KR20240000242A - 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법은 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)을 함유하는 강재를 제공하는 단계; 상기 강재를 열간 압연하는 단계; 상기 열간 압연된 강재를 권취하기 전에 제 1 열처리하는 단계; 상기 제 1 열처리된 강재를 권취하는 단계; 상기 권취된 강재를 언코일링하여 냉간 압연하는 단계; 및 상기 냉간 압연된 강재를 냉연 소둔 처리하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고효율 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전기강판은 자기 특성에 따라서 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판으로 나눌 수 있다. 방향성 전기강판(oriented electrical steel sheet)은 강판의 압연방향으로 자화가 용이하도록 제조하여 압연 방향으로 특히 우수한 자기 특성을 가지므로, 저철손, 고투자율이 요구되는 대형, 중소형 변압기의 철심으로 주로 사용된다. 이에 반하여, 무방향성 전기강판(non-oriented electrical steel sheet)은 강판의 방향에 관계없이 균일한 자기특성을 가지므로, 소형 전동기나 소형 전원 변압기, 안정기 등의 철심 재료로 널리 사용되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고효율 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법은 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)을 함유하는 강재를 제공하는 단계; 상기 강재를 열간 압연하는 단계; 상기 열간 압연된 강재를 권취하기 전에 제 1 열처리하는 단계; 상기 제 1 열처리된 강재를 권취하는 단계; 상기 권취된 강재를 언코일링하여 냉간 압연하는 단계; 및 상기 냉간 압연된 강재를 냉연 소둔 처리하는 단계;를 포함한다.
상기 무방향성 전기강판의 제조 방법에서, 상기 강재는 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 각각 포함할 수 있다.
상기 무방향성 전기강판의 제조 방법에서, 상기 제 1 열처리하는 단계는 상기 열간 압연된 강재를 상온으로 냉각하기 전에 수행하되, 상기 제 1 열처리하는 단계의 온도는 상기 권취하는 단계의 온도보다 높을 수 있다.
상기 무방향성 전기강판의 제조 방법의 상기 열간 압연하는 단계에서, 재가열온도(SRT)는 1110 ~ 1150℃이고, 마무리 압연 온도(FDT)는 860 ~ 900℃이고, 상기 제 1 열처리하는 단계는 850 ~ 1000℃의 온도에서 5 ~ 10분 동안 유지하는 단계를 포함하고, 상기 권취하는 단계의 온도는 550 ~ 650℃일 수 있다.
상기 무방향성 전기강판의 제조 방법에서, 상기 냉연 소둔 처리하는 단계;는 승온속도: 20℃/s 이상, 어닐링 시작온도: 900~ 1100℃, 유지시간: 30 ~ 120초인 조건에서 어닐링 하는 단계; 및 냉각속도: 30℃/s 이상인 조건에서 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 무방향성 전기강판의 제조 방법에서, 상기 냉간 압연하는 단계는 상기 강재를 권취하는 단계 후에 예비 소둔 처리하지 않고 냉간 압연하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 무방향성 전기강판은 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무방향성 전기강판이며, 최종 미세조직을 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 크며, 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400)과 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 가진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고효율 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 실험예1의 시편에서 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물을 촬영한 사진이다.
도 4는 실험예5의 시편에서 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 실험예1의 시편에서 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물을 촬영한 사진이다.
도 4는 실험예5의 시편에서 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물을 촬영한 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일반적으로 전기강판은 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판으로 나뉜다. 방향성 전기강판의 경우 주로 변압기와 같은 정지기에 사용이 되고 무방향성 전기강판의 경우 모터와 같이 회전하는 회전기에 많이 쓰인다. 전기강판의 특성은 자속밀도와 철손으로 평가할 수 있으며 자속밀도는 주로 B50, 철손의 경우 일반적으로 W15/50을 평가하였지만 전기자동차와 같이 고주파 특성이 요구되는 경우에는 W10/400으로 평가하고 있다. B50은 5000A/m에서의 자속밀도를 나타내고, W15/50은 50Hz, 1.5T에서의 철손을 나타내고, W10/400은 400Hz, 1.0T에서의 철손을 나타낸다.
