KR101325369B1 - 무방향성 전자기 강판 - Google Patents
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Abstract
무방향성 전자기 강판은, C:0.003질량% 이상 0.05질량% 이하, N:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하 및 Si:2.8질량% 이상 3.5질량% 이하를 함유한다. 무방향성 전자기 강판은, Ni:4.0질량% 이하 및 Mn:2.0질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을, 총량으로 0.5질량% 이상 더 함유하고, 또한 Ti의 함유량을 [Ti]질량%, C의 함유량을 [C]질량%, N의 함유량을 [N]질량%로 하였을 때, [Ti]/4([C]+[N])로 나타내어지는 값 RTi가 1 이상 10 이하를 함유한다. Al의 함유량이 3.0질량% 이하이고, P의 함유량이 0.2질량% 이하이다.
Description
본 발명은, 고속 회전기의 로터에 적합한 무방향성 전자기 강판에 관한 것이다.
무방향성 전자기 강판은, 예를 들어 회전기의 로터 등에 사용된다. 일반적으로, 로터에 작용하는 원심력은, 회전 반경에 비례하고, 또한 회전 속도의 제곱에 비례한다. 이로 인해, 고속 회전기의 로터에는 매우 큰 응력이 작용한다. 따라서, 로터용 무방향성 전자기 강판의 인장 강도는 높은 것이 바람직하다. 즉, 로터용 무방향성 전자기 강판은 고장력을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 로터용 무방향성 전자기 강판에는, 높은 인장 강도(고장력)가 요구된다.
한편, 회전기의 로터에 한정되지 않고, 철심에 사용되는 무방향성 전자기 강판에서는, 철손이 낮은 것이 중요하다. 특히, 고속 회전기의 로터용 무방향성 전자기 강판에서는, 고주파 철손이 낮은 것이 중요하다. 이와 같이, 로터용 무방향성 전자기 강판에는, 낮은 고주파 철손도 요구된다. 즉, 회전기가 고주파에서 사용될 때의 효율이 높은 것도 요구된다.
그러나 고장력 및 저고주파 철손은, 물리적으로 상반되는 관계에 있어, 이들을 양립시키는 것은 극히 곤란하다.
이들의 양립을 도모한 기술이 제안되어 있지만, 지금까지 용이하게 제조할 수 있는 것은 없다. 예를 들어, Si 함유량이 높은 열간 압연 강판을 얻고, 그 후에 다양한 온도 제어를 행하는 기술이 제안되어 있지만, Si 함유량이 높기 때문에, 냉간 압연이 매우 곤란하다. 또한, 냉간 압연을 가능하게 하기 위해, 다양한 온도 제어를 행하고 있지만, 이 온도 제어가 매우 특수하기 때문에, 그것을 위해 필요로 하는 시간, 노동력 및 비용이 막대해진다.
본 발명은, 용이하게 제조할 수 있고, 높은 인장 강도 및 낮은 고주파 철손을 얻을 수 있는 무방향성 전자기 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 무방향성 전자기 강판에 있어서, 고용(固溶) 강화, 석출 강화, 가공 강화, 미립화 강화, 변태 조직에 의한 강화 등에 의해, 철손을 낮게 억제하면서 양호한 기계 특성을 얻는다고 하는 관점에서 예의 연구를 행하였다. 또한, 본 발명자들은, 실제의 고속 회전기에 있어서 중요해지는 고주파 철손은 어떠한 지표인지, 환언하면, 어느 주파수의 철손을 저감하는 것이 중요한지에 대한 조사 및 해석을 거듭하였다. 또한, 제조 과정에 있어서의 냉간 압연 등의 처리가 용이한 것 및 처리의 복잡화의 회피도 중시하였다.
이 결과, 상세한 것은 후술하지만, Si, Mn 및 Ni 등의 함유량을 적절한 것으로 하고, Ti의 함유량의 C 및 N의 총 함유량에 대한 비율을 적절한 것으로 함으로써, 예를 들어 900㎫ 이상의 높은 인장 강도를 얻으면서, 고주파 철손을 낮게 억제할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 고주파 철손으로서는, 자속 밀도가 1.0T, 여자(勵磁) 주파수가 1000㎐인 경우의 철손 W10/1000이 낮은 것이 중요한 것도 발견하였다. 그리고 다음의 무방향성 전자기 강판에 상도하였다.
