CN105849300A - 无取向性电工钢板及其制造方法 - Google Patents

无取向性电工钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无取向性电工钢板的制造方法。本发明的无取向性电工钢板的制造方法包括以下步骤：对板坯进行再加热，所述板坯以重量百分比(wt％)计包含以下组分：Si:2.0～4.0％、酸溶铝:0.01～0.04％、Mn:0.20％以下、Sb：0.005～0.10％、N:0.005％以下、S:0.005％以下、C:0.005～0.015％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；对所述板坯进行热轧以制造热轧钢板；对所述热轧钢板进行冷轧以制造冷轧钢板；对所述冷轧钢板进行初次再结晶退火；以及对完成所述初次再结晶退火的冷轧钢板进行高温退火。

Description

无取向性电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种无取向性电工钢板及其制造方法。
背景技术
无取向性电工钢板主要用于将电能转换为机械能的机器上，而为了在电能转换为机械能的过程中发挥高效率需要具有优秀的磁特性。
磁特性有铁损和磁通密度，铁损低就可减少能量转换过程中损耗的能量，而磁通密度高就能以少量电能生产更大动力，因此无取向性电工钢板的铁损低且磁通密度高时，可以增加电机的能效。
尤其，近来用于环保车驱动电机的最高级无取向性电工钢板作为高速旋转用电工钢板使用，因此把降低高频铁损看得很重要，通常高频铁损是指400Hz或更高频率下的铁损，为了降低高频铁损，重要的是要增加材料的电阻率。
为了提高无取向性电工钢板的磁特性，通常采用的方法是作为合金元素添加Si。通过添加Si钢的电阻率增加时，具有高频铁损降低的优点，但是磁通密度劣化、加工性降低，若添加量为3.5％以上，则冷轧会变得困难。
因此，正在尝试除了Si外还添加Al、Mn等增加比电阻的元素的方法。通过添加这些元素可减少铁损，但存在总合金量的增加导致磁通密度劣化、材料硬度增加及加工性变差导致冷轧变得困难的缺点。不仅如此，Al和Mn与钢板中的不可避免的杂质结合而析出微小的氮化物或硫化物等，反而会使铁损劣化。
基于这样的理由，为了提高无取向性电工钢板的磁特性，钢的高纯净化也很重要。因为在炼钢阶段将杂质含量控制为极低使最终产品中存在的夹杂物减少到最低，就能降低铁损。然而，磁通密度通过钢的高纯净化不会有太大提高，还成为炼钢操作性降低及费用增加的因素。
无取向性电工钢板的磁特性也会受到织构的很大影响。在无取向性电工钢板中具有如下织构会有利于磁特性：结晶取向中{001}面与板面平行的取向的分数高，以及{111}面与板面平行的取向的分数低。
以往提出了通过控制织构来提高磁特性的各种方法。日本专利公报第2004-197217号提出了热轧板退火后使晶粒大小变成400μm以上，再进行冷轧及再结晶退火的方法。
日本专利第1996-088114号提出了通过包含中间退火的二次冷轧法使有利于磁特性的织构发达的方法。然而，通过这些新工艺来提高织构的方法均存在适用于实际生产工艺时生产性过低或费用增加的问题。
此外，诸多文献中还提出了通过添加微量的晶界偏析元素来提高织构的方法。然而，本发明人亲自实验的结果，添加各文献中给出的范围内的元素，织构及磁性几乎没有得到改善。
发明内容
技术问题
本发明一实施例提供一种无取向性电工钢板。
本发明另一实施例提供一种无取向性电工钢板的制造方法。
技术方案
为了达到上述目的，本发明一实施例提供一种无取向性电工钢板，其以重量％计包含以下组分：Si：2.5～3.5％、Al：0.3～1.5％、Mn：0.3～1.5％、N：0.001～0.005％和S：0.001～0.005％、以及选自Sb：0.02～0.25％和Sn：0.02～0.25％中的一种或两种，余量为Fe及其他不可避免的杂质，所述Al、Mn、Sb和Sn的含量满足下式1至3。
0.9<([Al]+[Mn])<1.5 式1
0.05<([Sb]+[Sn])<0.25 式2
0.04<([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])<0.17 式3
在所述式1至3中，[Al]、[Mn]、[Sb]和[Sn]分别表示Al、Mn、Sb和Sn的重量百分比(％)。
所述电工钢板的厚度可以是0.15～0.35mm。
所述电工钢板包含复合夹杂物，所述复合夹杂物包含选自AlN和MnS中的一种或两种，大小为10nm以上的复合夹杂物的分布密度可以是0.02个/mm2以下。
所述电工钢板的平均晶粒大小可以是50～150μm。
