KR20110005583A - 고장력 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심 특히, 회전기의 로터(rotor)용 핵심소재로 사용되는 무방향성 전기강판에 관한 것으로, 고강도와 고인성의 기계적 특성을 동시에 만족하도록 개선된 고장력 무방향성 전기강판 및 그 제조방법이 제공된다.
이를 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 중량%로 Si: 2.0~4.5%, Al: 0.02~2.0%, Mn: 0.4%이하, P: 0.05%이하, Ti: 0.004%이하, C: 0.004%이하, S: 0.002%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 강판에 함유된 총질소량이 0.01~0.15중량%로 제어되며, 강판 표층부에 Al 질화물을 포함하여 이루어지는 농화층이 형성된 것을 특징으로 한다.
무방향성 전기강판, 고장력, 로터(rotor), 항복강도, 인장강도

Description

고장력 무방향성 전기강판 및 그 제조방법{High strength non-oriented electrical steel sheet and method for manufacturing the same}
본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심 특히, 회전기의 로터(rotor)용 핵심소재로 사용되는 무방향성 전기강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도와 고인성의 기계적 특성을 동시에 만족하는 고장력 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
무방향성 전기강판은 모터 및 발전기 등의 회전기기와 정지기중 소형 변압기의 철심용 재료로 사용되고 있는 핵심 부품이다. 철심은 외부에서 부가된 전기에너지를 자기장으로 변환하고 그 크기를 증가시키기 때문에 주로 사용되고 있다.
특히, 최근에 들어 화석자원의 가채매장량이 고갈되고 전세계적으로 친환경에너지 수요가 커짐에 따라 화석자원을 주에너지원으로 하는 수송기기는 전기에너지를 활용하는 동력계통으로 변화되고 있는 추세이며, 이러한 동력계통을 구동하는데 가장 중요한 핵심재료인 무방향성 전기강판에 대한 관심이 집중되고 있다.
한편, 전기기기 특히, 철심재료로써 사용되는 회전기, 중소형 변압기 등은 에너지 절감 및 지구환경보전의 관심고조로 인해 고효율화 및 소형화의 요구는 점 점 증대되고 있으며, 이와 같은 사회적인 요구에 부응하여 무방향성 전기강판의 자기적 특성을 개선하여 성능과 효율을 향상시키고, 전기소모량을 저감하려는 노력들이 경주되어 오고 있다. 무방향성 전기강판의 자기적 특성은 철손과 자속밀도로 구분할 수 있으며, 철손은 외부인가 자장에 의해 전기강판에서 발생하는 손실을 의미하고, 자속밀도는 그때의 에너지에 의한 힘이 된다. 따라서 전기강판에서 발생하는 손실을 줄이고, 손실되는 에너지에 비해 힘을 증가시킨다면 고효율의 전기기기의 개발이 가능하므로, 전기강판의 철손은 가능한 낮게, 자속밀도는 가능한 높게 하는 것이 요구된다. 그러나 자속밀도가 낮은 무방향성 전기강판에 있어서 구동에 필요한 토크(torque)를 발생하도록 자속을 인가하기 위해서는 여자암페어턴(ampere turn)을 크게 해야 하며, 이로 인해 철손이 증가하게 된다.
이와 함께, 최근의 급속한 전자공학 기술 발달과 회전기기 분야의 구동계 고도화로 다양한 회전기의 구동제어가 가능해지고 있다. 즉, 구동전원의 주파수 제어로 고속운전을 가능하게 하는 회전기가 개발되고 있으며, 이는 회전기기의 고효율화 및 소형화를 위한 주요 기술이 되고 있다.
이러한 고속 회전기기의 실현을 위해서는 무엇보다도, 회전기기의 고속 회전시 발생하는 응력에 견딜 수 있는 기계적 특성을 갖는 로터가 필요하다. 통상적으로 회전기기의 로터 철심에 작용하는 원심력은 회전반경에 비례하고, 회전속도의 제곱에 비례한다. 이때문에 고속 회전기기의 회전기에는 높은 응력이 인가되므로, 회전기로 사용되는 무방향성 전기강판은 고장력의 기계적 특성을 갖출 것이 요구되고 있다.
