KR20140060721A - 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

무방향성 전기강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중량%로, C:0.005%이하(0% 제외), Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하(0% 제외), S:0.005%이하(0% 제외), Mn:0.05%이하(0% 제외), Al:0.1~1.0%, N:0.003%이하(0% 제외), Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하고, 잔부는 Fe 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되며, 상기 전기강판 내의 (Ti, Nb)(C, N)석출물 크기가 100nm~10㎛인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 및 그 제조방법이 개시된다.

Description

무방향성 전기강판 및 그 제조방법{NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL STEET AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대형발전기, 하이브리드 자동차 및 전기자동차와 같은 친환경 자동차 또는 고속기기 등의 큰 응력이 걸리는 전기기기의 부품에 이용되는 자성이 우수하고 강도가 높은 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 문제가 대두됨에 따라, 모터의 효율을 지속적으로 증가시키는 노력이 진행되고 있으며, 그 일환으로 BLDC 모터와 같이 주파수를 변조하여 일반적인 회전속도보다 빠른 모터 회전속도를 얻고자 하는 노력이 진행되고 있다.
특히, 하이브리드 자동차 또는 전기자동차의 구동부에 사용되는 모터의 경우 제한된 크기로 큰 출력을 얻을 필요가 있어, 10,000rpm 이상의 회전속도가 요구된다. 따라서, 이와 같이 고속회전하는 기기의 회전자에는 고강도의 소재가 필요하다.
또한, 모터의 회전자에 쓰이는 소재의 경우에는 강도 이외에도, 고조파 또는 고주파에 의해 발생하는 와류손실을 저감시켜야 되기 때문에, 철손 또한 저감시켜야 한다. 따라서, 강도를 향상시킬 목적으로 고강도 탄소강이나 일체형 회전자를 만들게 되면 회전자 손실이 커져 모터의 전체적인 효율을 저감시키게 된다.
따라서, 강도와 철손을 모두 만족시킬 수 있는 고강도의 전기강판이 필요하며, 원가 부담을 최소화하기 위해, 원가가 낮은 고강도 무방향성 전기강판에 대한 연구도 진행되어 왔다.
예를 들면, 일본 공개 특허 2007-186790 및 WO2007/069776에서는 Ti을 0.05%~0.8%를 넣어 재결정을 지연시켜 미 재결정 회복조직의 존재비율을 50%이상 존재시킴으로써 강도를 높이고자 했으며, 일본 공개 특허 2006-169611 및 WO2007/144964에서는 냉간압연 또는 추가가공 이전 상태에서의 결정립 크기를 20㎛이상으로 제어함으로써 철손과 강도가 양립할 수 있는 기술이 개시되었다.
또한, 일본 공개 특허 2008-50685, WO2008/013015 및 한국 공개 특허 2009-0007745에서는 Nb계 탄화물과 Ni등을 사용하여 고강도 전기강판을 만들되, Mn과 C의 함량 제한범위를 두어 조업성을 향상시킨 기술이 개시되었다.
그러나, Ti과 같은 미량원소를 넣어 재결정을 지연시킴으로써 회복소둔 상태의 전위를 이용할 경우, Ti계 석출물에 의해 자성이 급격히 열화되어, 사용처에 따라 한계가 발생하게 되며, 일본 공개 특허 2007-186790의 경우에는 미재결정 영역이 많은 고강도 전기강판에서는 그 효과가 미미하여 그 이하의 결정립 크기를 갖는 소재를 이용하여 만들었을 경우와 비교하여 자기적 특성면에서 효과적인 자성향상을 가져오기 힘들고, 일본 공개 특허 2008-50685의 경우에는 Ni은 고가의 원소로 원가부담이 큰 문제가 발생하였다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 Ti, Nb계 석출물을 사용하여 효과적으로 철손을 감소시키고, 강도가 우수하며, 원가가 낮은 무방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량%로, C:0.005%이하(0% 제외), Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하(0% 제외), S:0.005%이하(0% 제외), Mn:0.05%이하(0% 제외), Al:0.1~1.0%, N:0.003%이하(0% 제외), Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하고, 잔부는 Fe 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되며, 상기 전기강판 내의 (Ti, Nb)(C, N)석출물 크기가 100nm~10㎛인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판이 제공될 수 있다.
