KR20140128923A - 방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, C: 0.001~0.10%, Al: 0.010% 이하, Mn: 0.08% 이하, N: 0.005% 이하, S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 방향성 전기강판 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

방향성 전기강판 및 그 제조방법{ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEETS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황(S)의 입계편석 및 FeS 석출물과 NbN 석출물을 이용하여 1차 재결정립 성장을 억제시켜 자성이 향상된 방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 방향성 전기강판은 강판면의 모든 결정립들의 방위가 {110}면이고 압연방향의 결정방위는 <001>축에 평행한, 소위 고스(Goss) 집합조직(texture)을 이루어서 강판의 압연방향으로의 자기 특성이 뛰어난 연자성 재료이다.

일반적으로 자기 특성이 우수한 방향성 전기강판은 강판의 압연방향으로 {110}<001> 방위의 고스 집합조직(Goss texture)이 강하게 발달해 있으며, 이와 같은 집합조직을 형성시키기 위해서는 고스 방위의 결정립들이 2차 재결정에 의해 비정상적인 결정립 성장이 있어야 한다. 이러한 비정상적인 결정립 성장은 통상적인 결정립 성장과 달리 정상적인 결정립 성장이 석출물, 개재물 또는 고용되거나 입계에 편석되는 원소들에 의하여 정상적으로 성장하는 결정립계의 이동이 억제되었을 때 발생하게 된다. 이와 같이 결정립 성장을 억제하는 석출물이나 개재물 등을 특별히 "결정립 성장 억제제(inhibitor)"라고 부르며, {110}<001>방위의 2차 재결정에 의한 방향성 전기강판 제조기술에 대한 연구는 강력한 결정립 성장 억제제를 사용하여 {110}<001>방위에 대한 집적도가 높은 2차 재결정을 형성하여 우수한 자기 특성을 확보하는데 집중되었다.

종래에는 방향성 전기강판을 제조하는 거의 모든 철강사에서 주로 AlN, MnS[Se]등의 석출물을 결정립 성장 억제제로 이용하여 2차 재결정을 일으키는 제조방법을 사용하였다.

이러한 AlN, MnS 석출물을 결정립 성장 억제제로 사용하는 방향성 전기강판 제조방법은 2차 재결정을 안정적으로 일으킬 수 있는 장점은 있으나, 강력한 결정립 성장 억제 효과를 발휘하기 위해서는 석출물들을 매우 미세하고 균일하게 강판에 분포시켜야만 한다. 이와 같이 미세한 석출물을 균일하게 분포시키기 위해서는 열간압연 전에 슬라브를 1300℃ 이상의 높은 온도로 장시간 동안 가열하여 강 중에 존재하던 조대한 석출물들을 고용시킨 후 매우 빠른 시간 내에 열간압연을 실시하여 석출이 일어나지 않은 상태에서 열간압연을 마쳐야 한다. 이를 위해서는 대단위의 슬라브 가열설비를 필요로 하며, 석출을 최대한 억제하기 위하여 열간압연과 권취공정을 매우 엄격하게 관리하고 열간압연 이후의 열연판 소둔 공정에서 고용된 석출물이 미세하게 석출되도록 관리하여야 하는 제약이 따른다. 또한, 고온으로 슬라브를 가열하게 되면 융점이 낮은 Fe₂SiO₄가 형성됨에 따라 슬라브 워싱(washing) 현상이 발생하여 실수율이 저하된다.

상기한 문제점과 함께 AlN이나 MnS 석출물을 결정립 성장 억제제로 사용하여 2차 재결정을 일으키는 방향성 전기강판 제조방법은 2차 재결정 완료 후에 석출물 구성 성분을 제거하기 위하여 1200℃의 고온에서 20시간 이상 장시간 순화소둔을 해야만 하는 제조공정상의 복잡성과 원가부담이 따르게 된다.

