KR20150119304A - 고주파 철손 특성이 우수한 무방향성 전자 강판 - Google Patents

Abstract

mass％로, C: 0.005％ 이하, Si: 1.5∼4％, Mn: 1∼5％, P: 0.1％ 이하, S: 0.005％ 이하, Al: 3％ 이하, N: 0.005％ 이하, Pb: 0.001％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성으로 이루어지는, 혹은, C: 0.005％ 이하, Si: 1.5∼4％, Mn: 1∼5％, P: 0.1％ 이하, S: 0.005％ 이하, Al: 3％ 이하, N: 0.005％ 이하, Pb: 0.0020％ 이하를 함유하고, 추가로, Ca: 0.0005∼0.007％ 및 Mg: 0.0002∼0.005％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 성분 조성으로 이루어지는, Mn을 다량으로 함유하는 경우라도, 안정적으로 우수한 고주파 철손(iron loss) 특성을 갖는 무방향성 전자 강판.

Description

고주파 철손 특성이 우수한 무방향성 전자 강판{NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET HAVING EXCELLENT HIGH-FREQUENCY-IRON-LOSS PROPERTIES}

본 발명은, 고주파 철손(iron loss) 특성이 우수한 무방향성 전자 강판(electrical steel sheet)에 관한 것이다.

하이브리드 자동차나 전기 자동차용의 모터는, 소형화, 고효율화의 관점에서, 400∼2㎑의 고주파역에서 구동되고 있다. 이러한 고주파 모터의 코어재(core material)에 사용되는 무방향성 전자 강판에는, 고주파에 있어서의 철손이 낮은 것이 요망되고 있다.

고주파에 있어서의 철손을 저감하기 위해서는, 판두께 저감과 고유 저항의 증대가 효과적이다. 그러나, 판두께를 저감하는 방법은, 재료의 강성 저하에 의해, 취급이 어려워질 뿐만 아니라, 펀칭 공정수나 적층 공정수가 증가하기 때문에, 생산성이 저하된다는 문제가 있다. 이에 대하여, 고유 저항을 높이는 방법은, 상기와 같이 불리한 점이 없기 때문에, 고주파 철손 저감 수법으로서 바람직한 것이라고 말할 수 있다.

고유 저항을 높이기 위해서는, Si의 첨가가 효과적이다. 그러나, Si는, 고용 강화능(solid-solution strengthening ability)이 큰 원소이기 때문에, Si 첨가량의 증가에 수반하여 재료가 경화되고, 압연성이 저하된다는 문제가 있다. 이 문제를 해결하는 수단의 하나로서, Si 대신에 Mn을 첨가하는 방법이 있다. Mn은, Si에 비해 고용 강화능이 작기 때문에, 제조성의 저하를 억제하면서 고주파 철손을 저감할 수 있다.

상기 Mn의 첨가 효과를 활용한 기술로서는, 예를 들면, 특허문헌 1에는, Si: 0.5∼2.5mass％, Mn: 1.0∼3.5mass％, Al: 1.0∼3.0mass％를 함유하는 무방향성 전자 강판이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, Si: 3.0mass％ 이하, Mn: 1.0∼4.0mass％, Al: 1.0∼3.0mass％를 함유하는 무방향성 전자 강판이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 2002-047542호 일본공개특허공보 2002-030397호

그러나, 상기 특허문헌 1 및 2에 개시된 기술은, 모두, Mn 첨가량의 증가에 수반하여, 히스테리시스손(hysteresis loss)이 증가하고, 기대한 철손 저감 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다는 문제가 있었다.

본 발명은, 종래 기술이 안고 있는 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, Mn을 다량으로 함유하는 경우라도, 안정적으로 우수한 고주파 철손 특성을 갖는 무방향성 전자 강판을 제공하는 것에 있다.

발명자들은, 상기 과제의 해결을 향하여, 강판에 포함되는 불순물 성분에 착안하여 예의 검토를 거듭했다. 그 결과, 고Mn 첨가강의 고주파 철손 특성의 열화는, 불순물로서 포함되는 Pb의 존재에 의한 것이라는 점, 따라서, Pb의 함유량을 억제함으로써, 높은 Mn 함유량이라도 고주파 철손을 안정적으로 저감할 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 개발하기에 이르렀다.

