Rm≥600MPa的優良磁性能無取向電工鋼及其生產方法
【專利摘要】Rm≥600MPa的優良磁性能無取向電工鋼，其組分及wt%：Si：2.5～3.5%，Mn：0.1～1.0%，Ni+Al不超過1.0%，N：≤0.005%，S≤0.015%，C≤0.003%，P≤0.05%：生產步驟：冶煉并連鑄成坯；對連鑄坯加熱；熱軋；卷取；常化；酸洗并冷軋；連續退火；自然冷卻至室溫并待用。本發明機械性能與磁性能能同時滿足電機用鋼的要求，即Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，P1.0/400≤17W/kg，B5000≥1.66T，使定轉子采用同一種電磁鋼板進行加工，從而降低時間和材料成本。
【專利說明】Rm ≥600MPa的優良磁性能無取向電工鋼及其生產方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無取向電工鋼及其生產方法，具體地屬于一種Rm≥600MPa的優良磁性能無取向電工鋼及其生產方法。
【背景技術】
[0002]近年來地球環境問題日益突出，很多節能領域都在提倡節能產品，環境應對技術不斷發展，汽車領域也不例外，低排放，減少燃料消耗技術取得了長足進步。而電動汽車和混合動力汽車領域是節能減排領域中非常突出的例子，汽車驅動電機的性能直接影響到這些電動汽車的性能。
[0003]驅動電機鐵芯多使用永磁體，定子和轉子一起構成。最近，將永磁體嵌入轉子內部的IPM電機已得到廣泛使用，其使任意調節轉子轉速成為可能，使轉子有向高速化發展，而轉子高速旋轉時由于離心力的作用，會導致嵌入的永久磁鐵脫落，影響生產及設備安全，這對轉子材料的機械性能提出了很高的要求。特別是當IPM電機得轉子形狀非常復雜時，必須考慮到轉子材料的應力集中，離心力和應力變化等機械性能的要求。而且，機器人，工程機械用電機領域今后可能會和電驅動電機一樣出現高速旋轉的趨勢。
[0004]轉子用無取向電工鋼板的所有特性中，第一位的是機械特性，即屈服強度和抗拉強度，這是為了抑制轉子高速旋轉時產生變形，以及應力變化引起的疲勞破壞。近年來電動汽車，混合動力汽車驅動電機轉子受到的平均應力達到250MPa，應力振幅達到150MPa。因此，從抑制變形的觀點來看，至少要達到400 MPa以上，考慮到安全問題屈服強度甚至在500MPa以上比較合適。而且，從抑制上述應力狀態產生的疲勞破壞的觀點來看，抗拉強度至少要達到500MPa以上，考慮到安全問題抗拉強度甚至在600MPa以上比較合適。
[0005]轉子用無取向電工鋼板的第二特性就是磁通密度。IPM電機充分利用了磁阻轉矩，電機轉子用材料的磁通密度直接影響到轉矩的大小，磁通密度低則無法得到理想的轉矩。
[0006]轉子用無取向電工鋼板的第三特性就是鐵損，鐵損是不可逆的疇壁運動引起的磁滯損耗和磁化引起的渦流損耗組成的，電工鋼板的總損耗由這兩種損耗的總合來評價。轉子產生的損耗對電機的效率沒有太大的影響，轉子產生損耗時的發熱對永磁體具有消磁的作用，間接的惡化了電機的性能。因此，轉子用無取向電工鋼板的鐵損水平可以根據永磁體熱退磁對應的耐熱溫度決定。比起定子使用的材料，轉子用無取向電工鋼板的鐵損稍高是能夠接受的。這是因為電機中的磁場波動分量主要集中于定子鐵心，鐵耗主要由定子鐵芯產生，特別是定子齒。在轉子鐵芯和永磁體中磁通密度變化較小，而定子鐵芯中磁通密度變化較大。因此相對于定子鐵芯損耗，轉子和永磁體中的損耗可以忽略。而且從諧波分析可以預計，轉子中的諧波分量幅值很小，定子中的鐵耗會遠大于轉子。