본 발명에 관한 무방향성 전자기 강판은, C:0.003질량% 이상 0.05질량% 이하, N:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하 및 Si:2.8질량% 이상 3.5질량% 이하를 함유하고, Ni:4.0질량% 이하 및 Mn:2.0질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을, 총량으로 0.5질량% 이상 더 함유하고, 또한 Ti의 함유량을 [Ti]질량%, C의 함유량을 [C]질량%, N의 함유량을 [N]질량%로 하였을 때, [Ti]/4([C]+[N])로 나타내어지는 값 RTi가 1 이상 10 이하를 함유하고, Al의 함유량이 3.0질량% 이하이고, P의 함유량이 0.2질량% 이하이고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, Si, Mn 및 Ni 등의 함유량 및 값 RTi가 적절하므로, 높은 인장 강도 및 낮은 고주파 철손을 얻을 수 있다. 또한, Si 등의 함유량이 적절하므로, 제조 과정에 있어서의 처리가 용이하고, 취화 등에 기초하는 복잡한 처리의 추가를 회피할 수도 있다.
이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명에 관한 무방향성 전자기 강판의 성분에 대해 설명한다.
Si는, 무방향성 전자기 강판의 전기 저항을 증대시켜 와전류손을 저감함으로써 고주파 철손 등의 철손을 저감하는 작용을 갖는다. 또한, Si는, 고용 강화에 의해 무방향성 전자기 강판의 장력을 높이는 작용을 갖는다. Si의 함유량이 2.8질량% 미만이면, 이들의 작용이 불충분해진다. 한편, Si의 함유량이 3.5질량%를 초과하면, 자속 밀도의 저하, 취화, 냉간 압연 등의 처리의 곤란화 및 재료 비용의 상승이 야기된다. 따라서, Si의 함유량은 2.8질량% 이상 3.5질량% 이하로 한다.
Al은, Si와 마찬가지로, 무방향성 전자기 강판의 전기 저항을 증대시켜 와전류손을 감소시킴으로써, 고주파 철손 등의 철손을 저감하는 작용을 갖는다. 따라서, 고주파 철손의 가일층의 저감을 목적으로 하여 함유되어 있어도 된다. 단, Al의 함유량이 3.0질량%를 초과하면, 자속 밀도의 저하, 취화, 냉간 압연 등의 처리의 곤란화 및 재료 비용의 상승이 야기된다. 따라서, Al의 함유량의 상한은 3.0질량%로 한다. 또한, Al의 함유량이 0.1질량% 미만이면, AlN의 미세 석출이 현재화(顯在化)되어, 철손이 증대되므로, Al의 함유량은 0.1질량% 이상인 것이 바람직하다.
Ni 및 Mn은, 무방향성 전자기 강판의 장력의 향상에 기여한다. 즉, Ni는 고용 강화에 의해 장력을 높이는 작용을 갖고, Mn은 고용 강화 및 미립화 강화에 의해 장력을 높이는 작용을 갖는다. 또한, Ni는 무방향성 전자기 강판의 전기 저항을 증대시켜 와전류손을 저감함으로써 고주파 철손 등의 철손을 저감하는 작용도 갖는다. 또한, Ni는 무방향성 전자기 강판의 포화 자기 모멘트의 증대에 수반되는 자속 밀도의 향상에도 기여한다. Mn은, 무방향성 전자기 강판의 전기 저항을 증대시켜 와전류손을 저감함으로써 고주파 철손 등의 철손을 저감하는 작용을 갖는다. Ni의 함유량 및 Mn의 함유량의 총량이 0.5질량% 미만이면, 이들의 작용이 불충분해져, 900㎫ 이상의 인장 강도를 얻을 수 없게 된다. 한편, Ni의 함유량이 4.0질량%를 초과하면, 포화 자기 모멘트의 저하에 기인한 자속 밀도의 저하가 발생한다. 또한, Mn의 함유량이 2.0질량%를 초과하면, 자속 밀도가 저하되고, 또한 재료 비용이 상승한다. 따라서, 4.0질량% 이하의 Ni 및/또는 2.0질량% 이하의 Mn이 총량으로 0.5질량% 이상 함유되어 있는 것으로 한다.