따라서 최근 세계의 요구에 부응하기 위해서는 무방향성 전기강판의 자기적 특성은 물론, 높은 항복강도와 인장강도를 동시에 발현하도록 기계적 특성을 향상시킬 것이 필수적으로 요구된다. 강판의 기계적 특성을 향상시키는 방법으로 통상적으로 사용되는 방법에는 석출강화, 고용강화, 분산강화, 결정립 미세화 및 경질/연질의 복합조직화가 있는데, 이를 위해서는 고용강화합금원소를 다량 첨가하거나, 석출물을 다량 형성할 수 있는 석출유도원소를 첨가하거나, 입도계량재를 첨가하여 결정립을 미세화하거나, 탄소를 다량 첨가하고 복잡한 열처리를 적용해야 한다. 그러나 이러한 방법으로 기계적 특성을 향상시킬 수 있을지는 모르나, 자기적 특성에 대단히 악영향을 미치는 고용원소, 석출물, 잔류탄소 및 미세한 결정립으로 인하여 무방향성 전기강판의 철손이 증가하고 자속밀도가 저하되게 된다.
상기와 같은 불가피한 문제점을 해결하기 위해 최근 고장력 무방향성 전기강판에 관한 기술들이 제안되고 있다. 일본 공개특허공보 1994-330255에서는 Nb, Zr, Ti, V 및 소강내 탄소와의 반응으로 생기는 이차상인 탄화물을 기지합금내에 분산시켜 분산강화효과로 고강도화를 확보하는 기술을 제안하고 있으나, 열처리후 탄화물의 조대화, 즉 자기시효현상으로 인해 자기적 특성이 저하되는 문제점을 피할 수 없다. 일본 공개특허공보 2003-342698에서는 상기 일본 공개특허공보 1994-330255와 유사하나 Zr, Ti, V 대신 B을 첨가하여 입계편석원소에 의한 분산강화를 통해 고강도화를 확보하는 기술을 제안하고 있으나, B은 편석이 심하여 입계를 취약하게 하고 종국에는 판이 파단되는 것과 같은 문제로 인해 실제 산업생산공정에 적용하기에는 많은 제약이 따르게 된다. 일본 공개특허공보 2005-608011는 Nb, Zr, Ti, V, Cr, Mo, B 등의 고가의 합금원소를 다양하게 중 또는 다량 첨가하여 고용강화 및 석출강화에 의한 고장력화를 제안하고 있으나, 상기 일본 공개특허공보 2003-342698과 같이 고가의 합금원소 사용으로 제조단가가 크게 높아지는 문제점이 있다. 또한, 일본 공개특허공보 2006-161137에서는 Ni을 첨가하여 철손을 감소시키고 자속밀도를 향상시킬뿐만 아니라 Ni의 고용강화로 인한 고장력화와 더불어 Mn을 첨가하여 상변태를 활발하게 하여 결정립 미세화를 통한 고장력화를 제안하고 있으나, 고가의 Ni을 과다하게 사용함으로써 제조단가가 대폭 상승하는 문제점이 있다.
이제까지 논의된 기술들을 정리하면, 자기적 특성과 기계적 특성이 우수한 무방향성 전기강판 개발을 위해 고가의 합금원소를 첨가하여 고용강화, 석출강화 및 결정립 미세화하는 기술들이 연구되어 특허로 제안되었으나, 제시된 합금원소는 제조 원가의 상승요인으로 작용하며, 엄격한 생산 조건을 요하는 것이므로 실제 생산 공정에 적용하기에는 어려운 문제가 따르고 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 고가의 합금원소 첨가에 따른 제조단가 상승을 방지하도록 질화열처리소둔(침질소둔)을 적용하여, 강판 표면부에는 고질소화로 고강도 특성을 확보하고 침질되지 않은 심부에는 연성을 유지하여 고인성의 특성을 확보함으로서 자기적 특성이 우수하면서도 고강도와 고인성의 기계적 특성을 동시에 갖도록 개선된 고장력 무방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 중량%로 Si: 2.0~4.5%, Al: 0.02~2.0%, Mn: 0.4%이하, P: 0.05%이하, Ti: 0.004%이하, C: 0.004%이하, S: 0.002%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 강판에 함유된 총질소량이 0.01~0.15중량%로 제어되며, 강판 표층부에 Al 질화물을 포함하여 이루어지는 농화층이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 상기 총질소량이 하기의 식 1을 만족하도록 함유되어진 것을 또 하나의 특징으로 한다.
