KR102417226B1 - (001) 집합조직으로 구성된 전기강판 및 그의 제조방법 - Google Patents

(001) 집합조직으로 구성된 전기강판 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전기강판은 중량%로, Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, (001) 결정립들로 구성되고, 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족하며, 1단 냉간압연에 의해 0.3 ㎜ 초과 0.7 ㎜ 미만 두께를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

(001) 집합조직으로 구성된 전기강판 및 그의 제조방법 {(001) textured electrical steels and method for manufacturing the same}
본 발명은 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전기강판은 전기기기의 에너지 효율을 결정하는데 중요한 역할을 하는데, 그 이유는 전기강판이 모터, 발전기 등의 회전기기와 소형 변압기 등의 정지기기에서 철심(Iron core) 재료로 사용되어 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 주는 역할을 하기 때문이다.
전기강판의 자기적 특성으로는 철손(Iron loss: W15/50/kg 또는 W10/400/kg)과 자속밀도(Magnetic flux density: B8 또는 B50)를 들 수 있는데, 철손은 에너지 손실이기 때문에 낮을수록 좋다. 한편 외부 자장을 인가할 때 자화용이성을 나타내는 자속밀도는 그 값이 클수록 작은 전류를 인가해도 원하는 자속밀도를 얻을 수 있기 때문에, 권선된 구리선에서 발생하는 동손을 감소시킬 수 있어서 자속밀도 특성은 높을수록 좋다. 또한, 자속밀도가 높을수록 강력한 파워를 나타내는 모터를 제조할 수 있으나, 현재 사용되고 있는 {111}<uvw> 집합조직을 나타내는 전기강판에서는 자속밀도를 높이기 위해 Si, Al, Mn등을 낮추고 있으나, 너무 낮추면 철손의 급격한 증가를 초래한다.
일반적으로 전기강판의 자기적 성질 중, 철손은 비저항이 큰 합금 원소인 Si, Al, Mn 등을 첨가하여 저감시킬 수 있다. 그러나 이러한 합금 원소를 첨가하여 철손을 저감시킬 수 있지만 자속밀도의 감소 역시 피할 수 없다. 더구나, 실리콘(Si)의 첨가량이 많아지면 냉간압연이 곤란해져 생산성이 떨어지고 경도가 증가하여 판파단 등이 발생하는 등 가공성이 떨어진다.
현재, 상용모터 철심(Iron core)에 쓰이는 무방향성 전기강판에서는 철손 최소화를 위해 다량의 Si, Al, Mn 등을 첨가하여 비저항을 극대화하거나, 강판 박판화를 통해 철손을 구성하는 와류손(Eddy current loss) 및 이력손실(Hysteresis loss) 중 와류손을 저감시키고 있다.
그러나, 이러한 무방향성 전기강판들은 대부분 {111}<uvw> 집합조직으로 구성되어 있고, 자화용이축(Easy magnetization axis)인 [100] 결정축을 포함하는 (001) 면분율이 약 5~10% 내외이기 때문에 자성특성이 우수하지 못하다. 예로서, 0.35 ㎜ 두께의 경우 Si와 Al 첨가량이 감소함에 따라 자속밀도(B50)는 1.65 ~ 1.71 Tesla 정도로 증가하지만 그에 대응하는 철손(W15/50) 역시 약 2 W/kg ~ 약 3 W/kg로 증가한다. 또한, 0.50 ㎜ 두께의 경우 Si와 Al 첨가량이 감소함에 따라 자속밀도(B50)는 1.67 Tesla ~ 1.70 Tesla 정도로 증가하지만, 그에 대응하는 철손(W15/50)은 약 2.4 W/kg ~ 3.55 W/kg로 증가하는 것을 피할 수 없다. 다시 말하면, 현재의 무방향성 전기강판 생산 공정은 높은 자성특성을 나타내는 (001) 결정립의 면분율을 약 5~10% 이상으로 높일 수 없기 때문에, 비저항을 증가시키는 Si, Al, Mn 등을 다량 첨가하는 방식으로 철손 저감을 추구하고 있는 실정이다.
따라서, 강력한 파워를 나타내는 모터구현을 위해서는 Si과 Mn의 량을 철손을 크게 해치지 않는 범위로 첨가하고 전기강판 내에 자화용이축인 [100] 방향을 포함하는 (001) 결정립들의 면분율을 획기적으로 높이고 자성특성을 해치는 {111} 결정립들의 면분율을 대폭 낮추는 것이 바람직하다.
