응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판 및 그제조방법(A NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET HAVING IMPROVEDCORE LOSS AFTER STRESS RELIEF ANNEALING AND A METHODFOR MANUFACTURING IT)

(19)대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(51) 。Int. Cl.7
C22C 38/02
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2005년11월22일
10-0530047
2005년11월14일
(21) 출원번호 10-2001-0011087 (65) 공개번호 10-2002-0071139
(22) 출원일자 2001년03월05일 (43) 공개일자 2002년09월12일
(73) 특허권자 주식회사 포스코
경북 포항시 남구 괴동동 1번지
(72) 발명자 이청산
경상북도포항시남구괴동동1번지포항종합제철(주)내
봉원석
경상북도포항시남구괴동동1번지포항종합제철주식회사내
(74) 대리인 전준항
특허법인씨엔에스
심사관 : 김수성
(54) 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판 및 그제조방법
요약
본 발명은 각종 모터, 소형 변압기 및 안정기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에
관한 것이며, 미쉬메탈을 첨가하여 유화물 또는 질화물의 크기를 구형으로 조대화 함으로써, 결정립의 성장성을 향상시키
는 방식으로 철손을 저감시킬 수 있는 무방향성 전기강판 및 그것의 제조방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
중량%로, C≤0.005%, Si≤2.0%, Al≤1.0%, Mn≤1.5%, P≤0.15%, S≤0.010%, N≤0.010%을 함유하고, 미쉬메탈
(Misch Metal)의 함량과 S N함량의 비{M/(S N), M은 미쉬메탈}가 0.5~2.0이며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물
로 조성되는 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판 및 그것의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.
색인어
무방향성 전기강판, 응력제거소둔, 철손, 미쉬메탈, 자속밀도
명세서
발명의 상세한 설명
발명의 목적
등록특허 10-0530047
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발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 각종 모터, 소형 변압기 및 안정기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에
관한 것이며, 보다 상세하게는 최종제품의 형상으로 타발 및 체결작업한 다음 잔류 응력을 제거하기 위한 수요가 열처리
(이하, 응력제거소둔이라 함)후 철손이 개선되는 무방향성 전기강판 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
무방향성 전기강판은 뛰어난 자기특성을 가지고 있으므로 각종모터 등의 철심재료로 널리 사용되고 있다. 최근 에너지
절약의 차원에서 이러한 전기기기의 효율을 높이고 소형화하려는 추세에 따라 철심재료인 전기강판에 있어서도 철손이 낮
고 자속밀도가 높은 제품에 대한 욕구가 점차 증가되고 있는 실정이다. 에어콘이나 냉장고용 콤프레셔(compressor) 모터
에 사용되는 전기강판은 수요가에서 복잡한 형상으로 타발된 후 응력제거소둔(stress relief annealing)되는 것이 보통이
므로 이러한 가전용 모터에 사용되는 무방향성 전기강판에는 응력제거후의 자기특성이 특히 중요시된다. 이전에는 응력제
거소둔전의 자기특성을 향상시키는 데만 전력하여 왔을 뿐 응력제거소둔후의 자기특성은 거의 고려되지 않았다. 그러나,
산업이 고도화되고 전기기기의 효율이 중요시됨에 따라 각종 기술도 극한을 추구하게 되면서 응력제거소둔시의 철손감소
율에도 주목하게 되었고, 수요가들도 응력제거소둔전의 자기특성이 동일한 수준이라면 응력제거소둔에 의하여 철손이 감
소되는 정도가 큰 제품을 선호하는 것은 지극히 당연한 일이다.
무방향성 전기강판의 철손은 이력손실과 와전류 손실로 구분된다. 이력손실은 철심재료의 결정방위, 순도, 내부응력 등
의 영향을 받는 반면, 와전류 손실은 철심재료의 두께, 비저항, 자구의 구조 등의 영향을 받는다. 이력손실은 전철손의 70-
80%을 차지하며, 이력손실은 결정립 크기에 역비례하므로 결정립 크기가 클수록 철손은 낮아지게 된다. 또한, 무방향성
전기강판의 철손은 집합조직에 의해서도 현저한 영향을 받으며, 자화용이축인〈100〉방향이 판면에 평행한 결정립이 많
을수록 유리하다. 그러므로, <100>방향을 포함하고 있는 (100),(110)면이 많을수록, <100>방향을 포함하고 있지 않은
(111), (211)면이 적을수록 철손은 낮아지게 된다.