[식 1] 0.01+0.005×Al(%) ≤ 총질소량(%) ≤ 0.14+0.005×Al(%)
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 상기 농화층내 Al 질화물의 평균 크기가 5nm이상 1000nm이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 상 기 농화층이 Al 질화물과 Al 산화물을 포함하여 이루어지고, 상기 Al 질화물과 Al 산화물은 하기의 식 2를 만족하는 비율로 형성된 것을 특징으로 한다.
[식 2] [AlN]/([AlN]+[Al2O3]) ≥ 0.7
([AlN]: 판두께 단면에서의 Al 질화물 면적, [Al2O3]: 판두께 단면에서의 Al 산화물 면적)
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 상기 농화층이 하기의 식 3를 만족하는 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
[식 3] 0.005×t ≤ D ≤ 0.03×t (D: 농화층 두께, t: 판두께)
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판은 상기 농화층이 NH3, N2, H2 중에서 선택되는 적어도 두 가지 이상의 가스가 혼합된 분위기에서 800℃이상 1150℃이하의 온도로 수행되는 질화열처리소둔에 의해 형성되어진 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고장력 무방향성 전기강판 제조방법은 중량%로 Si: 2.0~4.5%, Al: 0.02~2.0%, Mn: 0.4%이하, P:0.05%이하, Ti: 0.004%이하, C: 0.004%이하, S: 0.002%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 슬라브를 열간압연하고, 압하율 88%이상 92%이하의 1회 냉간압연 또는 중간소둔을 실시하는 누적 압하율 88%이상 92%이하의 2회 이상 냉간압연을 행한후, 냉간압연된 냉연판의 결정립안정화소둔을 행하기 전이나 후 또는 이와 동시에 NH3, N2, H2 중에서 선택되는 적어도 두 가지 이상의 가스를 혼합한 분위기에서 800℃이상 1150℃이하로 질화열처리소둔하여 강판 표층부에 Al 질화물을 포함하여 이루어지는 농화층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 질화열처리소둔에 의해 Al 질화물로 이루어진 농화층을 형성하여 강판 표층부 고질소화로 고강도 특성을 확보하고 침질되지 않은 심부에는 연성을 유지하여 고인성의 특성을 확보함으로서, 자기적 특성이 우수하면서도 고강도와 고인성의 기계적 특성을 동시에 갖는 고장력 무방향성 전기강판을 경제적으로 제조할 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 냉간압연후 행해지는 질화열처리소둔을 통해 무방향성 전기강판의 표층부에 질소량 0.01%이상의 농화층을 형성하여 자기적 특성이 우수하면서도 고강도 및 고인성화에 따른 고장력화를 효과적으로 향상시킨 고장력 무방향성 전기강판으로서, 중량%로 Si: 2.0~4.5%, Al: 0.02~2.0%, Mn: 0.4%이하, P:0.05%이하, Ti: 0.004%이하, C: 0.004%이하, S: 0.002%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지고, 강판에 함유된 총질소량은 0.01~0.15중량%로 제어되며, 강판 표층부에는 Al 질화물을 포함하여 이루어지는 농화층이 형성되어진 것을 특징으로 한다.
여기서의 농화층은 슬래브 성분중에 함유된 질소로 인하여 형성되는 것과는 구별된다. 즉, 본 발명에서 Fe, Si 및 Al을 제외하면 사실상 모든 원소가 없어도 무관한 불순물로 작용하며, 슬래브 함유 N 역시 불순물로서 극소량으로 제어되는 것이 바람직한 성분에 해당한다.
또한, 상기 농화층은 결정립안정화소둔 분위기중의 질소가 강판 내부로 침입하여 형성되는 것과 구별된다. 결정립안정화소둔시 N는 강판 내부로 침입하여 결정립 성장을 억제하고 집합조직 발달을 저해하므로 소둔 초기에 N의 침입을 억제하도록 하는 것이나, 본 발명에서는 고강도와 고인성 특성을 양립시키기 위해 질화열처리소둔으로 강판 표층부에 농화층을 형성시키는 것이다.
