CN101876028B - 变频电机用无取向电工钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变频电机用无取向电工钢及生产方法。其解决目前强度高但韧性差，不能满足变频电机需要且工艺复杂等不足。措施：其化学组分及wt％为：C：0.001～0.015％，Mn：0.3～0.9％，Cr：0.4～1.6％，Al：0.1～1.2％，Si：0.9～1.6％，P≤0.08％，S≤0.015％，N≤0.008％，其余为Fe及残余；并满足：Si+Al之和的wt％在1.4～2.2％，Cr+Mn之和的wt％在0.7～2.5％，Cr/Mn在0.9～2.0；其方法：洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；对坯加热；粗轧；精轧，控制其前4道次的累计压下率为80～95％；卷取；自然冷却至室温；酸洗；冷轧；脱碳；均热；按常规进行冷却、涂层及精整。本发明工艺简单、低频和工频铁损低、高频铁损较低、磁感较高、耐蚀性和冲片性好。

Description

变频电机用无取向电工钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及无取向电工钢及生产方法，具体属于变频电机用无取向电工钢及其生产方法，其主要用于制造冰箱空调压缩机、伺服控制电机等变频电机铁芯。

背景技术

随着电气技术的发展，要求电机在低起动电流(励磁电流小)下的起动转矩高，但对于普通感应电机，高起动转矩与低起动电流是矛盾的，根据电机原理，低起动电流时起动转矩小，难以起动。变频技术可以解决这对矛盾，低起动电流下需要高起动转矩时可以提高磁化频率。另外变频技术的优势就是可以根据负载的需要来调整输入电流的大小以达到节能的目的。但目前普通无取向电工钢制造的铁芯难以适合变频电机使用。因为变频电机工作的磁化频率范围宽，基频工作点与工频(50Hz)有差别，要求无取向电工钢具有：

(1)良好的低场磁性能和高场磁性能

低起动电流所产生的气隙磁场小，起动转矩低，起动性能差。要得到高起动转矩有两条途径：一是通过变频技术增大起动时的磁化频率，二是提高硅钢铁芯材料的低场磁性。高场磁性能好能提高铁芯的抗饱和能力。

(2)低的低频铁损P_{10/1Hz～10Hz}(即低的磁滞损耗Ph)和高频铁损

电机有起、停和低速运行状态，要求在低频甚至直流状态下工作，因此硅钢铁芯材料的磁滞损耗Ph越低越好。提高磁化频率是提高电机效率的有效途径。但频率的提高会使电机的损耗成频率的指数式增大，从而提高电机的温升和降低电机的效率。所以要求硅钢片的高频铁损低以保证电机的较小温升和高效率。

(3)高磁导率、不同方向的导磁一致性良好

低起动电流要求容易磁化、磁导率高。导磁一致性良好可降低电机工作中的旋转损耗。

(4)磁化曲线中的线性段范围宽、线性度高

磁化曲线中的线性段范围宽、线性度高可改善变频电机的控制性能并且降低因非线性磁化所引起的谐波损耗。

(5)冲片加工性好、表面粗糙度低、皮膜薄、耐温、绝缘效果好

变频电机的优势之一就是小型轻量化，而体积小、重量轻要求减小叠片时的片间间隙和铁芯内的气隙、增大叠片系数和铁芯中铁的有效含量，这要求其加工性好(毛刺小)、表面粗糙度低、皮膜薄，并且要求皮膜的绝缘效果好、能耐温，否则由于电机的温升破坏了叠片间的绝缘而使铁芯的涡流损耗急剧增大而导致电机被烧毁。

但目前的普通无取向电工钢只适应于工频(50Hz)磁化，只是将B₂₅₀₀或B₅₀₀₀和P_1.0/50或P_1.5/50工频磁性作为主要指标而提出明确的要求，对于上述性能没有提出要求。实际上工频磁性较好的硅钢其高频磁性能及低场和高场磁性不一定好。另外，磁性能各指标之间、磁性与机械性能之间存在相互矛盾的问题：磁感高的硅钢一般是铁损较高、强度较低，低铁损硅钢的磁感也较低、强度虽然高但韧性差。显然，这都不能满足变频电机的需要，难以发挥变频技术的优势和特点。因此，变频技术的发展迫切需要开发适合于变频电机用无取向电工钢。

