CN101490294A - 高强度无方向性电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明在不牺牲发动机芯的冲切加工和钢板制造中的成品率或生产率的情况下，提供一种屈服强度优良的无方向性电磁钢板作为高速旋转电动机用的铁心材料。在无方向性电磁钢板中，以质量％计含有C：0.01％～0.05％、Si：2.0％～4.0％、Mn：0.05％～0.5％、Al：3.0％以下、Nb： 0.01％～0.05％、优选含有Ni：0.5％～3.0％，剩余部分包括Fe和不可避免的杂质，Mn和C的含量以质量％计满足Mn≤0.6－10×C，再结晶部分的面积率为50％以上，拉伸试验中的屈服强度为650MPa以上，同时，制品板截面的平均结晶粒径为40μm以下，制造过程中使用的热轧板的冲击试验中的转变温度为70℃以下。

Description

高强度无方向性电磁钢板
技术领域
本发明涉及作为电动汽车用或混合动力汽车用的发动机、或电气设备用的发动机的铁心材料使用的高强度无方向性电磁钢板。
背景技术
近年来，由于世界性的电气设备的节能化要求的提高，对作为旋转机械的铁心材料使用的无方向性电磁钢板也要求更高性能的特性。
特别在最近，在电动汽车或混合动力汽车等中，对小型高输出发动机的需求增强，因而进行了通过使发动机转速高速化来取得发动机扭矩的设计。
迄今为止，高速旋转发动机以机床或吸尘器用发动机为代表，但上述的汽车用发动机的外形比这些以往的发动机大，进而由于采用被称之为DC无刷发动机的在转子外周部附近埋入了磁铁的结构，所以转子外周部的桥部(转子最外周～磁铁之间)的钢板宽度由于场所的不同而变得非常窄，为1～2mm，因此，要求有比以往更高强度的无方向性电磁钢板。
一般地说，钢的强度通过添加元素而提高。在无方向性电磁钢板中，为了降低铁损而添加的Si或Al等元素使得附带地享有了上述效果。另外，一般还知道通过使钢的结晶粒径变细可获得高强度。
作为利用这些技术的例子，例如在特开昭62-256917号公报中，提出了除Si之外添加Mn或Ni，由此实现固溶体强化而对钢进行高强度化的方法。在该方法中，通过使铁和原子大小不同的置换型元素在基体中固溶而使铁晶格变形，由此增大钢的变形阻力，但是该方法尽管可增加强度，但同时韧性下降，存在着冲切加工性和成品率或生产率恶化的问题。
另外，在特开平06-330255号公报和特开平10-18005号公报中，提出了使Nb、Zr、Ti、V的碳氮化物分散于钢中，通过抑制晶粒生长来实现高强度化的方法。在这些方法中，由于分散的碳氮化物本身有可能成为裂纹或断裂的起点，所以结晶粒径即使能够微细化，韧性还是下降，存在着在冲切加工后的发动机芯上产生裂纹、或进而在钢板制造中产生裂纹或断裂，从而使成品率或生产率显著恶化的问题。
发明内容
本发明在不牺牲发动机芯的冲切加工和钢板制造中的成品率或生产率的情况下，提供一种强度优良的无方向性电磁钢板作为高速旋转发动机用铁心材料。
用于解决上述课题的本发明以下述记载的无方向性电磁钢板为要旨。
(1)一种无方向性电磁钢板，其特征在于：以质量％计含有C：0.01％～0.05％、Si：2.0％～4.0％、Mn：0.05％～0.5％、Al：3.0％以下、Nb：0.01％～0.05％，剩余部分包括Fe和不可避免的杂质，其中，Mn和C的含量以质量％计满足Mn≤0.6-10×C，而且钢板的再结晶部分的面积率为50％以上，拉伸试验中的屈服强度为650MPa以上，断裂伸长率为10％以上，铁损W10/400为70W/kg以下。
(2)根据(1)所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，以质量％计进一步含有Ni：3.0％以下。
(3)根据(1)或(2)所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，钢板截面的平均结晶粒径为40μm以下。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，所述无方向性电磁钢板是使用冲击试验中的转变温度为70℃以下的热轧板，然后采用包括热轧板退火、酸洗、冷轧、最终退火的工序而制造的。