P는, 무방향성 전자기 강판의 장력을 크게 높이는 작용을 갖는다. 따라서, 장력의 가일층의 향상을 목적으로 하여 함유되어 있어도 된다. 이 작용을 발휘하기 위해, P는 0.001질량% 이상 함유되어 있는 것이 바람직하다. 단, P의 함유량이 0.2질량%를 초과하면, 제조 과정에서 P가 결정립계에 편석되어 열간 압연 강판이 취화되어, 그 후의 냉간 압연이 매우 곤란해진다. 따라서, P의 함유량의 상한은 0.2질량%로 한다.
Ti는, C 및 N과 반응하여 Ti 탄질화물을 포함하는 미세한 석출물을 생성하고, 석출 강화 및 미립화 강화에 의해 무방향성 전자기 강판의 장력을 높이는 작용을 갖는다. 또한, 무방향성 전자기 강판에 고용되어 있는 Ti는, 냉간 압연 및 마무리 어닐링시 등에 무방향성 전자기 강판의 표면의 결정 방위를 {111}로 정렬하여, 무방향성 전자기 강판의 장력을 높이는 작용도 갖는다. 이들의 작용을 충분히 발휘시키기 위해서는, Ti 탄질화물로서 석출되는 Ti 및 무방향성 전자기 강판에 고용되어 있는 Ti의 양쪽이 적절한 양만큼 포함되어 있는 것이 중요하다.
Ti의 함유량을 [Ti]질량%, C의 함유량을 [C]질량%, N의 함유량을 [N]질량%로 하였을 때, [Ti]/4([C]+[N])로 나타내어지는 값 RTi가 1 미만이면, 상기한 작용을 충분히 발휘시킬 수 없다. 따라서, 값 RTi는 1 이상으로 한다. 값 RTi가 1인 경우, 이론상은 Ti 전부가 C 및/또는 N과 결합되지만, 실제로는 Ti의 일부는 C 및 N 중 어느 것과도 결합하지 않고, 고용 Ti로서 무방향성 전자기 강판에 포함된다. 또한, 값 RTi는 2 이상인 것이 바람직하고, 3 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, 값 RTi가 10을 초과하면, 재결정이 발생하기 어렵고, 또한 취화되기 쉬워진다. 또한, 고용 Ti의 증가에 수반하여 {111}에의 배향이 강해져, 철손이 상승해 버리는 경우도 있다. 따라서, 값 RTi는 10 이하로 한다. 또한, 값 RTi는 9 이하인 것이 바람직하고, 7 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 값 RTi를 상기한 범위로 하기 위해, C의 함유량은 0.003질량% 이상 0.05질량% 이하로 하고, N의 함유량은 0.001질량% 이상 0.01질량% 이하로 한다. 또한, C의 함유량이 0.05질량%를 초과하고 있거나, 또는 N의 함유량이 0.01질량%를 초과하고 있는 경우, 자기 시효 등에 의해 철손 특성이 현저하게 저하된다.
또한, 값 RTi를 상기한 범위로 하기 위해, Ti의 함유량은 0.1질량% 이상 0.3질량% 이하인 것이 바람직하고, Ti의 함유량의 상한은 0.25질량%인 것이 보다 바람직하다.
또한, 무방향성 전자기 강판에 있어서 탄질화물을 형성하는 금속 원소로서, Ti 외에, Zr, V, Nb 및 Mo도 들 수 있다. 이들 중에서, Ti 탄질화물의 석출 강화는 현저하다.
무방향성 전자기 강판의 상술한 성분 이외는, 예를 들어 Fe 및 불가피 불순물이다. 또한, 고장력화에 수반되는 결정립계의 취화를 회피할 목적으로, B가 함유되어 있어도 된다. 이 경우, B의 함유량은 0.001질량% 이상인 것이 바람직하다. 한편, B의 함유량이 0.007질량%를 초과하면, 자속 밀도의 저하 및 열간 압연시의 취화 등이 야기된다. 이로 인해, B의 함유량은 0.007질량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 다양한 자기 특성을 더욱 향상시킬 목적으로, Cu:0.02질량% 이상 1.0질량% 이하, Sn:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하, Sb:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하, Cr:0.02질량% 이상 3.0질량% 이하 및/또는 희토류 금속(REM:rare earth metal):0.001질량% 이상 0.01질량% 이하가 함유되어 있어도 된다. 즉, 이들 복수 종류의 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소가 함유되어 있어도 된다.
그리고 이들 성분으로 이루어지는 무방향성 전자기 강판의 인장 강도는, 예를 들어 900㎫ 이상으로 된다. 이로 인해, 이 무방향성 전자기 강판을 사용하여 제조된 고속 회전기의 로터는, 충분한 고속 회전을 실현할 수 있다.