이외에도 TiN, VN 등과 같은 다양한 석출물들을 결정립 성장 억제제로 활용하는 시도가 있었으나 열적 불안정과 지나치게 높은 석출물 분해 온도로 인하여 안정된 2차 재결정을 형성하는데 실패하였다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 입계 편석과 석출물에 의한 1차 결정립의 성장을 효과적으로 억제하여 {110}<001>방위의 2차 재결정을 안정적으로 형성함으로써 철손이 낮은 방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, C: 0.001~0.10%, Al: 0.010% 이하, Mn: 0.08% 이하, N: 0.005% 이하, S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 방향성 전기강판이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 전기강판이 NbN 석출물 및 FeS 석출물을 포함할 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, C: 0.001~0.10%, Al: 0.010% 이하, Mn: 0.08% 이하, N: 0.005% 이하, S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 슬라브를 열간압연하는 단계; 상기 열간압연에 의해 제조된 열연판을 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연을 실시하는 단계; 상기 냉간압연된 냉연판을 탈탄소둔 및 질화소둔을 실시하는 단계; 및 상기 탈탄 및 질화소둔된 강판을 2차 재결정 소둔을 실시하는 단계;를 포함하는 방향성 전기강판 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 열간압연 단계 이후에 열연판 소둔을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있고, 열연판 소둔 단계는 900℃ 이상의 온도에서 가열하는 단계를 포함할 수 있으며, 질화소둔 단계에서는, 탈탄이 이루어진 강판을 암모니아 및 수소의 혼합가스 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 탈탄소둔 단계는, 750℃ 이상의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하고, 강판 내의 탄소 함량을 0.005 중량 퍼센트 이하로 감소시키는 것을 특징으로 하며, 질화소둔 단계는, 700~950℃의 범위에서 이루어지며 강판 내의 질소 함량이 0.005~0.03 중량 퍼센트를 만족하도록 하는 것을 특징으로 하며, 상기 탈탄소둔 및 질화소둔은, 탈탄소둔 및 질화소둔을 독립적으로 실시하거나 동시에 탈탄소둔 및 질화소둔을 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 2차 재결정 소둔 단계는, 1000~1200℃의 범위에서 순화소둔을 실시하는 단계를 포함할 수 있으며, 냉간압연 단계는 100℃ 이상의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 S와 Nb의 입계편석 현상이 일어나고 FeS 및 NbN 석출물을 이용하여 안정적으로 2차 재결정을 일으켜 2차 재결정된 강판에 Al계 석출물과 산화물들의 양을 감소시켜 자구이동의 방해를 최소화함으로써 극히 낮은 철손을 갖는 방향성 전기강판을 저비용이면서 효율적으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 시편에서 관찰된 NbN에 대한 TEM 사진이다.
도 2는 도 1의 시편의 EDS 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 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 실시예는 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, C: 0.001~0.10%, Al: 0.010% 이하, Mn: 0.08% 이하, N: 0.005% 이하, S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 방향성 전기강판에 관한 것이다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기 방향성 전기강판을 제조하기 위하여 상기 조성을 갖는 슬라브를 가열한 후, 열간압연한 다음, 열연판 소둔을 실시하거나 또는 생략한 다음, 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연을 실시한 후, 탈탄 후 질화소둔 또는 동시 탈탄질화 처리를 통한 탈탄 및 NbN 형성을 위한 질화소둔을 실시한 다음, 2차 재결정 소둔을 실시한다.

상기 슬라브에는 Nb이 0.001% 이상, S는 0.001% 이상으로 함유되고, 상기 2차 재결정 소둔은 탈탄 후 질화처리 또는 동시 탈탄 질화 처리된 강판을 1000℃이상의 온도로 승온하여 2차 재결정을 일으킨 후, 1000~1200℃의 온도영역에서 10시간 이내로 균열처리한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 결정립 성장 억제제로서 AlN, MnS 석출물을 사용하지 않고, 입계 편석원소인 S가 결정립계에 편석되도록 함과 동시에 S가 Fe와 반응하여 만들어지는 FeS 석출물을 이용하여 결정립 성장을 억제함으로써 {110}<001>방위의 2차 재결정을 안정적으로 일으킴과 동시에 최종 고온소둔 후의 강판 내에 Al 석출물과 산화물을 최소화하여 철손이 낮은 방향성 전기강판을 제조할 수 있도록 하였다.

또한, Nb를 첨가하여 강판 중에 고용되어 결정립계의 이동을 방해하여 고스(Goss) 방위를 갖는 결정립의 2차 재결정을 촉진함과 동시에 강 중에 존재하는 질소 또는 강판에 도입되는 질소 이온과 반응하여 NbN를 형성함으로써 1차 재결정립의 성장을 억제하여 Goss 방위의 2차 재결정립 형성에 매우 용이하도록 하였다.

상기와 같이 AlN, MnS 석출물을 형성하는 원소들을 배제하고 입계편석 원소들인 S와 Nb를 첨가한 경우, 2차 재결정이 완료된 강판 내에 Al 함유 석출물과 산화물의 발생빈도가 통상 AlN계 석출물을 사용한 경우, Al 함유 석출물과 산화물의 발생빈도보다 현격히 감소하여 통상의 AlN계 석출물을 결정립 성장 억제제로 이용하는 경우에 비하여 철손 특성을 향상시킬 수 있다.

