CN104328342B - 一种变频高效压缩机用无取向硅钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种变频高效压缩机用无取向硅钢，其组分及wt%为：C≤0.005%，Si：3.1～3.4%，Mn：0.03～0.1%，Als≤0.01%，P≤0.05%，0<S≤0.0025%，Cu≤0.06%，Sn：0.04～0.06%，N≤0.0025%；工艺：按洁净钢冶炼并连铸成坯；将连铸坯加热并保温；热轧；卷取；自然冷却至室温；常化；酸洗后采用一次冷轧法轧制；成品退火；冷却、涂层及精整。本发明在现有高牌号无取向硅钢的硅含量水平基础上，将Als含有量严格控制在0.01%以下，并通过采用一次冷轧法，使磁感由原来的B₅₀不超过1.67T提高至不低于1.7T，工频铁损由原来的P_1.5/50不低于2.6W/kg降低至不超过2.35W/kg，中频铁损P_1.0/400由原来的不低于20W/kg 降低至不超过17.5W/kg，产品硬度HV₅在170~190，且满足伸长率A与硬度的比值在0.13～0.17，能同时满足变频高效压缩机的性能、冲片和自动铆接要求。

Description

一种变频高效压缩机用无取向硅钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种无取向硅钢及生产方法，具体地属于一种变频高效压缩机用无取向硅钢及生产方法。

背景技术

在现有技术中，提高压缩机效率的方法通常是：①多用铜、铁材料，使成本增加；②使用薄规格、板型好、带绝缘涂层硅钢片，降低空载损耗。

从节能的观点出发，提高压缩机的效率是大势所趋。而作为制造这些压缩机的马达铁芯材料的无取向硅钢，则必须满足更低的铁损和更高的磁极化强度的要求。由此可见，压缩机的高效节能化将使无取向硅钢向高牌号方向发展。

在现有技术中，降低铁损均采用通过提高Si或Al含量来实现。其存在的最大问题是铁损降的幅度有限，还会使磁感降低，同时使C、S的含量降低，使得操作难度进一步加大。

传统的观念认为，在常规无取向硅钢中， Als的含量不能低于0.015%，否则会导致钢中存在细小AlN ，阻碍晶粒长大，磁性变差。所以人们一直致力于提高Als含量来降低铁损。有人研究，提出在现有最高级别牌号的无取向硅钢的Si、Al含量基础上进一步增加Si、Al含量的技术措施。但是，该技术措施会导致钢板的脆性增加，也会使钢板的冷轧加工性能严重恶化，钢中的Al氧化物夹杂也会随之增加。为解决在进一步增加Si、Al含量后导致钢板脆性增加的问题，有研究提出采用降低热轧板厚度的技术措施，如日本特开平10-251754专利文献，提出将热轧板的厚度从常规的2.2mm减薄至0.8～2.0mm而予以实现。这一技术措施虽然可以提高Si+Al含量至4.7%，但存在因热轧板太薄，不仅会使板形难以控制，还会增加热轧过程中的轧制压力。

也有人研究，从减少钢中夹杂物或析出物的个数或粗化钢中的夹杂物或析出物为出发点降低铁损并提高磁感。如特开2006-124800专利文献中，提出了在钢中添加一定量的稀土元素RE的措施。其虽然可以粗化钢中的有害夹杂如硫化物和氮化物，但也存在着使常化温度过高，导致钢板的冷轧性差的问题。该专利还提出了在钢中添加0.01％～0.1％Sn和0.02％～1.0％Mn，加Sn的目的是防止内氮化层形成，加Mn是为了改善钢板脆性。从实施例中看出，加0.02％Sn，由于添加Sn含量不够，对抑制{111}晶粒长大影响有限，故织构改善不理想，铁损偏高。该发明认为Mn在1.0％以上会恶化磁感，但实际上Mn在0.1％以上就会恶化磁感。

