KR100840833B1

KR100840833B1 - 고자속밀도 전기강판의 제조방법

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Publication number: KR100840833B1
Application number: KR1020060132924A
Authority: KR
Inventors: 허남회; 김상범; 소준영; 이동일; 조성수; 오제명
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-23

Abstract

본 발명은 규소를 일정량 포함하고 있는 전기강판의 열처리 과정에서 승온 도중 산화 환원, 혹은 환원 산화 분위기 변경을 통해 고자속밀도를 갖는 방향성 전기강판의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방향성 전기강판은 Si ≤ 6.6중량％, C ≤0.01중량％, N ≤0.01중량％, S ≤0.015중량％, sol.Al ≤0.01중량％, 잔량의 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성된 규소 강판을 용해 및 열간 압연에 의하여 제조하고, 이로부터 최종 냉간 압연율이 30％ 이상 90％ 미만이 되도록 1회 이상의 냉간 압연과 각 냉간 압연 사이에 행하는 중간 소둔을 통하여 두께 0.35 mm 이하의 냉간 압연 강판을 제조한 후, 소둔 온도 850 내지 1350^oC의 범위에서 열처리 분위기를 약한 산화성 분위기(10^-3 torr 이하의 고진공 또는 99.9% 이상의 질소, 아르곤)에서 환원성 분위기(99.9% 이상의 건수소 )로 변경하거나 혹은 그 반대의 경우로 최종 재결정 소둔하는 공정에 의해서 제조되며, 분위기를 변경하는 온도는 600에서 1350^oC 사이에서 변경할 수 있다. 본 발명의 방법으로 최종 전기강판의 집합조직을 원하는 결정학적 방위면과 방향성을 갖는 입자들로만 이루어지도록 할 수 있으며, 나아가 평균 결정 입자 크기를 제어할 수 있다.

Description

고자속밀도 전기강판의 제조방법 {Process of manufacture of electrical sheet with high magnetic induction}

도 1a 및 도 1b는 일반적인 냉간 압연 후의 표면 집합조직의 예.

도 2의 (a)(b)는 최종 열처리후의 {110} 입자의 개수의 방향성의 관계를 도시한 모식도.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 열처리한 후의 {110} 입자의 개수와 포화자속밀도와의 상관 그래프.

본 발명은 전기 또는 전자(電磁)강판으로 불리는 고자속밀도 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 규소를 일정량 포함하고 있는 전기강판의 열처리 과정에서 승온 도중 산화 환원, 혹은 환원 산화 분위기 변경을 통해 고자속밀도를 갖는 방향성 전기강판의 제조 방법에 관한 것이다.

전기강판의 품질은 포화자속밀도가 높고 철손 특성이 우수해야 하는데, 기본적으로는 포화자속밀도가 높아야 우수한 철손 특성을 기대할 수 있다.

도 1은 ODF(orientation distribution function) 결과로써 도 1a는 압하율 60%로 냉간압연 후의 표면 집합조직, 도 1b는 이를 1200^oC 30초간 진공분위기에서 재결정한 직후의 표면 집합조직의 예를 보인 것이다.

도 2는 최종 열처리 후 {110} 입자의 개수와 방향성과의 관계를 보인 개념도이다.

일반적으로 도 1a에 도시한 바와 같이, 냉간압연 후의 표면집합조직은 강한 {111}<112> 요소를 보인다.

그 주변의 등고선 모양의 결정학적 방향과 면은 이를 조금씩 벗어난 요소들을 가지게 되는데, 도 1b에 도시된 바와 같이, 열처리시 초기 재결정 집합조직은 강한 {110}<001> 조직이 얻어진다. 이때 {110}<001>을 조금씩 벗어난 요소들이 공존하고 있다.

높은 포화자속밀도를 얻기 위해서는 이들 방향을 벗어난 입자들을 고온 영역의 열처리 과정에서 제거하여 {110}<001>에 아주 가까운 입자들로만 구성되도록 한다. 이를 도 2의 모식도로서 설명하면, 최종적인 전기강판의 집합조직이 모두 {110} 입자로만 구성되더라도, 도 2의 (a)와 같이, 입자의 크기가 미세하면 방향이 어긋난 입자들을 많이 포함하고 있어 포화자속 밀도가 좋지 않다.