상기 S는 입계에 편석하는 원소로 알려져 있는데, 주조 과정에서 중심편석을 일으키고 열간압연 변형 중에 크랙(crack)을 촉진하기 때문에 일반 방향성 전기강판의 제조시 S가 중심에 편석하지 않고 균일하게 분포되도록 유도하기 위하여 일정량의 탄소(C)를 첨가하여 사용된다. 또한, S는 일반 방향성 전기강판 제조공정에서 Mn과 반응하여 MnS 석출물을 형성하고, 형성된 MnS 석출물이 결정립 성장 억제제로 작용하여 결정립 크기를 미세화하는데 활용된다.

그러나, MnS 석출물을 미세하고 균일하게 분포시키기 위해서는 슬라브를 1300℃ 이상의 고온으로 가열해야 하며, 2차 재결정 고온소둔 후에 조대하게 성장한 MnS를 분해하기 위해서 1200℃의 고온에서 장시간 소둔해야 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 보완하기 위하여 MnS 석출물이 거의 형성되지 않도록 Mn의 함량을 최소화함으로써 S가 Mn과 반응하지 않은 상태에서 단독으로 입계에 편석하고, FeS 석출물이 형성되도록 하여 1차 재결정립의 성장을 적극 억제함으로써 {110}<001> 방위의 2차 재결정 형성을 일으키도록 하였다.

또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 Nb를 첨가하여 냉간압연 이후의 공정에서 강판에 도입되는 질소 이온과 반응하여 NbN를 형성함으로써 1차 재결정립의 성장을 억제함으로써 S만을 첨가하여 만든 FeS 석출물과 입계편석에 의한 결정립 성장 억제력보다 더욱 큰 억제력을 얻을 수 있고, 안정된 2차 재결정을 통하여 보다 우수한 자기 특성을 확보할 수 있다.

상기와 같이 Nb를 첨가한 경우에는 소강 단계에서 탄소와 반응하여 NbC를 형성하지만, 냉간압연 이후의 탈탄소둔 과정을 거치면서 잔류 탄소 함량이 0.01% 이하로 남게 된다. 이때, 잔류하는 탄소는 NbC의 형태로 존재하게 되지만, 탈탄소둔과 동시에 질소를 부가하는 방법, 예를 들어 NH3가스를 이용하여 강판에 질소 이온을 도입하게 되면, NbN이 석출되게 된다. 상기 NbN 석출량은 부가되는 질소 함량이 증가함에 따라 증가하여 1차 재결정립 성장을 억제하는 중요한 역할을 하게 된다.

본 발명에 따른 실시예에서 상기 소강 단계는 열처리를 행하기 전의 단계까지로 슬라브 제조 단계를 의미한다. 즉, 열간압연 전까지의 단계를 말한다.

상기 NbN의 고용 온도는 부가되는 질소 이온의 함량에 따라서 다르지만 1200℃ 이하에서 고용되는 범위 내에서 질소 이온과 결합하도록 유도하면 2차 재결정 고온소둔 중에 모두 분해될 수 있다. 상기 NbN에서의 질소(가스)는 2차 재결정을 위한 고온소둔 공정에서의 수소가스 분위기 중으로 제거되며, Nb는 고용상태로 존재하여 자기 특성에 큰 영향을 미치지 않는다.

한편, 질소와 반응하고 남는 Nb는 결정립내 및 입계에 존재하면서 1차 재결정립계의 이동을 억제함으로써 최종적으로 S와 동일한 효과를 보이게 된다.

상기와 같은 원리에 의하여 본 발명에 따른 실시예에서는 방향성 전기강판의 자기 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예에서의 성분계의 성분 한정 이유를 설명한다.

이하에서는 특별한 언급이 없는 한 함량은 중량 퍼센트(wt%)를 의미한다.

Si: 2.0~4.5%

Si은 전기강판의 기본 조성으로 소재의 비저항을 증가시켜 철심손실(core loss) 즉, 철손을 낮추는 역할을 한다. Si함량이 2.0% 미만인 경우 비저항이 감소하여 철손특성이 열화되고 고온소둔시 상변태구간이 존재하여 2차 재결정이 불안정해지며, 4.5%을 초과하는 경우에는 강의 취성이 커져 냉간압연이 극히 어려워지고, 오스테나이트 분율을 40% 이상 함유하기 위한 C의 함량이 크게 늘어나며, 2차 재결정 형성이 불안정해진다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서 Si은 2.0~4.5%로 한정한다.

