KR102325005B1 - 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 무방향성 전기강판은 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0%, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.
[식 1]
[N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
[식 2]
[S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
(식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)

Description

무방향성 전기강판 및 그 제조방법{NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명의 일 실시예는 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 Al, Mn, Cu, Ti, S, N 간의 관계를 적절히 제어하고, AlN 석출물의 모재표층 형성을 억제하여, 자성을 개선한 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
무방향성 전기강판은 전기에너지를 기계적에너지로 변환시키는 모터에 주로 사용되는데, 그 과정에서 높은 효율을 발휘하기 위해 무방향성 전기강판의 우수한 자기적 특성을 요구한다. 특히 근래에는 친환경 기술이 주목받게 되면서 전체 전기에너지 사용량의 과반을 차지하는 모터의 효율을 증가시키는 것이 매우 중요하게 생각되고 있으며, 이를 위해 우수한 자기적 특성을 갖는 무방향성 전기강판의 수요 또한 증가하고 있다.
무방향성 전기강판의 자기적 특성은 주로 철손과 자속밀도로 평가한다. 철손은 특정 자속밀도와 주파수에서 발생하는 에너지 손실을 의미하며, 자속밀도는 특정 자장 하에서 얻어지는 자화의 정도를 의미한다. 철손이 낮을수록 동일한 조건에서 에너지 효율이 높은 모터를 제조할 수 있으며, 자속밀도가 높을수록 모터를 소형화시키거나 구리손을 감소시킬 수 있으므로, 낮은 철손과 높은 자속밀도를 갖는 무방향성 전기강판을 만드는 것이 중요하다.
모터의 작동조건에 따라 고려 해야 되는 무방향성 전기강판의 특성 또한 달라지게 된다. 모터에 사용되는 무방향성 전기강판의 특성을 평가하기 위한 기준으로 다수의 모터들이 상용주파수 50Hz에서 1.5T 자장이 인가되었을 때의 철손인 W15/50을 가장 중요하게 여기고 있다. 그러나 다양한 용도의 모터들이 모두 W15/50 철손을 가장 중요하게 여기고 있는 것은 아니며, 주 작동조건에 따라 다른 주파수나 인가자장에서의 철손을 평가하기도 한다. 특히 최근의 전기자동차 구동모터에 사용되는 두께 0.35mm 이하의 무방향성 전기강판에서는 1.0T 또는 그 이하의 저자장과 400Hz 이상의 고주파에서 자기적 특성이 중요한 경우가 많으므로, W10/400 등의 철손으로 무방향성 전기강판의 특성을 평가하게 된다.
무방향성 전기강판의 자기적 특성을 증가시키기 위해 통상적으로 사용되는 방법은 Si 등의 합금원소를 첨가하는 것이다. 이러한 합금원소의 첨가를 통해 강의 비저항을 증가시킬 수 있는데, 비저항이 높아질수록 와전류 손실이 감소하여 전체 철손을 낮출 수 있게 된다. 반면 Si 첨가량이 증가할수록 자속밀도가 열위해지고 취성이 증가하는 단점이 있으며, 일정량 이상 첨가하면 냉간압연이 불가능하여 상업적 생산이 불가능해진다. 특히 전기강판은 두께를 얇게 만들수록 철손이 저감되는 효과를 볼 수 있는데, 취성에 의한 압연성 저하는 치명적인 문제가 된다. 한편, Si 외에 추가적인 강의 비저항 증가를 위해 Al, Mn 등의 원소를 첨가하는 시도가 있었다.
전기자동차 구동모터용으로 사용되는 무방향성 전기강판은 400Hz 이상의 고주파 철손이 중요한데, 주파수가 높아질수록 철손에서 와전류 손실의 비율이 높아지게 되므로 비저항을 높이고 두께를 낮추는 것이 유리하다. 그러나 전술한 바와 같이 비저항을 높이기 위해 첨가원소량을 증가할수록 압연성이 저하되기 때문에, 비저항을 높이면서 두께를 낮추게 되면 필연적으로 압연 및 연속소둔 생산성이 하락하게 된다. 이를 개선하기 위해 특정원소를 첨가하거나 압연온도를 상향하는 등의 연구가 진행되어왔으나, 공정원가의 상승과 실효성 부족으로 상업생산에 적용되지 못하고 있다.