상기 전기강판 내의 결정립 크기가 5㎛이하인 것을 특징으로 하고, 상기 전기강판의 항복강도는 700MPa 이상인 것을 특징으로 하며, 강판두께 0.35mm에서 철손(W10 /400)이 65W/Kg 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량%로, C:0.005%이하(0% 제외), Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하(0% 제외), S:0.005%이하(0% 제외), Mn:0.05%이하(0% 제외), Al:0.1~1%, N:0.003%이하(0% 제외), Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하고, 잔부는 Fe 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하고 열연판을 소둔한 후 산세하는 단계; 상기 산세한 강판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계; 상기 냉연판을 최종소둔하는 단계를 포함하며, 상기 열연판 소둔은 1050~1200℃의 온도 범위에서 1 내지 10분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법이 제공될 수 있다.
상기 최종소둔은 700~800℃의 온도 범위에서 1 분 내지 5분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 최종소둔 후 전기강판 내의 (Ti, Nb)(C, N)석출물 크기가 100nm~10㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 최종소둔 후 전기강판 내의 결정립 크기가 5㎛이하인 것을 특징으로 하고, 상기 최종소둔 후 전기강판의 항복강도는 700MPa 이상이며, 상기 최종소둔 후 강판두께 0.35mm에서 철손(W10/400)이 65W/Kg 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 무방향성 전기강판의 강도를 향상시킴으로써 응력을 과다하게 받는 모터 코어 부분에 적용하여 내구성을 증가시킬 수 있다.
또한, 전기강판의 0.35mm두께에서 W10 /400 철손이 65W/Kg 이하로써 자기적 특성을 향상시킬 수 있으며, 제조 원가를 낮출 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 무방향성 전기강판의 고강도화를 위해 Ti, Nb계 석출물을 사용하였는데, 보다 구체적으로는 본 발명에 따른 실시예에서의 무방향성 전기강판은 C:0.005%이하, Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하, S:0.005%이하, Mn:0.05%이하, Al:0.1~1%, N:0.003%이하, Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하며, 잔부는 Fe 및 기타 불순물로 구성된다.
먼저, 본 발명의 무방향성 전기강판의 성분제한 이유를 설명한다.
이하에서는 특별한 언급이 없는 한 함량의 단위는 중량 퍼센트(wt%)이다.
C:0.005% 이하(O% 제외)
C는 Nb, Ti, V과 같은 미량 원소와 결합하여 미세 탄화물을 형성하는 원소로, 재결정시 핵생성 사이트를 증가시켜서 결정립을 미세립화하여, 강도를 증가시키는 효과가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예에서는 탄화물에 의한 철손 열화를 막기 위해, 탄화물에 의한 강도 증가를 이용하지 않고, Ti 및 Nb의 단원자 상태를 이용하기 때문에 C의 상한을 0.005%로 하였다
Si:1.0~2.5%
Si는 비저항을 증가시켜서 철손 중 와류손실을 낮추고 강도를 증가시키는 원소로 효과적이나, 2.5%를 초과할 경우 비가역 연속 냉간압연기로 압연이 불가능해지므로 원가가 올라가는 경향이 있다. 따라서 원가 감소를 위해서는 Si의 함량을 2.5%로 제한하는 것이 바람직하며, 강도 및 철손 측면에서 1.0%이상 첨가할 필요가 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서의 Si의 함량은 상기 범위로 한정한다.
P:0.1% 이하(O% 제외)
P는 비저항을 증가시키고, 집합조직을 개선하여 자성을 향상시키기 위하여 첨가한다. 과다하게 첨가되면 냉간압연성이 악화되기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 P의 함량을 0.1% 이하로 한정한다.
