KR101100357B1 - 자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법 - Google Patents

자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 급랭 응고 무방향성 전기 강판을 제공한다. 소정의 성분을 함유하는 용강을 이동 갱신되는 냉각체 표면에 의해서 응고시켜서 주조 강대로 할 때에, 용강에 REM과 Ca의 1종 또는 2종 이상을 합계 함유량으로 0.0020% ~ 0.01% 함유하고, 주조 분위기를 Ar, He 또는 이들의 혼합 분위기로 하여 주조하는, 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 무방향성 전기 강판의 제조 방법을 제공한다.
무방향성 전기 강판, 자속 밀도, 철손, 주조 분위기, 급랭 응고, 석출물

Description

자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING NON-ORIENTED ELECTRICAL SHEET HAVING EXCELLENT MAGNETIC PROPERTIES}
본 발명은 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 무방향성 전기 강판을 얻는 제조 방법을 제공한다.
무방향성 전기 강판은 대형 발전기, 모터, 음향 기기나 안정기 등의 소형 정지기(靜止器)에 사용되며, 자속 밀도가 높고 철손이 낮고 자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판이 요구된다.
자속 밀도가 높은 무방향성 전기 강판의 제조 방법의 하나로 급랭 응고법이 있다. 즉, 이동 갱신(更新)되는 냉각체 표면에 의해서 용강을 응고시켜서 주조 강대로 하고, 그 다음에, 해당 주조 강대를 냉간 압연하여 소정의 두께로 한 후, 마무리 소둔하여 무방향성 전기 강판을 얻는 방법이다. 일본 공개특허공보 소62-240714호, 평5-306438호, 평6-306467호, 제2004-323972호 및 제2005-298876호에는, 급랭 응고법에 의해 자속 밀도가 높은 무방향성 전기 강판을 제조하는 방법이 제안되어 있다.
한편, 미세한 석출물은 마무리 소둔에서의 결정립 성장을 억제하거나, 자화 과정에 있어서 자벽의 이동을 방해하고 철손을 열화시킨다. N은 AlN을 생성하는데, 미세한 AlN의 석출을 억제하기 위해서 Al을 0.15% 이상 첨가하는 방법이 일반적이다. 또한, 미세한 황화물을 제어하는 방법으로서 예를 들면 일본 공개특허공보 소51-62115호에 REM을 첨가하여 S를 고정하는 방법이 제안되어 있다.
에너지 절약과 자원 절약이 요구되는 가운데, 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 강판이 요구되고 있고, 상기 일본 공개특허공보 소62-240714호, 평5-306438호, 평6-306467호, 제2004-323972호 및 제2005-298876호의 급랭 응고법에서는, 높은 자속 밀도를 얻을 수 있지만 철손이 낮다는 점에서 만족할 만한 것은 아니었다. 또한, 일본 공개특허공보 소51-62115호는 REM으로 황화물을 제어하는 방법에 관한 것이며, 자속 밀도는 만족스러운 것은 아니었다.
본 발명은, 상기 선행 기술에 의한 방법에서는 얻을 수 없었던 높은 자속 밀도와 낮은 철손의 무방향성 전기 강판을 제조하는 방법을 제공하며, 그 요지는 다음과 같다.
(1) 질량%로, C: 0.003% 이하, Si: 1.5% ~ 3.5%, Al: 0.2% ~ 3.0%, 1.9%≤(%Si＋％Al), Mn: 0.02% 이상 1.0% 이하, S: 0.0030% 이하, N: 0.2% 이하, Ti: 0.0050% 이하, Cu: 0.2% 이하, 총 O량: 0.001% ~ 0.005%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 이동 갱신되는 냉각체 표면에 의해서 응고시켜서 주조 강대로 하고, 그 후, 해당 주조 강대를 냉간 압연하고, 그 후, 마무리 소둔하는 무방향성 전기 강판의 제조 방법에 있어서, 용강의 REM와 Ca 중 어느 하나를 1종 또는 2종을 합계 함유량으로 0.0020% ~ 0.01%로 하고, 주조 분위기를 Ar, He 또는 이들의 혼합 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법.
(2) 용강에 Sn와 Sb 중 1종 또는 2종을 합계로 0.005% ~ 0.3% 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법.
도 1은 REM 함유량, 주조 분위기 및 W15/50의 관계도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은, 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 무방향성 전기 강판의 제조 방법을 개발하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 급랭 응고법에 있어서, 용강의 REM과 Ca 중 어느 하나를 1종 또는 2종을 합계로 0.0020% ~ 0.01%로 하고, 주조 분위기를 Ar, He 또는 이들의 혼합 분위기로 하는 것이 상당히 유효하다는 것을 밝혀내었다.
