KR102080166B1 - 방향성 전기강판 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 중량%로, Si: 2.5 내지 4.0%, C: 0.005% 이하, Al: 0.015 내지 0.040%, Mn: 0.04 내지 0.15%, N: 0.001 내지 0.02% 및 S: 0.01% 이하를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 2차 재결정 집합 조직을 포함하고, 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3° 이하이다.
이 때, α 각도란 압연면을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축과 이루는 각도를 의미한다.

Description

방향성 전기강판 및 그의 제조방법{GRAIN ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 열간 압연 시의 압연조건을 구체적으로 제어함으로써 얻어지는 자성이 매우 우수한 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.
방향성 전기강판은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등 정지 기기의 철심 재료로 사용된다. 방향성 전기강판 최종 제품은 결정립의 방위가 (110)[001]방향(또는 {110}<001> 방향)으로 배향된 집합조직을 갖고, 압연방향으로 극히 우수한 자기적 특성을 갖는다. 이 때문에, 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용될 수 있다. 에너지 손실을 줄이기 위해서는 철손이 낮은 것이 요구되고, 발전기기의 소형화를 위해서는 자속밀도가 높은 것이 요구된다.
방향성 전기강판은 1차 재결정립의 성장을 억제시키고, 성장이 억제된 결정립 중에서 최종 소둔 공정에서 (110)[001] 방위(이하 Goss 방위라고도 함)의 결정립을 선택적으로 성장시켜 압연방향으로 우수한 자기특성을 나타내도록 하는 전기강판이다. 이러한 선택된 방위만의 성장을 2차 재결정이라 하는데, 2차 재결정을 시키기 위해서는 최종 고온소둔하기 전에 MnS 및 AlN과 같은 미세한 억제제들이 강판내에 균일하게 분산되도록 하여 고온 소둔중에 Goss 방위 이외의 방위를 가진 일차재결정립들의 성장을 억제시키면서, 2차 재결정립이 정확한 고스 방위을 가지면서 성장하도록 하여 우수한 자기특성인, 자속밀도 증가와 철손을 감소효과를 얻을 수 있다.
2차 재결정을 정확한 고스 방위를 가지도록 효과적으로 제어하려면 1차 재결정 조직중 2차 재결정으로 성장하는 핵이 되는 방향성이 좋은 Goss 방위를 잘 만드는 것이 매우 중요하다.
따라서, Goss 핵 조절은 크게 2가지 측면을 고려해야 한다. 실제 2차 재결정의 핵이 되는 방향성이 좋은 Goss를 다량 만드는 것과 최종적으로 2차 재결정이 되지 못하고 소멸되는 직접도가 다소 좋지 못한 Goss를 적게 만드는 것이다.
이러한 2차 재결정을 일으킬 수 있는 Goss 핵을 만드는 조건으로, 예를 들면, 급속승온 기술, 열간 압연 강압하 기술, 적정 냉간 압연율 등의 조건 들이 알려져 있다.
방향성 전기강판은 열간압연 - 열연판 소둔 - 냉간압연 - 1차 재결정 소둔 공정을 거쳐 2차 재결정을 일으킬 수 있는 Goss 결정립을 만들게 된다. 압연 방향으로 잘 정렬된 (110)[001] 방위만이 2차 재결정으로 성장하여야 하고 이러한 구동력을 효과적으로 주기 위하여 냉간압연 이전 공정 변수를 면밀하게 조정할 필요가 있다. 열간압연 시부터 이러한 고스 방위의 형성에 주목하여야 하는데, 전단변형이 집중되는 열연판 표면 부위에 집중적으로 고스가 형성되기 시작한다. 이후 공정을 거치며 그 중 극히 일부가 살아남아 1차 재결정 조직에 존재하여 2차 재결정을 일으키는 핵이 될 수 있다.
방향성 전기강판에서 정확한 고스 2차재결정 핵을 만들기 위해서는 열간압연의 서브 표면에 형성되는 고스 집합조직의 극대화가 중요하다.
슬라브 재가열온도가 높은 고온가열법에서 Si, C, Ni성분에 따른 열간압연 강압하를 실시하는 조압연 온도, 마무리압연 온도 범위에서 방향성 전기 강판의 제조 방법이 알려져 있다. 그러나, 이 방법은 저온 가열법에서는 상변태 거동 및 상분율이 상이하여 적용될 수 없는 한계가 있다.
또한, 열간 압연 중 사상압연 최종 2 패스의 압하율을 적정 범위로 제어하여 탈탄소둔을 하지 않는 저온가열법 방향성 전기강판 제조 방법이 알려져 있다. 그러나, 이는 탈탄소둔을 생략하기 위해 극저탄소 성분에서만 적용할 수 있는 한계가 있다.
방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조방법을 제공하고자 한다. 구체적으로 열간 압연 시의 압연 조건을 구체적으로 제어함으로써 자성을 향상시킨 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 중량%로, Si: 2.5 내지 4.0%, C: 0.005% 이하(0%를 제외함), Al: 0.015 내지 0.040%, Mn: 0.04 내지 0.15%, N: 0.005%(0%를 제외함) 이하 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함)를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 2차 재결정 집합 조직을 포함하고, 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3° 이하이다.
