KR20000038629A - 두께가 얇고 자기특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판의제조방법 - Google Patents

두께가 얇고 자기특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판의제조방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 상자소둔로 없이도 안정적인 억제제를 형성시켜 두께가 얇으면서도 자기특성과 피막특성이 양호한 방향성 전기강판을 제조하게 하려는 것이다. 이 발명에 따른 방향성 전기강판의 제조방법은 방향성 전기강판의 슬랩를 1,250℃이하의 저온에서 재가열하고, 열간압연한 후, 1.45-1.55mm의 두께로 1차 냉간압연하고 열연판소둔을 행한 다음, 2차 냉간압연하여 0.20mm 이하의 얇은 판 두께를 얻으며, 탈탄 및 질화에 의해 질소를 강 속에 넣고, 고온하에서 최종소둔하는 단계를 포함하며, 열연판소둔단계에서의 최고도달온도가 1,120℃ 이상이며, 최고도달온도까지의 승온시간이 90초 이내이고, 2차 냉간압연단계에서의 압연율이 85-90% 이하이며, 최종소둔단계에 진입하기 전에 소량의 Si3N4가 혼입된 MgO 슬러리를 강판에 도포하고, 최종소둔단계는 100% 수소분위기에서 행한다. 전기강판 슬랩은 0.1 중량% 이하의 C와, 1.0-4.8 중량%의 Si와, 0.010-0.05 중량%의 Al과, 0.05-2.0 중량%의 Mn과, 100ppm 이하의 N와, 0.01 중량%의 S 및, 잔부를 이루는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유한다. 전기강판 슬랩에는 Cu, Cr 및 Ni이 함유됨으로써 최종적으로 AlN계통의 질화물을 억제제로 이용하거나, 또는, B가 함유됨으로써 BN를 억제제로 이용할 수 있다.

Description

두께가 얇고 자기특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법
이 발명은 변압기 등의 철심으로 사용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두께가 얇으면서도 우수한 자기특성과 피막특성을 갖는 고자속밀도 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
방향성 전기강판은 압연방향으로 {110}＜1＞방위의 집합조직을 갖는 것으로서, 고스(N. P. Goss)에게 허여된 미국특허 1,965,559에 그 제조방법을 제시된 이래 많은 연구자들에 의해 새로운 제조방법의 발명과 자기적 특성의 향상이 이루어져 왔다.
이러한 방향성 전기강판은 1차 재결정립의 성장을 억제시키고, 성장이 억제된 결정립들 중에서 {110}＜1＞방위의 결정립을 선택적으로 성장시켜 얻어진 2차 재결정 조직에 의해 우수한 자기특성을 나타내도록 하는 것이므로, 1차 재결정립의 성장억제제(이하, '억제제'라 함)가 매우 중요하다. 그리고, 억제제로 성장이 억제된 결정립중에서 안정적인 {110}＜1＞방위의 집합조직을 얻을 수 있도록 각 공정을 구성하는 것이 방향성 전기강판 제조기술의 핵심이다.
구체적으로, 억제제로는 미세한 석출물이나 편석원소를 이용하고 있으며, 2차 재결정이 일어나기 직전까지 1차 재결정립의 성장이 억제될 수 있기 위해서는 이러한 석출물들이 충분한 양과 적절한 크기로 고르게 분포되어 있어야 하므로, 2차 재결정이 일어나기 직전의 고온에서도 열적으로 안정해서 쉽게 분해되지 않아야 한다. 이와 같은 조건이 만족되어 현재 공업적으로 이용되고 있는 억제제로는 MnS, MnS+AlN, MnS(Se)+Sb가 널리 알려져 있다.
이들 중에서 MnS만을 억제제로 이용하여 전기강판을 제조하는 대표적인 공지기술로는 일본특허공보 (소)40-15644호에 제시된 것이 있으며, 그 제조방법은 중간소둔을 포함한 2회의 냉간압연을 하여 안정적인 2차 재결정 조직을 얻는 것이다. 그러나, MnS만을 억제제로 이용한 이 방법으로는 높은 자속밀도를 얻을 수 없으며, 2회의 냉간압연에 의해 제조되기 때문에 제조비용이 비싸지는 문제가 있다. 전기강판 분야에서는 자속밀도가 높은 것이 요구되는데, 그 것은 자속밀도가 높은 제품을 철심으로 사용하면 전기기기의 소형화가 가능해지기 때문이며, 이러한 이유로 자속밀도를 높이려는 노력이 많이 행해지고 있다.
다른 억제제인 MnS+AlN을 이용하여 방향성 전기강판을 제조하는 대표적인 공지기술로는 일본특허공보 (소)40-15644호에 제시된 것이 있으며, 이 방법에서는 80%이상의 높은 압하율로 1회 냉간압연하여 자속밀도가 높은 제품을 얻고 있다. 그러나, 이 방법을 공업적인 생산에 적용할 경우 제조조건이 매우 엄격하여 각 공정조건을 엄격히 제어해야 하는 단점이 있다. 구체적으로, 이 방법은 고온슬랩 가열, 열간압연, 열연판소둔, 냉간압연, 탈탄소둔, 고온소둔의 일련의 공정으로 이루어진다. 이때, 고온소둔은 코일로 감긴 상태에서 2차 재결정을 일으켜 (110)[001]방위의 집합조직을 발달시키는 공정을 말한다. 이러한 고온소둔 공정은 어느 억제제를 사용하는 방법에서나 고온소둔전에 소둔분리제를 강판의 표면에 도포하여 강판끼리의 점착(sticking)을 방지하도록 함과 더불어 탈탄소둔시 강판표면에 형성된 산화물층과 소둔분리제가 반응하여 유리질피막(glass film)을 형성하도록 하여 강판에 절연성을 부여하도록 하고 있다. 이와 같이, 고온소둔에 의해 (110)[001]방위의 집합조직을 갖는 강판에 절연코팅을 함으로써 최종제품으로 된다.