所述电工钢板的{001}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的分数可以是25％以上。
本发明另一优选实施例提供一种无取向性电工钢板的制造方法，其包括以下步骤：制造板坯，所述板坯以重量％计包含以下组分：Si：2.5～3.5％、Al：0.3～1.5％、Mn：0.3～1.5％、N：0.001～0.005％和S：0.001～0.005％、以及选自Sb：0.02～0.25％和Sn：0.02～0.25％中的一种或两种，余量为Fe及其他不可避免的杂质，所述Al、Mn、Sb和Sn的含量满足下式1至3；将所述板坯再加热后进行热轧以制造热轧钢板；对所述热轧钢板进行冷轧以制造冷轧钢板；以及对所述冷轧钢板进行最终退火。
0.9<([Al]+[Mn])<1.5 式1
0.05<([Sb]+[Sn])<0.25 式2
0.04<([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])<0.17 式3
在所述式1至3中，[Al]、[Mn]、[Sb]和[Sn]分别表示Al、Mn、Sb和Sn的重量百分比(％)。
在所述制造方法中，经所述最终退火的电工钢板包含复合夹杂物，所述复合夹杂物包含选自AlN和MnS中的一种或两种，大小为10nm以上的夹杂物的分布密度可以是0.02个/mm2以下。
在所述制造方法中，所述电工钢板的平均晶粒大小可以是50～150μm。
在所述制造方法中，经所述最终退火的电工钢板，其中{001}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的分数可以是25％以上。
所述再加热可在1100℃～1,200℃的温度下实施。
所述热轧可在800℃以上的温度下完成。
所述制造方法还可包括以下步骤：对所述热轧钢板进行热轧板退火。
所述热轧板退火可在850～1150℃的温度下实施。
在所述制造方法中，所述冷轧钢板可适用70～95％的压下率制造成厚度为0.15～0.35mm。
所述最终退火可在850～1100℃的温度下实施。
有益效果
根据本发明，通过对Si、Al、Mn、Sb和Sn等的含量进行优化，减少钢板中夹杂物的分布密度改善铁损，同时提高{001}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的分数，从而可提供具有优秀的磁通密度的无取向性电工钢板。因此，可以提高环保车驱动电机的效率。
具体实施方式
参照以下详述的实施例会清楚地理解本发明的优点、特点及实现这些的方法。但，本发明并不局限于下面公开的实施例，可以通过各种不同方式实施，提供下述实施例的目的在于，充分地公开本发明以及使所属领域技术人员完整地了解本发明的范畴，本发明的保护范围应以权利要求书为准。
下面，详细地说明本发明优选实施例的无取向性电工钢板。
本发明一实施例的无取向性电工钢板，其以重量％计包含以下组分：Si：2.5～3.5％、Al：0.3～1.5％、Mn：0.3～1.5％、N：0.001～0.005％和S：0.001～0.005％、以及选自Sb：0.02～0.25％和Sn：0.02～0.25％中的一种或两种，余量为Fe及其他不可避免的杂质,所述Al、Mn、Sb和Sn的含量满足下式1至3。
0.9<([Al]+[Mn])<1.5 式1
0.05<([Sb]+[Sn])<0.25 式2
0.04<([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])<0.17 式3
在所述式1至3中，[Al]、[Mn]、[Sb]和[Sn]分别表示Al、Mn、Sb和Sn的重量百分比(％)。
所述无取向性电工钢板的厚度可以是0.15～0.35mm。
所述无取向性电工钢板在钢板中形成复合夹杂物，所述复合夹杂物包含AlN或MnS中的一种或至少一种，大小为10nm以上的夹杂物的分布密度是0.02个/mm2，对织构进行检测时，{001}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的分数为25％以上，钢板的平均晶粒大小介于50～150μm的范围，因此制造成产品时，可以提供磁通密度高且铁损(W10/400)低的无取向性电工钢板(其中，电工钢板的板面是指将电工钢板的轧制方向作为x轴以及电工钢板的宽度方向作为y轴时的xy面)。
下面说明对构成本发明的成分元素的范围和成分元素间的添加比率进行限制的理由。
[Si：2.5～3.5重量％]
Si起到提高材料的比电阻而降低铁损的作用。当添加量不足2.5％时，高频铁损改善效果不充分，当添加量超过3.5％时，材料的硬度会上升，从而导致生产性及冲压性能变差。更具体地，添加量可为2.7～3.4重量％。