S:0.005% 이하(O% 제외)
S는 미세한 석출물인 MnS 및 CuS를 형성하게 결정립성장을 억제하여 자기특성을 악화시키기 때문에 낮게 관리하며, 본 발명에 따른 실시예에서는 S의 함량을 0.001% 이하로 한정한다.
Mn:0.05% 이하(O% 제외)
Mn이 0.05%를 초과하여 첨가되면 조대한 MnS 석출물이 형성되어 석출물의 미세분산에 의한 강도 증가효과를 억제하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 강도를 증가시키는 관점에서 Mn의 함량을 0.05%로 한정한다.
Al:0.1~1.0%
Al은 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는데 유효한 성분이다. 만약, 0.1% 미만인 경우 AlN이 미세석출하여 자성이 악화되고, 1%를 초과한 경우 가공성이 열화 되므로, 본 발명에 따른 실시예에서는 Al의 함량을 상기 범위로 한정한다.
N:0.003% 이하(O% 제외)
N은 모재 내부에 미세하고 긴 AlN 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제하므로 적게 함유시키며, Ti. Nb와 결합하여 질화물을 만듦으로써 철손을 열화하게 만들고 단원자 상태로 존재하는 Ti, Nb의 양을 줄임에 따라 본 발명에 따른 실시예에서는 0.003% 이하로 한정한다.
Ti:0.03~0.1%
Ti은 모재 내부에서 N과 우선적으로 결합하여 석출물을 조대하게 함으로써, 석출물에 의한 자성열화를 방지하고, 나아가 기지금속에 용해되어 강도를 증가시키고, 재결정을 지연시켜서 고강도화를 가져오는 필수적인 원소이다. Ti의 함량이 0.03% 이하일 때는 강도 증가 효과가 작아 하한을 0.03%로 하였고, 0.1% 이상 첨가시에는 철손 악화를 초래하기 때문에 본 발명에 따른 실시에에서의 Ti의 함량을 상기 범위로 한정한다.
Nb:0.05~0.2%
Nb은 기지금속에 용해되어 강도를 증가시키고, 재결정을 지연시켜서 고강도화를 가져오는 필수적인 원소이다. Nb의 함량이 0.05% 이하일 때는 강도 증가 효과가 작아 하한을 0.05%로 하였고, 0.2% 이상 첨가시에는 철손 악화를 초래하므로 본 발명에 따른 실시예에서는 Nb의 함량을 상기 범위로 한정한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 중량%로, C:0.005%이하(0% 제외), Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하(0% 제외), S:0.005%이하(0% 제외), Mn:0.05%이하(0% 제외), Al:0.1~1.0%, N:0.003%이하(0% 제외), Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하고, 잔부는 Fe 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되는 슬라브를 제조한다.
상기 슬라브를 열간압연하고, 권취한다. 열간압연된 열연판은 1050℃이상에서 2분 이상 열처리하게 되는데, 이 과정에서 (Ti, Nb)(C, N)계 석출물의 크기를 본 발명에 따른 실시예에서는 100nm~10㎛로 한정하나, 100nm이상이면 충분하다. 상기 (Ti, Nb)(C, N)계 석출물은 TiC, TiN, NbC, NbN 석출물을 의미하며, 이들은 여러 가지 비율로 혼합될 수 있다.
열연판 소둔조건은 본 발명에 따른 실시예에서 가장 핵심적인 부분으로 Ti, Nb계 석출물에 의한 철손 열화를 피하기 위해, 석출물의 크기를 조대하게 함으로써 자성 열화에 영향을 주는 석출물의 개수를 감소시키는데 목적이 있다. 이는 1050~1200℃의 온도 범위에서 1 내지 10분 동안 실시하는데, 만약, 1200℃를 초과하면 TiN이 재고용될 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서는 열연판 소둔 온도를 상기 범위로 한정한다.
상기 열연판 소둔을 실시하고 산세한 다음, 일반 비가역 압연기에서 냉간압연하고, 최종소둔은 700~800℃ 범위에서 1 분 내지 5분 동안 실시한다.
이와 같은 열처리를 하여 석출물의 개수는 감소하게 되나, 냉간압연후 열처리 중에 발생하는 재결정 지연효과가 감소하지 않았다.
