, 합금원소 중에서 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는 (Si+Al)의 양과 결정립 크기를 적절히 함으로써 철손편차를 줄일 수 있도록 하기 위하여 성분원소를 적절히 조정하였다.

먼저, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

(C+S+Ti+N): 0.0059~0.011%,

C, S, Ti, N는 불가피하게 첨가될 수 있는 불순물원소이다. 4개의 원소는 적어도 0.011%이하로 함유되도록 한다. 과도하게 낮아도 자성의 편차가 커져서 자성이 나빠지는 것으로 조사되었다. 0.0059%미만으로 되면 결정립이 과도하게 커져서 자성편차가 커지며, 0.011%를 초과하여 첨가되면 결정립이 과도하게 작아져서 자성이 나빠지는 것으로 조사되었다. 각각의 원소별 상한치는 다음과 같다.

C은 최종제품에서 자기시효를 일으키며, 탄화물도 형성하여 사용 중 철손을 높임으로 가능한한 0.004%이하로 함유한다.

S는 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 철손을 높임으로 가능한 낮게 관리하 는 것이 유리하기 때문에 0.004중량%를 초과하지 않도록 한다.

N는 미세하고 긴 AlN석출물을 형성하여 결정립성장을 억제하므로 적게 함유시키며, 본 발명에서는 0.004중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti는 미세한 TiN, TiC 의 석출물을 만들어 결정립성장을 억제하기 때문에 본 발명에서는 0.001%~0.005%로 한다. 또한 이 보다 많이 첨가되면 과도하게 많은 미세한 석출물이 발생되어 집합조직을 열화시켜 철손을 증가시킨다.

Si: 1.6~4.0중량%

상기 Si는 비저항을 증가시켜서 철손중 와류손실을 낮추는 성분이기 때문에 첨가하며, Al과 합하여 결정립을 성장시키서 자성을 결정하는 중요한 원소이다. 4.0중량%를 초과하여 첨가되면 냉간압연성이 떨어져 판파단이 일어나기 때문에1.6~4.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.01%~0.1중량%

상기 P는 비저항을 증가시켜 철손을 낮추므로 첨가하기도 하지만, P는 과다하면 냉간압연성이 나빠짐으로 0.1중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 그런데 0.01% 미만이 되면 결정립이 과도하게 증가되어 자성편차가 커지므로 0.01% 이상으로 첨가한다.

Mn: 0.1~0.45중량%

상기Mn은 집합조직을 발달시키며, 미세한 석출물인 MnS의 발생을 어제하기 때문에 첨가하며, 0.1%미만으로 첨가시 집합조직이 나빠지며, 0.45%을 초과하여 첨가하면 첨가량에 비해 철손의 감소량이 작으며 냉간압연성을 해친다. 따라서 Mn은 0.1~0.45중량% 첨가하는 것이 바람직하다.

Al: 0.30~1.0중량%

상기 Al은 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는데 유효한 성분이어서 첨가하며, 또한 0.30% 미만으로 첨가하면 결정립성장을 억제하는 석출물인 AlN이 발생되며, 또한 1.0중량%를 초과하여 첨가되면 첨가량에 비해 자성향상의 정도가 떨어지므로, 1.0중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서 Al은 0.30~1.0%로 첨가한다.

Sn: 0.01~0.1중량%

상기 Sn은 결정립계에 편석하여 결정립의 성장을 억제하며 집합조직을 개선하기 때문에 첨가하며 0.01%미만으로 첨가되면 그 효과가 없으며, 0.1%를 초과하여 첨가하면 압연성상이 나빠지기 때문에 0.01~0.1%로 한다.

상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

상기와 같이 조성되는 강 슬라브를 통상의 조건인 1200℃이하로 재가열한 다음 열간압연한다. 열간압연하는 방법은, 조압연하고 사상압연을 실시하며, 사상압연의 마무리압연은 페라이트상에서 종료하며 판형상 교정을 위하여 최종 합하율은 40%이하로 실시한다.

상기와 같이 제조된 열연판은 680℃이하에서 권취하고, 공기중에서 냉각한다. 열연판소둔은 900~1100℃의 범위로 할 수 있다.