지구 온난화 방지를 위한 CO2 배출량의 저감 정책에 의하여 기존의 내연기관 자동차가 친환경차(하이브리드 자동차 (HEV), 전기자동차(EV)), 특히 전기자동차(EV)로 빠르게 대체되고 있다. 이러한 전기자동차(EV)의 수요증가에 맞춰 전기자동차용 구동모터의 에너지 변환의 고효율화가 진행되고 있으며, 이를 위하여 모터 철심 소재의 우수한 자기적 특성이 요구되고 있다. 모터 철심 소재로 사용되는 무방향성 전기강판은 회전 기기에서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 주는데 역할을 하며, 에너지 절감을 위해서는 그 자기적 특성 즉, 낮은 철손과 높은 자속밀도를 갖는 것이 중요하다. 특히, 에너지 손실이 큰 고속주행에서의 모터 고효율화를 위해 고주파(400Hz) 철손이 낮은 무방향성 전기강판이 요구되고 있다. 이러한 요구에 맞춰, 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al) 등의 원소를 첨가하여 비저항을 향상시키거나, 소재의 박물화를 구현할 수 있도록 무방향성 전기강판 제품개발이 이루어지고 있다. 하지만 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)과 같은 합금 원소가 증가하였을 경우에는 압연이 어려워져 냉연 회수율이 감소하고 박물화가 어려워지며, 전기강판의 두께를 얇게 할 경우에는 높은 생산 기술이 요구되며 생산 단가가 증가하고 생산성이 감소하는 문제점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법은 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)을 함유하는 강재를 제공하는 단계(S10); 상기 강재를 열간 압연하는 단계(S20); 상기 열간 압연된 강재를 권취하기 전에 제 1 열처리하는 단계(S30); 상기 제 1 열처리된 강재를 권취하는 단계(S40); 상기 권취된 강재를 언코일링하여 냉간 압연하는 단계(S50); 및 상기 냉간 압연된 강재를 냉연 소둔 처리하는 단계(S60);를 포함한다.
강재 제공 단계(S10)
열간 압연 공정에 투입되는 강재는 무방향성 전기강판을 제조하기 위한 강재이며, 예를 들어, 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 각각 포함한다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법이 적용될 수 있는 예시적인 조성 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명의 기술적 사상에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법은 이러한 조성범위의 예시에 의하여 한정되지 않으며, 무방향성 전기강판의 기능을 수행할 수 있는 임의의 조성범위까지 확대될 수 있다.
실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%
실리콘(Si)은 비저항을 증가시켜서 철손(와전류 손실)을 낮추는 성분으로 주요 첨가 원소이다. 실리콘 첨가량이 2.0 중량% 미만으로 낮으면 원하는 고주파 저철손 값을 얻기 어려워지며, 첨가량이 증가할수록 투자율 및 자속밀도가 감소하게 된다. 또한 실리콘 첨가량이 4.0 중량%를 초과하면 취성이 증가하여 냉간 압연이 어렵게 되어 생산성이 저하된다.
망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%
망간(Mn)은 실리콘과 함께 비저항을 증가시키며 집합조직을 향상시킨다. 망간은 0.5 중량%를 초과하여 첨가하면 조대한 MnS 석출물이 형성되어 자속밀도가 감소되는 등 자기적 성질이 열화된다. 나아가, 망간 함량이 0.5 중량%를 초과하는 경우 첨가량에 비해 철손 감소량이 적은 반면 냉간 압연성 저하가 현저하게 발생한다. 나아가, 망간의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 미세한 MnS 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제할 수 있다는 점에서, 망간의 조성범위는 0.1 ~ 0.5중량%로 조절될 수 있다.
알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%
알루미늄(Al)은 실리콘과 함께 비저항을 증가시켜서 철손(와전류 손실)을 낮추는 성분으로 주요 첨가 원소이다. 알루미늄은 자기이방성을 감소시켜 자성 편차를 감소시키는 역할을 한다. 알루미늄은 질소와 만나 AlN 석출을 유도한다. 알루미늄의 함량이 0.3 중량% 미만인 경우 상술한 효과를 기대하기 어려우며 미세한 질화물을 형성하여 자기적 특성 편차를 증가시킬 수 있으며, 알루미늄의 함량이 0.9 중량%를 초과하는 경우 냉간 압연성 저하가 발생하며, 질화물을 과다하게 형성하여 자속밀도가 감소되어 자기적 성질이 열화된다.
탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하
탄소(C)는 TiC, NbC 등 탄화물을 형성하여 철손을 증가시키는 원소로 적을수록 바람직하며 0.003 중량% 이하로 제한한다. 탄소 함량이 0.003 중량%를 초과하는 경우 자기 시효를 일으켜서 자기 특성을 떨어트리며 0.003 중량% 이하에서는 자기시효 현상이 억제된다.
인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하
인(P)은 결정립계 편석 원소로 집합 조직을 발달시키는 원소이다. 인의 함량이 0.015 중량%를 초과하는 경우 편석 효과로 결정립 성장 억제, 자성기적 성질이 열화되며 냉간압연성 저하가 발생한다.
황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하
황(S)은 MnS, CuS 등 석출물을 형성하여 철손을 증가시키며, 결정립 성장을 억제시키므로 가능한 낮게 첨가하며 0.003 중량% 이하로 제한한다. 황의 함량이 0.003 중량%를 초과하면 철손이 증가하는 문제점이 나타난다.
질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하
질소(N)는 AlN, Tin, NbN 등 석출물을 형성하여 철손을 증가시키며, 결정립 성장을 억제시키므로 가능한 낮게 첨가하며 0.003 중량% 이하로 제한한다. 질소의 함량이 0.003 중량%를 초과하면 철손이 증가하는 문제점이 나타난다.
티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하
티타늄(Ti)은 TiC, TiN 등 미세한 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제시킨다. 티타늄이 첨가할수록 자기적 성질이 열위되므로 가능한 낮게 첨가하며 0.003 중량% 이하로 제한한다. 티타늄의 함량이 0.003 중량%를 초과하면 자기적 성질이 열화되는 문제점이 나타난다.
열간 압연 단계(S20)
상술한 조성을 가지는 강재는 열간 압연 공정을 거치게 된다. 상기 강재를 열간 압연하는 단계(S20)는 재가열온도(SRT): 1000 ~ 1200℃(엄격하게는, 1110 ~ 1150℃)이고, 마무리 압연 온도(FDT): 860 ~ 900℃인 조건에서 수행될 수 있다.
슬래브 재가열온도를 1200℃(엄격하게는, 1150℃)를 초과하는 경우 슬래브 내 C,S,N 등의 석출물이 재고용되어 추후 압연 및 소둔 공정에 미세한 석출물들이 발생하여 결정립 성장을 억제하고 자성이 열화될 수 있다. 슬래브 재가열온도가 1000℃(엄격하게는, 1110℃) 미만이면 압연부하가 증가하게 되며 최종제품에서 철손이 높아지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 강재를 열간 압연하는 단계(S20)를 수행한 후 열연판의 두께는, 예를 들어, 1.8 ~ 2.6mm일 수 있다. 열연판 두께가 두꺼울수록 냉간 압연 압하율이 증가하게 되어 집합조직이 열위되므로 두께를 2.6mm 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
제 1 열처리 단계(S30)
열간 압연된 강재를 권취하기 전에 제 1 열처리하는 단계(S30)를 수행할 수 있다. 상기 제 1 열처리하는 단계(S30)는 상기 열간 압연된 강재를 상온으로 냉각하기 전에 연속적으로 수행할 수 있다. 상기 제 1 열처리 후에 강재를 상온까지 냉각할 수 있다. 상기 제 1 열처리는 소둔 열처리일 수 있다. 상기 제 1 열처리하는 단계(S30)의 온도는 후속의 권취하는 단계(S40)의 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 권취 온도는 550 ~ 650℃일 경우, 상기 제 1 열처리하는 단계(S30)는 850 ~ 1000℃의 온도에서 5 ~ 10분 동안 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 열처리 온도가 850℃ 미만인 경우 질화물 등 미세한 개재물들이 표면층에서부터 형성이 되며, 개재물들이 충분히 성장하지 않아 최종 제품 자성이 열위하게 된다. 반면 제 1 열처리 온도가 650℃를 초과하면 개재물 분포뿐만 아니라 결정립이 과도하게 성장하여 결정립 크기 편차가 심해지고 산화가 많이 발생하여 최종 제품에 악영향을 끼치게 된다. 따라서 균일한 열연판의 미세조직을 얻기 위해 제 1 열처리 온도는 550 ~ 650℃으로 조절될 수 있다.