오히려 미세 석출물에 의한 재결정 지연 또는 강화 효과와 마찬가지로 기지 금속에 용해되어 있는 Ti과 Nb 에 의한 재결정 지연 효과 또한 작지 않음을 발견하였다. 오히려 어떤 부분에 있어서는 탄화물 또는 질화물로 구성된 미세 석출물에 의한 재결정 사이트를 감소시키게 되어 재결정 온도를 일반 전기강판 소둔 온도(700~800℃)까지 상승시킴으로써, 수소폭발을 회피하기 위한 운전 온도보다 높고, 다른 제품과의 연결작업을 용이하게 하여 조업단가를 낮출 수 있었다.
상기와 같은 조건을 거치게 되면 결정립 크기가 2~5㎛ 범위 내로 형성되며, 항복강도가 700Mpa 이상인 전기강판을 제조할 수 있으며, 철손 측면에서도 0.35mm두께에서 W10 /400 철손이 65W/Kg이하인 특성을 가지게 되어, 낮은 원가로 고속회전기에 적합한 전기강판을 제작할 수 있게 된다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
중량%로, 표 1, 표 2 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 1150℃로 재가열한 다음 2.3mm로 열간압연하여 열간압연강판을 제조하였다. 상기 열간압연된 강판을 620℃에서 권취 후 공기중에서 냉각하고 표 2에 나타난 열연판 소둔 온도에서 3분간 열처리한 후 산세를 실시하였다. 산세판은 0.35mm로 비가역 연속 압연롤을 이용하여 냉간압연을 실시하였으며, 이후 탈지를 거쳐 표 2에 나타난 냉연판 소둔온도에서 2분간 열처리 한 후, 최종 소둔을 실시한 후 자성 및 기계적 특성 및 석출물을 분석하였다.
자성측정은 60 X 60mm2 크기 단판 측정기(single sheet tester)를 이용하여 압연 방향과 압연 직각 방향으로 측정하여 평균 내었으며, 항복강도는 KS 13B 규격의 시편을 제작하여 인장실험을 실시, 0.2% 오프셋(offset)에서의 값으로 결정하였다. 석출물의 평균크기는 레플리카(Replica) 시험편을 제작하고, TEM을 통해 촬영된 사진으로부터 이미지 분석을 통해 결정되었다.
표 2에서 비교재 1~2는 Mn 또는 Si함량이 낮아 700Mpa이하의 항복강도를 가지고 있으며, 비교재 3의 경우에는 Si 함량이 3.1%로 높아, 일반적인 비가역 연속압연기(탄뎀압연기)에서 압연이 불가하였다.
비교재 4는 N의 함량이 높아, 미세 석출물등에 의해 철손이 열화된것으로 판단된다. 비교재 5와 7은 Ti 또는 Nb의 ?량이 충분하지 않아, 항복강도가 낮았고, 비교재 6과 8은 Ti 또는 Nb의 함량이 지나치게 많아 항복강도는 높은 대신, 철손이 열위하였다.
비교재 9와 10의 경우에는 열연판 소둔 온도가 낮아, 미세화된 석출물들이 조대화되지 않아 이후 최종소둔판의 철손을 악화시키고 있음을 알 수 있다. 비교재 11과 12의 경우에는 최종 소둔시 온도가 적절하지 않아, 철손이 높거나, 강도가 낮아 본 발명이 사용되는 부분에 적절하지 않았다.
발명재 1~6은 중량%로 Si:1.0~2.5%, N:0.003%이하, Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 만족시키며, 열연판 소둔온도가 1050℃이상이었으며, 소둔 온도가 750℃근처로 작업되어, 석출물의 크기가 100nm를 초과하여 미세석출물의 양을 최소화함으로써, 결정립 크기가 2~5㎛이하이고, 항복강도가 700Mpa 이상이며, 0.35mm두께에서 W10 /400 철손이 65W/Kg 이하인 특성을 가지는 고강도 무방향성 전기강판을 제조할 수 있었다.