[0007]近年來，隨著原材料價格上漲，電機行業希望改善鋼材的成品率，降低材料成本減少工藝流程，為此希望定子和轉子采用同一種電磁鋼板以減少工藝流程降低成本。定子轉子加工一體化就是定子用材料在沖壓完后廢棄的中部剩余材料沖壓成轉子。因此材料的成品率顯著提高。[0008]然而，轉子使用的電磁鋼板要優先考慮強度而不是磁性能，比起定子使用的電磁鋼板容許鐵損高一些。高轉速驅動電機轉子用的電磁鋼板必須滿足必要的強度，定子和轉子用材料一起進行加工，可能無法得到必要的定子磁性能，從而無法得到理想的電機效率，這是一個要考慮的問題。另一方面，定子對構件的強度要求本來就不高，必須優先滿足必要的磁性能，這樣定子和轉子材料一起進行加工，就可能無法滿足必要的強度水平，產生疲勞破壞，這也是一個問題。
[0009]因此，電磁鋼板必須同時兼備制造高速旋轉轉子所必要的強度，制造定子所必要的磁性能，定轉子采用同一種電磁鋼板進行加工從而降低時間和材料成本是用戶希望實現的目標。
[0010]通常降低鐵損的手段包括添加合適的合金元素促進再結晶組織發達，或者采用合適的工藝手段獲得足夠大的成品晶粒尺寸，從而降低磁滯損耗，但很多合金元素添加后一方面會降低磁感強度，進而導致電機轉矩下降，另一方面在促進再結晶組織發達的同時降低了成品強度，而采用合適的工藝手段獲得足夠大的成品晶粒尺寸也會使成品強度降低。日本專利特開2010-24509公開了新日鐵開發的一種強度和磁性能優良的無取向電工鋼板，通過Ni，Cu按照一定比例的添加達到提高磁性能磁感和強度的效果，其Al含量最高可達到3.0%以上，Cu在熱軋過程中會析出細小的e -Cu第二相質點，在再結晶過程中會阻礙晶粒的長大，惡化磁性能，鋼水中Al含量高，澆鑄時易結瘤，鑄坯表面易結疤，成品表面缺陷多，Al也容易在退火時產生內氧化層和內氮化層，另外該專利還添加了 0.01%-0.10%的Sn，Sn的熔點較低，退火過程中容易在鋼板表面產生結瘤，且添加也增加了合金成本。最后該專利僅僅給出了屈服強度，延伸率和渦流損耗的數據，而未提到總損耗和磁感水平.日本專利特開2011-89204公開了住友金屬開發的一種轉子用無取向電工鋼板的制造方法，其通過添加Nb，在熱軋過程中析出的大量細小的Nb(C，N)質點來控制退火過程中的再結晶比例，從而達到析出強化的效果，其0.35mm成品屈服強度達到659MPa，抗拉強度達到768MPa，但再結晶比例過低會導致磁性能惡化，尤其是鐵損大幅上升，其0.35mm成品高頻鐵損P1.Cl/.高達46W/kg, 因此其只適合制造轉子材料。
【發明內容】
[0011]本發明針對現有技術的不足，提供一種機械性能與磁性能能同時滿足電機用鋼的要求，0.35mm 厚度鋼板性能:Rm ≤ 600MPa，Rel ≤ 500MPa,PL 0/400 ^ 17 ff/kg, B5000 ≤ 1.66T，使定子及轉子采用同一種電磁鋼板進行加工的無取向電工鋼及其生產方法。
[0012]實現上述目的的措施:
Rm≤600MPa的優良磁性能無取向電工鋼，其組分及重量百分比含量為:S1:2.5~
3.5%, Mn:0.1 ~1.0%, Ni+Al 不超過 1.0%, N: ^ 0.005%, S ≤ 0.015%, C ≤ 0.003%,P^0.05%,其余為鐵及殘余含量；且要滿足:1.0≤Al/Ni≤2.0, C+S+N^0.007 ；0.35mm厚度成品的機械性能:Rm ≤ 600MPa，Rel ≤ 500MPa，磁性能=P1^4tltl ( 17 ff/kg, B5000 ≤ 1.66T。
[0013]生產Rm > 600MPa的優良磁性能無取向電工鋼的方法，其步驟:
1)冶煉并連鑄成還;
2)對連鑄坯加熱，溫度不低于1050°C，在爐時間不低于120分鐘；
3)進行熱軋軋制:控制粗軋終軋溫度不低于900°C，鋼板厚度不低于25mm;控制精軋終軋溫度不低于750°C，板厚不低于2.0mm ；
4)進行卷取，控制卷取溫度不低于700°C；
5)進行常化，控制常化爐均熱溫度不低于750°C，常化時間不少于I分鐘；
6)進行酸洗并冷軋:酸洗溫度60-100°C，酸洗時間2飛分鐘，采用一次冷軋法進行冷車L軋制道次為4~7，控制前3飛道次的總壓下率不低于80%，末道次壓下率不超過20% ；
7)進行連續退火，退火溫度不低于850°C，均熱時間不少于I分鐘，氣氛為常規的4+隊混合氣，N2/H2不超過0.5，氣體流量不低于200m3/min;
8)自然冷卻至室溫，待用。
[0014]本發明添加了少量Ni,代替部分Al，其作用如下:
(I)Ni為鐵磁性元素，在外加磁場時很容易使材料達到飽和，從而提高材料的磁感，而Al會降低飽和磁感。
[0015](2)高牌號無取向硅鋼在熱變形時沒有相變(在鐵素體區)，層錯能高，變形時擴展位錯的寬度窄、集束容易，位錯的交滑移和攀移容易進行，位錯容易在滑移面間轉移，而使異號位錯相互抵消，結果使位錯密度下降，畸變能降低，不足以達到動態再結晶所需的能量水平。因此這類金屬在熱塑性變形過程中，即使變形程度很大、變形溫度遠高于靜態再結晶的溫度，也只發生動態回復，而不發生動態再結晶，也就是說，動態回復是高層錯能金屬熱變形過程中唯一的軟化機制。加入Ni后層錯能降低，變形時擴展位錯的寬度變寬、集束變得困難，位錯的交滑移和攀移難以進行，位錯難以在滑移面間轉移，結果使位錯密度上升，畸變能升高，動態再結晶更容易發生。而Al屬于提高層錯能，不利于動態再結晶的發生，另外動態再結晶的能力除了`與金屬的層錯能高低有關外，還與晶界遷移的難易有關。Al在熱軋過程中析出的細小AlN顆粒能阻礙晶界的移動，所以會遏制動態再結晶的進行。另外，鋼水中Al含量高，澆鑄時易結瘤，鑄坯表面易結疤，成品表面缺陷多，Al也容易在退火時產生內氧化層和內氮化層，因此以Ni取代Al的硅鋼再結晶組織發達和完善(如附圖1，圖
2)，有利于改善磁性，磁性能波動范圍小、對成品退火工藝的敏感性降低、穩定性好，工藝適應能力強，表面質量得到提高。
[0016](3)Ni的加入擴大了 Y相區，相變點溫度Ar3相對降低，終軋溫度容易接近Ar3點，在a單相區精軋的時間縮短，從而使熱軋板內部再結晶組織發達、形變晶少、等軸晶多、等軸晶比例高，冷軋后的組織中過渡帶和切變帶發達，形變帶少，由于過渡帶和切變帶是{100}，{110}等有利織構的形核地點，形變帶是{111}等不利織構的形核位置，因此，退火后{100}，{110}等有利織構發達，{111}等不利織構被弱化，磁性得到顯著改善。
[0017](4)溶入基體中的Ni原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，另一方面溶質原子在層錯面上富集可降低層錯能而增加了擴張位錯的寬度，擴張位錯不易束集，位錯交截困難，雙重交滑移和切割位錯困難，不易產生多系滑移，從而使材料的強度增加。
[0018](5) Ni為單質原子，不會與其他元素形成夾雜物或在熱軋過程中形成第二相析出，從而不會惡化成品再結晶組織。
[0019](6)Ni的電阻率低于Al，替代部分Al后渦流損耗會有所上升；另外，過量Ni使鋼板變脆，冷軋時容易斷裂，因此Ni的添加也應該適量。