또한, 이들 성분으로 이루어지는 무방향성 전자기 강판의 고주파 철손 W10/1000은, 예를 들어 100W/㎏ 이하로 된다. 이로 인해, 이 무방향성 전자기 강판을 사용하여 제조된 고속 회전기의 로터는, 회전기의 고효율화 및 소형화에 기여할 수 있다. 즉, 전기 에너지로부터 기계 에너지로의 변환에 수반되는 에너지의 손실 및 이것에 부수되는 발열을 억제할 수 있다. 그리고 와전류손을 저감하여, 고주파 철손 W10/1000을 100W/㎏ 이하로 하기 위해, 무방향성 전자기 강판의 두께는 0.30㎜ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명자들은, 다음과 같은 실험에 의해 이들의 효과를 확인하였다. 우선, C:0.017질량%, Si:3.12질량%, Al:0.65질량%, Ni:2.54질량%, P:0.02질량%, N:0.003질량%, Ti:0.18질량%를 함유하는 슬래브를 열간 압연하여, 열간 압연 강판을 얻었다. 이 열간 압연 강판의 값 RTi는 2.3이다. 계속해서, 열간 압연 강판을 표 1에 나타내는 4종류의 두께로 냉간 압연하여, 냉간 압연 강판을 얻었다. 그 후, 냉간 압연 강판에 780℃로 20초간의 연속 마무리 어닐링을 실시하여, 무방향성 전자기 강판을 얻었다. 그리고 무방향성 전자기 강판으로부터 엡스타인 시료 및 인장 시험편을 잘라내고, 이들을 사용하여 자기 특성 및 기계 특성을 측정하였다. 이 결과도 표 1에 나타낸다. 이하의 표 중의 「W15/50」은 철손 W15/50을 나타내고, 「B50」은 자속 밀도 B50을 나타내고, 「W10/1000」은 철손 W10/1000을 나타내고 있다. 또한,「YP」는 항복점을 나타내고, 「TS」는 인장 강도를 나타내고, 「EL」은 연신율을 나타내고 있다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 시료 No.1 및 No.2에서는, 900㎫ 이상의 인장 강도가 얻어지고, 시료 No.1 및 No.2는 고장력이지만, 고주파 철손 W10/1000이 100W/㎏을 초과하고 있다. 이것은, 무방향성 전자기 강판의 두께가 0.30㎜를 초과하고 있기 때문이다.
이것으로부터도, 무방향성 전자기 강판의 두께는 0.30㎜ 이하인 것이 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 무방향성 전자기 강판은, 예를 들어 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 우선, 상기한 조성을 갖는 슬래브를 용제하고, 이 슬래브에 가열 및 열간 압연을 실시하여 열간 압연 강판을 얻는다. 계속해서, 이 열간 압연 강판에 냉간 압연을 실시하여 냉간 압연 강판을 얻는다. 그 후, 마무리 어닐링을 행한다. 또한, 결정립의 성장에 수반되는 강도의 저하 및 취화를 회피하기 위해, 열연판 어닐링은 행하지 않는 것이 바람직하고, 냉간 압연의 중간 어닐링도 행하지 않는 것이 바람직하다. 상기한 조성을 갖는 열간 압연 강판을 사용하고 있으면, 열연판 어닐링 및 중간 어닐링을 행하지 않아도, 장력의 향상 및 고주파 철손의 저감의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 열연판 어닐링의 생략에 의해 굽힘 가공성을 향상시킬 수도 있다. 즉, 본 발명에 관한 무방향성 전자기 강판은 상기한 조성을 갖고 있으므로, 장력의 향상 및 고주파 철손의 저감을, 비교적 간이한 처리에 의해 실현할 수 있다.
실시예
(제1 실험)
우선, 표 2에 나타내는 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 슬래브를 열간 압연하여, 열간 압연 강판을 얻었다. 계속해서, 열간 압연 강판을 냉간 압연하여, 두께가 0.20㎜인 냉간 압연 강판을 얻었다. 그 후, 냉간 압연 강판에 750℃로 30초간의 연속 마무리 어닐링을 실시하여, 무방향성 전자기 강판을 얻었다.