또 다른 억제제인 MnS(Se)+Sb를 이용하여 방향성 전기강판을 제조하는 대표적인 공지기술로는 일본특허공보 (소)51-13469호에 제시된 것이 있으며, 그 제조방법은 고온 슬랩가열, 열간압연, 열연판소둔, 1차 냉간압연, 중간소둔, 2차 냉간압연, 탈탄소둔, 고온소둔의 일련의 공정으로 이루어진다. 이 방법은 높은 자속밀도를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 2회의 냉간압연을 행하고, 고가인 Sb나 Se를 억제제로 사용하기 때문에 제조비용이 상승하고, 이들 원소가 유독성이 있다는 문제가 있다.
또한, 상기 방법들은 위에서 언급한 단점보다 보다 심각한 근본적인 문제점을 안고 있다. 즉, 방향성 전기강판의 슬랩에 함유된 MnS나 AlN 등을 고온에서 장시간 재가열하여 고용시켜 열간압연을 한 후 냉각하는 과정에서 적절한 크기와 분포를 갖는 석출물로 만들어 억제제로 이용하고 있는데, 이를 위해서는 반드시 슬랩을 고온으로 재가열하여야 한다.
구체적으로, MnS를 억제제로 이용하는 방법은 1300℃, MnS+AlN을 억제제로 이용하는 방법은 1350℃, MnS(Se)+Sb를 억제제로 이용하는 방법은 1320℃ 이상으로 슬랩을 재가열해야만 높은 자속밀도를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 실제로, 공업적으로 생산할 때는 슬랩의 크기 등을 고려해서 내부까지 균일한 온도분포를 얻기 위해 거의 1400℃의 온도까지 재가열하는 것이 필요하다.
위와 같이 슬랩을 고온에서 장시간 가열하면, 사용열량이 많아 제조비용이 비싸지는 문제, 슬랩의 표면부가 용융상태에 이르러 흘러내리게 되어 가열로의 보수비가 많이 드는 문제, 더불어 가열로의 수명이 단축되는 문제가 있다. 특히, 슬랩의 표면에 발달되어 있는 응고조직인 주상정이 장시간의 고온가열에 의해 조대하게 성장하게 되는 경우 후속되는 열간압연공정에서 판의 폭방향으로 깊은 크랙을 발생시켜 실수율을 현저하게 저하시키는 문제가 있다.
그러므로, 슬랩의 재가열온도를 낮추어 방향성 전기강판을 제조할 수 있으면 제조원가와 실수율 측면에서 많은 유익한 효과를 가져올 수 있다. 따라서, 고용온도가 높은 MnS를 억제제로 이용하지 않는 방법들이 최근에 많이 연구되고 있다. 이는 소강성분에 포함되어 있는 원소들로부터 억제제를 전적으로 의존하는 것이 아니라, 질화처리라고 알려져 있는 방법으로 제조공정 중의 적당한 곳에서 질화물을 만들어 주는 기술들에 의해 가능해진다.
질화처리 방법에는 탈탄공정 이후에 질화능이 있는 가스 분위기에서 강판을 질화하는 것, 질화능이 있는 화합물을 소둔분리제에 함유시켜 강판에 도포하는 것, 고온소둔 공정의 승온기간 동안 질화능이 있는 가스를 분위기 가스에 포함시켜 강판의 내부로 넣어주는 것 등이 있다.
이중에서 탈탄공정 이후에 질화능이 있는 가스 분위기에서 강판을 질화하는 것이 가장 보편적으로 이용되고 있다. 현재 이용되고 있는 것은 Al계통의 질화물로 탈탄후 암모니아 가스가 포함된 별도의 질화공정에서 강판의 내부로 질소를 공급하는 방법이 일본특허 공보(평)1-230721호 및 일본특허 공보(평)1-283324호에 제시되어 있으며, 대한민국 특허출원 제 97-28305호에 앞의 특허와는 다른 성분계를 이용하여 탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법이 제시되고 있다. 또한, 대한민국 특허출원 제 97-37247호에는 B계통의 질화물을 이용하면서 탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법이 제시되고 있다.
또한, 질화처리를 하는 시점에 관한 것으로는 우선적으로 탈탄소둔을 행하고 결정립의 크기가 어느 정도 이상으로 성장한 후 암모니아 가스에 의해 질화를 행하는 방법이 일본특허 공보 (평)3-2324호에 제안되어 있으며, 탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법이 대한민국 특허출원 제 97-28305호와 대한민국 특허출원 제 97-37247호에 제안되어 있다.
질화능이 있는 화합물을 이용하는 방법은 소둔분리제에 첨가되는 화합물이 고온에서 분해될 때 나오는 질소가스를 강판의 내부에 넣어주는 방법으로 여러 가지 질화물이 이용된다.
위의 방법중 암모니아 가스에 의한 질화는 암모니아가 약 500℃이상에서 수소와 질소로 분해되는 성질을 이용하는 것으로, 분해에 의해 생성된 질소를 강판 내부에 넣어주는 것이다. 이는 강판내부로 들어간 질소가 이미 강 속에 존재하고 있는 Al, Si, B 등과 반응해서 질화물을 형성시키고 이를 억제제로 이용하고자 하는 것이다. 이때, 형성된 질화물 중에서 억제제로 이용되는 것은 AlN과 (Al, Si)N의 Al계통의 질화물과 BN 등의 B계통의 질화물이다.
상기 방법들은 어는 것이나 슬랩을 저온으로 가열하고 강판에 질화능이 있는 물질이나 가스를 이용하여 질화하여 강판내부에 새로운 석출물을 형성시켜 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하고 있다.