전기자동차용 구동모터와 같이 작동 주파수가 높아지면 표면효과(Skin effect)에 의해 전류가 강판의 표면에 집중되는 현상이 나타난다. 따라서 고주파 특성 향상을 위해서는 강판 표면부의 특성이 매우 중요한 영향을 미치게 된다. 표면 비저항 향상을 위한 Si 증착 및 확산 연구, 물리화학적 방법을 통한 표면조도 개선 연구 등이 진행되어 왔으나, 기존 공정설비를 통해 구현이 어려울 뿐만 아니라 그 효과가 작거나 제조비가 대폭 상승하여 적용분야가 매우 제한적이다.
본 발명의 일 실시예에서는 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법을 제공한다. 구체적으로 Al, Mn, Cu, Ti, S, N 간의 관계를 적절히 제어하고, AlN 석출물의 형성을 억제하여, 자성을 개선한 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무방향성 전기강판은 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0%, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.
[식 1]
[N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
[식 2]
[S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
(식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
전기강판 표면에서부터 내부 방향으로 산화층을 포함하고, 산화층은 Al을 50 중량% 이상 포함하고, 산화층의 두께는 10 내지 50nm이다.
Nb 및 V 중 1종 이상을 각각 0.004 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
Cr 및 Ni 중 1종 이상을 각각 0.05 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
Sn 및 Sb 중 1종 이상을 각각 0.1 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
P : 0.02 중량% 이하, B : 0.002 중량% 이하, Mg : 0.005 중량% 이하 및 Zr : 0.005 중량% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
표면으로부터 20㎛ 깊이까지의 단면에서 직경 100nm 이하의 AlN 석출물의 개수가 0.1개/mm2 이하일 수 있다.
평균 결정립 입경이 50 내지 100㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무방향성 전기강판의 제조방법은 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0%, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계; 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계; 냉연판을 최종 소둔하는 단계 및 최종 소둔된 냉연판을 냉각하는 단계를 포함하고, 최종 소둔된 냉연판을 냉각하는 단계에서 700℃ 이하의 온도에서 이슬점이 0℃를 초과하는 분위기에 노출되는 시간이 5 내지 20초일 수 있다.
[식 1]
[N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
[식 2]
[S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
(식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
열연판을 제조하는 단계 이전에, 슬라브를 1200℃ 이하의 온도로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
열간 압연하는 단계에서 마무리 압연 온도는 800℃ 이상일 수 있다.
열간 압연하는 단계 이후, 850 내지 1150℃의 범위에서 열연판 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다.
최종소둔하는 단계는 비산화성 분위기에서 700 내지 1050℃의 온도로, 50 내지 90초간 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다.
비산화성 분위기는 H2를 5 부피% 이상 포함하고 이슬점이 0℃ 이하인 분위기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무방향성 전기강판의 최적 합금 조성을 제시하고, 소둔 후 냉각 조건을 제시함으로서, 전기강판 표면에 치밀한 Al계 산화층을 형성하여 미세한 AlN 석출물 형성을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자성이 우수한 무방향성 전기강판을 통해 모터 및 발전기의 효율 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무방향성 전기강판의 단면의 개략도이다.
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.
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.
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.
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 무방향성 전기강판은 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0 %, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.
[식 1]
[N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
[식 2]
[S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
(식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
이하에서는 무방향성 전기강판의 성분 한정의 이유부터 설명한다.
Si: 1.5 내지 4.0 중량%
실리콘(Si)은 강의 비저항을 증가시켜서 철손 중 와류손실을 낮추기 위해 첨가되는 주요 원소이다. Si가 너무 적게 첨가되면, 철손이 열화되는 문제가 발생한다. 반대로 Si가 너무 많이 첨가되면, 자속밀도가 크게 감소하며, 가공성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 전술한 범위로 Si를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 Si를 2.0 내지 3.9 중량% 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 Si를 3.0 내지 3.5 중량% 포함할 수 있다.
