KR20030048807A - 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기기기의 철심재료로 이용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 탈탄소둔 또는 동시 탈탄질화소둔시 소둔온도와 질화량의 조절에 의해 적절한 1차재결정 입도를 형성시켜 줌으로써 안정적으로 자기적 특성이 우수한 방향성전기강판을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 방향성전기강판을 제조하는 방법에 있어서,

탈탄소둔 후, 질화소둔하는 경우에는 탈탄소둔이 800~900℃의 소둔온도에서 소둔 후의 평균결정립의 크기가 16~35μm이 되도록 행해지고, 질화소둔는 800℃ 이하의 소둔온도에서 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행해지고; 그리고 탈탄소둔 및 질화소둔을 동시에 행하는 경우에는 동시탈탄질화소둔이 820~920℃의 소둔온도에서 소둔후의 평균결정립의 크기가 15~32μm이 되고, 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법을 그 요지로 한다.

Description

자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법{A Method for Manufacturing Grain-Oriented Electrical Steel Sheet with Superior Magnetic Property}

본 발명은 전기기기의 철심재료로 이용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탈탄소둔 및 질화소둔을 적절히 제어하므로써 우수한 자기적 특성을 갖는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

방향성전기강판은 압연방향으로 {110}<001>방위의 집합조직을 발달시킨 것으로, 미국특허 제1,965,559호에 처음으로 그 제조방법이 제시되었다.

그 후 많은 발명자들에 의해 제조방법의 개선이 이루어지고, 새로운 제조방법도 많이 제시되어 있다.

방향성전기강판의 제조에 있어서 공통적인 것은 1차재결정립의 성장억제 기능을 하는 석출물이나 입계편석원소를 이용한다는 것이다.

이러한 석출물이나 편석원소를 억제제(inhibitor)라 하는데, 이들은 최종소둔시 1차재결정된 결정립들의 성장을 억제시키는 기능을 한다.

그러나, 소둔온도가 높아지면, 성장이 억제된 결정립들 중에서 {110}<001>방위를갖는 결정립들이 우선적으로 성장하면서 주위의 결정립들을 잠식하면서 성장하는데, 이를 2차재결정이라 한다.

이와 같이 적절한 억제제를 사용하여 {110}<001>방위의 2차재결정립을 압연방향으로 발달시키는 것이 방향성 전기강판 제조기술의 핵심이다.

현재 공업적으로 생산되고 있는 방향성 전기강판은 MnS, AlN, MnSe와 같은 석출물을 단독 또는 조합에 의해서 억제제로 이용하고 있다.

대표적인 것으로는 MnS만을 억제제로 이용하는 방법, MnS+AlN을 억제제로 이용하는 방법, MnS(Se)+Sb를 억제제로 이용하는 방법이 있다.

석출물들이 억제제로서의 제기능을 하기 위해서 갖추어야 할 조건은 다음과 같다. 1차재결정립을 2차재결정이 일어나기 직전까지 성장이 억제될 수 있도록, 석출물들이 충분한 양과 적절한 크기로 고르게 분포되어 있어야 하고, 2차재결정이 일어나기 직전인 고온까지 열적으로 안정해서 쉽게 분해되지 않아야 한다.

현재 공업적으로 이용되는 방향성 전기강판의 제조방법들에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

우선, MnS를 억제제로 이용하는 방법은 M. F. Littmann에 의해 일본특허 공보(소)30-3651호에 제시되어 있다.

이 방법은 중간소둔을 포함한 2회의 냉간압연을 하며, 안정적인 2차재결정 조직을 얻을 수 있다.

그러나, 이 방법으로는 높은 자속밀도를 얻을 수 없으며, 중간에 소둔을 포함한 2회의 냉간압연에 의해 제조되므로 제조원가가 비싸지는 문제가 있다.

또한, MnS+AlN을 이용하여 방향성 전기강판을 제조하는 방법은 일본특허 공보(소)40-15644호에 제시되어 있는데, 이 방법에서는 80% 이상의 높은 압하율로 1회 냉간압연하여 방향성 전기강판을 제조한다.

이 방법은 1회냉간압연을 하며 자속밀도가 높은 제품을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 공업적인 생산시에는 제조조건이 매우 엄격하여 각 공정조건을 엄격히 제어해야 한다.

또한, MnS(또는 MnSe)+Sb를 이용하여 방향성 전기강판을 제조하는 대표적인 방법이 일본특허 공보(소)51-13469호에 제시되어 있다.

이 방법은 높은 자속밀도를 얻을 수 있으나 2회의 냉간압연을 행하며, 유독성이 있고 고가인 Sb와 Se과 같은 원소를 사용한다.

그러나, 이러한 방향성 전기강판의 제조방법들은 근본적인 문제점을 안고 있었다. 즉 각각의 방법에서 원하는 크기와 분포를 갖는 석출물을 얻어 억제제로 이용하기 위해서는, 열간압연을 행하기 전에 슬라브를 고온으로 재가열하여야 한다.