앞서 언급한 것처럼 질화능이 있는 가스는 암모니아로 대표되며, 이를 질화공정에 이용할 때의 작용과 문제점은 다음과 같다. 암모니아 가스의 분해에 의한 질화는 암모니아 가스의 분해온도인 500℃ 이상이면 가능하다. 그러나, 500℃ 직상의 비교적 낮은 온도에서는 강판 내에서의 질소의 확산속도가 매우 느리므로 질화시간이 장시간 필요하게 되고, 900℃ 이상이 되면 질화는 쉽게 되나 1차 재결정립들이 성장하기 쉬워서 강판내의 결정립 분포가 불균일해져 2차 재결정의 발달이 불안정해진다. 그러므로, 적절한 질화의 온도범위는 500 - 900℃로 볼 수 있다. 그러나, 질화온도가 낮아 질화처리 시간이 너무 길어지면 생산성에 문제가 있고, 탈탄과 질화를 동시에 하는 경우는 탈탄온도가 대략 800 - 900℃이므로, 실제적으로 질화온도는 700 - 900℃의 범위에서 행해진다. 이와 같은 온도에서는 암모니아의 분해 반응과 질소의 확산이 활발하므로 강 속의 질소량을 원하는 양만큼 넣어주려면 질화조건의 매우 엄밀한 제어가 필요하다. 즉, 질화량은 암모니아의 농도, 질화온도, 질화시간에 의해 결정되는데, 이 들 조건의 조합에 의해 적절한 질화량을 결정해 주어야 한다. 생산성을 고려하면, 단시간에 질화가 이루어져야 하므로, 암모니아의 농도와 질화온도가 높아야 좋다. 이 경우에 질화는 짧은 시간에 이루어져 주로 강판의 표면부에서의 질소농도가 높아지게 된다. 따라서, 강판의 부위별 편차가 매우 커지게 된다. 강판의 중심부에서는 거의 질화가 되지 않고, 표면부에서도 위치별 불균일현상이 심하게 나타난다.
또한, 질화량은 강판의 상태에 따라서도 큰 영향을 받게 된다. 대표적인 것으로 표면조도, 결정립의 크기, 구성성분을 들 수 있다. 표면조도는 강판의 거칠기를 말하는 것으로서, 강판의 표면이 거칠면 분위기 가스와의 접촉면적이 많아지게 되어 질화량의 편차를 유발하는 요인이 된다. 결정립 크기가 작으면 단위면적 당 결정립계가 많아지게 되고, 이 결정립계를 통한 질소의 확산이 결정립내의 확산 보다 빠르고 우선적으로 일어나므로, 질화량의 편차를 초래한다. 구성성분으로는 강판내의 원소 중에서 질화물을 용이하게 만드는 원소의 상대적인 양에 따라 질화량의 편차를 가져올 수 있다. 이와 같은 질소량의 편차는 궁극적으로 피막의 결함을 발생시키게 되는데, 이는 대한민국 특허출원 제 97-65356호에서 제시한 것처럼 고온소둔의 분위기 및 열처리온도의 조합에 의해서 해결이 가능하게 되었다.
질화물을 억제제로 이용하여 방향성 전기강판을 제조함에 있어서, 종래의 고온가열 방식이든 저온가열 방식이든 마찬가지로 최종 고온소둔과정에서 분위기중의 질소농도가 매우 중요하게 된다. 따라서, 모든 방법에서 분위기가스의 변환이 가능한 소둔로인 상자형(box)소둔로를 필요로 하게된다. 이는 방향성 전기강판의 최종소둔인 고온소둔 공정이 2차 재결정을 일으키는 구간과 불순물을 제거하는 구간으로 분리되어야 하기 때문이다. 즉 2차 재결정이 일어나는 승온구간은 분위기 중에 질소가 존재하여 강판내부의 질화물이 분해되어 유실되는 것을 막아야 2차 재결정이 일어나며, 2차 재결정이 일어난 후에는 질화물을 분해시켜 분위기 중으로 배출시켜야 하기 때문이다. 따라서, 전체적으로 질소분위기를 유지하게 되면 2차 재결정은 안정적으로 일어나지만, 최종판에 불순물이 많이 남아, 자기특성이 열화된다. 반대로 수소분위기로 전 구간을 유지하게되면 승온구간에서 억제제가 유실되어 2차 재결정 조직을 얻을 수 없게 되는 것이다. 따라서, 분위기 변환이 되는 상자소둔로를 보유하지 못한 제조 업체에서는 이러한 방식으로 고자속밀도 방향성 전기강판을 제조할 수 없게 되는 문제점을 안고 있는 것이다.
방향성 전기강판의 두께는 자기특성과 밀접한 관계가 있다. 방향성 전기강판에서 가장 중요한 자기특성인 철손은 크게 히스레리시스손과 와전류손으로 나눌 수 있다. 와전류손은 전기강판을 철심으로 사용할 때 발생하는 맴돌이 전류에 의한 손실이며, 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
여기에서, Wec는 와전류 손실, t는 판두께, ρ는 전기 비저항이다
이 식에서 와전류 손실은 판의 두께를 얇게 하거나, 전기 비저항을 크게 하면 낮아지는 관계가 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 방향성 전기강판의 두께를 얇게 하려는 노력이 계속되어 왔다. 기존의 고온가열방식을 이용한 방향성 전기강판의 제조방법은 성분계의 변경 등을 통하여 억제제를 강화시키는 방법을 이용하였다. 이는 두께가 얇아지면 고온소둔 과정에서 판 표면부의 억제제 유실이 잘 일어나게 되는데, 이를 방지하는 것이 목적이었다. 예를 들어, 두께가 0.23mm 이하로 낮아지면 Sn 등의 합금원소를 첨가하여 AlN의 안정성을 증가시키는 방법을 이용한 것이 대표적인 것이다. 저온가열에 의한 방향성 전기강판의 제조방법에서도 기존의 방식과 마찬가지로, 판두께가 얇아지면서 2차 재결정의 발달이 불안정해 진다. 따라서, 이를 해결하지 않고는 0.20mm이하의 두께를 제조하는 것은 불가능하게 된다.
