KR20000037537A - 고자속밀도 초극박 방향성 규소강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두께 0.15mm이하의 초극박 규소강판의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 초극박 방향성 규소강판을 제조하는데 있어서 열간압연과정중에 발생하는 미세조직의 변화가 최종 열처리시 (110)[001]방위의 결정립들이 선택적으로 성장하는 3차재결정 현상에 미치는 영향을 밝히고 이를 근거로 하여 자속밀도가 1.9Tesla이상 되는 초극박 방향성 규소강판을 안정되게 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, Si:2.5-7.0%, C:0.010%이하, Mn:0.002%이하, S:0.02%이하, Al:0.01%이하, N:0.01%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 혼입되는 불순물로 이루어진 규소강 슬라브를 재가열하고 열간압연하여 열연판을 얻고, 이 열연판을 산세, 냉간압연하여 0.15mm이하의 초극박 강판으로 만든 다음, 최종열처리하는 초극박 방향성 규소강판의 제조방법에 있어서, 상기 열간압연은 최종 두 패스를 1060∼950℃의 온도에서 이 최종 두 패스의 압하율의 총합이 50%이상이 되도록 행하는 것을 포함하여 이루어지는 고자속밀도의 초극박 방향성 규소강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

고자속밀도 초극박 방향성 규소강판의 제조방법

본 발명은 두께 0.15mm이하의 초극박 규소강판의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 초극박에 있어서 방향성이 형성되는 원리를 바탕으로 열간압연시의 압연방법을 적절하게 이용함으로서 극히 우수한 자기적특성을 안정되게 얻을 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 방향성 규소강판은 특수한 가공과 열처리에 의하여 압연방향으로 철의 자화용이방향인 (110)면에 [001]방향이 배향된 집합조직(일명 '고스 조직'이라고도 함)을 가지고 있는 재료로서, 압연방향으로의 우수한 자기특성을 이용하여 각종 변압기 등의 철심재료로 이용되고 있다.

이러한 방향성 규소강판의 자기적특성은 결정립들의 [001]방향이 압연방향으로 배향된 정도가 높을수록 우수해지며, 이에 관련된 대표적인 종래기술로는 미국특허 제3,159,511 및 일본특허 공개특허공보 (소)51-13469호 등이 있다. 상기 종래기술들은 AlN, MnS, MnSe 등의 미세한 석출물들을 강판의 내부에 형성시킨 후 이들로 하여금 다른 방위의 결정립의 성장은 억제하고 (110)[001]방향의 결정립들만 성장시키는 방법을 제안하고 있다. 이러한 방법으로 제조된 방향성 규소강판은 결정립들의 방위가 이상적인 (110)[001]방위로 부터 평균 3도 이내로 분산되어 있어서 자기적특성의 향상에는 거의 한계에 다다른 기술로 평가되고 있다. 이에 따라, 동일한 방위분산도를 갖더라도 추가적인 자기특성의 향상을 도모할 수 있는 방법의 하나로 자구미세화법이 일본 공고특허공보 (소)58-26405호 및 미국특허 제4,203,784호 등에 제안되어있다.

한편, 방향성 규소강판의 두께를 줄여 와전류에 의한 에너지손실을 감소시키는 기술이 일본 공개특허공보 (평)2-277748호에 제안되어 있다. 이 기술은 원리면에 있어서 미세석출물에 의한 결정립성장과정을 제어하는 상기 종래기술을 이용한 것이다. 즉, 이 기술은 0.15-0.17㎜ 두께의 냉간압연 규소강판을 제조하는 일련의 공정조건을 극한화시켜 최종열처리시 (110)[001]결정립의 집적도를 높이는 것이다. 그러나, 이 기술은 규소강판의 두께가 얇아짐에 따라 미세석출물에 의한 결정립성장억제력이 약해지는 근본적인 문제를 안고 있어 평균 3도 이내의 결정립의 방위분산도를 안정되게 얻기 어려우며, 더욱이 두께가 0.15㎜이하에서는 적용할 수 없는 치명적인 약점을 안고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 일본 공개특허공보 (평)5-186829호에는 불순물이 거의 혼입되어 있지 않는 3%규소강판을 열간압연, 산세, 3회에 걸친 냉간압연과 그사이의 중간열처리, 그리고 최종열처리에 의해 0.15mm이하 효과적으로는 0.1mm이하의 초극박 방향성 규소강판을 제조하는 기술이 제안되어 있다. 이 기술은 미세석출물에 의한 결정립성장제어를 이용하는 것이 아니라, 결정립들의 표면에너지를 이용한 3차재결정법에 의하여 (110)[001]고스조직과 함께 우수한 자기적특성을 확보하는 것이다. 특히, 이와 같은 제조방법으로 제조된 강판은 기존의 방향성규소강판에 비해 (110)[001]배향성은 비슷한 반면에 두께가 0.15mm이하의 초극박이기 때문에 유도자화값이 매우 높고 에너지손실인 철손이 1/3이하로 낮아지는 매우 우수한 특성을 갖고 있다.

