KR20030053769A - 자성특성이 우수한 무방향성 전기강판 제조방법 - Google Patents

Abstract

자성특성이 우수한 무방향성 전기강판 제조방법이 제공된다.

본 발명은, 중%로, C:0.005%이하, Si:0.5%∼0.7%, Mn:0.30%이하, P:0.07%이하, S:0.012%이하, N:0.0055%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 강 슬라브를 통상의 조건으로 가열후 열간압연하고, 이어 620~800℃범위의 온도에서 권취하는 단계; 상기 열연강판을 산세후 냉각하여 그 최종두께가 0.50mm가 될때까지 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉연강판을 850℃∼870℃에서 소둔하는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

자성특성이 우수한 무방향성 전기강판 제조방법{A method for manufacturing non-oriented electrical steel sheet with excellent magnetic property}

본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 강중 Si함량과 최종 소둔조건을 제어함으로써 열처리후 철손(Core Loss) 개선율이 높고 자속밀도가 우수한 무방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

무방향성 전기강판은 전기기기에서 철심으로 사용되는데, 철손에 의해 전기에너지가 소모되며, 자속밀도에 의해 모터가 회전하는등의 특성을 가지는 전기제품에서 중요한 재료로 사용되고 있다. 따라서 무방향성 전기강판 소재로 사용되기 위해 요구되는 특성으로서 철손은 낮아야 하고 자속밀도는 높아야 한다.

이러한 특성을 만족시키고자 많은 연구가 진행되어 왔으며, 그 결과 성분으로는 불순물이 적은 청정강을 제조하거나 특수원소를 첨가한 재료를 소둔온도 및 소둔처리시간 조건특성을 변화시켜 상기의 목적을 달성할 수 가 있었으, 제조조건으로는 소둔조건을 변경하여 자기적 특성을 변화시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 무방향성 전기강판 소재로서 요구되는 중요한 자기적 특성으로서 철손(Core Loss)과 자속밀도(Magnetic Induction)를 들 수 있다.

상기 철손은 이력손실(Hysteresis Loss)와 와전류손실(Eddy Current Loss)로 구분된다. 이러한 이력손실은 자구벽의 비가역적 이동에 기인하는 에너지 손실로서, 철심재료의 결정방위, 순도(불순물,설출물), 내부응력 등에 영향을 받는다. 반면에, 와전류손실은 자구이동에 수반되는 자속변화 때문에 발생하는 와전류에 의한 에너지 손실로서 무방향성의 경우 거의 철심재료의 두께에 의해 결정된다.

일반적으로 무방향성 전기강판의 철손은, 비저항을 크게 증가시키는 규소함량과 판두께에 의해 대부분 좌우되지만, 이들이 동일하다면 주로 결정립 크기와 집합조직에 따라 변화한다. 즉, 결정립 크기가 증가하면 자구벽의 이동을 방해하는 입계면적이 줄어들어 이력손실이 감소하는 반면 자구폭이 커져 자구벽의 이동속도의 증가로 자구벽 주위에 많은 양의 와전류가 형성되어 와전류손실은 증가한다.

따라서 철손을 최소화하는 적정 결정립 크기가 존재하고 이는 규소함량, 판두께 및 합금원소 등에 따라 변화하는 것으로 알려져 있다.

한편 자속밀도는 규소함량에 의하여 대부분 결정되긴 하지만 집합조직에 따라 현저히 변하는 것으로 알려져 있다. 따라서 무방향성 전기강판의 철손을 감소시킴과 동시에 자속밀도를 증가시키려면, 결정립을 적정크기로 성장시키고, 이러한 결정립들이 자화용이축인 <100> 방향을 포함하고 있는 {200}, {110}면을 갖도록 하는 것이 관건임을 알 수 있다.

무방향성 전기강판의 자성에 영향을 미치는 여러 인자중에서 Si함량, 불순물 및 두께의 영향과 자화과정에서 자구벽 이동에 대한 장애물에 대하여 간단히 살펴보면 다음과 같다.

-Si함량 : 무방향성 전기강판의 여러성분중에서 가장 중요한 Si의 역할은 비저항을 증가시켜 와전류손실을 감소시키고, 페라이트 확장원소로서 열처리 범위를 넓혀주며 회전기기의 철심재로 사용되는데 필요한 강도를 부여해 준다.

-불순물(C,S,O,N) : C,S,O,N 등의 불순물은 열간압연과정에서 MnS, AlN 처럼 석출물을 형성하여 소둔시 결정립 성장을 방해하고 자구의 이동을 어렵게 하며, 재결정 집합조직을 자성에 불리하게 형성시키므로 자성에 나쁜 영향을 미친다.