(5)根据(1)～(3)中任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，所述无方向性电磁钢板是使用冲击试验中的转变温度为70℃以下的热轧板，然后省略热轧板退火，采用包括酸洗、冷轧、最终退火的工序而制造的。
根据以上的本发明，能够在不牺牲发动机芯或钢板制造时的成品率或生产率的情况下，以低成本提供一种强度优良的无方向性电磁钢板。
具体实施方式
本发明人就通过钢的强化元素的添加，不仅提高磁特性和强度，而且也改善发动机芯或钢板制造时的成品率或生产率的方法进行了研究。
所谓生产率的改善是指抑制发动机芯冲切和钢板制造时发生的裂纹或断裂。高强度化的钢板由于本来就脆，所以例如在发动机芯的冲切时，有可能在钢板端面上产生龟裂，或在酸洗或冷轧的钢板制造工序中发生裂纹或断裂，从而使成品率或生产率显著恶化。
于是，本发明人就最终退火后的电磁钢板(以下有时也称之为制品板)和热轧板的韧性进行了详细的研究。而且获得了如下的见解：通过规定Mn和C的含量、以及制品板的断裂伸长率和热轧板的冲击特性等，可以显著改善钢板制造工序和发动机芯的冲切工序中的成品率或生产率，从而完成了本发明。
以下，对上述的本发明依次进行说明。
首先，就本发明的无方向性电磁钢板的成分组成的限定理由进行说明。此外，元素的含量的％是指质量％。
C是碳化物的生成所必需的元素。微细的碳化物可增加再结晶时的晶核生成位点，进而抑制再结晶晶粒的生长，使晶粒微细化，从而具有使钢高强度化的效果。为了充分享有这样的效果，必须含有0.01％以上的C。另外，当添加量超过0.05％时，则效果饱和，并且铁损恶化，所以将0.05％设定为上限。
Si是对增加钢的电阻率有效、同时是对固溶体强化有效的元素，但如果过度添加，则冷轧性显著恶化，所以将4.0％设定为添加量的上限。另外，从固溶体强化和低铁损的角度考虑，将下限设定为2.0％。
Al是和Si同样对增加电阻率有效的元素，但如果添加量超过3.0％，则铸造性恶化，所以考虑到生产率，将3.0％设定为上限。对于下限并不特别限定，但从脱氧的稳定化(防止铸造中的喷嘴堵塞)的角度考虑，在Al脱氧的情况下优选为0.02％以上，在Si脱氧的情况下优选为低于0.01％。
Nb是用于生成碳化物、使结晶粒径微细化所必需的元素。添加量低于0.01％时，不能期待充分的碳化物析出，所以将0.01％设定为下限。另外，即使添加量超过0.05％，效果也达到饱和，所以将上限设定为0.05％。
Ni是不太会使钢板脆化而能够使其高强度化的有效元素。但是，由于价格昂贵，所以添加与所需强度相应的量。在添加时，作为可充分获得其效果的添加量，优选为0.5％以上。考虑到成本，上限设定为3.0％。
Mn和Si同样，是对增加电阻率有效、且对固溶体强化有效的元素，但如后所述，在有效利用碳化物的本发明的钢板中，Mn量的增加由于显著地影响钢板的韧性，所以有必要限制其含量。
即，本发明人为了改善发动机芯的冲切加工和钢板制造中的成品率或生产率，Mn和C的关系很重要，在与C量的关系上，新发现了有必要将Mn量设定为(0.6-10×C)以下。
其理由未必明确，但本发明人考虑如下。
当Mn量多时，则MnS从高温开始析出，因而产生粗大化，另一方面，当Mn量少时，则MnS在更低的温度下析出，因而产生微细化。NbC往往与MnS复合析出，所以NbC的析出状态强烈地受到MnS的影响。也就是说，当Mn量多时，则NbC因粗大而分散稀疏，当Mn量少时，则因微细而分散密集。可以认为钢板的结晶粒径微细者韧性优良，但在碳化物分散稀疏的情况下，晶粒生长的抑制力较弱，晶粒生长得到促进，钢板的韧性下降。进而可以认为，如果析出物粗大，则冲击时应力集中在析出物周围，从而韧性下降。另外，碳化物的大小或分散也受到C量的影响，如果C量多，则碳化物从高温开始析出，因而粗大而分散稀疏，如果C量少，则在低温下析出，因而微细而分散密集。