이는 열간압연 공정에서 석출물의 크기와 분포를 원하는 대로 제어하기 위해 필요한 것으로, MnS나 AlN이 충분히 고용되는 온도로 가열되어야 한다는 기술적인 사상에 근거한 것이다.

즉, 소강성분에 함유된 MnS나 AlN 등을 고온에서 장시간 가열하여 완전히 고용시켜야 하는데, 이를 완전용체화라 한다.

그 후 열간압연 및 냉각과정에서 적절한 크기와 분포를 갖는 석출물로 만들어 주게 된다. 이론적으로는 MnS를 이용하는 방법은 1,300℃, MnS+AlN을 이용하는 방법은1,350℃, MnS(또는 MnSe)+Sb를 이용하는 방법은 1,320℃ 이상이 되어야 완전고용이 된다.

그러나, 실제로 공업적으로 생산할 때는 슬라브의 두께 등을 고려하면, 내부까지 이러한 온도까지 도달하기 위해서는 슬라브의 표면부는 1,400℃에 가까운 온도까지 가열하지 않으면 안된다.

위와 같은 이유로, 슬라브의 고온 장시간 가열이 필수적인데, 이 경우 다음과 같은 문제점이 발생한다.

즉, 사용열량이 많아 제조원가가 비싸지고, 슬라브의 표면부가 용융상태에 이르러 흘러내리게 되므로 가열로의 보수비가 많이들고 수명이 단축되며, 슬라브의 표면에 발달되어 있는 응고조직인 주상정이 조대하게 성장하여 후속되는 열간압연 공정에서 판의 폭방향으로 깊은 크랙(crack)을 발생시켜 실수율을 현저하게 저하시킨다. 그러므로 슬라브의 재가열온도를 낮추어 방향성전기강판을 제조할 수 있다면, 제조원가와 실수율 측면에서 많은 장점이 있다.

그러나, 앞서 언급한 것처럼, 종래의 기술은 슬라브를 고온에서 완전용체화 처리를 하지 않으면 석출물의 제어가 어려워 방향성 전기강판의 제조가 불가능하였다.

따라서 최근에는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해서 슬라브의 가열온도를 낮추고, 억제제를 열간압연 단계에서 만들지 않는 방법들이 많이 연구되고 있다.

이는 소강성분에 포함되어 있는 원소들로부터 억제제를 전적으로 의존하는 것이 아니고, 제조공정 중의 적당한 곳에서 석출물을 만들어 주는 것에 의해 가능해지는 것이다.

그 예로서 일본특허 공보(평)1-230721 및 일본특허 공보(평)1-283324등에 제시된 것과 같이 불완전용체화와 질화처리에 의해 가능하게 되는 방법을 들수 있다.

이 방법은 슬라브의 가열온도를 1,200℃이하로 불완전용체화 하여, 미반응Al을 남긴 후, 냉간압연 후에 질화소둔에 의해 질소를 강중에 넣어서 석출물로 반응시킨다는 기술적인 사상을 가지고 있다.

이러한 방법으로 생성된 (Al,Si)N 이 억제제로서의 기능을 하게 되는 것이다.

질화처리 방법에는 질화능이 있는 화합물을 함유하는 소둔분리제를 강판에 도포하는 것, 고온소둔 공정의 승온기간 동안 질화능이 있는 가스를 분위기 가스내에 포함시키는 것, 탈탄공정에서 균열처리 후 질화능이 있는 가스분위기에서 강판을 질화하는 방법이 있다.

또한, 질화의 시점에 관한 대표적인 방법이 일본특허 공보(평)2-228425호 및 일본특허 공보(평)2-294428호에 제시되어 있다.

상기 일본특허 공보(평)2-228425호에 제시되어 있는 방법은 열간압연된 판이나 최종 냉간압연전에 행하는 질화공정에 의해 질소를 강중에 넣어 석출물을 만들어 주는 것이고, 상기 일본특허 공보(평)2-294428호에 제시되어 있는 방법은 간압연이 완료된 후 행하는 탈탄소둔시 질화와 탈탄을 행하는 것이 있다.

그러나, 이 방법의 경우에는 2차재결정이 불안정하게 되는 문제점이 있다.

또한, 일본특허 공보(평)3-2324호에는 일본특허 공보(평)2-294428호를 개량하여 탈탄소둔을 우선적으로 행하고 결정립의 크기가 어느정도 이상으로 성장한 후 암모니아 가스에 의해 질화를 행하는 방법이 제시되어 있다.

한편, 상기한 모든 방법은 암모니아 가스에 의한 질화로 암모니아가 약 500℃ 이상에서 분해되어 발생되는 질소를 강판 내부로 넣어주는 방법을 이용하고 있다.

이 때 강판내부로 들어간 질소는 이미 강중에 존재하고 있는 원소인 Al, Si, Mn등과 반응해서 질화물이 되고, 고온소둔 과정에서 열역학적으로 가장 안정한 (Al,Si)N으로 되어 억제제의 기능을 한다.