반면에 도 2의 (b)와 같이, 입자의 크기가 조대해져 단위 면적당 입자의 개수가 적어지면 제일 강한 조직인 {110}<001> 조직만 남게 되어 높은 포화자속밀도를 달성할 수 있게 된다.

일반적으로 전기강판의 열처리 과정의 재결정 온도, 일예로 3％ 규소를 포함한 전기강판의 경우에는 약 650℃ 직후에는 냉간압연 집합조직을 그대로 닮은 재결정 조직이 나타나므로 초기 재결정 조직에는 {110} 입자 뿐만 아니라 {100}, {111}, 그 외의 다양한 면과 방향을 갖는 입자들이 함께 포함되어 있다. 열처리 온도가 높아질수록 각 입자의 크기와 표면에너지의 상관 관계에 따라 처음에는 {110} 입자의 성장이 우세하고 그 다음에는 {100} -> {111} -> {100} -> {110} 의 순서로 우세하게 된다.

이와 같이 성장에 우세한 입자가 결정되는 것은 통상적으로 전기강판에 포함되어 있는 황과 같은 불순물들의 표면 편석에 의해 입자의 표면에너지가 달라지기 때문이다. 편석량이 적으면 {110} 입자가 우세하고, 편석량이 많으면 {111} 혹은 더 높은 면지수를 갖는 입자의 성장이 우세하며, {100}은 그 사이에 있다. 결국 {110} 입자의 갯수를 줄이기 위해서는 초반부에 {110} 입자의 성장을 억제하거나, 그 이후의 {100} 혹은 {111} 입자의 성장을 촉진시켜서 그 수를 제어하게 된다. 금속 판재의 표면에 형성된 산화막은 황을 흡수하여 강판의 표면 편석량을 저감시키는 역할을 한다. 반대로 환원 분위기는 표면 산화층 생성을 억제하거나, 제거하는 역할을 하기 때문에 편석량을 저감시키지 못한다.

종래 전기강판의 최종 열처리 과정에서 열처리 분위기는 주로 건수소, 습수소, 수소와 질소의 혼합 기체 등을 사용하여 조성된다. 이러한 열처리 분위기는 생산공정에 사용되고 있는 베이스 코팅(base coating) 즉, 포스터라이트(forsterite)의 형성과 관련된 열처리 조건으로 볼 수 있다.

통상적인 전기강판은 최종 열처리 후에 미세조직이 압연면이 {110}면, 압연방향이 <001> 결정방향과 평행한 소위 고스(Goss)입자들로 이루어진다.

최종적으로 Goss 입자가 남게 되는 이유는 {110} 이외의 입자, 예를 들어 {100},{111} 혹은 높은 면지수 입자들은 열처리 과정에서 모두 제거되고 표면에너지가 가장 낮은 {110} 입자만 남게 되기 때문이다. 이때, 이들 입자의 방향성은 직전의 냉간압연 상태, 즉 중간 소둔조건 등에 의해 결정된다.

그러나 이러한 이전 조건보다도 최종 열처리 도중에 초기 재결정 입자들의 방향이 다양하게 발달하게 되므로 고품위 자속밀도를 달성하기 위해서는 고스 입자들과 다른 입자들의 제거가 필수적이다.

따라서 최종 집합조직에서 결정학적 {110}면 입자들의 수가 많으면 정렬되지 않은 상태의 입자의 분율도 높아져 자성특성이 저하되고, 반대로 {110}면 입자들의 수가 적게 되면 {110}<001> 즉, 고스 입자의 분율이 높아짐으로써 포화자속밀도가 높아지게 된다.

{110}면 이외의 결정립자들을 제거하는 과정은 황 혹은 이와 유사한 거동을 하는 원소로서 주로 표면으로 편석되면 표면에너지를 낮추는 원소들의 편석을 이용한 선택적 결정성장 현상을 이용하는 것으로, 불순물로 포함된 황이 열처리 과정중에 표면으로 편석되어 표면에너지를 낮추는 방법이다.

