CN105803324A - 一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法 - Google Patents
一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法,该钢的化学成分质量百分比为:C:0.05~0.09%,Mn:0.75~1.15%,P≤0.025%,S≤0.01%,Al:0.015~0.05%,N≤0.01%,Nb:0.005~0.02%,Ti:0.05~0.09%,其余为Fe和不可避免的杂质,且须满足:Ti≥0.03%+3.43*N。本发明钢的化学成分简单,且添加廉价的Ti,大大降低了成本,并采用连续退火方式,显著提高了产品性能的均匀性,制造出的磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa,磁感应强度B50≥1.6T,钢板强度和磁感应强度配合良好,产品具有更加优良的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及冷轧磁极钢,具体涉及一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法。
背景技术
磁极是水轮发电机转子的关键部件,为保证机组高速运行的平衡和稳定,要求磁极尺寸精度高和具有足够的强度,为了使机组减少涡流损失,磁极钢板又必须具有优良的磁感。随着水电机组的发展,对磁极材料的强度、塑性、精度、耐磨性以及工艺性能等方面提出更为严格的技术要求。目前,世界上只有少数发达国家如日本、德国、美国等能够生产优质磁极板,中国在“八五”之前,磁极板100%依赖进口。
中国专利CN200610019773.X公开了一种450MPa级冷轧磁极钢的生产方法,该方法采用罩式炉退火,生产时间长、成本较高;添加较多昂贵的Nb合金元素;材料磁性能有待进一步提高。中国专利CN200910049782.7公开了一种屈服强度为500MPa级冷轧磁极钢的连续退火方法,为满足高屈服强度要求其采用高C、Mn、Nb、Ti和V合金,制造成本高,且Si的添加不利于热轧带钢的表面质量控制,易产生“红铁皮”缺陷,同时屈服强度500MPa级冷轧磁极钢的磁性能远低于450MPa级磁极钢的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法,该冷轧磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa,磁感应强度B50≥1.6T,钢板强度和磁感应强度配合良好。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢,其化学成分质量百分比为:C:0.05~0.09%,Mn:0.75~1.15%,P≤0.025%,S≤0.01%,Al:0.015~0.05%,N≤0.01%,Nb:0.005~0.02%,Ti:0.05~0.09%,其余为Fe和不可避免的杂质,且上述成分含量必须同时满足如下关系:Ti≥0.03%+3.43*N。
进一步,本发明所述冷轧磁极钢的化学成分还含有:0<Si≤0.15%,以质量百分比计。
本发明所述冷轧磁极钢的微观组织为:铁素体+以碳化铌、碳化钛为主的析出物。
再,所述冷轧磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa,磁感应强度B50≥1.6T。
在本发明钢板的成分设计中:
C:本发明控制C含量主要是为了保证冷轧磁极钢的强度,但对磁极钢板而言,钢中的C无论以固溶体形式还是渗碳体形式存在都会使铁损和磁时效增加,损害钢板的磁性能。另一方面,高的C含量会使热轧钢卷的强度相应提高,冷轧轧机负荷增加。因此,本发明控制C含量为0.05~0.09%。
Si:随着Si含量增高,钢板的强度升高,电阻率ρ增加,钢带的铁损降低,但同时磁感也降低。由于Si含量的增高,同时也会带来加工脆性增强,造成冷轧困难,热轧表面易形成红色氧化铁皮,酸洗难以去除。因此,本发明控制Si含量在0.15%以下。
Mn:板坯中加入Mn,形成置换固溶体,促进钢材下屈服强度和抗拉强度呈线性增加,然而对于磁性而言,Mn含量在0.15-3.00%时,磁感应强度随钢中的锰含量增加而降低,因此要控制Mn含量不能太高,以免磁感应强度下降的过低;同时过高的Mn也会造成热轧钢卷的强度提高,增加冷轧轧机的负荷。因此,本发明控制Mn含量为0.75~1.15%。
Nb:钢中加入微合金元素Nb,使钢中形成的尺寸较细小的碳化物延迟再结晶,达到细晶强化和析出强化目的,同时对钢磁性的影响要比固溶碳和渗碳体的影响要小,这样就使钢板的强度指标得到提高,同时也保证了钢板的磁感应强度。Nb合金成本较高,本发明在保证钢的强度和磁性能的同时,添加尽量少的Nb合金,因此本发明控制Nb含量为0.005~0.02%。
