CN105473751A - 非晶粒取向的电工钢带或电工钢板、由其制成的部件及用于制造非晶粒取向的电工钢带或电工钢板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电工技术应用的非晶粒取向电工钢带或电工钢板，其由钢材制成，该钢材除了铁和不可避免的杂质以外还包括(重量％)Si:2.0–4.5％,Zr:0.03–0.3％,Al:不高于2.0％,Mn:不高于1.0％,C:不高于0.01％,N:不高于0.01％,S:不高于0.001％,P:不高于0.015％，电工钢带或钢板组织结构中存在Fe-Si-Zr三元共沉淀。在按照本发明的电工钢带或钢板组织结构中存在的Fe-Si-Zr三元共沉淀通过沉淀硬化或颗粒硬化提高由按照本发明钢材制成的、非晶粒取向电工钢带或钢板的强度，而不会对电磁性能产生重大影响。本发明还提供一种用于制造这类电工钢带或钢板的方法。

Description

非晶粒取向的电工钢带或电工钢板、由其制成的部件及用于制造非晶粒取向的电工钢带或电工钢板的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电工技术应用的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板、由这类电工钢带或电工钢板制成的电工技术部件及用于制造电工钢带或电工钢板的方法。
背景技术
非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，专业术语又称为“NO电工钢带或NO电工钢板”或者在英语中也称为“NGOelectricalsteel”(“NGO”＝NonGrainOriented，非晶粒取向)，用于加强旋转电机的铁芯中的磁通量。这类板材的典型应用为电动机和发电机。
为了提高这类机器的效能，追求在运行中各自旋转的部件尽可能高的转数或尽可能大的直径。由于这种趋势，与电相关的、由上述类型的电工钢带或电工钢板制成的部件受到较高的机械负荷，目前可供使用的NO电工钢带的类型通常不能满足这种机械负荷。
US5,084,112中已知一种NO电工钢带或电工钢板，其具有至少60kg-f/mm2(约589MPa)的屈服极限并且由这样一种钢材制成，该钢材除了铁和不可避免的杂质以外还包括(以重量％示出的)不高于0.04％的C,2.0至低于4.0％的Si,不高于2.0％的Al,不高于0.2％的P以及“Mn,Ni”族中的至少一种元素,其中，Mn和Ni的总含量至少为0.3％并且最高为10％。
为了通过碳氮化物的形成而达到强度的提高，US5,084,112中已知的钢材包括“Ti,V,Nb,Zr”族中的至少一种元素,其中，在存在Ti或V的情况下,Ti含量％Ti和V含量％V相对于C的含量％C和该钢材相应不可避免的N含量％N应满足的条件为：[0.4×(％Ti+％V)]/[4×(％C+％N)]＜4.0。在钢材中磷的存在在此也起到提高强度的作用。但是，应防止更高的磷含量的存在，因为更高的磷含量会触发晶界脆化。为了抵消该视为严重的问题，建议存在0.001-0.007％的额外的B含量。
根据US5,084,112这样组成的钢材浇铸成扁坯，该扁坯随后热轧成为热轧带材，可选地对该热轧带材进行退火，随后酸洗并进而冷轧成为具有特定最终厚度的冷轧带材。随后对得到的冷轧带材进行再结晶退火，其中，在至少650℃但低于900℃的退火温度下进行退火。
在钢材中同时出现有效含量的Ti和P以及B,N,C,Mn和Ni的情况下，根据US5,084,112制成的NO电工钢带或电工钢板达到了至少70.4kg-f/mm2(688MPa)的屈服极限。但同时，在0.5mm的板材厚度和1.5特斯拉的极化强度以及50Hz的频率条件下，磁滞损耗P1.5为至少6.94W/kg。这样高的磁滞损耗对于现代的电工技术应用而言不再是能够接受的。另外，在许多这类应用中在更高的频率下的磁滞损耗有重要的意义。