[Al：0.3～1.5重量％]
Al提高材料的比电阻而降低铁损，并且形成氮化物。当Al的添加量不足0.3％时，对高频铁损降低不会产生效果，而且形成微小的氮化物会使磁性劣化，当添加量超过1.5％时，在炼钢和连铸等所有工艺上会出现问题，从而导致生产性大大降低。更具体地，添加量可为0.5～1.0重量％。
[Mn：0.1～1.5重量％]
Mn起到提高材料的比电阻而改善铁损以及形成硫化物的作用。当添加量为0.3％以下时，析出微小的MnS会使磁性劣化，而且几乎不会产生高频铁损改善效果。当Mn的添加量超过1.5％时，会促使不利于磁性的{111}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构增长，从而导致磁通密度降低，因而Mn的添加量优选限制为0.1～1.5％。更具体地，添加量可为0.1～0.7重量％。
在所述Si组分范围内，将[Al]+[Mn]限制为0.9～1.5的理由如下：在0.9％以下的范围下，使析出的夹杂物粗大的效果小，并且高频铁损改善效果甚微，而在1.5％以上的范围下，因合金量增加而造成材料的硬度变高，从而导致生产性变差。
[N：0.001～0.005重量％]
N在基底材料内部形成微小细长的AlN析出物，从而会抑制晶粒成长导致铁损劣化，因此优选N的含量尽可能少，但在本发明中N的扩散受到晶界偏析元素的限制，因此将N的含量限制为0.001～0.005％，更具体地可限制为0.0021～0.0024％。
[S：0.001～0.005重量％]
S形成微小析出物MnS和CuS会使磁特性劣化，S的含量优选控制得低一些，因此作为钢中必然会存在的元素，优选在炼钢中尽可能排除精炼过程，但在本发明中S的扩散受到晶界偏析元素的限制，因此将S的含量限制为0.001～0.005％，更具体地可限制为0.0019～0.0024％。
[Sb：0.02～0.25重量％]
Sb起到如下作用：在钢板的表面和晶界处偏析而抑制退火时的表面氧化，并阻碍通过晶界进行的元素扩散，还阻碍{111}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的再结晶，从而改善织构。当添加量为0.02％以下时，不会产生这些效果，当添加量为0.25％以上时，晶界偏析量增加导致韧性降低，从而造成生产性相对于磁性改善降低，因此添加量不应该超出所述范围。更具体地，添加量可为0.03～0.12％。
[Sn：0.02～0.25重量％]
Sn起到如下作用：在钢板的表面和晶界处偏析而抑制退火时的表面氧化，并阻碍通过晶界进行的元素扩散，还阻碍{111}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的再结晶，从而改善织构。当添加量为0.02％以下时，不会产生这些效果，当添加量为0.25％以上时，晶界偏析量增加导致韧性降低，从而造成生产性相对于磁性改善降低，因此添加量不应该超出所述范围。更具体地，添加量可为0.03～0.12％。
将([Sb]+[Sn])限制为0.05～0.25％的理由如下：在该范围内具有最好的磁性改善效果。在0.05％以下的范围下不会产生磁性改善效果，而在0.25％以上的范围下反而会使磁性劣化且材料的韧性过于降低，生产性方面会出现问题。更具体地，([Sb]+[Sn])可限制为0.06～0.24％。
将([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])限制为0.04～0.17的理由如下：在该范围内，Sb和Sn在晶界处偏析，从而阻碍N和S的晶界扩散而阻碍析出物的生成，并且抑制最终退火时{111}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构生成，可以形成有利于磁性的织构。若([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])值超出所述范围，磁性反而会劣化，并且铁损会增加。更具体地，([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])可限制为0.05～0.16。
除了所述的元素之外，还可包含C、Ti、Nb等元素。C会导致磁时效，因此应该限制在0.004％以下，优选为0.003％以下。Ti会促进无取向性电工钢板中不必要的结晶取向即{111}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构成长，因此可包含0.004％以下，更优选为0.002％。
