CN101492791A - 可大线能量焊接的电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

可大线能量焊接的电磁钢板及其制造方法 Download PDF

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本发明提供一种电磁钢板及其制造方法。该电磁钢板包含(重量百分比)C:0.035%~0.075%,Si:≤0.40%,Mn:1.10%~1.50%,P:≤0.015%,S:≤0.005%,Als:0.040%~0.070%,Cu:0.05%~0.45%,Ni:0.10~0.50%,Cr:0.05%~0.30%,Ti:0.006%~0.012%,Nb≤0.003%、V≤0.003%,N:≤0.0040%,Ca:0.001%~0.006%,其余为铁和夹杂。本发明通过成分控制、优化再结晶控轧及后续热处理工艺,获得具有优异力学性能、电磁性能和焊接性的电磁钢板,可用于高动态载荷的水轮发电机芯部磁轭圈。

Description

可太线能量ii—接—的虽磁银板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电磁钢板及其制造方法,具体地说,本发明涉及一种可大线能量 焊接的电磁钢板及其制造方法。
背景技术
电磁钢板最早出现在德国。德国蒂森钢铁股份公司分别于1981年和1999年在美 国申请专利(专利号4350525、 6287395),揭示了电磁钢板的发明过程,同时阐述了 电磁钢板中各合金元素的作用。这两个专利涉及的电磁钢板均采用高Si成分体系(Si 含量在1. 50%以上),导致电磁钢板0"及以下夏比冲击韧性不稳定,,钢板的焊接性也 较差,尤其不能承受大线能量焊接。
2001〜2006年宝钢申请的有关电磁钢板的专利有01126937.5、 02136192.4、 03116097.2、 200410017999. 7及200510027312. 2 (申请号),这些专利文献的主要设计 思想是:把中牌号无取向硅钢和50公斤级焊接结构的特性结合起来,通过合理的成分 及工艺设计,使钢板的电磁性能、力学性能较德国电磁钢板有大幅提高,钢板的焊接 性能也得到较大程度地改善,特别适合用作寒冷地区磁悬浮列车轨道梁上的侧面导向 板。然而,这些专利均采用高Si成分体系,导致钢板低温(一2(TC及以下)冲击功不稳 定,更不能承受大线能量焊接,尤其焊接接头抗疲劳性能较差,不能适用于高动态载 荷的水轮发电机芯部关键部件——磁轭圈。
用于制作发电机转子磁轭圈的电磁钢板是新型的结构功能材料,在发电机中不仅 要承受结构承载力、电磁感应力,而且必须具有高的磁感应强度、抗磁时效性,以提 高发电机机械能一一机械能、电能之间的转换效率,同时还应当具备优良的焊接性, 可釆用大线能量焊接,是一种高效、节能、绿色环保的高附加值产品。然而,电磁钢 板尤其电磁特厚钢板是厚板产品中难度最大的品种之一,因为该钢板不仅要求具有较 高的强度、高韧性和大线能量焊接性,而且还要具有高磁感应强度及抗磁时效性;其 次,力学性能和电磁性能在成分设计和工艺设计上相互冲突,很难调和,在提高钢板
力学性能和焊接性尤其大线能量焊接性的同时,必将导致电磁性能的恶化,反之,在提高钢板电磁性能的同时,必将导致力学性能和焊接性尤其大线能量焊接性的恶化。 如何平衡力学性能、大线能量焊接性及电磁性能是本产品最大的难点之一,也是关键 核心技术。
因此,本发明的目的在于提供一种具有优异的力学性能、电磁性能和焊接性的电 磁钢板,可承受大线能量焊接,尤其是焊接接头抗疲劳性能优良,特别适宜于用作高 动态载荷的水轮发电机芯部磁轭圈。
发明内容
本发明提供一种电磁钢板,其特征在于,包括以下质量百分比的组成:
c: 0. 0350/0〜0. 075%
Si: 《0, 40%
Mn: 1. 10%〜1. 50%
P: 《0. 015%
S: 《0. 005%
Als: 0. 040%〜0. 070%
Cu: 0. 05%〜0. 45%
Ni: 0. 10〜0. 50%
Cr: 0. 05%〜0. 30%
Ti: 0, 006%〜0, 012%
Nb: 《0. 003%
V: 《0. 003%
N: 《0. 0040%
Ca- 0. 001%〜0. 006%
其余为铁和不可避免的夹杂。
Nb与V之间的关系:Nb + V《0. 005%。
C、Mn当量之间的关系:20《Mn无因次当量/C《40,以保证电磁钢板同时具有优良的低温韧性、电磁性能及可大线能量焊接性能,其中Mn无因次当量二Mn + 0.73Ni + 0. 46 (Cu —2. 33Cu2) —0. 28Cr;