상기 권취된 열연판은 소둔 및 산세후 냉간압연한다. 냉간압연은 0.10mm에서 0.70mm의 두께로 최종 압연한다. 필요시 1차 냉간압연후 중간소둔후 2차 냉간압연할 있으며, 최종 압하율은 50~95%의 범위로 한다. 최종 냉간압연된 강판은 2단소 둔한다. 1단소둔과 2단소둔은 소둔로를 분리하며, 1단소둔하고 2단소둔한다. 1단소둔온도는 2단소둔온도보다 같거나 낮게 한다.

본 발명에서 1단소둔의 온도는 800~1050℃로 하고 2단소둔의 온도는 850~1100℃의 온도범위로 한다. 1단소둔과 2단소둔을 구분하는 것은 2단 소둔에서 안정된 균열온도를 확보하여 자성의 편차를 감소하기 위함이며, 그 구분은 1단소둔과 2단소둔의 소둔로를 구분하여야 하며, 소둔로 사이에 연결통로를 만들어 연속소둔할 수 있도록 한다. 1단소둔의 온도가 과다하게 높으면 압연방향과 압연수직방향의 자성의 편차가 커지기 때문에 1단소둔의 온도는 800~1050℃로 한다. 2단소둔의 온도는 결정립을 성장시키고 자성의 편차를 감소시키기 위하여 1단소둔과 구분하며, 850~1100℃로 소둔한다.

상기 소둔판은 절연피막처리 후 고객사로 출하된다. 상기 절연피막은 유기질, 무기질 및 유무기 복합피막으로 처리될 수 있으며, 기타 절연이 가능한 피막제로 처리하는 것도 가능하다. 고객사는 강판을 가공 후 그대로 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예1]

하기 표 1과 같이 조성되는 강 슬라브를 1150℃에서 가열하고, 열간압연시 마무리압연을 880℃에서 하였다. 열간압연의 사상압연시 마지막 스탠드에서의 압하율은 15%이었고, 2.2mm의 두께로 압연한후, 620℃에서 권취하였다. 공기중에서 권취 냉각한 열연강판은 1000℃에서 소둔하고, 산세한 다음 0.35mm 두께로 냉간압연하고, 소둔하되 1단소둔온도 및 2단소둔온도는 각각 980℃와 1020℃로 하였고 2단소둔로에서 1분간 유지하였다. 상기 소둔판은 절단 후 철손측정 및 결정립을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.

강명칭	C	Si	S	P	Mn	Al	N	Ti	Sn	C+S+Ti+N
비교강A	0.0035	2.73	0.0045	0.03	0.25	0.70	0.0025	0.0009	0.025	0.0114
비교강B	0.0015	2.71	0.0005	0.02	0.26	0.20	0.0009	0.0009	-	0.0038
발명강A	0.0015	2.70	0.0015	0.03	0.27	0.30	0.0012	0.0017	-	0.0059
발명강B	0.0030	2.72	0.0020	0.06	0.27	0.51	0.0011	0.0035	0.025	0.0076
발명강C	0.0026	2.73	0.0010	0.04	0.25	0.70	0.0012	0.0030	0.03	0.0078
발명강D	0.0021	1.60	0.0025	0.09	0.45	0.84	0.0011	0.0016	0.05	0.0073
발명강E	0.0026	3.20	0.0020	0.07	0.29	0.71	0.0011	0.0016	0.025	0.0073
비교강C	0.0045	3.21	0.0035	0.02	0.29	0.71	0.0021	0.0023	0.025	0.0124

구분	강명칭	(Si+Al)	(Si+Al) x 45	결정립 크기(㎛)	철손 (W15/50)	철손편차 (C-L)x100/ (C+L)	자속밀도 (B50)
비교재1	비교강A	3.43	154	60	2.50	8	1.67
비교재2	비교강B	2.91	131	160	2.45	14	1.68
발명재1	발명강A	3.00	135	110	2.10	6	1.69
발명재2	발명강B	3.23	145	125	2.15	5	1.70
발명재3	발명강C	3.43	154	115	2.15	4	1.72
발명재4	발명강D	2.44	110	75	2.32	4	1.70
발명재5	발명강E	3.91	176	150	1.95	5	1.69
비교재3	비교강C	3.92	176	50	2.36	12	1.66

1) 철손(W_15/50)은50Hz주파수에서1.5Tesla의 자속밀도가 유기되었을 때의 손실(W/kg)임.

