KR101262463B1 - 우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법 - Google Patents

우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저철손, 고투자율이 요구되는 변압기, 자동차, 전기·전자제품 등에 사용될 수 있는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.03~0.05%, Si: 3.0~5.0%, Mn: 0.1~2.0%, Al: 0.02~0.08%, N: 0.0015~0.0030%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 평균입도가 30~110nm인 AlN 석출물을 포함하며, 7면적%이상의 고스 조직을 포함하는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재를 제공한다.
본 발명에 의하면, 고가의 합금원소를 사용하지 않아 제조비용이 절감될 수 있으며, 제조설비의 추가없이 우수한 자기 특성을 갖는 신선재를 제공할 수 있다.

Description

우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법{DRAWN WIRE ROD HAVING SUPERIOR MAGNETIC PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저철손, 고투자율이 요구되는 변압기, 자동차, 전기·전자제품 등에 사용될 수 있는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대부분의 중대형 변압기의 철심 재료로는 방향성 또는 무방향성 전기강판이 사용되고 있다. 특히, 기존보다도 뛰어난 효율성을 필요로 하면서, 기계 장치의 소형화, 경량화를 위한 다양한 연구 개발의 필요성이 대두되고, 이에 따라 고급 방향성 전기강판의 개발 및 연구는 매우 필수 불가결한 현실이다.
특히, 방향성 전기강판은 강판의 압연방향으로 자화가 용이하도록 제조하여 압연방향으로 고자기특성을 가져야만 하기 때문에, 극저탄소강에 고Si를 첨가함으로써 자성을 나타내는 집합조직을 인위적으로 형성해야만 한다. 그러나, 이러한 방향성 전기강판의 경우 자성을 향상시키기 위하여 Si성분을 약 6.5%이상 함유하여야만 고급 방향성 전기강판의 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 방향성 전기강판의 경우, 집합조직인 고스 조직(Goss Structure)을 인위적으로 형성시키기 위해 고온, 질소 분위기에서 열처리를 행하여야 한다는 단점을 가지고 있다. 이러한 이유는 최대 자기유도값을 가지기 위한 결정방위인 <100>결정방위를 제어해야 하기 때문이다.
한편, 최근에는 방향성 전기강판의 집합조직 제어 혹은 표면 코팅을 통해, 전기강판의 자성을 향상시킬 수 있는 방안을 개선하였음에도 불구하고, 변압기로 사용되는 전기강판의 경우, 전기강판 적층시 야기되는 강판의 슬릿(Slit), 전단 또는 휨 등을 억제하기 위해 정밀한 가공이 필요하며, 철심이 비교적 소형인 경우에는 가공 자체가 곤란해진다는 문제점을 가지고 있으며, 철심의 전체 곱에 차지하는 가공에 의한 왜곡 부분의 체적이 상대적으로 커지고, 이로 인해 자기 특성이 현저하게 저하한다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 전자강선 혹은 전기강선을 제조하여 소형 변압기 또는 자동차에 탑재되는 소형 모터용 선재를 제조하는 기술이 개발되었는데, 전기강판이 선재로 제조될 경우, 압연 및 표면 결함 억제를 위한 가혹한 공정 제어가 필요치 않으며, 전기강판 적층에 의한 수율 감소 문제를 해결할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이러한 대표적인 기술로는 일본 공개특허공보 2001-115241호가 있다. 상기 특허는 열간압연된 상태(As rolled)에서도 신선 가공성 특히 냉간 신선 가공성이 우수한 전자 강선용 소재를 제조하고자 하는 것으로서, Si를 0.1~8%의 범위로 포함하는 동시에 C+N+O+S의 합을 0.015%이하로 제한하는 성분계를 제시하고 있다. 그러나, 상기 특허의 경우, 극저탄소로 탄소 성분을 제어하기 때문에 RH(Ruhrstahl-Heraues) 탈가스 공정을 추가해야 하고, 진공탈가스 시간을 길게 가져가면서 복합탈산을 실시하여야 하기 때문에 공정단가 상승을 피할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 또한, 자성 향성을 위해 Cr을 0.1~15%까지 첨가하기 때문에 합금원소 첨가에 의한 가격 상승 문제를 해결할 수 없다.