Ti:在钢中入Ti的效果与Nb近似,TiC在钢中的析出同样能起到细化晶粒和阻碍位错滑移的作用。但Ti元素会优先与钢中N元素结合生成TiN,因此钢中N元素含量过高,会削弱Ti的强化效果。因此,本发明控制Ti含量为0.05~0.09%。
N:N在钢种为间隙固溶杂质元素,由于N与Ti结合能力强于C与Ti的结合能力。因此N含量过高会影响Ti元素的强化效果。因此,本发明控制N含量为N≤0.01%。
Al:在本发明中Al元素的添加主要作为钢的脱氧剂使用,O元素在钢中会严重影响材料的塑形,使材料延伸率下降。添加Al后可与O形成Al2O3随保护渣排除钢水。因此,本发明控制Al含量为0.015~0.05%。
S:S对磁极钢的电磁性能影响很大,S与Mn结合形成MnS等有害杂质,减弱了钢中Mn元素的强化作用,而且当形成细小的MnS时,可以强烈阻碍成品退火时的晶粒长大,磁感大幅度下降、铁损大幅度提高。原则上钢中S含量越低越好,但从炼钢成本和可操作性的角度,钢中的S含量控制在0.01%以下,即可满足本发明产品的需求。
P:P对无取向电工钢钢带的脆化作用较大,P沿晶界偏聚加大,导致最终退火时的晶粒长大受阻,而且在阻碍{110}织构发展的基础上促进了{222}织构发展,导致磁感降低。因此,在磁极钢板的实际生产中,应控制P元素≤0.025%为好。
本发明为保证成品强度及磁性能,化学成分中Ti含量与N含量应满足如下关系:Ti≥0.03%+3.43*N,公式中Ti、N代表相应元素的质量百分比。Ti在钢中的固溶度非常低,Ti会优先与N元素结合,但TiC对晶格的畸变作用要高于TiN,因此较低的Ti含量将不能得到足够体积分数的TiC来有效阻止晶粒粗化,材料的成品强度和磁性能就难以保证。因此,必须保证成分中Ti在与N全部结合生成TiN后,仍有过剩Ti与C反应生成足量的TiC。TiN中Ti/N的理想化学配比是3.43,因此本发明中Ti与N含量要求满足上公式时,钢种的Ti将以TiC质点形式存在而显著阻止再结晶,起到析出强化的作用。
本发明所述屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按下述化学成分经冶炼、铸造后得板坯;所述化学成分的质量百分比为:C:0.05~0.09%,Mn:0.75~1.15%,P≤0.025%,S≤0.01%,Al:0.015~0.05%,N≤0.01%,Nb:0.005~0.02%,Ti:0.05~0.09%,其余为Fe和不可避免的杂质,且上述成分含量必须同时满足如下关系:Ti≥0.03%+3.43*N;
2)加热:将板坯加热至1230~1280℃;
3)热轧:终轧温度为830~900℃,卷取温度为530~590℃;
4)酸洗:将热轧钢卷冷却至60~80℃进行酸洗;
5)冷轧:冷轧压下率为41~75%;
6)连续退火:均热段温度为790~830℃,均热段时间为120~200s;
7)平整:采用0.3~0.9%平整延伸率进行平整,制成450MPa级冷轧磁极钢。
进一步,步骤1)中所述化学成分还含有:0<Si≤0.15%,以质量百分比计。
本发明所述冷轧磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa,磁感应强度B50≥1.6T。
本发明所述冷轧磁极钢的微观组织为:铁素体+以碳化铌、碳化Ti为主的析出物。
本发明是Nb、Ti复合强化的合金钢,Nb、Ti的析出物在连铸过程中已部分析出并长大,无法取得最佳的细晶强化和析出强化效果,因此,本发明采用1230~1280℃的板坯加热制度,使得已析出的Nb、Ti化物重新溶解,并通过后续工艺的控制,在成品钢中细小、弥散的析出。
同时对于本发明Nb、Ti复合强化的合金钢,终轧温度和卷取温度越高,热轧板晶粒相对较大,在后期退火中的得到长大,成品得到相对较大的晶粒,电磁性能相对较好,强度则有所降低。而如果终轧温度和卷取温度过低,在精轧及卷取过程中会产生大量弥散的析出物,强度会有显著提高,但细小弥散的析出物会阻碍晶粒的长大,电磁性能会显著下降。本发明控制热轧的终轧温度为830~900℃,卷取温度为530~590℃,目的为在单相区进行终轧通过动态再结晶细化晶粒,同时低温卷取控制析出物在热卷中的析出,以便后续退火过程中析出物在成品弥散析出。
由于在热轧过程中使微合金化元素Nb、Ti化合物重新溶解,其热轧钢带的强度较适宜冷轧轧制,从而有效减缓对轧机的负荷,因此可适当提高冷轧压下率,充分积聚变形畸变能,使再结晶后的钢板强度指标达到要求。因此,本发明控制冷轧磁极钢冷轧压下率为41~75%,从而保证一定的表面质量和力学性能,板形控制良好。