Al: 0.5 내지 1.5 중량%
알루미늄(Al)은 Si과 함께 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 중요한 역할을 하며 또한 자기 이방성을 감소시켜 압연 방향과 압연수직 방향의 자성 편차를 감소시키는 역할을 한다. Al이 너무 적게 첨가되면, 미세 질화물을 형성하거나, 표층부 산화층이 치밀하게 생성되지 아니하여, 자성 개선 효과를 얻기 어려울 수 있다. Al이 너무 많이 첨가되면, 질화물이 과다하게 형성되어 자성을 열화시킬 수 있고, 제강과 연속주조 등의 공정 단계에서 문제를 발생할 수 있다. 따라서, 전술한 범위로 Al을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 Al을 0.5 내지 1.0 중량% 포함할 수 있다.
Mn: 0.05 내지 0.55 중량%
망간(Mn)은 재료의 비저항을 높여 철손을 개선하고 황화물을 형성시키는 역할을 한다. Mn이 너무 적게 첨가되면, 황화물이 미세하게 형성되어 자성 열화를 일으킬 수 있다. 반대로 Mn이 너무 많이 첨가되면, MnS가 과다하게 석출되고 자성에 불리한 {111} 집합조직의 형성을 조장하여 자속밀도가 급격히 감소하게 될 수 있다. 더욱 구체적으로 Mn을 0.05 내지 0.50 중량% 포함할 수 있다.
C: 0.005 중량% 이하
탄소(C)는 자기시효를 일으키고 기타 불순물 원소와 결합하여 탄화물을 생성하여 자기적 특성을 저하시키므로 낮을수록 바람직하며, 0.005 중량% 이하 보다 구체적으로는 0.003 중량% 이하로 관리될 수 있다.
Ti: 0.004 중량% 이하
티타늄(Ti)은 강내 석출물 형성 경향이 매우 강한 원소이며, 모재 내부에 미세한 탄화물 또는 질화물 또는 황화물을 형성하여 결정립 성장을 억제함으로써 철손을 열화시킨다. 따라서 Ti 함량은 각 0.004 중량% 이하, 보다 구체적으로는 0.002 중량% 이하로 관리될 수 있다.
N: 0.005 중량% 이하
질소(N)는 모재 내부에 미세한 AlN 석출물을 형성할 뿐 아니라, 기타 불순물과 결합하여 미세한 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제하여 철손을 악화시키므로 낮을수록 바람직하다. 따라서 N 함량은 각 0.005 중량% 이하, 보다 구체적으로는 0.003 중량% 이하로 관리될 수 있다.
N은 Al, Ti와의 관계에서 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
[N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
(식 1에서, [N], [Al] 및 [Ti]는 각각 N, Al 및 Ti 의 함량(중량%)을 나타낸다.)
질화물 형성을 조장하는 Al 및 Ti 함량의 합계의 0.005배 이하로 관리됨으로써, 미세한 석출물 형성을 방지할 수 있다.
S: 0.005 중량% 이하
황(S)는 미세한 석출물인 MnS 및 CuS를 형성하여 자기특성을 악화시키고 열간가공성을 악화시키기 때문에 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 따라서 S 함량은 각 0.005 중량% 이하, 보다 구체적으로는 0.003 중량% 이하로 관리될 수 있다.
S은 Mn, Cu와의 관계에서 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
[S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
(식 2에서, [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
황화물 형성을 조장하는 Mn 및 Cu 함량의 합계의 0.01배 이하로 관리됨으로써, 미세한 석출물 형성을 방지할 수 있다.
Cu: 0.01 중량% 이하
구리(Cu)는 미세한 황화물을 형성하여 자기특성을 악화시키고 열간가공성을 저하시키기 때문에 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 강중에 필수불가결하게 존재하는 원소로, 0.01 중량% 이하로 관리할 수 있다. 더욱 구체적으로 Cu를 0.001 내지 0.01 중량% 포함할 수 있다.
Nb 및 V 중 1종 이상을 각각 0.004 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 은 강내 석출물 형성 경향이 매우 강한 원소이며, 모재 내부에 미세한 탄화물 또는 질화물 또는 황화물을 형성하여 결정립 성장을 억제함으로써 철손을 열화시킨다. 따라서 Nb 및 V는 각각 0.004 중량% 이하, 보다 구체적으로는 0.003 중량% 이하로 관리될 수 있다.