권취 단계(S40)
상기 제 1 열처리된 강재는 권취온도(CT): 560 ~ 600℃인 조건에서 권취될 수 있다. 권취온도가 560℃ 미만인 경우 강재의 소둔 효과가 없어서 결정립 성장이 되지 않으며, 권취온도가 600℃를 초과하는 경우 냉각시 산화가 많아질 수 있어서 산세성이 나빠질 수 있다.
냉간 압연 단계(S50)
상기 권취된 강재를 언코일링하여 냉간 압연하는 단계(S50)를 수행한다. 냉간 압연의 압하율은 80 ~ 85%이며, 냉연 후 강재의 두께는 0.35mm 이하(엄격하게는, 0.25mm 이하)일 수 있다. 압연성을 부여하기 위하여 판온을 150 ~ 200℃로 상승시켜 온간 압연할 수 있다.
통상적으로, 열간 압연 및 권취 후 냉간 압연 전에, 열연판을 소둔 및 산세하는 APL(Annealing and Pickling Line) 단계로서 예비 소둔 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 소둔 처리는 승온속도: 20℃/s 이상, 어닐링 온도: 950 ~ 1100℃, 유지 시간: 30 ~ 120초의 조건으로 어닐링 하는 단계, 냉각속도: 30℃/s 이상인 조건으로 냉각하는 단계 및 산세 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
그러나 본 발명에서는 열간 압연된 강재를 권취하기 전에 상술한 제 1 열처리를 수행하므로 예비 소둔 처리를 수행하지 않고 표면에 형성된 산화층을 산세액을 통해 제거한 후 바로 냉간 압연 공정을 수행할 수 있음을 확인하였다.
냉연 소둔 처리 단계(S60)
상기 냉간 압연된 강재를 냉연 소둔 처리할 수 있다. 상기 냉연 소둔 처리하는 단계(S60)는 승온속도: 20℃/s 이상, 어닐링 온도: 900 ~ 1100℃, 유지 시간: 30 ~ 120초의 조건으로 어닐링 하는 단계 및 냉각속도: 30℃/s 이상인 조건으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 냉연 소둔 처리에서 어닐링 온도가 900℃ 미만이면 결정립 크기가 미세하여 이력 손실이 증가할 수 있으며 어닐링 온도가 1100℃를 초과하면 결정립 크기가 조대해지며 와전류 손실이 증가할 수 있다.
냉연 소둔은 냉간 압연 후 얻어진 냉연판을 가지고 진행한다. 철손 향상 및 기계적 성질을 고려하여 최적의 결정립 크기를 도출하는 온도를 적용한다. 냉연 소둔에서 표면 산화 및 질화를 방지하기 위하여 혼합 분위기 조건으로 가열한다. 질소 및 수소의 혼합 분위기를 통해 표면 상태를 더욱 매끄럽게 한다. 냉연 소둔 온도가 900℃ 미만이면 결정립 크기가 미세하여 이력 손실이 증가할 수 있고, 냉연 소둔 온도가 1100℃를 초과하면 결정립 크기가 조대해지고 와전류 손실이 증가하게 된다.
한편, 최종 냉연 소둔 후 절연 코팅층을 형성하기 위하여 코팅 공정을 실시할 수 있다. 절연 코팅층을 형성함으로써 타발성 향상 및 절연성을 확보할 수 있다. 냉연재 상부 및 하부에 각각 형성된 절연 코팅층의 두께는 약 1 ~ 2㎛일 수 있다.
상술한 제조 방법으로 구현된 무방향성 전기강판은, 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무방향성 전기강판이며, 결정립의 평균 크기는 80 ~ 150㎛이며, 최종 미세조직을 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 크며, 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400)과 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 가지며, 항복강도는 400MPa 이상이고 인장강도는 500MPa일 수 있다.
