KR950009760B1 - 방향성 규소강판의 제조방법 - Google Patents

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Description

방향성 규소강판의 제조방법

제1도는 제품판의 페라이트중의 Ti량과 응력제거소둔전후의 철손실 변화량의 관계를 나타낸 그래프.

제2도는 순화소둔에서의 분위기중의 질소농도 X와, 제품판의 페라이트중의 Ti량을 30ppm 이하로 감소시키는데 필요한 순화소둔에서의 유지시간 t의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명은 변압기등의 전기기기의 철심등의 용도에 적합한 방향성 규소강판의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 피막특성이 우수하고 응력제거소둔에 따른 철손실 열화가 적은 방향성 규소강판을 유리하게 제조하는 방법에 관한 것이다.

방향성 규소강판에 요구되는 특성으로서는, 강판 자체로서의 양호한 자기 특성은 물론 철심가공으로 가중되는 강판 상호간의 양호한 절연성을 확보하기 위해, 강판 표면 피막에서의 절연성 및 가공시의 내박리성이라는 피막특성이 있다.

이러한 강판의 피막특성을 개선하기 위해서는 마무리 소둔시에 생성하는 포르스테라이트(forsterite) 피막의 밀착성을 개선하는 것이 중요하다.

포르스테라이트피막의 개선에 관해서, 마무리 소둔에 앞서 강판표면에 도포하는 소둔분리제에, 주성분인 MgO에 TiO₂등의 Ti화합물을 함유하는 기술이 많이 개시되어 있다.

예를 들면 일본국 특공소 51-12451호 공보에는, Mg화합물 100중량부에 대하여 Ti화합물이 2-40중량부로 되도록 배합하여, 또한 일본국 특공소 49-29049호 공보에는 중질저활성 미립자 MgO 100중량부에 대해 2-20중량부 TiO₂를 혼합하여, 모두 포르스테라이트 피막의 균일성과 밀착성을 향상시키는 것이 개시되어 있다.

또한, 일본국 특개소 50-145315호 공보에는, 소둔 분리제에 사용되는 TiO₂를 미세립화하여 Ti화합물로 된 흑점형 부착물을 소멸시키는 기술, 일본국 특개소 54-128928호 공보에는 MgO에 TiO₂및 SiO₂, 또는 붕소화합물을 복합함유시켜 포르스테라이트 피막의 장력을 강화하는 방법, 일본국 특개평 1-168817호 공보에는 MgO에 TiO₂와 황산암모늄과 질화망간 또는 질화 페로망간을 복합 혼입시켜 철손실을 개선하는 기술로 발전하여 오고 있다.

이와 같이 소둔분리제중에 Ti화합물을 함유시키는 기술은, 우수한 피막특성을 얻는데 유력한 방법이나, 일본국 특개평 2-93021호 공보에 기술되어 있는 바와 같이, 응력제거 소둔에 따라 철손실이 증가하게 된다는 중대한 문제가 있다.

방향성 규소강판이 사용되고 있는 변압기 철심중 약 반수는 감는 코아라 불리는 소형의 내철형 철심이다.

이 감는 코아는 제작도중의 변형공정에서 기계적인 외력을 받아 응력이 생기고, 그 결과 자기특성이 열화하기 때문에 이 가공에 의한 응력을 회복시킬 목적으로 응력제거 소둔을 통상 800℃ 전후로 해야 한다.

그런데 소둔 분리제중에 Ti화합물을 함유시키면 응력제거 소둔에서 Ti의 탄화물, 또는 Ti의 셀렌화물, 황화물이, 페라이트(ferrite)표층의 가공 응력이 도입된 부분에 우선적으로 석출하고 자벽의 이동이 부분적으로 저지되기 때문에 철손실이 나쁘게 된다는 것이 보고되어 있다.

이때문에 감는 코아용 소재강판으로서는 응력제거소둔을 시행하여도 철손실의 열화가 적어야 하는 점이 요망되고 있다.