이와 같은 방법에 의하면, 슬라브의 저온가열에 의해 방향성 전기강판을 제조하는 것이 가능해진다.

그러나, 위의 방법은 최종적으로 억제제로 이용되는 (Al,Si)N을 만들어 주기 위해서는 다음과 같은 제조공정을 거쳐야 하는 것이 필수적이다.

소강성분에 함유되어 있는 Al과 N이 결합하지 않도록 슬라브 가열시 불완전용체화를 하여야 한다. 이는 질화공정에서 반응할 수 있는 Al의 양을 극대화시키기 위한 것으로 슬라브의 가열온도를 1,200℃ 이하로 낮게 해야한다.

실제로는 AlN의 고용량을 최소화하기 위하여 1,150℃ 또는 그 이하의 온도에서 슬라브를 재가열하고 있다.

이는 후속되는 열간압연의 개시온도와 마무리온도가 낮아지는 결과를 초래하여 압연설비에 많은 부하를 주고 있으며, 일반적인 탄소강의 재가열 온도보다 현저히 낮아 방향성 전기강판과 일반강을 동시에 생산할 수 없는 문제점을 여전히 안고 있다.

이에, 본 발명자들은 1,200~1,300℃에서 재가열하여, 열간압연의 부하를 없애고, 일반강과 동일한 재가열온도 영역에서 안정적으로 생산가능한 방향성 전기강판의제조방법을 개발하였으며, 이 방법은 한국특허 출원 2000-72745호로 특허출원된 바 있다.

이 방법은 소강에 B를 첨가하여 BN를 우선적으로 형성시킴으로써 AlN의 고용온도를 낮추어 완전고용을 시키는 방법으로, 위에서 언급한 불완전용체화 방법과는 기술적인 사상을 달리한다.

이 방법에서는 소강의 N이 첨가된 B와 결합하여 대부분 조대한 석출물로 되어 존재하므로, 후속되는 탈탄소둔이나 질화소둔시에 1차재결정의 입도에 관여하는 미세한 석출물이 거의 존재하지 않게 된다.

또한, 탈탄과 동시에 질화를 행하는 경우, 질화량에 알맞은 1차재결정입도를 갖도록 해 주어야 최종소둔시 2차재결정이 잘 발달하게 된다. 즉, 탈탄과 동시에 질화가 일어나는 공정의 소둔온도와 시간을 조절하여 적절한 1차재결정 입도를 갖도록 해 주어야 우수한 자기특성을 나타낼 수 있게 된다.

따라서, 탈탄후 질화하는 방법에서는 1차재결정 입도와 적정한 질화량을 결정해 줄 필요가 있고, 탈탄과 질화소둔을 동시에 행하는 경우에도 적정질화량에 대한 소둔조건을 결정해 1차재결정립을 조절해 주어야 한다.

이에, 본 발명자들은 상기한 종래 방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 탈탄소둔 또는 동시 탈탄질화소둔시 소둔온도와 질화량의 조절에 의해 적절한 1차재결정 입도를 형성시켜 줌으로써 안정적으로 자기적 특성이 우수한 방향성전기강판을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 중량%로, C: 0.02-0.1%, Si: 1.0-4.8%, S: 0.006% 이하, 산가용성 Al:0.01-0.05%, Mn: 0.05-0.2%, 및 N: 0.01% 이하로 이루어지는 기본조성에 0.001% ≤B≤0.012%의 조건을 만족하도록 첨가하고, 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강의 슬라브를 1,200~1,300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 열연판소둔 및 냉간압연한 다음, 탈탄소둔 후, 질화소둔하거나 또는 탈탄소둔 및 질화소둔을 동시에 행한 다음, 고온소둔하여 방향성전기강판을 제조하는 방법에 있어서,

탈탄소둔 후, 질화소둔하는 경우에는 탈탄소둔이 800~900℃의 소둔온도에서 소둔 후의 평균결정립의 크기가 16~35μm이 되도록 행해지고, 질화소둔는 800℃ 이하의 소둔온도에서 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행해지고; 그리고

탈탄소둔 및 질화소둔을 동시에 행하는 경우에는 동시탈탄질화소둔이 820~920℃의 소둔온도에서 소둔후의 평균결정립의 크기가 15~32μm이 되고, 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 중량%로, C:0.02-0.1%, Si:1.0-4.8%, S:0.006% 이하, 산가용성 Al:0.01-0.05%, Mn:0.05-0.2%, 및 N:0.01% 이하로 이루어지는 기본조성에 0.001%≤B≤0.012%의 조건을 만족하도록 첨가하고, 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강의 슬라브를 1,200~1,300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 열연판소둔, 냉간압연, 탈탄 및 질화소둔, 고온소둔하여 방향성전기강판을 제조하는방법에 있어서, 탈탄 및 질화소둔조건을 달리하여, 긍극적으로 1차재결정후의 결정립크기를 제어하여 우수한 자기적 특성을 갖는 방향성전기강판을 제조하는 것이다.

우선 성분의 한정이유에 대하여 설명한다.