传统的普通无取向电工钢中高牌号的生产工艺中要经常化炉进行常化，其不足是工艺程序复杂，工序能耗较高，生产效率偏低，成材率不高，从而导致生产成本增加。因此，在生产中如果通过成分的调整，能缩短工艺流程、取消常化工艺生产出无取向电工钢中高牌号，那么，对节能降耗、提高生产效率、降低成本具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种冶炼轧制工艺简单、性能好、低频和工频铁损低、高频铁损较低、磁感较高、耐蚀性和冲片性好的变频电机用无取向硅钢及其生产方法。

实现上述目的的技术措施：

变频电机用无取向电工钢，其化学组分及重量百分比为：C：0.001～0.015％，Mn：0.3～0.9％，Cr：0.4～1.6％，Al：0.1～1.2％，Si：0.9～1.6％，P≤0.08％，S≤0.015％，N≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质；同时要满足：Si与Al之和的重量百分比在1.4～2.2％，Cr与Mn之和的重量百分比在0.7～2.5％，Cr/Mn在0.9～2.0。

生产权变频电机用无取向电工钢的方法，其步骤：

1)采用洁净钢的冶炼工艺进行冶炼，并连铸成坯；

2)将连铸成坯加热到950～1300℃，控制其在炉时间：1.5～3个小时；

3)进行粗轧，控制其出口温度为800～1050℃，其累计压下率控制为90～95％；

4)进行精轧，控制其前4道次的累计压下率为80～95％，轧制温度控制在700～900℃；

5)进行卷取，其卷取温度控制在600～800℃；

6)自然冷却至室温；

7)进行酸洗，酸洗液温度控制在70～100℃，并采用水冷却至≤30℃，酸洗时间为1～5分钟；

8)进行冷轧，根据用户对钢板厚度要求控制各道次压下率；

9)进行脱碳，脱碳温度控制在750～950℃，通板速度为50～120米/分钟，露点温度控制在0～60℃；

10)进行均热，均热温度控制在750～950℃，通板速度为50～120米/分钟，在H₂和N₂混合气或全H₂气氛中进行；

11)按常规进行冷却、涂层及精整。

各元素在本发明中的作用及机理

本发明从Si、Al、Cr、Mn等元素的物理性能出发，通过研究Cr、Mn元素对磁性的贡献及对硅钢组织结构的影响、(Si+Al)与(Cr+Mn)的物理冶金贡献、(Cr+Mn)的复合作用，采取以(Cr+Mn)替代部分(Si+Al)作用的新颖思路，从而开发并生产出在中(Si+Al)％添加一定量的Cr并适当搭配Mn％、冶炼轧制工艺性能好、低生产成本、低频和工频铁损低、高频铁损较低、磁感较高、耐蚀性和冲片性好的变频电机用无取向硅钢。

低场磁性的提高要求加入降低磁各向异性和磁致伸缩的元素(提高Si％)，降低高频铁损的主要靠加入能显著提高材料电阻率的元素(提高Si％和Al％)。Cr、Mn虽然能提高电阻率、降低涡流损耗但幅度没有Si、Al明显，因此，(Cr+Mn)只能起到替代部分(Si+Al)的作用，需要根据铁损与磁感的平衡和匹配来选取Si、Al和Cr、Mn的最佳平衡点。另外，以(Cr+Mn)替代部分(Si+Al)的作用一方面可改善冶炼工艺性能和轧制工艺性能，能降低对热轧过程温度和成品退火工艺参数的敏感性，使工艺参数选择范围扩大、工艺稳定性好，工艺适应能力强、磁性能波动范围小，可改善热轧板组织并可取消常化工艺而降低生产成本；另一方面，加Cr后使耐蚀防锈能力增强，屈强比提高、冲片性能得到改善。

①Cr对物理冶金的贡献

Cr对临界点A₃有特殊的影响，当＜7.0Cr％含量时，随Cr含量增加，A₃点下降，Cr含量增至7.0％时，A₃点降至最低点830℃，Cr含量再增加时，A₃点却急剧升高。Cr能提高电阻率、降低使涡流损耗降低(涡流损失的降低有利于高频磁性能)。Cr能起固溶强化作用，可改善机械性能(提高强度、改善韧性)。加Cr使钢液凝固时产生明显的枝晶，而枝晶易被打碎作为新的形核质点，因而提高形核率、促进等轴晶发达、防止柱状晶严重而导致的表面缺陷。