본 발명에서는, 양산 가능한 공정 조건을 통해 열연 소둔재 미세조직을 제어하여 높은 자속밀도 및 낮은 철손값을 가지는 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법을 제공한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법은, 통상적으로, 슬래브 재가열 후 열간 압연하여 열연판을 제조하는 단계(S10, S20, S40), 열연판을 소둔 및 산세하는 APL(Annealing and Pickling Line) 단계(S45), 상기 APL 단계가 끝난 열연 소둔재를 냉간 압연하여 냉연판을 제조하는 단계(S50), 냉연판을 최종 소둔 하는 ACL(Annealing and Coating Line) 단계(S60)를 포함한다. 고합금계의 무방향성 전기강판에서는 상기 APL 공정이 필수적이다. APL 공정을 통해 냉간 압연성을 부여하고 최종 제품의 자성을 향상시킨다. 최종 제품의 자성 품질은 APL 공정의 영향을 많이 받으므로 미세 조직 제어가 필수적이다. 열처리 작업을 통해 미세한 석출물 및 개재물 크기를 제어하지 못하면 미세한 석출물 및 개재물에 의한 자벽 이동이 지연되어, 결과적으로 자성이 열위될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법에서는 무방향성 전기강판의 열간압연 공정이 끝난 후 권취 온도 이하로 냉각되기 전 연속적으로 제 1 열처리 공정(S30)을 진행한다. 이때 상기 제 1 열처리하는 단계는 850 ~ 1000℃의 온도에서 5 ~ 10분 동안 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제 1 열처리 작업을 통해 APL 미처리 작업이 가능하며, 더 우수한 전기강판을 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상술한 열처리 이력을 적용함으로써 최종 소둔재를 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 큰 미세조직을 확보하였으며, 이 경우 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400)과 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 동시에 구현할 수 있음을 확인하였다. 상술한 개재물 분포 분석 방법은 최종 소둔재를 적층하여 10x10mm2 면적의 단면을 분석하였으며, SEM BSD-mode 활용하여 명암 차이에 의한 모든 사이즈의 개재물 분포를 분석하여 구현한 것이다.
본 발명에 따른 무방향성 전기강판의 제조 방법으로 구현한 최종 제품은 미세조직이 균일하게 되어 자성이 더욱 향상된다. 이때 철손은 W10/400 기준 12.5 W/kg 이하, 자속밀도는 1.65T 이상으로 구현되며, 더욱 바람직하게는 철손은 W10/400 기준 12.0 W/kg 이하, 자속밀도는 1.66T이상으로 구현될 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 무방향성 전기강판에서 철손을 감소시키기 위해서는 판 두께를 감소시키고 비저항을 증가시켜야 한다. 하지만, 판 두께를 작게 하면 높은 생산 기술이 요구되며, 공정 중 생산성이 저하되게 되며, 모터 코어 제작에서도 가공 및 적층 시에도 비용이 증가 하게 된다. 또한, 비저항을 높이기 위해 Si, Al, Mn 등 고합금 원소를 첨가하지만 이러한 합금 원소의 첨가는 냉간 압연을 어렵게 한다. 고효율 전기자동차용 무방향성 전기강판이 요구하는 고 자속밀도와 저 철손을 만족해야 하며, 비저항을 높이기 위해 최적의 합금 조절과 고도의 공정 기술이 필요하다.
합금 조절 측면에서는 비저항을 높이는 Si, Al, Mn이 주요 합금 원소이며, 이 합금들의 조합 뿐만 아니라 냉간 압연성을 향상시킬 수 있는 Cr, Cu, Ni 등의 원소들이 고려되고 있으나 자기적 성질 및 기계적 성질을 변화시키므로 최적의 조건을 찾는데 어려움이 있다.
무방향성 전기강판 제조 공정 측면에서는 Si 3% 이상의 무방향성 전기강판에서는 최종제품의 자속밀도와 철손을 향상시키기 위해서 APL(Annealing and Pickling Line, 소둔 및 산세 라인) 공정이 필수적이라고 알려져 있다. 가열속도 제어로 집합조직을 향상시킬 수 있으나 미세조직 불균일에 의한 자성 열위 현상이 발생하여, 중간 공정인 APL 에서부터 열연조직의 미세조직 제어가 필수이다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 전기강판 열간압연 공정 중 열간압연이 끝난 후 상온으로 냉각되기 전 열연재 열처리 작업을 진행하였다. 이러한 열연재 열처리 작업을 통해 열연재의 재결정/결정립 성장을 일으켜 APL 작업 없이 냉간압연을 진행할 수 있어 공정 단순화 및 생산성 증대를 도모할 수 있으며 또한 우수한 무방향성 전기강판을 제조할 수 있다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 다음의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 다음의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 시편의 조성
본 실험예에서는 표 1의 합금 원소 조성(단위: 중량%)을 가지는 시편들을 제공한다.
| Si | Mn | Al | C | P | S | N | Ti | Bal. |
| 3.35 | 0.32 | 0.73 | 0.0025 | 0.0052 | 0.0014 | 0.0018 | 0.0011 | Fe |
표 1을 참조하면, 실험예에 따른 무방향성 전기강판의 조성은 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)을 만족한다.