상기 C는 열간압연 조직을 미세화시키기 위하여 첨가하는 원소로, 열간압연시 제 기능을 한 후에는 불순물로 되어 자기적 특성에 악영향을 미치므로 제거되어야 한다. 3%의 Si이 함유된 경우 약 0.018%의 C을 함유하면 열간압연시 α-γ변태가 일어나 열간압연 조직을 미세화시키는 기능을 할 수 있다. 따라서 Si양이 증가하면 이보다 약간 높은 C의 양이 요구되므로, 0.020%이상을 필요로 한다.

상기 C은 최종제품에 남아 있게 되면 자기시효를 일으켜 변압기 등의 전기기기의 특성을 열화시키는 원소이므로, 최종제품에서는 0.003% 이하로 엄격히 관리되고 있다.

따라서, 방향성 전기강판의 제조에는 탈탄공정이 반드시 들어가게 된다.

그러나, 함량이 너무 많아 조대한 탄화물이 생성되면 탄소의 제거가 어려워진다.

따라서, 상기 C의 함량은 0.02-0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Si은 강의 비저항을 높여 주어 철손 특성을 현저하게 개선하는 원소로, 방향성 전기강판의 제조에 반드시 들어가는 원소이다.

그 첨가량은 여러가지 제한 요소에 의해 결정되며, 실제로는 약 2.95-3.5%정도가함유되어 있는 것이 일반적이다.

이는 공업적으로 냉간압연을 안정적으로 할 수 있는 것에 의해 상한이 정해지고 있다.

특수하고 엄밀히 제어된 압연법에서는 약 4.5%의 Si이 함유된 강도 압연이 가능한 것으로 알려져 있다.

상기 Si의 함량이 1.0% 이하인 경우에는 그 첨가효과가 미미하여 큰 의미가 없게된다.

따라서, 상기한 Si함량은 1.0-4.8%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 S는 편석이 심한원소로 열간작업성을 위하여는 가능한 한 함유되지 않도록 하는 것이 바람직한데, 제강시 탈S공정을 거쳐 극저 S로 하기 위해서는 공정에 추가비용이 들게 된다. 따라서 불순물로 함유되는 정도의 S양을 지니고 있어도 무방하다. 그러나 S의 함량이 0.006%를 넘으면 강중에 포함되어 있는 Mn과 반응하여 MnS로 되어 1차재결정립을 작게할 우려가 있으므로, S는 0.006%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Al은 소강단계에서 함유되어 질화소둔시 강중으로 들어온 질소와 결합하여 AlN으로 되어 억제제의 역할을 하는 원소이다.

일반적으로 산가용성 Al은 0.03% 정도에서 가장 적절한 AlN을 형성하는 것으로 알려져 있다.

상기 Al의 함량이 0.01%이하로 되면 형성된 AlN의 양이 작아 억제제로서의 역할이 미미하며, 0.05%이상으로 되면 AlN의 크기가 조대해져서 억제력이 작아지게 된다.따라서, 상기 Al의 함량은 0.01-0.05%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 전기저항을 높여주고 철손을 낮추는 효과가 있는 성분으로써, 그 함량이 너무 많은 경우에는 자속밀도의 저하를 초래하므로, Mn의 함량은 0.05-0.2%로 선정하는 것이 바람직하다.

상기 N는 불순물로 함유되는 질소의 양을 고려할 때 소강중에서 완전히 제거할 수는 없다.

또한 본 방법에서는AlN을 형성하는데 필요한 질소는 질화과정에서 넣어주게 되므로 소강의 질소는 억제제로 이용되는 AlN의 형성에 관여하지 않게 된다.

그러나, 불순물로 존재하는 질소가 많으면 Al과 반응하기 쉬우므로 질화후에 반응할 Al의 양을 적게 한다. 또한 불순물로 존재하는 질소는 B에 의해 우선적으로 질화물을 만들어 없애야 하므로, 질소량이 많으면 이를 제거하기 위한 B의 양도 많아져야 한다. 그리고 제강시 질소를 극저로 낮추려면 공정이 추가되어야 한다. 따라서, 제강에서 쉽게 제어할수 있는 질소량이 0.005%수준임을 고려해 볼 때, 질소의 함량은 0.01%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 B은 소강성분에 불순물로 함유되어 있는 질소를 제거하기 위하여 필요한 성분으로서, 그 첨가량은 질소와 우선적으로 결합하여 Al과의 결합을 할 수 없도록 해야 하는 것을 기준으로 한다. 이러한 기준에서 B는 0.001% ~ 0.012%로 설정하는 것이 바람직하다.

구체적인 설정 근거는 후에 설명될 것이다.

이하는 공정조건에 대해서 설명한다.

상기 전기강판 슬라브의 가열온도는 1,200-1,300℃로 선정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 가열온도가 1,200℃ 이하인 경우에는 슬라브의 온도가 너무 낮아서 열간압연 작업이 어려워지고, 다른 종류의 일반강과 같이 재가열을 할 수 없어 생산성도 저하되고, 1,300℃ 이상인 경우에는 자기적 특성에는 크게 영향이 없으나, 슬라브의 저온가열에서 오는 잇점이 크게 감소되기 때문이다.