JP2005264315A中已知另一种方法，该方法实现了操作可靠地制造具有良好的电磁性能的、高强度的非晶粒取向的电工钢板。由该方法制成的电工钢板具有主要为铁素体、包含不高于50体积％的马氏体的组织结构并且除了铁和不可避免的杂质以外还包括(以重量％示出的)不高于0.0400％的C,0.2-6.5％的Si,0.05-10.0％的Mn,不高于0.30％的P,不高于0.020％的S,不高于15％的Al,不高于0.0400％的N以及其余“Ni,Mo,Ti,Nb,Co和W”族中、以分别不高于10.0重量％的一种、两种或更多种的元素作为沉淀成分。作为钢材中的沉淀物可以额外地存在以分别不高于10.0重量％的Zr，Cr，B，Cu，Zn，Mg和Sn。在钢材中由上述元素形成的沉淀物以金属间互化物的形式存在，该金属间互化物具有大于20/μm3的数量密度和最大0.050μm的直径。在此分别这样选择钢材的组成，即，Fe,Zr和Si析出物通常以二元形式存在。
发明内容
由上述现有技术出发，本发明的目的在于说明一种NO电工钢带或电工钢板以及由这类板材或带材制成的、用于电工技术应用的部件，该部件具有提高的强度、特别是更高的屈服极限并且同时具有良好的磁特性，特别是在高频率下较低的磁滞损耗。此外，还说明了一种用于制造这类NO电工钢带或电工钢板的方法。
本发明关于NO电工钢带或电工钢板的目的按照本发明由此得以实现，即，NO电工钢带或电工钢板具有权利要求1中给出的组成。
相应地，上述关于用于电工技术应用的部件的目的的解决方案在于，这类部件由按照本发明的电工钢带或电工钢板制成。
最后，上述关于方法的目的由此得以实现，即，在制造按照本发明的电工钢带或电工钢板的过程中至少进行权利要求11中给出的操作步骤。
本发明有利的设计在从属权利要求中说明并且随后详细说明例如本发明的基本构思。
因此，按照本发明得到的、用于电工技术应用的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板由钢材制成，该钢材由下述组成(以重量％示出的)：2.0-4.5％的Si,0.03-0.3％Zr,不高于2.0％、特别是不高于1.5％的额外可选的Al,不高于1.0％的Mn,不高于0.01％、特别是不高于0.006％、特别有利地不高于0.005％的C,不高于0.01％、特别是不高于0.006％的N,不高于0.01％、特别是不高于0.006％的S,不高于0.015％、特别是不高于0.006％的P以及剩余铁和不可避免的杂质。
在此，对于本发明起到决定性作用的是，在电工钢带或电工钢板的组织结构中存在Fe-Si-Zr三元共沉淀。这通过沉淀硬化或颗粒硬化提高了按照本发明钢材的强度。
如材料科学国际团队以及Du,Yong,Xiong,Wei,Zhang,Weiwei,Chen,Hailin,Sun,Weihua等人的：铁、锆和硅，Effenberg,Günter,Ilyenko,Svitlana(编辑),SpringerMaterials,Landolt-数据库，Springer出版社，BerlinHeidelberg,2009.DOI:10.1007/978-3-540-70890-2_29结晶和热力学数据中所描述的(MaterialsScienceInternationalTeam,andDu,Yong,Xiong,Wei,Zhang,Weiwei,Chen,Hailin,Sun,Weihua:Iron–Silicon–Zirconium.Effenberg,Günter,Ilyenko,Svitlana(ed.).SpringerMaterials-TheLandolt-Database.Springer-VerlagBerlinHeidelberg,2009.DOI:10.1007/978-3-540-70890-2_29CrystallographicandThermodynamicData)，由铁、锆和硅组成的三元共沉淀出现在六个不同的阶段。
对强度的进一步提高有利的是，所涉及的Fe-Si-Zr共沉淀在其空间延伸方面尽可能精细地形成。因此按照本发明，其平均直径优选明显低于100nm。这样小的Fe-Si-Zr共沉淀明显提高了按照本发明类型的NO电工钢带或电工钢板的强度，而在此在应用于发动机制造以及类似重要的高频率领域的情况下不会在本质上使磁特性劣化。因此按照本发明为了强度提高而使用的Fe-Si-Zr共沉淀由于其较小的尺寸仅轻微地阻碍布洛赫壁(Bloch-)的移动，并且相对于常规的、低强度的电工钢带或电工钢板最多相应地引起磁滞损耗P1.0和P1.5少许升高。布洛赫壁是具有不同磁化的磁畴之间的过渡区域。