为提高无取向硅钢的磁性能，也有采取增强对磁性有利的织构的技术措施，即通过添加Cu、Sn等微量元素而实现。根据分析试验，其并未抑制对磁性不利的{111}织构，也未得到有利于无取向硅钢磁性的{100}织构，效果显然不理想。

经检索，中国专利申请号为CN201210142261的专利文献，其公开了《一种高磁感变频压缩机用无取向电工钢及其制备方法》，其化学成分重量百分比为：Si：2.6-2.9%，Mn：0.4-0.55%，Als：0.8-1.0%，S：0.001-0.0025％，N：0.001-0.0025％，Sn：0.025-0.035%，P≤0.011％，C：0.001-0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质。该文献中Si+2Als元素含量高，采取了以高Als代Si的方法生产，虽然可以做到产品铁损较低，但铝属非磁性元素，会显著降低磁感。在生产中，铝含量高会引起浇注时结瘤及铸坯表面结疤，导致成品表面缺陷多；而且如果钢水中N含量较高时，提高铝含量也容易在退火时产生内氧化层和内氮化层；还有为抑制细小AlN析出，需降低热轧铸坯加热温度提高卷取温度，使得轧制难度加大。另外，在成品退火时再结晶过程之前沿亚晶界或原晶界处析出AlN，促使（111）晶粒优先生核和长大，磁性下降，AlN抑制效果过强，得不到成品退火再结晶所期望的织构。再者，铝含量大于0.01%时，还会促进钢板氧化造成轧辊磨损严重，而且硬度高；另外，铝含量高在冲片时易产生粘接现象，使冲片性降低。该专利实施难度大，没有考虑机械性能对后续加工性能的影响。且由于添加的Sn含量低，对抑制{111}晶粒长大影响力有限，对改善织构不理想，使产品磁感偏低。

日本专利(申请号JP20050330829)，其公开了《一种磁性优良的压缩机用无取向电工钢生产方法》。采用Si+Al≥1.9% 的成分，控制热轧板退火后的粒径200µm以上。钢中含有Sn、Sb的1种或2种，含量在0.02%~0.4%。最好添加REM、Mg、Ca的1种或2种以上，含量在0.0005%~0.0020%。冷轧在180~350℃进行。冷轧前板厚t与冷轧辊直径要保持d／t≤100。该专利以在钢中添加铝元素为主，钢中含有偏析元素Sn含量太高，严重引起晶界脆化，还控制热轧板退火后的粒径200µm以上，冷轧断带事故多，所以采取温轧生产，生产组织困难，在一定程度上影响了生产节奏，使生产成本大幅度增加，而且没有涉及冲片性。

日本专利(申请号JP20040072045)，其公开了《一种磁性和冲片加工性优良的压缩机用无取向电工钢》。其成分为：Sn：0.01%～0.40%、Cu：0.1%～1.0%、Ca：0.001%～0.03%、REM(稀土)：0.001%～0.02%。该文献要求控制加工硬化指数N值在0.25以下、下屈服强度／抗拉强度在0.635以上。消除应力退火后W15/50为2.6～2.8(W／kg)，B50为1.71(T)，冲片加工性优良的性能指标。实施例中也只是中Si中Al，含0.25％Mn，Mn/S之比为125，产品厚度为0.5mm，为满足定频压缩机用钢所开发。其铁损偏高，难以满足变频高效压缩机要求。经试验，发现当Sn＞0.10％时，Sn阻碍了晶粒长大，热轧板和成品板晶粒小，铁损增高。该专利没有提出压缩机自动铆接扣片要求，实际上压缩机铁芯叠片铆接力与材料延伸率和硬度有关，因此，要求硅钢材料具有合适的延伸率和硬度。变频高效压缩机用钢的冲片最佳硬度为HV₅=180，扣片铆接力与产品弹性负相关，材料不能太软，延伸率最好在25%左右。

