KR20120074394A - 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무방향성 전기강판의 제조에 관한 것으로, 중량%로 C: 0.005%이하, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.005~0.1%, P: 0.2%이하, Sol.Al: 0.01%이하, S: 0.001~0.01%, Ti: 0.004%이하, N: 0.004%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 슬라브를 페라이트상에서 열간압연한 후, 냉간압연하고, 중간소둔을 실시한 후 10%이하의 압하율로 스킨패스 압연하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 미세한 석출물의 형성을 억제하고 스킨패스압연시 압하율을 제어함으로써 응력제거소둔 후 석출물의 영향을 최소화하여 첨가원소의 양을 과도하게 증가시키지 않고도 자기특성, 특히 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

Description

투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판 및 그 제조방법{Semiprocess non-oriented electrical steel sheets with superior magnetic properties and method for manufacturing the same}
본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심 등으로 사용되는 무방향성 전기강판의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
무방향성 전기강판은 모터, 변압기 등의 전기제품의 철심용 재료로 사용되고 있으며, 에너지손실이 가장 커질 수 있는 부품이어서 전기제품 설계에서 가장 중요한 부품이 된다. 철심은 전기를 부가하여 자기장을 걸어줄 때 자기장의 크기를 크게 하여 주기 때문에 사용한다. 무방향성 전기강판의 철손이 낮으면 전기손실을 줄일 수 있으며, 특히 무방향성 전기강판의 자기적 특성 중에서 투자율이 높으면 자화가 용이하여 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 전기제품의 크기를 줄일 수 있다. 특히, 모터용 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판은 높은 투자율을 가질 것이 요구된다.
무방향성 전기강판을 제조하는 방법은 크게 폴리프로세스 방법과 세미프로세스 방법의 두 가지로 구분할 수 있다. 폴리프로세스 방법은 슬라브를 열간압연, 냉간압연, 최종소둔후 출하하는 방법이다. 세미프로세스 방법은 냉연판을 소둔하고 스킨패스 압연한 후 수요가로 출하하는 방법이다. 세미프로세스 방법은 스킨패스 압연에 의해 잔류응력이 부가되어 있어서, 수요가가 원하는 철심의 형태로 가공한 후에 응력제거소둔을 실시하고 있다. 세미프로세스 방법에 의해 제조된 무방향성 전기강판은 폴리프로세스 방법에 의해 제조된 무방향성 전기강판에 비해 결정립이 커져서 자성이 향상될 수 있다.
세미프로세스 무방향성 전기강판의 투자율을 높이기 위한 기술로는, 크게 불순물을 저감한 청정강을 이용하는 기술과, 추가적인 합금원소를 첨가하여 집합조직을 개선하는 기술이 제안된 바 있다. 전자의 경우에는 제강공정에서 불순물 저감을 위하여 추가공정을 필요로 하여 원가가 증가되며, 후자의 경우 추가로 첨가되는 합금원소의 비용으로 제품단가가 상승되는 단점이 있다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, Al은 강의 탈산을 위해서 필요한 최소한의 양만을 첨가하는 동시에, Mn을 가능한 적게 함유시켜서 미세한 석출물의 형성을 억제함으로써 투자율을 향상시키도록 하는 세미프로세스 무방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법은, 중량%로 C: 0.005%이하, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.1%이하, P: 0.2%이하, Sol.Al: 0.01%이하, S: 0.001~0.01%, Ti: 0.004%이하, N: 0.004%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연한 후, 냉간압연하고, 중간소둔을 실시한 후 스킨패스 압연하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법은, 슬라브는 Mn을 0.05%이하로 함유하고, Sol.Al을 0.005%이하로 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법은, 슬라브는 0.005~0.2%의 Sn, 0.005~0.2%의 Sb 중의 적어도 하나 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법은, 중간소둔 온도는 700~850℃로 하고, 열간압연은 페라이트상에서 실시하고, 스킨패스 압하율은 10% 