根据以上的结果可以获得如下的见解：钢板的韧性可以利用对MnS的析出形态产生影响的Mn量、和对碳化物本身的析出产生影响的C量的关系来调整，作为其关系式，发现以质量％计为Mn≤0.6-10×C。
因此，有关Mn量，从上述的C的下限规定值、Mn和C量的规定式出发，将0.5％作为上限值，但从钢板的韧性的角度考虑，更优选为0.2％以下。有关下限，考虑到制钢时的脱Mn处理的成本，设定为0.05％以上。
下面就本发明的无方向性电磁钢板的其它数值限定的限定理由进行说明。
从获得稳定的材质强度的角度考虑，制品板的再结晶部分的面积比率规定为50％以上。当降低最终退火的退火温度、或者缩短退火时间，从而使再结晶部分的面积比率下降到低于50％时，尽管会残存源于冷轧组织的回复组织而获得高强度，但是，由最终退火的温度或时间的稍微变化所引起的强度变化较大，从而对于保证规定的强度是不适合的。
有关制品板的拉伸试验中的屈服强度，考虑到高速旋转的转子的破坏极限，规定为650MPa以上。更优选为700MPa以上。有关这里规定的屈服应力，设定为上屈服点的值。此外，拉伸试验片设定为压延方向，形状是基于JIS的形状。
另外，有关断裂伸长率，当低于10％时，冲切加工时在钢板端面附近产生裂纹，应力集中导致断裂，所以规定为10％以上。为了获得该10％以上的断裂伸长率，还有必要将制品板的再结晶率设定为50％以上。其理由是，再结晶率低于50％时，由于未再结晶部所残存的加工变形，使得断裂伸长率显著下降。
有关制品板的铁损，以W10/400(在400Hz下励磁到1.0T时的铁损)计规定为70W/kg以下。这是因为：如果超过70W/kg，则转子的发热增大，转子中装入的磁铁的去磁所产生的发动机输出下降。更优选为50W/kg以下。
有关制品板截面的平均结晶粒径，通过设定为40μm以下的细粒，能够获得更高的屈服强度和断裂伸长率，所以规定为40μm以下。
在本发明中，为了进一步提高生产率，在制造电磁钢板的过程中，更优选使用冲击试验中的转变温度为70℃以下的热轧板。
对于在电磁钢板的热轧后的制造或发动机芯的冲切等过程中产生了裂纹或断裂的情况来说，热轧板的转变温度较高，其热轧后的制造工序本身处于钢板的脆性区域。本发明人基于这样的考虑，调整制造条件而降低热轧板的转变温度，热轧后，使其在延展性区域进行制造，结果发现不会发生裂纹或断裂。
然后，在酸洗、冷轧、最终退火的各个制造工序中，由于可以确保70℃的钢板温度，所以当热轧板的转变温度低于该温度时，则在热轧以后的各个制造工序中不会有产生裂纹或断裂的问题，因此，将热轧板的转变温度的上限规定为70℃。当然，为了更稳定地进行通板，转变温度优选为更低。
这里规定的所谓转变温度，正如JIS所规定的那样，是指在表示试验温度和塑性断口率的关系的转移曲线中，可以采用内插法求得的塑性断口率为50％时的温度。或者也可以是采用内插法求得的塑性断口率为0％和100％时的吸收能量的平均值下的温度。
另外，试验片以JIS规定的尺寸为基础，有关试验片的宽度，设定为热轧板的厚度。因此，作为尺寸，在压延方向上长度为55mm，高度为10mm，宽度与热轧板的厚度相对应，为1.5～3.0mm左右。进而在试验时，优选将多个试验片重叠，使其接近于实物尺寸试验片的厚度即10mm。
本发明的无方向性电磁钢板可以采用包括炼钢、热轧(或者热轧、热轧板退火)、酸洗、冷轧、最终退火的通常的工序来制造，关于此时的制造条件，也没有必要设定为特别的条件，例如，只要是热轧的板坯加热温度为1000～1200℃、最终温度为800～1000℃、卷取温度为700℃以下的标准条件即可。特别地，当将热轧板冲击试验温度的转移温度设定为70℃以下时，抑制热轧板的再结晶和C的偏析是很重要的，优选将卷取温度设定为600℃以下，更优选设定为550℃以下。
有关热轧板的厚度，厚度较薄者有利于防止酸洗或冷轧中通板时的裂纹或断裂，可以考虑热轧板的韧性和生产效率等后调整为适宜的厚度。另外，有关热轧板退火，可以在考虑热轧板的韧性、最终退火时的晶粒生长、机械特性或磁特性后决定是否实施。