따라서 기본적으로는 편석량을 증대시켜 {100} 혹은 {111} 이상의 높은 면지수 입자들이 성장하는 시기에 입계 편석으로 그 성장을 둔화시키며 크기를 작게 유지하고, 이어지는 {110} 입자의 성장 시기에는 신속하게 황을 제거하여 고스 입자 가 원활하게 성장할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 목적은 열처리 과정의 승온 도중에 조성되는 산화 분위기와 환원 분위기에 의하여 강판의 표면에서 황의 편석량을 제어함으로써 <001> 방향으로 부터 어긋난 {110} 입자들을 제거하여 고자속 밀도를 갖는 전기강판을 제조하려는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Si ≤6.6중량％, C ≤0.01중량％, N ≤0.01중량％, S ≤0.015중량％, sol.Al ≤0.01중량％, 잔량의 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성된 규소 강판을 용해 및 열간 압연에 의하여 제조하고, 이를 최종 냉간 압연율이 30％ 이상 90％ 미만이 되도록 1회 이상의 냉간 압연과 각 냉간 압연 사이의 중간 소둔을 통하여 두께 0.35 mm 이하의 냉간 압연 규소 강판을 제조한 후, 상기 강판을 850 내지 1350^oC의 최종 열처리 온도까지 상승하는 과정에서 산화성 분위기와 환원성 분위기를 600 내지 1350^oC 범위에서 변경하여 최종 재결정 소둔하는 공정에 의해서 달성된다.

상기의 최종 재결정 소둔을 실시함에 있어서, 환원성 분위기는 수소에 대한 수증기의 분압(P_H2O/P_H2)이 10^-3 미만이고, 산화성 분위기는 기체에 대한 산소의 분압(P_O2/P_{N2 or Ar})이 10^-3 미만이며, 진공 분위기는 진공도를 10^-3 토르(torr) 이하가 되도록 한다.

상기의 각 성분의 함량 기준을 살펴보면, Si가 6.6중량％를 초과할 경우 압연성이 극히 불량하게 되어 냉간 압연이 어렵게 되고, 기지 조직인 Fe를 제외한 그 외 성분의 함량이 상기 기준값을 초과하게 되면 최종 재결정 소둔시 선택적인 고스 집합의 성장을 방해하게 된다. 특히, 황의 경우 최종 소둔시 Fe와 황 원자 간의 원자 크기 차이로 조직 내에 형성된 응력장을 감소시키기 위하여 결정 입계와 강판 표면으로 편석하게 되고, 이러한 황의 편석 거동은 자속 밀도에 매우 큰 영향을 미치게 된다.

또한, 소둔시　편석되는　황의　거동은　소둔온도와　밀접한　관계를　갖는 바 소둔온도가　850^oC미만일　경우에는　재결정이　완료되는　시간이　길어질　뿐만　아니라, 입계와　표면으로　편석된　황의　증발　및　황화수소 가스화　반응이　원활하지　못하여　고스　집합　조직　형성을　방해함에　따라　자속밀도를　떨어뜨리며，1,350^oC를　초과하면　재결정　속도가　너무　빠르게　되어　재결정　제어가　힘들다．

그리고　최종　냉간　압연율이　30％에　미치지　못하면　압연　가공량이　적어　재결정에　필요한　추진력（driving force)이　부족함으로써　소둔온도를　어느 정도　이상　높이거나　소둔시간이　상당히　길어지게　되며，경우에　따라서는　재결정이　일어나지　않을　수도　있고，90％　이상이　되면　압연　가공량이　과다하게　되어　재결정　초기의　재결정립의　크기가　작아　{100}　및　{111} 　결정립　성장이　빠르게　되고, {110}<100>　고스　결정립의　성장이　방해되어　자속　밀도가　감소하게　된다．

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 첨부도면 도 3은 본 발명을 적용한 예로써 700^oC까지 10^-6 torr의 진공 분위기, 그 후 1200^oC까지 건수소 분위기로 승온한 후 1200^oC에서 12시간 열처리 한 후 {110} 입자의 개수와 포화자속밀도 (B₁₀)과의 상관관계를 보인 그래프이다.

실시예 1 및 2

본　발명의　산화 환원 혹은 환원 산화 열처리 분위기 변경을 통한 고자속밀도 전기강판 제조 공정은　용해　→ 열간압연　→ 1차　냉간압연　→ 중간소둔　→ (필요시 2차 이상의　냉간압연 및 중간소둔)　→ 최종 냉간압연　→ 최종　재결정　소둔으로　구성되는　일반적인 전기강판 제조 공정에서 최종 재결정 소둔 방법에 해당하는 것으로 열처리 온도까지 승온 도중에 산화성 혹은 환원성 분위기를 적정 온도에서 변경함으로써 고자속밀도 전기강판을 제조하는 것이다．

즉, 용해와　열간압연을　통하여　규소　함량이　2.91 중량%, 황의　함량이　0.0072중량%이고　두께가　2mm인　열연　규소강판을　3차의 냉간압연 후　본 발명의 열처리 방법을 적용하여 제조한 두께　0.1 mm의　규소강판의　자속밀도를　측 정한 결과는 도 3에 나타내었고, 세부 사항은 표 1에 정리하였다. 400^oC/h의 승온속도로 1200^oC까지 가열하였고, 이 온도에서의 유지시간은 12시간으로 고정하였다. 시편의 크기는 폭 5 mm, 길이 100 mm 이다.