在现有技术中，无取向硅钢中一般含0.20～0.35％Mn，这样可以达到改善铁损的效果,也可防止S高引起的热脆性。如日本特开平10-298649专利文献中提出，通过添加Mn含量在0.10％～1.50％，以达到改善铁损的效果，并提出Mn/S之比保持在20以上，以保证精轧前的高温板料焊接处强度，使低熔点的硫化物粗大化，可防止板料焊接处断裂。其由于Mn含量太高，尽管提出Mn/S之比保持在20以上，当Mn/S之比过大时，无限固溶的Mn同样导致材料硬度增加，控制组织均匀性难。Mn会降低相变温度，一般在低Si硅钢（0.5%左右）中加高Mn，降低成品退火温度，提高产品强度和硬度。在实践中发现，高Si钢中，加Mn含量较高会增加材料硬度，还会造成组织不均匀，增加冷轧负荷，引起成品厚度波动，而且易引起成品组织细化，致使磁性变差，铁损增高、磁感也降低，产品冲片性严重恶化。

为了解决上述存在的问题，本申请人经大量的试验研究，提出将Als作为有害的元素加以控制，控制Als≤0.01%，且越低越好；控制Mn/S之比在20～80之间，且Mn在0.03～0.1%范围内；首次提出伸长率与硬度的比值在0.13～0.17范围内，以同时满足变频高效压缩机的性能、冲片和自动铆接扣片要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种Si含量在 3.1～3.4%、Als含量降低至0.01%以下，经一次冷轧法生产后，得到0.35mm厚度产品，磁性能为：磁感B₅₀₀₀≥1.70T、工频铁损P_1.5/50≤2.35W/kg、中频铁损P_1.0/400≤17.5W/kg、硬度HV₅在170～190、且满足伸长率与硬度的比值在0.13～0.17的一种变频高效压缩机用无取向硅钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种变频高效压缩机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C≤0.005%，Si：3.1～3.4%，Mn：0.03～0.1%，Als≤0.01%，P≤0.05%，0<S≤0.0025%，Cu≤0.06%，Sn：0.04～0.06%，N≤0.0025%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足Mn/S在20～80；且满足伸长率A与硬度HV₅的比值在0.13～0.17。

优选地：C≤0.003%。

优选地：Als≤0.005%。

优选地：Mn/S在45～65。

生产一种变频高效压缩机用无取向硅钢的方法，其步骤：

1）采用洁净钢的冶炼工艺冶炼，并连铸成坯；

2）将连铸坯加热到1100～1200℃，加热及保温时间为：0.5~1个小时；

3）进行热轧：其间，控制精轧热终轧温度在800~900℃；

4）进行卷取，控制卷取温度在580~680℃；

5）将钢卷自然冷却至室温；

6）进行常化，常化温度控制在900~1000℃，常化时间为30 ~180秒；

7）常规酸洗后采用一次冷轧法进行轧制，并控制道次压下率在20～45%，成品厚度为0.35mm；

8）进行成品退火，其退火温度为900~1050℃，退火时间为30 ~180秒，并在常规H₂和N₂混合气或全H₂气干式气氛中进行；

9）按常规进行冷却、涂层及精整。

本发明中各元素及主要工序的作用

C：C是对磁性有害的元素，希望越低越好，因此规定其含量在 0.005%以下，考虑到其对磁时效的影响，优选地：C≤0.003%。

Si：Si是提高电阻率、改善铁损的主要添加元素，对极低铁损高牌号无取向硅钢来说，Si含量如低于3.1%，则得不到所需的磁性，尤其是得不到所需的低P_1.0/400铁损值，如Si含量超过3.4%，其硬度会很高，难以冷轧加工，并在对其冲片加工时，冲片性能也会恶化。

Mn：Mn对板坯加热时固溶的S量有减低效果，另外，其具有抑制S引起的热脆性的作用。但其含量如低于0.03%，Mn/S比小于20则达不到降低热脆性的效果；另一方面，其含量如果超过0.1%，Mn/S比大于80，则容易在热轧时产生细小MnS析出物，导致磁性的恶化。因此，为避免生成较多细小MnS和改善热脆性，因此其含量范围限定为0.03~0.1%，并控制Mn/S比值范围在20～80。