이하는 본 발명자들이 행한 실험 결과의 일례이다. C: 0.0012%, Si: 3.0%, Al: 1.4%, Mn: 0.24%, S: 0.0022%, N: 0.0023%, Ti: 0.0015%, Cu: 0.09%, 총 O량: 0.0030%를 함유한 용강을 쌍롤법에 의해 주조 분위기 N2로 급랭 응고하여 2.0mm 두께의 주편을 제조하였다. 이를 0.35mm 두께로 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1050℃×30초의 마무리 소둔을 실시하였다. 마무리 소둔판 중의 석출물을 전자현미경으로 관찰한 결과, ㎛ 크기의 AlN와 수십 ~ 100nm 정도의 Mn-Cu-S가 관찰되었고 특히 AlN가 상당히 다량이었다. 여기서 주편과 마무리 소둔판의 N을 분석한 결과, 용강 N이 23ppm이었던 것에 대하여, 주편과 마무리 소둔판 모두에서는 89ppm이었고, 주조에서 질화되어 있는 것이 판명되었으며, 이에 따라 다량의 AlN이 생성되었음을 알 수 있었다.
다음으로, C: 0.0011% ~ 0.0012%, Si: 3.0%, Al: 1.4%, Mn: 0.24%, S: 0.0022% ~ 0.0025%, N: 0.0021% ~ 0.0023%, Ti: 0.0015%, Cu: 0.09%, 총 O량: 0.0032%를 함유한 용강을 쌍롤법에 의해 주조 분위기를 바꾸어 급랭 응고하여 2.0mm 두께의 주편을 제조하고, 0.35mm 두께로 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1050℃×30초의 마무리 소둔을 실시하였다. 주편 N을 분석한 결과를 표 1에 나타내었다. 이로부터 주조 분위기를 N2나 대기로 하면 주조 중에 침질(浸窒)되고, 주편 중의 N이 현저하게 증가하지만, Ar이나 He로 하면 질화가 억제되는 것이 판명되었다.
Figure 112009020643200-pct00001
Ar 분위기에서 주조한 시료의 주편과 마무리 소둔판의 석출물을 판두께 중심층에서 전자현미경으로 관찰한 결과, 주편에서는 석출물은 적고 소수의 ㎛ 크기의 AlN과 수십 ~ 100nm 정도의 Mn-Cu-S가 소량 확인될 뿐이었으나, 마무리 소둔판에서는 ㎛ 크기의 AlN과 특히 수십 nm 정도의 Mn-Cu-S가 주편보다도 증가하고 다량 관찰되었다. 이로부터, 급랭 응고법에서는 냉각 속도가 빠르기 때문에, 용강 S는 주편에서는 대부분이 고용 S로서 존재하고, 마무리 소둔에서 수십 nm 정도의 미세한 Mn-Cu-S로서 석출하는 것을 알 수 있었다.
본 발명자들은, S의 제어에 대해 예의 검토한 결과, 용강에 REM이나 Ca를 함유시키는 것이 매우 유효하다는 것을 알 수 있었다. C: 0.0010%, Si: 3.0%, Al: 1.4%, Mn: 0.24%, S: 0.0025%, N: 0.0022%, Ti: 0.0019%, Cu: 0.08%, 총 O량: 0.0022%, REM를 다양한 양으로 함유한 용강을 쌍롤법에 의해 주조 분위기 Ar와 N2로 급랭 응고하여 2.0mm 두께의 주편을 제조하였다. 이를 0.35mm 두께로 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1050℃×30초의 마무리 소둔을 실시하였다. 또한, Ar 분위기에서 주조한 주편과 마무리 소둔판의 석출물을 판두께 중심층에서 전자현미경으로 관찰하였다. 주편과 마무리 소둔판 모두 석출 형태는 같고, REM2O2S에 AlN이 ㎛ 크기로 주로 복합 석출하였으며, 수십 nm 정도의 석출물은 거의 존재하지 않았다. 이러한 점으로부터, REM를 첨가하면, 용강에서 REM2O2S가 정출(晶出)하여 S가 방출되고, 이를 사이트로 하여 AlN이나 TiN이 복합 석출함으로써, AlN이 단독으로 미세하게 출현하는 것을 방지할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 도 1에는 REM 함유량, 주조 분위기 및 철손 W15/50의 관계가 도시되어 있다. 이로부터, REM를 20ppm ~ 100ppm 함유시키고, 주조 분위기 Ar로 주조하였을 경우에, 철손의 저하가 현저하다는 것을 알 수 있다. Ca에 대해서도 실험하여, 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
