전기강판에서 {100}<0vw>집합조직 형성 및 자기적 특성에 관한 연구

Abstract

일반적으로 전기강판은 Fe에 Si을 첨가함으로써 고유 비저항이 낮은 Fe에 저항을 높이고 자기이방성 상수를 감소시켜 자기변형을 낮춘다. 하지만 Si의 함량이 높아지면 가공성이 떨어져 압연이 어려워지게 되고, Fe가 가지고 있는 포화자화(Ms)를 감소시켜 3 wt% Si의 전기강판을 주로 사용한다. 이렇게 압연된 강판은 절연재와 함께 적층하여 변압기용 자심에 쓰이는 방향성 전기강판 (Oriented electrical steel)과 모터에 사용되는 무방향성 전기강판(Non-oriented electrical steel)으로 분류된다. 그 중 무방향성 전기강판은 모터의 회전자로 사용되며 교류에 의해 영구자석이 사용되는 고정자로부터 동력이 전달된다. 최근 환경오염과 에너지 절약 문제가 대두되면서 내연기관을 없애고 전기모터를 이용한 전기자동차가 각광 받고 있다. 전기자동차 뿐만 아니라 드론, 청소기 등의 전자 장치들의 사용 환경이 고주파수화 됨으로써 모터의 고 포화자속밀도 및 저 철손 특성이 요구되고 있다. 모터에 사용되는 전기강판에서 결정면과 방향은 매우 중요한 역할을 한다. 외부에서 자기장이 인가되면 전기강판에서 자화가 일어나는데 철심을 감는 코일의 수가 같고 동일한 크기의 전류가 흐른다고 하여도 강판의 결정방향이 자기장의 방향에 대해서 <001>일 때 가장 큰 자력이 얻어지며, 반대로 <111>방향일 때 상대적으로 가장 작은 자력이 얻어지고 에너지 소모가 커진다. 따라서 모터의 출력을 향상시키고 에너지를 절약하기 위해 전기강판의 집합조직을 {100}<0vw>로 형성시키는 것이 유리하다. 또한, 현재 상용되고 있는 전기강판은 400 Hz이상의 주파수에서 와전류 손실이 크게 발생하기 때문에 손실을 감소시키기 위한 강판의 두께 감소 연구가 활발히 진행 중이다. 결정립 성장은 어닐링 시 회복, 재결정이 일어난 후에 균일한 결정립 성장이 일어나는데, 특정 결정립이 주를 이루어 불균일하게 입자 성장이 일어나는 것을 비이상적 결정립 성장이라 한다. 이러한 비이상적 결정립 성장은 각 결정면의 표면에너지 차이에 의해서 어닐링시 특정 결정립이 성장하는 ‘Surface-energy-induced selective grain growth’ 이론으로 설명 가능하다. 본 논문에서는 황 (sulfur)의 표면 편석에 의해서 결정면들의 표면에너지 차이가결정립 성장에 미치는 영향과 자기적 특성의 변화를 연구하고자 Fe-3.1%Si-0.1%Mn 조성에 6, 20, 50 ppm의 황 함량을 변화시키고, 96%의 압하율로 1단 압연하여 미세구조 및 자기적 특성을 평가하였다. 제시된 이론에서 황의 편석량이 적을 때 (100)면의 표면에너지가 가장 낮아 해당 면을 위주로 결정립 성장이 일어났다. 20 ppm의 강판을 Electron Backscatter Diffraction (EBSD) 분석결과 측정 면적 내의 결정립이 color code가 빨간색을 나타내는 (100)으로 형성되었고, 6 ppm 강판에서는 (100)면이 대부분 차지하였지만 작은 양의 (111)면도 관찰되었다. 황이 가장 많이 들어간 50 ppm 강판에서는 큰 (100)결정면 주위에 아직 잠식되지 않은 작은 (111)면들이 존재하였다. 이러한 결과는 자기적 특성에 큰 영향을 준 것으로 관찰되었다. 결정립이 (100)면으로 이루어진 20 ppm 강판에서 224.7 emu/g의 포화자화(Ms)와 1.72 T의 포화자속밀도(Bm) 값으로 가장 우수한 특성을 나타내었고, 철손은 400 Hz에서 0.41 W/kg, 2000 Hz에서는 84.46 W/kg으로 3개의 강판 중 최저값이 측정되었다. 반면, 상대적으로 (111)면이 많았던 50ppm 강판에서는 자기적 특성이 비교적 저조한 결과를 보였다. Bm은 1.62 T로, 철손은 400 Hz에서 9.11 W/kg, 2000 Hz에서 94.48 W/kg으로, 20 ppm강판의 특성과 확연한 차이를 보였다. 황의 편석은 자구 구조에도 영향을 주어서, 동일한 (100)면에서도 황이 많은 50 ppm 강판의 자구 크기는 매우 작고 자벽의 수가 많았다. 이는 편석된 황 주위에 형성된 자유자극에 의한 정자기에너지를 감소하기 위해 자구의 분리가 연속적으로 일어난 것으로 보여진다. 자구의 크기와 이상 손실(Pan)은 비례하기 때문에, 50 ppm 강판의 Pan은 5.96 W/kg으로 최저값을 보였다. 20 ppm의 강판을 2단 압연하여 최종 압하율 50 %, 75 %로 압연하여 1단 압연한 강판과 집합조직 및 자기적 특성을 분석하였다. 1단 압연 시 형성되었던 (001)[120] 집합조직이, 2단 압연함으로써 (001)[010] 집합조직으로 몰리는 경향을 보였고, 최종 압하율이 75 %일 때 면강도 상대값이 139.2로 가장 높았다. 자화가 용이한 [001]방향으로 형성되었기 때문에, 1단 압연했을 때 1.72 T였던 Bm이 2단 압연 시 75 % 압하율의 Bm은 1.88 T로 최고치를 보였다. 뿐만 아니라 400 Hz에서 철손도 7.1 W/kg으로 가장 낮은 수치를 나타내었다. 이러한 결과들은 두께가 약 100 ㎛의 강판에서 황의 표면 편석이 적은 샘플에서 집합조직이 (100)면으로 이루어졌으며, 2단 압연했을 때 집합조직이 (001)[010]로 형성되었다. 이로 인해 포화자속밀도, 코어 손실, 자구 구조의 변화 등에서 그 특성이 크게 향상되는 것을 명확하게 관찰되었다. 따라서, 황의 편석에 의한 결정립 형성 및 자기 특성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.