Cr 및 Ni 중 1종 이상을 각각 0.05 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
크롬(Cr), 니켈(Ni)은 미세석출물을 형성하는 경향이 강하지는 않지만, Cr계 탄화물을 형성하여 자성을 악화시키거나 표층부 Al계 산화층 형성을 방해할 수 있으므로 각각 0.05 중량%이하로 관리될 수 있다. 더욱 구체적으로 0.01 내지 0.05 중량%로 관리될 수 있다.
Sn 및 Sb 중 1종 이상을 각각 0.1 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
주석(Sn), 안티몬(Sb)는 강의 표면과 입계에 편석하여 재결정 초기 {111} 방위의 발달을 억제함으로써 자성에 유리한 집합조직을 형성하지만, 가공성 및 표면품질을 악화시킬 수 있으므로 각각 0.1 중량% 이하로 관리될 수 있다. 더욱 구체적으로 각각 0.01 내지 0.1 중량% 포함할 수 있다.
상기의 원소 외에도 인(P), 붕소(B), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr) 등의 불가피하게 혼입되는 불순물이 포함될 수 있다. 이들 원소는 미량이지만 강내 개재물 형성 등을 통한 자성 악화를 야기할 수 있으므로, P : 0.02%이하, B : 0.002%이하, Mg : 0.005%이하, Zr : 0.005%이하로 관리되어야 한다.
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 불가피한 불순물에 대해서는 제강 단계 및 방향성 전기강판의 제조 공정 과정에서 혼입되는 불순물이며, 이는 해당 분야에서 널리 알려져 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 본 발명의 일 실시예예서 전술한 합금 성분 외에 원소의 추가를 배제하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 사상을 해치지 않는 범위 내에서 다양하게 포함될 수 있다. 추가 원소를 더 포함하는 경우 잔부인 Fe를 대체하여 포함한다.
전술하였듯이, 본 발명의 일 실시예에서 Al, Mn, Cu, Ti, S, N 간의 관계를 적절히 제어하고, Al계 산화층을 형성하여, 자성을 향상시킬 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 의한 무방향성 전기강판의 단면의 개략도를 나타낸다.
도 1에 나타나듯이, 무방향성 전기강판(100)의 표면에서부터 내부 방향으로 산화층(10)을 포함한다. 산화층(10)은 Al을 50 중량% 이상 포함하고, 산화층(10)의 두께는 10 내지 50nm이다.
산화층(10)은 후술할 최종 소둔 후 냉각 단계에서 분위기 중 산소가 강판으로 침투하여 형성될 수 있다.
산화층(10)은 산소(O)가 25 중량% 이상 존재할 수 있다.
산화층(10) 내에는 Al의 표면 농축으로 인하여, Al을 50중량% 이상 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 Al을 50 내지 60 중량% 포함할 수 있다. Al외에 나머지 합금 성분은 전술한 무방향성 전기강판의 합금 성분과 동일하다. 산화층(10) 두께가 전체 무방향성 전기강판(100)의 두께에 비해 매우 얇기 때문에 무방향성 전기강판(100)의 합금 성분에도 영향이 실질적으로 없다.
이처럼 산화층(10) 내에 Al이 치밀하게 형성되므로, 모재 표층 근처에 AlN 석출물 형성을 억제하고, 궁극적으로 자성 향상에 기여한다.
Al도 산소와 마찬가지로 산화층(10) 내에 농도 구배가 존재하며, 본 발명의 일 실시예에서 산화층(10) 내의 Al 함량은 산화층(10) 내의 평균 Al 함량을 의미한다.
산화층(10)의 두께는 10 내지 50nm일 수 있다. 산화층(10) 내의 두께가 너무 얇으면, Al 농축이 적절히 이루어지지 아니하고, 전술한 AlN 억제 효과가 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 산화층(10)의 두께가 너무 두꺼우면, 산소가 강판 내에 다량 침투하여 자성이 열위될 수 있다. 더욱 구체적으로 산화층(10)의 두께는 10 내지 30nm일 수 있다.
산화층(10)은 무방향성 전기강판(10) 전면(全面)에 대하여 두께가 불균일할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 산화층(10)의 두께란 전면에 대한 평균 두께를 의미한다.
전술하였듯이, 산화층(10)의 존재로 인하여 AlN 석출물 형성이 억제된다. 구체적으로 표면으로부터 20㎛ 깊이까지의 단면에서 직경 100nm 이하의 AlN 석출물의 개수가 0.1개/mm2 이하일 수 있다. AlN 석출물의 직경 및 개수는 강판의 두께방향에 평행하게 자른 단면 즉, 강판 두께 방향(ND방향)을 포함하는 면(TD면, RD면 등)을 기준으로 한다.