이 때, α 각도란 압연면(RD면)을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축(RD axis)과 이루는 각도를 의미한다.
방향성 전기강판은 전체 2차 재결정 집합 조직 중, α 각도가 0° 내지 3°인 2차 재결정 집합조직의 면적 분율이 50% 내지 80%일 수 있다.
2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도 및 평균 β 각도가 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
0.8 ≤ [평균 α 각도]/[평균 β 각도]≤1.5
(이 때, β 각도란 압연수직면(TD면)을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축과 이루는 각도를 의미한다.)
방향성 전기강판은 Sn: 0.03 내지 0.12 중량%, Sb: 0.01 내지 0.05 중량%, Cr: 0.02 내지 0.15 중량% 및 P: 0.01 내지 0.05 중량% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
방향성 전기강판은 Mo: 0.01 내지 0.05 중량%, 및 Cu: 0.01 내지 0.2 중량% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판의 제조방법은 중량%로, Si: 2.5 내지 4.0%, C: 0.03 내지 0.09%, Al: 0.015 내지 0.040%, Mn: 0.04 내지 0.15%, N: 0.006% 이하(0%를 제외함) 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함)를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하는 단계; 슬라브를 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계; 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계; 냉연판을 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함하고, 열연판을 제조하는 단계는 조압연하는 단계 및 사상압연하는 단계를 포함하고, 조압연하는 단계는 누적 압하율 0 내지 40% 이후, 압하율 40% 이상으로 강압하하는 패스를 포함하고, 사상압연하는 단계는 압하율 40% 이상으로 강압하하는 패스를 2회 이상 포함한다.
슬라브는 Sn: 0.03 내지 0.12 중량%, Sb: 0.01 내지 0.05 중량%, Cr: 0.02 내지 0.15 중량% 및 P: 0.01 내지 0.05 중량% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
슬라브는 Mo: 0.01 내지 0.05 중량%, 및 Cu: 0.01 내지 0.2 중량% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
조압연하는 단계는 1000 내지 1150℃에서 수행될 수 있다.
강압하하는 패스는 조압연하는 단계 중 가장 마지막 패스로 수행될 수 있다.
조압연하는 단계에서 강압하하는 패스 이전에 0 내지 3회의 패스를 포함할 수 있다.
사상압연하는 단계의 누적 압하율은 64 내지 80%일 수 있다.
사상압연하는 단계는 강압하하는 패스 2회로 이루어 질 수 있다.
사상압연하는 단계는 950℃ 이상에서 수행될 수 있다.
열연판을 제조하는 단계 이후, 열연판은 (110)[001]으로부터 15° 이내의 방위를 갖는 집합조직의 부피 분율이 4% 이상일 수 있다.
2차 재결정 소둔하는 단계 이후, 제조된 방향성 전기강판은 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3°이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 제조 과정 중 특히 열간 압연 공정에서의 압연 조건을 정밀히 제어함으로써, 최종 제조되는 방향성 전기강판 내의 고스 집합 조직을 정확히 배열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 집합 조직의 결정 방위를 정확히 배열함으로써, 자성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 알파(α), 베타(β), 델타(δ) 각도의 개념을 설명하기 위한 방향성 전기강판의 개략적인 사시도이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
본 발명의 일 실시예에서 추가 원소를 더 포함하는 것의 의미는 추가 원소의 추가량 만큼 잔부인 철(Fe)을 대체하여 포함하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 2차 재결정 집합 조직을 포함하고, 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3° 이하이다.
이 때, α 각도란 강판의 압연면(ND면)을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향(RD방향)과 이루는 각도를 의미한다. 평균 α 각도는 집합 조직의 개수에 대한 산술 평균 α 각도를 의미한다.
도 1에 α 각도의 개념에 대해 정리되어 있다. 도 1의 RD, TD, ND 방향은 각각, 압연 방향, 압연 수직 방향, 압연면 법선 방향을 나타낸다. 고스 방위로부터 벗어난 정도는 α 각도외에도, β 각도 및 δ각도도 존재한다. 본 발명의 일 실시예예서 α 각도 2 내지 3 및 β 각도는 1.5 내지 2.5이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 평균 α 각도 및 평균 β 각도간의 관계를 제어함으로써, 방향성 전기강판의 자성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
0.8 ≤ [평균 α 각도]/[평균 β 각도]≤1.5
(이 때, β 각도란 압연수직면(TD면)을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축과 이루는 각도를 의미한다.)
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판은 집합 조직의 결정 방위를 정확히 배열함으로써, 자성을 더욱 향상시킬 수 있다.
더욱 구체적으로 전체 2차 재결정 집합 조직 중, α 각도가 0 내지 3°인 2차 재결정 집합 조직의 면적 분율이 50 내지 80%일 수 있다. 전술한 범위를 만족함으로써, 집합 조직의 결정 방위를 정확히 배열하고, 자성을 더욱 향상시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 55 내지 75%일 수 있다.
방향성 전기강판은 중량%로, Si: 2.5 내지 4.0%, C: 0.005% 이하, Al: 0.015 내지 0.040%, Mn: 0.04 내지 0.15%, N: 0.005% 이하 및 S: 0.01% 이하를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 방향성 전기강판의 성분 한정의 이유를 설명한다.