2) 자속밀도(B50)은 5,000A/m로 유기하였을 때 유도되는 자기장의 강도임

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강 (A~E)를 이용하여 본 발명의 제조조건으로 제조한 발명재(1~5)는 철손이 낮으면서 철손의 편차도 낮고 자속밀도도 비교적 높게 나타났음을 알 수 있다. 비교재1은 S를 비롯하여 불순물이 많아서 결정립은 과도하게 작아졌고 자성이 나쁜 것으로 조사되었다. 비교재2는 과도한 청정강은 결정립이 과도하게 성장되어 편차가 커질 수도 있음을 나타낸다. 비교재3은 (C+S+N+Ti)량이 높으며, 그 중에서 C이 0.0045%로 높아서 결정립이 작은 것으로 나타나 전체 자성이 저하되었고 자기편차도 커진 것으로 조사되었다.

[실시예2]

중량%로, C: 0.0025%, Si: 3.1%, Mn:0.15%, P: 0.015%, S: 0.0011%, Al: 0.60%, N: 0.0015%, Ti: 0.0015%, Sn: 0.025%나머지Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 1120℃로 재가열한 다음 열간압연시 사상압연의 마무리압연온도는 800℃로 하고, 압하율은 19%로 하여2.0mm 두께의 열연강판을 제조하였다. 상기 열연강판을 600℃에서 권취한 다음 공냉하고, 열연판소둔은 950℃에서 5분간 연속소둔하고 산세하고, 0.20mm의 두께로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판은 표3과 같이 소둔하고 자성측정 및 결정립 크기를 조사하였다. C+S+Ti+N=0.0066% 이고, (Si+Al)=3.70%이며, (Si+Al)x45=167이었다. 비교재4는 1단 소둔온도가 2단소둔온도 보다 과도하게 높은 것이 철손이 높고 편차가 큰 원인으로 조사되었는데 특히 1단소둔로와 2단소둔로가 연결되어 있어서 편차가 크게 나타났다. 비교재5는 1단소둔온도가 과도하게 낮아서 강판 내에 응력이 존재하고 결정립이 과도하게 미세한 것이 원인으로 조사되었다.

구분	1단소둔온도(℃)	2단소둔온도 (℃)	결정립 크기(㎛)	철손 (W10/400)	철손편차 (C-L)x100/ (C+L)	자속밀도 (B50)
비교재4	1050	1020	220	13.5	15	1.62
비교재5	750	1020	55	12.5	9	1.65
발명재6	980	1020	95	10.7	6	1.68
발명재7	1020	1050	120	9.8	5	1.67

1) 철손(W_10/400)은400Hz주파수에서1.0Tesla의 자속밀도가 유기되었을 때의 손실(W/kg)임.

Claims

중량%로 Si:1.6~4.0%, Mn:0.1~0.45%, P:0.01~0.1%, Al:0.30~1.0%, (C+S+Ti+N): 0.0059~0.011%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 강판의 결정립 크기(㎛)가 (Si+Al)×45 보다 작고, 강판의 압연방향의 철손(L)과 압연방향의 직각방향의 철손(C)으로 구성되는 철손 편차가 (C-L)×100/(C+L)≤10을 만족하는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판.
제1항에 있어서,

상기 강판은, Sn: 0.01~0.10%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판.
청구항 1의 성분조성으로 된 슬라브를 재가열하고 열간압연한 후 열연판 소둔을 행하거나 생략하고, 냉간압연한 다음, 1단 소둔로와 2단 소둔로로 구분된 소둔로에서 최종 소둔하는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 슬라브는 Sn:0.01~0.10%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판의 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 1단 소둔로의 온도는 800~1050℃로 하고, 2단 소둔로의 온도는 850~1,100℃의 온도범위로 하되, 1단 소둔로의 온도를 2단 소둔로의 온도 이하로 하는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 1단 소둔로와 2단 소둔로 사이에는 연결통로로 연결되어 연속 소둔되는 것을 특징으로 하는 이방성이 작은 무방향성 전기강판의 제조방법.