상기 인식에 기초하는 본 발명은, C: 0.005mass％ 이하, Si: 1.5∼4mass％, Mn: 1∼5mass％, P: 0.1mass％ 이하, S: 0.005mass％ 이하, Al: 3mass％ 이하, N: 0.005mass％ 이하, Pb: 0.0010mass％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성으로 이루어지는 무방향성 전자 강판이다.

본 발명의 무방향성 전자 강판은, 상기 성분 조성에 더하여 추가로, Ca: 0.0005∼0.007mass％ 및 Mg: 0.0002∼0.005mass％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무방향성 전자 강판은, 상기 성분 조성에 더하여 추가로, Sb: 0.0005∼0.05mass％ 및 Sn: 0.0005∼0.05mass％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무방향성 전자 강판은, 상기 성분 조성에 더하여 추가로, Mo: 0.0005∼0.0030mass％를 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무방향성 전자 강판은, Ti의 함유량이 0.002mass％ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 불순물로서 포함되는 Pb의 함유량을 억제함으로써, 고Mn 첨가량이라도, 안정적으로 고주파 철손 특성이 우수한 무방향성 전자 강판을 생산성 좋게 제조하는 것이 가능해진다.

도 1은 Mn 함유량과 고주파 철손 W_{10 /400}과의 관계에 미치는, Pb 함유의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는 Pb 함유량과 고주파 철손 W_{10 /400}과의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

우선, 본 발명을 개발하는 계기가 된 실험에 대해서 설명한다.

C: 0.0012mass％, Si: 3.3mass％, P: 0.01mass％, S: 0.0005mass％, Al: 1.3mass％ 및 N: 0.0021mass％를 함유하는 강을 베이스로 하고, 이에 Mn을 0.1∼5.5mass％의 범위에서 여러 가지로 변화시켜 첨가한 강을 실험실에서 용해하고, 강괴로 하여, 열간 압연하고, 100vol％ N₂ 분위기하에서 1000℃×30sec의 열연판 어닐링을 행한 후, 냉간 압연하여 판두께 0.30㎜의 냉연판으로 하고, 20vol％ H₂-80vol％ N₂ 분위기 중에서 1000℃×30sec의 마무리 어닐링을 행했다.

이와 같이 하여 얻은 냉연 어닐링판으로부터, 폭 30㎜×길이 280㎜의 엡스타인(Epstein) 시험편을 압연 방향 및 압연 직각 방향으로부터 잘라내고, JIS C2550에 준거하여 철손 W_{10 /400}을 측정했다.

도 1의 × 표시는, 상기 실험 결과를, Mn 첨가량과 철손 W_{10 /400}과의 관계로서 나타낸 것이다. 이 결과로부터, Mn이 1mass％ 미만에서는, 철손이 Mn 첨가량의 증대에 수반하여 저하되지만, 1mass％ 이상에서는 철손 저하가 완만해지고, 4mass％를 초과하면 반대로 철손이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이 원인을 조사하기 위해, Mn을 2mass％ 함유하는 강판을 TEM으로 관찰한 결과, 입계(grain boundary)에 알갱이 형상(granular)의 Pb 화합물이 관찰되었다. 그리고, 강을 추가로 분석한 결과, 불순물로서 Pb가 0.0012∼0.0016mass％ 포함되어 있었다.

그래서, 자기 특성에 미치는 Pb의 영향을 추가로 조사하기 위해, C: 0.0013mass％, Si: 3.1mass％, Al: 1.1mass％, P: 0.01mass％, S: 0.0005mass％, N: 0.0025mass％를 함유하고, Pb의 함유량이 0.0005mass％ 이하의 고순도강을 베이스로 하고, 이에 Mn을 0.1∼5.5mass％의 범위에서 여러 가지로 바꾸어 첨가한 강을 실험실에서 용해하고, 상기 실험과 동일하게 하여, 냉연 어닐링판으로 하여, 철손 W_10/400을 측정했다.