Si : 2.5 내지 4.0 중량%
실리콘(Si)은 방향성 전기강판 소재의 비저항을 증가시켜 철심손실(core loss) 즉, 철손을 낮추는 역할을 한다. Si 함량이 2.5 중량% 미만인 경우 비저항이 감소하여 철손이 열화되며, 4.0 중량%를 초과하여 과잉 함유시에는 강의 취성이 증가하고, 인성이 감소하여 압연 과정중 판파단 발생율이 증가되고, 용접성이 열위해져 냉간압연 조업에 부하가 생기고, 냉간압연 중 패스에이징에 필요한 판온에 미달하게 되고 2차재결정 형성이 불안정해진다. 따라서 Si은 2.5 내지 4.0 중량% 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 3.0 내지 3.5 중량% 포함할 수 있다.
C: 0.005 중량% 이하
탄소(C)은 오스테나이트상 형성을 유도하는 원소로서 C 함량의 증가에 따라 열간 압연 공정 중 페라이트-오스테나이트 상변태가 활성화된다. 또한, C 함량의 증가에 따라 열간 압연 공정 중 형성되는 길게 연신된 열연띠 조직이 증가하여, 열연판 소둔 공정 중 페라이트 입성장을 억제한다. 또한 C 함량이 증가함에 따라 페라이트 조직에 비해 강도가 높은 연신된 열연띠 조직 증가와 냉연 시작 조직인 열연판 소둔 조직의 초기 입자의 미세화에 의해 냉간압연 이후 집합조직이 개선 특히, 고스 분율이 증가하게 된다. 이는 열연판 소둔 후 강판내 존재하는 잔류 C에 의해 냉간압연중 패스에이징 효과가 커져서, 1차 재결정립 내의 고스 분율을 증가시키는 것으로 본다. 따라서 C함량이 클수록 이로우나, 이후 탈탄 소둔시 탈탄 소둔 시간이 길어지고, 생산성을 악화시키며, 가열 초기의 탈탄이 충분치 않으면 1차 재결정 결정립을 불균일하게 만들어 궁극적으로 2차 재결정을 불안정하게 한다. 또한 자기시효현상에 의해 자기적 특성이 열위될 수 있다. 따라서 슬라브 내의 C 함량은 0.03 내지 0.09 중량% 범위로 제한한다. 더욱 구체적으로 C 함량은 0.04 내지 0.06 중량% 가 될 수 있다.
전술하였듯이, 방향성 전기강판의 제조 공정 중 탈탄 소둔 공정시 C가 일부 제거되며, 최종 제조된 방향성 전기강판 내의 C 함량은 0.005 중량% 이하가 될 수 있다.
Al : 0.015 내지 0.04 중량%
알루미늄(Al)은 (Al,Si,Mn)N 및 AlN 형태의 질화물을 형성하게 되어 강력한 결정립 성장 억제 역할을 한다. 그 함량이 0.015 중량% 미만인 경우에는 형성되는 석출물의 개수와 부피 분율이 낮아서 결정립 성장 억제 효과가 충분하지 않을 수 있다. Al 함량이 너무 높게 되면 석출물이 조대하게 성장하여 결정립 성장 억제 효과가 떨어지게 된다. 따라서 Al은 0.015 내지 0.04 중량%로 첨가할 수 있다. 더욱 구체적으로 Al은 0.02 내지 0.035 중량%로 첨가할 수 있다.
Mn : 0.04 내지 0.15 중량%
망간(Mn)은 Si과 동일하게 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 효과가 있다. 또한 Si과 함께 질소와 반응하여 (Al,Si,Mn)N의 석출물을 형성함으로써 1차 재결정립의 성장을 억제하여 2차 재결정을 일으키는데 중요한 원소이다. 그러나, 0.15 중량% 초과하여 첨가 시에는 강판 표면에 Fe2SiO4 이외에 (Fe, Mn) 및 Mn 산화물이 다량 형성되어 2차 재결정 소둔 중에 형성되는 베이스코팅 형성을 방해하여 표면품질을 저하시키게 되고, 열연판 소둔공정에서 페라이트와 오스테나이트간 상변태의 불균일을 유발하기 때문에 1차 재결정립의 크기가 불균일되며, 그 결과 2차 재결정이 불안정해지게 된다. 그러므로 Mn은 0.04 내지 0.15 중량%로 한다. 더욱 구체적으로 0.07 내지 0.13 중량% 포함할 수 있다.
N : 0.005 중량% 이하
질소(N)은 Al 등과 반응하여 결정립을 미세화시키는 원소이다. 이들 원소들이 적절히 분포될 경우에는 상술한 바와 같이 냉간압연이후 조직을 적절히 미세하게 하여 적절한 1차 재결정 입도를 확보하는데 도움이 될 수 있으나, 그 함량이 과도하면 1차 재결정립이 과도하게 미세화되고 그 결과 미세한 결정립으로 인해 2차 재결정시 결정립 성장을 초래하는 구동력이 커져서 바람직하지 않은 방위의 결정립까지 성장할 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, N은 0.005 중량%를 초과하여 함유되면 2차 재결정 개시온도가 높아져 자기특성을 열화시킨다. 그러므로 N은 0.005 중량% 이하로 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 N은 0.0005 내지 0.005 중량%로 포함할 수 있다.
