KR20150048689A - 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:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2.0중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb: 0.02~0.1중량%, Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지며, 강판 내부의 MgSb 석출물의 평균 직경이 10nm 이하인 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 또는 전기자동차 등의 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, HEV/EV의 구동부에 사용되는 모터의 경우 제한된 크기로 큰 출력을 얻을 필요가 있어, 10000rpm 이상의 회전속도가 요구된다. 따라서, 이와 같이 고속회전하는 기기의 회전자에는 고강도의 소재가 필요하다.
또한, 모터의 회전자에 쓰이는 소재의 경우에는 강도 이외에도, 고조파 혹은 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 이와 같은 부분에 필요하며, 이에 대응하기 위해 회복소둔을 통해 재결정을 지연시킴으로써 강도를 높이려는 연구가 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 했다. 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.
하지만, Ti과 같은 미량원소를 넣어 재결정을 지연시킴으로써 회복소둔 상태의 전위를 이용할 경우, 자성이 급격히 열화되어, 사용처에 따라 한계가 발생하게 되고, 낮은 소둔온도로 인해 조업상 어려운 점이 있다. 또한, 일본 공개 특허 2008-50685의 경우에는 Nb계 탄화물을 효과적으로 사용하기 위해서 Ni을 사용하게 되는데, Ni은 고가의 원소로 원가부담이 큰 문제가 발생한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 Sb계 Mg 석출물을 활용하여, 이들 석출물에 의해 강도를 직접적으로 증가시키고, 재결정 지연을 통해 통상적인 제품의 최종소둔온도에서 제조가 가능하도록 하는 무방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량%로, C:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2.0중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb: 0.02~0.1중량%, Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지며, 강판 내부의 MgSb 석출물의 평균 직경이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판을 제공될 수 있다.
상기 강판 내부의 결정립경의 크기가 5~30㎛이며, 상기 강판의 항복강도는 500MPa이상이며, 상기 강판두께 0.35mm에서 철손(W10/400)이 30W/Kg 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량%로, C:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2.0중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb: 0.02~0.1중량%, Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하고 열연판 소둔을 실시하거나 실시하지 않고 산세하는 단계; 산세된 강판을 냉간압연하는 단계; 및 냉간압연된 강판을 최종소둔하는 단계를 포함하며, 상기 최종소둔 후 강판 내부의 MgSb 석출물의 평균 직경이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법이 제공될 수 있다.
상기 최종소둔은 780~900℃의 온도 범위에서 이루어지며, 상기 강판 내부의 결정립경의 크기가 5~30㎛ 인 것을 특징으로 한다.
상기 최종소둔 후 강판의 항복강도는 500MPa이상이며, 상기 최종소둔 후 강판두께 0.35mm에서 철손(W10/400)이 30W/Kg 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 Sb계 Mg 석출물을 제어함으로써 강도를 직접적으로 증가시키고, 재결정 지연을 통해 통상적인 제품의 최종소둔온도에서 제조가 가능하도록 하여 제조원가를 절감할 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 Sb계 Mg 석출물을 활용하여, 이들 석출물에 의해 강도를 직접적으로 증가시키고, 재결정 지연을 통해 통상적인 제품의 최종소둔온도에서 제조가 가능하도록 하여 제조원가가 저렴한 무방향성 전기강판이 제공된다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실시예에서는 중량%로 C:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb; 0.02~0.1중량%, Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 무방향성 전기강판을 개시한다.
이때, Mg은 Sb와의 10nm이하의 석출물을 만들며, 이 석출물에 의해 통상적인 전기강판의 소둔온도인 780~900℃에서 소둔을 하더라도 500MPa이상의 항복강도와 30W/Kg이하의 철손을 가지게 하는 자성이 우수하고 강도가 높으며, 조업부담이 적은 고강도 무방향성 전기강판을 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 성분제한 이유를 설명한다. 이하에서 함량은 중량%이다.
C: 0.03중량% 이하(0% 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 강도향상이 필수적이지 않으므로 하한을 정하지 않았으며 탄화물에 의한 철손악화 측면을 고려하여 상한을 0.03%로 하였다.
Si: 2.5~4.0중량%
Si는 비저항을 증가시켜서 철손 중 와류손실을 낮추고 동시에 강도를 증가시키는 원소이다. 2.5중량% 미만이면 강도 및 철손의 향상이 충분치 않아 하한을 2.5중량%로 했으며, 4.0%를 초과하여 첨가하면 냉간압연성이 떨어져 판파단이 일어나기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서의 Si의 함량은 상기 범위로 한정한다.
P: 0.1중량% 이하(0% 제외)
P는 비저항을 증가시키고, 집합조직을 개선하여 자성을 향상시키기 위하여 첨가한다. 과다하게 첨가된 경우 냉간압연성이 악화되기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 0.1% 이하로 한정한다.
S: 0.005중량% 이하(0% 제외)
S는 미세한 석출물인 MnS 및 CuS를 형성하여 자기특성을 악화시키기 때문에 낮게 관리하며, 본 발명에 따른 실시예에서는 S의 함량을 0.005% 이하로 제한한다.