이 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 암모니아 가스를 이용한 저온가열 방식의 방향성 전기강판의 제조에 있어서, 상자소둔로 없이도 두께가 0.20mm 이하로 얇은 판에서 안정적인 억제제를 형성시켜 자기특성과 피막특성이 양호한 방향성 전기강판을 제조하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따르면, 두께가 얇고 자기특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법이 제공된다. 이 방법은 방향성 전기강판의 슬랩를 1,250℃이하의 저온에서 재가열하고, 열간압연한 후, 1.45-1.55mm의 두께로 1차 냉간압연하고 열연판소둔을 행한 다음, 2차 냉간압연하여 0.20mm 이하의 얇은 판 두께를 얻으며, 탈탄 및 질화에 의해 질소를 강 속에 넣고, 고온하에서 최종소둔하는 단계를 포함하며, 열연판소둔단계에서의 최고도달온도가 1,120℃ 이상이며, 최고도달온도까지의 승온시간이 90초 이내이고, 2차 냉간압연단계에서의 압연율이 85-90% 이하이며, 최종소둔단계에 진입하기 전에 소량의 Si3N4가 혼입된 MgO 슬러리를 강판에 도포하고, 최종소둔단계는 100% 수소분위기에서 행한다.
여기에서, 전기강판 슬랩은 0.1 중량% 이하의 C와, 1.0-4.8 중량%의 Si와, 0.010-0.05 중량%의 Al과, 0.05-2.0 중량%의 Mn과, 100ppm 이하의 N와, 0.01 중량%의 S 및, 잔부를 이루는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유한다.
여기에서의 전기강판 슬랩에는 Cu, Cr 및 Ni이 함유됨으로써 최종적으로 AlN계통의 질화물을 억제제로 이용하거나, 또는, B가 함유됨으로써 BN를 억제제로 이용할 수 있다.
[발명의 양호한 실시예에 대한 설명]
이하, 이 발명에 따른 두께가 얇고 자기특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법의 양호한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 이 실시예에 따라 제조되는 고자속밀도 방향성 전기강판의 성분에 대하여 설명한다. 아래의 설명에서 함량의 단위인 %는 별도의 언급이 없는 한 중량%를 의미한다.
C는 열간압연 조직을 미세화시키기 위하여 첨가하는 원소로서, 열간압연시 기능을 한 후에는 불순물로 되어 자기적 특성에 악영향을 미치므로 제거되어야 한다. 그 함량이 너무 많으면 조대한 탄화물이 석출되고 탈탄소둔시 탄소의 제거가 어려워진다. 그러므로, 이 실시예에서는 0.1% 이하로 정한다.
Si는 전기강판의 전기저항을 높여 철손을 낮추기 위하여 첨가되는 성분으로서, 그 함량이 4.8% 이상이면 냉간압연이 불가능하게 되고, 1.0% 이하인 경우에는 그 첨가효과가 거의 없다. 그러므로, 이 실시예에서는 Si의 함량을 1.0-4.8%로 정한다.
Al은 최종적으로 AlN, (Al, Si)N 및 (Al, Si, Mn)N 형태의 질화물로 되어 억제제로 작용하는 성분으로서, 그 함량이 0.010% 이하인 경우에는 억제제로의 충분한 효과를 기대할 수 없고, 너무 높은 경우에는 Al계통의 질화물이 조대하게 성장하여 억제제의 능력이 저하된다. 그러므로, 이 실시예에서는 Al의 함량을 0.010-0.05%로 정한다.
N은 고온소둔과정에서 보강되므로 용해시에는 불순물로 들어가는 양이면 충분하다. 질소의 첨가로 인한 악영향은 그다지 발견되지 않았지만, 100ppm을 초과하는 경우에는 열간압연 작업이 어려워진다. 그러므로, 이 실시예에서는 N의 함량을 100ppm 이하로 정한다.
Mn은 전기저항을 높여주는 원소로 철손을 낮추는 효과가 있는 성분으로서, 그 함량이 너무 많은 경우에는 자속밀도의 저하를 초래한다. 그러므로, 이 실시예에서는 Mn의 함량을 0.05-2.0%로 정한다.
S는 열간압연시 고용온도가 높고 편석이 심한 원소로 가능한 한 함유되지 않도록 하는 것이 바람직하지만, 제강시에 함유되는 불가피한 불순물의 일종이다. 그렇다고 할지라도, S의 함량은 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
실시예 2는 전기강판 슬랩이, 위 실시예 1의 함유원소에 더하여, Cu, Cr 및 Ni이 부가적으로 함유된 성분계로 이루어진 경우에 관한 것이다. 이 실시예에서는 Cu의 함량을 0.3-0.7%로, Ni 및 Cr의 함량을 각각 0.03-0.07%로 정한다.
실시예 3은 전기강판 슬랩이, 위 실시예 1의 함유원소에 더하여, B가 부가적으로 함유된 성분계로 이루어진 경우에 관한 것이다. 이 실시예에서는 B의 함량을 0.001-0.012%의 범위로 정하여 안정적인 2차 재결정 조직을 얻을 수 있게 한다.
아래에서는 이 실시예에 따른 방향성 전기강판의 제조방법을 공정별로 상세히 설명한다.