소둔 분리제에 Ti화합물을 함유시키면 응력제거소둔후의 철손실이 열화한다는 문제에 대하여 상기 일본국 특개평 2-93021호 공보에 있어서는 마무리 소둔후의 탄소량을 0.0015중량% 이하로 감소시킴으로써 석출하는 Ti의 탄화물을 감소시키는 해결책을 제안하고 있다.

그러나, 이 기술은 MaO중으로의 이산화탄소의 흡수를 억제하는 것이 실제 조업에서는 곤란한 점, Ti탄화물 이외의 Ti황화물, Ti의 셀렌화물등의 석출물에 대해서는 감소시키는 것이 원리적으로 불가능하다는 점 때문에 응력제거소둔에서의 철손실 열화를 완전히 억제할 수는 없다.

본 발명은, 소둔분리제중에 Ti화합물을 함유시킨 경우에 응력제거소둔후 철손실이 열화하는 문제를 해결하는 것으로서 응력제거소둔에 따른 철손실 열화가 없고, 피막특성이 양호한 규소강판의 제조방법에 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 Ti화합물을 함유시킨 소둔분리제를 사용하여도, 응력제거소둔에 의해 철손실의 열화를 초래하지 않는 방법에 대하여 여러가지 실험, 검토를 거듭한 결과, 강판 표면에 피막이 형성되는 순화소둔의 초기단계를 질소함유 분위기로 함으로써, 강판 표층에 Ti의 탄화물 또는 Ti의 셀렌화물, 황화물이 석출하는 것을 유리하게 제어할 수 있고, 나아가서 철손실 열화를 유이하게 방지할 수 있다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명을 유도하는 실험에 대하여 서술한다.

C : 0.078중량%(이하 단순히 %로 나타냄), Si : 3.3%, Mn : 0.083%, Se : 0.025%, Al : 0.020%, N : 0.0089%, Sb : 0.025%, Cu : 0.09%를 함유하고 나머지는 실질적으로 Fe의 조성으로 된 규소강소재를, 1420℃로 20분 가열한 후, 열간압연을 하여 판두께 2.2mm로 마무리 했다.

이어서, 1000℃에서 30초의 열연화소둔을 하고 냉간압연으로 판두께 1.5mm로 하고 계속하여 1100℃에서 2분의 중간소둔후 30℃/초로 급냉하고, 다시 냉간압연하여 판두께 0.22mm의 최종 두께로 끝마무리 했다.

그후, 탈탄소둔을 840℃에서 2분간 습윤수소분위기중에서 하고, 이어서 MgO 100중량부에 대하여 TiO₂를 10중량부 첨가한 소둔분리제를 강판표면에 도포 형성한 후, 2차 재결정소둔을 질소 25부피%, 수소 75부피%의 혼합분위기중에서 20℃/초의 속도로 1150℃까지 승온하여 시행했다.

이어서, 1180℃로 순화소둔을, 순화소둔의 최초로부터 60분간 이내에는 여러가지 시간으로 질소 75부피%, 수소 25부피%의 혼합분위기로 하고, 나머지 5시간을 수소중에서 했다.

이 순화소둔후, 인산마그네슘을 주제로 하는 절연 코팅을 했다.

이렇게 하여 얻어진 제품판에 800℃, 3시간의 응력제거 소둔을 하여 응력제거 소둔전후의 철손실(W_17/50)을 비교했다.

또한, 제품판의 페라이트 내부의 Ti량을 습식분석하여 구했다.

제1도에, 제품판의 페라이트중의 Ti량과 응력제거소둔전후의 철손실 변화량 ΔW_17/50(W/kg)의 관계에 대하여 나타낸다.

제1도로부터, 제품판의 페라이트중의 Ti량이 30ppm 이하이며 응력제거소둔에 의한 철손실의 열화량을 0.02W/kg 미만으로 감소시킬 수 있다는 것이 명백하다.