상기 특허를 보완한 기술로는 일본 공개특허공보 2000-045051호가 있다. 상기 특허는 C, N, O, S 성분의 합을 0.015%이하로 한정하고, 결정입자 지름과 신선 후, 선재의 직경을 한정한 철손 및 가공성이 우수한 전자강선에 관한 것으로서, 합금원소 성분에 Ni: 2%이하, Al: 2%이하, Cu: 2%이하를 첨가하여 철손 및 가공성이 우수한 전자강선이 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허에 개시된 전자강선은 합금원소 첨가량 증가에 따른 원천소재 가격 상승 문제, 열간압연상태에서의 자성 제안이 없다는 단점을 가지고 있으며, 집합조직 분율에 대한 명시가 없다는 단점을 가지고 있다.
한편, 다른 발명으로는 일본 공개특허공보 2001-131718호가 있는데, 상기 특허는 C, N, O, S 성분의 합을 0.025%이하로 한정하고, 신선을 통해 제조되는 지름이 0.01~1.0mm인 선재를 제시하고 있다. 그러나, 상기 특허 역시 Cr, Ni, Cu 등 고가의 합금원소 첨가가 필수적이고, 자성에 대한 구체적 조직제안 및 자성값의 제시가 없다는 단점이 있다.
특히, 상술한 특허들의 경우, 자성특성이 모두 무방향성 전기강판과 가까운 값을 지니고, 또한 후속 소둔열처리를 행하여만 자성의 증가를 가져올 수 있다는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 일측면은 극저탄소강이 아닌 일반 저탄소강을 이용하고, 공형압연공정과 신선공정의 제어를 통해 신선재 내부의 고스 조직(Goss Structure)을 활성화시킴으로써 우수한 자기 특성을 갖는 신선재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.03~0.05%, Si: 3.0~5.0%, Mn: 0.1~2.0%, Al: 0.02~0.08%, N: 0.0015~0.0030%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 평균입도가 30~110nm인 AlN 석출물을 포함하며, 7면적%이상의 고스 조직을 포함하는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재를 제공한다.
이 때, 상기 신선재의 포화자속밀도는 250emu이상의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명은 중량%로, C: 0.03~0.05%, Si: 3.0~5.0%, Mn: 0.1~2.0%, Al: 0.02~0.08%, N: 0.0015~0.0030%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 1000~1100℃에서 가열하는 가열단계; 상기 가열된 강재를 900~1000℃에서 50~90%의 단면감소율로 공형압연하여 선재를 제조하는 공형압연단계; 상기 공형압연된 선재를 0.1℃/s이하의 속도로 냉각하는 냉각단계; 및 상기 냉각된 선재를 10~90%의 단면감소율로 신선하는 신선단계를 포함하는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재의 제조방법을 제공한다.
이 때, 상기 신선단계에서는 사각 또는 원형의 다이스를 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고가의 합금원소를 사용하지 않아 제조비용이 절감될 수 있으며, 제조설비의 추가없이 우수한 자기 특성을 갖는 신선재를 제공할 수 있다.
본 발명자들은 일반 저탄소강 신선재에 우수한 자기 특성을 부여하기 위한 연구를 행하던 중, Si함량을 제어하고, AlN을 이용하여 결정립의 성장을 억제시킴으로써 열간압연만으로도 고자기 특성을 가지는 신선재를 제조할 수 있다는 점을 인지하게 되었다. 이 때, 상기 열간압연은 공형압연을 의미하는데, 이러한 공형압연의 특징을 이용하여 선재내의 조직을 일방향성으로 압연함으로써 스트레인(Strain)을 야기시키면 자기적 특성에 영향을 미치는 고스 조직을 다량으로 생성시킬 수 있다는 점과 상기 공형압연 후, 신선을 하게되면 신선시 인가되는 인발력(forming force)이 생기기 때문에 신선 방향으로 조직이 연신되어, 조직방향에 인가된 고스 조직을 활성화시킬 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C): 0.03~0.05중량%
C는 선재중에 고용되고 가공시 격자 변형(distorsion) 및 시효를 일으킴과 동시에 연성을 감소시킨다. 0.03%미만으로 첨가될 경우, 선재내에 균일한 고스 조직을 형성할 수 없다는 문제점을 가지고 있으며, 0.05%를 초과할 경우, 자성을 저하시키기 때문에, 상기 탄소의 함량 범위를 0.03~0.05%로 한정하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 3.0~5.0중량%
Si는 선재의 전기저항을 높여 철손 및 자성을 향상시키는 유효한 성분이지만, 3%미만일 경우, 첨가량 부족에 의해 자성이 낮아지며, 5%를 초과할 경우, 선재 압연시 가공경화가 급격히 진행되어 압연할 수 없다는 단점을 가지기 때문에, 상기 실리콘의 함량 범위를 3.0~5.0중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.1~2.0중량%
Mn은 선재의 전기저항을 향상시키고 철손특성을 향상시킬 수 있는 유용한 성분이지만, 0.1%미만으로 첨가될 경우, 압연시 강도 보상 역할을 수행할 수 없으며, 2.0%를 초과할 경우, Si와 마찬가지로 가공경화 효과 증가에 의한 열간압연 문제점을 야기시킨다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 망간의 함량은 0.1~2.0%로 한정하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 0.02~0.08중량%
Al의 경우, 강중 질소 제어를 통해 자성 향상에 효과적인 원소이기 때문에 질소 제어범위와 연동하여 함량을 한정하는 것이 바람직하다. 상기 Al이 0.02% 미만으로 첨가될 경우, 효과적으로 질소를 제어할 수 없다는 단점을 가지고 있으며, 0.08%를 초과하여 첨가될 경우, Al이 원자 상태로 석출하여 자성을 저하할 수 있기 때문에, 상기 알루미늄의 함량은 0.02~0.08%로 한정하는 것이 바람직하다.