Als：Als含量为0.01% 时，产品铁损高、达到最大值，Als含量越低铁损越低；另一方面，Als在0.1%以上，会降低磁感。且在生产中，铝含量高引起浇注时易结瘤及铸坯表面易结疤、成品表面缺陷多，另外，在成品退火时再结晶过程之前沿亚晶界或原晶界处析出AlN，促使（111）晶粒优先生核和长大，磁性下降，AlN抑制效果过强，得不到成品退火再结晶所期望的织构。再者，铝含量大于0.01%时，还会促进钢板氧化造成轧辊磨损严重，而且硬度高，使冲片性降低。因此限定Als在0.01%以下。因此，本发明认为Als与C一样，对磁性有害，希望越低越好，优选地：Als≤ 0.005%。

S：S是钢中夹杂物成分的重要组成部分，其硫化物的形成会恶化钢的磁性，因此其含量必须控制在0.0025%以下，但不能为零，其含量应与Mn配合满足Mn/S比值范围在20～80，优选地Mn/S在45～65。

P：P可有效改善铁损，但对高牌号无取向硅钢来说，超过0.05%会显著恶化钢的冷延性，因此其含量定在0.05%以下。

Cu：Cu在钢中容易形成细小Cu₂S的夹杂物，降低产品磁性，因此限定Cu在0.06%以下。

N：N在钢中容易形成AlN、TiN等细小的夹杂物，不利于降低铁损。因此，N含量超过0.0025%就会导致铁损的恶化，其含量在0.0025%以下为好。

在本发明中，Sn可防止成品表面的氮化，改善磁性能。Sn含量如低于0.04%，则对改善磁性的效果差；如超过0.06%，则容易引起晶界偏析严重，导致常化温度不能提高，从而使磁性得不到提高，也容易引起冷轧断带和成品高温退火时产品结瘤，还影响成品晶粒长大，同时也会增加合金成本，因此，Sn的含量限定为0.04~0.06%。

在本发明中，控制伸长率A与硬度HV₅的比值在0.13～0.17，是由于生产高效变频压缩机的工厂对硅钢片冲片是采用高速冲压、自动铆接扣片方式；钢板硬度适宜，对模具磨损小；产品叠片不良率高与铆接力大小相关。为减少废品要求产品铆接力要大且铆接紧，就需要考虑用料的伸长率与硬度。通过研究发现，当产品伸长率A与硬度HV₅的比值在0.13～0.17范围内时，铆接效果好、叠片不良率最低。

关键工序说明如下：

为了改善钢板最终成品的织构，本发明采用一次冷轧法。

常化：为改善成品织构所必须的工艺过程，热轧板采用连续退火时，常化温度控制在900~1000℃，常化时间为30 ~180秒，如果温度过低则达不到改善织构的效果，如果温度超过1000℃，则晶粒长得过大，会造成冷轧断带；常化时间过短则得不到改善磁性的效果。

成品退火：成品退火温度在900~1050℃，退火时间为30 ~180秒，温度如果低于900℃，则晶粒无法充分长大，磁性能差，而温度如果超过1050℃，容易造成钢板表面氧化、炉底辊结瘤等问题。时间太短，不能达到改善磁性的效果，时间太长，生产成本增加。

本发明与现有普通无取向硅钢相比，在现有高牌号无取向硅钢的硅含量水平基础上，将Als含有量严格控制在0.01%以下，并通过采用一次冷轧法生产，使磁感由原来的B₅₀不超过1.67T提高至不低于1.7T，工频铁损由原来的P_1.5/50不低于2.6W/kg降低至不超过2.35W/kg，中频铁损P_1.0/400由原来的不低于20W/kg 降低至不超过17.5W/kg，产品硬度HV₅在170~190，且满足伸长率A与硬度的比值在0.13～0.17，能同时满足变频高效压缩机的性能、冲片和自动铆接要求。