강판의 두께가 0.1 내지 0.3 mm일 수 있다. 평균 결정립 입경이 50 내지 100㎛일 수 있다. 적절한 두께 및 평균 결정립 입경을 가질 경우, 자성이 향상될 수 있다. 평균 결정립 직경은 (측정면적÷결정립개수)^0.5로 계산할 수 있다. 압연면(ND면)과 평행한 면을 기준으로 한다.
전술하였듯이, 본 발명의 일 실시예에서 Al, Mn, Cu, Ti, S, N 간의 관계를 적절히 제어하고, Al계 산화층을 형성하여, 자성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 0.27mm 두께 기준으로 무방향성 전기강판의 철손(W15/50)이 1.9W/Kg이하, 철손(W10/400)이 12.5W/kg이하, 자속밀도(B50)이 1.67T이상이 될 수 있다. 철손(W15/50)은 50Hz의 주파수로 1.5T의 자속밀도를 유기하였을 때의 철손이다. 철손(W10/400)은 400HZ의 주파수로 1.0T의 자속밀도를 유기하였을 때의 철손이다. 자속밀도(B50)는 5000A/m의 자기장에서 유도되는 자속밀도이다. 더욱 구체적으로 무방향성 전기강판의 철손(W15/50)이 1.9W/Kg이하, 철손(W10/400)이 12.0W/kg이하, 자속밀도(B50)이 1.68T이상이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무방향성 전기강판의 제조방법은 슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계; 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계; 냉연판을 최종 소둔하는 단계 및 최종 소둔된 냉연판을 냉각하는 단계를 포함한다.
먼저, 슬라브를 열간압연 한다.
슬라브의 합금 성분에 대해서는 전술한 무방향성 전기강판의 합금성분에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 무방향성 전기강판의 제조 과정에서 합금 성분이 실질적으로 변동되지 않으므로, 무방향성 전기강판과 슬라브의 합금 성분은 실질적으로 동일하다.
구체적으로 슬라브는 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0 %, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1 및 식 2를 만족할 수 있다.
[식 1]
[N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
[식 2]
[S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
(식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
그 밖의 추가 원소에 대해서는 무방향성 전기강판의 합금성분에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
슬라브를 열간압연하기 전에 슬라브를 가열할 수 있다. 슬라브의 가열 온도는 제한되지 않으나, 슬라브를 1200℃이하로 가열할 수 있다. 슬라브 가열 온도가 너무 높으면, 슬라브 내에 존재하는 AlN, MnS등의 석출물이 재고용된 후 열간압연 및 소둔시 미세 석출되어 결정립 성장을 억제하고 자성을 저하시킬 수 있다.
슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조한다. 열연판 두께는 2 내지 2.3mm가 될 수 있다. 열연판을 제조하는 단계에서 마무리 압연 온도는 800℃ 이상일 수 있다. 구체적으로 800 내지 1000℃ 일 수 있다. 열연판은 700℃ 이하의 온도에서 권취될 수 있다.
열연판을 제조하는 단계 이후, 열연판을 열연판 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때 열연판 소둔 온도는 850 내지 1150℃일 수 있다. 열연판소둔 온도가 너무 낮으면, 조직이 성장하지 않거나 미세하게 성장하여 냉간압연 후 소둔 시 자성에 유리한 집합조직을 얻기가 쉽지 않다. 소둔온도가 너무 높으면 자결정립이 과도하게 성장하고 판의 표면 결함이 과다해 질 수 있다. 열연판 소둔은 필요에 따라 자성에 유리한 방위를 증가시키기 위하여 수행되는 것이며, 생략도 가능하다. 소둔된 열연판을 산세할 수 있다.
다음으로, 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조한다. 냉간압연은 0.1mm 내지 0.3 mm의 두께로 최종 압연한다. 필요시 냉간압연하는 단계는 1회의 냉간압연 단계 또는 중간 소둔을 사이에 둔 2회 이상의 냉간압연 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 중간 소둔 온도는 850 내지 1150℃일 수 있다.