질소(N): 0.0015~0.003중량%
N의 경우, 결정격자내의 침입에 의한 격자변형 및 합금원소들과의 질화물 형성을 통해 고스 조직 형성을 억제하고, 시효 및 연성저하의 원인이 된다. 질소가 0.0015%미만으로 관리되는 것은 제강 공정에서 매우 가혹한 공정이기 때문에 실제 공정에서 구현할 수 없기 때문이며, 0.003%를 초과하는 경우에는 강중 질소가 자유롭게 움직일 수 있고, Al의 함량을 증가시켜 AlN을 조대화 시킬 가능성이 있기 때문에, 상기 질소의 함량은 0.0015~0.003%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 AlN 석출물을 이용하여 신선재의 자성저하의 원인인 질소를 제어할 수 있다. 질소의 경우, 탄소와 마찬가지로 자기특성을 유발하는 자기 모멘텀들의 이동을 방해하게 되어 자성저하의 원인으로 작용한다. 그러나 Al 첨가에 의해 전체 강중 질소를 제거하고, 이와 더불어 AlN 석출물 생성을 통한 결정립 미세화를 통해 최적의 자성을 나타낼 수 있도록 할 수 있다. 상기 AlN 석출물은 원형 모양으로 석출되는 것이 바람직하며, 평균입도는 30~110nm의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 30nm미만일 경우에는 석출물 자체가 자성 모멘텀의 장애물로 작용할 수 있으며, 110nm를 초과할 경우에는 결정립 제어 효과가 없기 때문에 자성 증가를 기대할 수 없으므로, 상기 AlN 석출물의 평균입도는 30~110nm의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 신선재는 7면적%이상의 고스 조직(Goss Structure)을 포함하게 되는데, 통상적으로 2%미만의 고스 조직을 갖는 전기 강판보다 우수한 자기 특성 즉, 방향성을 가지게 된다. 보다 상세하게는, 이 때 생성된 고스 조직을 바탕으로 소둔시 주변의 조직들이 고스 조직 방향으로 변화하면서 자기 특성을 향상시키게 되는 것이다. 즉, 상기 고스 조직은 효과적인 방향성 촉진제로 작용하여, 자기 모멘텀들의 이동을 가능케 하고, 소둔시 주변 조직들의 자화가 용이하게 작용될 수 있으며, 특히 고스 조직의 경우 압연 방향뿐만 아니라 압연 직각방향으로도 자성을 나타낼 수 있기 때문에 자성을 나타낼 수 있는 강재에 필수적인 조직이다. 다만, 상기 고스 조직이 7%미만으로 생성될 경우에는 신선재에 방향성을 부여할 수 없어, 무방향성의 자기 특성을 갖게 된다. 즉, 상기 고스 조직은 많이 생성되면 될수록 좋으나, 공정상의 한계로 상기 고스 조직의 상한을 14%로 한정한다.
또한, 상기 신선재는 250emu이상의 포화자속밀도를 가지게 된다. 상기 포화자속밀도가 250emu미만인 경우, 선재에 방향성을 부여하기 어려워, 무방향성의 자기 특성을 갖게 될 수도 있다. 상기 포화자속밀도 또한 고스 조직과 마찬가지로 높은 값을 지닐수록 자기 특성에 유리하나, 공정상의 한계로 그 상한을 300emu로 한정한다.