통상적으로 응력제거소둔은 균열온도 800℃전후에서 장시간 실시되는데, 이는 균열온도가 850℃이상으로 되면 절연코
팅의 밀착성이 급격히 열화되고, 균열온도가 높을수록 산화층이 두껍게 형성되어 전기기기의 특성을 열화시키므로 균열온
도는 800℃전후로 한정하고 있다. 응력제거소둔에 의하여 철손을 크게 감소시키기 위해서는 강중에 존재하는 미세한 개재
물을 저감시켜 응력제거소둔시 결정립을 용이하게 성장시키는 것이 가장 효과적인 방법이다. 소둔시 결정립성장을 방해하
는 개재물은 대체로 산화물, 유화물, 질화물등으로 분류할 수 있으며, Al이나 Si계통의 산화물은 제강기술의 진보로 인하
여 최근에는 거의 형성되지 않는다. 그러나 유화물은 제강단계에서 탈류처리에 의해 유황의 생성을 억제함으로서 그 폐해
를 줄일수 있지만, 과도한 탈류는 제강단계에서의 비용상승을 초래하는 단점이 있다. 따라서 통상의 탈류처리에 의해 규소
강중의 유황의 함량을 10ppm이하로 안정하게 관리하는 것은 매우 어려우며, 통상적인 유황함량은 30ppm정도이다. 이 유
황은 고로법으로 제조되는 용선에 기본적으로 함유되는 Mn 등과 결합하여 MnS와 같은 유화물을 형성하게 된다. 또한, 질
화물의 경우에도 제강단계에서 질소를 낮추어 생성을 방지할 수도 있지만, 규소강중의 질소함량을 10ppm이하로 안정하
게 관리하는 것은 사실상 곤란하고, 통상적인 질소함량은 30ppm정도이다. 이 질소와 탈산 및 철손감소를 위하여 첨가되는
Al이 결합하여 불가피하게 AlN이 형성되게 된다. 이러한 유화물이나 질화물은 그 크기가 작을수록 소둔시 결정립성장에
는 불리하므로 가능한 조대하게 석출시키는 편이 좋다.
이제까지는 무방향성 전기강판의 자기특성향상을 위해 응력제거소둔전의 자기특성에만 관심을 가져 왔으며, 이는 Sb,
Sn 등과 같은 특수원소를 첨가하는 방법 등을 사용하여 왔다. 예를 들면, 일본특공소56-54370호에서는 Sb을 함유한 열간
압연판을 700~950℃에서 소둔하여 냉간압연한 후 연속소둔하여 자기특성을 향상시켰다. 또한, 일본공고 특공소58-
56732호에서는 Sn을 첨가하였는데, Sn첨가의 효과를 극대화 시키기 위하여 열연판소둔시의 냉각속도와 최종소둔시의 승
온속도를 낮춘 것으로 기재되어 있을 뿐, 응력제거소둔에 의하여 철손이 감소되는 정도에 대해서는 전혀 언급이 없었다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안
하게 된 것으로, 미쉬메탈을 첨가하여 유화물 또는 질화물의 크기를 구형으로 조대화함으로써, 철손을 저감시킬 수 있는
무방향성 전기강판 및 그것의 제조방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.
발명의 구성 및 작용
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
등록특허 10-0530047
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중량%로, C≤0.005%, Si≤2.0%, Al≤1.0%, Mn≤1.5%, P≤0.15%, S≤0.010%, N≤0.010%을 함유하고, 미쉬메탈
(Misch Metal)의 함량과 S N함량의 비{M/(S N), M은 미쉬메탈}가 0.5~2.0이며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물
로 조성되는 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 중량%로, C≤0.005%, Si≤2.0%, Al≤1.0%, Mn≤1.5%, P≤0.15%, S≤0.010%, N≤0.010%을 함유하
고, 미쉬메탈(Misch Metal)의 함량과 S N함량의 비가 0.5~2.0이며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강
슬라브를1100~1300℃로 재가열한 다음 열간압연하고, 800℃이하의 온도로 권취한 다음 산세하고, 70%이상의 압하율로
냉간압연한 후 650-850℃의 온도에서 최종소둔하는 것을 포함하여 이루어지는 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성
전기강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 제강비용의 상승을 유발하지 않으면서 최종소둔후 수요가에서 실시하는 열처리인 응력제거소둔시 결정립
을 성장시켜 철손을 낮추기 위한 여러 방안들을 검토한 결과, 규소강 중 불가피하게 석출되는 유화물이나 질화물의 크기를
구형으로 조대화 하는 것이 유효하며, 이를 위해서는 합금원소중 미쉬메탈의 첨가가 매우 효과적임을 알았다.