有关最终退火，由于制品板的结晶粒径决定机械特性或铁损，因此可以根据需要的特性来调整适宜的条件。特别是为了将平均结晶粒径设定为40μm以下，并且将再结晶部分的面积比率设定为50％以上，最终退火优选在退火温度为790℃～900℃、退火时间为10～60秒的条件下进行。
正如以上所说明的那样，本发明将电磁钢板的化学组成设定成以质量％计，含有C：0.01％～0.05％、Si：2.0％～4.0％、Mn：0.05％～0.5％、Al：3.0％以下、Nb：0.01％～0.05％，或者进一步含有Ni：优选为0.5％～3.0％，剩余部分包括Fe和不可避免的杂质，Mn和C的含量以质量％计满足Mn≤0.6-10×C，而且最终退火后的电磁钢板的再结晶部分的面积比率设定为50％以上，拉伸试验中的屈服强度设定为650MPa以上，断裂伸长率设定为10％以上，铁损W10/400设定为70W/kg以下，进一步优选将钢板截面的平均结晶粒径设定为40μm以下，同时在制造电磁钢板时，使用冲击试验中的转变温度为70℃以下的热轧板，从而能够在不牺牲发动机芯或钢板制造时的成品率或生产率的情况下，以低成本提供一种强度优良的无方向性电磁钢板。
以下，使用实施例就本发明的实施可能性和效果进行进一步的说明。
此外，实施例中使用的条件是用于其确认的一个条件例，本发明并不限定于该实例。只要不脱离本发明而能够实现本发明的目的，本发明就可以采用各种条件。
实施例
(实施例1)
在实验室的真空熔炼炉中制作表1所示成分的钢坯，在1100℃下加热60分钟后，立即进行热轧使板厚成为2.0mm，在900℃进行1分钟的热轧板退火后实施酸洗，用一次冷轧使板厚成为0.35mm。对如此得到的冷轧板在790℃实施30秒钟的最终退火。如表1所示，满足本发明的条件的试样A2、A5、A7、A8、A11可以得到屈服强度为650MPa以上、且断裂伸长率为10％以上的良好特性。另外，在这些试样中，再结晶部分的面积比率为50％以上。此外，对于不满足本发明的条件的试样A1、A4、A10，屈服强度低于650MPa，试样A6的断裂伸长率低于10％，试样A3、A12的铁损超过70W/kg而不满足基准。
表1
Figure A200780026601D00101
(实施例2)
在实验室的真空熔炼炉中制作以质量％计，含有C：0.032％、Si：3.0％、Mn：0.12％～1.00％、Al：0.3％、Nb：0.035％的钢坯。在1100℃下对上述钢坯加热60分钟后，立即进行热轧使板厚成为2.0mm，实施酸洗，用一次冷轧使板厚成为0.50mm。对如此得到的冷轧板在800℃实施30秒钟的最终退火。如表2所示，所有试样均良好，其屈服强度为650MPa以上，铁损为70W/kg以下，而满足本发明条件的试样B1～B3可以获得断裂伸长率为10％以上且热轧板的转变温度为70℃以下的良好的韧性，另外，再结晶部分的面积比率也为50％以上。此外，不满足本发明的条件的试样B4的断裂伸长率低于10％，试样B5～B8的断裂伸长率低于10％且热轧板的转变温度超过70℃。
表2
Figure A200780026601D00111
(实施例3)
在实验室的真空熔炼炉中制作以质量％计，含有C：0.005～0.095％、Si：2.7％、Mn：0.24％、Al：0.6％、Nb：0.045％的钢坯。在1120℃下对上述钢坯加热60分钟后，立即进行热轧使板厚成为1.8mm，实施酸洗，用一次冷轧使板厚成为0.35mm。对如此得到的冷轧板在820℃实施30秒钟的最终退火。如表3所示，所有试样的屈服强度为650MPa以上，而满足本发明条件的试样C1～C4可以获得断裂伸长率为10％以上且热轧板的转变温度为70℃以下的良好的韧性。另外，这些试样的再结晶部分的面积比率为50％以上。此外，不满足本发明条件的试样C5的断裂伸长率低于10％，试样C6～C8的断裂伸长率低于10％且热轧板的转变温度超过70℃。
表3
Figure A200780026601D00121
(实施例4)