이 실시예에서는 열간압연전의 슬랩의 가열온도를 1,100-1,250℃로 정한다. 가열온도가 1,100℃ 이하인 경우에는 열간압연시 작업이 어려워지고, 1,250℃ 이상인 경우에는 자기적 특성에는 크게 영향이 없으나, 이 발명의 목적이자 특성인 슬랩의 저온가열의 장점이 미미해지기 때문이다. 즉, 가열온도는 가능한 한 낮추되 열간압연작업이 곤란하지 않을 1,050℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
위와 같이 가열된 전기강판 슬랩은 통상의 방법으로 열간압연한다. 현재 일반적으로 사용하는 방법에서 열간압연판의 최종 두께는 통상 2.3mm이다. 열간압연된 판은 산세하여 1차 냉간압연을 행한다. 1차 냉간압연에서는 최종 두께를 고려하여 1.45-1.55mm의 두께로 압연한다. 즉, 최종제품의 두께를 얻기 위한 2차 냉간압연에서의 압연율이 85-90%를 초과하지 않도록 1차 냉간압연에서의 두께를 정한다. 2차 냉간압연에서의 압연율이 85-90%를 초과하면, 후속되는 소둔공정에서 적절한 1차 재결정 입도를 얻을 수 없으며, 후에 형성된 질화물에 의해 안정적인 2차 재결정 조직을 얻을 수 없다. 즉, 1차 재결정 입도에 의한 입성장 구동력과 질화물에 의한 입성장 억제력의 힘의 균형이 맞지 않으면, 2차 재결정 조직이 발달하지 않게 된다.
1차 냉간압연된 판은 열연판소둔을 거친 후에 2차 냉간압연한다. 이 실시예에서는 2차 냉간압연에 의한 최종제품의 두께를 0.20 또는 0.18mm로 한다. 이 발명에서는 열연판 소둔조건이 매우 중요하다. 일반적으로, 방향성 전기강판은 열간압연시 판 표층부에 조대한 재결정 조직이 생기는데, 이 부분에 최종적으로 2차 재결정이 일어날 때 [110]＜1＞의 방위를 갖는 결정립으로 되는 핵이 존재하는 것으로 알려지고 있다. 즉, 열연판 표층부의 재결정립이 후속공정에서 압연으로부터 1차 재결정 과정을 거치는 동안에 판의 표층부에 존재하고 있어야 하는 것이다. 그러나, 이 발명에서처럼 두께가 얇은 방향성 전기강판을 제조하는 경우에는, 최종제품의 두께를 얻기 위한 냉간압연에서의 압연율을 85-90%로 유지하기 위해 냉간압연을 1차로 냉간압연 및 2차 냉간압연의 2회에 걸쳐 행해야 한다. 즉, 열연판에 존재하는 재결정 조직은 1차 냉간압연시 파괴되고 압연조직으로 된다. 그러므로, 열연판 소둔과정에서는 1차 냉간압연시에 파괴된 재결정 조직을 적절히 처리하여 복원시켜야 한다.
이 발명에 따르면, 열연판 소둔시 승온속도와 최고도달온도를 적절히 제어함으로써 그러한 복원이 이루어진다. 즉, 최고도달온도는 1,120℃를 넘어야 하며, 이 때의 승온속도는 90초 이내에 최고온도에 도달하여야 한다. 이러한 승온속도는 초 당 12.5℃ 이상의 온도상승을 하는 것을 의미한다. 실험에 따르면, 최고도달온도가 1,120℃를 초과할지라도, 이 때까지 걸린 시간이 90초 보다 길어지면 우수한 특성을 얻을 수 없었다. 이와 같은 현상에 대한 이유는 다음과 같이 추정된다. 열연판 표층부의 재결정립들은 결정방위가 다른 여러 종류가 존재하고 있다. 이 상태에서 동일한 압하율로 냉간압연을 받으면 결정립들이 각자의 결정립들이 에너지 적으로 가장 유리한 방향으로 회전하면서 압연조직으로 변해간다. 이 과정에서 [110]＜1＞방위를 갖는 결정립들과 다른 결정립들과는 결정립 내에 축적되는 에너지의 양이 다르게 된다. 따라서, 열연판 소둔을 행할 때 재결정립이 복원되는 양상도 다르게 된다. 즉, 축적에너지가 많은 결정립들이 우선적으로 재결정되는 것이다. 따라서, 승온속도가 느리면 축적에너지가 많은 결정립들부터 순차적으로 생성되고, 승온속도가 빠르면 모든 결정립들이 거의 동시에 재결정된다. 즉, 승온속도가 느리면 [110]＜1＞방위의 재결정립의 발생빈도가 낮은 것으로 추측된다.
2차 냉간압연된 판은 탈탄소둔 및 질화소둔을 행한다. 질화는 강 속에 질소를 넣어주어 질화물을 형성시켜 억제제로 사용하는 것이므로, 냉간압연이 끝난 후의 어느 공정에서나 가능하다. 즉, 탈탄소둔중 또는 탈탄후의 별도의 질화소둔공정중에 암모니아 가스에 의한 질화에 의해 강 속에 질소를 넣어 줄 수 있다.
통상적으로 방향성 전기강판은 이와 같이 제조한 강판에 대하여 MgO를 기본으로 하는 소둔분리제를 도포한 후 상자소둔하는 방법으로 고온소둔을 하게 되는데, 이 때 2차 재결정에 의해 압연방향으로 {110}＜1＞ 집합조직을 얻음으로써 자기적 성질이 우수한 방향성 전기강판이 제조된다. 고온소둔의 목적은 크게 2차 재결정 압연방향으로 {110}＜1＞ 집합조직 형성, 탈탄시 형성된 산화층과 MgO의 반응에 의한 유리질 피막형성으로 절연성 부여, 자기특성을 해치는 불순물의 제거를 위한 것이다. 일반적인 고온소둔에서는 2차 재결정이 일어나기 전의 승온구간에서는 질소와 수소의 혼합분위기에서 입성장 억제제인 질화물을 보호하여 2차 재결정이 잘 발달할 수 있도록 하고, 2차 재결정이 완료된 후에는 100% 수소분위기에서 장시간 유지하여 불순물을 제거하게 된다.
그러나, 이 실시예에서는 분위기 가스의 변환 없이 2차 재결정 조직을 얻기 위하여 다음과 같은 방법으로 취한다.