상기 조성을 가지는 슬래브를 1150℃로 재가열하고 마무리압연온도(FDT)가 890℃인 조건으로 열간 압연 실시 후 2.0mm두께를 가지는 열연판을 제조하였다. 열간 압연이 끝나고 연속적으로 다양한 온도 조건에서 열처리를 진행하였다. 이후 냉간 압연하여 0.25t의 두께를 가지는 냉연판을 만들고 최종 소둔을 980℃에서 40초 동안 진행하였다. 그 후 코팅 공정을 통해 최종 제품을 제조하였다. 최종 소둔 분위기 온도는 수소 30% - 질소 70%의 혼합분위기에서 실시하였다. 이때 승온속도는 20℃/s, 냉각속도는 30℃/s로 진행하였다.
2. 공정 조건 및 물성 평가
표 2는 본 실험예의 공정 조건과 이에 따른 철손(W10/400) 및 자속밀도(B50)를 나타낸 것이다. 도 3은 실험예1의 시편에서 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물을 촬영한 사진이고, 도 4는 실험예5의 시편에서 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물을 촬영한 사진이다.
표 2에 개시된 열처리방법 중 제1열처리는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열처리 단계(S30)에 해당하며, APL은 도 2를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 예비소둔 단계(S45)에 해당한다. 즉, APL 공정은 열간 압연 후 냉간 압연 전 적용하는 예비 소둔(APL) 처리를 의미하며, 예비 소둔 처리하는 단계는 승온속도: 20℃/s 이상, 어닐링 온도: 950 ~ 1100℃, 유지 시간: 30 ~ 120초의 조건으로 어닐링 하는 단계 및 냉각속도: 30℃/s 이상인 조건으로 냉각하는 단계를 포함한다.
또한, 표 2에 개시된 개재물 항목은 최종 소둔재의 개재물 분포로서 평균크기가 2㎛ 이하 또는 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율(면적%)과 이의 비율을 나타낸 것이다. 또한, 최종 제품의 자성 측정은 SST(single sheet tester)를 통해 철손값과 자속밀도 값을 L방향과 C방향 측정 후 평균값으로 구하였다.
| 열처리방법 | 소둔온도 (℃) |
소둔시간(분) | A: 개재물 2um 이하 (면적%) |
B: 개재물 5um 이상 (면적%) |
B/A | W10/400 | B50 | |
| 실험예1 | 제1열처리 | 700 | 5 | 71.2 | 9.1 | 0.13 | 14.1 | 1.63 |
| 실험예2 | 제1열처리 | 700 | 10 | 76.5 | 11.7 | 0.15 | 14.3 | 1.64 |
| 실험예3 | 제1열처리 | 750 | 5 | 62.8 | 13.5 | 0.21 | 14 | 1.64 |
| 실험예4 | 제1열처리 | 800 | 5 | 53.9 | 14.1 | 0.26 | 13.2 | 1.65 |
| 실험예5 | 제1열처리 | 850 | 5 | 51.7 | 16.9 | 0.33 | 12.2 | 1.68 |
| 실험예6 | 제1열처리 | 900 | 5 | 47.3 | 23.3 | 0.49 | 12.3 | 1.67 |
| 실험예7 | 제1열처리 | 950 | 5 | 44.8 | 25.9 | 0.58 | 11.8 | 1.68 |
| 실험예8 | 제1열처리 | 950 | 10 | 49.7 | 27.1 | 0.55 | 11.7 | 1.68 |
| 실험예9 | 제1열처리 | 975 | 5 | 47.1 | 25.9 | 0.55 | 12 | 1.67 |
| 실험예10 | 제1열처리 | 1000 | 5 | 41.1 | 19.1 | 0.46 | 11.9 | 1.68 |
| 실험예11 | APL | 900 | 2 | 58.8 | 12.8 | 0.22 | 13.7 | 1.65 |
| 실험예12 | APL | 950 | 2 | 62.7 | 15.2 | 0.24 | 13.2 | 1.65 |
| 실험예13 | APL | 1000 | 2 | 61.4 | 17.3 | 0.28 | 12.9 | 1.66 |
표 2를 참조하면, 실험예1, 실험예2, 실험예3, 실험예4는 도 1에 개시된 열연재 열처리 단계(S30)를 적용하였으나 열처리 온도가 850 ~ 1000℃를 하회한다. 이 경우, 최종 미세조직을 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 작음을 확인할 수 있으며, 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400) 및 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 구현하지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 상기 열연재 열처리 온도가 낮으면 2㎛ 이하의 개재물 비율이 증가하여 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 크다는 관계식을 만족하지 못하며, 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400) 및 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 만족하지 못한다.