(001) 결정립의 면분율을 높이기 위한 방법은 미국 공개특허 US005948180A, 유럽 공개특허 EP 0 741 191 B1, 학술문헌 1과 2에 소개되어 있다. 이러한 발명에서는 오스테나이트(γ) 안정화 원소인 C를 0.05% 내지 0.1% 포함한 열연강판으로부터 제조된 냉연강판을 950℃ 내지 1050℃ 영역의 페라이트(α) + 오스테나이트(γ) 2상 온도 및 고진공 분위기에서 열처리하여 탈탄반응이 초래하는 오스테나이트(γ) → 페라이트(α)로의 상변태를 이용하여 {100} 결정립을 성장시킨다.
상기 발명에서는 950℃ 내지 1050℃의 상대적으로 낮은 온도 영역 및 고진공에서 열처리하는 동안 탈탄반응과 동시에 표면으로부터 Mn이 증발하고 고진공일지라도 상대적으로 낮은 온도 영역으로 인해 표면산화가 일어나서 강판 내부로부터 표면으로의 망간 농도감소를 나타내어 자성특성에 해로운 표면 탈망간층과 표면 산화막의 형성을 피할 수 없다.
상기 발명에서는 고진공 탈탄반응에 의해 오스테나이트(γ) → 페라이트(α)로의 상변태를 이용하여 (001) 결정립 성장을 촉진하는 온도 영역대가 원리적으로 950℃ 내지 1050℃의 비교적 낮은 온도 영역으로 제한되기 때문에 65% 이하의 저조한 (001) 면분율(유럽 공개특허 EP 0 741 191 B1)을 나타낸다.
또한, 상기 발명들을 통해 얻어진 강판 단면구조는 학술문헌 1과 학술문헌 2에서 알 수 있듯이, 열처리 시 강판표면에서 강판 내부로 탈탄반응 방향으로 (001) 페라이트(α) 결정립들이 양쪽 강판 표면으로부터 강판 내부로 성장하기 때문에 결정립 성장이 최종적으로 강판 중심부에서 만나는 형상을 특징으로 한다.
한편, 대한민국 공개특허 제 10-0797895호와 제 10-0973406호에는 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판 제조방법들이 추가적으로 제시된 바 있으나, 이 발명들 역시 오스테나이트(γ)에서 페라이트(α)로의 상변태를 통하여 {100} 결정립을 성장시키는 공정이 제시되어 있다.
상기 제시된 (001) 전기강판 제조공정 발명들은 진공 열처리를 수반하는 복잡한 열처리 공정과 최종 소둔 후 얻어지는 낮은 {100} 면분율로 인해 상용화에 실패하였다.
또한, 대한민국 공개특허 제 10-1842417호에서는 통상적인 냉간압연 및 열처리 공정을 통해 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판 제조공정이 제시되었으나, 이 발명에서는 최대 강판두께를 0.3 mm 이내로 한정되었다.
상기 발명에서와 같이 Mn 첨가량이 0.5% 이하로 적은 경우에는 열간압연 및 냉각과정, 열연판 소둔 및 냉연강판 최종 소둔시, MnS의 석출량이 적기 때문에 MnS를 형성하지 않은 원자 상태의 S가 모상 내에 다량으로 고용되게 된다.
하기 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 다량의 원자 상태의 S는 최종 소둔하는 동안 표면에 집중적으로 편석되어 (001) 결정면의 표면에너지보다는 {111} 결정면의 표면에너지를 가장 낮게 함으로서, 최종 소둔하는 동안 (001) 결정립 성장보다는 {111} 결정립 성장을 촉진시키기 때문에, 최종 소둔 후 (001) 결정립으로 구성된 전기강판보다는 {111} 결정립으로 구성된 전기강판을 초래하기 쉽고, 강판 두께가 증가할수록 이러한 현상은 두드러진다. 따라서, 강판두께가 두껍게 주어진 경우에, (001) 결정립으로 구성되는 전기강판을 효율적으로 제조하기 위해서는 강판 표면에 편석되는 S량을 최소화하고 최종 소둔하는 동안 (001) 결정면의 표면에너지를 가장 낮게 제어하여 (001) 결정립들이 {111} 이나 {110} 결정립들을 잠식하면서 성장할 수 있도록 여건을 조성하여 최종적으로 (001) 결정립으로 구성된 전기강판을 얻을 수 있도록 하는 것이 가장 큰 핵심기술이라 할 것이다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 다양한 문제점들을 극복하고 상기 발명들에 비해 (001) 면분율이 높아 자속밀도가 크고, 철심이 낮은 전기강판을 제조하기 위하여, 모든 열처리 온도구간에서 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α)+ MnS 석출물 영역이 되도록 Si, Mn, S의 첨가량을 조절하고, 1기압 환원성 분위기 및 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도영역에서 장시간 최종 소둔함으로서, 강판 표면에 편석되는 S량을 최소화하고 최종 소둔하는 동안 (001) 결정면의 표면에너지를 가장 낮게 제어하여 (001) 결정립들이 {111} 이나 {110} 결정립들을 잠식하면서 성장할 수 있도록 여건을 조성하여 최종적으로 고집적도의 (001) 면분율을 나타내고 철손이 획기적으로 저감된 전기강판 제조공정을 제시한다.