강종 Si(중량%) Al(중량%) Mn(중량%) C(중량%) N(중량%) S(중량%) P(중량%)
A 0.8 0.2 0.1 0.003 0.002 0.0015 0.01
B 1.5 0.3 0.02 0.004 0.002 0.0015 0.02
C 2.2 0.3 0.03 0.004 0.002 0.0015 0.02
D 3.1 1 0.03 0.004 0.002 0.0015 0.02
E 2.2 0.3 0.02 0.004 0.008 0.0015 0.02
시편번호 강종 Ti 함량(중량%) Nb 함량(중량%) 열연판 소둔온도(℃) 냉연판 소둔온도(℃) (Ti,Nb)
(N,C) 직경
(nm)		 결정립 크기
(㎛)		 항복 강도
(MPa)		 W10 /400
(W/Kg)		 비고
1 A 0.06 0.12 1100 750 130 2.5 590 66 비교재1
2 B 0.06 0.12 1100 750 140 2.4 720 59 비교재2
3 C 0.06 0.12 1100 750 130 2.3 760 54 발명재1
4 D 0.06 0.12 1100 냉연불가 비교재3
5 E 0.06 0.12 1100 750 150 2.8 780 69 비교재4
6 C 0.01 0.1 1100 750 85 5.5 640 48 비교재5
7 C 0.05 0.1 1100 750 125 3.2 750 52 발명재2
8 C 0.08 0.1 1100 750 190 2.9 90 58 발명재3
9 C 0.12 0.1 1100 750 202 2.2 850 71 비교재6
10 C 0.05 0.04 1100 750 115 5.4 630 48 비교재7
11 C 0.05 0.1 1100 750 150 2.8 780 54 발명재4
12 C 0.05 0.15 1100 750 140 2.5 760 55 발명재5
13 C 0.05 0.22 1100 750 120 2.2 860 71 비교재8
14 C 0.05 0.12 900 750 50 2.3 820 72 비교재9
15 C 0.05 0.12 1000 750 86 2.5 800 68 비교재10
16 C 0.05 0.12 1100 750 123 2.8 790 53 발명재6
17 C 0.05 0.12 1100 680 110 1.5 980 81 비교재11
18 C 0.05 0.12 1100 820 120 7.9 520 44 비교재12
이상 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 중량%로, C:0.005%이하(0% 제외), Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하(0% 제외), S:0.005%이하(0% 제외), Mn:0.05%이하(0% 제외), Al:0.1~1.0%, N:0.003%이하(0% 제외), Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하고, 잔부는 Fe 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되며,
    상기 전기강판 내의 (Ti, Nb)(C, N)석출물 크기가 100nm~10㎛인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기강판 내의 결정립 크기가 5㎛이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기강판의 항복강도는 700MPa 이상인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판.
  4. 제2항에 있어서,
    강판두께 0.35mm에서 철손(W10/400)이 65W/Kg 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판.
  5. 중량%로, C:0.005%이하(0% 제외), Si:1.0~2.5%, P:0.1%이하(0% 제외), S:0.005%이하(0% 제외), Mn:0.05%이하(0% 제외), Al:0.1~1%, N:0.003%이하(0% 제외), Ti:0.03~0.1%, Nb:0.05~0.2%를 포함하고, 잔부는 Fe 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되는 슬라브를 제조하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하고 열연판을 소둔한 후 산세하는 단계;
    상기 산세한 강판을 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 단계;
    상기 냉연판을 최종소둔하는 단계를 포함하며,
    상기 열연판 소둔은 1050~1200℃의 온도 범위에서 1 내지 10분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 최종소둔은 700~800℃의 온도 범위에서 1 분 내지 5분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 최종소둔 후 전기강판 내의 (Ti, Nb)(C, N)석출물 크기가 100nm~10㎛인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최종소둔 후 전기강판 내의 결정립 크기가 5㎛이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 최종소둔 후 전기강판의 항복강도는 700MPa 이상인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 최종소둔 후 강판두께 0.35mm에서 철손(W10/400)이 65W/Kg 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
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