슬라브 가열과정에서 내부에 존재하는 질소는 B와 반응하여 질화물로 되고, Al은 질화물로 되지 못하고 남아있게 된다.

재가열된 슬라브는 열간압연하여 열연판으로 제조한 후, 열연판 소둔을 하게된다.

열연판소둔은 900-1180℃의 범위에서 행하는 것이 바람직하다.

고온에서 재가열하여 방향성전기강판을 제조하는 기존의 방법에서는 열연판소둔시 석출물의 고용과 석출현상을 이용하여 원하는 석출물 분포를 얻기위하여 1,100-1,150℃에서 유지한 후 약 900℃에 도달하면 급냉하는 방법을 사용하였다. 그러나 본 발명은 위와 같은 방법에 의해서도 우수한 자속밀도를 얻는 것이 가능하나, 열연판소둔 조건을 소강의 Al함량에 따라 상기의 온도로 조정하면 낮은 철손을 얻는 것이 가능하다.

다음에 소둔된 판은 산세하여 냉간압연을 행한다. 이때 중간소둔 없이 1회의 압연에 의해서 최종 두께로 압연되는 것이 바람직하다.

압연율은 84-90%의 범위내에서 이루어지면 높은 자속밀도를 얻을 수 있다.

최종제품두께로 냉간압연된 판은 탈탄과 질화를 위하여 소둔된다.

이 때 탈탄을 먼저 행하고 질화를 하는 방법과 탈탄과 동시에 질화를 행하는 방법이 있다. 각각의 방법은 소둔온도와 투입되는 암모니아의 양이 다르고, 질화 후 형성된 질화물의 종류도 다르다. 본 발명은 어느 방법을 적용하여도 무방하나, 구체적인 온도설정의 범위에 대한 배경은 뒤에 설명하기로 한다.

탈탄소둔후 질화하는 방법에서는 소둔로내의 분위기를 습한 질소+수소의 혼합가스로 하여 800~900℃에서 탈탄을 하고, 건조한 수소+질소분위기에 암모니아를 투입하여 800℃ 이하의 온도에서 질화소둔을 행한다.

질화소둔 과정에서 질소가 강판의 내부로 들어가 (Si,Mn)N, Si₃N₄같은 질화물이 형성된다.

이들 질화물은 최종소둔과정에서 (Si,Al)N으로 변화되어 억제제로 이용된다.

탈탄소둔후 질화하는 방법에 있어서 탈탄소둔은 소둔 후의 평균결정립의 크기가 16~35μm이 되도록 행해져야 한다.

한편, 탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법은 소둔로내의 분위기를 습한 수소+질소의 혼합분위기에 건조한 소량의 암모니아 가스를 투입시켜서 820~920℃에서 행한다.

그리고 상기 동시탈탄질화소둔은 소둔 후의 평균결정립의 크기가 15~32μm이 되도록 행해져야 한다.

이 과정에서 강판의 탄소는 제거되고, 암모니아 가스의 분해에 의해 생긴 질소는 강판의 내부로 들어가게 된다.

강의 내부로 들어온 질소는 미반응 Al과 반응하여 AlN으로 되고, 이는 억제제로 이용된다.

어느 방법에서나 소둔온도, 소둔시간에 의해 1차재결정의 입도가 결정된다.

탈탄을 우선적으로 행하는 경우에는 탈탄소둔의 온도와 시간에 의해 1차재결정립의 입도가 결정되고, 후속되는 질화소둔에 의해서 1차재결정립의 크기는 변화하지 않게 된다.

이는 질화소둔 온도가 탈탄소둔 온도에 비하여 낮기 때문이다.

그러나 탈탄과 질화를 동시에 행할 경우, 소둔온도와 시간이외에 질화량도 1차 재결정립의 입도에 영향을 주게 된다.

본 발명에 있어서 상기 질화소둔 또는 동시탈탄질화소둔이 소둔 후의 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명은 적절한 질화량의 범위에서 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 1차재결정의 입도를 결정한 것이다.

질화소둔 후 강판의 표면에 MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 도포하여 코일상으로 고온소둔을 행한다.

고온소둔은 2차재결정 조직을 발달시키는 승온구간과 불순물을 제거하는 순화소둔 구간으로 이루어진다.

승온구간의 승온속도는 석출물의 성장거동에 영향을 미치므로 매우 중요하다.

경험적으로 승온속도가 너무 빠르면 2차재결정이 불안정해진다.

반면에, 승온속도가 너무느리면 소둔시간이 길어져 비경제적이다.

따라서, 바람직한 승온속도는 10-40℃/hr 이다.