미국 공개특허 US005948180A 유럽 공개특허 EP 0 741 191 B1 대한민국 공개특허 제 10-0973406호 대한민국 공개특허 제 10-0797895호 대한민국 공개특허 제 10-1842417호
학술문헌 1: T. Tomida, JMEPEG 5, 316-322 (1996) 학술문헌 2: T. Tomida and S. Uenoya, IEEE Trans. Mag. 37, 2318-2320 (2001)
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 보다 상세하게는 미국 공개특허 US005948180A, 유럽 공개특허 EP 0 741 191 B1 및 학술문헌 1과 2에서처럼 고진공 및 탈탄 분위기에서 Mn의 표면 탈망간 및 C의 탈탄반응을 통한 오스테나이트(γ) → 페라이트(α) 상변태를 이용하여 (001) 집합조직을 형성하는 것이 아니라, 모든 열처리 온도구간에서 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α)+ MnS 석출물 영역이 되도록 Si의 첨가량은 4% 이내, Mn의 첨가량은 0.1% 이내, S의 첨가량은 0.004% 이내로 하고, 1기압 환원성 분위기 및 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 영역의 온도영역에서 장시간 최종 소둔함으로서, MnS 석출물들의 신속한 분해반응과 동시에 강판 표면에 편석되는 S량을 최소화하고 (001) 결정면의 표면에너지를 가장 낮게 제어하여 (001) 결정립들이 {111} 이나 {110} 결정립들을 잠식하면서 성장할 수 있도록 여건을 조성하여, 표면 탈망간층 및 표면 산화막의 형성으로 인한 자성특성 저하가 없고, 고집적도의 (001) 면분율로 인해 고자속밀도를 나타내는 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 예에 따른 전기강판은 중량%로, Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, (001) 결정립들로 구성되고, 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족하며, 1단 냉간압연에 의해 강판두께가 0.3 ㎜ 초과 0.7 ㎜ 미만 두께를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 본 발명의 일 예에 따른 전기강판은 (001) 결정립의 면분율이 50% 이상일 수 있으며, 자속밀도(B50)가 1.70 Tesla 이상이고, 철손(W15/50) 대비 강판두께 비율이 3 내지 9 Watts/kg/mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판은 중량%로, Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, (001) 결정립들로 구성되고, 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족하며, 1단 냉간압연에 의해 0.3 ㎜ 초과 0.7 ㎜ 미만 두께를 나타내는 것을 특징으로 함으로써, (001) 결정립의 면분율이 50% 이상이 되어, 1.70 Tesla 이상의 자속밀도(B50) 및 철손(W15/50) 대비 강판두께 비율이 3 내지 9 Watts/kg/mm인 것을 달성할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 실시예 1의 (001) 결정립의 면분율이 96%이고 강판두께가 0.35 ㎜ (350 ㎛)인 A 강종에 대한 (001) 결정립의 자화용이축([100] 방향)과 냉간 압연방향 사이의 관계를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1의 (001) 결정립의 면분율이 96%이고 강판두께가 0.35 ㎜ (350 ㎛)인 A 강종에서, 최종 소둔 후 강판 표면으로부터 강판 내부로 들어감에 따른 Si 원자와 Mn 원자의 함량 변화를 나타내는 표이다.
이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미한다.
본 발명에서 사용되는 용어 “(001) 면”은 전기강판을 구성하는 결정립의 결정학적 (001) 면이 전기강판의 판면에 평행한 면을 의미한다. 여기서, 전기강판의 판면이란 강판의 압연방향(RD 방향)을 x축 폭방향(TD 방향)을 y축이라 할 때 xy 면을 의미한다.