Al: 0.010% 이하

Al은 강 중의 질소와 결합하여 AlN 석출물을 형성하므로, 본 발명에 따른 실시예에서는 Al함량을 억제하여 Al계 질화물이나 산화물 형성을 피한다. 산가용성 Al의 함량이 0.010%를 초과하면 AlN 및 Al₂O₃ 형성이 촉진되어, 이를 제거하기 위한 순화소둔 시간이 증가하게 되며, Al₂O₃와 같은 산화물들은 최종 제품에 잔류하여 보자력을 증가시켜 철손을 증가시키게 되므로 따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 소강단계에서 산가용성 Al의 함량을 0.010% 이하로 한정한다.

Mn: 0.08% 이하

Mn은 Si과 동일하게 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 효과가 있다. 종래에는 Mn 첨가의 주된 목적이 강 중에서 S와 반응하여 MnS 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제하는 것이었으나 본 발명에 따른 실시예에서는 S의 입계편석과 FeS 석출에 의한 결정립 성장 억제 효과를 얻는 것이므로, Mn의 함량을 적극 억제하는 것이 바람직하다. 따라서 이상적인 방법은 Mn을 첨가하지 않는 것이나 소강과정에서 불가피하게 첨가된다면 그 첨가량은 0.08% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

만약, Mn이 0.08%를 초과하여 첨가되면 MnS가 조대하게 석출되므로 S만이 단독으로 입계 편석되는 효과가 떨어지고 FeS 석출도 어려워지며, MnS 석출물을 이용하여 2차 재결정을 형성한다 하더라도 이후 순화소둔 공정에서 MnS 분해에 많은 시간이 소요되고 최종제품에 석출물로서 잔류하여 철손을 상승시키는 원인이 될 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서 Mn의 함량은 0.08% 이하로 한정한다.

N: 0.005% 이하

N은 Al, Si 그리고 Nb 등과 반응하여 AlN과 Si₃N₄, NbN등과 같은 석출물을 형성하는 원소로서 산가용성 Al함량은 낮게 관리함으로써 AlN의 형성은 적극 억제된다. Si₃N₄의 경우 결정립 성장에 영향을 미칠 가능성은 있지만, Si₃N₄ 석출물은 분해온도가 800℃ 내외로서 S의 입계편석에 의한 2차 재결정 형성에 영향을 크게 미치지는 않는다. 다만, 제강단계에서 N을 많이 첨가하면, NbN의 석출물들이 조대하게 형성하여 1차 재결정립 성장 억제제로서 사용이 어렵기 때문에, 본 발명에 따른 실시예에서 N의 함량은 소강단계에서 0.005% 이하로 한정한다.

C: 0.001~0.1%

C는 오스테나이트 안정화 원소로서, 900℃ 이상의 온도에서 상변태를 일으켜 연주과정에 발생하는 조대한 주상정 조직을 미세화하는 효과와 더불어 S의 슬라브 중심편석을 억제한다. 또한, 냉간압연 중에 강판의 가공경화를 촉진하여 강판 내에 {110}<001>방위의 2차 재결정 핵 생성을 촉진하기도 한다. 따라서 첨가량에 큰 제약은 없으나 0.001% 미만으로 함유되면 상변태 및 가공경화 효과를 얻을 수 없고, 0.1%를 초과하여 첨가하게 되면 열연 엣지-크랙(edge-crack) 발생되고, 냉간압연 후 탈탄소둔시 탈탄공정의 부하가 발생하므로 본 발명에 따른 실시예에서 C의 첨가량은 0.001~0.1%로 한정한다.

S: 0.002~0.05%

S는 본 발명의 핵심 원소로서, 단독으로 다른 원소와 반응하지 않고 입계에 편석함과 동시에 결정립계에서 Fe와 반응하여 FeS 석출물을 형성함으로써 결정립계의 이동을 강력히 억제하여 {110}<001>방위의 2차 재결정을 가능하게 한다. 가장 이상적으로는 순수하게 S가 입계에 존재하면서 FeS를 형성하기에 필요한 함량으로서 S는 0.002~0.05%로 첨가되는 것이 바람직하나, 불가피하게 Mn이 혼입되어 함유되는 경우에는 MnS를 형성하고 남아 있는 S의 함량이 적어도 0.002% 이상이 되도록 제강단계에서 S는 0.005% 이상으로 첨가한다.