按照本发明的非晶粒取向的电工钢板具有这样调整的Si含量和Zr含量，即，力求形成Fe-Si-Zr共沉淀。为此，一方面要求至少2.0重量％的Si,其中，当Si含量为至少1.6重量％、特别是至少2.4重量％时，Fe-Si-Zr共沉淀以特别操作可靠的方式调整为期望的概率和分布。为了避免对按照本发明的NO电工钢带或电工钢板的特性造成负面影响，Si含量限制为最高4.5重量％，其中理想的是Si含量不超过3.5重量％、特别是3.4重量％的上限。
为了形成期望的Zr三元共沉淀，至少0.03重量％的含量是必需的。为了使该效应特别可靠地出现，可以在按照本发明的钢材中添加至少0.07重量％的Zr、特别是至少0.08重量％的Zr。在Zr含量大于0.3重量％的情况下并不能观察到由存在充足的Zr含量所引起的性能改善的明显提高。Zr在按照本发明的NO电工钢带或电工钢板中理想的作用在此通过将Zr含量限制为最高0.25重量％而得以实现。
按照本发明构成电工钢带或电工钢板的钢材可以含有其他合金元素含量，为了调整其特性以已知的方式加入这些合金元素。特别是以此处说明含量的Al和Mn算作适合于此的元素。
因为本发明为了提高强度而不必依赖于碳化物、氮化物或碳氮化物，可使按照本发明的电工钢带或电工钢板的C含量和N含量最小化。以这种方式防止了由于高C或N含量可能导致的磁时效的危险。
按照本发明组成的电工钢带或电工钢板由于其按照本发明的组成在厚度为0.5mm、极化强度为1.0特斯拉且频率为400Hz的情况下具有最高65W/kg的磁滞损耗P1.0/400。相反地，在厚度为0.35mm、极化强度为1.0特斯拉且频率为400Hz的情况下，按照本发明组成的电工钢带具有最高45W/kg的磁滞损耗P1.0/400。同时，相比于其中并未采取用于提高强度的措施的常规组成的电工钢带或电工钢板，按照本发明组成的电工钢带或电工钢板的屈服强度通常提高了至少20MPa。该强度在此随着沉淀的细度而提高。100-200MPa的强度提高在进一步精细化的沉淀下是可能的。
这样设计按照本发明的方法，即，实现了操作可靠地生产按照本发明的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板。
为此首先提供热轧带材，该热轧带材以上述针对按照本发明的非晶粒取向的电工钢板或电工钢带所说明的方式组成，该热轧带材随后冷轧并作为冷轧带材进行最终退火。最终退火后获得的已最终退火的冷轧带材即代表按照本发明组成和制造的电工钢带或电工钢板，其强度通过其组织结构中存在Fe-Si-Zr共沉淀而相对于常规的NO电工钢板或电工钢带得到改善，并因此特别适用于制造在实际使用中暴露于高动态荷载下的电气的部件或机组。
按照本发明制备的热轧带材可以最大程度地以常规方式制造。为此熔炼具有按照本发明描述的相应组分的钢熔体(Si:2.0-4.5重量％,Zr:0.03-0.3重量％,Al:不高于2.0重量％,Mn:不高于1.0重量％,C:不高于0.01重量％,N:不高于0.01重量％,S:不高于0.01重量％,P:不高于0.015重量％，剩余铁和不可避免的杂质)并浇铸成为预制材料，其中，常规的制造为扁坯或薄扁坯。由于按照本发明的沉淀形成过程在凝固之后才进行，因此将钢熔体浇铸成为铸造带材原则上是可能的，该铸造带材随后热轧成为热轧带材。
这样制成的预制材料可以随后加热至1020-1300℃的预制材料温度。为此，在必要时可以再加热该预制材料或者使用铸造放热而保持在各个目标温度上。
这样加热后的预制材料可以随后热轧成为具有一定厚度的热轧带材，该厚度通常为1.5-4mm、特别是2-3mm。在此，该热轧以已知的方式在制造梯级(Fertigstaffel)中1000-1150℃的热轧初始温度下开始并且以700-920℃、特别是780-850℃的热轧终止温度结束。
得到的热轧带材随后可以冷却至卷取温度并卷取成卷材。该卷取温度在此以理想的方式这样选择，即，使提高强度的颗粒避免在该时间点上沉淀，从而避免了在随后实施的冷轧过程中的问题。为此，在实际中，该卷取温度例如最高为700℃。
该热轧带材可以选择性地进行热轧带材退火。