본 발명에서 농화층은 Al 질화물이 질소량 환산으로 0.01%이상으로 석출된 영역을 의미하는 것으로 정의한다. 이는 무방향성 전기강판의 고강도 특성을 확보하기 위해 요구되어지는 질소량의 하한이 0.01중량%이기 때문이다.
질화열처리소둔을 통해 최종적으로 강판에 함유된 총질소량은 0.01중량%이상 0.15중량%이하로 한다. 질소함량이 0.01%보다 작으면 Al 질화물이 충분히 석출되지 않아 고장력화를 확보할 수 없고, 0.15%보다 크면 조대한 Al 질화물의 과다 석출로 자기적 특성이 극히 열화된다. 상기 총질소량은 강판 성분으로 함유되어진 질소량과 강판 표층부에 석출된 Al 질화물에 포함된 질소량을 합한 값으로 한 것이다.
또한, 본 발명에서 강판에 함유된 총질소량은 강판성분으로 함유된 Al과 0.01+0.005×Al(%) ≤ 총질소량(%) ≤ 0.14+0.005×Al(%) 의 조건식을 만족하도록 함유되는 것을 특징으로 하는 것으로, 이는 무방향성 전기강판의 고장력화에 적절 한 Al과 총질소 함량의 관계를 규명하는 것이다.
도 1은 Al 함량과 질소량에 따른 항복강도 특성을 나타낸 도면으로서, Al함량을 0~2.11(중량%)에 변화시키고 질화열처리소둔 조건을 변화시키면서 Al 질화물을 강판 표층부에 형성하여 얻어진 강판의 항복강도를 측정하고, 그 결과를 500MPa이상(◎)과, 500MPa미만(×)으로 구분하여 도시한 것이다. 도 1로부터, 총질소량이 0.01+0.005×Al 보다 작은 경우 항복강도가 낮음을 알 수 있다. 또한, 고강도화를 위해 요구되는 총질소량은 Al 함량에 비례하여 증가되는 경향에 있고, 본 발명에서 Al 함유량인 0.02~2.0%의 영역에서 총질소량은 0.15%이하로 유지되어야 하는 것이므로 총질소량은 0.14+0.005×Al 을 넘어서는 안되는 결론에 도달하게 된다.
본 발명에서 무방향성 전기강판의 고장력화를 위해 바람직한 Al 질화물의 크기는 5~1000nm이다. 질화열처리소둔후 얻어진 강판 단면의 조직을 전자 현미경(TEM)으로 관찰해 보면, Al 질화물과 산화물이 강판 표층부에 석출되어 있는 것으로 확인되는데, 석출된 Al 질화물의 평균 크기가 5nm보다 작은 값으로 측정되거나 혹은 1000nm보다 큰 값으로 측정되는 어느 경우에 있어서도 충분한 고장력 특성이 확보되지 않았다. 따라서 질화열처리소둔에 의해 석출된 석출물의 크기는 5~1000nm인 것이 바람직하며, 보다 바람직한 범위는 100nm~1000nm 이다. 여기서, 석출물인 AlN의 크기는 그 최장길이를 측정한 값을 기준으로 한 것이다.
본 발명에서 무방향성 전기강판의 표층부에 형성되는 농화층의 두께는 0.005×t ≤ D ≤ 0.03×t (D: 농화층 두께, t: 판두께)의 조건식을 만족하도록 형성됨이 바람직하다. 이는 농화층 두께(D)가 0.005×t(판두께)보다 작으면 표층부 농화 층 형성으로 인한 고강도화를 달성하기에 부족하고, 농화층 두께(D)가 0.03×t(판두께)보다 크면 자기적 특성이 크게 저하되며 심부의 연성을 유지하지 못하여 고인성 특성이 저하되기 때문이다.
상기 농화층은 무방향성 전기강판의 어느 한쪽의 표층부에만 형성되도록 할 수도 있으나, 고강도화를 위해 강판의 양쪽 표층부에 형성되도록 함이 바람직하다. 이때, 상기 농화층 두께(D)는 강판의 양쪽 표층부에 형성된 농화층의 두께를 측정하여 합한 값을 기준으로 한 것이다.