이하로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판은, 중량%로 C: 0.005%이하, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.005~0.1%, P: 0.2%이하, Sol.Al: 0.01%이하, S: 0.001~0.01%, Ti: 0.004%이하, N: 0.004%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판은, Mn은 0.05%이하로 함유되고, Sol.Al은 0.005%이하로 함유되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판은, 0.005~0.2%의 Sn, 0.005~0.2%의 Sb 중의 적어도 하나 이상이 추가로 함유되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, Al은 강의 탈산을 위해서 sol.Al의 형태로 최소한의 필요량만을 첨가하는 동시에, 성분 중 Mn을 적게 첨가하고, S를 적정량 첨가하여 미세한 석출물의 형성을 억제하고 석출물에 의한 영향을 최소화함으로써 첨가원소의 양을 과도하게 증가시키지 않고도 자기특성, 특히 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판을 제공하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명자는 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조에 있어서 다양한 합금원소가 미치는 종류별 영향을 조사하고, 열간압연, 냉간압연, 중간소둔, 스킨패스 압연등의 다양한 공정인자들의 조정에 의한 자기 특성의 변화에 대하여 조사한 결과, Al과 Mn을 극히 낮은 함량으로 첨가시킨 경우에 있어서 응력제거소둔 후의 자기특성이 열화될 것이라는 예상과는 달리 우수한 자기특성을 갖는 세미프로세스 무방향성 전기강판을 제조할 수 있음을 발견할 수 있었다.
또한 본 발명자는 상기와 같이 Al과 Mn함량이 낮은 강을 이용하여 안정적으로 우수한 자성을 얻기 위해서는 열간압연 조직과, 냉연판의 중간소둔 온도, 스킨패스 압하율을 적정 수준으로 제어하여야 한다는 사실을 도출하여 본 발명을 완성할 수 있었다.
본 발명의 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법은 중량%로 C: 0.005%이하, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.1%이하, P: 0.2%이하, Sol.Al: 0.01%이하, S: 0.001~0.01%, Ti: 0.004%이하, N: 0.004%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연하되 페라이트상에서 열간압연이 실시되도록 하고, 열간압연된 열연판을 권취한 후 냉간압연하고, 700~850℃로 중간소둔을 실시한 후 10% 이하의 압하율로 스킨패스 압연하는 것을 요지로 하는 것이다. 보다 바람직한 Mn의 함량은 0.05% 이하, Al의 함량은 0.005% 이하이다.
먼저, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다. 특별히 언급하지 않는 한, 이하에서의 함량은 중량%를 의미한다.
C는 최종제품에서 자기시효를 일으키며, 탄화물을 형성하여 사용 중 철손을 높이므로 0.005%이하로 함유되도록 한다.
S는 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 철손을 높이므로 가능한 낮게 관리하는 것이 유리하며, 0.01%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한 S는 N의 결정립계에 많이 존재하여 N의 침투를 억제하기 때문에 적어도 0.001% 이상은 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서 S는 0.001~0.01%(10~100ppm)으로 함유토록 한다.
Mn은 집합조직을 발달시키기 위하여 첨가될 수 있다. Mn 함량이 0.1%를 초과하면 첨가량에 비해 철손의 저감 효과가 작고 자성에 불리한 집합조직이 발생될 수 있으므로 Mn 함량은 0.1% 미만으로 제한한다. Mn의 함량이 적을수록 MnS의 석출량이 감소되므로 Mn은 0.05% 이하로 함유되는 것이 보다 바람직하다. 다만, Mn 함량이 0.005% 미만에서는 MnS가 미세하게 석출되는 경향이 있으므로 Mn은 0.005% 이상으로 함유되는 것이 좋다.
Al은 제강공정에서 강을 제조할 때 강 중의 산소를 탈산하기 위하여 첨가하나, 너무 많이 첨가하면 비저항이 증가되어 자속밀도가 낮아지기 때문에 0.01%이하, 보다 바람직하게는 0.005%이하로 함유되도록 한다. 또한 sol.Al은 0.0001~0.003%로 첨가되면 길고 작은 AlN 석출물의 형성이 억제되는 효과를 기대할 수 있다.
N는 긴 AlN석출물을 형성하여 결정립성장을 억제하므로 적게 함유시키는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 0.004%이하로 제한한다.