다음으로, 냉연판을 최종 소둔한다. 냉연판을 소둔하는 공정에서 소둔 온도는 통상적으로 무방향성 전기강판에 적용되는 온도면 크게 제한은 없다. 무방향성 전기강판의 철손은 결정립 크기와 밀접하게 연관되므로 700 내지 1050℃라면 적당하다. 최종 소둔 과정에서 평균 결정립 입경이 50 내지 100㎛이 될 수 있으며, 전 단계인 냉간압연 단계에서 형성된 가공 조직이 모두(즉, 99% 이상) 재결정될 수 있다.
최종소둔하는 단계는 비산화성 분위기에서 50 내지 90초간 소둔할 수 있다. 비산화성 분위기는 H2를 5 부피% 이상 포함하고 이슬점이 0℃ 이하인 분위기일 수 있다.
다음으로, 최종 소둔된 냉연판을 냉각한다. 냉연판은 최종 100℃ 이하까지 냉각된 후, 절연피막을 형성할 수 있다.
최종 소둔 과정에서 700℃ 이하로 냉각되는 과정에서 분위기 내의 산소가 침투하여 산화층(10)을 형성한다. 이 때 산소를 포함하는 분위기에 노출되는 시간을 조절함으로써, 전술한 산화층(10)의 두께를 조절할 수 있다. 300℃ 미만에서는 강판으로의 산소 침투가 어려우며, 이 때의 노출 시간은 산화층(10) 두께에 영향을 미치지 않을 수 있다.
노출되는 시간은 5 내지 20초일 수 있다. 시간이 너무 짧으면 산화층(10)이 얇게 형성되고, 노출 시간이 너무 길면, 산화층(10)이 두껍게 형성된다. 더욱 구체적으로 10 내지 17초가 될 수 있다.
분위기는 이슬점이 0℃를 초과하는 산화성 분위기가 될 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실험실에서 진공용해하여 표 1 및 표 2 및 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강괴를 제조하였다. 이를 1150℃로 재가열하고 880℃의 마무리온도로 열간압연하여, 판두께 2.0mm의 열연판을 제조하였다. 열간압연된 열연판은 1030℃에서 100초간 열연판 소둔 후, 냉간압연하여 각각의 두께를 표 3과 같이 만들었다. 이를 1000℃에서 약 80초 동안 N2 80 부피%, H2 20 부피 % 분위기에서 최종 재결정소둔을 시행하였다. 이후, 700℃에서 300℃까지 냉각할 시 이슬점이 0℃ 초과인 분위기에 노출되는 시간을 하기 표 3과 같이 조절하였다.
각 시편에 대한 결정립경, 산화층 두께, 산화층 Al 함량, 표면에서부터 20㎛ 깊이에서의 직경 100nm 이하 AlN 분포를 하기 표 3에 나타내었다.
결정립경은 시편의 압연수직방향 단면을 연마 후 에칭하고 광학 현미경으로 결정립이 1500개 이상 포함되도록 충분한 면적을 촬영하여, (측정면적÷결정립개수)^0.5로 계산하였다.
자속밀도, 철손 등의 자기적 특성은 각각의 시편에 대해 너비 60mm × 길이 60mm × 매수 5매의 시편을 절단하여 Single sheet tester로 압연방향과 압연수직방향으로 측정하여 평균값을 나타내었다. 이 때, W10/400은 400Hz의 주파수로 1.0T의 자속밀도를 유기하였을 때의 철손이며, B50은 5000A/m의 자기장에서 유도되는 자속밀도를 의미한다.
산화층 두께는 시편을 FIB로 가공하여 매끈한 단면을 제조하고, 이를 TEM 고배율로 촬영하여 10지점 이상 산화층 두께 측정 평균값을 나타내었다. 산화층 Al 함량은 TEM-EDS 방법을 이용하여 산화층의 성분을 측정하였을 때 중량%로 나타낸 Al 함량을 의미한다. 100nm 이하 AlN은 TEM으로 석출물을 관찰하였을 때, 표층으로부터 20㎛ 깊이까지의 영역에 직경 100nm 이하의 AlN 석출물이 존재하는지 여부를 나타내었다.