상기 농화층에는 Al 질화물과 Al 산화물이 포함되어 있는데, 본 발명자는 판두께 단면에서의 Al 질화물 및 Al 산화물의 단면적을 측정하고 이에 따른 강도 변화를 조사하는 실험을 통하여, Al 질화물과 Al 산화물의 단면적 비율은 [AlN]/([AlN]+[Al2O3])≥0.7 의 관계식을 만족하는 조건에서 고강도화에 유리함을 알 수 있었다. 여기서, [AlN]은 판두께 단면에서의 Al 질화물 단면적, [Al2O3]은 판두께 단면에서의 Al 산화물 단면적이다. 따라서 질화열처리소둔후의 고강도화는 Al 산화물보다는 강판 표층부 농화층내에 석출된 AlN에 기인하는 것으로 생각되며, Al 질화물 단면적이 Al 산화물 단면적의 약 2.33배 미만인 조건하에서는 충분한 고장력 특성을 얻지 못하는 것이다.
다음으로, 본 발명의 성분제한 이유를 설명한다.
[Si: 2.0~4.5중량%]
Si는 비저항을 증가시켜 철손중 와류손실을 낮추는 성분으로서, 2.0% 이하로 첨가하면 비저항감소로 철손이 증가되고 자성에 유리한 집합조직의 발달이 곤란하며, 4.5%를 초과하면 냉간압연성이 떨어져 판파단이 일어날 수 있으므로 2.0~4.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
[Al: 0.02~2.0중량%]
Al은 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는데 유효한 성분이어서 첨가하며, N과 반응하여 석출강화와 분산강화효과를 얻을 수 있는 석출물인 AlN과 같은 Al 질화물을 발생시킨다. 0.02중량% 미만으로 첨가하면 Al 질화물의 석출량이 적어서 강화효과가 떨어지며, 2.0중량%를 초과하여 첨가하면 첨가량에 비해 자성향상의 정도가 떨어지므로, Al은 0.02~2.0중량%로 첨가한다.
[Mn: 0.4중량%이하]
Mn은 S와 결합하여 결정립 성장을 억제하는 미세한 석출물인 MnS를 형성하기 때문에 보다 조대한 석출물로 만들기 위하여 첨가한다. Mn이 많아도 본 발명에서는 자성을 향상시키지 않으므로 0.4중량%이하로 첨가한다.
[P: 0.05중량%이하]
P는 집합조직을 향상시키므로 첨가하지만 과다하게 첨가되면 냉간압연성이 나빠지므로 0.05중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
[Ti: 0.004중량%이하]
Ti는 미세한 TiN, TiC 의 석출물을 만들어 결정립성장을 억제함으로 억제하며, 본 발명에서는0.004%이하로 한다. 이보다 많이 첨가되면 보다 많은 미세한 석 출물이 발생되어 집합조직을 나쁘게 하여 자성이 저하된다.
[C: 0.004중량%이하]
C는 최종제품에서 자기시효를 일으켜 사용중 자기적 특성을 저하시키므로 0.004% 이하로 함유하며, C의 함량이 낮을수록 자기적 특성에 바람직하므로 최종제품에서는 0.003중량%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
[S: 0.002중량%이하]
S는 미세한 석출물을 형성하여 자기특성을 열화시키므로 가능한 낮게 관리하는 것이 유리하며, 무방향성 전기강판에서는 N의 침입을 억제하기 때문에 0.002%이하로 첨가한다.
[N: 0.003중량%이하]
N은 미세한 AlN 석출물을 형성하여 결정립성장을 억제하므로 적게 함유시키며, 본 발명에서는 소강상태의 질소 함량은 0.003중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 한편 질화열처리소둔에 있어서 냉간압연한 후 건조한 분위기와 수소와 암모니아 가스의 혼합가스 분위기가 각각 제어되고 일련의 온도구간에서 질화열처리소둔을 통해 최종적으로 강판에 함유된 총질소량은 0.01중량%이상 0.15중량%이하로 한다. 질소함량이 0.01%보다 작으면 Al 질화물이 충분히 석출되지 않아 고장력화를 확보할 수 없고, 0.15%보다 크면 다량의 Al 질화물 석출과 조대화로 인해 철손 및 자기적 특성이 극히 열화되어 우수한 자기적 특성을 확보할 수 없다. 또한 강판에 포함된 총질소량은 함유된 Al과 0.01+0.005×Al ≤ 총질소량 ≤ 0.14+0.005×Al 의 관계를 만족함이 바람직하다.