표 1

구 분	냉간 압연 횟수	냉간 압연율 （％）	최종 두께 (mm)	열처리 분위기	분위기 변경온도 (^oC)	수소유속 （liter/min)	{110} 입자개수	자속밀도 (B₁₀,테슬러)
실시예1	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	700	3	39	1.88
	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	900	3	38	1.88
	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	1100	3	23	1.89
	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	1150	3	17	1.96
실시예2	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	700	10	45	1.84
	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	900	10	43	1.83
	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	1100	10	34	1.87
	3	77-50-58	0.1	고진공-수소	1150	10	20	1.97

＊B₁₀ 은 10 에르스텟(Oersted)의 자속밀도 하에서 자화되는 정도를 나타내며, 단결정 규소강의 경우 이론값은 2.03 테슬러(Tesla)이다．

상기　표　1을 살펴보면, 수소 가스의 유량에 관계없이 분위기 변경 온도를 700^oC에서 1150^oC로 변경함에 따라 최종 {110} 입자의 개수가 적어지고 자속밀도는 점점 높아지고 있음을 알 수 있다. 또한 수소 유속이 분당 3 liter에서 10 liter로 바뀌면 {110} 입자의 개수가 많아지고 자속밀도는 대체로 나빠짐을 알 수 있다. 이는 전체 {110} 입자의 개수가 많아질수록 정확한 <001>방향과 어긋난 입자의 개수 또한 많아지기 때문에 자속밀도가 떨어지고 있는 현상이다.

한편, 고진공 (10^-6 torr) 분위기라고 하더라도 이 정도 분율의 산소가 미량 존재한다는 의미이며 이로 인해 약한 산화분위기가 조성되고 강판의 표면에는 얇은 산화막이 형성된다. 산화막은 불순물 황을 흡수하여 강판의 표면 황 편석량을 줄여준다. 이때 수소 분위기로 바꾸게 되면 이러한 산화막이 환원되면서 제거되는데 산화분위기에 비해 황 편석량은 다시 증가하게 된다.

도 3을 참조하면, 분위기 변경 온도를 변경함으로써 {110} 입자의 개수가 적어짐을 알 수 있는데, 분위기 변경 온도가 높아질수록 산화분위기가 길어져 강판의 편석량이 적은 상태가 지속되어 {110} 입자의 개수가 많아지게 되고 자속밀도도 저하된다.이때 수소 흐름량의 증가는 더욱 더 신속히 산화막을 제거하는 기능을 하게 되고 더욱 더 많은 {110} 입자를 남기게 된다.

실시예 3,4,5

실시예 3 내지 5는 규소　함량이　2.90 - 2.95 중량%의 범위를 갖고, 황의 함량이　0.0018, 0.0072, 0.015 중량%인 2mm 열연판을 0.1mm까지 2단 냉간압연한 규소강판의 열처리 결과를 보여준다.

400^oC/h의 승온속도로 1200^oC까지 가열하였고, 이 온도에서의 유지시간은 12시간으로 고정하였다. 시편의 크기는 폭 5 mm, 길이 100 mm 이다.

표 2

구 분	냉간 압연 횟수	냉간 압연율 （％）	황 함량 (ppm)	열처리 분위기	분위기 변경온도 (^oC)	수소유속 （liter/min)	(110) 입자개수	자속밀도 (B₁₀,테슬러)
실시예3	2	89-63	18	고진공-수소	700	10	10	2.02
실시예4	2	88-62	72	고진공-수소	700	3	37	1.91
실시예5	2	89-61	150	고진공-수소	700	10	0	1.45

실시예　3 내지　5에 의하면, 황의 함량과 수소의 유속에 따라 (110) 입자의 개수는 변화하고 이에 따라 자속밀도도 변화함을 알 수 있다. 특히 황함량 150 ppm (0.015 중량%) 이상이 되면 가장 많은 {110} 입자를 남기는 조건에서도 최종적으로 {110} 입자가 남지 않아 자속밀도는 매우 열악해진다.