냉간압연 단계와 2차 재결정 소둔 단계 사이에 질소량을 증가시키는 처리를 실시하는 경우, 슬라브 내의 N은 0.006 중량% 이하로 함유되는 것으로도 충분하다.
S : 0.01 중량% 이하
황(S)는 열간 압연시 고용온도가 높고 편석이 심한 원소로서 가능한 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하나, 제강시 함유되는 불가피한 불순물의 일종이다. 또한 S는 MnS를 형성하여 1차 재결정립 크기에 영향을 주므로 S의 함량은 0.01 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로 S의 함량은 0.008 중량% 이하가 될 수 있다.
방향성 전기강판은 Sn: 0.03 내지 0.12 중량%, Sb: 0.01 내지 0.05 중량%, Cr: 0.02 내지 0.15 중량% 및 P: 0.01 내지 0.05 중량% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
Sn : 0.03 내지 0.12 중량%
주석(Sn)은 결정립계 편석원소로서 결정립계의 이동을 방해하는 원소이기 때문에 결정 성장 억제제로서 작용한다. 또한 1차 재결정 집합조직에 있어서 고스방위의 결정립 분율을 증가시킴으로써 2차재결정 집합조직으로 성장하는 고스방위 핵이 많아지므로 2차재결정 미세조직의 크기가 감소하므로, 결정립크기가 작아질수록 와전류손이 작아지기 때문에 최종제품의 철손이 감소하게 된다. 한편 Sn은 결정립계에 편석을 통해서 결정립 성장을 억제하는데 중요한 역할을 하며, 이는 미세화된 1차재결정 미세조직의 결정립 성장 구동력을 억제하는 억제효과를 향상시킬 뿐만 아니라, 2차재결정 집합조직 형성을 위한 고온소둔 과정중 (Al,Si,Mn)N 및 AlN 등의 결정립 성장 억제효과를 야기하는 입자가 조대화 되어 결정립 성장 억제력이 감소하는 현상을 방지한다. 한편 Sn의 함량이 0.03 중량% 미만이면 첨가효과가 없으며, 그 함량이 0.12 중량%를 초과하여 함유될 경우 결정립 성장 억제력이 너무 증가하여 상대적으로 결정립 성장 구동력을 증가시키기 위해 1차재결정 미세조직의 결정립 크기를 감소시켜야 하기 때문에 탈탄소둔을 낮은 온도에서 실시해야하며, 이로인해 적절한 산화층으로 제어할 수 없어서 양호한 표면을 확보할 수가 없다. 또한 기계적 특성 측면에서 입계편석원소의 과잉편석으로 인해 취성이 증가하여 제조과정중 판파단을 야기할 수 있다. 따라서, Sn의 함량은 0.03 내지 0.12 중량%가 될 수 있다. 더욱 구체적으로, Sn의 함량은 0.05 내지 0.08 중량%가 될 수 있다.
Sb : 0.01 내지 0.05 중량%
안티몬(Sb)은 냉간압연 공정중 생성되는 고스방위의 결정립핵을 증가시켜, 1차재결정 집합조직에서 고스방위를 가지는 결정립의 분율을 향상시키는 효과가 있다. 또한 1차 재결정 결정립계에 편석하여 2차재결정 고온소둔시 고스집합조직을 갖는 결정립들의 2차재결정 개시온도를 상승시켜 집적도가 우수한 2차재결정 미세조직을 얻을 수 있도록 하며 자속밀도를 높여주게 된다. 0.01 중량% 미만이면 그 작용이 제대로 발휘되기 어렵고, 0.05 중량%를 초과하여 함유되면 1차 재결정립의 크기가 지나치게 작아져 2차 재결정 개시온도가 낮아져 자기특성을 열화시키거나 또는 입성장에 대한 억제력이 지나치게 커져 2차 재결정이 형성되지 않을 수도 있다. 그러므로 Sb의 함량은 0.01 내지 0.05 중량% 범위로 한다.
Cr: 0.02 내지 0.15 중량%
크롬(Cr)은 산화 형성을 촉진하는 원소로서, 0.02 내지 0.15 중량% 범위 내로 첨가하면, 표층부의 치밀한 산화층 형성을 억제하며 깊이 방향으로 미세한 산화층이 형성되는 것을 돕는다. Sb와 Sn의 첨가와 함께 적정 범위의 Cr함량 첨가로 균일성이 우수한 1차 재결정을 형성시키기가 더욱 용이하게 된다. Cr을 첨가함으로 Sb, Sn함량 상향에 따른 탈탄 및 침질이 지연되어 1차 재결정립이 불균일해지는 현상을 극복할 수 있고, 균일성이 우수한 1차 재결정립을 형성할 수 있다. 궁극적으로, 자성을 향상시켜주는 효과를 보이는 원소이다. Sb와 Sn함량에 따라 Cr함량을 상기 제안한 범위로 첨가하면 내부 산화층이 더 깊게 형성되고, 침질 및 탈탄 속도가 빠르게 되므로, 1차 재결정립의 크기 조절 및 균일성 확보에 도움이 된다. Cr 함량을 하한치에 미달하는 경우, 효과가 미약하고, 상한치를 초과하는 경우, 산화층이 과하게 형성되어 그 효과가 감소할 수 있다.