미쉬메탈은 Ce, La, Nd, Pr 등의 원소를 포함하는 광석으로서, 이들 원소 중 Ce 및 Pr은 MnS 등의 유화물이나 AlN과 같
은 질화석출물을 구형으로 크게 만듦으로써 미세 석출물에 의한 결정립 성장 억제의 폐해를 방지해 주는 것으로 나타난 반
면, La, Nd 등의 원소는 오히려 개재물을 새로이 형성하여 결정립 성장을 억제하는 것을 발견하였다.
따라서, 미쉬메탈의 첨가량은 초기 유황 및 질소의 합계량에 따라 엄밀히 제어하여야만 불순물의 개재물 형성에 의한 폐
해를 최소화하면서 상기 석출물 조대화의 이점을 살릴 수 있는 것이다. 본 발명에서는, 상기 미쉬메탈(이하, M이라 함)의
함량을 S및 N 함량의 합과의 비로서 관리하며, M/(S N)을 0.5~2.0으로 설정하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 미쉬
메탈의 함량과 S및 N 함량의 합과의 비, 즉 M/(S N)이 0.5미만인 경우에는 유화물 또는 질화물의 조대화 효과가 미약하
여 응력제거소둔후 철손 개선율이 크지 않게 되며, 2.0을 초과하면 미쉬메탈에 포함된 La, Nd 등의 원소의 개재물이 새롭
게 형성되어 결정립 성장을 억제하기 때문이다
이하, 본 발명의 무방향성 전기강판에 함유되는 나머지 강 성분에 대하여 설명한다.
C는 카바이드(Carbide)를 형성해 결정립 성장을 방해하고 또한, 전기기기의 철심으로 사용 중 자기시효를 일으켜 자기적
특성을 저하시키므로, 그 함량을 0.005%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Si 는 비저항을 증가시켜 철손향상에 기여하는 성분이지만, 그 함량이 2.0%를 넘으면 연속소둔시 핌플(pimple)과 같은
표면결함의 발생율이 증가하므로 그 범위를 2.0% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
Al 은 Si 와 동일하게 철손 향상에 기여하지만, 그 함량이 1.0 %를 넘으면 냉간압연성이 나빠지므로 1.0 % 이하로 첨가
하는 것이 바람직하다.
Mn은 철손개선에 유효한 원소이나 과도하게 첨가되면 냉간압연이 곤란하므로, 그 함량은 1.5%이하로 제한하는 것이 바
람직하다.
P는 비저항을 증가시키지만 냉간압연성을 고려하여, 그 함량의 상한을 0.15%로 설정하는 것이 바람직하다.
S은 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 결정립 성장을 억제하므로 가능한 한 낮게 관리하는 것이 유리하지만 과다한 탈류
시 제강비용이 상승하게 되므로, 본 발명에서는 제강비용의 상승을 초래하지 않는 함량인 0.010%이하로 설정하는 것이
좋다. 상기 S의 함량이 0.010%를 초과하면 과다한 MnS등의 유화물이 생성되어 미쉬메탈을 첨가하더라도 우수한 철손특
성을 얻을 수 없으므로 바람직하지 않다.
N은 AlN 석출물을 형성하여 입성장을 억제하는 원소이므로 가능한 한 억제하는 것이 바람직한데, 본 발명에서는 제강
비용을 고려하여 상기 N의 함량을 0.010%이하로 설정하는 것이 좋다.