집합조직의 측정은 EBSD(Electron Backscatter Diffraction)를 이용하여 각 방위별 면강도를 방위 분포함수(orientation distribution function, ODF)를 이용하여 계산 및 분석하였다. 또한, (001) 결정립의 면분율은 엣치핏 방법(Etch-pit method)과 광학 현미경을 이용하였다.
부가적으로, 평균 결정립 직경은 광학 현미경을 이용하여 통상적인 결정립 크기 산출법을 이용하여 구하였다.
본 발명에서 사용되는 용어 “(001) 집합조직의 면강도”는 어떠한 집합 조직을 가지지 않는 무질서한 조직의 강도(Intensity) 1을 기준으로 할 때의 상대강도를 의미한다. 예컨대, (001) 집합조직의 면강도는 방위 분포 함수 이미지(ODF image, φ2=45º degree section)에서 나타난 방위 중에서 최대의 면강도를 나타내는 방위의 면강도를 의미한다.
종래 전기강판의 철손을 낮추기 위하여 비저항이 큰 합금 원소인 Si, Al, Mn 등을 강에 첨가하였으나 자속밀도까지 함께 감소하는 단점이 있었다. 특히 Mn을 과량 첨가할 시 MnS가 석출되어 (001) 결정립 성장을 방해하고, 자구의 이동을 방해하여 철손 증가 및 자속밀도 저하를 초래하기 때문에 0.3% 이하로 그 함량이 제한되었으나, 그럼에도 철손 특성 및 자속밀도 특성을 동시에 향상시키는 것에 어려움이 있었다.
이에 따라, 본 발명자들은 자속밀도는 높이면서 상대적으로 철손이 낮은 전기강판을 제조하는 방법에 대하여 거듭 연구한 끝에 하기 구성을 만족하는 전기강판을 제조할 시 철손 특성 및 자속밀도 특성을 동시에 향상시킬 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 전기강판은 중량%로, Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, (001) 결정립들로 구성되고, 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족하며, 1단 냉간압연에 의해 0.3 ㎜ 초과 0.7 ㎜ 미만 두께를 나타내는 것을 특징으로 전기강판을 제조할 수 있다.
이를 만족함으로써 본 발명에 따른 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판은 (001) 결정립의 면분율이 50% 이상이 되어, 1.70 Tesla 이상의 자속밀도(B50) 및 철손(W15/50) 대비 강판두께 비율이 3 내지 9 Watts/kg/mm을 달성할 수 있으며, 보다 좋게는 1.80 Tesla 이상의 자속밀도(B50) 및 철손(W15/50) 대비 강판두께 비율이 3 내지 7 Watts/kg/mm을 달성할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 예에 따른 전기강판은 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족할 수 있다. 또한, 강판 표면은 탈망간층 및 표면 산화막이 없는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 저철손 및 고자속밀도 특성을 모두 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기강판의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다.
Si: 2.0% 내지 3.5%
상기 Si는 강의 비저항을 증가시켜서 철손 중 와류손실을 낮추기 위해 첨가되는 주요 원소로서, 2.0% 미만에서는 열처리 시 오스테나이트(γ) 상의 존재로 인해 (001) 집합조직이 원활하게 발달하지 않아 고자속밀도 및 극저철손 특성을 얻기 어렵고, 3.5%를 초과하여 첨가되면 냉간압연 시 판파단이 일어나기 때문에 본 발명에서는 Si를 2.0% 내지 3.5 중량%로 한정한다.
Mn: 0.03 내지 0.1%
최종 소둔 종료 시점까지 (001) 결정립 성장을 억제하는 MnS 석출물들이 강판 내부에 계속 존재하는 경우, (001) 면분율이 높은 전기강판을 얻을 수 없다.
한편, 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도 및 환원성 가스분위기에서 최종 소둔하는 동안, 분위기 중의 수소(H2)는 MnS 석출물과 반응하여 황화수소(H2S) 가스를 생성하는 반응(MnS+H2→H2S+Mn)에 의해 MnS 석출물들을 분해시킨다. 분해반응으로 생성된 황화수소는 환원성 분위기에 흡수되고, Mn은 강판 내부로 고용되어 들어간다. 최종 소둔이 계속되는 동안 이러한 MnS 분해반응은 계속되고, 결국 어떤 임계 시간 이후에는 (001) 결정립 성장을 방해하던 MnS 석출물은 강판 내부에서 사라질 수 있다. 이 시점 이후부터, 가장 낮은 표면에너지를 나타내는 (001) 결정립들은 상대적으로 표면에너지가 높은 {111} 결정립들을 잠식하면서 (001) 결정립으로 구성된 전기강판을 형성해간다.