따라서 S는 0.002~0.05%, 그리고 보다 바람직하게는 0.005~0.05%의 범위로 첨가한다. 만약, S가 0.002% 미만으로 첨가되거나 MnS와 반응하지 않고 단독으로 존재하는 S가 0.002% 미만이 되면 입계 편석이나 석출물 효과가 부족하며, 0.05%를 초과하여 첨가하게 되면 열간압연 단계에서 적열취성에 의한 엣지-크랙(edge-crack) 발생으로 열간압연 작업이 어렵게 된다.

또한, 제강단계에서 S를 0.005~0.05%의 범위로 첨가하게 되면 최종제품에 S가 잔류하게 되며, 이때 최종제품에서 잔류하는 S의 함량은 0.0005wt% 이상이 된다. S는 최종소둔 공정에서 2차 재결정을 형성하고 난 후에 수소분위기 가스와 반응하여 H₂S 가스로 강판에서 자연스럽게 제거되지만, 1200℃에서 장시간 소둔하는 경우와 같이 대량으로 제거되지 아니하며, 고온소둔 방법에 따라서 일부 잔류하게 된다. 이렇게 잔류하는 S는 주로 입계에 존재하게 되며, 최종제품의 자기 특성에는 나쁜 영향을 미치지 않는다.

상기 S의 특성이 본 발명을 가능하게 하는 중요한 이유 중에 하나이며, 최종제품에서는 S가 최소 0.0005wt% 이상 잔류하게 되고, 최대의 S 잔류함량은 고온소둔 방법에 따라서 다르기 때문에 특별히 제한하지 않는다.

Nb: 0.001~0.15%

Nb는 대표적인 고용강화 원소로서 상변태 및 변형조직으로부터 재결정 형성을 지연시키는데 효과적인 원소로서, 고용 상태에서나 입계에 편석되어 있는 경우에 결정립계의 이동을 현저히 저하시키는 원소이다. 이와 더불어 NbC 또는 NbN 석출물을 형성하여 결정립계의 이동을 억제하는데 매우 효과적인 원소이다. 본 발명에서 S와 같이 단독으로 편석하거나 석출물을 생성하여 결정립의 성장을 억제하기 위해서는 0.001% 이상 첨가되어야만 결정성장 억제효과를 얻을 수 있다. 그리고 0.15% 첨가하 소강공정에서 존재하는 탄소와 반응한 NbC의 크기가 매우 조대하여 탈탄소둔 공정에서 탄소를 효과적으로 제거하기 어렵게 되어 탈탄소둔 공정의 부하가 증가하게 되고, 잔류 탄소 함량이 적정 수준인 0.01% 이하로 떨어 NbC가 강판에 존재하게 NbN 석출물에 의한 1차 재결정립 성장 억제효과가 떨어지게 된다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서 Nb 첨가량은 0.001~0.15%로 한정한다.

상기한 합금 원소외에, Nb와 S의 입계 편석이나 FeS 및 NbN 석출물의 결정립 성장 억제효과를 저해하지 않는 한 다른 합금원소들이 첨가될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예의 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 제강단계에서 AlN 석출물 및 산화물 형성원소인 Al의 함량을 최대한 낮게 관리하는 것이 필요하며, S의 입계편석 및 FeS 석출물이 많이 형성되도록 하기 위해서는 MnS의 석출이 최대한 억제되도록 하여야 한다. 이를 위해서는 가급적 Mn의 함량도 낮게 관리하는 것이 필요하고, 비저항을 증가시키는 Si의 첨가 및 조직균일화를 위한 C의 첨가와 결정성장 억제력을 얻기 위해서 필요한 S의 첨가 이외에 필요에 따라 {110}<001> 집합조직 형성에 유리한 합금원소를 첨가하더라도 무방하다.

본 발명에 따른 실시예에서는 제강단계에서 Si: 2.0∼4.5%, C: 0.001∼0.10%, Al: 0.010% 이하, Mn: 0.08% 이하, N: 0.005% 이하, S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 용강을 이용하여 슬라브를 제조한다.

이후, 상기 슬라브를 가열하는데, 본 발명에 따른 실시예에서의 슬라브의 가열은 1050~1280℃의 온도 범위에서 이루어진다. 상기 온도 범위 내에서 슬라브를 가열한 다음 열간압연을 실시하며, 최종 냉간압연 단계에서 50~95%의 압연율을 적용하여 최종 제품두께로 제조할 수 있도록 열간압연에 의하여 1.5~4.0mm 두께의 열연판으로 제조한다.