이하, 본 발명의 무방향성 전기강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
등록특허 10-0530047
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상기와 같이 조성되는 강 슬라브는 제강에서 용강으로 제조된 후 연속주조공정에서 슬라브로 제조된 것으로, 이후 상기
강 슬라브는 열간압연 전 가열로에 장입하여 1100~1300℃의 온도범위로 가열하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 슬
라브 재가열온도가 1100℃이상이 되어야 열간압연이 용이하나 1300℃를 넘으면 AlN, MnS 등의 철손특성에 해로운 석출
물이 재용해되어 열간압연후 미세한 석출물이 과도하게 발생되기 때문이다.
상기 재가열후 통상의 방법으로 열간압연하는데, 이때 마무리압연 온도는 열간압연판의 산화층이 과다하게 발생하지 않
도록 하는 온도범위인 800-950℃로 설정하는 것이 바람직하다.
이후 열간압연판의 권취는, 열간압연판에 산화층이 과도하게 발생되지 않도록 하는 온도인 800℃이하 온도에서 행하는
것이 바람직하다. 권취후 냉각은 공기중에서 코일상태로 실시하며, 보다 바람직하게는 로냉하는 것이다.
상기와 같이 권취냉각된 열간압연판은 열간압연판소둔을 행하지 않고 산세후 냉간압연한다. 냉간압연은 압연 생산성을
고려하여 70%이상의 압하율로 실시하는 것이 바람직하며, 1회 실시하여 최종두께의 냉연판을 얻는다.
그 후, 최종소둔하는데, 650~850℃의 온도범위로 가열하여 30초~5분 동안 연속소둔하는 것이 바람직하다. 상기 최종소
둔온도가 650℃ 보다 낮거나 소둔시간이 30초미만인 경우는 재료내에 압연조직이 과도하게 잔류하여 수요가가 가공시 가
공이 어려운 단점이 있으며, 850℃ 보다 높거나 소둔시간이 5분을 초과하는 경우는 재료내의 잔류응력이 없어져서 수요가
가 응력제거소둔시 재료의 철손특성의 개선율이 작은 단점이 있다.
이후, 상기와 같이 연속소둔한 소둔판은 절연피막처리후 수요가로 출하된다. 절연피막은 유기질, 무기질 및 유무기 복합
피막으로 처리할 수도 있으며, 기타 절연이 가능한 피막제를 입힐 수도 있다.
원하는 제품으로 타발후 수요가는 통상 700~850℃의 온도에서 30분이상 비산화성 분위기로 응력제거소둔을 실시하는
데, 그 이유는 상기 응력제거소둔시 소둔온도가 700℃미만인 경우에는 재료내 잔류응력이 잔존할 수도 있으며, 850℃보
다 높으면 절연피막이 손상될 수 있기 때문이다.
이와 같이 하여 제조된 본 발명의 무방향성 전기강판은, 강 성분 중 미쉬메탈이 함유되어 유화물 또는 질화물을 조대화시
키기 때문에, 상기한 바와 같은 응력제거소둔후의 철손은 최종소둔후의 철손에 비해 30% 이상 개선된 자기특성이 우수한
강판으로 되는 것이다.
이하, 본 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
(실시예 )
하기 표 1과 같이 조성되는 규소강 슬라브를 1200℃에서 가열하여 두께 2.0mm로 열간압연한 후 산세하여 스케일을 제
거하고, 최종두께 0.50mm가 되도록 냉간압연하였다. 이 냉간압연판을 각각 700℃의 온도에서90초간 연속소둔한 다음,
750℃에서 2시간동안 질소분위기에서 응력제거소둔하였다.
자기특성은 상기 연속소둔후의 값과 응력제거소둔후의 값을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이 때, 자기특
성 중 B50은 5000A/m의 여자력에서의 자속밀도 값이며, W15/50은 50Hz의 교류에서 철심에 1.5Tesla의 자속밀도를 유도
하였을 때 열 등으로 소모되는 에너지 손실량인 철손 값을 나타낸다.