특히, 이러한 환원성 가스 분위기 내의 수소에 의한 MnS 분해반응에 있어, 온도가 증가할수록 그 속도는 빨라지고 분해반응 종료시간은 급속히 짧아진다. 그러나, Mn과 S 함유량이 많은 경우, 강판 두께가 증가하면, 열처리 하는 동안 수소에 의해 다량 생성된 MnS 분해반응을 하는데 필요한 시간이 급격히 증가한다. 따라서, 강판 두께가 두꺼운 경우, MnS 생성량을 줄이기 위해 Mn과 S 함량을 낮추거나, 또는 MnS 분해반응을 가속화 하기 위해 열처리 온도를 증가시키거나 열처리 시간을 증가시켜야 한다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 첨가량을 0.03 내지 0.1%로 한정한다.
구체적인 일 예시로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기강판은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1] [Mn]0 × 0.95 ≤ [Mn]1 ≤ [Mn]0 × 1.05
(상기 관계식 1에서, [Mn]0는 슬라브 내 망간 원자(Mn)의 함량(중량%)이며, [Mn]1은 최종 소둔 후 강판 내 망간 원자(Mn)의 함량(중량%)이다.)
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전기강판은 MnS 석출 후 최종 소둔 시 MnS 석출물이 분해되어 Mn이 원자 상태로 다시 강 내로 고용됨에 따라 슬라브와 최종 소둔 후 강판 내 Mn의 함량이 거의 동일할 수 있다. 이때, [Mn]1는 강판 표면에서부터 두께(T) 방향으로 0T 지점(표면), (1/100)T 지점, (1/20)T 지점, (1/10)T 지점 및 1/2T 지점(중심)에서의 Mn의 성분 함량을 분석한 후 이들을 평균한 값일 수 있으며, 상한이 [Mn]0 × 1.05인 것은 실험 시의 측정 오차를 고려한 것이다.
S: 0.004% 이하(0%는 제외)
S의 첨가량이 큰 경우, 열간압연 후 냉각과정 그리고 최종 소둔시 MnS의 과도한 석출을 초래하여 (001) 결정립들의 성장을 방해하여, (001) 결정립보다는 {110} 결정립들의 성장이 촉진되어 최종적으로는 {110} 결정립으로 구성되어 모터 철심에 적합하지 않은 전기강판이 초래될 수 있으며, 이러한 현상은 강판이 두꺼워 질수록 현저해진다. 따라서, 본 발명에서는 S의 첨가량을 0.004% 이하로 한정한다.
C: 0.01% 이하(0%는 제외)
C가 많이 첨가될 경우 오스테나이트(γ) 영역을 확대하여 최종 소둔시 (001) 결정립 성장을 억제하고 Fe 및 Ti등과 결합하여 탄화물을 형성하기 때문에 자속밀도를 낮추고 철손을 높이는 효과를 나타내기 때문에 본 발명에서는 C의 함량을 0.01% 이하로 한정한다.
N: 0.01% 이하(0%는 제외)
N는 Al, Ti등과 강하게 결합함으로써 질화물을 형성하여 (001) 결정립 성장을 억제하여 자성 특성을 저하시킬 뿐만 아니라, 다량 함유되는 경우 최종 소둔시 오스테나이트(γ) 영역이 확대되어 (001) 결정립 성장을 억제하기 때문에 되도록 적게 함유시키는 것이 바람직하여, 본 발명에서는 N의 첨가량을 0.01 중량% 이하로 한정한다.
상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.
본 발명 효과를 저해하지 않으면서 포함될 합금원소와 성분범위는 아래와 같다.
Al: 0.1% 이하
W, V, Cr, Co, Ni, Mo: 각각은 1% 이하
Cu: 0.5% 이하
Nb: 0.5% 이하
Sb, Se, As: 각각은 0.05% 이하
B: 0.005% 이하
P: 0.2% 이하
한편, 도 2는 하기 일 실시예 4에서 (001) 면분율이 95%이고 강판두께가 0.40 ㎜(400 ㎛)인 C 강종에서, 최종 소둔 후 강판 표면으로부터 강판 내부로 들어감에 따라 Si과 Mn의 성분변화를 나타내는 도면이다. 강판 깊이에 상관없이 최종 소둔 후 강판 내 Si 및 Mn의 함량이 슬라브 내 Si 및 Mn 함량과 거의 동일한 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 석출되었던 MnS가 거의 완전히 분해된 것을 알 수 있다. 또한, 강판 깊이에 상관없이 표면과 내부의 Si 및 Mn의 성분 변화는 관찰되지 않는다는 점에서 본 발명에 따른 강판 표면에 탈망간층 및 표면 산화막이 없다는 점을 확인할 수 있다.