Ti与N之间的关系:Ti/N在2. 0〜4. 0之—间;
Als>10(Nt。tal — 0.292Ti),以确保钢板可承受大线能量焊接,HAZ低温韧性优良及 防止磁时效;
Cu与Ni之间的关系:Ni/Cu》l. 0; Ca与S之间的关系:Ca/S在1.00〜3.00之间;
所述电磁钢板的组织是均匀细小的等轴铁素体晶粒。
碳对电磁钢板的电磁性能、低温冲击韧性及焊接性影响很大,从改善电磁钢板的
电磁性能、低温冲击韧性及焊接性角度考虑,钢中C含量比较低为宜;但从电磁钢板 的强度考虑,更重要的从热轧过程和正火过程的显微组织控制角度来看,C含量不宜 过低,过低C含量导致奥氏体晶界迁移率高,这给热轧和正火的均匀细化组织带来较
大问题,易形成混晶组织,同时过低c含量还造成晶界结合力降低,导致电磁钢板低 温冲击韧性低下、焊接热影响区低温冲击韧性劣化。综合以上的因素,c含量范围选
择0. 035%〜0. 075%。
Si可促进钢水脱氧并能够提高钢板强度,但对采用Al脱氧的钢水,Si的脱氧作 用不大。同时,Si虽然能够提高钢板的强度,但会严重损害电磁钢板的低温韧性和焊 接性,尤其在大线能量焊接条件下,Si不仅促进M—A岛形成,而且形成的M—A岛尺 寸大、分布不均匀,严重损害焊接热影响区(HAZ)的韧性和抗疲劳性能。因此,钢中的 Si含量应尽可能控制得低,考虑到炼钢过程的经济性和可操作性,Si含量范围选择《 0. 40%。
Mn作为合金元素,在电磁钢板中除提高强度和改善韧性外,还具有扩大奥氏体相 区,降低Ac,、 Ac3、 An、 An点温度,细化铁素体晶粒的作用。但是加入过多量Mn会 降低电磁钢板的电磁性能,提高电磁钢板的淬硬性,影响电磁钢板大线能量焊接性, 而小线能量焊接时,易形成脆硬组织如马氏体、贝氏体。综合考虑上述因素,Mn含量 范围选择1. 10%〜1. 50%。
P作为钢中有害夹杂,对电磁钢板的电磁性能、机械性能、尤其低温冲击韧性和
焊接性具有巨大的损害作用,理论上要求越低越好,但考虑到炼钢条件、炼钢成本和
7炼钢厂的物流顺畅,P含量范围选择《0.015呢。
S作为钢中有害夹杂,对电磁钢板的电磁性能具有很大的损害作用,更重要的是S 在钢中与Mn结合,形成MnS夹杂物,在热—轧过程一中—,MnS的瓦塑胜使為S沿轧f^i伸,-形成沿轧向MnS夹杂物带,严重损害电磁钢板的横向冲击韧性、Z向性能和焊接性, 同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素,理论上要求越低越好,但考虑到炼钢 条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅原则,S含量范围选择《0.005呢。
作为奥氏体稳定化元素,加入少量Cu可同时提高电磁钢板强度、改善低温韧性而 不损害其焊接性,但由于Cu不是铁磁性元素,钢中加入Cu,将降低钢的磁通密度, 损害电磁钢板的电磁性能。若Cu含量超过0. 45%,在热轧和正火处理过程中,将发生 细小弥散的s-Cu沉淀(Cu在铁素体中固溶度约0.45y。左右),钉扎磁畴壁运动,进一步 降低钢的磁通密度,提高矫顽力,同时还可能造成铜脆;若01含量过少(<0.05%), 对提高强度无效,因此Cu含量范围选择0. 05%〜0. 45%。
作为铁素体稳定化元素,加入少量的&(《0.30%)可以在不损害电磁钢板的低温 韧性和焊接性条件下,提高其强度,因此要获得较高强度的电磁钢板,Cr合金化不可 或缺;但如果加入Cr含量过少(〈0.05。/c)),对提高强度无效。因此,Cr含量范围选择 0, 05%〜0. 30%。
Ni是唯一能够同时提高钢的强度、低温韧性及改善钢的焊接性的元素,同时Ni 还是铁磁性元素,Fe-Ni合金是一种性能优良的软磁材料,在铁基合金中加入Ni不但 不会降低材料的电磁性能,而且会进一步改善电磁性能,钢中加Ni还可以降低铜脆发 生,减轻热轧过程的开裂,提高电磁钢板耐大气腐蚀性。因此从理论上讲,钢中Ni 含量在一定范围内(<0.50°/。)越高越好,但Ni是一种很贵重的元素,从性能价格比考 虑,其含量范围选择0. 10%〜0. 50%。
N的控制范围与Ti的控制范围相对应,对于大线能量焊接电磁钢板,Ti/N在2. 0〜 4.0之间最佳。若N含量过低,生成TiN粒子数量少、尺寸大,不能起到改善钢的焊 接性的作用,反而对焊接性有害;若N含量过高,钢中自由[N]增加,尤其大线能量焊 接条件下热影响区(HAZ)自由[N]含量急剧增加,严重损害HAZ低温韧性,恶化钢的焊 接性。因此N含量范围选择《0.0040yo。