상기 열간압연된 열연판은 필요에 따라 열연판 소둔을 실시하거나 열연판 소둔을 실시하지 않고 냉간압연을 수행한다. 열연판 소둔을 실시하는 경우에는 열연조직을 균일하게 만들기 위해서 900℃ 이상의 온도로 가열하고 적정시간 동안 균열한 다음 냉각한다. 이때, 상기 열연판 소둔은 열간압연 온도보다 높지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이후 냉간압연은 리버스(Reverse) 압연기 또는 텐덤(Tandem) 압연기를 이용하여 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상 냉간압연하여 최종제품 두께의 냉연판 제조한다. 냉간압연 중에 강판의 온도를 100℃ 이상으로 유지하는 온간압연을 실시하는 것은 자성을 향상시키는데 유리하다.

냉간압연이 끝난 후에는 탈탄소둔을 실시하는데, 탈탄소둔은 탈탄이 잘 일어나도록 수분을 함유하는 수소와 질소가스의 혼합가스 분위기에서 750℃ 이상의 온도에서 30초 이상 유지함으로써 강판의 탄소함량을 약 0.005% 이하로 감소시. 만약 탄소함량이 0.005% 이하로 감소되지 않으면 이후 공정에서 부가되는 질소 이온에 의한 NbN 형성이 불안정하게 이루어져 본 발명에서 원하는 1차 재결정립 성장 억제제로서의 역할을 수행하지 못한다.

따라서 탈탄공정은 탈탄이 가능한 750℃ 이상의 온도에서 수분을 함유하는 수소와 질소의 혼합가스 분위기하에서 30초 이상 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 실시예에서는 탈탄소둔과 함께 NbN을 형성하기 위해서 질소 이온을 강판에 부가하는 질화소둔 공정이 필요한데, 이를 위하여 0.005% 이하로 탈탄이 이루어진 강판을 질소 이온을 형성하는 NH가스가 포함된 수소와 질소 혼합가스 분위기하에서 적어도 700℃이상의 온도에서 10초 이상 유지함으로써, 강판에 부가된 질소 이온에 의해서 NbN이 형성되도록 한다.

이때, 질화소둔 공정에서는 강판 중의 질소 함량이 0.005~0.03 중량 퍼센트가 되도록 한다. 만약, 질소 함량이 0.005 중량 퍼센트보다 작으면 질소를 첨가한 효과가 미미하고, 0.03 중량 퍼센트를 초과하면 표면 품질에 문제를 야기한다. 즉, 질소의 함량이 0.03 중량 퍼센트를 초과하면 일부의 질소를 제거해야 하는데 질소가 방출되는 과정에서 베이스 코팅이 파괴되어 표면 결함을 일으킨다. 또한, 취성이 증가하여 강판이 쉽게 부서지게 되므로 본 발명에 따른 실시예에서 탈탄소둔 공정에서는 질소의 함량을 0.005~0.03 중량 퍼센트가 되도록 한다.

강판의 강 중 질소함량이 0.005~0.03 중량 퍼센트가 되도록 질화소둔 온도, 수소, 질소 및 NH 혼합가스의 가스비 및 질화시간을 제어한다.

본 발명에 따른 실시예에서 NH가스를 사용한 질화소둔 온도는 700~950℃의 범위 내로 제어한다. 만약, 질화소둔 온도가 700℃ 보다 낮은 경우에는 NH₃ 가스가 분해되지 않아서 작업환경 문제가 유발할 수 있으며, 반대로 950℃를 넘게 되면 NH₃ 가스가 강판과 반응하지 않고 분해되어 질화 효과가 떨어지게 된다.

이러한 질화소둔은 탈탄소둔과 분리하여 수행해도 되고, 동일한 소둔로에서 동시에 탈탄과 질화소둔이 이루어지게 하는 것도 가능하다.

탈탄 및 질화소둔을 행한 이후에는 소둔분리제인 MgO를 도포하고 2차 재결정 소둔을 실시하게 된다. 2차 재결정 고온소둔은 적정한 승온율로 승온하여 {110}<001> 고스(Goss) 방위의 2차 재결정을 일으키고 이후 불순물 제거 과정인 순화소둔을 거친 다음 냉각하면 된다. 상기 탈탄 및 질화소둔 과정에서 소둔분위기 가스는 통상의 경우와 같이 승온과정에서는 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 열처리하고, 순화소둔에서는 100% 수소가스를 사용하여 불순물을 제거하는 방법을 적용시킬 수 있다.