그러나, 상기의 초극박 방향성규소강판은 용해 주조, 열간압연, 산세, 사이에 1회 또는 수회의 중간열처리를 포함한 수회의 냉간압연 및 고온의 최종열처리공정 등 처리공정이 상당히 많아 경제성이 떨어진다. 그 중에서도 특히 열간압연공정은 야금학적으로 볼 때 가공과 열처리가 동시에 복합적으로 일어나기 때문에 미세조직 제어상에 매우 중요한 역할을 한다. 실제로 열간압연 이후의 공정을 똑같이 처리하여도 최종 제품의 자기적특성이 안정되지 못하고 그 변화의 폭이 상업적으로 사용되기에는 어려울 정도로 크게 되는 문제를 안고 있다. 따라서, 본 발명자들은 수 없이 많은 반복 실험을 통하여 이 같은 문제가 열간압연에서의 미세조직 제어와 밀접한 관계가 있음을 알아내었다.

이에 본 발명은 초극박 방향성규소강판을 제조하는데 있어서 열간압연과정중에 발생하는 미세조직의 변화가 최종 열처리시 (110)[001]방위의 결정립들의 선택적으로 성장하는 3차재결정 현상에 미치는 영향을 밝히고 이를 근거로 하여 고자속밀도의 초극박 방향성 규소강판을 제조하는데 있어서 최적의 열간압연방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초극박 방향성 규소강판의 제조방법은,

중량%로, Si:2.5-7.0%, C:0.010%이하, Mn:0.002%이하, S:0.02%이하, Al:0.01%이하, N:0.01%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 혼입되는 불순물로 이루어진 규소강 슬라브를 재가열하여 최종 두 패스를 1060∼950℃의 온도에서 이 최종 두 패스의 압하율의 총합이 50%이상이 되도록 열간압연하여 열연판을 얻고, 이 열연판을 산세, 냉간압연하여 0.15mm이하의 초극박 강판으로 만든 다음, 최종열처리하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 적합한 강종은 중량%로, Si:2.5-7.0%, C:0.010%이하, Mn:0.002%이하, S:0.02%이하, Al:0.01%이하, N:0.01%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어진 통상의 규소강이다.

이러한 규소강은 통상적으로 재가열, 열간압연, 중간열처리를 포함한 냉간압연, 그리고 최종열처리하는 일련의 공정을 거쳐 초극박 방향성 규소강판으로 제조된다. 이때 재가열은 1200℃이하의 온도에서 행해지고, 냉간압연은 1회에 최종두께로 할 수도 있으며, 냉간압연기의 능력에 따라 1회의 중간열처리하는 2회냉간압연, 2회의 중간열처리를 하는 3회냉간압연방법을 이용할 수 있다. 이때의 중간열처리는 예를들어 산소분압이 0.5Mpa이하의 환원성 분위기나 진공에서 행할 수 있다. 상기와 같이 냉간압연하여 얻은 초극박 강판은 진공(예를 들어 산소분압이 0.5Mpa이하)이나 환원성분위기로 약 1200℃이상의 온도에서 장시간 균열처리하는데, 이는 결정면의 표면에너지 차를 이용하여 (110)[001]결정립들의 성장을 가속시키는 3차재결정현상을 이루기 위한 것으로 알려져 있다.