또한, 본 발명자들은 순화소둔에서의 분위기중의 질소농도 X(부피%)와, 제품판의 페라이트중의 Ti량을 30ppm 이하로 감소시키는데 필요한 순화소둔에서의 유지시간 t(분)의 관계를 조사했다.

그 결과를 제2도에 나타낸다.

제2도로부터, 필요한 유지시간 t(분)은, 식(1)로 나타내지는 것을 알 수 있다.

t(min)=668-19.1x0.17x²-4.42×10^-4x³(1)

여기서, X는 소둔 분위기중의 질소농도(부피%)를 나타낸다.

본 발명은 상기한 점에 입각한 것이다.

본 발명에 의해 응력제거소둔에 의한 철손실 열화가 방지될 수 있는 이유에 대해서는 명백하지는 않으나, 본 발명자들은 아래와 같이 고려하고 있다.

즉, 소둔 분리제중에 함유되어 있는 Ti화합물은, MgO과 혼합한 형으로 SiO₂와 반응하여 흑색을 띠는 피막을 형성하는 역할을 한다.

그런데 피막형성에 사용된 Ti의 잔존부분은 순화소둔시 고온으로 인해 확산하여 페라이트중에서 이동하게 된다.

이렇게 하여 페라이트중에 Ti가 잔존함으로써, 강중의 C, Se 또는 N등과 결합하여 가공응력이 도입된 부분은 응력제거소둔후에 Ti의 탄화물 또는 셀렌화물, 질화물이 우선적으로 석출하여 자성열화를 일으킨다.

여기에 대하여 본 발명에서는, 순화소둔의 전반부에 질소를 도입함으로써, 잔존하고 있는 Ti가 피막내부에서 질소와 화합하여 TiN으로서 피막중에 고정되기 때문에 페라이트로의 확산이 억제되고, 그 결과 Ti의 탄화물, 셀렌화물 또는 질화물의 석출이 제어되어 철손실 열화가 방지될 수 있는 것으로 생각된다.

본 발명의 대상으로 하는 규소강소재의 성분 조성에 대해서는, 방향성 규소강판으로서 통상 사용되고 있는 범위의 것을 사용할 수 있는데, 예를 들면 C 0.02-0.10%, Si 2.0-4.0%, Mn 0.02-0.20%를 함유하고 또한 S 및 Se중 적어도 하나를 단독 또는 합계량으로 0.010-0.0404%를 함유한 조성이 바람직하다.

그외 필요에 따라서 Al 0.010-0.065%, N 0.0010-0.0150%, Sb 0.01-0.20%, Cu 0.02-0.020%, Mo 0.01-0.05%, Sn 0.02-0.20%, Ge 0.01-0.30%, Ni 0.02-0.20%를 함유할 수 있다.

C는 0.02%를 만족하지 않으면 양호한 1차 재결정 조직을 얻을 수 없고, 0.10%를 넘으면 탈탄불량으로 되어 자기특성이 약화되기 때문에 0.03-0.10%정도가 바람직하다.

Si는, 제품의 전기저항을 높히고, 와전류손실을 감소시키는데 필요한 성분으로써, 2.0%가 못되면 최종 마무리 소둔중에 α-γ변태에 의하여 결정방위가 훼손되고, 4.0%를 넘게되면 냉연성에 문제가 있기 때문에 2.0-4.0%정도가 바람직하다.

Mn, Se 및 S는 제어제의 기능을 갖는 것으로, Mn량이 0.02%미만 또는 S, Se의 단독 또는 합계량이 0.010%미만이면 제어제 기능이 불충분하며, Mn량이 0.20%를 넘거나 또는 S, Se단독 또는 합계가 0.040%를 넘으면 슬립 가열에 요하는 온도가 지나치게 높아 실용적이기 않기 때문에, Mn은 0.02-0.20%, S는 Se단독 또는 합계로서 0.010-0.040%로 하는 것이 바람직하다.

그외 제어제 구성성분으로서 공지되어 있는 AIN을 이용할 수 있고, 양호한 철손실을 얻기 위해서는 Al은 0.010-0.065%, N은 0.0010-0.050%의 범위가 바람직하다.