승온과정에서는 억제제로 사용되는 AlN의 유실을 방지하기 위하여 질소가 포함된 분위기를 유지해 주는 것이 바람직하고, 순화소둔은 환원분위기에서 유지하여 강중의 유해원소를 제거하는 과정이므로 100% 수소를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 특징을 야금학적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 방향성 전기강판은 억제제의 종류와 이를 형성시키는 방법에 의해 제조법이 달라지게 된다. 이제까지의 방향성 전기강판의 제조는 슬라브의 고온가열에서 저온가열로 발달하여 왔다. 즉 소강성분에 포함된 성분인 MnS나 AlN을 슬라브의 고온가열을 통해 완전용체화시킨 후, 열간압연에서 석출물을 제어하여 억제제로 이용하는 방법이 고온가열 기술이다.

이에 반해, 슬라브를 저온가열을 통해 불완전용체화시킨 후, 질화소둔에서 석출물을 형성시켜 억제제로 이용하는 방법이 저온가열기술이다.

따라서, 고온가열 기술은 1,300℃ 이상, 저온가열 기술은 1,200℃ 이하 라는 극단적인 온도에서 슬라브를 가열하여야 하는 것이다.

그러나 본 발명은 슬라브의 가열온도를 일반강과 동일하게 1,200~1,300℃로 하고, 질화소둔에 의해 석출물을 형성시켜 억제제로 이용하는 방법이다. 이는 강중의 질소을 첨가원소에 의해 임의대로 조정하는 것에 의해 가능해진다. 이는 Al보다 쉽게 질화물을 형성하는 원소의 첨가에 의해 이루어 진다.

본 발명에서는 B를 이용하여 상기의 목적을 달성한 것으로, 그 작용 원리는 다음과 같다.

일반적으로 B는 Al보다 열역학적으로 질화물을 만드는데 필요한 에너지가 높다.

그러나, 이는 B와 Al이 각각 존재하여 BN이나 AlN을 형성할 때 필요한 에너지를 비교한 것이다.

이들이 Fe내에 소량씩 공존하고 있는 경우에는 질소와 결합하기 위해서는 강중에서 확산이 일어나야 하는데, Fe내에서의 확산속도는 B가 Al에 비해 훨씬 빠르다.

따라서, 실제적으로 강중에서는 BN이 AlN보다 우선적으로 생성되는 것이다.

따라서, 동일한 온도나 압력 조건하에서는 이들이 공존하고 있어도, Al의 질화물이 나중에 생성된다.

그러므로, B의 첨가에 의해 Al과 반응할 수 있는 질소를 제거하는 효과를 가져오게 되는 것이다.

이론적으로 B를 이용하여 질소를 제거할 경우, B와 N의 원자비로 결합하게 된다. 따라서 B/N = 10.8/14 = 0.77으로 된다. 이는 강중에 존재하는 질소를 0.01%라 할 때, B를 0.0077% 첨가하면 모두 BN으로 되어 Al과 결합할 수 있는 질소의 양은 남아 있지 않게 됨을 의미한다.

AlN의 용해도적 식은 일반적으로 log[%Al][%N]= -(A/T)+C, (여기서 T는 고용온도, A와 C는 상수)로 표시된다. 이 식에서 A와 C의 값은 실험에 의해 결정되는 상수이다.

따라서 고용온도는[%Al]과 [%N]의 곱에 의해서 결정이 되는데, [%N]이 낮아지면 고용온도가 낮아지게 되는 것이다.

본 발명은 B의 첨가에 의해 질소의 제거, 즉 [%N]의 감소를 가져오므로 AlN의 고용온도를 낮출 수 있게 되는 것이다.

이는 B의 첨가량의 조절에 의해 완전고용이 일어나는 온도를 조절할 수 있음을 의미하는 것이다.

상기와 같은 이론적인 사상에 근거한 조성과 제조조건을 통해 제조된 본 발명강은 까다로운 슬라브의 가열조건 없이 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하며, 경제성과 자기특성이 모두 우수한 것이 특징이다.

그러나 앞서 언급한 것처럼, 우수한 자기특성을 얻기위해서는 2차재결정에 의해 압연방향으로 {110}[001]방위의 결정립을 발달시켜야 한다.

이는 적절한 1차재결정립의 크기와 질화량에 의해서 결정된다. 고온가열을 이용하는 기존의 제조법은 AlN의 완전용체화, 열간압연등을 통하여 석출된 질화물이 탈탄소둔후의 1차재결정 입도를 결정한다. 그리고 저온가열하여 불완전용체화를 하는 방법은 일부 고용된 석출물이 재석출하여 1차재결정 입도에 영향을 주게 된다.

그러나 본 발명의 방법은 B에 의해 질소의 제거가 일어나므로, AlN은 아주 적거나 거의 없는 상태로 되어 완전고용되므로 재석출되는 석출물도 거의 없게 된다.

따라서, 석출물이 1차재결정 입도에 거의 영향을 주지 못하게 된다. 이 경우는 소둔온도와 시간 질화량에 의해서 1차재결정의 입도가 결정된다. 이는 소둔온도가 높거나 질화량이 적으면 1차재결정립이 매우 크게 성장할 수 있음을 의미한다. 따라서 탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법에서는 온도와 시간에 따라 적정 결정립 크기를 결정해야 한다.