통상적인 방법에서의 MgO 도포에서는 분말상태의 MgO를 물과 혼합한 슬러리(slurry)를 강판에 연속적으로 도포하는 반면에, 이 실시예에서는 물에 MgO 이외에 소량의 Si의 질화물을 부가적으로 혼입하여 슬러리를 제조하고, 그러한 슬러리를 강판의 표면에 도포한다. 그러한 Si의 질화물은 Si3N4일 수 있으며, MgO에 대한 무게비로 0.5-5%의 범위에서 첨가하였을 때 그 효과가 나타난다. 0.5%이하로 첨가된 경우는 효과가 미미하였고, 5%를 초과하면 자기특성에는 영향이 없으나 표면품질의 저하가 나타났다.
이와 같이, 표면에 MgO와 Si3N4의 슬러리를 도포하여 감은 코일을 100% 수소 분위기로 유지된 노 속을 통과하는 대차위에 얹어 고온소둔한다. 이 때, 코일의 승온속도는 10-50℃/hr의 범위로 하며, 불순물제거를 위한 순화소둔은 1175℃ 이상에서 10시간 이상으로 한다.
여기에서, 100% 수소분위기에서 고온소둔 하는 것은 피막의 안정성 측면에서도 유리하다. 즉, 승온구간에서 수소와 질소의 혼합분위기를 이용하면 억제제의 안정적인 유지 측면에서는 양호하지만, 구간말미의 고온에서도 수소와 질소의 혼합분위기가 계속하여 유지되므로, 2차 재결정이 완료된 후에도 내부의 질소농도가 높게 유지된다. 이들 질소는 고온소둔의 최종단계인 순화소둔단계에서 외부로 방출되는데, 이 때, 강판표면에는 탈탄시에 형성된 산화층과 MgO가 반응하여 유리질피막이 이미 형성되어 있다. 이 경우, 내부의 질소가 한데 뭉쳐 일시에 분출되면서 강판표면에 형성된 유리질피막을 파괴함으로써 표면결함을 유발하게 된다. 따라서, 100% 수소분위기에서 안정적인 2차 재결정 조직을 얻는 것이 과잉의 질소방출에 의해 생기는 표면결함의 문제를 회피할 수 있다는 점에서 양호하다.
한편, 강판의 두께가 0.23, 0.27mm 또는 0.30mm 이상으로 두꺼운 경우에도, 100% 수소 분위기에서 유지하면 질소가 방출되어 억제제의 유실로 2차 재결정의 불안정성이 초래되는 것은 마찬가지이다. 그러나, 다소간의 억제제가 유실되더라도 부분적인 2차 재결정 조직을 얻을 수는 있으므로, 어느 정도의 자기특성의 열화를 감수한다면, 그다지 큰 문제가 되지 않을 것이다. 그러나, 판 두께가 0.20mm 이하로 얇아지면, 일부의 억제제의 유실호 인해 2차 재결정의 발생율이 지극히 낮아질 것이므로, 자기특성이 극히 열화되어 제품이 제기능을 할 수 없게 된다.
그러나, 위에서 설명한 이 실시예에 따른 방법에서는 최종판 두께가 0.20mm이하인 얇은 강판의 경우에도, 100% 수소분위기에서 고온소둔을 행할지라도, 2차 재결정 발달에 영향을 주지 않고 피막특성이 양호한 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.
이하, 이 발명의 특징을 야금학적으로 설명하면 다음과 같다.
이 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 전기강판 슬랩은 황(S)을 첨가하지 않으며, 가열온도를 1,250℃ 이하로 하여 열간압연을 행하므로, 열간압연이 끝난 후의 판에서는 고용온도가 1,300℃ 이상인 MnS와 같은 황화물의 생성이 발견되지 않는다.
또한, 1,250℃이하의 온도는 AlN이나 BN이 완전히 고용될 수 없는 낮은 온도이므로, 비록 소량의 AlN이나 BN계통의 석출물이 존재한다 할지라도 억제제로 사용할 수 있는 적절한 크기와 분포를 갖고 있지 못하다. 즉, 질화처리 직전의 단계까지는 억제제로 사용될 수 있는 석출물이 존재하지 않는다.
질화는 탈탄과 동시에, 또는, 탈탄후에 행해지며, 암모니아 가스의 분해에 의해 생긴 질소가 강판의 내부로 들어가 Si3N4, (Si, Mn)N, AlN, BN 등과 같은 질화물이 형성된다. 이들은 고온소둔과정에서 서서히 승온되어 약 800℃에 이르면 Si3N4, (Si, Mn)N은 분해되어 질소를 발생시키며, 이 질소는 강판 내부에 존재하고 있는 Al이나 B와 결합하여 다른 형태의 안정한 질화물이 되기도 하고, 일부는 분위기 속으로 방출되기도 한다. 따라서, 최종적으로 억제제로 작용하는 것은 AlN, (Al, Si)N, BN, (Al, B)N과 같은 안정한 질화물이다.
일반적인 방법에서는 고온소둔과정에서 소둔분위기 속의 질소는 매우 중요한 역할을 하게 된다. 즉, 소둔분위기 속의 질소분압이 영(zero)이면, Si3N4, (Si, Mn)N로부터 분해되어 나오는 질소는 내부로 확산해 들어가지 못하고 분위기 속으로 쉽게 빠져나오게 된다. 이렇게 되면, AlN, (Al, Si)N, BN, (Al, B)N 등과 같은 안정한 질화물을 형성하지 못하게 되어 억제제의 기능을 할 수 있는 질화물이 생성되지 못하는 것이다. 이와 같은 이유로, 질화물을 억제제로 이용하는 방향성 전기강판의 제조시에는 승온구간의 분위기 속에 질소가 혼합되어 있는 것이 필수적이다.
그러나, 이 실시예에서는 질소가 혼합되지 않은 100% 수소분위기를 사용할지라도, 슬러리에 첨가된 Si3N4의 작용에 의해 안정적인 2차 재결정 조직을 얻을 수 있다. 즉, Si3N4는 약 800℃ 이상에서 분해되어 질소를 발생시키고, 이러한 질소는 코일 형태로 감긴 강판의 사이에 존재하므로 분위기 속으로 쉽사리 빠져 나오지 않고, 안정적인 2차 재결정 조직의 생성을 위한 질화작용에 이용된다.