在实验室的真空熔炼炉中制作以质量％计，含有C：0.021％、Si：3.5％、Mn：0.18％、Al：0.03％、Nb：0.025％、Ni：0.01～2.7％的钢坯，在1120℃下对上述钢坯加热60分钟后，立即进行热轧使板厚成为1.8mm，实施酸洗，用一次冷轧使板厚成为0.35mm。对如此得到的冷轧板在830℃实施30秒钟的最终退火。如表4所示，所有试样均良好，其屈服强度为650MPa以上，断裂伸长率为10％以上，铁损为70W/kg以下，热轧板的转变温度为70℃以下，再结晶部分的面积比率也为50％以上，特别是添加了0.5％以上Ni的试样D4～D10可以获得非常高的屈服应力。
表4
Figure A200780026601D00131
                             ○满足条件的试样
                             ◎得到了特别高的屈服应力的试样
(实施例5)
在实验室的真空熔炼炉中制作以质量％计，含有C：0.024％、Si：2.8％、Mn：0.17％、Al：0.8％、Nb：0.028％的钢坯。在1120℃下对上述钢坯加热60分钟后，立即进行热轧使板厚成为1.8mm，实施酸洗，用一次冷轧使板厚成为0.35mm。对如此得到的冷轧板在700℃至900℃的不同温度下实施30秒钟的最终退火。如表5所示，再结晶部分的面积比率较低的E1以外的所有试样均具有屈服强度为650MPa以上、断裂伸长率为10％以上、铁损为70W/kg以下的良好特性，特别是平均结晶粒径低于40μm、且再结晶部分的面积比率为50％以上的试样E2～E4可以获得非常高的屈服应力，而且断裂伸长率也特别良好。
表5
 
试样 平均结晶粒径(μm)        再结晶的面积比率(％)     制品板的屈服应力(MPa)    断裂伸长率(％)       W10/400(W/kg)  备注
E1 未测 20 753 5 70 ×
E2 未测 60 692 23 50 ◎
E3 21 100 689 22 48 ◎
E4 38 100 689 21 46 ◎
E5 46 100 659 17 42 ○
E6 65 100 655 13 39 ○
            ×不满足条件的试样(再结晶的面积比率不足)
            ○满足条件的试样
            ◎得到了特别高的屈服应力的试样
本发明由于能够在不牺牲发动机芯的冲切加工和钢板制造中的成品率或生产率的情况下，提供一种作为汽车或电气设备等中使用的高速旋转发动机的铁心材料最适合的屈服强度优良的无方向性电磁钢板，所以具有在大的产业上加以利用的可能性。

Claims (5)

1、一种无方向性电磁钢板，其特征在于：以质量％计含有C：0.01％～0.05％、Si：2.0％～4.0％、Mn：0.05％～0.5％、Al：3.0％以下、Nb：0.01％～0.05％，剩余部分包括Fe和不可避免的杂质，其中，Mn和C的含量以质量％计满足Mn≤0.6-10×C，而且钢板的再结晶部分的面积率为50％以上，拉伸试验中的屈服强度为650MPa以上，断裂伸长率为10％以上，铁损W10/400为70W/kg以下。
2、根据权利要求1所述的无方向性电磁钢板，其特征在于：以质量％计进一步含有Ni：3.0％以下。
3、根据权利要求1或2所述的无方向性电磁钢板，其特征在于：钢板截面的平均结晶粒径为40μm以下。
4、根据权利要求1～3中任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于：所述无方向性电磁钢板是使用冲击试验中的转变温度为70℃以下的热轧板，然后采用包括热轧板退火、酸洗、冷轧、最终退火的工序而制造的。
5、根据权利要求1～3中任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于：所述无方向性电磁钢板是使用冲击试验中的转变温度为70℃以下的热轧板，然后省略热轧板退火，采用包括酸洗、冷轧、最终退火的工序而制造的。
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