Mn: 0.1~1.0중량%
Mn이 0.1% 미만으로 존재하면 미세한 MnS 석출물이 형성되어 결정성장을 억제하여 자성을 악화시킨다. 따라서 0.1%이상 존재하게 되는 경우, 조대한 MnS가 형성되고, S성분이 보다 미세한 석출물인 CuS로 석출되는 것을 막을 수 있다. 그러나 Mn이 1.0%를 초과하는 경우 자성을 떨어뜨리기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 Mn의 함량을 상기 범위로 한정한다.
Al: 0.3~2.0중량%
Al은 비저항을 증가시켜 와류손실을 낮추는데 유효한 성분이다. Al의 함량이 0.3% 미만인 경우 AlN이 미세석출하여 자성이 악화되고, 2.0%를 초과하는 경우, 가공성이 열화 되므로, 본 발명에 따른 실시예에서의 Al의 함량은 상기 범위로 한정한다.
N: 0.003중량% 이하(0% 제외)
N은 모재 내부에 미세하고 긴 AlN 석출물을 형성하여 결정립성장을 억제하므로 적게 함유시키며, 본 발명에 따른 실시예에서는 N의 함량을 0.003% 이하로 한정한다.
Sb: 0.02~0.1중량%
Sb는 본 발명에서 핵심적인 원소로, 표면에 산질화를 방지하고, (001) 집합조직을 개선함과 동시에, Mg과 결합하여 미세석출물을 형성함으로써 재결정을 지연시키는 효과가 있다. 만약, Sb의 함량이 0.02중량% 미만인 경우에는 그 효과가 충분하지 않으며, 0.1중량%를 초과하는 경우에는 철손 열위가 과다하므로 본 발명에 따른 실시예에서는 Sb의 함량을 상기 범위로 한정한다.
Mg: 0.002~0.01중량%
Mg는 본 발명에 따른 실시예에서 Sb와 함께 핵심적인 원소로, Sb와 결합하여 미세석출물을 형성함으로써 재결정을 지연시키는 효과가 있다. 만약, 0.002중량% 미만으로 첨가하면 효과가 충분하지 않으며, 0.01중량%를 초과하여 첨가되면 철손 열위가 과다하므로 본 발명에 따른 실시예에서는 Mg의 함량을 상기 범위로 한정한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 중량%로, C:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2.0중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb: 0.02~0.1중량%, Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 열간 압연하고, 권취한다. 열연판 소둔을 실시하거나 실시하지 않고 산세하여, 냉간 압연한 후, 780~900℃에서 1~5분간 최종소둔을 실시한다.
이때, 열연판 소둔은 상변태가 없는 전기강판을 대상으로 최종 소둔판의 전기강판의 집합조직을 향상시킴으로써 결과적으로 자속밀도를 올리기 위해서 실시하나, 석출물을 이용한 고강도 제품의 경우에는 열연판 소둔이 석출물의 크기를 성장시키는 경향이 있으므로, 자속밀도가 중요하지 않는 경우에는 특별히 열연판을 소둔을 할 필요가 없다.
상기와 같은 공정을 이용하여 제품 제작시, 500MPa이상으로 강도를 향상시키기 위해서는, 최종 소둔 제품판 내에 존재하는 석출물의 크기를 10nm보다 작게 유지하여 석출 강화 및 재결정 지연에 효과적이도록 제어할 필요가 있는데, 이를 위해서 Sb와 Mg의 함량을 위에서 언급한 범위 내로 제어할 필요가 있다.
MgSb 화합물의 재고용 온도가 1000℃부근이기 때문에 특별히 최종소둔 온도에 제한은 없으나, 온도가 높아짐에 따라 석출물이 성장할 가능성이 높기 때문에, 최종소둔시 상한온도를 900℃이하로, 바람직하게는 850℃ 이하로 제어할 필요가 있다.
통상적으로 MgSb 화합물이 없는 경우에 500MPa이상의 항복강도와 철손(W10/400)이 30W/Kg 이하가 되도록 하기 위해서는 780℃이하로 열처리 해야 하는데, 780℃이하로 열처리하는 경우 냉연조직이 남아 철손에 악영향을 주게 되며, 나아가 다른 무방향성 제품과의 온도차이에 의한 연결작업이 쉽지 않아 원가상승 요인이 된다.
따라서, MgSb 석출물을 가지는 경우 780~900℃에서 열처리하게 되면, 결정 성장이 억제되면서, 결정립 내부의 전위는 소실되기 때문에 적절한 강도와 철손을 양립시킬 수 있을 뿐만 아니라, Si 함량이 낮은 제품들과 소둔 온도가 유사하여 조업성 측면에서도 유리하며, 이 때의 결정립 크기가 5~30㎛로 연신률이 높아 피로에 대한 저항성도 커지게 된다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
중량%로, 표 1과 같은 주된 합금성분 및 표 2에 나타난 Mg과 Sb를 포함하고 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 1180℃로 재가열한 다음 2.3mm로 열간압연하여 열간압연강판을 제조하였다. 상기 열간압연된 강판을 620℃서 권취 후 공기 중에서 냉각하고, 1100℃에서 열연판을 2분간 소둔한 다음 산세를 실시하였다.