한편, 강판의 두께가 얇은 경우에는, 안정적인 2차 재결정 조직을 얻기 위해서는 위와 같은 Si3N4의 첨가 외에, 다음과 같은 전제조건이 만족되어야 한다. 앞서 언급한 것처럼 최종 냉간압연율이 80-90%가 되어야 한다. 이를 위해서 열연판을 1차로 냉간압연해야 하므로, 열연조직이 파괴되는 문제가 있다. 이를 복원시키기 위해서는 승온속도, 최고도달온도와 같은 열연판 소둔조건을 엄밀히 제어해 주어야 하는 것이다.
아래에서는 이 발명에 따른 방법에 의해 제조된 강판에 대하여 행해진 실험에 대하여 설명하겠다.
＜실험 1＞
3.14%의 Si와, 0.055%의 C와, 0.10%의 Mn과, 0.029%의 Al과, 0.0032%의 S과, 0.0069%의 N 및 잔부를 이루는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 방향성 전기강판 슬랩을 1,200℃로 210분 가열한 후 열간압연 하여 2.3mm 두께의 열연판을 제조하였다. 이 열연판을 이용하여 열연판 소둔를 행하였는데 그 방법은 다음과 같다. 열연판을 60초만에 1120℃까지 도달하도록 하여 노냉후 약 900℃에서 물에 급랭하였다. 이를 산세한 후 0.23, 0.20, 0.18, 0.15mm의 두께로 각각 냉간압연 하였다. 또한, 상기의 열연판을 산세하여 1.55와 1.45mm의 중간 두께로 1차 압연을 행한 후 상기와 동일한 방법으로 열연판 소둔을 행하여 재차 산세한 후 0.23, 0.20, 0.18, 0.15mm의 두께로 각각 냉간압연 하였다. 냉간압연된 판은 850℃로 유지된 노 속에 노점온도 64℃인 75%의 H2와 25%의 N2의 혼합가스 분위기에서 150초간 유지한 후, 770℃로 유지된 노 속에서 1%의 건조한 암모니아가 혼입된 수소분위기에서 30초간 질화처리 하였다.
이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일로 감아 최종 고온소둔을 행하였다. 이 때 강판에 도포한 소둔분리제는 순수한 MgO 및 MgO에 3%의 Si3N4가 혼입된 두 종류이었다. 고온소둔은 100% 수소분위기의 터널(tunnel)식 소둔로에서 행하였으며, 최고온도는 1180℃로 하였고, 이 온도까지의 승온속도는 20℃/hr로 하였고 최고온도 도달후 10시간 유지한 후 노냉하였다.
이 실험에서의 각각의 예에 대해 측정된 자속밀도는 표 1과 같다.
구분 처음두께(mm) 1차압연두께(mm) 최종두께(mm) 압연율(%) 자속밀도(B10, Tesla)
비교강 1 2.3 x 0.23 90 1.83
비교강 2 " " 0.20 91.3 1.79
비교강 3 " " 0.18 92.2 1.74
비교강 4 " " 0.15 93.5 1.69
비교강 5 " 1.55 0.23 85.2 1.90
발명강 1 " " 0.20 87.1 1.94
발명강 2 " " 0.18 88.4 1.92
발명강 3 " " 0.15 90.3 1.85
비교강 6 " 1.45 0.23 84.1 1.87
발명강 4 " " 0.20 86.2 1.91
발명강 5 " " 0.18 87.6 1.93
발명강 6 " " 0.15 89.7 1.90
표 1에 나타낸 바와 같이 냉간압연율이 85%이하이거나 90%를 넘으면 자속밀도가 1.90 Tesla를 넘지 못하는 것으로 부터, 적정한 최종 압하율은 85-90%인 것을 알 수 있다.
＜실험 2＞
3.14%의 Si와, 0.055%의 C와, 0.10%의 Mn과, 0.029%의 Al과, 0.0032%의 S과, 0.0069%의 N 및, 잔부를 이루는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 방향성 전기강판 슬랩(이하에서는 '강종A'라고 칭함)과, 3.10%의 Si와, 0.045%의 C와, 0.10%의 Mn과, 0.019%의 Al과, 0.0027%의 S과, 0.0044%의 N와, 0.004%의 B 및, 잔부를 이루는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 방향성 전기강판 슬랩(이하에서는 '강종B'라고 칭함)을 1,200℃로 210분 가열한 후 열간압연 하여 2.3mm 두께의 열연판을 제조하였다.
이 열연판을 산세하여 1.55mm로 냉간압연하였다. 이를 열연판소둔을 행하였는데, 최고 도달온도를 900-1150℃로 변화하였고, 최고온도까지 도달시간을 최고 2분까지 변화시켰다. 최고온도 도달후 노냉을 행하다가 약 900℃에서 물에 급랭하였다.
이들을 산세한 후 0.20mm의 두께로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판은 875℃로 유지된 노 속에 노점온도 64℃인 75%의 H2와 25%의 N2의 혼합분위기에 0.8%의 건조한 암모니아를 동시에 투입하면서 180초 유지하여 탈탄과 질화처리를 동시에 행하였다.
이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일로 감아 최종 고온소둔을 행하였다. 이 때 강판에 도포한 소둔분리제는 MgO에 3%의 Si3N4를 변화시켜 첨가한 MgO 슬러리를 제조하여 사용하였다. 고온소둔은 100% 수소분위기에서 하였으며, 최고온도는 1200℃로 하였고, 이 온도까지의 승온속도는 15℃/hr로 하였고 최고온도 도달후 10시간 유지한 후 노냉하였다.
이 실험에서의 각각의 예에 대해 측정된 자속밀도는 표 2와 같다.