Ti는 미세한 탄화물이나 질화물을 만들어 결정립성장을 억제하므로 적게 함유시키는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 0.004%이하로 제한한다.
Si는 비저항을 증가시켜서 철손 중 와류손실을 낮추는 성분이기 때문에 첨가하며, Si 함량이 0.1% 미만에서는 철손과 투자율을 향상하는 것이 곤란하며, 1.5%를 초과하여 첨가되면 포화자속이 낮아져 투자율이 낮아지므로 Si의 함량은 0.1~1.5중량%로 제한한다.
P는 비저항을 증가시켜 철손을 낮추므로 첨가하지만, P의 함량이 과다하면 냉간압연성이 나빠지므로 0.2중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Sn은 결정립계에 편석하여 결정립계를 통한 질소의 확산을 억제하며 집합조직을 개선하기 때문에 첨가한다. Sn이 0.005%미만으로 첨가되면 상기의 효과를 기대하기 어렵고, 0.2%를 초과하여 첨가되면 압연성상이 나빠지기 때문에 Sn의 함량은 0.005~0.2%로 제한한다.
Sb 역시 Sn과 유사하게 결정립계에 편석하여 결정립계를 통한 질소의 확산을 억제하며 집합조직을 개선하기 때문에 첨가하는 원소로서, 0.005%미만으로 첨가되면 그 효과를 기대하기 어렵고, 0.2%를 초과하여 첨가되면 압연성상이 나빠지기 때문에 0.005~0.2%로 제한한다.
상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성된다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다. 상기와 같이 조성되는 강 슬라브는 제강에서 용강으로 제조한 후 연속주조공정에서 응고시키며, 열간압연전에 가열로로 장입하여 1250℃이하의 온도로 가열한다. 슬라브 가열온도를 과도하게 높게 하면 AlN과 MnS 등 자성에 해로운 석출물이 재용해되어 열간압연후 미세하게 석출될 수 있으므로, 슬라브 가열온도는 1250℃ 이하로 한다.
상기와 같이 가열된 슬라브는 열간압연을 실시한다. 열간압연은 조압연한 후 사상압연을 실시함에 의하여 수행될 수 있다. 사상압연의 마무리압연은 페라이트상에서 종료하는 것이 바람직하다. 열간압연을 페라이트상에서 수행하는 것은 결정립을 조대화할 수 있으며, 오스테나이트상이나 페라이트와 오스테나이트의 복합상에서 열간압연하였을 때와 대비하여 압연 후 회복이 주로 일어나기 때문이다. 판형상의 교정을 위하여 열간압연은 최종 압하율이 20% 이하가 되도록 수행하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 열연판은 600~800℃에서 권취하여 냉각한다. 냉각방법은 공기 중에서 하거나, 필요시 물속에 넣어 냉각하는 수냉에 의해 실시할 수도 있다. 냉각된 열연판은 필요에 따라 열연판 소둔을 실시할 수 있다. 열연판 소둔을 실시하는 경우에 있어서는 열연판 소둔 온도를 800~1050℃로 설정하는 것이 바람직하다. 그 이유는 열연판 소둔을 800℃ 미만의 온도에서 실시하는 경우 자성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 열연판 소둔을 1050℃를 초과하는 온도에서 실시하는 경우 판형상이 나빠질 수 있기 때문이다.
이어서 열연판을 산세한 후 냉간압연하고, 냉간압연된 냉연판을 중간소둔한다. 중간소둔은 결정립이 자성에 유리한 10~100㎛의 크기로 재결정되는 온도 조건하에서 실시함이 바람직하다. 냉연판의 중간소둔시 가열속도는 2~20℃/sec로 하고, 가열대 종료 온도는 650~850℃로 하고, 균열대에서의 소둔온도는 700~850℃로 하며, 10~120초간 소둔한다. 중간소둔시 가열속도가 2℃/sec보다 느리면 제품에서 원하는 결정립을 얻기 어려우며, 20℃/sec보다 빠르면 결정립이 과도하게 성장하여 원하는 결정립을 얻기 어렵다. 또한 균열대에서의 소둔온도를 700~850℃로 하는 이유는 균열대 소둔온도가 700℃보다 낮으면 결정립이 성장하기 어려우며, 850℃보다 높으면 결정립이 과도하게 성장되어 적정 크기의 결정립을 얻을 수 없기 때문이다.