본 발명을 보다 바람직하게 구현하기 위한 신선재의 제조공정의 일례는 다음과 같다.
본 발명의 조성범위를 만족하는 강재에 대해 1000~1100℃에서 가열을 실시한다. 선재 공정상 가열온도가 1000℃미만인 경우, 강재를 가열로에서 추출한 뒤, 조압연하게 되면 가혹한 스트레인 증가로 인해 표면 결함 문제가 야기되며, 1100℃를 초과하게 되면, 가열로의 한계 및 표면 스케일 증가로 인해 제품의 품질이 떨어지게 된다.
이후, 상기 재가열된 강재에 대해 공형압연을 실시하게 된다. 상기 공형압연은 선재제조시 필수적인 공정으로서, 상기 공형압연을 통해, 선재 내 조직을 일방향성으로 압연함으로써 스트레인(strain)을 야기시키면 자기적 특성에 관여하는 집합 조직 즉, 고스 조직(Goss structure)의 생성을 활성화시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 상기 공형압연을 열간상태에서 실시하기만 하여도 선재에 우수한 자성을 부여할 수 있게 된다.
상기 공형압연은 900~1000℃에서 행하는 것이 바람직한데, 900℃ 미만인 경우, 공정 부하로 인해 선재의 표면 결함을 유발할 수 있으며, 선재 압연 롤의 파단이 발생할 수 있다. 1000℃를 초과하는 경우, 압연시 선재의 연성증가로 인해 스트레인을 효과적으로 야기시킬 수 없다.
상기 공형압연시 단면감소율은 50~90%로 행하는 것이 바람직한데, 상기 단면감소율이 50%미만일 경우, 스트레인(strain) 부족으로 인해 고스조직의 생성이 불충분하여 자성선재로의 조직 배분이 불가능하며, 90%를 초과할 경우, 선재 조직의 심한 연신으로 인해 재결정 포스(force)가 증가하여 고스조직 자체가 변태되는 문제점이 있다.
또한, 상기 공형압연 후에는 냉각공정을 갖는 것이 바람직하며, 0.1℃/s이하의 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 0.1℃/s를 초과하게 되면, 조직내 저온조직이 나타나 페라이트 조직으로 변태될 가능성이 많아지게 된다.
이후, 상기 냉각공정을 마친 선재를 신선하게 된다. 이러한 신선 공정에 의하여, 신선시 인가되는 인발력(forming force)가 생기기 때문에 신선 방향으로 조직이 연신되게 되며, 이 때 조직방향에 인가된 고스 조직이 활성화되어, 고스 조직이 많은 자성 신선재를 제조할 수 있다. 또한, 발전기 내부의 손실, 슬릿(slit) 등을 억제할 수 있으며, 발전기 모양의 제한을 없앨 수 있다는 장점이 있다.
상기 신선은 10~90% 단면감소율로 행하여지는 것이 바람직하다. 단면감소율이 10%미만일 경우에는 신선량이 충분하지 않아 고스 조직의 증가량이 없다는 단점이 있다. 신선가공량은 많으면 많을수록 바람직하나, 신선가공량이 90%를 초과하는 경우에는 신선 한계성이 존재하기 때문에 신선시 선재가 파단되는 단점이 있다. 따라서, 단면감소율의 범위는 10~90%로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 신선은 이형 신선 즉, 사각 타입(type) 또는 원형 타입 두 가지의 신선하는 공정을 행할 수 있다. 이형 신선을 행할 경우에는 신선시 전방향 스트레인을 더욱 가속화할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 원형 다이스를 통해 신선한 후, 사각 스퀘어를 가진 다이스를 통해 신선하고, 다시 원형 다이스를 통해 신선할 경우에는 선재의 전방향에 대하여 보다 많은 스트레인을 가할 수 있어, 집합조직의 형성을 가속화시킬 수 있다. 또한, 사각의 선재가 생산될 경우, 발전기 제조시, 판재 및 원형 선재 대비 슬릿팅을 더욱 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리 범위가 제한되는 것은 아니다.