시편번호 Si
(%)		 Al
(%)		 Mn
(%)		 C
(ppm)		 N
(ppm)		 S
(ppm)		 Ti
(ppm)		 Cu
(ppm)
A1 3 1 0.41 20 65 28 27 80
A2 3 1 0.39 27 17 72 26 55
A3 3 1 0.4 25 20 21 22 79
A4 3 1 0.41 15 26 16 16 62
B1 3.2 0.6 0.49 27 11 15 26 53
B2 3.2 0.6 0.51 25 16 17 61 68
B3 3.2 0.6 0.5 15 15 12 22 82
B4 3.2 0.6 0.5 21 17 21 24 54
C1 3.4 0.8 0.21 21 23 19 22 61
C2 3.4 0.8 0.2 34 22 23 27 121
C3 3.4 0.8 0.21 17 20 19 24 74
C4 3.4 0.8 0.21 34 26 13 21 76
D1 3.5 1.2 0.11 18 24 9 18 55
D2 3.5 0.5 0.03 34 18 7 20 80
D3 3.5 0.5 0.09 30 19 9 12 64
D4 3.5 0.5 0.09 27 16 9 19 84
E1 3.3 0.7 0.62 29 19 19 14 54
E2 3.3 0.4 0.3 16 14 15 22 66
E3 3.3 0.7 0.29 23 19 20 16 53
E4 3.3 0.7 0.3 34 16 11 26 63
시편번호 V
(ppm)		 Nb
(ppm)		 Cr
(ppm)		 Ni
(ppm)		 Sn
(ppm)		 Sb
(ppm)
A1 27 17 274 293 746 347
A2 15 22 354 368 520 502
A3 17 19 218 356 252 276
A4 19 16 308 334 436 591
B1 18 18 214 148 491 670
B2 28 23 295 410 153 718
B3 25 26 107 419 676 590
B4 25 12 303 264 605 377
C1 20 29 262 399 565 557
C2 23 13 406 382 534 658
C3 12 18 322 407 522 193
C4 14 18 405 371 388 157
D1 14 15 212 277 524 495
D2 23 14 225 237 769 235
D3 19 29 330 368 752 573
D4 19 12 187 349 467 433
E1 19 23 229 175 381 283
E2 17 17 256 273 379 524
E3 13 16 185 414 744 690
E4 18 10 164 338 307 432
시편번호 두께
[mm]		 노출 시간
[sec]		 결정립경
[μm]		 산화층 두께
[nm]		 산화층 Al 함량
[%]		 AlN
[개/mm2]		 W10/400
[W/kg]		 B50
[T]		 비고
A1 0.15 12 65 20 55 3.4 10.1 1.63 비교예
A2 12 64 5 56 4.1 10 1.62 비교예
A3 12 73 25 55 0.03 9.2 1.65 발명예
A4 12 75 20 54 0.02 9.3 1.65 발명예
B1 0.2 30 113 60 56 0.05 11.6 1.63 비교예
B2 15 78 40 52 1.4 11.4 1.64 비교예
B3 15 93 40 54 0.03 10.1 1.66 발명예
B4 15 94 30 53 0.04 9.9 1.66 발명예
C1 0.25 2 42 5 51 0.04 12.4 1.65 비교예
C2 비산화
분위기
냉각		 63 5 54 2.7 12.6 1.64 비교예
C3 10 61 20 51 0.02 11.2 1.67 발명예
C4 10 65 20 52 0.04 11.1 1.67 발명예
D1 0.27 13 80 70 52 4.5 13 1.65 비교예
D2 13 73 30 52 3.6 13.1 1.66 비교예
D3 13 81 20 54 0.03 11.9 1.68 발명예
D4 13 83 30 55 0.03 12 1.68 발명예
E1 0.3 17 74 30 54 4.2 14.3 1.65 비교예
E2 17 69 30 52 5.7 14.4 1.66 비교예
E3 17 83 30 56 0.04 13.2 1.68 발명예
E4 17 87 30 53 0.03 13.2 1.68 발명예
표 1 내지 표 3에서 나타나듯이, A3, A4, B3, B4, C3, C4, D3, D4, E3, E4의 경우에는 성분함량 및 제조방법이 모두 본 발명의 범위를 만족하여 결정립경, 산화층의 두께 및 Al 함량, 표층부 100nm 이하 AlN 분포 등이 양호하게 형성되고 고주파 자성이 우수하게 나타났다.