그러나, 이와 같은 방법으로 실제의 제품을 제조해 보면, 3차 재결정에 의해 (110)[001]결정립들이 성장을 하여 우수한 자기적특성을 얻게 되는 경우가 매우 불규칙하게 나타나는 문제가 상존한다. 이 같은 문제는 열간압연 이후의 공정조건을 일정하게 하여 수 없이 반복해 보아도 계속적으로 나타나는 문제로서, 이 재료를 상업적으로 생산하여 제공하는데 큰 약점으로 지적되고 있는 실정이다.

본 발명자들은 이와 같은 현상이 발생하는 원인을 규명하고자 오랜기간동안 연구한 결과, 상기 현상의 주요원인은 열간압연시 규소강판의 표면에 형성되는 재결정층의 두께 및 이 안에 존재하는 (100)[001]방위의 결정립들의 양으로서 이들의 일정한 값 이상으로 되어야 냉간압연과 반복되는 중간열처리 과정을 거쳐도 (110)[001]방위의 결정립들이 최종 열처리시까지 계속적으로 형성되어 최종열처리가 끝난 제품의 자속밀도를 매우 우수하게 또 안정되게 만든다는 사실을 밝혀내었다. 즉, 최종 열처리시 표면에너지차에 의한 3차재결정이 발생되기 위해서는 규소강판의 표면에 적정한 양의 (110)[001] 결정립들이 존재해야 하는데, 그 이유는 (110)[001]방위 결정립의 표면에너지가 가장 낮기 때문에 이들이 주위에 에너지가 높은 방위의 결정립들을 잠식해 나가면서 크게 성장하고 결국은 재료의 전체를 점유하게 되기 때문이다.

따라서, 반복되는 냉간압연이나 중간소둔과정에 의해 규소강판 표면부에 이들의 존재상태가 아주 없거나 희박해지게 되면 3차 재결정 현상이 일어나지 않게 되고 따라서 자속밀도도 매우 나빠지게 된다.

본 발명자들은 규소강판 표면부의 (100)[001]방위의 결정립들이 존재하는 정도는 열간압연된 규소강판의 표면부에 존재하는 재결정층의 두께와 이 안에 존재하는 (110)[001]방위의 결정립들이 양과 직접적인 비례관계에 있다는 사실을 발견하였으며, 이는 열간압연 조건과 밀접한 관계가 있다는 사실을 밝힐 수 있었다. 이와 같은 원리에 기초하지 않고 임의로 열간압연을 하게 되면 규소강판 표면부의 재결정층의 두께와 (110)[001]방위의 결정립들의 존재강도가 불규칙하게 되고 이에 따라 이후의 공정을 동일하게 해도 자기적특성이 불규칙하게 얻어지는 현상이 나타나는 것이다.

본 발명자들은 이상과 같이 규명한 원인에 근거하여 여러가지 조건으로 열간압연을 한 다음 최종 열처리까지 처리하여 제조한 제품의 자속밀도를 측정하여 상기 원리를 만족하는 최적의 열간압연 조건을 밝혀내었다. 즉, 열간압연의 마무리 압연단계에서 마지막 두 패스의 압연온도가 1060℃부터 950℃사이의 구간에서 마지막 두 패스의 압하율 총합이 50%이상이 되도록 하면 열간압연된 규소강판의 표면에 적정한 두께의 재결정층과 적당한 양의 (110)[001]방위의 결정립을 얻을 수 있고 이에 따라 우수한 자속밀도의 초극박 규소강판을 얻을 수 있음을 알아내었다.

다음은 열간압연조건을 한정하는 이유에 대하여 설명한다.

열간압연을 하는 경우 규소강의 표면부에 재결정층이 형성되는 근본 원인은 고온에서 가공을 받을 때 발생하는 동적 재결정현상 때문이다. 이러한 동적 재결정 현상은 가공을 받는 온도와 가공량, 그리고 가공을 받는 재료의 성분에 따라 달라진다. 온도가 너무 높으면 재결정에 필요한 정도로 가공이 축적되기 전에 회복이 발생하여 재결정이 일어나지 않으며 반면, 온도가 너무 낮으면 재결정에 필요한 구동력이 작아 재결정이 일어나지 않는다. 또한, 가공의 양도 재결정에 필요한 구동력을 줄 수 있는 양이하가 되면 재결정이 일어나지 않는다. 이에 더하여 가공의 양은 규소강판 표면 재결정층의 (110)[001]방위의 결정립양에 큰 영향을 미친다. 즉, 규소강판 표면재결층내의 (110)[001]방위의 결정립들은 열간압연시 규소강판표면과 압연롤과의 마찰에 의해 발생되는 전단응력에 의해 재결정이 발생하여야 형성이 촉진되는 특성을 지니고 있기 때문이다.