상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.
다음으로, 본 발명의 공정조건에 대해 설명한다.
본 발명에서 제시한 슬라브를 통상의 조건인 석출물들이 강내에 충분히 고용될 수 있도록 1150℃이하로 재가열한 다음 조압연을 실시하고 사상압연을 한후 마무리압연을 실시한다. 마무리 압연은 페라이트 단상의 영역에서 종료하며 판형상 교정을 실시하기 위해 최종압하율은 30%이하로 실시한다.
상기와 같이 제조된 열연판은 680℃이하에서 권취하고, 공기중에서 냉각한다. 권취되어 냉각된 열연판은 소둔 및 산세 후 냉간압연한다. 열연판은 800℃이상 1100℃이하의 온도에서 열연판 소둔을 실시한다. 열연판을 800℃보다 낮은 온도에서 소둔하면 결정립이 미세화되어 미세조직이 불균질해지고 자성이 열위해지며, 1100℃보다 높은 온도에서 소둔하면 집합조직이 열위해져 자성이 열위해진다. 열연판 소둔시간은 5분 이하로 하여 연속소둔한다. 산화분위기에서 열연판소둔을 하면 산소와 소재의 산화성 원소가 결합하여 강판의 표층하 개재물을 형성하고 자성을 열화시키므로 환원분위기에서 열연판 소둔을 행하는 것이 바람직하다.
열연판소둔이 완료되면 일련의 온도이후로 냉각하여 권취한 후, 냉간압연한다. 냉간압연은 1회냉간압연법 또는 중간소둔후 한번 더 압연하는 2회냉간압연법으로 제조가능하다. 1회 또는 2회 냉간압연법에서 압하율(또는 누적압하율)이 88%미만이거나 92%를 초과하게 되면 결정립이 작아 철손이 열위해지므로, 88%이상 92%이하의 압하율로 냉간압연하는 것이 바람직하다. 한편, 2회냉간압연법에 있어서의 중 간소둔은 900~1000℃의 온도에서 소둔한다. 냉간압연된 강판은 800~1150℃로 질화열처리소둔과 결정립안정화소둔을 순차적으로 행하거나 이와 역순으로 하여 연속으로 행할 수 있으며, 혹은 질화열처리소둔과 결정립안정화소둔을 동시에 행할 수도 있다. 질화열처리소둔은 암모니아(NH3)와 질소(N2), 수소(H2) 중에서 선택되는 적어도 두가지 이상의 가스를 혼합한 분위기에서 실시한다. 질화열처리소둔온도가 800℃미만이면 결정립 성장이 미흡하고, 1150℃를 초과하면 표면온도가 과다하게 높아져 판표면에 표면결함이 발생될 수 있을 뿐만 아니라 결정립이 과도하게 커져서 자기적 특성도 나빠지므로, 상기 질화열처리소둔 온도는 800℃이상 1150℃이하로 제한함이 바람직하다.