이와 같은 우수한 철손 특성 및 자속밀도 특성을 가진 전기강판의 제조방법은 a) 중량%로, Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 950 내지 1250℃로 재가열하는 단계;
b) 재가열된 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 얻는 단계;
c) 상기 열연강판을 800 내지 1250℃ 영역 중 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도 영역까지 가열 후 냉각하여 소둔된 열연강판을 얻는 단계;
d) 상기 소둔된 열연강판을 냉간압연하여 1단 냉간압연된 냉연강판을 얻는 단계; 및
e) 상기 1단 냉간압연된 냉연강판을 1000℃ 내지 1250℃ 영역 중 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도 및 1 기압 환원성 가스 분위기에서 최종 소둔하는 단계;를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 0.03 내지 0.1%의 Mn를 포함하는 슬라브를 상기 방법에 따라 재가열, 소둔, 냉간압연 및 최종 소둔 시 공정 조건을 최적화함으로써 (001) 결정립들로 구성되고, 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족하며, 1단 냉간압연에 의해 0.3 ㎜ 두께를 초과하는 전기강판을 제조할 수 있으며, 이를 통해 두께가 두껍고 고자속밀도를 나타내는 전기강판을 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 일 예에 따른 (001) 전기강판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 상기의 조성을 만족하는 전기강판 강 슬라브를 950℃ 내지 1250℃로 재가열한 다음 열간압연 한다. 상기 재가열 온도가 950℃ 미만이면 열간압연 시 과도한 힘이 필요하여 설비에 무리가 가거나 원활한 열간압연이 수행되기 어렵고, 1250℃를 초과할 경우 극심한 슬라브 표면산화가 일어나기 때문에 재가열 온도는 950℃ 내지 1250℃로 제한한다.
다음으로, 재가열된 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 얻는다.
상기와 같이 제조된 열연강판은 소둔 없이 산세 후 냉간압연하거나, 조직 균질화를 위해 냉간압연 전에 열연강판 소둔을 할 수 있다.
열연강판 소둔 온도는 800℃ 내지 1250℃ 영역 중 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도일 수 있다. 이 범위에서 MnS의 석출이 활발하여 강 내 S 함량이 극소화될 수 있으며, 이를 통해 최종 소둔시 {111} 결정립보다 (001) 결정립의 성장을 촉진할 수 있다. 반면, 상기 열연강판 소둔 온도가 800℃보다 낮으면 결정립 조직이 균일하지 않고, 1250℃를 초과하는 경우에는 과다한 결정립 성장으로 인해 열연판의 표면 결함이 과다해진다.
열연강판은 산세 후 통상적인 방법으로 냉간압연한다.
산세한 열연강판은 냉간압연하여 1단 냉간압연할 수 있다. 이때, 1단 냉간압연하는 경우의 냉간압연율을 70% 내지 90%로 할 수 있다.
다음으로, 냉간압연된 강판은 1000℃ 내지 1250℃의 영역 중 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도 및 1 기압의 환원성 가스분위기 하에서 최종 소둔할 수 있다. 이때, 상기 최종 소둔 온도까지의 승온속도는 25℃/h 내지 14400℃/h 일 수 있으며, 최종 소둔 시간은 상기 온도에서 8 내지 48 시간 동안 수행할 수 있다. 이처럼 장시간 최종 소둔을 수행하여야 최종 냉간압연된 강판 내부의 MnS 석출물이 대부분 분해될 수 있으며, MnS 석출물에 의한 (001) 결정립 성장 방해를 방지할 수 있다.
반면, 최종 소둔을 1000℃보다 낮게 실시하는 경우에는 (001) 결정립 성장을 방해하는 MnS 석출물의 느린 분해반응 속도로 인해, 고집적도의 (001) 면분율을 나타내는 전기강판을 얻기 어렵고, 1250℃를 초과하는 경우에는 과도한 결정립 성장으로 인해 자성특성 및 기계적 특성을 저해할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 (001) 결정립으로 구성된 전기강판 제조방법은 냉연강판을 오스테나이트(γ) 상이 존재하지 않고, 페라이트(α) 단상 또는 페라이트(α)와 MnS 석출물이 혼재하는 페라이트(α) + MnS 석출물 온도 및 1 기압의 환원성 가스 분위기에서 장시간 최종 소둔함으로써 (001) 결정립으로 구성된 전기강판을 용이하게 제조할 수 있다.