[표 1]
강종 성분(중량%)
C Si Al Mn P S N S N Misch Metal(M) M/(S N)
발명강A 0.003 1.5 0.5 0.25 0.015 0.010 0.003 0.013 0.010 0.77
발명강B 0.005 1.5 0.5 0.25 0.014 0.003 0.010 0.013 0.020 1.54
발명강C 0.003 1.5 0.5 0.24 0.014 0.003 0.003 0.006 0.003 0.5
발명강D 0.002 1.5 0.5 0.25 0.015 0.003 0.002 0.005 0.005 1.0
발명강E 0.003 1.5 0.5 0.25 0.015 0.002 0.003 0.005 0.010 2.0
비교강A 0.003 1.5 0.5 0.25 0.015 0.015 0.003 0.018 0.020 1.11
등록특허 10-0530047
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비교강B 0.005 1.5 0.5 0.20 0.015 0.003 0.012 0.015 0.020 1.33
비교강C 0.003 1.5 0.5 0.25 0.015 0.003 0.003 0.006 0.002 0.33
비교강D 0.002 1.5 0.5 0.25 0.015 0.006 0.005 0.011 0.025 2.27

[표 2]
구분 자기특성 응력제거소둔후 철손개선율
(%)
강종
최종소둔후 응력제거소둔후
자속밀도,
B50(T)
철손,W15/50
(W/kg)
자속밀도,
B50(T)
철손,W15/50
(W/kg)
발명재1 1.74 5.25 1.73 3.44 34.5 발명강A
발명재2 1.73 5.36 1.72 3.42 36.2 발명강B
발명재3 1.74 5.35 1.73 3.40 36.4 발명강C
발명재4 1.73 5.38 1.72 3.37 37.4 발명강D
발명재5 1.74 5.42 1.73 3.36 38.0 발명강E
비교재1 1.74 6.60 1.72 5.39 18.4 비교강A
비교재2 1.74 6.65 1.73 5.31 20.1 비교강B
비교재3 1.73 5.34 1.72 4.03 24.6 비교강C
비교재4 1.74 6.03 1.73 4.67 22.5 비교강D
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 유황, 질소, 및 미쉬메탈이 본 발명 범위내로 첨가된 발명재(1~5)는 비교재(1~4)에 비해
자기적 특성이 우수함을 알 수 있었다.
반면에, 비교재(1)과 비교재(2)는 각각 유황과 질소량이 본 발명범위를 초과하여 응력제거소둔후 결정립 성장이 충분하
게 이루어지지 않아 철손 개선율이 열등하였으며, 비교재(3) 및 비교재(4)의 경우는 S 및 N함량은 본 발명범위 이내이지만
M/(S N)이 본 발명범위를 벗어나서 응력제거소둔후 충분한 철손개선이 이루어지지 않는 것으로 나타났다.
발명의 효과
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 강 성분 중 적정 함량의 미쉬메탈을 첨가하여 응력제거소둔후 철손이 낮은 무방향성
전기강판을 제공할 수 있어서, 전기기기의 효율을 높일 수 있는 효과가 있는 것이다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
중량%로, C≤0.005%, Si≤2.0%, Al≤1.0%, Mn≤1.5%, P≤0.15%, S≤0.010%, N≤0.010%을 함유하고, 미쉬메탈
(Misch Metal)의 함량과 S N함량의 비{M/(S N), M은 미쉬메탈}가 0.5~2.0이며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물
로 조성되는 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판
청구항 2.
제 1항에 있어서, 상기 무방향성 전기강판의 응력제거소둔후 철손이 최종소둔후의 철손 보다 30% 이상 개선된 것을 특
징으로 하는 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판
청구항 3.
등록특허 10-0530047
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중량%로, C≤0.005%, Si≤2.0%, Al≤1.0%, Mn≤1.5%, P≤0.15%, S≤0.010%, N≤0.010%을 함유하고, 미쉬메탈
(Misch Metal)의 함량과 S N함량의 비가 0.5~2.0이며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를
1100~1300℃로 재가열한 다음 열간압연하고, 800℃이하의 온도로 권취한 다음 산세하고, 70% 이상의 압하율로 냉간압
연한 후 650~850℃의 온도에서 30초~5분 동안 최종소둔하는 것을 포함하여 이루어지는 응력제거소둔후 철손이 개선된
무방향성 전기강판의 제조방법
청구항 4.
제 3항에 있어서, 상기 최종소둔후에는 응력제거소둔이 추가로 실시되고, 상기 응력제거소둔은 700~850℃의 온도에서
30분 이상 실시하는 것을 특징으로 하는 응력제거소둔후 철손이 개선된 무방향성 전기강판의 제조방법
등록특허 10-0530047
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