이후, 0.35mm로 냉간압연을 실시하였으며, 1분 동안 수소 20%, 질소 80% 에서 표 2에 있는 온도로 최종 소둔을 실시한 후 자성, 기계적 특성 및 석출물과 조직을 분석하였다. 자성측정은 60 X 60mm2 크기의 단판 측정기(single sheet tester)를 이용하여 압연 방향과 압연 직각 방향으로 측정하여 평균 내었으며, 항복강도는 압연 방향으로 KS 13A 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 결정되었으며, 결정립 크기는 단면 조직사진에서 평균 단면적의 제곱근으로 구하였다.
강종 Si
(중량%)		 Al
(중량%)		 Mn
(중량%)		 C
(중량%)		 N
(중량%)		 S
(중량%)		 Ti
(중량%)		 P
(중량%)
A 3 1.2 0.2 0.003 0.002 0.0015 0.002 0.01
B 2.6 1 0.2 0.004 0.002 0.0015 0.003 0.02
C 2.3 0.9 0.2 0.004 0.002 0.0015 0.003 0.02
D 4.2 0.8 0.2 0.004 0.002 0.0015 0.003 0.02
시편번호 강종 최종소둔온도
(℃)		 Mg 함량
(중량%)		 Sb 함량
(중량%)		 석출물 직경
(nm)		 결정립크기
(㎛)		 항복강도
(MPa)		 W10 /400
(W/Kg)		 비고
1 A 820 0.0018 0.03 - 18 480 21 비교재1
2 A 785 0.0025 0.04 5 11 550 23 발명재1
3 A 800 0.004 0.04 5 12 560 24 발명재2
4 A 810 0.004 0.01 - 20 470 26 발명재3
5 A 800 0.005 0.08 9 9 600 29 발명재4
6 A 810 0.004 0.12 15 8 610 35 비교재2
7 A 820 0.012 0.03 14 9 605 34 비교재3
8 A 750 0.004 0.04 2 4 680 41 비교재4
9 A 780 0.004 0.04 5 10 600 24 발명재5
10 A 920 0.004 0.04 12 35 450 19 비교재5
11 B 780 0.004 0.04 5 11 505 26 발명재6
12 C 790 0.004 0.04 5 12 475 31 비교재6
13 D 780 0.004 0.04 압연 판파단 비교재7
표 2에서 비교재1의 경우에는 Mg 함량이 20ppm미만으로 MgSb 석출물이 관찰되지 않았고, 이에 따라 결정립 성장 억제가 충분치 않아 항복강도가 500MPa이하로 낮았고, 비교재 2나 3의 경우에는 Mg나 Sb의 함량이 지나치게 많아 철손이 30W/Kg을 초과하였다.
비교재 4의 경우에는 소둔 온도가 낮아, 미재결정된 결정립들이 많아 강도는 높으나 철손이 열위하였고, 비교재 5의 경우에는 소둔온도가 지나치게 높아, 철손은 낮으나 항복강도가 낮아 고강도 전기강판 제품의 특성을 보여주지 못했다.
비교재 6과 7은 Si함량이 지나치게 낮거나 높아서 강도 및 철손이 지나치게 열위하거나, 작업성이 나쁜 특성을 보여주었다. 따라서, Sb는 0.02~0.1중량%, Mg는 0.002~0.01중량% 범위에 있으면서, 소둔온도가 780~900℃로 작업된 발명재 1~6은 적정한 결정립 크기와 석출물 크기를 가지게 되어, 항복강도는 500MPa보다 높고, 0.35mm 기준으로 철손(W10/400)은 30W/Kg보다 낮은 특성을 보였다.
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 (5)

  1. 중량%로, C:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2.0중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb: 0.02~0.1중량% 및 Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지고,
    강판 내부의 MgSb 석출물의 평균 직경이 10nm 이하이고, 결정립경의 크기가 5~20㎛ 이며,
    철손(W10/400)이 30W/Kg 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강판의 항복강도는 500MPa이상인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판.
  3. 중량%로, C:0.03중량% 이하(0% 제외), Si:2.5~4.0중량%, P:0.1중량% 이하(0% 제외), S:0.005중량% 이하(0% 제외), Mn:0.1~1.0중량%, Al:0.3~2.0중량%, N:0.003중량% 이하(0% 제외), Sb: 0.02~0.1중량% 및 Mg: 0.002~0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 제조하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하고 열연판 소둔을 실시하거나 실시하지 않고 산세하는 단계;
    산세된 강판을 냉간압연하는 단계; 및
    냉간압연된 강판을 최종소둔하는 단계를 포함하며,
    상기 최종소둔 후 강판 내부의 MgSb 석출물의 평균 직경이 10nm 이하이고, 상기 최종소둔은 780~900℃의 온도 범위에서 이루어지며,
    철손(W10/400)이 30W/Kg 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최종소둔 후 강판 내부의 결정립경의 크기가 5~20㎛ 인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 최종소둔 후 강판의 항복강도는 500MPa이상인 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 제조방법.
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