이와 같이 하여 얻은 실험 결과를 도 1 중에 ○ 표시로 나타냈다. 이 결과로부터, Pb를 저감한 고순도강을 이용한 냉연 어닐링판에서는, Mn 첨가량을 높일수록, × 표시로 나타낸 강판에 대하여 철손이 저하되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, Mn을 2mass％ 함유하는 강판을 TEM으로 관찰한 결과, 입계에는 알갱이 형상의 Pb 화합물은 관찰되지 않았다. 이 결과로부터, 상기 × 표시의 강판에 있어서의 Mn 첨가량의 증가에 수반하는 철손의 증대는, Pb의 미세 석출에 의한 히스테리시스손의 증가에 의한 것이라고 추정되었다.

한편, Mn이 1mass％ 미만의 강판에서는, Pb 저감에 의한 철손의 개선 효과는 인정되기는 하지만, 그 비율이 작은 이유는, 아직 충분히 분명하게 되어 있지 않지만, Mn을 높인 강에서는, Mn의 solute drag에 의해, 입 성장(grain growth)의 구동력이 저하되고 있기 때문에, 미량의 Pb의 존재에 의해, 입 성장이 큰 영향을 받기 쉬워져 있기 때문이 아닌지 생각되고 있다.

Pb는, 일반적으로, 스크랩(scraps)으로부터 혼입되어 오는 불순물이고, 최근에 있어서의 스크랩의 사용 비율이 높아짐에 수반하여, 혼입되어 오는 양뿐만 아니라, 편차도 서서히 커지고 있다. 이러한 Pb 함유량의 증가는, Mn 함유량이 낮은 전자 강판에서는 큰 문제가 되고 있지 않지만, Mn 함유량이 높은 강에서는, Mn의 solute drag에 의해 입 성장성이 저하되고 있기 때문에, 미량의 Pb에 의해 큰 영향을 받는 것이라고 생각할 수 있다.

다음으로, 철손에 미치는 Pb 함유량의 영향을 조사하기 위해, C: 0.0020mass％, Si: 3.15mass％, Mn: 1.8mass％, Al: 1.2mass％, P: 0.01mass％, S: 0.0006mass％, N: 0.0017mass％를 함유하는 강을 베이스로 하고, 이에 Pb의 함유량을 tr.∼0.0060mass％의 범위에서 여러 가지로 변화시킨 강을 실험실에서 용해하고, 상기 실험과 동일하게 하여, 판두께 0.30㎜의 냉연 어닐링판으로 하여, 철손 W_10/400을 측정했다.

도 2에, 상기 실험 결과를, Pb 첨가량과 철손 W_{10 /400}과의 관계로서 나타냈다. 이 도면으로부터, Pb 함유량이 0.0010mass％ 이하(10massppm 이하)에서 철손이 크게 저하되고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, Pb를 저감함으로써, 입 성장성이 향상했기 때문이라고 생각할 수 있다. 이 결과로부터, Pb에 의한 입 성장에 미치는 악영향을 억제하기 위해서는, Pb의 함유량을 0.0010mass％ 이하로 저감할 필요가 있는 것을 알 수 있었다. 본 발명은, 상기 신규의 인식에 기초하는 것이다.

다음으로, 본 발명의 무방향성 전자 강판의 성분 조성에 대해서 설명한다.

C: 0.005mass％ 이하

C는, Mn과 탄화물을 형성하는 원소이고, 0.005mass％를 초과하면, 상기 Mn계 탄화물의 양이 증가하여 입 성장을 저해하기 때문에, 상한을 0.005mass％로 한다. 바람직하게는 0.002mass％ 이하이다.

Si: 1.5∼4mass％

Si는, 강의 고유 저항을 높여, 철손을 저감하는 데에 유효한 원소이기 때문에, 1.5mass％ 이상 첨가한다. 한편, 4mass％를 초과하여 첨가하면, 자속 밀도(magnetic flux density)가 저하되기 때문에 상한은 4mass％로 한다. 바람직하게는, Si의 하한은 2mass％, 상한은 3.5mass％이다.

Mn: 1∼5mass％

Mn은, 가공성을 크게 손상시키는 일 없이, 강의 고유 저항을 높여, 철손을 저감하는 데에 유효한, 본 발명에 있어서 중요한 성분으로, 1mass％ 이상을 첨가한다. 철손 저감 효과를 더욱 얻기 위해서는, 1.6mass％ 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 5mass％를 초과하여 첨가하면, 자속 밀도를 저하시키기 때문에, 상한은 5mass％로 한다. 바람직하게는, Mn의 하한은 1.6mass％, 상한은 3mass％이다.