钢中加入微量Ti的目的是与钢中N结合,生成稳定性很高的TiN粒子,抑制焊接 HAZ区奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物,改善大线能量焊接HAZ的低温轫性。钢中添加的Ti含量要与钢中的N含量匹配,匹配的原则是TiN不能在液态钢水中析出而 必须在固相中析出。因此,TiN的析出温度必须确保低于1400°C,根据log[Ti][N]= —16192/T+4. 72可以确定Ti的加入量。若—工i含量过少丄<0.皿79^,形成Ti粒矛 数量不足,不足以抑制HAZ的奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物而改善大线能量焊 接HAZ的低温韧性;若Ti含量过多O0.012y。), TiN析出温度超过140(TC,在钢液凝 固过程中,可能液析出大尺寸TiN粒子,这种大尺寸TiN粒子不但不能抑制HAZ的奥 氏体晶粒长大,反而成为裂纹萌生的起始点。因此,Ti含量范围选择0. 006%〜0. 012%。 电磁钢板中的Als能够固定钢中的自由[N],防止形成铁的氮化物损害钢板的磁 性,防止自由[N]在温度和应力作用下产生严重磁时效,同时降低焊接热影响区(HAZ) 自由[N],改善大线能量焊接HAZ的低温冲击韧性作用。但钢中加入过量的Als不但会 降低钢板的磁感应强度,而且会在钢中形成大量弥散的针状八1203夹杂物,损害钢的电 磁性能、低温冲击韧性和焊接性。根据电磁钢板成分体系分析,Als含量范围选择 0. 040%〜0. 070%。
Nb、 V为强碳氮化物形成元素,与钢中C、 N结合形成Nb(C,N)和V(C,N)细小的粒 子,弥散分布在铁素体基体组织中,钉轧磁畴壁运动,严重恶化钢板的电磁性能。根 据电磁钢板成分体系经研究得出:电磁钢板钢中的Nb含量必须《0.003。/。、 V含量必须 《0. 003%且Nb + V《0. 005%才能稳定获得优良电磁性能。
对钢进行Ca处理, 一方面可以纯洁钢液,另一方面对钢中硫化物进行变性处理, 使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物,提高钢板的电磁性能、抑制S的热脆 性、提高软磁钢冲击韧性和Z向性能、改善电磁钢板冲击韧性的各向异性。Ca加入量 的多少,取决于钢中S含量的高低,Ca加入量过低,处理效果不大;Ca加入量过高, 形成Ca (O,S)尺寸过大,脆性也增大,可成为断裂裂纹起始点,降低钢的低温韧性, 同时还降低钢质纯净度、污染钢液。 一 般控制Ca含量按ESSP = (wt%Ca)[l-124(wt%0)]/1.25(wt%S),其中ESSP为硫化物夹杂形状控制指数,取值范 围0. 5〜5. 0之间为宜,因此Ca含量范围选择0. 001%〜0. 006%。
本发明还提供该电磁钢板的制造方法,包括以下步骤:冶炼、铸造、板坯加热、 普通轧制、再结晶控制轧制、正火处理。
所述铸造工艺采用连铸工艺,中间包浇注温度为1525"C〜155(TC。所述板坯加热温度为1050°C〜1150°C,板坯出炉后采用高压水除鳞。
所述普通轧制采用大轧制道次压下率进行快速连续轧制,确保形变金属发生动态/ 静态再结晶,细化奥氏体晶粒。
所述再结晶控制轧制的控轧开轧温度《87(TC ,轧制道次压下率》8%,再结晶区(》 800°0累计压下率》45%,终轧温度《850。C。
所述正火温度为880〜920°C;正火时间为1.0〜2.0min/ramX钢板厚度,钢板正火 出炉后,自然空冷到室温。
有益效果
本发明在关键技术路线和成分工艺设计上,综合了影响钢板力学性能、电磁性能 及大线能量焊接性的因素,创造性地采用低C一高Mn—低N—超微Ti处理低合金钢的 成分体系作为基础,适当提高钢中酸溶Als含量并控制范围、控制(无因次Mn当量/C) 比在20〜30之间、(Cu+Ni + Cr)合金化、Ca处理且Ca/S比在1. 00〜3. 00之间,优 化再结晶控轧及后续热处理工艺,获得优异的力学性能、电磁性能和焊接性,钢板可 承受大线能量焊接,尤其焊接接头抗疲劳性能优良,特别适宜于用作高动态载荷的水 轮发电机芯部磁轭圈;批量产品实物质量已远远超过德国同类产品的水平,打破德国 在电磁钢板上垄断地位。