본 발명에서는 AlN, MnS 석출물을 주된 결정립 성장 억제제로 이용하지 않으므로 AlN, MnS를 분해하여 제거하기 위한 순화소둔의 부담이 경감되며, 순화소둔 온도를 약 1000℃ 이상으로 하는 것으로 충분하다. 이는 FeS와 NbN이 1000℃ 정도에서 분해되기 시작하기 때문이다. 또한, 순화소둔시 1200℃를 초과하면 강판이 소프트(soft)해져 자중에 의해 형태 변형이 일어날 수 있기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 순화소둔시의 온도를 1000~1200℃의 범위로 한정한다.

상기 순화소둔에 필요한 시간은 순화소둔 온도에 따라 좌우되나, 약 1000~1200℃의 온도에서 20시간 이내, 보다 바람직하게는 1시간 이내의 균열처리만으로도 극히 우수한 자성을 갖는 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에 따르면, AlN, MnS 석출물을 이용하지 않고 S와 Nb의 입계편석과 NbN 및 FeS 석출물에 의하여 강력한 결정립 성장 억제 효과에 의해 AlN과 MnS 석출물을 고용시키기 위해 슬라브를 1300℃ 이상의 고온으로 장시간 가열할 필요가 없으며, 냉간압연 공정 이후에 강판에 추가의 질소를 부가하여 NbN을 형성함으로써, S와 Nb 그리고 FeS 및 NbN이 복합적으로 1차 재결정립의 성장을 억제하여 안정된 Goss 방위의 2차 재결정 형성할 수 있다. 뿐만 아니라 FeS는 융점이 1194℃로 매우 낮아서 {110}<001> 2차 재결정 개시온도를 1000℃ 정도로 낮추는 것이 가능하며, 1000℃ 이상의 온도에서는 순화소둔시 FeS와 NbN이 쉽게 분해되어, N와 S의 배출이 매우 용이하게 이루어질 수 있다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

중량%로 C:0.055%, Si:3.35%, Mn:0.03%, S:0.014%, N:0.003%의 기본 조성에 Nb 함량을 달리하여 첨가하고, 그 외 Fe와 기타 불가피한 불순물들을 함유하는 전기강판을 진공용해하여 잉곳(ingot)을 만들고, 1250℃의 온도로 가열한 다음 두께 2.3mm로 열간압연 하였다. 열간압연된 열연판은 1100℃의 온도로 가열한 후 180초간 균열하고 냉각한 후 산세를 실시하고, 0.30mm 두께로 냉간압연 하였다. 냉간압연된 판은 830℃의 온도로 습한 수소와 질소 혼합 가스분위기 속에서 180초간 유지하여 탈탄 및 질화처리 소둔을 실시하였다.

탈탄 및 질화처리된 강판은 소둔분리제인 MgO를 도포하여 코일상으로 최종 소둔 하였다. 최종소둔은 1200℃까지는 25%질소+75%수소의 혼합분위기로 하였고, 1200℃ 도달 후에는 100%수소분위기에서 5시간 유지한 다음 노냉하였다.

표1에는 상기 조성에서 Nb 함량과 질화처리에 의한 강판의 총질소량에 따른 자기 특성의 변화를 나타내었다.

Nb와 N 함량에 따른 방향성 전기강판의 자기 특성 변화 [단위 wt%]

C	Si	Mn	S	Nb	총 N	자속밀도 (B10)	철손 (W17/50)	구분
0.055	3.35	0.03	0.014	0.0007	0.0098	1.891	1.09	비교재1
0.055	3.34	0.03	0.015	0.005	0.0165	1.921	0.91	발명재1
0.055	3.35	0.03	0.014	0.015	0.0135	1.935	0.92	발명재2
0.055	3.31	0.03	0.015	0.022	0.0218	1.947	0.90	발명재3
0.055	3.32	0.03	0.015	0.055	0.0152	1.930	0.95	발명재4
0.055	3.32	0.03	0.013	0.081	0.0324	1.842	1.18	비교재2
0.055	3.35	0.03	0.014	0.150	0.0195	1.918	0.94	발명재5
0.055	3.33	0.03	0.014	0.250	0.0051	1.839	1.21	비교재3
0.055	3.31	0.03	0.015	0.320	0.0042	1.644	1.92	비교재4

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, Nb 함량을 본 발명에 따른 실시예의 범위인 0.001~0.15%로 제어한 발명재의 경우에는 자속밀도와 철손이 모두 우수하게 나타났다.