本发明采用连续退火方式,生产稳定,过程易于控制,使得产品的均匀性得到很大提升,头尾性能差异减小,而且连续退火生产周期短,成本低,对批量生产高等级磁极钢十分有利。退火炉均热段温度控制在790~830℃,均热段保温时间需≥120s,目的是得到细小均匀的完全再结晶组织。如果均热段温度过高,晶粒尺寸过大,钢板强度降低;而均热段温度过低或均热段保温时间不足,成分无法完全再结晶,强度偏高塑性下限,影响钢板冲压成形,在本发明工艺下退火,可以达到控制再结晶晶粒尺寸并给予析出物充分析出的时间。
本发明平整工艺中平整延伸率的确定与钢的化学成分、冶炼方式、成品规格和表面粗糙度有关,合适的平整延伸率可以起到稳定产品性能,并可控制良好板形。本发明采用0.3~0.9%平整延伸率进行平整,可以保证板形质量,且对提高磁极钢的磁性性能有利,同时对提高钢板的强度有一定作用。
本发明中板坯简洁的C、Si、Mn成分便于生产冶炼,热轧工艺生产操作简单易于控制,减小了冷轧轧机的负荷,连续退火工艺成熟,易于大批量生产。另外,由于本发明钢化学成分要求简单,生产工艺简单,因此生产成本低廉,具有显著的经济效益和强劲的市场竞争力。
本发明生产的产品集高磁感、低成本于一体,适用于制造大型水轮发电机转子体磁极铁芯,既可以满足水轮发电机转子体磁极在强度上的要求,也满足了减少机组涡流损失的要求。同时,本发明方法采用连续退火方式,大大提高了产品的均匀性,降低生产成本,给生产厂家和用户带来了更大的经济效益和社会效益。
本发明的有益效果:
1)本发明对钢的化学成分进行了优化,添加适量微合金元素,保证了钢板的强度和磁感应强度的要求,从而解决了高强度与高磁感应强度之间的矛盾,钢板强度和磁感应强度配合良好,产品具有更加优良的综合性能。
2)本发明所述制造方法生产周期短,机组产能高。尤其是,与罩式退火相比(罩式炉退火周期在50~80小时),本发明采用连续退火具有生产效率高、生产周期短(退火周期不超过1.1小时)、能耗低及劳动定员少、产品性能均匀等优点。
3)本发明制造出的磁极钢产品性能均匀,头尾性能差异小,磁感应强度B50≥1.60T,且由于采用连续退火,磁性能均匀(头尾性能差异小于0.02T);产品具有良好的机械性能,其下屈服强度Rel≥450MPa,抗拉强度Rm≥550MPa,断裂伸长率A50≥18%,钢板的磁感应强度和强度配合良好。
4)本发明制造出的磁极钢产品板形良好,横向厚差小,同板差≤0.02mm,尺寸精度高;产品表面质量好,综合成材率高。
附图说明
图1为本发明实施例钢的典型微观组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例钢的成分,表2为本发明实施例钢的制造工艺,表3为本发明实施例钢的力学性能和磁性能。
本发明实施例的制造方法,具体步骤如下:
1)板坯加热,加热温度为1230~1280℃。
2)热轧:终轧温度为830~900℃;变形采用7道次轧制,钢坯由30mm最终轧成2~4mm规格的薄钢板,轧制后采用喷射式水冷方式冷却至530~590℃进行卷取。
3)采用空冷方式冷却,将热轧钢卷冷却到60~80℃进行酸洗。
4)冷轧:冷轧压下率为41~75%,冷轧成1~2mm规格的薄钢板。
5)在连续退火炉中以790~830℃的均热段温度进行连续退火,均热段时间为120~200s。
6)采用0.3~0.9%平整延伸率进行平整,制成450MPa级的冷轧磁极钢。
图1为本发明钢的典型微观组织照片,由图1可知,本发明制造的冷轧磁极钢的微观组织为:铁素体+析出物,析出物以碳化铌+碳化钛为主。
本发明实施例钢的力学性能和磁性能如表3所示。由表3可知,采用本发明方法生产的冷轧磁极钢产品的下屈服强度Rel≥450MPa,抗拉强度Rm≥550MPa,磁感应强度B50≥1.60T,断裂伸长率A50≥18%。
表1单位:质量百分比
C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | Ti | N | |
实施例1 | 0.0658 | 0.061 | 1.048 | 0.0121 | 0.0025 | 0.0319 | 0.0126 | 0.07 | 0.004 |
实施例2 | 0.0639 | 0.085 | 1.039 | 0.0142 | 0.0019 | 0.0395 | 0.0147 | 0.0727 | 0.0028 |
实施例3 | 0.0616 | 0.116 | 1.041 | 0.0079 | 0.0021 | 0.0492 | 0.0175 | 0.0785 | 0.005 |
实施例4 | 0.0664 | 0.096 | 1.039 | 0.0097 | 0.0015 | 0.0494 | 0.0124 | 0.085 | 0.0027 |