구분 성분계 최고온도(℃) 도달시간(sec) 자속밀도(B10, Tesla)
비교강 7 강종 A 950 60 1.82
비교강 8 " 950 110 1.83
비교강 9 " 1100 60 1.85
비교강 10 " 1100 100 1.84
발명강 7 " 1120 60 1.94*
발명강 8 " 1120 90 1.93*
비교강 11 " 1120 120 1.85
발명강 9 " 1150 60 1.93*
발명강 10 " 1150 90 1.92*
비교강 12 " 1150 120 1.87
비교강 13 강종 B 950 60 1.84
비교강 14 " 950 110 1.84
비교강 15 " 1100 60 1.85
비교강 16 " 1100 100 1.84
발명강 11 " 1120 60 1.92*
발명강 12 " 1120 90 1.91*
비교강 17 " 1120 120 1.87
발명강 13 " 1150 60 1.92*
발명강 14 " 1150 90 1.93*
발명강 15 " 1150 100 1.91**
비교강 18 " 1150 110 1.88
비교강 19 " 1150 120 1.88
표 2에서 보면, 강종 A 및 강종 B의 성분계에 무관하게 최고도달온도가 1,120℃에 미치지 못하면 자속밀도가 저조하다. 또한, 최고도달온도가 1,120℃를 넘는 경우에도 승온속도가 느려 90초 이내에 그 온도에 도달하지 못하면 자속밀도의 열화가 일어나고 있다. 표 2에서 강종 B의 성분계에서는 최고도달온도가 1,150℃이고 도달시간이 100초인 경우(표 2의 **)에는 양호한 자기특성을 보이고 있다. 이 것은 1,150℃까지 90초에 도달하지는 않았지만, 1,120℃까지 90초 이내에 도달한 것이다. 따라서, 최고도달온도가 1,120℃ 이상이고, 1120℃까지의 도달시간이 90초 이내이면 우수한 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
＜실험 3＞
3.10%의 Si와, 0.045%의 C와, 0.10%의 Mn과, 0.019%의 Al과, 0.0027%의 S과, 0.0044%의 N와, 0.004%의 B 및, 잔부를 이루는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유한 방향성 전기강판 슬랩을 1,200℃로 210분간 가열한 후 열간압연하여 2.3mm 두께의 열연판을 제조하였다.
이 열연판을 산세하여 1.45mm로 냉간압연하였다. 이를 열연판 소둔을 행하였는데, 최고 도달온도를 1,120℃로 하였고, 이 온도까지의 도달시간을 60초로 하였다. 최고온도 도달후 노냉하다가 약 900℃에서 물에 급랭하였다. 이들을 산세한 후 0.18mm의 두께로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판은 875℃로 유지된 노 속에 노점온도 64℃인 75%의 H2와 25%의 N2의 혼합가스 분위기에 1%의 건조한 암모니아를 동시에 투입하면서 155초 유지하여 탈탄과 질화처리를 동시에 행하였다.
이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일로 감아 최종 고온소둔을 행하였다. 이 때 강판에 도포한 소둔분리제는 MgO에 0.5-10%의 Si3N4를 변화시켜 첨가한 MgO 슬러리를 제조하여 각각 사용하였다. 고온소둔은 100%의 수소분위기에서 하였으며, 최고온도는 1200℃로 하였고, 이 온도까지의 승온속도는 25℃/hr로 하였고 최고온도 도달후 10시간 유지한 후 노냉하였다.
이 실험에서의 각각의 예에 대해 측정된 자속밀도와 철손 및 피막특성은 표 3과 같다.
구분 Si3N4첨가량(%) 자속밀도(B10, Tesla) 철손(W17/50, w/kg) 피막상태
비교강 20 0 1.84 1.31 양호
발명강 16 0.5 1.90 1.03 양호
발명강 17 1 1.91 0.98 양호
발명강 18 3 1.93 0.91 양호
발명강 19 5 1.93 0.94 양호
비교강 21 10 1.92 1.01 불량
표 3에서 보는 것처럼 Si3N4의 첨가량이 0.5% 이상이면 어느 것에서나 효과가 나타나고 있다. 그러나, Si3N4의 첨가량이 10%인 경우는 최종 고온소둔된 판에서 부분적인 소지금속 노출현상이 발생하여 피막상태가 좋지 못하였다. 이는 Si3N4에서 질소가 분해되고 난 다음, Si가 강판의 표면에 많이 있어 산화층과 MgO의 반응을 방해하는 것으로 보인다. 따라서, 바람직한 Si3N4의 첨가량은 0.5-5%인 것으로 생각된다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
위에서 알 수 있는 바와 같이, 이 발명에 의하면 저온가열에 의한 방향성 전기강판 제조시 100% 수소소둔에 의해서, 0.15-0.20mm두께 범위에서 자기특성과 피막특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판을 얻을 수 있다.

Claims (1)

  1. 방향성 전기강판의 슬랩를 1,250℃이하의 저온에서 재가열하고, 열간압연한 후, 1차 냉간압연하고 열연판소둔을 행한 다음, 2차 냉간압연하여 0.20mm 이하의 얇은 판 두께를 얻으며, 탈탄 및 질화에 의해 질소를 강 속에 넣고, 고온하에서 최종소둔하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 있어서,
    열연판소둔단계에서의 최고도달온도가 1,120℃ 이상이며, 최고도달온도까지의 승온시간이 90초 이내이고,
    2차 냉간압연단계에서의 압연율이 85-90% 이하이며,
    최종소둔단계에 진입하기 전에 소량의 Si3N4가 혼입된 MgO 슬러리를 강판에 도포하고,
    최종소둔단계는 100% 수소분위기에서 행하는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020038227A (ko) * 2000-11-17 2002-05-23 이구택 자기특성이 우수한 방향성 전기강판 및 그 제조방법
KR100470641B1 (ko) * 2000-11-25 2005-03-07 주식회사 포스코 고자속밀도 일방향성 전기강판의 제조방법

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