附图说明

图1为本发明的铁损P_1.0/400与伸长率(%)/硬度的关系图；

图2为本发明的成品硅钢板的析出相，没有细小的第二相粒子；

图3为对比例的成品硅钢板的析出相，存在较多的第二相粒子；

图4为对比例的成品硅钢板的析出相类型，析出相中主要成分为Mn、Cu和S，表示MnS和CuS较多；

图5为对比例的成品硅钢板的析出相类型，析出相中主要成分为Al、Mg、Si、Cu、 O、S，表示氧化物与硫化物较多。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）采用洁净钢的冶炼工艺冶炼，并连铸成坯；

2）将连铸坯加热到1100～1200℃，加热及保温时间为：0.5~1个小时；

3）进行热轧：其间，控制精轧热终轧温度在800~900℃；

4）进行卷取，控制卷取温度在580~680℃；

5）将钢卷自然冷却至室温；

6）进行常化，常化温度控制在900~1000℃，常化时间为30 ~180秒；

7）常规酸洗后采用一次冷轧法进行轧制，并控制道次压下率在20～45%，成品厚度为0.35mm；

8）进行成品退火，其退火温度为900~1050℃，退火时间为30 ~180秒，并在常规H₂和N₂混合气或全H₂气干式气氛中进行；

9）按常规进行冷却、涂层及精整。

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表（wt%）

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3 本发明各实施例及对比例性能检测情况列表

注：对比例1、3、6因为断带，后工序没有继续生产，用无表示。

关于对比例说明：

对比例1没有执行本发明常化工艺，常化温度高，产品晶粒达到了236μm，大于200μm，导致冷轧断带，无法进行下工序生产；

对比例2没有执行本发明常化工艺，常化温度低，常化板晶粒只60μm，导致成品磁性较差，不能满足变频高效压缩机磁性要求；

对比例3化学成分Mn含量太低，且Mn/S小于20，导致热轧脆性断裂不能成卷，无法进行下工序生产；

对比例4钢中没有添加化学成分Sn，导致成品磁感较低，磁性较差；

对比例5为传统常规高牌号无取向硅钢，按引进日本专利生产，成品磁性较差，不能满足变频高效压缩机磁性要求；

对比例6为传统常规高牌号无取向硅钢，按本发明工艺进行高温常化生产，常化板晶粒也只有160μm，但还是发生了冷轧断带，无法下送进行后工序生产；

对比例7钢中化学成分Sn含量添加不够，导致成品磁感较低，磁性较差；

对比例8钢中化学成分Sn含量添加过多，导致成品铁损较高，不是本发明要求的产品。

从表3可以看出，在最终得到结果的成品中，本发明实施例采用以上本发明方法组织生产，得到了铁损低、磁感高且冲片铆接性能好的薄规格高效变频压缩机用无取向硅钢产品。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种变频高效压缩机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C≤0.005%，Si：3.1～3.4%，Mn：0.03～0.091%，Als≤0.0045%，P≤0.05%，0<S≤0.0025%，Cu≤0.06%，Sn：0.04~0.053%或Sn：0.058～0.06%，N≤0.0025%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足Mn/S在20～80；且满足伸长率A与硬度HV₅的比值在0.13～0.17。

2.生产如权利要求1所述的一种变频高效压缩机用无取向硅钢的方法，其步骤：

1）采用洁净钢的冶炼工艺冶炼，并连铸成坯；

2）将连铸坯加热到1100～1200℃，加热及保温时间为：0.5~1个小时；

3）进行热轧：其间，控制精轧热终轧温度在800~900℃；

4）进行卷取，控制卷取温度在580~680℃；

5）将钢卷自然冷却至室温；

6）进行常化，常化温度控制在950~1000℃，常化时间为30 ~180秒；

7）常规酸洗后采用一次冷轧法进行轧制，并控制道次压下率在20～45%，成品厚度为0.35mm；

8）进行成品退火，其退火温度为900~1050℃，退火时间为30 ~180秒，并在常规H₂和N₂混合气或全H₂气干式气氛中进行；

9）按常规进行冷却、涂层及精整。