P : 0.01 내지 0.05 중량%
인(P)는 Sn과 Sb와 유사한 효과를 나타내는 원소로서, 결정립계에 편석하여 결정립계의 이동을 방해하고 동시에 결정립 성장을 억제하는 보조적인 역할이 가능하며, 미세조직측면에서 {110}<001>집합조직을 개선하는 효과가 있다. P의 함량이 0.01 중량% 미만이면 첨가효과가 없으며, 0.05 중량% 초과하여 첨가하면 취성이 증가하여 압연성을 크게 나빠지므로 0.01 내지 0.05 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
방향성 전기강판은 Mo: 0.01 내지 0.05 중량%, 및 Cu: 0.01 내지 0.2 중량% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
Mo : 0.01 내지 0.05 중량%
몰리브덴(Mo)는 Sn과 마찬가지로 결정립계에 편석되어 결정립 성장을 억제하는 중요한 역할을 하며, 2차 재결정이 고온에서 일어날수 있도록 안정적으로 제어해주는 역할을 하기 때문에 더 정확한 방위의 Goss입자들을 성장시키는 역할을 하여 자속밀도를 높여주게 된다. Mo는 그 원자의 크기가 상대적으로 크고 녹는점이 매우 높기 때문에 철에서의 확산 속도가 느려서 고온까지 그 편석효과를 잘 유지시킬 수 있기 때문에 매우 효과적인 결정립 성장 억제 편석원소 이다.
이러한 Mo의 함량이 0.01 중량% 미만으로 함유될 경우 그 효과가 미미할 뿐만 아니라, 고스집합조직의 집적도가 향상되는 효과가 적고 오히려 기지내에 존재하는 입자에 의한 결정립 성장 억제력을 보상해주는 효과가 적기 때문에 자성향상 효과가 극히 미미하다. 한편 그 함량이 0.05 중량% 초과하여 함유될 경우 결정립 성장 억제력이 너무 증가하여 상대적으로 결정립 성장 구동력을 증가시키기 위해 1차 재결정 미세조직의 결정립 크기를 감소시켜야 하기 때문에 탈탄소둔을 낮은 온도에서 실시해야 하며, 이로 인해 적절한 산화층으로 제어할 수 없어서 양호한 표면을 확보할 수가 없다. 따라서, Mo의 함량은 0.01 내지 0.05 중량%로 하는 것이 바람직하다.
Cu : 0.01 내지 0.2 중량%
구리(Cu)는 S과 결합하여 CuS으로 석출되는데, 주로 MnS와 혼함하여 (Mn,Cu)S 형태를 형성하게 되어 결정립 성장 억제 역할을 한다. 또한 Cu는 Mo와 마찬가지로 열간압연 표면부의 조직에 정확한 방위의 Goss입자가 많이 형성되게 하여, 2차 재결정 후 결정립 크기가 감소하게 되고 와전류손이 작아지기 때문에 최종제품의 철손이 감소하게 되고, 정확한 방위의 Goss입자들이 많이 성장하기 때문에 자속밀도 또한 높아지게 된다.
그 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 그 효과가 충분하지 않고, 함량이 0.2 중량%를 초과하게 되면 석출물이 조대하게 성장하여 결정립 성장 억제 효과가 떨어지게 된다.
불순물 원소
상기의 원소 외에도 Ni, Zr, V등의 불가피하게 혼입되는 불순물이 포함될 수 있다. Ni의 경우 불순물 원소들과 반응하여 미세한 황화물, 탄화물 및 질화물을 형성하여 자성에 유해한 영향을 미치므로 이들 함유량을 각각 0.05 중량% 이하로 제한한다. Zr, V등도 강력한 탄질화물 형성 원소이기 때문에 가능한 첨가되지 않는 것이 바람직하며 각각 0.01 중량% 이하로 함유되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에서 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3° 이하로 집합 조직의 결정 방위를 정확히 배열함으로써, 자성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로 방향성 전기강판의 1.7Tesla, 50Hz 조건에서 철손은 __W/kg 이하일 수 있다. 방향성 전기강판의 800A/m의 자기장 하에서 유도되는 자속밀도(B8)는 1.92 T 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로 1.93 내지 1.95T일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판의 제조방법은 슬라브를 가열하는 단계; 슬라브를 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계; 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계; 냉연판을 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함한다.
이하에서는 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 슬라브를 가열한다.
슬라브의 각 조성에 대해서는 전술한 방향성 전기강판에서 자세히 설명하였으므로, 중복되는 설명을 생략한다.
슬라브의 가열은 1,250℃이하, 보다 바람직하게는 1,150℃이하의 저온으로 실시하여 석출물을 부분용체화하는 것이 바람직하다. 슬라브 가열온도가 높아지면 슬라브의 표면부 용융으로 가열로를 보수하고 가열로 수명이 단축될 수 있기 때문이다. 아울러, 슬라브를 1,250℃이하, 보다 바람직하게는 1,150℃이하의 온도로 가열하게 되면 슬라브의 주상정조직이 조대하게 성장되는 것이 방지되어 후속 열간압연 공정에서 판의 폭 방향으로 크랙이 발생되는 것을 막을 수 있어 실수율을 향상시키게 된다. 온도가 1000℃ 미만인 경우에는 열간압연 온도가 낮아 강판의 변형저항이 커지므로 압연 부하가 증가하게 된다. 따라서 슬라브의 가열 온도는 1000℃ 내지 1250℃일 수 있다.