이러한 이유는 동일한　최종　냉간 압연율 하에서　모상의　황농도가　증가할수록　황의　편석범위가　확대됨에　따라　{100}과　{111}　결정립들의　표면에너지　유기선택적　결정성장　영역이　넓어짐으로써　{110}　결정립들의　선택적　성장이　방해되기 때문이다.

실시예 6 및 7

실시예 6 및 7은 2단 냉간압연을 실시한 규소 강판의 열처리 결과이다.

규소　함량이　3.11 중량%이고, 황의　함량이　0.0007 중량%, Mn 0.093 중량%, Sn 0.043 중량% 조성을 갖는다. 열연판의 두께는 2.3 mm이고 1차 냉간 압연 후 0.3 mm 두께의 시편은 중간 소둔 대신 1200^oC에서 고온 소둔으로 평균 입경 1 cm 정도의 {110} 입자들로만 구성시킨 후 이를 재차 냉간 압연하여 두께 0.05 mm 혹은 0.069 mm의 강판을 제조하고 다시 최종 1200^oC에서 열처리를 수행한 것이다

승온 속도는 25^oC/h였으며, 1200^oC에서 24시간 열처리하였다. 시편의 크기는 폭 10 mm, 길이 100 mm 이다.

표 3

구 분	냉간 압연 횟수	냉간 압연율 （％）	황 함량 (ppm)	열처리 분위기	분위기 변경온도 (^oC)	수소유속 （liter/min)	(110) 입자개수	자속밀도 (B₁₀,테슬러)
실시예6	2	86-62	7	수소-고진공	800	15	40	1.95
실시예7	2	86-75	7	수소-고진공	800	15	80	1.93

실시예　6과 7에 의하면,　최종　냉간 압연 직전의 집합조직이 {110}이다.

이를 냉간 압연하고 최종 열처리를 수행하면 매우 많은 {110} 입자가 남게 된다. 이러한 경우 최종 자속밀도를 높이기 위해서는 앞의 실시예 1에서 5까지의 경우와 반대로 {110} 입자를 많이 제거하는 공정이 채택되어야 한다.

이러한 경우에는 최종 열처리 승온 도중 초기에 환원분위기를 조성시켜 {110} 입자의 제거를 꾀하고 800^oC 이상에서는 고진공으로 바꾸어 여기서도 {110} 입자의 제거를 해 주어야 한다. 그 결과 1.9 Tesla 이상의 높은 자속밀도를 얻게 된다.

상기에서　살펴본　바와　같이,　본　발명의　전기강판　제조방법은　최종 집합조직의 {110} 입자의 개수를 제어함으로써 매우 높은 자속밀도를 얻을 수 있게 한다. 실시예에서는 0.1 mm 두께 이하의 시편 결과를 보였지만 더 두꺼운 전기강판에도 적용 가능하여 기존 생산 설비의 큰 변경 없이 열처리 분위기만 변경함으로써 자속밀도를 현저하게 향상시킬 수 있는 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되지 않는다고 할 것이다.

Claims

규소 강판을 용해 및 열간 압연에 의하여 제조하고, 이를 최종 냉간 압연율이 30％ 이상 90％ 미만이 되도록 2회 이상의 냉간 압연과 각 냉간 압연 사이의 중간 소둔을 통하여 두께 0.35 mm 이하의 냉간 압연 규소 강판을 제조한 후,

상기 강판을 850 내지 1350^oC의 최종 열처리 온도까지 상승하는 과정에서 산화성 분위기와 환원성 분위기를 600 내지 1350^oC 범위에서 변경하여 적용하되,

진공도가 10^-3 토르(torr) 이하인 산화성 분위기와 수소에 대한 수증기의 분압(P_H2O/P_H2)이 10^-3 미만인 환원성 분위기를 온도별로 분리하여 변경함으로써 최종 재결정 소둔하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 고자속밀도 전기강판의 제조방법.
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제 1 항에 있어서,

상기 규소 강판은 Si ≤6.6중량％, C ≤0.01중량％, N ≤0.01중량％, S ≤0.015중량％, sol.Al ≤0.01중량％, 잔량의 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는 고자속밀도 전기강판의 제조방법.