소둔처리된 강판은 절연피막을 상하면에 입혀 수요가로 출하되며, 절연피막은 유기질, 무기질 또는 유기질과 무기질이 두종류 이상 복합화된 복합피막으로 처리될 수 있다. 한편 유기질 또는 무기질이 아닌 기타 절연이 가능한 피막제로 처리하는 것도 가능하다. 고객사는 강판을 가공 후 그대로 사용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예1]
중량%로 Si:3.1%, C:0.002%, Mn:0.2%, S:0.001%, N:0.002%, Al:0.09%, P:0.010%, Ti:0.003%를 함유하고 잔부 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 무방향성 전기강판을 진공용해한 후 잉곳을 만들고, 열간압연하고 열연판소둔한 후, 최종두께 를 0.35mm가 되도록 냉간압연한 후 분위기가스와 소둔시간을 변화시키면서 800℃에서 질화열처리 소둔을 행하여 강판 표층부를 침질시키고 1000℃에서 결정립안정화소둔을 하였다. 한편, 발명재와의 비교를 위해 일부에 대하여는 질화열처리소둔을 하지 않고 결정립안정화소둔만을 하였다. 각각의 조건에 대하여 측정한 자기적 특성과 기계적 특성은 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112009042221846-PAT00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 질화열처리소둔을 하지 않은 비교재(A)의 경우 항복강도와 인장강도가 낮은 반면, 질화열처리소둔을 통해 표면을 경화하여 질소량을 0.01~0.15중량% 범위내에서 함유시킨 발명재(B~G)는 항복강도와 인장강도가 높아 기계적 특성이 우수하다.
강판에 함유된 총질소량이 0.15중량%를 초과하는 비교재 H의 경우, 자기적 특성의 열화를 초래하고 있음을 확인할 수 있다.
[실시예2]
중량%로 Si:3.0%, C:0.003%, Mn:0.2%, S:0.001%, P:0.010%, Ti: 0.003%, 잔 부 Fe와 기타 불가피하게 함유하고 Al 함량을 변화시킨 무방향성 전기강판을 진공용해한 후 잉곳을 만들고, 열간압연하고 열연판소둔한 후, 최종두께를 0.35mm가 되도록 냉간압연한 후 800℃에서 질화열처리소둔하여 강판 표층부를 침질시키고 1000℃에서 결정립안정화소둔을 하였다. 한편, 발명재와의 비교를 위해 일부에 대하여는 질화열처리소둔을 하지 않고 결정립안정화소둔만을 하였다. 각각의 조건에 대하여 측정한 자기적 특성과 기계적 특성은 표 2와 같다.
[표 2]
Figure 112009042221846-PAT00002
표 2에 나타낸 바와 같이, 질화열처리소둔을 하지 않은 비교재(I)의 경우 항복강도와 인장강도가 낮은 반면, 질화열처리소둔을 통해 표면을 경화하여 AlN을 1000nm 이하의 크기로 석출시킨 발명재(J~M)는 항복강도와 인장강도가 높아 기계적 특성이 우수하다.
비교재 N의 경우 질화열처리소둔을 통해 표면을 경화하였으나, AlN 석출물의 크기가 1000nm를 초과하여 항복강도와 인장강도가 낮음을 알 수 있다.
[실시예3]
중량%로 Si:3.0%, C:0.003%, Mn:0.2%, S:0.001%, P:0.010%, Ti: 0.002%, 잔 부 Fe와 기타 불가피하게 함유하고 Al 함량을 변화시킨 무방향성 전기강판을 진공용해한 후 잉곳을 제조하고, 열간압연 및 열연판소둔한 후, 최종두께를 0.35mm가 되도록 냉간압연한 후 분위기가스와 소둔시간을 변화시키면서 800℃에서 질화열처리소둔하여 강판 표층부를 침질시키고 이어서 1000℃에서 결정립안정화소둔을 하였다. 각각의 조건에 대하여 측정한 자기적 특성과 기계적 특성은 표 3과 같다.
[표 3]
Figure 112009042221846-PAT00003
발명재(O,Q,T,U,X,Y)는 질소량이 0.01+0.005×Al 보다 큰 경우로서, 충분한 고장력 특성(항복강도≥500MPa)이 확보되나, 비교재(P,R,S,V,W,Z)와 같이 질소량이 0.01+0.005×Al 보다 작은 경우, 항복강도와 인장강도가 낮고 연신율이 높아져 충분한 고장력 특성이 얻어지지 않는다.
[실시예4]
중량%로 Si:3.0%, C:0.003%, Al:0.1%, Mn:0.2%, S:0.001%, P:0.010%, Ti: 0.003%, 잔부 Fe와 기타 불가피하게 함유하는 무방향성 전기강판을 진공용해한 후 잉곳을 제조하고, 열간압연 및 열연판소둔한 후, 최종두께가 0.21~0.50mm로 되도록 냉간압연율을 86~94%에서 변화시키면서 냉간압연한 후 여러 가지 조건으로 질화열처리소둔하여 강판 표층부를 침질시키고 이어서 1000℃에서 결정립안정화소둔을 하였다. 각각의 조건에 대하여 측정한 농화층/판두께(%) 비율과, AlN/(AlN+Al2O3) 비율, 자기적 특성 및 기계적 특성은 표 4와 같다.