다음으로, 슬라브를 열간압연하여 열연판을 제조한다.
본 발명의 일 실시예에서 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계에서 압연 조건을 정밀하게 제어함으로써, 최종 제조되는 방향성 전기강판 내의 고스 집합 조직을 정확히 배열할 수 있게 된다. 궁극적으로 방향성 전기강판의 자성이 향상된다.
구체적으로, 열연판을 제조하는 단계는 조압연하는 단계 및 사상압연하는 단계를 포함한다.
먼저, 조압연하는 단계는 누적 압하율 0 내지 40% 이후, 압하율 40% 이상으로 강압하하는 패스를 포함한다. 이 때, 압하율이란 ([패스전 강판의 두께]-[패스후 강판의 두께])/[패스전 강판의 두께]로 계산된다. 누적 압하율이란 해당 압연 단계 직전의 두께를 기준으로 누적된 압하율을 의미한다. 예컨데, 조압연하는 단계의 누적 압하율은 ([조압연하는 단계 전 강판의 두께]-[조압연하는 단계 후 강판의 두께])/ [조압연하는 단계 전 강판의 두께]로 계산된다.
누적 압하율 40% 초과 시, 강압하하는 패스를 수행할 경우, 조압연 조직이 너무 미세하여 이후 사상압연에 의한 고스 형성 효과가 반감될 수 있다. 따라서, 누적 압하율 0 내지 40% 이후, 강압하하는 패스를 포함한다. 강압하하는 패스 이전에 패스의 횟수를 0 내지 3회로 가져갈 수 있다. 강압하 이전 패스의 횟수가 늘어날수록 고스 형성 효과가 반감될수 있다.
강압하하는 패스는 압하율이 40% 이상인 패스를 의미하며, 압하율이 40% 미만인 일반 패스 만을 수행할 시, 전단 변형이 충분하지 못하여 고스 형성 효과가 부족한 문제가 발생하게 된다. 강압하하는 패스는 조압연하는 단계에서 가장 마지막 패스로 수행될 수 있다. 또한 강압하하는 패스는 조압연하는 단계에서 1회 수행될 수 있다.
이러한 조압연하는 단계는 1000 내지 1150℃에서 수행될 수 있다. 온도가 너무 높은 경우 결정립이 지나치게 조대하여 불균일이 커지고 개선 효과가 반감되고, 온도가 너무 낮은 경우 사상압연 온도가 낮아지게 되어작업성이 열위하여 개선 효과가 반감되며 불리한 이유로 조압연하는 단계에서의 온도를 전술한 것과 같이 제어한다. 더욱 구체적으로 조압연하는 단계는 1000 내지 1150℃에서 수행될 수 있다.
다음으로, 사상압연하는 단계는 압하율 40% 이상으로 강압하하는 패스를 2회 이상 포함한다. 강압하하는 패스를 1회 이하로 포함할 시, 강압하 효과가 부족하여 평균 α 각도가 증가할 수 있다. 사상압연하는 단계는 강압하하는 패스 2회로 이루어 질 수 있다.
사상압연하는 단계의 누적 압하율은 64 내지 80%일 수 있다. 누적 압하율이 너무 낮으면, 이후, 냉간 압연에서의 압연 부하가 너무 늘어나고, 강압하에 의한 고스 형성 효과가 반감되어 바람직하지 않다. 누적 압하율이 너무 높으면, 열간 압연의 두께 및 형상 제어가 어렵고, 고스 방위 제어가 어려워 진다. 구체적으로 사상압연하는 단계의 누적 압하율은 64 내지 75%일 수 있다.
이러한 사상압연하는 단계는 950℃ 이상에서 수행될 수 있다. 사상압연 온도가 950℃ 이하의 경우 고스 형성 효과가 반감되는 이유로 사상압연하는 단계에서의 온도를 전술한 것과 같이 제어한다. 더욱 구체적으로 사상압연하는 단계는 950 내지 1100℃에서 수행될 수 있다.
열간압연에 의하여 두께 2.0 내지 3.5mm의 열연판을 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 열연판은 집합 조직의 특성이 고스 분율이 개선 되는 효과가 발현될 수 있다. 이처럼 열연판의 집합 조직 특성을 제어함으로써, 최종 제조되는 방향성 전기강판의 평균 α 각도를 정밀히 제어할 수 있고, 궁극적으로 방향성 전기강판의 자성이 향상된다. 구체적으로 열연판은 (110)[001]으로부터 15° 이내의 방위를 갖는 집합조직의 부피 분율이 4% 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로 열연판은 (110)[001]으로부터 15° 이내의 방위를 갖는 집합조직의 부피 분율이 5% 이상일 수 있다.
열간 압연된 열연판은 필요에 따라 열연판 소둔을 실시하거나 열연판 소둔을 실시하지 않고 냉간압연을 수행할 수 있다. 열연판 소둔을 실시하는 경우 열연조직을 균일하게 만들기 위해서 900℃ 이상의 온도로 가열하고 균열한 다음 냉각할 수 있다.