본 발명자들은, 더욱 조사를 진행하여, 상기의 REM 35ppm을 함유하는 시료의 마무리 소둔판을 관찰한 결과, 표층부에 석출물이 관찰되었고, 이를 전자현미경으로 관찰하고 분석하였는데, 미세한 AlN이라는 것을 알 수 있었다. 한편, 주편의 표층도 관찰하였으나, 주편에는 확인되지 않았다. 미세한 AlN은 마무리 소둔에서 질화에 의해 생성된 것이었다. 한편, C: 0.0008%, Si: 3.0%, Al: 1.4%, Mn: 0.23%, S: 0.0020%, N: 0.0019%, Ti: 0.0017%, Cu: 0.08%, 총 O량: 0.0022%, REM: 0.0030%, Sn 무함유 및 0.03%를 함유한 용강을 쌍롤법에 의해 주조 분위기 Ar로 급랭 응고하여 2.0mm 두께의 주편을 제조하였다. 이를 0.35mm 두께로 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1050℃×30초의 마무리 소둔을 실시하고, 철손 W15/50을 측정하고, 표층부를 전자현미경으로 관찰하였다. Sn 0.03% 첨가에서는 표층에 AlN이 존재하지 않고 W15/50이 1.89W/kg이었고, Sn 무함유에서는 질화에 의한 표층의 AlN이 관찰되고 W15/50이 1.92W/kg이었으며, Sn를 첨가하여 질화를 억제함으로써 더욱 철손이 개선되는 것을 알 수 있었다. REM를 첨가하면 S를 REM2O2S로서 방출하므로, S의 표면 편석이 나타나지 않고 질화가 일어나지만, Sn을 첨가하면 Sn이 표면에 편석하고, 질화를 효과적으로 억제하는 것으로 생각된다. Sb에 대해서도 실험하여, 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
이하에서, 본 발명의 한정 이유를 설명한다.
C는 오스테나이트·페라이트 2상역으로 하지 않고 페라이트 1상으로 하고 주상정을 가능한 한 발달시키기 위하여 0.003% 이하로 하였다. 또한, C는 미세한 TiC의 석출을 억제한다는 점에서도 0.003% 이하로 한다.
Si: 1.5% ~ 3.5%, Al: 0.2% ~ 3.0%, 1.9%≤(%Si＋％Al): C가 0.003% 이하이고 1.9%≤(%Si＋％Al)이면, 오스테나이트·페라이트 2상역이 되지 않고 페라이트 1상이 되므로 1.9%≤(%Si＋％Al)로 하였다. Si와 Al은 전기 저항을 증가시키고 와전류 손실을 저하시키므로, 하한은 각각 1.5%와 0.2%로 하였다. Si와 Al를 각각 3.5%와 3.0% 초과로 첨가하면 가공성이 현저하게 열화한다.
Mn은 취성을 개선하기 위해 0.02% 이상으로 한다. 상한의 1.0%를 초과하여 첨가하면 자속 밀도가 열화한다.
S는 황화물을 형성하고 철손에 유해한 작용을 하므로, 0.0030% 이하로 한다.
N은 AlN, TiN 등 미세한 질화물을 형성하고 철손에 유해한 작용을 하므로, 0.2% 이하로 하고 바람직하게는 0.0030% 이하로 한다.
Ti는 TiN, TiC 등의 미세한 석출물을 형성하고 철손에 유해한 작용을 하므로, 0.0050% 이하로 한다.
Cu는 Mn-Cu-S 등 미세한 황화물을 형성하고 철손에 유해한 작용을 하므로, 0.2% 이하로 한다.
총 O는 REM2O2S나 Ca-O-S를 가능한 한 생성시키고, S를 방출하고, AlN과 TiN을 조대하게 복합 석출시키기 위하여 하한을 0.001%로 하였다. 상한의 0.005%를 초과하면 Al2O3가 생성하고, AlN과 TiN이 조대하게 복합 석출하기 어려워진다.
REM와 Ca는 어느 하나를 1종 또는 2종을 합계 함유량으로 0.002% ~ 0.01%로 한다. REM2O2S 또는 Ca-O-S를 가능한 한 생성시키고, S를 방출하고, AlN과 TiN를 조대하게 복합 석출시키기 위해 하한을 0.002%로 하였다. 상한의 0.01%를 초과하면 오히려 자기 특성이 열화한다. 여기서 REM이란, 란탄부터 루테튬까지의 15 원소에 스칸듐과 이트륨을 추가한 합계 17 원소의 총칭이지만, 그 중의 1종만을 이용하여도, 또는 2종 이상의 원소를 조합하여 이용하여도, 본 발명의 범위 내이면 상기 효과는 발휘된다. REM과 Ca는 1종이어도 무방하고, 2종을 조합할 수도 있다.
Sn와 Sb는 어느 하나를 1종 또는 2종을 합계 함유량으로 0.005% ~ 0.3%로 한다. Sn, Sb는 표면에 편석하고 마무리 소둔에서의 질화를 억제한다. 0.005% 미만이면 질화가 억제되지 않고, 상한의 0.3%는 효과가 포화하기 때문이다. Sn, Sb의 첨가는 질화의 억제뿐만 아니라, 자속 밀도의 개선에도 효과가 있다. Sn와 Sb는 1종이어도 무방하고, 2종을 조합할 수도 있다.