-두께: 철손은 두께가 얇아짐에 따라 감소하다가 어느 두께 이하가 되면 다시 증가하기 때문에, 철손이 최소가 되는 두께가 존재한다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 철손을 구성하는 이력손실과 와전류손실이 두께에 따라 서로 상반되게 변화하기 때문에 발생한다. 다시 말해 두께가 얇아질수록 이력손실은 증가하는 반면 와전류손실은 감소하기 때문이다. 두께가 얇아짐에 따라 이력손실과 완전류손실이 서로 상반되게 변화하는 이유는 두께가 얇아짐에 따라 결정립 크기가 감소하여 자구벽의 이동을 방해하는 입계면적이 증가하는 동시에 자화에 불리한 {222}, {211}면의 집적도가 증가하여 자속밀도가 감소하기 때문이다.

한편 와전류손실이 감소하는 이유는 두께가 얇아져서 재료내에 와전류가 흐르는 경로가 축소되기 때문이다

종래 일반적으로 전기강판 제조공정에서는 저급 수준의 제품을 생산하고, 이 제품을 다시 타발후 로에서 760℃∼800℃ 에서 1∼2시간 열처리하면 결정립 성장이 극대화되어 중급 수준의 자성특성을 얻을 수 있기 때문에, 열처리한후 최종제품으로 양산하는 기술이 상용화되어 오고 있으나, 그 열처리후 철손개선율이 15%, 자속밀도가 1.74T 정도의 다소 미흡한 자성특성을 갖고 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 비저항성이 큰 Si함량을 상향시켜 소둔조건을 최적화하므로서 열처리후 철손개선율을 20% 이상이고 자속밀도 또한 우수한 무방향성 전기강판 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자들은 상기 종래기술의 한계를 극복하기 위하여 각종의 조사와 검토를 행하였으며, 그 결과, Si함량을 0.5% ∼ 0.7%로 하고, N와 결합하여 미세한 석출물인 AlN을 만들어 자성을 저해하는 Al을 첨가하지 않는 성분계에서 균열온도 및 시간을 조절함으로써 자성특성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

즉, 본 발명은 Al을 사용하지 않으면서 Si함량을 상향시키고 소둔조건을 최적화함으로써 자성특성에 유리한 집합조직인 (200)면과(110)면이 잘 형성되는 무방향성 전기강판을 제공할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명은, 중량%로, C:0.005%이하, Si:0.5%∼0.7%, Mn:0.30%이하, P:0.07%이하, S:0.012%이하, N:0.0055%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 강 슬라브를 통상의 조건으로 가열후 열간압연하고, 이어 620~800℃범위의 온도에서 권취하는 단계; 상기 열연강판을 산세후 냉각하여 그 최종두께가 0.50mm가 될때까지 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉연강판을 850℃∼870℃에서 소둔하는 단계;를 포함하는 자성특성이 우수한 무방향성 전기강판 제조방법이다

이하, 본 발명의 강조성성분 및 제한사유를 설명한다.

탄소(C)는 최종제품에서 자기시효를 일으켜서 사용중 자기적 특성을 저하시키므로 슬라브에서는 0.008%이하로 하고 최종제품에서는 0.005%이하로 제한한다.

무방향성 전기강판에서 불순물은 결정격자 내에서의 존재형태에 따라 자기적 특성에 미치는 영향의 정도가 달라진다. Cu 또는 Ni 등과 같이 Fe와 치환형 고용체를 만드는 불순물은 포화자속밀도를 약간 감소시킬 뿐 자벽의 이동에는 거의 영향을 미치지 않는다. 그러나 침입형교용체를 형성하는 불순물인 C는 결정격자 변형의 원인이 되므로 투자율을 현저히 감소시킨다. 그러므로 그 상한을 엄격히 제한할 필요가 있다.

Si은 비저항을 증가시켜서 철손 중 와류손실을 낮추는 원소로, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.5%∼0.7%로 제한한다. 만일 그 첨가량이 0.7%를 초과하면 철손특성은 우수하나 자속밀도가 좋지 않아 Al을 첨가하여야 전체적인 자성이 향상될 수 있으며, 0.5%미만이면 철손특성이 나빠진다.

본 발명에서는 Si함량이 증가함에 따라 철손특성은 양호하나 자속밀도는 하락하는 무방향성전기강판의 특성을 고려하여 그 첨가량을 상기와 같이 제한한다.

Mn은 S와 결합하여 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 고온소둔중 결정립 성장을 방해하므로 그 첨가량을 0.6% 이하로 제한한다.

P는 비저항을 증가시키며, 자성에 유리한 집합조직을 형성하는 원소로 알려져 있으며, 특히 타발가공성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나 그 첨가량이 0.7%를 넘을 경우 용접성에 악영향을 미치므로 0.7%이하로 제한한다.

S는 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 자기특성에 나쁜 영향을 미치므로 가능한한 낮게 함유되는 것이 유리하며, 본 발명에서는 0.012% 이하로 함유토록 한다. 상기 N는 미세하고 긴 AlN 석출물을 형성하여 자기특성에 나쁜 영향을 미치므로 가능한한 억제하며, 본 발명에서는 0.0055% 이하로 한다

이하, 본 발명의 강판 제조공정을 설명한다.