P: 0.1mass％ 이하

P는, 고용 강화능이 큰 원소로서, 0.1mass％를 초과하여 함유하면, 강판이 지나치게 경질화되어 제조성이 저하되기 때문에, 0.1mass％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.05mass％ 이하이다.

S: 0.005mass％ 이하

S는, 불가피적 불순물로서, 0.005mass％를 초과하여 함유하면, MnS의 석출에 의해 입 성장이 저해되어, 철손이 증대하기 때문에, 상한은 0.005mass％로 한다. 바람직하게는 0.001mass％ 이하이다.

Al: 3mass％ 이하

Al은, Si와 동일하게, 강의 고유 저항을 높여, 철손을 저감하는 데에 유효한 원소이지만, 3mass％를 초과하여 첨가하면, 자속 밀도가 저하되기 때문에, 상한은 3mass％로 한다. 바람직하게는 2mass％ 이하이다. 단, Al의 함유량이 0.1mass％ 미만이 되면, 미세한 AlN이 석출되어 입 성장이 저해되고, 철손이 증가하기 때문에, 하한은 0.1mass％로 하는 것이 바람직하다.

N: 0.005mass％ 이하

N은, 대기 중으로부터 강 중에 침입되어 오는 불가피적 불순물로서, 함유량이 많은 경우에는, AlN의 석출에 의해 입 성장이 저해되어 철손이 증가하기 때문에, 상한을 0.005mass％로 제한한다. 바람직하게는 0.003mass％ 이하이다.

Pb: 0.0010mass％ 이하

Pb는, 본 발명에 있어서는 고주파 철손 특성에 악영향을 미치는 중요한 관리해야 하는 원소로서, 전술한 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, Pb의 함유량이 0.0010mass％를 초과하면, 급격하게 철손이 증대하게 된다. 따라서, Pb는 0.0010mass％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.0005mass％ 이하이다.

본 발명의 무방향성 전자 강판은, 상기 성분 조성에 더하여 추가로, Ca 및 Mg 중 어느 1종 또는 2종을 함유하는 것이 바람직하다.

Ca: 0.0005∼0.007mass％

Ca는, 황화물을 형성하고, Pb와 복합 석출하여 조대화(coarsening)함으로써, Pb의 폐해를 억제하고, 철손을 저감하는 데에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.0005mass％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.007mass％를 초과하여 첨가하면, CaS의 석출량이 지나치게 많아져, 반대로 철손이 증가하게 되기 때문에, 상한은 0.007mass％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ca의 하한은 0.0010mass％, 상한은 0.0040mass％이다.

Mg: 0.0002∼0.005mass％

Mg는, 산화물을 형성하고, Pb와 복합 석출하여 조대화함으로써, Pb의 폐해를 억제하고, 철손을 저감하는 데에 유효한 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.0002mass％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.005mass％를 초과하여 첨가하는 것은 곤란하고, 쓸데없이 비용 상승을 초래할 뿐이기 때문에, 상한은 0.005％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Mg의 하한은 0.0005mass％, 상한은 0.003mass％이다.

또한, Ca 및/또는 Mg를 첨가하는 경우에는, 상기 Pb의 폐해 억지 효과에 의해, Pb의 함유 허용량을 0.0020mass％까지 확대할 수 있다.

또한, 본 발명의 무방향성 전자 강판은, 상기 성분 조성에 더하여 추가로, 이하의 성분을 함유하는 것이 바람직하다.

Sb: 0.0005∼0.05mass％, Sn: 0.0005∼0.05mass％

Sb 및 Sn은, 집합 조직을 개선하고, 자속 밀도를 향상하는 효과가 있기 때문에, 단독 또는 복합하여 각각 0.0005mass％ 이상 첨가할 수 있다. 보다 바람직하게는 각각 0.01mass％ 이상이다. 그러나, 0.05mass％를 초과하는 첨가는, 강판의 취화를 초래하기 때문에, 각각 상한은 0.05mass％로 하는 것이 바람직하다.