[0020]本發明與現有技術相比，機械性能與磁性能能同時滿足電機用鋼的要求，即Rm ≥ 600MPa，Rel ≥ 500MPa, PL 0/400 ≤ 17 ff/kg, B5000 ≥ 1.66T，使定轉子采用同一種電磁鋼板進行加工，從而降低時間和材料成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明熱軋板常化后的典型金相組織圖；
圖2為本發明成品退火后的典型金相組織圖。
【具體實施方式】
[0022]下面對本發明予以詳細描述:
表1為本發明各實施例及對比例的取值列表；
表2為本發明各實施例及對比例的主要工藝參數列表；
表3為本發明各實施例及對比例性能檢測情況列表。
[0023]本發明各實施例按照以下步驟生產:
.1)冶煉并連鑄成還;
.2)對連鑄坯加熱，溫度不低于1050°C，在爐時間不低于120分鐘；
.3)進行熱軋軋制:控制粗軋終軋溫度不低于900°C，鋼板厚度不低于25mm;控制精軋終軋溫度不低于750°C，板厚不低于2.0mm ；
.4)進行卷取，控制卷取溫度不低于700°C；
. 5)進行常化，控制常化爐均熱溫度不低于750°C，常化時間不少于I分鐘；
. 6)進行酸洗并冷軋:酸洗溫度60-100°C，酸洗時間2飛分鐘，采用一次冷軋法進行冷車L軋制道次為4~7，控制前3飛道次的總壓下率不低于80%，末道次壓下率不超過20% ；
.7)進行連續退火，退火溫度不低于850°C，均熱時間不少于I分鐘，氣氛為常規的4+隊混合氣，N2/H2不超過0.5，氣體流量不低于200m3/min;
.8)自然冷卻至室溫，待用。
[0024]表1本發明各實施例及對比例化學成分
【權利要求】
1.Rm≥600MPa的優良磁性能無取向電工鋼，其組分及重量百分比含量為:S1:2.5~3.5%, Mn:0.1 ~1.0%, Ni+Al 不超過 1.0%, N: ≤0.005%, S ≤0.015%, C ≤0.003%,P≤0.05%,其余為鐵及殘余含量；且要滿足:1.0≤Al/Ni≤2.0, C+S+N≤0.007 ；0.35mm厚度成品的機械性能:Rm ≥ 600MPa，Rel ≥ 500MPa，磁性能=P1≤4tltl ( 17 ff/kg, B5000 .1.66T。
2.生產權利要求1所述的Rm≥00MPa的優良磁性能無取向電工鋼的方法，其步驟: 1)冶煉并連鑄成坯; 2)對連鑄坯加熱，溫度不低于1050°C，在爐時間不低于120分鐘； 3)進行熱軋軋制:控制粗軋終軋溫度不低于900°C，鋼板厚度不低于25mm;控制精軋終軋溫度不低于750°C，板厚不低于2.0mm ； 4)進行卷取，控制卷取溫度不低于700°C； 5)進行常化，控制常化爐均熱溫度不低于750°C，常化時間不少于1分鐘； 6)進行酸洗并冷軋:酸洗溫度60-100°C，酸洗時間2～5分鐘，采用一次冷軋法進行冷車L軋制道次為4～7，控制前3飛道次的總壓下率不低于80%，末道次壓下率不超過20% ； 7)進行連續退火，退火溫度不低于850°C，均熱時間不少于1分鐘，氣氛為常規的4+隊混合氣，N2/H2不超過0.5，氣體流量不低于200m3/min; 8)自然冷卻至室溫，待用。
【文檔編號】C21D8/12GK103498096SQ201310420802
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】石文敏, 馮大軍, 祝曉波, 杜光梁, 黨寧員, 駱忠漢, 毛炯輝 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司