制备好的热轧带材冷轧成具有一定厚度的冷轧带材，该厚度通常在0.15-1.1mm、特别是0.2-0.65mm的范围内。
随后的最终退火对于形成按照本发明用于提高强度的Fe-Si-Zr颗粒起到决定性作用。在此，通过最终退火的退火条件的变化实现了，针对更高强度或更小的磁滞损耗的偏好有选择性地优化材料性能。
通过按照本发明组成的冷轧带材在最终退火的过程中连续经过两个阶段的退火，可以以特别操作可靠的方式实现按照本发明的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其具有350-500MPa范围内的屈服强度、在0.3mm的板厚条件下具有小于35W/kg的磁滞损耗P1.0/400、以及在0.5mm的板厚条件下具有小于45W/kg的磁滞损耗P1.0/400。
在第一阶段中，冷轧带材在900-1150℃的退火温度的条件下退火1-300s。随后，该冷轧带材在第二退火阶段在600-800℃的温度下保持50-120s。随后将冷轧带材冷却至低于100℃的温度。在以上述方式的最终退火过程中，可能已经存在的Fe-Si-Zr共沉淀在第一退火阶段溶解并实现组织结构的完全再结晶。随后在另一退火阶段中进行Fe-Si-Zr颗粒的预期的沉淀。
另外，得到的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板材料随后进行常规的去应力退火。根据在最终加工者处的加工过程，去应力退火可以在按照本发明的电工钢带或电工钢板的制造者处以卷材的形式进行，或者也可以首先分割在最终加工者处由以按照本发明的方式制造的电工钢带或电工钢板加工成的坯料，该坯料随后进行去应力退火。
附图说明
随后由实施例进一步说明本发明。
图1以图表示出了在通过以下说明的方式制成的电工钢带和电工钢板的最终退火过程中预期温度变化。
具体实施方式
以下说明的试验均分别在实验室条件下进行。在此，首先熔融两种按照本发明组成的钢熔体Zr1和Zr2以及两种参照熔体Ref1和Ref2，然后浇铸成钢锭。熔体Zr1，Zr2，Ref1，Ref2的组成在表1中给出。除了分别缺少有效含量的Zr之外，参照熔体Ref1的合金元素以及在其含量的常见容差的范围内与按照本发明的熔体Zr1一致，参照熔体Ref2在这方面与按照本发明的熔体Ref2也是一致的。
使钢锭的温度达到1250℃的温度并且通过1020℃的热轧起始温度和840℃的热轧终止温度将其热轧成为2mm厚的热轧带材。各个热轧带材冷却至620℃的卷取温度Thaspel。随后模拟在卷材中典型的冷却过程。
几个由按照本发明的合金钢Zr1,Zr2组成的热轧带材的样品和由参照钢材Ref1,Ref2组成的样品随后在740℃下进行持续2h的热轧带材退火并进而分别冷轧成为最终厚度0.5mm或0.3mm的冷轧带材。
其他由按照本发明的合金钢Zr1,Zr2组成的样品和由参照钢材Ref1,Ref2组成的热轧带材相反地分别在不进行热轧带材退火的情况下冷轧成为0.3mm或0.5mm厚的冷轧带材。
在冷轧之后分别进行最终退火，其中，各个冷轧带材样品首先以10K/s的加热速率经过105秒的持续时间由室温加热至1090℃的退火温度。随后，这些样品在该退火温度上保持经过15秒的持续时间并进而以20K/s的冷却速率冷却至700℃的中间温度。这些样品在该中间温度上保持经过60秒。随后进行第二阶段阶段的退火，其中，首先缓慢地以5℃/s将这些样品冷却至580℃的第二中间温度，并且在达到第二中间温度之后以30℃/s的冷却速率加速冷却至室温。
在表2中给出了由按照本发明的钢材Zr1或Zr2以及由参照钢材Ref1或Ref2组成并经过热轧带材退火的、0.5mm厚的样品的机械特性和磁特性：上屈服极限ReH、下屈服极限ReL、抗拉强度Rm、平均屈服极限Re相对于抗拉强度Rm的比值Re/Rm、均匀伸长率Ag、频率为50Hz条件下测得的磁滞损耗P1.0(极化强度为1.0T时的磁滞损耗)和P1.5(极化强度为1.5T时的磁滞损耗)、以及同样在频率为50Hz条件下测得的极化强度J2500(在2500A/m的磁场强度下的极化强度)和极化强度J5000(在5000A/m的磁场强度下的极化强度),以及分别在频率为400Hz和1kHz条件下测得的磁滞损耗P1.0(极化强度为1.0T时的磁滞损耗)。