②(Cr+Mn)对本征磁性的贡献

(Cr+Mn)复合作用能提高电阻率、降低涡流损耗；另外，Cr％低时，磁性转变温度(居里温度T_C)随Cr％的增加而稍增，超过5％Cr后，T_C随Cr％的增加而降低，因此少量Cr加入到钢中能使T_C升高，由公式Ms²≈3N²μ_B ²(1-T/T_C)可知，T_C升高有利于饱和磁化强度M_S的提高，Ms不降低也不会降低Bs。Mn也有Mn％较低时不降低Ms的规律。而Si、Al则不同，剧烈地降低Ms和Bs。

③(Cr+Mn)对物理冶金的贡献

硅钢属高层错能材料，扩展位错窄，位错交滑移容易，因而有利于发生回复，亚晶组织中的位错密度降低，储存能下降，再结晶难。加入(Cr+Mn)后，层错能降低，扩展位错加宽，位错从位错网中解脱出来的阻力加大，难以通过交滑移和攀移而相互抵消，因而亚组织回复慢，当储能积累到足够高后，位错组态不稳定，会发生再结晶。

④(Cr+Mn)对工艺性能的贡献

以(Cr+Mn)替代部分(Si+Al)，降低钢中(Si+Al)％，减少SiO₂、Al₂O₃的生成，从而改善钢液流动性，防止出口堵塞、粘壁及夹杂的产生，降低浇注时结瘤及表面结疤的程度。因此改善冶炼工艺性能。

(Cr+Mn)降低层错能，热轧时位错交滑移难、动态回复过程被延迟，亚组织回复慢，位错密度高，形变储能增大，形变诱导析出作用被强化，这一方面促进第二相质点的析出、聚集、长大和粗化，使第二相质点重新固溶后再弥散析出的机会被大大削弱，有利于改善热轧和成品退火组织；另一方面为再结晶的发生积蓄了储能和动力，使动态再结晶能力增强。因此，Cr、Mn硅钢的动态再结晶组织发达，粗轧温度、精轧温度及卷取温度等工艺参数选择范围广、热轧工艺适应能力强，工艺稳定性好。

Cr、Mn硅钢热轧后冷却时由于层错能的降低，位错交滑移阻力大，静态回复延迟，形变储能高，如果较高温度卷取，则发生较为充分的静态再结晶。静态再结晶后又由于位错交滑移阻力大、回复的延迟使晶内残存储能而容易发生晶粒的长大。因此，Cr、Mn硅钢热轧态的再结晶晶粒组织发达，再结晶区域的面积大、形变组织区域的面积和部分再结晶区域很小、形变晶粒少、轴晶比例越高且晶粒尺寸较大；(Cr+Mn)替代部分(Si+Al)有利于改善热轧板组织并可取消常化工艺而降低生产成本。

(Si+Al)由于原子半径与Fe的差异大而产生严重的晶格畸变，位错运动阻力增大，促使位错缠结成位错墙并细化形变胞状组织，因而产生剧烈加工硬化使强度σ提高、延伸率δ下降。而(Cr+Mn)由于原子半径与Fe的差异小、所产生的晶格畸变较小，对位错在某个滑移面上的滑移阻力没有(Si+Al)强，位错缠结不明显，不易形成位错胞状组织，加工硬化没有(Si+Al)严重，因此(Cr+Mn)替代部分(Si+Al)可改善轧制工艺性能，Cr、Mn硅钢冷轧板厚度均匀、板形好，特别是轧到更薄时(0.35mm以下)能表现出良好的板形和板厚一致性。

(Cr+Mn)降低层错能，静态回复过程延迟，错密度高，从而为静态再结晶的发生积蓄储能和动力，使静态再结晶能力增强，静态再结晶速度加快。因此Cr、Mn硅钢的再结晶组织发达和完善，有利于改善磁性，磁性能波动范围小、对成品退火工艺的敏感性降低、稳定性好，工艺适应能力强。