부가적으로, 현재의 모터 철심에 적용되는 {111}<uvw> 집합조직으로 구성된 무방향성 전기강판은 압연방향을 기준으로 0°에서 45°로 측정 각도를 바꾸어 자성특성을 측정할 때 방향에 따라 그 평균치에 비해 약 ±5%의 차이를 보여서, 측정값은 최대 10% 정도의 차이를 보인다. 그러므로, 이러한 차이 때문에 엄밀하게는 링 타입(Ring type) 시험편을 이용하여 그 전기강판의 평균치를 나타내어야 하나, 일반적으로는 직사각형 형태의 강판 시험편과 직류 자성측정기를 이용하여 압연 방향과 압연 방향에 수직한 방향의 두 자성특성을 전기강판의 대표 값으로 나타내고 있다.
학술문헌 2에서도 확인할 수 있는 바와 같이, (001)[010] 집합조직으로 구성된 전기강판의 자성특성은 압연방향으로부터 0°에서 45°로 압연방향과 측정방향 사이의 이탈각(Deviation angle)이 커짐에 따라 자속밀도는 최대값에서 최소값으로 급격하게 변하고, 철손은 최소값에서 최대값으로 변한다. 또한, (001) 결정립으로 구성된 전기강판의 독특한 특성 때문에 이탈각(Deviation angle)이 45°에서 90°로 더욱 커짐에 따라, 자속밀도는 최소값에서 최대값으로 급격하게 증가하고, 철손은 최대값에서 최소값으로 감소한다.
따라서, 이러한 (001) 결정립으로 구성된 전기강판의 특성 때문에, 압연방향에 평행한 방향 및 압연방향에 수직한 방향에서의 무방향성 전기강판 자성 측정법으로는 (001) 집합조직으로 구성된 본 발명품의 자성특성 값을 대표할 수 없다. 그러므로, (001) 결정립으로 구성된 본 발명품의 자성특성을 정확하게 나타내기 위해서 하기의 일 실시예에서처럼 링 타입(Ring type) 시험편을 이용하여 자성특성의 평균값을 측정하였다. 자성특성은 내경 15 ㎜, 외경 30 ㎜의 링 타입 강판을 최종 소둔된 강판에서 절단하고 800℃ 알곤(Ar) 분위기에서 1 시간 동안 응력제거 소둔 후 철손 및 자속밀도를 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 일 실시예에서도 알 수 있는 바와 같이, 대부분이 (001) 결정립으로 구성된 전기강판은 성분 및 두께가 같으면 공정 변수의 변화에 상관없이 같은 평균 자성특성을 보인다.
(001) 집합조직으로 구성된 본 발명품은 최종적으로 절연피막처리 후 고객사로 출하된다. 상기 절연피막은 유기질, 무기질 및 유무기 복합피막으로 처리될 수 있으며, 철손을 좀 더 저감하기 위해서 장력코팅 처리할 수 있다. 고객사는 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판을 이용하여 모터 철심 제작 후, 800℃ 부근에서 1 내지 2 시간 응력제거 소둔하고 400℃까지 노냉 후 방출하여 사용할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 (001) 집합조직으로 구성된 전기강판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
강종 C Si Mn S N
A 0.0019 2.2 0.05 0.0006 0.0016
B 0.0015 2.2 0.05 0.0015 0.0022
C 0.0018 3.1 0.07 0.0019 0.0016
D 0.0024 3.1 0.10 0.0005 0.0011
E 0.0017 3.1 0.15 0.0041 0.0024
[실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 4]
상기 표 1의 A 내지 E 조성(중량%)의 슬라브(slab)들을 1150℃로 가열하고 2.5 ㎜ 두께까지 열간압연하였다. 열연강판은 1050℃에서 2분간 소둔하고, 산세 후 0.2 ㎜, 0.35 ㎜, 0.40 ㎜, 0.45 ㎜, 0.55 ㎜ 또는 0.70 ㎜ 두께까지 1단 냉간압연하였다. 냉연강판에서 절단된 10 ㎜ x 100 ㎜ 크기의 냉연강판에 대한 최종 소둔은 1기압의 수소(H2) 가스 분위기 하 1200℃의 온도에서 12시간 동안 실시하였다.