实施例5 | 0.0551 | 0.053 | 1.021 | 0.0144 | 0.0022 | 0.0444 | 0.0133 | 0.0722 | 0.0023 |
实施例6 | 0.0642 | 0.109 | 1.022 | 0.0105 | 0.003 | 0.0344 | 0.015 | 0.0659 | 0.0036 |
实施例7 | 0.0686 | 0.104 | 0.984 | 0.0132 | 0.0008 | 0.0446 | 0.0131 | 0.0846 | 0.0042 |
实施例8 | 0.0656 | 0.07 | 0.994 | 0.0086 | 0.0029 | 0.0422 | 0.0133 | 0.0762 | 0.0031 |
实施例9 | 0.0636 | 0.082 | 1.035 | 0.0094 | 0.0011 | 0.05 | 0.0135 | 0.0827 | 0.0035 |
表2
表3
Claims (8)
1.一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢,其化学成分质量百分比为:C:0.05~0.09%,Mn:0.75~1.15%,P≤0.025%,S≤0.01%,Al:0.015~0.05%,N≤0.01%,Nb:0.005~0.02%,Ti:0.05~0.09%,其余为Fe和不可避免的杂质,且上述成分含量必须同时满足如下关系:Ti≥0.03%+3.43*N。
2.根据权利要求1所述的屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢,其特征在于,所述冷轧磁极钢的化学成分还含有:0<Si≤0.15%,以质量百分比计。
3.根据权利要求1或2所述的屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢,其特征在于,所述冷轧磁极钢的微观组织为:铁素体+以碳化铌、碳化钛为主的析出物。
4.根据权利要求1-3任一项所述的屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢,其特征在于,所述冷轧磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa,磁感应强度B50≥1.6T。
5.一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按下述化学成分经冶炼、铸造后得板坯;所述化学成分的质量百分比为:C:0.05~0.09%,Mn:0.75~1.15%,P≤0.025%,S≤0.01%,Al:0.015~0.05%,N≤0.01%,Nb:0.005~0.02%,Ti:0.05~0.09%,其余为Fe和不可避免的杂质,且上述成分含量必须同时满足如下关系:Ti≥0.03%+3.43*N;
2)加热:将板坯加热至1230~1280℃;
3)热轧:终轧温度为830~900℃,卷取温度为530~590℃;
4)酸洗:将热轧钢卷冷却至60~80℃进行酸洗;
5)冷轧:冷轧压下率为41~75%;
6)连续退火:均热段温度为790~830℃,均热段时间为120~200s;
7)平整:采用0.3~0.9%平整延伸率进行平整,制成450MPa级冷轧磁极钢。
6.根据权利要求5所述的屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢的制造方法,其特征在于,步骤1)中所述化学成分还含有:0<Si≤0.15%,以质量百分比计。
7.根据权利要求5或6所述的屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢的制造方法,其特征在于,所述冷轧磁极钢的微观组织为:铁素体+以碳化铌、碳化钛为主的析出物。
8.根据权利要求5-7任一项所述的屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢的制造方法,其特征在于,所述冷轧磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa,磁感应强度B50≥1.6T。
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- 2016-04-27 CN CN201610268171.1A patent/CN105803324B/zh active Active
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