[표 4]
Figure 112009042221846-PAT00004
표 4로부터 냉간압연율이 88%미만(비교재1)이거나 92%를 초과(비교재13)하는 경우, 철손이 크거나 자속밀도가 낮고, 질화열처리소둔 온도가 800℃미만(비교재7)이거나 1150℃를 초과(비교재11)하는 경우 또한 자기적 특성이 나쁨을 알 수 있다. 또한, 판두께 대비 농화층의 비율이 0.5%미만(비교재3)이거나 Al 질화물과 Al 산화물 합계 대비 AlN 함유율이 70%미만(비교재6)인 경우 항복강도와 인장강도가 낮으며, 판두께 대비 농화층의 비율이 3.0%를 초과(비교재8)하는 경우에는 자기적 특성 이 떨어지게 된다.
본 발명의 범위와 같이, 냉간압연율을 88~92%로 하고, 질화열처리소둔을 800~1150℃에서 행하여 판두께 대비 농화층의 비율을 0.5~3.0%로 형성시키고, 농화층중의 AlN 함유율을 70%이상으로 하는 경우(발명재2,4,5,10,12)에는 자기적 특성과 기계적 특성이 모두 우수하다.
도 1은 Al 함량과 총질소량에 따른 항복강도 특성을 나타낸 도면.

Claims (7)

  1. 중량%로 Si: 2.0~4.5%, Al: 0.02~2.0%, Mn: 0.4%이하, P: 0.05%이하, Ti: 0.004%이하, C: 0.004%이하, S: 0.002%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되고, 강판에 함유된 총질소량이 0.01~0.15중량%로 제어되며, 강판 표층부에 Al 질화물을 포함하여 이루어지는 농화층이 형성된 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 총질소량은 하기의 식 1을 만족하도록 함유되어진 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판.
    [식 1] 0.01+0.005×Al(중량%) ≤ 총질소량(중량%) ≤ 0.14+0.005×Al(중량%)
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 농화층내 Al 질화물의 평균 크기는 5nm이상 1000nm이하인 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 농화층은 Al 질화물과 Al 산화물을 포함하여 이루어지고, 상기 Al 질화 물과 Al 산화물은 하기의 식 2를 만족하는 비율로 형성된 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판.
    [식 2] [AlN]/([AlN]+[Al2O3]) ≥ 0.7
    ([AlN]: 판두께 단면에서의 Al 질화물 면적, [Al2O3]: 판두께 단면에서의 Al 산화물 면적)
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 농화층은 하기의 식 3을 만족하는 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판.
    [식 3] 0.005×t ≤ D ≤ 0.03×t (D: 농화층 두께, t: 판두께)
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 농화층은
    NH3, N2, H2 중에서 선택되는 적어도 두 가지 이상의 가스가 혼합된 분위기에서 800℃이상 1150℃이하의 온도로 수행되는 질화열처리소둔에 의해 형성되어진 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판.
  7. 중량%로 Si: 2.0~4.5%, Al: 0.02~2.0%, Mn: 0.4%이하, P:0.05%이하, Ti: 0.004%이하, C: 0.004%이하, S: 0.002%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 슬라브를 열간압연하고, 압하율 88%이상 92%이하의 1회 냉간압 연 또는 중간소둔을 실시하는 누적 압하율 88%이상 92%이하의 2회 이상 냉간압연을 행한후, 냉간압연된 냉연판의 결정립안정화소둔을 행하기 전이나 후 또는 이와 동시에 NH3, N2, H2 중에서 선택되는 적어도 두 가지 이상의 가스를 혼합한 분위기에서 800℃이상 1150℃이하로 질화열처리소둔하여 강판 표층부에 Al 질화물을 포함하여 이루어지는 농화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고장력 무방향성 전기강판 제조방법.
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