随着我国国民经济发展,建设节约型和谐社会的要求,发展清洁能源一一水电已 摆到日事议程,目前我国水电工程建设方兴未艾,如三峡水力工程、长江上游逐级水 电开发及三江水电开发项目正在进行之中,水轮发电机关键部件一一芯部磁轭圈用电 磁特厚钢板具有广阔的市场前景;由于目前国际上仅有德国蒂森钢铁股份公司能够批 量生产电磁特厚钢板,因此电磁特厚钢板生产技术也具有高度垄断性和机密性。电磁 特厚钢板对于我国还属于一种全新的钢种,除宝钢以外,国内其它钢铁企业从未研究 和生产过。其大用量(35吨/台)和高价格必将成为许多大型钢铁企业争相研究开发对 象。目前宝钢生产的首批350吨电磁钢板已发往用户,用于制作世界单机容量最大的 韩国潮汐发电机组关键部件一一发电机芯部磁轭圈。
附图说明
图1表示本发明的电磁钢板的制造工序
图2表示本发明的软磁结构钢显微组织(X200)。具体实施方式
以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最 佳实施方式的描述,并不对本发明的范围有任何限制。
实施例成分见表l,制造工艺见表2,本发明与比较例的性能比较见表3。表l
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Claims (15)

1、一种电磁钢板,其特征在于,其质量百分比组成为: C: 0.035%~0.075% Si: ≤0.40% Mn: 1.10%~1.50% P: ≤0.015% S: ≤0.005% Als: 0.040%~0.070% Cu: 0.05%~0.45% Ni: 0.10~0.50% Cr: 0.05%~0.30% Ti: 0.006%~0.012% Nb: ≤0.003% V: ≤0.003% N: ≤0.0040% Ca: 0.001%~0.006% 其余为铁和不可避免的杂质。
2、 如权利要求l所述的电磁钢板,其特征在于,Nb + V《0.005%。
3、 如权利要求1所述的电磁钢板,其特征在于,Mn无因次当量二Mn+0.73Ni十 0. 46 (Cu—2. 33Cu2) —0. 28Cr。
4、 如权利要求l所述的电磁钢板,其特征在于,C、 Mn当量之间的关系:20《Mn 无因次当量/C《40。
5、 如权利要求1所述的电磁钢板,其特征在于,Ti与N之间的关系:Ti/N在2. 0〜 4. 0之间。
6、 如权利要求l所述的电磁钢板,其特征在于,Als》10(Nt。tal —0.292Ti)。
7、 如权利要求1所述的电磁钢板,其特征在于,Cu与Ni之间的关系:Ni/Cu》1.0。
8、 如权利要求1所述的电磁钢板,其特征在于,Ca与S之间的关系:Ca/S在1. 00〜 3. 00之间。
9、 如权利要求l所述的电磁钢板,其特征在于,其组织是均匀细小的等轴铁素体 晶粒。
10、 权利要求1所述电磁钢板的制造方法,包括以下步骤:冶炼、铸造、板坯加 热、普通轧制、再结晶控制轧制、正火处理,其特征在于,所述电磁钢板的质量百分 比组成为:C: 0. 035%〜0. 075%Si: 《0. 40%Mn: 1. 10%〜1. 50%P: 《0. 015%S: 《0. 005%Als: 0. 040%〜0. 070%Cu: 0. 05%〜0. 45%Ni: 0. 10〜0. 50%Cr: 0. 05%〜0. 30%Ti: 0. 006%〜0. 012%Nb: 《0. 003%v: 《0. 003%N: 《0. 0040% 0. 001%〜0. 006%其余为铁和不可避免的杂质。
11、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述铸造工艺采用连铸工艺,中间包浇注温度为1525°C〜1550°C。
12、 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述板坯加热温度为1050'C〜 115(TC,板坯出炉后采用高压水除鳞。
13、 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述普通轧制采用大轧制道次 压下率进行快速连续轧制。
14、 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述再结晶控制轧制的控轧开 轧温度《87(TC,轧制道次压下率>8%,再结晶区(》8001:)累计压下率>45%,终轧温 度《850。C。
15、 如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述正火温度为880〜92(TC; 正火时间为1.0〜2.0min/ramX钢板厚度,钢板正火出炉后,自然空冷到室温。
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