表3中给出了由按照本发明的钢材Zr1或Zr2以及由参照钢材Ref1或Ref2组成并且没有经过热轧带材退火的、0.5mm厚的样品的这些相应的数值。
表4中给出了由按照本发明的钢材Zr2或者由参照钢材Ref2组成并且经过热轧带材退火的、0.3mm厚的样品的相应数值，而表5中由按照本发明的钢材Zr2或者由参照钢材Ref2组成并且没有经过热轧带材退火的、0.3mm厚的样品的相应数值。
已发现，与由参照钢材Ref制成的样品相比，按照本发明组成和加工的样品中的下屈服极限ReL分别高出20-80Mpa。相对地，在进行热轧带材退火和不进行热轧带材退火所产生的样品之间不存在显著的差别。
在频率为50Hz条件下，由按照本发明的钢材制成的样品比由参照钢材制成的样品具有略微更高的磁滞损耗。相反地，在400Hz和1kHz更高的频率条件下(该频率对于按照本发明的钢材的应用有特殊的意义)，按照本发明的样品和参照样品的磁滞损耗相互间几乎没有区别。
因此，通过本发明提供了在电机中使用的电工钢板和电工钢带，该电工钢板和电工钢带在明显提高的强度的同时具有理想的磁特性，而为此不必使用昂贵且难以获得的合金元素或者不必进行复杂的制造过程。

Claims (11)

1.一种用于电工技术应用的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其由钢材制成，所述钢材除了铁和不可避免的杂质以外还包括(以重量％示出的)
Si:2.0–4.5％,
Zr:0.03–0.3％,
Al:不高于2.0％,
Mn:不高于1.0％,
C:不高于0.01％,
N:不高于0.01％,
S:不高于0.001％,
P:不高于0.015％，
其中，所述电工钢带或电工钢板的组织结构中存在Fe-Si-Zr三元共沉淀。
2.根据权利要求1所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其Si含量为至少2.5重量％。
3.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其Si含量为最高3.5重量％。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其Zr含量为至少0.08重量％。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其Zr含量为最高0.25重量％。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其C含量为最高0.006重量％。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其N含量为最高0.006重量％。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，其S含量为最高0.006重量％。
9.根据上述权利要求中任意一项所述的非晶粒取向的电工钢带或电工钢板，其特征在于，在极化强度为1特斯拉且频率为400Hz条件下，在所述电工钢带或电工钢板的厚度为0.5mm时的磁滞损耗P1.0/400为最高65W/kg，而在厚度为0.3mm时的磁滞损耗P1.0/400为最高45W/kg。
10.用于电工技术应用的部件，所述部件由根据权利要求1至9中任意一项所述的电工钢带或电工钢板制成。
11.用于制造非晶粒取向的电工钢带或电工钢板的方法，所述电工钢带或电工钢板在其组织结构中具有Fe-Si-Zr三元共沉淀，其中，所述方法包括以下操作步骤：
a)制备热轧带材，所述热轧带材由钢材制成，所述钢材除了铁和不可避免的杂质以外还包括(以重量％示出的)
Si:2.0-4.5％,
Zr:0.03-0.3％,
Al:不高于2.0％,
Mn:不高于1.0％,
C:不高于0.01％,
N:不高于0.01％,
S:不高于0.01％,
P:不高于0.015％，
b)将所述热轧带材冷轧成为冷轧带材，以及
c)所述冷轧带材的最终退火。
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