다음으로, 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조한다.
냉간압연은 1회 강냉간압연을 통하여 수행될 수도 있으며, 압연을 통하여 최종 두께 0.15 내지 0.35mm로 제조될 수 있다.
다음으로, 냉간압연 된 냉연판을 1차 재결정 소둔한다. 1차 재결정 소둔 단계에서 고스 결정립의 핵이 생성되는 1차 재결정이 일어난다. 1차 재결정 소둔 과정에서 강판의 탈탄 및 질화가 이루어질 수 있다. 탈탄 및 질화를 위하여 수증기, 수소 및 암모니아의 혼합 가스 분위기 하에서 1차 재결정 소둔 할 수 있다.
질화를 위해 암모니아 가스를 사용하여 강판에 질소이온을 도입하여 주석출물인 (Al,Si,Mn)N 및 AlN등의 질화물을 형성하는데 있어, 탈탄을 마치고 질화처리하거나, 혹은 탈탄과 동시에 질화처리를 같이 할 수 있도록 동시에 질화처리를 행하거나, 혹은 질화처리를 우선 행한 후 탈탄을 행하는 방법 어느 것이나 본 발명의 효과를 발휘하는데 문제가 없다.
1차 재결정 소둔은 800 내지 900℃의 온도 범위에서 실시될 수 있다.
다음으로, 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연판을 2차 재결정 소둔한다. 이 때, 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연판에 소둔 분리제를 도포한 후, 2차 재결정 소둔할 수 있다. 이 때, 소둔 분리제는 특별히 제한하지 아니하며, MgO를 주 성분으로 포함하는 소둔 분리제를 사용할 수 있다.
2차 재결정 소둔의 목적은 크게 보면 2차 재결정에 의한 {110}<001> 집합조직 형성, 탈탄시 형성된 산화층과 MgO의 반응에 의한 유리질 피막형성으로 절연성 부여, 자기특성을 해치는 불순물의 제거에 있다. 2차 재결정 소둔의 방법으로는 2차 재결정이 일어나기 전의 승온구간에서는 질소와 수소의 혼합가스로 유지하여 입자성장 억제제인 질화물을 보호함으로써 2차 재결정이 잘 발달되도록 하고, 2차 재결정 완료 후에는 100% 수소분위기에서 장시간 유지하여 불순물을 제거하도록 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
Si:3.23 중량%, C:0.055 중량%, N:0.0045 중량%, Al:0.028 중량%, Mn: 0.1 중량%, S: 0.005 중량%을 첨가하였고, 잔부 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물을 함유하는 슬라브를 준비하였다. 이어서 슬라브를 1180℃ 온도에서 210분 동안 가열한 후 하기 표 1의 열간압연 조건으로 열간압연하여 2.3mm 두께의 열연판을 제조하였다. 조압연 조건에서 강압하 이전의 패스 횟수를 0 내지 3회로 하였다.
이 열연판을 1080℃까지 가열한 후 920℃에서 90초간 유지하고 760℃까지 노냉 후 물에 급냉하여 산세한 후 0.23mm 두께로 1회 강냉간압연하였다.
냉간압연된 냉연판은 약 860℃의 온도로 습한 수소와 질소 및 암모니아 혼합가스분위기 속에서 180초간 유지하여 탄소함량이 50ppm이하, 질소함량이 200ppm이 되도록 동시 탈탄, 질화를 포함하는 1차 재결정 소둔하였다.
이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일상으로 2차 재결정 소둔하였다. 2차 재결정 소둔은 1200℃ 까지는 25%질소+75%수소의 혼합분위기로 하였고, 1200℃ 도달후에는 100%수소분위기에서 10시간이상 유지후 노냉하였다. 각각의 조건에 대하여 측정한 자기특성 및 2차 재결정립의 방위 중 알파각도 측정결과를 하기 표 2에 정리하였다.
Single sheet 측정법을 이용하여 1.7Tesla, 50Hz 조건에서 철손을 측정하였고, 800A/m의 자기장 하에서 유도되는 자속밀도의 크기(Tesla)를 측정하였다. 각 철손값은 조건별 평균을 나타낸 것이다.