상기와 같은 원리로 인해 적정한 두께의 열간압연된 규소강판의 표면재결정층과 적정한 양의 (110)[001]방위의 결정립들의 양을 얻기 위해서는 최적의 열간압연 온도와 압하율의 범위가 존재하는 것이다.

이러한 열간압연온도와 압하율의 범위는 열간압연을 받는 재료마다 특수하게 결정되는 것으로 본 발명자들은 수많은 실험과정을 통하여 초극박 방향성 규소강판에 적합한 성분계의 규소강의 경우에는 열간압연온도가 1060℃ 보다 높을 경우에는 열간가공이 축적 되기 전에 회복이 발생되고, 950℃ 보다 낮을 경우에는 재결정발생에 충분한 구동력이 형성되지 않는 것을 확인하였다.

이와 동시에 최종 두 패스의 압하율 총합이 50%를 넘어야지 만 충분한 전단응력이 부여되어 표면 재결정이 촉진되는 동시에 자속밀도가 우수한 초극박 방향성 규소강판 제품을 제조하는데 필요한 충분한 양의 (110)[001] 결정립들의 양을 얻을 수 있음을 발견하였다. 이와 같이 최종 두 패스의 압하율은 총합이 50%를 넘으면 되는 것으로, 예를 들면 총 6패스로 열간압연하는 경우 5패스의 압하율이 5%이고 6패스의 압하율이 52%일 수도 있고, 5패스의 압하율이 55%이고 6패스의 압하율이 3%일 수도 있고, 5패스의 압하율이 30%이고 6패스의 압하율이 26%일 수 있다.

본 발명에 따라 상기와 같이 열간압연하여 열연판의 표면부의 재결정층의 두께가 두꺼워지도록 하고, 이 재결정층내에 (110)[001]방위의 결정립들의 양이 많아지도록 하면 자기적 특성이 향상된다. 일실시예에 의하면 본 발명에 따라 열간압연하는 경우 열연판 표면부의 재결정층의 두께는 15㎛이상으로, 이 재결정층내에 (110)[001]방위 강도가 1.5이상이 되도록 하면 우수한 자기적특성의 확보측면에서 보다 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

중량%로, Si:3.02%, C:0.005%, Mn:0.002%, S:0.002%, Al:0.001%, N:0.001%와 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어진 규소강 슬라브를 1200℃에서 재가열한후 약 900℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하고 이를 20% HCl용액으로 산세한 후 냉간압하율로 75%, 50%, 60%되게 중간에 열처리를 포함한 3회의 냉간압연을 행하여 100㎛ 두께의 초극박 규소강판을 제조하였다. 이를 진공의 분위기에서 1200℃까지 가열한 후 4시간동안 열처리한 다음 자속밀도를 측정하였다. 이때, 열간압연을 6패스로 하여 각 패스당 온도는 일정하게 유지하면서 각 패스당 압하율을 변화시켜 이 같은 변화가 최종열처리한 초극박 규소강판의 자속밀도에 미치는 영향에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.

구분	패스(압연온도)당 압하율 (%)	재결정층두께(㎛)	(110)방위강도(I/I0)	자속밀도(B10, Tesla)
	1패스(1160℃)				2패스(1130℃)	3패스(1110℃)	4패스(1080℃)	5패스(1030℃)	6패스(980℃)
발명재1	40	40	40	40	30	26	16	1.5	1.93
발명재2	30	40	40	40	40	30	18	1.6	1.92
발명재3	25	35	40	40	40	38	20	2.0	1.93
발명재4	20	25	30	38	5	52	16	1.5	1.90
발명재5	20	25	30	38	55	3	15	1.5	1.92
비교재a	60	60	40	40	20	20	8	1.2	1.81
비교재b	58	40	37	35	23	15	5	0.8	1.74