제조된 각각의 시편에 대하여 EBSD를 이용하여 5 ㎜ × 12 ㎜ 영역에서 집합조직, 면강도 및 평균 결정립 직경을 조사하였고, 또한 엣치핏 방법과 광학현미경을 이용하여 10 ㎜(폭) x 100 ㎜(압연 방향) 크기의 강판면에서 {100} 면분율, 최대면강도를 나타내는 {100} 집합조직 내의 <001> 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ) 및 평균 결정립 직경을 조사하였다. 또한, 주사전자 현미경에 장착된 EDX (energy-dispersive X-ray) 분석장비를 이용하여 강판 표면에서부터 두께 방향으로 분석 깊이를 달리하여 Si 및 Mn의 성분 함량을 분석하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
강종 두께 (001)결정립 면분율, % 철손(W15/50)
Watts/kg		 자속밀도(B50)
Tesla		 W15/50/두께,
Watts/kg/mm		 θ
(˚)
실
시
예		 1 A 0.35 96 2.05 1.82 5.86 25.3
2 A 0.40 78 2.38 1.80 5.95 23.1
3 B 0.35 75 2.23 1.81 6.37 24.6
4 C 0.35 58 2.28 1.73 6.51 25.8
5 C 0.40 51 2.42 1.72 6.05 21.9
6 D 0.35 70 2.15 1.75 6.14 25.8
7 D 0.40 63 2.27 1.73 5.68 22.7
비
교
예 		1 E 0.35 9 2.94 1.63 8.40 -
2 E 0.40 6 3.17 1.63 7.93 -
3 B 0.70 7 4.86 1.67 6.94 -
4 C 0.70 9 5.05 1.66 7.21 -
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 적정 최종 소둔 온도에서 1단 냉간압연된 A 내지 D 강종은 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)는 15˚ ≤ θ ≤ 26˚ 범위를 나타내고, 50% 이상의 (001) 면분율을 나타내어 자성특성이 우수하였으며, 철손(W15/50) 대비 강판두께(mm) 비율은 5.86 내지 6.63 Watts/kg/mm의 범위를 나타내었다.
특히 Mn 0.03~0.05%로 첨가된 실시예 1 내지 3의 경우 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)는 23˚ ≤ θ ≤ 25.5˚ 범위를 나타내고, 50% 이상의 (001) 면분율을 나타내어 자속밀도(B50)가 1.80 Tesla 이상으로 자성특성이 더욱 우수하였으며, 철손(W15/50) 대비 강판두께(mm) 비율은 5.86 내지 6.37 Watts/kg/mm의 범위를 나타내었다.
반면, 비교예 1 및 2의 경우, 본원발명에서 제시한 Mn 함량(0.03~0.1%)과 S 함량(0.004% 이하)을 모두 초과한 강종 E를 사용함에 따라 MnS 석출물이 충분히 분해되지 않아 (001) 결정립 성장이 억제된 것으로 예측되며, 극히 낮은 {100} 면분율로 인해 자성특성이 열악하였다.
비교예 3 및 4의 경우, 본원발명에서 제시한 함량 범위를 만족하는 강종을 사용하였으나, 너무 두꺼운 강판 두께로 인해 MnS 석출물이 충분히 분해되지 않아 (001) 결정립 성장이 억제된 것으로 예측되며, 극히 낮은 {100} 면분율로 인해 자성특성이 열악하였다.
이와 같은 결과로부터 Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성과 0.3 ㎜ 초과 내지 0.7 ㎜ 미만의 두께를 가지도록 1단 냉간압연하는 조합이 전기강판의 자성특성에 큰 영향을 미치는 중요한 기술적 특징임을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 중량%로, Si: 2.0% 내지 3.5%, Mn: 0.03 내지 0.1%, S: 0.004% 이하(0%는 제외), C: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 전기강판으로,
    상기 전기강판은 (001) 결정립들로 구성되고, 상기 (001) 결정립의 면분율은 50% 이상이며, 최대면강도를 나타내는 (001) 집합조직 내의 [100] 결정방향이 압연방향과 이루는 각도(θ)가 15˚ ≤ θ ≤ 26˚를 만족하며, 1단 냉간압연에 의해 0.3 ㎜ 초과 0.7 ㎜ 미만 두께를 나타내고, 자속밀도(B50)가 1.80 Tesla 이상인 것는 것을 특징으로 하는 전기강판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전기강판은 철손(W15/50) 대비 강판두께 비율이 3 내지 9 Watts/kg/mm인 것을 특징으로 하는 전기강판.
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