용강을 이동 갱신되는 냉각체 표면에 의해서 응고시켜 주조 강대로 한다. 단롤법, 쌍롤법 등이 이용된다.
주조 분위기는 Ar, He 또는 이들의 혼합 분위기로 한다. N2나 대기 분위기이면 주조 시에 질화된다. 이를 억제하기 위하여 Ar, He 또는 이들의 혼합 분위기로 한다.
<실시예 1>
C: 0.0012%, Si: 3.0%, Mn: 0.22%, Sol.Al: 1.4%, S: 0.0015% ~ 0.0018%, N: 0.0019% ~ 0.0025%, 총 O량: 0.0020% ~ 0.0025%, Ti: 0.0012% ~ 0.0015%, Cu: 0.08%, REM: 0.0025%를 함유하는 용강을 여러 주조 분위기에서 쌍롤법에 의해 급랭 응고하여 2.0mm 두께로 주조하였다. 그 후, 산세하고 0.35mm에 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1075℃×30초의 연속 소둔하고, 절연 피막을 도포하여 제품으로 하였다. 이 때의 주조 분위기, 용강 N, 주편 N과 자기 특성의 관계를 표 2에 나타내었다. 이로부터, 주조 분위기를 Ar, He 또는 그 혼합 분위기로 함으로써, 높은 자속 밀도와 낮은 철손을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
Figure 112009020643200-pct00002
<실시예 2>
C: 0.0011%, Si: 3.0%, Mn: 0.25%, Sol.Al: 1.4%, N: 0.0022% ~ 0.0028%, Ti: 0.0016% ~ 0.0015%, Cu: 0.11%, T.O, S, REM, Ca를 함유하는 용강을 주조 분위기 Ar로 쌍롤법에 의해 급랭 응고하고 2.0mm 두께로 주조하였다. 그 후, 산세하고 0.35mm로 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1075℃×30초의 연속 소둔하고, 절연 피막을 도포하여 제품으로 하였다. 이 때의, T.O, S, REM, Ca의 함유량과 자기 특성의 관계를 표 3에 나타내었다. 이로부터, 본 발명 범위이면 높은 자속 밀도와 낮은 철손을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
Figure 112009020643200-pct00003
<실시예 3>
C: 0.0010%, Si: 2.9%, Mn: 0.20%, S: 0.0019% ~ 0.0022%, Sol.Al: 1.2%, N: 0.0019% ~ 0.0029%, Ti: 0.0012% ~ 0.0013%, Cu: 0.11%, 총 O량: 0.0011% ~ 0.0016%, REM: 0.0080% ~ 0.0085%, Sn, Sb를 함유하는 용강을 주조 분위기 Ar로 쌍롤법에 의해 급랭 응고하여 2.0mm 두께로 주조하였다. 그 후, 산세하고 0.35mm로 냉간 압연하고, N2 70% + H2 30%의 분위기에서 1075℃×30초의 연속 소둔하고, 절연 피막을 도포하여 제품으로 하였다. 이 때의 Sn과 Sb의 함유량과 마무리 소둔판 표면 질화의 유무, 자기 특성의 관계를 표 4에 나타내었다. 이로부터, Sn과 Sb가 본 발명 범위이면, 질화가 억제되고 높은 자속 밀도와 낮은 철손을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
Figure 112009020643200-pct00004
본 발명에 의하면, 회전기, 소형 정지기 등의 철심 용도에 사용될 수 있는, 자속 밀도가 높고 철손이 낮은 무방향성 전기 강판을 제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 질량%로, C: 0.003% 이하(0%를 제외함), Si: 1.5% ~ 3.5%, Al: 0.2% ~ 3.0%, 1.9%≤(%Si＋％Al), Mn: 0.02% 이상, 1.0% 이하, S: 0.0030% 이하, N: 0.2% 이하, Ti: 0.0050% 이하, Cu: 0.2% 이하, 총 O량: 0.001% ~ 0.005%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 이동 갱신되는 냉각체 표면에 의해서 응고시켜 주조 강대로 하고, 그 후, 이 주조 강대를 냉간 압연하고, 그 후, 마무리 소둔하는 무방향성 전기 강판의 제조 방법에 있어서, 용강의 REM과 Ca 중 어느 하나를 1종 또는 2종을 합계 함유량으로 0.0020% ~ 0.01%로 하고, 주조 분위기를 Ar, He 또는 이들의 혼합 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    용강에 Sn과 Sb 중 1종 또는 2종을 합계로 0.005% ~ 0.3% 함유하는 것을 특징으로 하는 자기 특성이 우수한 무방향성 전기 강판의 제조 방법.
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