(실시예)
하기 표 1의 조성성분을 갖는 강재를 하기 표 2에 기재된 공정조건을 이용하여 신선재로 제조하였다. 상기 제조된 신선재에 대하여 AlN석출물 크기, 고스 조직의 분율 및 포화자속밀도를 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 화학 조성(중량%)
C Si Mn P S Al N
비교재1 0.02 6.0 0.05 0.010 0.007 0.09 0.0015
비교재2 0.02 6.0 0.05 0.010 0.007 0.1 0.0015
비교재3 0.02 6.0 2.5 0.010 0.007 0.02 0.0015
비교재4 0.02 6.0 2.5 0.010 0.007 0.02 0.0015
발명재1 0.031 3.5 0.15 0.010 0.007 0.04 0.003
발명재2 0.03 3.5 0.15 0.010 0.007 0.08 0.003
발명재3 0.039 3.5 0.15 0.010 0.007 0.04 0.003
발명재4 0.041 3.5 0.19 0.010 0.007 0.08 0.003
발명재5 0.045 4.5 0.19 0.010 0.007 0.04 0.003
비교재5 0.06 6.5 0.05 0.010 0.007 0.09 0.0015
비교재6 0.065 6.5 0.05 0.010 0.007 0.1 0.0015
비교재7 0.003 7.0 2.5 0.010 0.007 0.02 0.0015
비교재8 0.003 7.0 2.5 0.010 0.007 0.02 0.0015
구분 가열 온도
(℃)		 공형압연온도
(℃)		 단면 감소율
(%)		 냉각속도
(℃/s)		 신선시 단면감소율
(%)
비교재1 950 850 50 0.15 5
비교재2 950 850 50 0.15 5
비교재3 950 880 40 0.2 5
비교재4 950 880 40 0.2 5
발명재1 1050 950 60 0.05 20
발명재2 1050 950 70 0.05 40
발명재3 1050 900 75 0.1 60
발명재4 1000 900 85 0.1 80
발명재5 1050 900 90 0.1 90
비교재5 1050 1000 40 0.15 95
비교재6 1050 1000 40 0.15 95
비교재7 1050 850 30 0.2 95
비교재8 1050 850 30 0.2 95
구분 AlN석출물 크기(nm) 고스 조직 분율(면적%) 포화자속밀도(emu)
비교재1 22 2.3 228
비교재2 28 2.1 224
비교재3 26 1.7 193
비교재4 19 1.9 196
발명재1 39 11.8 291
발명재2 42 11.6 287
발명재3 38 12.9 293
발명재4 52 13.2 294
발명재5 70 10.9 281
비교재5 128 2.7 236
비교재6 137 2.6 236
비교재7 150 1.6 193
비교재8 141 2.1 226
상기 표 1 내지 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 성분계 및 제조조건에 부합하는 발명재 1 내지 5의 경우에는 적절한 범위의 AlN석출물 크기를 가지고, 고스 조직 분율 또한 7%이상을 나타내고 있으며, 이를 통해, 본 발명재들은 우수한 자기 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.
그러나, 비교재 1 내지 4는 본 발명이 제안하는 성분계 및 제조조건을 만족하지 않아, AlN 석출물의 크기가 30nm미만임을 알 수 있으며, 고스 조직 분율 또한 낮은 수준을 이루고 있음을 알 수 있다. 비교재 5 내지 8 또한 본 발명의 성분계 및 제조조건에 벗어남으로 인해, AlN 석출물의 크기가 110nm를 초과하는 것으로 나타났으며, 자기 특성 또한 향상되지 못하고 있음을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C: 0.03~0.05%, Si: 3.0~5.0%, Mn: 0.1~2.0%, Al: 0.02~0.08%, N: 0.0015~0.0030%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 평균입도가 30~110nm인 AlN 석출물을 포함하며, 7면적%이상의 고스 조직을 포함하는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신선재의 포화자속밀도는 250emu이상인 우수한 자기 특성을 갖는 신선재.
  3. 중량%로, C: 0.03~0.05%, Si: 3.0~5.0%, Mn: 0.1~2.0%, Al: 0.02~0.08%, N: 0.0015~0.0030%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 1000~1100℃에서 가열하는 가열단계;
    상기 가열된 강재를 900~1000℃에서 50~90%의 단면감소율로 공형압연하여 선재를 제조하는 공형압연단계;
    상기 공형압연된 선재를 0.1℃/s이하의 속도로 냉각하는 냉각단계; 및
    상기 냉각된 선재를 10~90%의 단면감소율로 신선하는 신선단계를 포함하는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 신선단계에서는 사각 또는 원형의 다이스를 사용하는 우수한 자기 특성을 갖는 신선재의 제조방법.
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