우선 탈탄후 질화를 하는 방법에서는 탈탄 소둔온도는 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 800℃ 이하에서는 소강의 탄소를 30ppm이하로 하려면 탈탄시간이 길어지므로 비경제적이다. 또한 900℃ 이상으로 탈탄 소둔온도가 높아지면 1차재결정립이 과도하게 커져서 2차재결정의 발생확률이 급격히 저하된다.

질화소둔은 탈탄소둔에 의해 형성된 1차재결정립의 크기가 변하지 않도록 800℃이하에서 행하는 것이 바람직하다. 따라서 이 방법은 적정 질화량에 따른 1차재결정 입도를 결정하면 된다.

일반적으로 질화량은 150ppm 미만 이면 억제력 부족에 의해 2차재결정이 불안정해지고, 350ppm 을 넘으면 자기특성에는 영향이 없으나 제품의 표면품질이 저하된다. 이는 최종소둔후 순화과정에서 강판의 표면으로 질소가스가 분출하면서 표면의 품질을 저하시키기 때문이다. 따라서 적절한 질화량의 범위는 150~350ppm이라 할 수 있다. 가장 바람직한 것은 약 200ppm 정도로 질화량을 유지시켜 줌으로서 안정적인 자기특성과 양호한 표면특성을 확보할 수 있게 된다. 소둔시간은 경제성을 고려하여 균열시간을 기준으로 최대 3분으로 한정하는 것이 바람직하다.

그러나 탈탄과 동시에 질화를 하는 경우에는 1차재결정이 완전하게 일어나기 전부터 강중에 질소가 들어가게 된다. 따라서 800℃에서 탈탄과 질화를 동시에 행하면 1차재결정립의 크기가 매우 작아진다. 이는 800℃에서 재결정되는 속도는 비교적 느리고, 질화되는 속도는 매우 빠르기 때문이다.

또한, 동시에 탈탄과 질화가 동일한 로에서 일어나기 때문에 탈탄에 충분한 시간을 주면 질화에는 과도한 시간이 주어지기 때문이기도 하다. 이는 암모니아의 분율을 낮게하여 해소가 가능하다. 이때에도 소둔시간은 최대 3분으로 한정하는 것이 바람직하다. 실제적으로는 소둔시간 3분이내에서도 암모니아의 분율을 조정하여 질소량을 맞추는 것이 가능하다. 따라서 탈탄이 30ppm이하로 되고, 결정립의 크기가 원하는 범위로 된다면 소둔시간을 조정하여도 무방하다.

그러나 균열온도가 3분을 넘으면 생산성이 저하된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

중량%로, C:0.045%, Si:3.14%, Mn:0.10%, S:0.006%, Sol.Al:0.027%, N:0.0069%, B:0.0035%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 강을 이용하여, 1,250℃에서 2시간 재가열 후 열간압연하여 판 두께가 2.3mm인 열연판을 얻었다.

이 열연판을 1,120℃에서 2분간 열연판소둔한 후 냉각하여 산세한 후, 0.30mm로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판에 대하여, 각각800, 850, 900℃로 유지된 로에 노점 48℃인 25%수소+75%질소의 혼합가스 분위기에서 1, 2, 3분간 균열하여 탈탄소둔을 행하였다. 탈탄소둔 후 강판의 일부를 절단하여 잔류탄소량과 결정립의 평균크기를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

질화소둔은 790℃인 25%수소+75%질소의 혼합가스 분위기에 암모니아의 분율을 변화시켜 최종 200ppm을 목표로 하였다. 질화소둔 후 질화량을 측정하여 200±30ppm의 범위인 강판을 선택하였다.

이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 2차재결정을 일으키키 위한 고온소둔을 행하였다. 고온소둔은 25%수소+75%질소분위기에서 15℃/hr의 승온속도로 1,200℃까지 가열한 후, 100%수소분위기에서 10시간 유지한 다음, 로냉하여 자속밀도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

하기 표 1에서의 자속밀도는 1,000A/m의 자장하에서 유도되는 자속밀도(B10)를 측정한 것이다.

탈탄소둔온도 (℃)	소둔시간(분)	평균결정립 (μm)	잔류탄소(ppm)	자속밀도(B10)(Tesla)	실시예 No.
800	1	12.5	89	1.71	비교예 1
	2	14.9	45	1.84	비교예 2
	3	16.2	21	1.91	발명예 1
850	1	17.2	38	1.89	비교예 3
	2	21.5	17	1.92	발명예 2
	3	24.0	9	1.94	발명예 3
900	1	20.3	24	1.92	빌먕예 4
	2	29.7	21	1.91	발명예 5
	3	36.9	19	1.88	비교예 4

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 결정립의 크기가 본 발명의 범위보다 작은 경우(비교예 1및 2), 또는 잔류탄소의 함량이 높은 경우(비교예 3)에는 자속밀도가 1.90Tesla이하인 것을 알 수 있다.

또한, 잔류탄소의 함량이 낮아도 결정립의 크기가 지나치게 큰 경우(비교예 4)에도 자속밀도가 작음을 알 수 있다.