Mo: 0.0005∼0.0030mass％

Mo는, 형성되는 탄화물을 조대화하고, 철손을 저감하는 효과가 있기 때문에, 0.0005mass％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.0030mass％ 이상의 첨가는, 탄화물의 양이 지나치게 많아져, 오히려, 철손이 증가하게 되기 때문에, 상한은 0.0030mass％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Mo의 하한은 0.0010mass％, 상한은 0.0020mass％이다.

Ti: 0.002mass％ 이하

Ti는, 탄질화물을 형성하는 원소로서, 함유량이 많으면, 탄질화물의 석출량이 지나치게 많아져 입 성장을 저해하고, 철손을 증대시킨다. 따라서, 본 발명에 있어서는, Ti는 0.002mass％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0010mass％ 이하이다.

또한, 본 발명의 무방향성 전자 강판은, 상기 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 단, 본 발명의 작용 효과를 손상시키지 않는 범위 내이면, 다른 원소의 함유를 막는 것은 아니다.

다음으로, 본 발명의 무방향성 전자 강판의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 무방향성 전자 강판의 제조 방법은, 강판의 성분 조성을 상기한 본 발명의 범위 내로 하여 제조하면, 그 이외의 조건에 대해서는 특별히 제한은 없고, 통상의 무방향성 전자 강판과 동일한 조건으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 전로(converter)나 탈가스 처리 장치 등으로, 본 발명에 적합한 성분 조성의 강을 용제하고, 연속 주조나 조괴-분괴 압연(ingot making-blooming) 등으로 강 소재(슬래브(slab))로 한 후, 열간 압연하여, 필요에 따라서 열연판 어닐링하고, 1회의 냉간 압연, 또는 중간 어닐링을 사이에 둔 2회 이상의 냉간 압연에 의해 소정의 판두께로 하고, 마무리 어닐링하는 방법으로 제조할 수 있다.

실시예

전로에서 취련한 용강(molten steel)을 탈가스 처리하여 표 1에 나타낸 성분 조성을 갖는 강을 용제한 후, 연속 주조하여 슬래브로 하고, 1100℃×1hr의 슬래브 가열을 행한 후, 마무리 압연 종료 온도를 800℃로 하는 열간 압연을 행하고, 610℃의 온도에서 코일로 권취하고, 판두께 1.8㎜의 열연판으로 했다. 이어서, 이 열연판에, 100vol％ N₂ 분위기 중에서 1000℃×30sec의 열연판 어닐링을 행한 후, 냉간 압연하여 판두께 0.35㎜의 냉연판으로 하고, 20vol％ H₂-80vol％ N₂ 분위기에서, 1000℃×10sec의 마무리 어닐링을 행하고, 냉연 어닐링판으로 했다.

이와 같이 하여 얻은 냉연 어닐링판으로부터, 폭 30㎜×길이 280㎜의 엡스타인 시험편을 압연 방향 및 압연 직각 방향으로부터 잘라내고, JIS C2550에 준거하여, 철손 W_{10 /400} 및 자속 밀도 B₅₀을 측정하고, 그 결과를 표 1 중에 병기했다.

(표 1-1)

(표 1-2)

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 성분 조성을 충족하는 강판, 특히 Pb를 저감한 강판은, 높은 Mn 함유량임에도 불구하고, 고주파 철손 특성이 우수한 것을 알 수 있다.

본 발명은, 공작 기계용 모터, 하이브리드 EV용 모터, 고속 발전기 등에도 이용할 수 있다.

Claims (5)

1. C: 0.005mass％ 이하, Si: 1.5∼4mass％, Mn: 1∼5mass％, P: 0.1mass％ 이하, S: 0.005mass％ 이하, Al: 3mass％ 이하, N: 0.005mass％ 이하, Pb: 0.0010mass％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성으로 이루어지는 무방향성 전자 강판.
2. 제1항에 있어서,
   상기 성분 조성에 더하여 추가로, Ca: 0.0005∼0.007mass％ 및 Mg: 0.0002∼0.005mass％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 방향성 전자 강판.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 성분 조성에 더하여 추가로, Sb: 0.0005∼0.05mass％ 및 Sn: 0.0005∼0.05mass％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 성분 조성에 더하여 추가로, Mo: 0.0005∼0.0030mass％를 함유하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   Ti의 함유량이 0.002mass％ 이하인 것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판.

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