반면 A1, A2, B2, C2의 경우 N, S, Ti, Cu의 함량이 본 발명의 범위를 초과하여 100nm 이하의 AlN이 표층부에 과다하게 형성되어 우수한 고주파 자성을 확보하지 못하였다.
B1, C1의 경우 산화 분위기 노출 시간이 길거나 짧아 산화층이 두껍게 형성되거나, 얇게 형성되었다. 그로 인하여 고주파 자성이 비교적 열위함을 확인할 수 있다.
C2는 소둔 후 냉각할 때 비산화 분위기인 15% H2 와 이슬점 -20℃에서 300℃까지 냉각하였다. 그로 인하여 산화층이 형성되지 아니하여 고주파 자성이 비교적 열위함을 확인할 수 있다.
D1, D2, E1, E2는 Al과 Mn의 함량이 본 발명의 범위에 미달하거나 또는 초과하여 표층부에 미세한 AlN이 형성되거나 과다하게 두꺼운 표층부 산화층이 형성되어 고주파 자성이 나쁘게 나타났다.
본 발명은 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.
100: 무방향성 전기강판
10: 산화층

Claims (13)

  1. 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0 %, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 1 및 식 2를 만족하고,
    표면에서부터 내부 방향으로 산화층을 포함하고,
    상기 산화층은 Al을 50 중량% 이상 포함하고,
    상기 산화층의 두께는 10 내지 50nm이고,
    표면으로부터 20㎛ 깊이까지의 단면에서 직경 100nm 이하의 AlN 석출물의 개수가 0.1개/mm2 이하인 무방향성 전기강판.
    [식 1]
    [N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
    [식 2]
    [S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
    (식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
  2. 제1항에 있어서,
    Nb 및 V 중 1종 이상을 각각 0.004 중량% 이하로 더 포함하는 무방향성 전기강판.
  3. 제1항에 있어서,
    Cr 및 Ni 중 1종 이상을 각각 0.05 중량% 이하로 더 포함하는 무방향성 전기강판.
  4. 제1항에 있어서,
    Sn 및 Sb 중 1종 이상을 각각 0.1 중량% 이하로 더 포함하는 무방향성 전기강판.
  5. 제1항에 있어서,
    P : 0.02 중량% 이하, B : 0.002 중량% 이하, Mg : 0.005 중량% 이하 및 Zr : 0.005 중량% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 무방향성 전기강판.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    평균 결정립 입경이 50 내지 100㎛인 무방향성 전기강판.
  8. 중량%로, Si: 1.5 내지 4.0%, Al: 0.5 내지 1.5%, Mn: 0.05 내지 0.55%, C: 0.005% 이하, Ti: 0.004% 이하(0%를 제외함), N: 0.005% 이하(0%를 제외함), S:0.005% 이하(0%를 제외함) 및 Cu: 0.01% 이하(0%를 제외함) 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 슬라브를 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계;
    상기 열연판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계;
    상기 냉연판을 최종 소둔하는 단계 및
    상기 최종 소둔된 냉연판을 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 최종 소둔된 냉연판을 냉각하는 단계에서 700℃ 이하의 온도에서 이슬점이 0℃를 초과하는 분위기에 노출되는 시간이 5 내지 20초인 무방향성 전기강판의 제조방법.
    [식 1]
    [N] ≤ 0.005×([Al]+[Ti])
    [식 2]
    [S] ≤ 0.01×([Mn]+[Cu])
    (식 1 및 식 2에서, [N], [Al], [Ti], [S], [Mn] 및 [Cu]는 각각 N, Al, Ti, S, Mn 및 Cu의 함량(중량%)을 나타낸다.)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열연판을 제조하는 단계 이전에, 슬라브를 1200℃ 이하의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 무방향성 전기강판의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열간 압연하는 단계에서 마무리 압연 온도는 800℃ 이상인 무방향성 전기강판의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 열간 압연하는 단계 이후, 850 내지 1150℃의 범위에서 열연판 소둔하는 단계를 더 포함하는 무방향성 전기강판의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 최종 소둔하는 단계는 비산화성 분위기에서 700 내지 1050℃의 온도로, 50 내지 90초간 소둔하는 무방향성 전기강판의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기는 H2를 5 부피% 이상 포함하고 이슬점이 0℃ 이하인 무방향성 전기강판의 제조방법.
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