상기와 같이 조성되는 강슬라브를 마련한후, 이를 열간압연하기 위하여 가열로에 장입하여 통상의 조건으로 가열한다. 가열된 슬라브는 2.0~2.5mm두께 이하로열간압연한후 권취된다.

이때, 본 발명에서는 권취온도를 620~800℃로 제한하는데, 만일 권취온도가 620℃미만에서는 열연판 내부의 석출물의 크기가 적어 자성에 불리하며, 권취온도가 800℃를 초과하면 권취작업이 어려워 열연판의 형상이 나빠지기 때문이다.

다음으로, 본 발명에서는 상기 열연강판을 산세후 냉각하여 그 최종두께가 0.50mm가 될때까지 냉간압연한다.

권취후 냉각은 공기중에서 코일상태로 냉각할 수 있다. 권취냉각된 열연판은 열연판 예비소둔을 하지않고 산세한후 냉간압연한다. 냉간압연은 1회냉연법으로 압연하여 0.5mm 두께의 최종제품으로 압연한다.

이어, 상기 냉간압연된 강판은 850℃∼870℃에서 소둔처리된다. 만일 소둔온도가 840℃ 미만이면 결정립 성장 미흡 및 집합조직 열위로 목표 철손개선율을 확보 할 수가 없으며, 870℃를 초과하면 결정립 과대성장으로 경도 95Hv(vickers 경도) 정도로 기계적 특성이 크게 저하되는 문제가 있기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다

(실시예)

표 1과 같이, Si함량을 달리하는 다수의 강슬라브를 제조하였다. 이때, 다른 강 조성성분은 중량%로, C:0.002%, Mn:0.042%, P:0.05%, S:0.012%, N:0.0040%로 모두 동일하였다.

이러한 강 슬라브를 1250℃에서 재가열하고, 2.5mm로 열간압연후 공기중에서 권취하여 냉각하였다. 냉각된 열연판은 산세하고 0.50mm의 두께로 냉간압연한후 표 1과 같은 조건으로 24초∼35초 동안 소둔을 실시하였다. 냉연판 소둔시 가열대 승온은 수소6%와 질소 94%의 분위기에서 실시하였다.

이와 같이 소둔처리된 강판에 대하여 자기특성을 측정하여 또한 표 1에 나타내었으며, 자기특성은 5,000A/m의 자장하에서 시편에 유도되는 자속밀도(B50) 및 1.5Tesla, 50Hz 하에서 측정한 철손값(W15/50)을 측정한 것이다

[표1]

구분	Si(%)	소둔온도(℃)	열처리전	열처리후	철손개선율(%)	경도(Hv1)
			철손(W15/50)	자속밀도(B50)			철손(W15/50)	자속밀도(B50)
발명재1	0.5	860	6.51	1.77	5.21	1.76	20	105
발명재2	0.7	860	6.35	1.76	4.94	1.76	22	110
비교재1	0.4	830	6.35	1.77	5.40	1.75	15	110
비교재2	0.4	880	6.74	1.78	5.93	1.76	12	87
비교재3	0.5	880	6.47	1.77	5.56	1.75	14	92
비교재4	0.7	830	6.13	1.75	5.14	1.75	16	115
비교재5	0.8	830	6.01	1.75	4.92	1.74	18	120
비교재6	0.8	880	5.76	1.74	4.55	1.73	21	95

표 1에 나타난 바와 같이, Si함량 및 소둔온도가 적정하게 제어된 본 발명재(1~2)의 경우 철손개선율 20% 이상이고, 자속밀도 1.76T 이상을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

이에 대하여, Si 함량이 본 발명범위내지만 소둔온도가 850℃ 미만인 비교재(4)는 결정립 성장 미흡 및 집합조직 열위로 목표 철손개선율을 확보 할 수가 없었으며, 870℃를 초과하는 비교재(3)은 결정립 과대성장으로 기계적 특성이 크게 저하되었다.

또한, Si함량이 0.5% 미만인 비교재(1~2)는 비저항성 저하에 의한 와류손 증가로 열처리전 철손열위 및 열처리후 철손개선율도 열위하였으며, 0.8%를 초과하는 비교재(5~6)은 비저항성 증가에 따른 자속밀도 저하로 모타의 주요특성인 토크(힘)를 크게 할 수가 없는 문제가 발생하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 비저항성이 큰 Si함량을 증가시키고 소둔조건을 최적화하므로서 열처리후 철손개선율을 20% 이상이고 자속밀도 1.76T 이상인 무방향성 전기강판 제조에 유용하다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.005%이하, Si:0.5%∼0.7%, Mn:0.30%이하, P:0.07%이하, S:0.012%이하, N:0.0055%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 강 슬라브를 통상의 조건으로 가열후 열간압연하고, 이어 620~800℃범위의 온도에서 권취하는 단계;

   상기 열연강판을 산세후 냉각하여 그 최종두께가 0.50mm가 될때까지 냉간압연하는 단계; 및

   상기 냉연강판을 850℃∼870℃에서 소둔하는 단계;를 포함하는 자성특성이 우수한 무방향성 전기강판 제조방법