중간소둔된 냉연판은 스킨패스 압연(경압연)을 실시한다. 스킨패스 압연은 10% 이하의 압하율로 실시하는 것이 바람직하다. 스킨패스 압연을 10% 이하의 압하율로 실시하게 되면 고객사에 의한 응력제거 소둔시 결정립이 적정 크기로 균일하게 성장하여 원하는 특성을 확보할 수 있다. 그러나 10%를 초과하는 압하율로 스킨패스 압연을 실시하게 되면 결정립이 성장하는 것이 아니라 재결정이 발생되어 새로운 결정립이 발생되므로 자성이 열화된다. 따라서 스킨패스 압연은 10% 이하의 압하율로 실시한다.
이와 같이 스킨패스 압연된 압연판은 고객사로 출하될 수 있다. 이때 압연판 소재에 압연유를 도포한 상태로 출하하거나, 필요시 압연판에 절연피막 처리를 한 후 고객사로 출하하는 것도 가능하다. 절연피막은 유기질이나 무기질 혹은 유무기 복합피막으로 처리될 수 있으며, 기타 절연이 가능한 피막제를 입힐 수 있다. 이후, 고객사는 출하된 압연판을 원하는 형태로 가공한 후, 응력제거 소둔을 수행한다. 응력제거 소둔은 비산화성 분위기에서 700~850℃의 온도범위로 실시할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
하기 표 1에 나타낸 것과 같은 성분의 강 슬라브를 1150℃로 가열하고, 2.6mm의 두께로 열간압연한 후 공기 중에서 700℃에서 권취하고 냉각하였다. 열간압연시 열간 마무리 압하율을 17%로 하였으며, 압연온도 850℃의 페라이트상에서 열간압연하였다. 열연강판은 산세한 후 최종 두께가 0.5mm가 되도록 냉간압연하였다. 냉간압연된 판은 표 2에 나타낸 조건으로 중간소둔한 후, 스킨패스 압연하였으며, 이어서 환원 분위기에서 760℃온도로 2시간 동안 응력제거 소둔을 실시하였다. 응력제거소둔된 강판의 자기적 특성(철손, 투자율)을 조사하여 그 결과를 표 2에 함께 나타내었다.
강 명칭 C* Si S* P Mn Sol.Al N* Ti* Sn Sb
비교강A 28 0.42 8 0.02 0.25 0.0005 15 15 0.05 -
비교강B 29 0.40 7 0.02 0.05 0.0020 14 16 - -
발명강A 27 0.43 25 0.02 0.01 0.0010 13 15 - -
발명강B 22 0.43 30 0.03 0.03 0.0007 15 12 0.04 -
발명강C 28 0.44 35 0.07 0.02 0.0009 13 13 0.03 0.01
발명강D 25 0.43 25 0.03 0.05 0.0005 14 16 0.03 -
발명강E 26 0.42 15 0.02 0.04 0.0008 12 15 0.03 -
비교강C 24 0.43 30 0.02 0.35 0.0016 15 17 0.03 0.02
비교강D 25 0.43 35 0.05 0.18 0.12 15 16 0.03 -
1) 상기 성분에서 C, S, N, Ti은 ppm 단위이고, 나머지는 중량% 단위임.