상기 표 1의 결과로 부터 알 수 있듯이, 최종의 두 패스의 압하율의 합이 50%이상이고, 최종의 두 패스의 열간압연이 950℃와 1060℃의 사이에서 열간압연이 행해지면, 열연판 표면부의 재결정층의 두께가 15㎛ 이상이 되고 (110)[001]방위의 결정립들의 상대강도도 1.5이상으로 되어 최종열처리된 초극박규소강판의 자속밀도가 1.9이상으로 우수하게 되는 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

중량%로, Si:3.02%, C:0.004%, Mn:0.001%, S:0.006%, Al:0.004%, N:0.007%와 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어진 규소강 슬라브를 1200℃에서 재가열한후 열간압연하고, 이를 20% HCl용액으로 산세한 후 냉간압하율을 75%, 80%되게 중간에 열처리를 포함한 2회의 냉간압연을 행하여 80㎛ 두께의 초극박 규소강판을 제조하였다. 이와 같이 제조한 규소강판을 진공의 분위기에서 1200℃까지 가열한 후 3시간동안 열처리하였다. 이때 열간압연을 패스당 압하율은 두종류로 한 상태에서 패스당 온도를 여러 가지 변화시킨 다음 이들과 자속밀도의 관계를 표 2, 3에 나타내었다.

구분	패스(압하율)당 압연온도 (℃)	재결정층두께(㎛)	(110)방위강도(I/I0)	자속밀도(B10, Tesla)
	1패스(40%)				2패스(40%)	3패스(40%)	4패스(40%)	5패스(30%)	6패스(26%)
발명재6	1180	1150	1130	1080	1040	990	15	1.5	1.90
발명재7	1180	1150	1120	1070	1030	980	16	1.6	1.91
발명재8	1160	1140	1110	1060	1010	960	18	1.8	1.93
발명재9	1180	1150	1120	1070	1000	950	17	1.7	1.90
발명재10	1170	1130	1100	1050	990	950	16	1.5	1.90
비교재c	1190	1170	1140	1110	1090	1070	10	0.9	1.80
비교재d	1100	1070	1040	990	940	900	8	0.8	1.74

구분	패스(압하율)당 압연온도 (℃)	재결정층두께(㎛)	(110)방위강도(I/I0)	자속밀도(B10, Tesla)
	1패스(25%)				2패스(35%)	3패스(40%)	4패스(40%)	5패스(40%)	6패스(38%)
발명재11	1180	1150	1130	1080	1040	990	18	1.7	1.91
발명재12	1180	1150	1120	1070	1030	980	22	1.8	1.93
발명재13	1160	1140	1110	1060	1010	960	20	2.0	1.94
발명재14	1180	1150	1120	1070	1000	950	18	1.7	1.92
발명재15	1170	1130	1100	1050	990	950	18	1.6	1.92
비교재e	1190	1170	1140	1110	1090	1070	12	1.0	1.83
비교재f	1100	1070	1040	990	940	900	10	0.9	1.78

상기 표 2, 3의 결과로 부터 알 수 있듯이, 열간압연시 최종의 두패스의 압하율의 총합이 50%를 넘는 경우에도 이들이 1060℃와 950℃의 사이의 온도에서 열간압연 되어야만 최종열처리된 초극박 규소강판의 자속밀도가 1.9Tesla이상으로 우수하게 됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 초극박 방향성 규소강판을 열간압연함에 있어 열간압연공정의 후반부에 온도와 압하율을 제어함으로서 1.9Tesla의 자속밀도를 안정되게 갖는 초극박 규소강판를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, Si:2.5-7.0%, C:0.010%이하, Mn:0.002%이하, S:0.02%이하, Al:0.01%이하, N:0.01%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 혼입되는 불순물로 이루어진 규소강 슬라브를 재가열하고 열간압연하여 열연판을 얻고, 이 열연판을 산세, 냉간압연하여 0.15mm이하의 초극박 강판으로 만든 다음, 최종열처리하는 초극박 방향성 규소강판의 제조방법에 있어서,

   상기 열간압연은 최종 두 패스를 1060∼950℃의 온도에서 이 최종 두 패스의 압하율의 총합이 50%이상이 되도록 행하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고자속밀도의 초극박 방향성 규소강판의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열연판은 그 표면부의 재결정층의 두께가 15㎛이상이고 이 재결정층내에 (110)[001]방위 강도가 1.5이상임을 특징으로 하는 제조방법.