따라서 탈탄 후 잔류탄소가 30ppm미만인 경우에 평균결정립의 크기가 16~35μm 의 범위이면 자기특성이 우수함을 알 수 있다.

[실시예 2]

중량%로, C:0.045%, Si:3.14%, Mn:0.10%, S:0.006%, Sol.Al:0.027%, N2:0.0069%, B:0.0035%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 강을 이용하여, 1,250℃에서 2시간 재가열 후 열간압연하여 판 두께가 2.3mm인 열연판을 얻었다. 이 열연판을 1,120 ℃까지 가열후 900℃에서 유지된 로에서 1분간 유지한 후, 100℃의 끓는 물에서 냉각하였다.

열연판소둔된 판은 산세하여 표면산화층을 제거한 후, 0.30mm로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판에 대하여, 800℃에서부터 20℃ 간격으로 940℃ 까지 유지된 로에 노점 48℃인 25%수소+75%질소의 혼합가스와 건조한 암모니아를 함유시킨 분위기에서 목표온도에 도달한 후, 180초 동안 탈탄과 질화를 동시에 행하였다. 이 때 암모니아가스는 최종 질화량을 200ppm을 목표로 하여 체적분율을 변경하여 투입하였다. 하기 표 2와 같이, 동시탈탄질화 소둔 후 목표 질화량과의 편차가 30ppm이내인 강판을 선택하여, 강판의 일부를 절단하여 잔류탄소량과 결정립의 평균크기를 측정한 후, 소둔분리제인 MgO를 도포하여 2차재결정을 일으키키 위한 고온소둔을 행하였다. 고온소둔은 25%수소+75%질소분위기에서 15℃/hr의 승온속도로 1,200℃까지 가열한 후, 100%수소분위기에서 10시간 유지한 다음 로냉하여 자속밀도를 측정하였다.

상기와 같이 측정된 잔류탄소량, 결정립의 평균크기 및 자속밀도는 하기 표 2에 나타내었다.

하기 표 2의 자속밀도는 1,000A/m의 자장하에서 유도되는 자속밀도(B10)를 측정한 것이다.

탈탄소둔온도 (℃)	총질소량(ppm)	평균결정립(μm)	잔류탄소(ppm)	자속밀도(B10)(Tesla)	실시예 No.
800	210	10.2	29	1.81	비교예 5
820	225	15.1	25	1.90	발명예 6
840	227	19.0	22	1.93	발명예 7
860	215	23.2	18	1.94	발명예 8
880	207	25.1	14	1.94	발명예 9
900	224	28.6	20	1.91	발명예 10
920	180	32.0	23	1.90	발명예 11
940	195	36.2	29	1.88	비교예 6

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 잔류탄소는 모두 30ppm이하였으나, 평균결정립의크기가 매우 작거나 큰 경우에는 자속밀도가 1.90Tesla에 미치지 못함을 알 수 있다.

동시탈탄 질화소둔도 실시예 1의 탈탄 후 질화방법과 마찬가지로 적정 질화량에서는 15~32μm의 범위의 평균결정립의 범위에서 우수한 자성을 나타냄을 알 수 있다.

이상에서 보면, 본 발명의 성분계는 질화 방법에 의한 차이는 거의 없으며, 최종 질화량을 150~350ppm으로 하는 경우, 평균결정립의 크기를 약 15~30 μm의 범위가 되도록 소둔온도와 시간을 설정하는 것이 중요하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 방향성 전기강판과 일반강의 재가열조건이 비슷해져 열간압연의 생산성 및 작업성의 개선효과를 가져올 뿐만 아니라 질화소둔후의 1차재결정립의 평균크기를 적절히 제어하므로써 안정적으로 우수한 자기특성을 확보할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량%로, C: 0.02-0.1%, Si: 1.0-4.8%, S: 0.006% 이하, 산가용성 Al:0.01-0.05%, Mn: 0.05-0.2%, 및 N: 0.01% 이하로 이루어지는 기본조성에 0.001% ≤B≤0.012%의 조건을 만족하도록 첨가하고, 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강의 슬라브를 1,200~1,300℃에서 재가열하여 열간압연한 후, 열연판소둔 및 냉간압연한 다음, 탈탄소둔 후, 질화소둔하거나 또는 탈탄소둔 및 질화소둔을 동시에 행한 다음, 고온소둔하여 방향성전기강판을 제조하는 방법에 있어서,

   탈탄소둔 후, 질화소둔하는 경우에는 탈탄소둔이 800~900℃의 소둔온도에서 소둔 후의 평균결정립의 크기가 16~35μm이 되도록 행해지고, 질화소둔는 800℃ 이하의 소둔온도에서 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행해지고; 그리고

   탈탄소둔 및 질화소둔을 동시에 행하는 경우에는 동시탈탄질화소둔이 820~920℃의 소둔온도에서 소둔후의 평균결정립의 크기가 15~32μm이 되고, 최종 질화량이 150-350ppm이 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법