Cr、Mn硅钢由于Cr的作用比无Cr的防锈能力强。

(Cr+Mn)主要是由于降低层错能，阻碍位错的交滑移，强化应力应变曲线第III阶段，屈强比高，而(Si+Al)主要靠严重的晶格畸变阻碍位错运动，促使位错缠结成位错墙并细化形变胞状组织，强化应力应变曲线第II阶段，屈强比低，因此Cr、Mn硅钢的冲片性能好。

⑤(Cr+Mn)对组织和磁性的贡献

由于溶质原子Cr、Mn的加入，一方面使位错运动阻力大；另一方面溶质原子在层错面上富集可降低层错能而增加了扩张位错的宽度，扩张位错不易束集，位错交截困难，双重交滑移和切割林位错困难，不易产生多系滑移；另外，Cr、Mn还可改变剪切模量μ(主要是提高μ)，层错能γ的降低和剪切模量μ提高使标准层错能γ/μb进一步降低，交滑移的激活能提高，因而阻碍交滑移的进行；再者Cr、Mn溶质原子与空位发生相互作用会减弱空位与位错间的反应从而使位错的攀移几率变小。几方面的综合作用都使得位错的交滑移和攀移困难，会阻碍动态回复过程的进行，使亚晶组织中的位错密度明显升高，储能增加，储能积累到足够高后由于组态不稳定而发生动态再结晶。因此，Cr、Mn硅钢热轧时由于位错交滑移阻力增大、动态回复被延迟、为再结晶的发生积蓄了储能和动力，使再结晶能力加强，促进和有利于再结晶，因而再结晶晶粒组织发达，再结晶区域的面积大、形变组织区域的面积和部分再结晶区域很小、形变晶粒少，等轴晶比例高；而无Cr硅钢只发生快速动态回复过程，部分再结晶区域面积大、形变晶粒多、再结晶区域的面积小，等轴晶比例低。

(Cr+Mn)由于降低层错能，拓宽扩展位错，热轧时位错交滑移难、动态回复过程被延迟，亚组织回复慢，位错密度高，形变储能增大，形变诱导析出作用被强化，从而促进第二相质点的析出，并为第二相质点的聚集、长大和粗化提供了较为充分的条件。因此，第二相质点重新固溶后再弥散析出的机会被大大削弱，有利于改善热轧和成品退火组织。

(Cr+Mn)的作用使位错交滑移阻力增大、回复被延迟，促进和有利于再结晶，再结晶晶粒组织发达，因此热轧板横截面从表面到中心的各织构强度均匀分布。

(Cr+Mn)的加入降低层错能、动态回复被延迟而促进再结晶并很快释放所积累的形变储能，形变诱导作用所产生的γ→α相变驱动力被消除，相变点温度A_r1相对降低，终轧温度容易接近A_r1点，在α单相区精轧的时间缩短，从而使热轧板内部再结晶组织发达、形变晶少、等轴晶多、等轴晶比例高，冷轧后的组织中过渡带和切变带发达，形变带少，由于过渡带和切变带是(100)等有利织构的形核地点，形变带是(111)等不利织构的形核位置，因此，退火后(100)有利织构发达，(111)等不利织构被弱化，改善磁性得到显著。

(Cr+Mn)与(Si+Al)在变形、形变胞、晶粒转动、形变织构形成、再结晶和再结晶织构形成等过程中的作用机理不同，(Si+Al)主要靠所产生的晶格畸变阻碍位错运动并产生加工硬化、提高位错密度和形变储能为主要途径来增大静态再结晶动力、促进再结晶，但由于层错能高，位错交滑移阻力小，容易发生回复，亚晶组织中的位错密度降低，储存能下降，再结晶动力小，因此无Cr硅钢的再结晶组织难以发达和完善，需要严格控制成品退火工艺参数。而(Cr+Mn)则主要依靠降低层错能来阻碍位错的交滑移运动、提高位错密度、抑制形变位错胞的形成并抑制向不利于磁性的{111}位向的转动而促进再结晶和再结晶有利织构的形成，因此Cr、Mn无取向硅钢再结晶组织发达和完善、有利织构组分多。