구분 강명칭 냉연판 중간소둔 스킨패스율
(%)		 철손
(W15/50)		 투자율
(U1.5)
균열온도
(℃)		 균열시간
(초)
비교재1 비교강A 720 60 4 4.95 2300
비교재2 비교강B 720 60 4 4.96 2750
발명재1 발명강A 720 60 4 3.89 4200
발명재2 발명강B 720 60 3 4.26 3830
발명재3 발명강C 720 60 4 4.10 3750
발명재4 발명강C 780 10 5 4.31 3800
발명재5 발명강D 750 20 4 4.36 3750
비교재3 발명강D 900 20 12 4.75 2650
발명재6 발명강E 750 20 4 4.38 3920
비교재4 비교강C 750 20 4 4.52 1950
비교재5 비교강D 750 20 4 4.88 2380
2) 철손(W15/50)은 50Hz주파수에서 1.5Tesla의 자속밀도가 유기되었을 때의 압연방향과 압연방향 수직방향의 평균 손실(W/kg)임.
3) 투자율(U1.5)는 1.5Tesla에서의 자속밀도에서 유도되는 투자율임.
상기 표 2의 결과로부터, 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강(A~E)을 이용하여 본 발명의 제조조건으로 제조한 발명재1~6은 투자율이 높게 나타났으며, 철손도 낮음을 알 수 있다.
비교재1은 S 함량이 낮고, Mn 함량이 높아서 철손이 높고 압연방향의 투자율이 미흡하다. 비교재2는 S 함량이 발명의 범위보다 낮아서, 철손이 높고 압연방향의 투자율이 미흡하다. 비교재4는 Mn 함량이 높아서 투자율이 낮고, 비교재5는 Mn과 Al 함량이 본 발명의 범위보다 높아서 자성이 미흡하다. 비교재3은 중간소둔 온도가 높아 에너지 손실이 많으며, 투자율이 열위해지는 것을 알 수 있다.
중량%로, C: 0.0027%, Si: 0.8%, Mn: 0.03%, P: 0.015%, S: 0.0015%, sol.Al: 0.0007%, N: 0.0015%, Ti: 0.0009%, Sn: 0.03%, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 슬라브를 1180℃로 재가열하고, 열간압연하였다. 열간압연시 사상압연의 마무리 압연온도는 페라이트상인 860℃와 오스테나이트상인 930℃의 두 가지로 하여 2.5mm 두께의 열연강판을 제조하였다. 상기 열연강판을 620℃에서 권취한 다음 공냉하였고, 산세 후 0.50mm로 냉간압연하였다. 이어서 냉연판을 중간소둔하였으며, 중간소둔시 균열대에서의 소둔온도는 750℃로 하고, 균열대 유지시간은 60초로 하였다. 중간소둔된 강판은 5% 압하율로 스킨패스 압연을 실시한 후, 750℃로 응력제거 소둔한 후, 자성을 측정하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 열간압연상 철손(W15/50,W/kg) 1.5Tesla의 투자율
발명재7 페라이트 1.98 3200
비교재6 오스테나이트 2.35 2300
발명재7은 페라이트상에서 열간압연이 수행되어 철손이 낮고 투자율이 높았으나, 비교재6은 오스테나이트상에서 열간압연이 수행되어 자성이 열위하였다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C: 0.005%이하, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.1%이하, P: 0.2%이하, Sol.Al: 0.01%이하, S: 0.001~0.01%, Ti: 0.004%이하, N: 0.004%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연한 후, 냉간압연하고, 중간소둔을 실시한 후 스킨패스 압연하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬라브는 Mn을 0.05%이하로 함유하고, Sol.Al을 0.005%이하로 함유하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 슬라브는 0.005~0.2%의 Sn, 0.005~0.2%의 Sb 중의 적어도 하나 이상을 추가로 함유하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    중간소둔 온도를 700~850℃로 하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    열간압연은 페라이트상에서 실시하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    스킨패스 압연의 압하율을 10% 이하로 하는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판의 제조방법.
  7. 중량%로 C: 0.005%이하, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.1%이하, P: 0.2%이하, Sol.Al: 0.01%이하, S: 0.001~0.01%, Ti: 0.004%이하, N: 0.004%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 조성되는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판.
  8. 청구항 7에 있어서,
    Mn은 0.05%이하로 함유되고, Sol.Al은 0.005%이하로 함유되는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    0.005~0.2%의 Sn, 0.005~0.2%의 Sb 중의 적어도 하나 이상이 추가로 함유되는 투자율이 우수한 세미프로세스 무방향성 전기강판.
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