이것을 넘는량에서는 AIN의 조대화를 초래하고 제어력을 상실하고 그 미만에서는 AIN의 량이 부족하다.

또한, 자속밀도를 향상시키기 위해 Sb, Cu를 저하시키는 것이 가능하다.

Sb는 0.20%를 넘으면 탈탄성이 나쁘게 되고, 0.01%가 못되면 효과가 없기 때문에 0.01-0.20%가 바람직하다.

Cu는 0.20%를 넘으면 산세정성이 악화되고, 0.01%가 못되면 효과가 없기 때문에 0.01-0.20가 바람직하다.

표면 성상을 개선하기 위해 Mo를 첨가할 수 있다.

0.05%를 넘으면 탈탄성이 나쁘게 되면 0.01%가 못되면 효과가 없으므로 0.01-0.05%가 바람직하다.

철손실을 향상시키기 위해 Sn, Ge, Ni을 첨가할 수 있다. Sn은 0.30%를 넘으면 양호한 1차 재결정 조직이 얻어지지 않고, 0.01% 미만이면 효과가 없기 때문에 0.01-0.30%가 바람직하다.

Ge는 0.30%를 넘으면 양호한 1차 재결정 조직이 얻어지지 않고, 0.01% 미만이면 효과가 없기 때문에 0.01-0.30%가 바람직하다.

Ni는 0.20%를 넘으면 열간 강도가 저하하고 0.01% 미만에서는 효과가 없기 때문에 0.01-0.20%가 바람직하다.

본 발명의 대상으로 하고 있는 방향성 규소강판의 제조에 있어서는, 종래 사용되고 있는 제강법으로 얻어진 용융강을 연속 주조법 또는 조괴법으로 주조하고, 필요에 따라서 분괴압연 공정을 통해 슬랩을 얻고, 이어서 열간 압연을 하고 필요에 따라 열연판 소둔을 한후, 1회 내지는 중간 소둔을 통해 2회 이상의 냉간 압연에 의해 최종판두께의 냉연판을 얻는다.

이 최종 냉연후의 탈탄소둔을 한후, 강판 표면에 소둔 분리제를 도포한다.

이때, 소둔 분리제로서 Ti산화물 또는 가열에 의해 Ti산화물로 되는 Ti화합물을 MgO : 100중량부에 대한 TiO₂환산으로 1.0-40중량부의 범위에서 함유시키는 것이 중요하다.

Ti산화물 또는 가열에 의해 Ti산화물로 되는 Ti화합물로서는, 예를 들면 TiO₂, TiO₃-H₂O, TiO-(OH)₂, Ti(OH)₄등을 들 수 있다.

또한, 소둔 분리제중의 Ti산화물 또는 가열에 의해 Ti산화물로 되는 Ti산화물의 양이 TiO₂환산으로 MgO 100중량부에 대하여 1.0중량부가 못되면 피막특성 개선효과가 나쁘고, 40중량부를 넘으면 강도가 약화하기 때문에 1.0-40중량부로 한다.

이어서, 2차 재결정 소둔을 하고, 순화소둔의 전반부를 1150-1250℃ 범위에서 최초의 적어도 30분을 질소농도 10부피% 이상의 비산화성 분위기 중에서, 그후는 질소농도 3부피% 미만의 수소분위기 중에서 행한다.

순화소둔의 온도는 1150℃가 못되면 Se 내지 S등의 제거가 불충분하게 되어 자기 특성이 열화하고, 한편 1250℃를 넘으면 열간강도가 저하하고 코일 형상이 약화하여 감을 수 없게 되므로 순화소둔의 온도는 1150-1250℃로 한다.

순화소둔의 전반부의 분위기의 질소농도가 10부피%가 못되면 페라이트중에 Ti가 침입하여 응력제거소둔에 의해 철손실이 열화하므로 질소농도는 높은쪽이 유리하여 10부피% 이상으로 한다.