실험예11, 실험예12, 실험예13은 도 1에 개시된 열연재 열처리 단계(S30)를 적용하지 않고 도 2에 개시된 예비소둔 단계(S45)를 적용하였다. 이 경우, 최종 미세조직을 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 작음을 확인할 수 있으며, 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400)을 구현하지 못함을 확인할 수 있다.
이에 반하여, 실험예5, 실험예6, 실험예7, 실험예8, 실험예9, 실험예10에서는 도 1에 개시된 열연재 열처리 단계(S30)를 적용하였으며 열처리 온도: 850 ~ 1000℃의 범위를 만족하고, 열처리 시간: 5 ~ 10분의 범위를 만족한다. 이 경우, 최종 미세조직을 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 작음을 확인할 수 있으며, 12.5W/kg 이하의 철손(W10/400) 및 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 구현함을 확인할 수 있다.
지금까지 본 발명의 실험예를 통하여 전기강판 열간 압연 공정 중 열간 압연이 끝난 후 상온으로 냉각되기 전 열연재 열처리 작업을 적용함으로써 열연재의 재결정/결정립 성장을 일으켜 APL 작업 없이 냉간 압연을 진행할 수 있음을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 알루미늄(Al)을 함유하는 강재를 제공하는 단계;
상기 강재를 열간 압연하는 단계;
상기 열간 압연된 강재를 권취하기 전에 제 1 열처리하는 단계;
상기 제 1 열처리된 강재를 권취하는 단계;
상기 권취된 강재를 언코일링하여 냉간 압연하는 단계; 및
상기 냉간 압연된 강재를 냉연 소둔 처리하는 단계;를 포함하는,
무방향성 전기강판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 강재는 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 각각 포함하는,
무방향성 전기강판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 열처리하는 단계는 상기 열간 압연된 강재를 상온으로 냉각하기 전에 수행하되, 상기 제 1 열처리하는 단계의 온도는 상기 권취하는 단계의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는,
무방향성 전기강판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열간 압연하는 단계에서, 재가열온도(SRT)는 1110 ~ 1150℃이고, 마무리 압연 온도(FDT)는 860 ~ 900℃이고,
상기 제 1 열처리하는 단계는 850 ~ 1000℃의 온도에서 5 ~ 10분 동안 유지하는 단계를 포함하고,
상기 권취하는 단계의 온도는 550 ~ 650℃인 것을 특징으로 하는,
무방향성 전기강판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉연 소둔 처리하는 단계;는 승온속도: 20℃/s 이상, 어닐링 시작온도: 900~ 1100℃, 유지시간: 30 ~ 120초인 조건에서 어닐링 하는 단계; 및 냉각속도: 30℃/s 이상인 조건에서 냉각하는 단계;를 포함하는,
무방향성 전기강판의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉간 압연하는 단계는 상기 강재를 권취하는 단계 후에 예비 소둔 처리하지 않고 냉간 압연하는 것을 특징으로 하는,
무방향성 전기강판의 제조 방법. - 실리콘(Si): 2.0 ~ 4.0 중량%, 망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.3 ~ 0.9 중량%, 탄소(C): 0 초과 0.003 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.015 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.003 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.003 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무방향성 전기강판이며,
최종 미세조직을 구성하는 개재물 중 평균직경이 5㎛ 이상인 개재물의 면적분율과 평균직경이 2㎛ 이하인 개재물의 면적분율의 비가 0.3보다 크며,
12.5W/kg 이하의 철손(W10/400)과 1.66T 이상의 자속밀도(B50)를 가지는 것을 특징으로 하는,
무방향성 전기강판.
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