또한, 사상압연 이후의 열연판에 대해 조직 특성을 EBSD장비를 이용하여 RD단면을 측정하여 고스((110)[001]) 집합조직 분율을 계산하는 방법으로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
조압연 조건 사상압연 조건 열연판 RD면 Goss분율
(%)
강압하율
(%)		 강압하 개시
직전 누적압하율
(%)		 실시
온도
(℃)		 1패스
압하율
(%)		 2패스
압하율
(%)		 사상압연
누적압하율
(%)		 온도
(℃)
발명재1 43 16 1050 50 50 75 1000 6
발명재2 40 35 1000 48 50 74 1050 5.2
발명재3 42 13 1100 40 40 64 1000 5.4
발명재4 42 34 1040 40 40 64 1050 5.8
발명재5 40 0 1120 40 40 64 1000 5
비교재1 42 45 980 40 40 64 1050 3.5
비교재2 미실시 미실시 미실시 40 40 64 1000 3.8
비교재3 43 16 1070 31 33 54 1050 3.5
비교재4 40 0 1200 40 40 64 1150 3.6
비교재5 40 35 980 40 40 64 950 3.2
비교재6 42 10 1050 40 40 64 900 3.3
전기강판 특성
자속밀도
B8(T)		 철손 W17/50
(W/kg)		 평균
α각도		 α 3° 이내
면적 분율(%)		 평균α각도 /평균β각도 　
발명재1 1.94 0.77 2.4 70 1.4
발명재2 1.93 0.76 2.8 65 1.2
발명재3 1.93 0.75 2.7 63 1.3
발명재4 1.94 0.79 2.5 65 1.2
발명재5 1.93 0.78 2.9 60 1.4
비교재1 1.90 0.89 4.0 40 1.8
비교재2 1.90 0.88 3.9 42 1.8
비교재3 1.89 0.90 4.0 39 1.7
비교재4 1.89 0.89 4.3 35 1.8
비교재5 1.90 0.88 3.8 43 1.6
비교재6 1.89 0.90 4.1 38 1.7
표 1 및 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 열간압연 중 조압연과 사상압연 조건이 적절히 제어된 발명재 1 내지 5는 비교재 1 내지 6에 비하여 집합 조직을 정확히 배열할 수 있었다. 또한, 발명재 1 내지 5는 비교재 1 내지 6에 비하여 철손 및 자속밀도가 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 중량%로, Si: 2.5 내지 4.0%, C: 0.005% 이하(0%를 제외함), Al: 0.015 내지 0.040%, Mn: 0.04 내지 0.15%, N: 0.005% 이하(0%를 제외함) 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함)를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    2차 재결정 집합 조직을 포함하고, 상기 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3° 이하이고,
    상기 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도 및 평균 β 각도가 하기 식 1을 만족하는 방향성 전기강판.
    [식 1]
    0.8 ≤ [평균 α 각도]/[평균 β 각도]≤1.5
    (이 때, α 각도란 압연면을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축과 이루는 각도를 의미하고,
    β 각도란 압연수직면을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축과 이루는 각도를 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서,
    전체 2차 재결정 집합 조직 중, α 각도가 0 내지 3°인 2차 재결정 집합 조직의 면적 분율이 50% 내지 80%인 방향성 전기강판.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    Sn: 0.03 내지 0.12 중량%, Sb: 0.01 내지 0.05 중량%, Cr: 0.02 내지 0.15 중량% 및 P: 0.01 내지 0.05 중량% 중 1종 이상을 더 포함하는 방향성 전기강판.
  5. 제1항에 있어서,
    Mo: 0.01 내지 0.05 중량%, 및 Cu: 0.01 내지 0.2 중량% 중 1종 이상을 더 포함하는 방향성 전기강판.
  6. 중량%로, Si: 2.5 내지 4.0%, C: 0.03 내지 0.09%, Al: 0.015 내지 0.040%, Mn: 0.04 내지 0.15%, N: 0.006% 이하(0%를 제외함) 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함)를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계;
    상기 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계;
    상기 냉연판을 1차 재결정 소둔하는 단계; 및
    1차 재결정 소둔이 완료된 냉연판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함하고,
    상기 열연판을 제조하는 단계는 조압연하는 단계 및 사상압연하는 단계를 포함하고,
    상기 조압연하는 단계는 누적 압하율 0 내지 40% 이후, 압하율 40% 이상으로 강압하하는 패스를 포함하고,
    상기 사상압연하는 단계는 압하율 40% 이상으로 강압하하는 패스를 2회 이상 포함하고,
    상기 조압연하는 단계는 1000 내지 1150℃에서 수행되고,
    상기 사상압연하는 단계는 950℃ 이상의 온도로 수행되는 방향성 전기강판의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬라브는 Sn: 0.03 내지 0.12 중량%, Sb: 0.01 내지 0.05 중량%, Cr: 0.02 내지 0.15 중량% 및 P: 0.01 내지 0.05 중량% 중 1종 이상을 더 포함하는 방향성 전기강판의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 슬라브는 Mo: 0.01 내지 0.05 중량%, 및 Cu: 0.01 내지 0.2 중량% 중 1종 이상을 더 포함하는 방향성 전기강판의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 조압연하는 단계에서 상기 강압하하는 패스는 상기 조압연하는 단계 중 가장 마지막 패스로 수행되는 방향성 전기강판의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 조압연하는 단계에서 상기 강압하하는 패스 이전에 0 내지 3회의 패스를 포함하는 방향성 전기강판의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 사상압연하는 단계의 누적 압하율은 64 내지 80%인 방향성 전기강판의 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 사상압연하는 단계는 상기 강압하하는 패스 2회로 이루어진 방향성 전기강판의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제6항에 있어서,
    상기 열연판을 제조하는 단계 이후, 상기 열연판은 (110)[001]으로부터 15° 이내의 방위를 갖는 집합조직의 부피 분율이 4% 이상인 방향성 전기강판의 제조 방법.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 2차 재결정 소둔하는 단계 이후, 제조된 방향성 전기강판은 2차 재결정 집합 조직의 평균 α 각도가 3°이하인 방향성 전기강판의 제조 방법.
    (이 때, α 각도란 강판의 압연면을 기준으로 보았을 때, 집합 조직의 [001]방향이 압연 방향축과 이루는 각도를 의미한다.)
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