잔여의 분위기 성분은 TiN을 우선적으로 형성하기 때문에 비산화성이면 좋고, 수소분위기, 불활성 가스분위기등을 들 수 있다.

질소농도를 10부피% 이상으로 하여 소둔하는 시간 t(분)은, 질소농도 X(부피%)에 따라 다르고 다음식(1)로 표시된다.

t(min)=668-19.1x+0.17x²-4.42×10^-4x³(1)

또한, 소둔시간이 t분 미만이면 페라이트중에 Ti가 침입하고, 이때문에 응력제거소둔에 의해 철손실이 열화한다.

그리고, 순화소둔의 후반부의 질소농도가 3부피% 이상이면 소둔후에 페라이트중에 질소가 잔류하여 자기특성이 역으로 약화하기 때문에 후반부의 질소농도는 3부피% 미만으로 한다.

그후, 절연코팅, 바람직하게는 장력도 부여하는 절연코팅을 하여 제품으로 한다.

[실시예 1]

C 0.044%, Si 3.23%, Mn 0.075%, Se 0.021%, Sb 0.026%를 함유하고 나머지가 실질적으로 Fe인 규소강 슬랩을, 1420℃로 30분 가열후, 열간 압연을 하여 판두께 2.0mm의 열연판으로 했다.

이어서, 1000℃에서 1분간 소둔한후, 냉간압연하여 판두께 0.60mm로 하고 975℃, 2분간의 중간소둔을 한후, 냉간압연하여 최종 판두께 0.20mm로 마무리 했다.

이어서, 820℃, 2분간의 탈탄소둔을 하고, MgO 100중량부에 대하여 표 1에 나타낸 중량부로 되는 TiO₂를 함유시킨 소둔분리제를 강판 표면에 도포한 후, 850℃, 50시간 질소분위기 중에서 2차 재결정 소둔을 했다.

이어서 표 1로 나타낸 분위기와 시간으로 1200℃에서 순화소둔을 했다. 순화소둔후, 콜로이드상 SiO₂, 인산마그네슘 및 무수크롬산으로된 절연코팅을 했다.

그후 강판을 토로이드상으로 소성 가공하고, 다시 직선상으로 연신한후 800℃에서 3시간의 응력제거소둔을 했다.

코팅후와 응력제거소둔후의 철손실을 표 1에 병기한다.

[표 1]

[실시예 2]

C 0.07%, Si 3.34%, Mn 0.069%, S 0.021%, Al 0.025%, N 0.083%, Cu 0.12%, Sb 0.029%를 함유하고 나머지가 실질적으로 Fe인 규소강 슬랩을, 1430℃로 30분 가열후, 열간 압연을 하여 판두께 2.2mm의 열연판으로 했다.

이어서, 1000℃에서 1분간 열연판 소둔을 한후, 냉간압연하여 판두께 1.5mm로 하고 1100℃, 2분간의 중간소둔을 하고 30℃/초의 속도로 냉각한후 냉간압연하여 최종 판두께 0.23mm로 마무리 했다.

이어서, 820℃, 2분간의 탈탄소둔을 하고, MgO 100중량부에 대하여 표 2에 나타낸 중량부로 되는 TiO₂를 함유시킨 소둔분리제를 강판 표면에 도포한 후, 850℃, 20시간 질소분위기 중에서 정지하고, 이어서 수소 75부피%, 질소 25부피%의 분위기 중에서 12℃/h의 속도로 1150℃까지 승온하고 2차 재결정 소둔을 했다.

이어서 표 2에 나타낸 분위기와 시간으로 1200℃에서 순화소둔을 했다.

순화소둔후, 콜로이드상 SiO₂, 인산마그네슘 및 무수크롬산으로된 절연코팅을 했다. 그후 강판을 토로이드상으로 소성 가공하고 다시 직선상으로 연신한후, 800℃에서 3시간의 응력 제거소둔을 했다.

코팅후와 응력제거 소둔후의 철손실을 표 2에 병기한다.