그리고 무방향성 전자기 강판으로부터 엡스타인 시료 및 인장 시험편을 잘라냈다. 계속해서, 엡스타인 시료를 사용하여 자기 특성을 측정하고, 인장 시험편을 사용하여 기계 특성을 측정하였다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 비교예 No.11 및 12에서는, 고주파 철손 W10/1000이 100W/㎏ 미만이었지만, 값 RTi가 1 미만이므로, 인장 강도가 900㎫ 미만으로 낮았다. 특히, 비교예 No.11에서는, Ti가 전혀 포함되어 있지 않으므로, 인장 강도가 현저하게 낮았다.
한편, 실시예 No.13 및 14에서는, 값 RTi 등이 적절한 것으로 되어 있으므로, 100W/㎏ 이하의 고주파 철손 W10/1000 및 900㎫ 이상의 인장 강도를 얻을 수 있었다. 또한, 항복점도 비교예 No.11 및 12와 비교하여 높았다.
(제2 실험)
우선, 표 4에 나타내는 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 슬래브를 열간 압연하여, 열간 압연 강판을 얻었다. 계속해서, 열간 압연 강판을 냉간 압연하여, 두께가 0.25㎜인 냉간 압연 강판을 얻었다. 그 후, 냉간 압연 강판에 775℃로 30초간의 연속 마무리 어닐링을 실시하여, 무방향성 전자기 강판을 얻었다.
그리고 무방향성 전자기 강판으로부터 엡스타인 시료 및 인장 시험편을 잘라냈다. 계속해서, 엡스타인 시료를 사용하여 자기 특성을 측정하고, 인장 시험편을 사용하여 기계 특성을 측정하였다. 이 결과를 표 5에 나타낸다.
표 5에 나타내는 바와 같이, 비교예 No.21 및 22에서는, 고주파 철손 W10/1000이 100W/㎏ 미만이었지만, 값 RTi가 1 미만이므로, 인장 강도가 900㎫ 미만으로 낮았다. 특히, 비교예 No.21에서는, Ti가 전혀 포함되어 있지 않으므로, 인장 강도가 현저하게 낮았다.
한편, 실시예 No.23 및 24에서는, 값 RTi 등이 적절한 것으로 되어 있으므로, 100W/㎏ 이하의 고주파 철손 W10/1000 및 900㎫ 이상의 인장 강도를 얻을 수 있었다. 또한, 항복점도 비교예 No.21 및 22와 비교하여 높았다.
본 발명은, 예를 들어 전자기 강판 제조 산업 및 전자기 강판 이용 산업에 있어서 이용할 수 있다.
Claims (8)
- C:0.003질량% 이상 0.05질량% 이하,
N:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하 및
Si:2.8질량% 이상 3.5질량% 이하를 함유하고,
Ni:4.0질량% 이하 및 Mn:2.0질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을, 총량으로 0.5질량% 이상 더 함유하고,
또한, Ti의 함유량을 [Ti]질량%, C의 함유량을 [C]질량%, N의 함유량을 [N]질량%로 하였을 때, [Ti]/4([C]+[N])로 나타내어지는 값 RTi가 1 이상 10 이하를 함유하고,
Al의 함유량이 3.0질량% 이하이고,
P의 함유량이 0.2질량% 이하이고,
잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판. - 제1항에 있어서, Ti의 함유량이 0.1질량% 이상 0.3질량% 이하인 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판.
- 제1항에 있어서, B:0.001질량% 이상 0.007질량% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판.
- 제2항에 있어서, B:0.001질량% 이상 0.007질량% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판.
- 제1항에 있어서, Cu:0.02질량% 이상 1.0질량% 이하,
Sn:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Sb:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Cr:0.02질량% 이상 3.0질량% 이하 및
희토류 금속:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판. - 제2항에 있어서, Cu:0.02질량% 이상 1.0질량% 이하,
Sn:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Sb:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Cr:0.02질량% 이상 3.0질량% 이하 및
희토류 금속:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판. - 제3항에 있어서, Cu:0.02질량% 이상 1.0질량% 이하,
Sn:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Sb:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Cr:0.02질량% 이상 3.0질량% 이하 및
희토류 금속:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판. - 제4항에 있어서, Cu:0.02질량% 이상 1.0질량% 이하,
Sn:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Sb:0.02질량% 이상 0.5질량% 이하,
Cr:0.02질량% 이상 3.0질량% 이하 및
희토류 금속:0.001질량% 이상 0.01질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는, 무방향성 전자기 강판.
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