具体实施方式

下面进行详细描述：

各实施例的冶炼成分见表1：

表1

2、根据表1的成分设计，进行冶炼及轧制，其按照工艺步骤：

1)采用洁净钢的冶炼工艺进行冶炼，并连铸成坯；

2)将连铸成坯加热到950～1300℃，控制其在炉时间：1.5～3个小时；

3)进行粗轧，控制其出口温度为800～1050℃，其累计压下率控制为90～95％；

4)进行精轧，控制其前4道次的累计压下率为80～95％，轧制温度控制在700～900℃；

5)进行卷取，其卷取温度控制在600～800℃；

6)自然冷却至室温；

7)进行酸洗，酸洗液温度控制在70～100℃，并采用水冷却至≤30℃，酸洗时间为1～5分钟；

8)进行冷轧，根据用户对钢板厚度要求控制各道次压下率；

9)进行脱碳，脱碳温度控制在750～950℃，通板速度为50～120米/分钟，露点温度控制在0～60℃；

10)进行均热，均热温度控制在750～950℃，通板速度为50～120米/分钟，在H₂和N₂混合气或全H₂气氛中进行；

11)按常规进行冷却、涂层及精整。

各实施例的工艺控制参数见表2～4。

表2

实施例	连铸坯加热温度℃	在炉时间小时	粗轧出口温度℃	粗轧累计压下率％	精轧前4道次累计压下率％	精轧出口温度℃	卷取温度℃	自然冷却温度℃
									1	950～965	3.0	800～815	90	80	700～705	600	30
2	970～985	2.6	820～835	92	85	720～725	650	32
									3	980～995	2.2	830～845	93	96	730～735	700	30
4	1050～1065	2.0	900～915	92	92	800～810	750	35
									5	1080～1095	1.8	930～945	94	94	830～840	800	33
6	1120～1135	1.7	970～985	95	93	870～880	710	34
									7	1150～1165	1.6	1000～1015	92	91	880～890	740	31
8	1290～1300	1.5	1040～1050	95	95	890～900	800	35
									对比例1	1175～1190	2.6	1075～1090	90	85	975～985	675	35
对比例2	1170～1190	2.2	1070～1090	92	85	970～985	695	35

表3

表4

实施例	脱碳温度℃	露点温度℃	脱碳通板速度米/分钟	均热温度℃	均热通板速度米/分钟	N2+H2或全H2流量dm3/分钟	绝缘涂层布量(g/m2)
								1	750～770	60	50	815	50	480	1.2
2	790～810	52	66	760	66	480	1.2

3	830～850	46	74	750	74	480	1.2
								4	870～890	41	82	830	82	480	1.2
5	900～920	38	88	950	88	480	1.2
								6	910～930	32	96	930	96	480	1.2
7	920～940	24	105	910	105	480	1.2
								8	930～950	0	115	860	120	480	1.2
对比例1	850～860	10	70	910	70	520	1.2
								对比例1	830～840	0	50	940	50	540	1.2

表5为实施例产品经检测后的磁性能及其他性能

表5

Claims (1)

1.生产变频电机用无取向电工钢的方法，其步骤：

1)采用洁净钢的冶炼工艺进行冶炼，并连铸成化学组分及重量百分比为：C：0.001～0.0038％，Mn：0.3～0.9％，Cr：0.4～1.6％，Al：0.6～1.2％，Si：1.2～1.3％，P≤0.08％，S≤0.015％，N≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质的铸坯；同时要满足：Si与Al之和的重量百分比在1.8～2.2％，Cr与Mn之和的重量百分比在0.7～2.5％，Cr/Mn在0.9～2.0；

2)将连铸坯加热到950～1300℃，控制其在炉时间：1.5～3个小时；

3)进行粗轧，控制其出口温度为800～1050℃，其累计压下率控制为90～95％；

4)进行精轧，控制其前4道次的累计压下率为80～95％，轧制温度控制在700～900℃；

5)进行卷取，其卷取温度控制在600～800℃；

6)自然冷却至室温；

7)进行酸洗，酸洗液温度控制在70～100℃，并采用水冷却至≤30℃，酸洗时间为1～5分钟；

8)进行冷轧，根据用户对钢板厚度要求控制各道次压下率；

9)进行脱碳，脱碳温度控制在750～950℃，通板速度为50～120米/分钟，露点温度控制在0～60℃；

10)进行均热，均热温度控制在750～950℃，通板速度为50～120米/分钟，在H₂和N₂混合气或全H₂气氛中进行；

11)按常规进行冷却、涂层及精整。