[표 2]

[실시예 3]

표 3에 나타낸 각종 조성성분으로 된 규소강 슬랩을 제조했다.

이들 규소강 슬랩을, 1430℃, 30분간 가열후, 열간압연하여 판두께 2.2mm의 열연판으로 했다.

1000℃에서 1분간의 열연판 소둔을 한후, 냉간 압연하여 판두께 1.5mm로 하고 1100℃, 2분간의 중간 소둔을 한후, 다시 냉간압연하여 최종 판두께 0.23mm로 마무리 했다.

이어서 820℃, 2분간의 탈탄소둔을 하고 소둔 분리제로서의 MgO 100중량부에 대하여 TiO₂를 10중량부 함유시킨 것을 도포하여 그후 850℃, 20시간 질소분위기에서 유지하고 계속해서 수소 75부피%, 질소 25부피%의 분위기중에서 12℃/h의 속돌 1150℃까지 승온하는 2차 재결정 소둔을 했다.

이어서, 전반부 5시간을 수소 50부피%, 질소 50부피%의 분위기로, 후반부 5시간을 수소분위기로 모두 1200℃의 소둔온도에서 순화소둔했다.

순화소둔후 콜로이드상 SiO₂와 인산마그네슘, 무수 크롬산으로된 절연코팅을 했다. 그후 강판을 토로이드상으로 소성 가공하고 다시 직선상으로 연신한 후, 800℃에서 3시간의 응력 제거소둔을 행했다.

코팅후와 응력제거 소둔후의 철손시차를 표 3에 병기했다.

[표 3]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 방향성 규소강판의 제조방법에 의해 응력제거 소둔에 따른 철손실 열화가 없고 피막특성이 양호한 규소강판을 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 규소강소재의 성분조성이 C : 0.02~0.10중량%, Si : 2.0~4.0중량, Mn : 0.02~0.20중량%를 함유하고 또한 S 및 Se중에 적어도 하나를 단독 또는 합계량으로 0.010~0.040중량% 함유하며 필요에 따라서 Al : 0.010~0.065중량%, N : 0.0010~0.0150중량%, Sb : 0.01~0.20중량%, Cu : 0.02~0.20중량%, Mo : 0.1~0.05중량부%, Sn : 0.02~0.20중량%, Ge : 0.01~0.30중량%, Ni : 0.02~0.20중량% 범위인 슬랩(slab)를 열간압연하고, 중간소둔을 포함하는 2회의 냉간압연에 의해 최종 판두께로 한후 탈탄소둔을 실시하며, 탈탄소둔후의 규소강판표면상에 MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 도포한후, 2차 재결정소둔, 이어서 순화소둔을 실시하는 방향성 규소강판의 제조방법에 있어서, 그 소둔분리제에 Ti산화물 또는 가열에 의해 Ti산화물로 되는 Ti화합물을 함유시키고 상기 순화소둔을 순화소둔의 전반부에는 높은 질소농도를 갖는 비산화성분위기중에서 행하고 순화소둔의 후반부에는 질소농도가 낮은 수소분위기중에서 행하는 것을 특징으로 하는 응력제거소둔에 다른 철손실열화가 없고 피막특성이 양호한 방향성 규소강판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 비산화성 분위기가 수소가스인 방향성 규소강판의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 소둔분리제에 Ti산화물 또는 가열에 의해 Ti산화물로 되는 Ti화합물을, MgO 100중량부에 대한 TiO₂환산으로 1.0~40중량부의 범위로 함유시키고, 순화소둔을 1150~1250℃의 범위에서, 적어도 하기식으로 표현되는 전반부의 t(분)간은 질소농도 10부피% 이상의 비산화성 분위기 중에서 행하고, 계속해서 후반부는 질소농도 3부피% 미만의 수소분위기중에서 행하는 것을 특징으로 하는 방향성 규소강판의 제조방법.

   t(min)=668-19.1x×0.171x²-4.42×10^-4x³(1)

   여기서 X는 소둔분위기중의 질소농도(부피%)를 나타낸다.