비교재 1은 Nb이 0.0007% 첨가되어 Nb첨 가 효과가 거의 미미한 상태에서 S의 입계편석 효과와 FeS 석출물을 이용하였는데, 발명재 1 내지 5는 비교재 1의 경우보다 향상된 자기 특성을 보여준다. 도 1은 발명재 1의 시편에서 관찰된 NbN에 대한 TEM 사진이고 도 2는 발명재 1의 EDS 사진인데, 도 1 및 도 2를 참조하면, NbN이 미세하고 균일하게 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, Nb의 함량이 0.15% 이상 첨가된 경우에는 탈탄공정에 부하가 생겨 원하는 0.005% 이상의 질소를 강판에 부가하지 못하여 2차 재결정이 불안정하게 일어나며 자기 특성이 열화되었다. 따라서 Nb함량은 0.15% 이하로 제어하고 총 질화량은 0.03%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기와 같이 결정립 성장에 미치는 입계 편석원소의 영향에 대하여 알아보기 위하여 특별히 석출물을 형성하는 원소들을 배제하고 입계 편석원소 S를 여러 함량으로 첨가시킨 성분계의 잉곳을 진공용해하여 2차 재결정 가능성을 조사하여 보았다. 그 결과, Mn의 첨가를 제한한 상태에서 S를 적정량으로 첨가하였을 때 {110}<001>방위의 2차 재결정이 안정적으로 형성되고 1.90(Tesla) 이상의 자속밀도와 함께 0.94(W/kg) 이하의 우수한 철손 특성이 확보되는 사실을 확인하였다.

또한, 핵심 성분계에 Nb를 첨가하고 질화처리를 통한 질소 이온에 의해서 석출되는 NbN은 FeS 석출물과 더불어 1차 재결정립의 결정성장을 더욱 강력하게 억제함으로써 자속밀도 및 철손을 개선할 수 있었다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 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 (15)

1. 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, C: 0.001~0.10%, Mn: 0.07% 미만(0%를 포함하지 않음), N: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지며, NbN 석출물을 포함하는 방향성 전기강판.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기강판은 Al: 0.010% 미만(0%를 포함하지 않음)을 더 포함하는 방향성 전기강판.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전기강판은 FeS 석출물을 포함하는 더 포함하는 방향성 전기강판.
4. 중량 퍼센트(wt%)로, Si: 2.0~4.5%, C: 0.001~0.10%, Mn: 0.07% 미만(0%를 포함하지 않음), N: 0.005% 이하, S: 0.002~0.050%, Nb: 0.001~0.15%, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 재가열하는 단계;
   상기 재가열된 슬라브를 열간압연하는 단계;
   상기 열간압연에 의해 제조된 열연판을 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연을 실시하는 단계;
   상기 냉간압연된 냉연판을 탈탄소둔 및 질화소둔을 실시하는 단계; 및
   상기 탈탄 및 질화소둔된 강판을 2차 재결정 소둔을 실시하는 단계;
   를 포함하는 방향성 전기강판 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 슬라브는 Al: 0.010% 미만(0%를 포함하지 않음)을 더 포함하는 방향성 전기강판 제조방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 열간압연 단계 이후에 열연판 소둔을 실시하는 단계를 더 포함하는 방향성 전기강판 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 질화소둔 단계에서는,
   탈탄이 이루어진 강판을 암모니아 및 수소의 혼합가스 분위기에서 실시하는 방향성 전기강판 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 질화소둔 단계는,
   700~950℃의 범위에서 이루어지는 방향성 전기강판 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 질화소둔 단계는, 강판 내의 질소 함량이 0.005~0.03 중량 퍼센트를 만족하도록 하는 방향성 전기강판 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탈탄소둔 단계는,
    750℃ 이상의 온도에서 실시하는 방향성 전기강판 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탈탄소둔 단계는,
    강판 내의 탄소 함량을 0.005 중량 퍼센트 이하로 감소시키는 방향성 전기강판 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탈탄 및 질화소둔 단계는,
    탈탄소둔 및 질화소둔을 독립적으로 실시하거나 탈탄소둔 및 질화소둔을 동시에 실시하는 방향성 전기강판 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 2차 재결정 소둔 단계는,
    1000~1200℃의 범위에서 순화소둔을 실시하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판 제조방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 냉간압연 단계는 100℃ 이상의 온도에서 실시되는 방향성 전기강판 제조방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열연판 소둔 단계는,
    900℃ 이상의 온도에서 가열하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판 제조방법.

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