下面，对本发明的无取向性电工钢板的制造方法进行说明。
在本发明的无取向性电工钢板的制造方法的炼钢阶段，为了将杂质混入降到最低，优选使用纯度高的合金元素。
如此制成的钢水在连铸工艺中被凝固而制造板坯。将板坯装入加热炉在1100℃以上、1,200℃以下的温度下进行再加热。在1200℃以上的温度下进行再加热时，析出物再溶解而在热轧后微量析出，因此在1200℃以下的温度下进行再加热。
板坯被再加热后，接着进行热轧。热轧时，热轧终轧优选在800℃以上的温度下实施。
热轧后的热轧板在850～1150℃的温度下进行热轧板退火。若热轧板退火温度低于850℃，则织构不会成长或微成长，因而磁通密度上升效果小，若退火温度超过1,150℃，则磁特性反而劣化，并且板形状的变形可能会导致轧制操作性变差，因此将该温度范围限制为850～1150℃。更优选的热轧板的退火温度为950～1150℃。热轧板退火是为了根据需要增加有利于磁性的取向而实施的，但是也可以省略热轧板退火。
如上所述，实施或省略热轧板退火，接着将热轧板酸洗后进行冷轧以达到预定的板厚。
冷轧可适用约70～95％的压下率以0.35mm以下的厚度制造冷轧板。更具体地，厚度可为0.15～0.35mm。当厚度为0.35mm以下时，在高频下电工钢板的铁损改善及磁通密度优秀。
其中，压下率是指(轧制前厚度-轧制后厚度)/(轧制前厚度)。
冷轧后的冷轧板实施最终退火。若最终退火温度低于850℃，则不会充分地产生再结晶，若最终退火温度超过1100℃，则结晶粒径变得过大会使高频铁损劣化，因此最终退火优选在850～1100℃的温度下实施，以使结晶粒径达到50～150μm。
下面，通过实施例对本发明的无取向性电工钢板的制造方法进行说明。但，下述实施例只是例示本发明而已，本发明的内容不限于下述实施例。
<实施例>
在实验室通过真空熔炼制造了具有如下表1所示成分的钢锭。材料的杂质C、Ti、Nb均控制在0.0025％以下。各材料以1130℃进行再加热后，在870℃下进行热轧终轧制成厚度为2.0mm的热轧板。热轧后的热轧板在1100℃下进行热轧板退火后酸洗，再进行冷轧使厚度变成0.30mm，然后在980℃下实施最终退火100秒钟。
【表1】
钢种 Si Al Mn Sb Sn N S C Ti Nb
A1 2.7 0.5 0.1 0.06 0.06 0.0023 0.0023 0.0019 0.0018 0.0024
A2 2.7 0.5 0.4 0.03 0.03 0.0021 0.0021 0.0024 0.0023 0.0019
A3 2.7 0.7 0.5 0.00 0.03 0.0022 0.0021 0.0018 0.0021 0.0020
A4 2.7 0.9 0.5 0.09 0.09 0.0019 0.0022 0.0021 0.0021 0.0023
A5 2.7 0.9 0.5 0.03 0.00 0.0024 0.0019 0.0021 0.0020 0.0021
A6 2.7 0.9 0.9 0.06 0.12 0.0018 0.0024 0.0023 0.0023 0.0022
A7 3.0 0.3 0.3 0.02 0.00 0.0023 0.0021 0.0021 0.0020 0.0024
A8 3.0 0.7 0.5 0.03 0.06 0.0021 0.0024 0.0024 0.0023 0.0021
A9 3.0 0.9 0.6 0.06 0.06 0.0021 0.0024 0.0021 0.0021 0.0021
A10 3.0 0.9 0.9 0.03 0.02 0.0024 0.0021 0.0021 0.0024 0.0020
A11 3.4 0.3 0.4 0.03 0.03 0.0019 0.0020 0.0023 0.0020 0.0023
A12 3.4 0.6 0.4 0.06 0.03 0.0021 0.0021 0.0019 0.0023 0.0021
A13 3.4 0.6 0.5 0.12 0.12 0.0024 0.0020 0.0019 0.0021 0.0020
A14 3.4 0.6 0.7 0.03 0.03 0.0017 0.0024 0.0024 0.0019 0.0021
A15 3.4 0.7 0.6 0.06 0.06 0.0017 0.0019 0.0021 0.0021 0.0021
A16 3.4 0.8 0.1 0.06 0.06 0.0022 0.0021 0.0019 0.0021 0.0021
A17 3.4 0.9 0.1 0.09 0.09 0.0024 0.0023 0.0021 0.0020 0.0020
A18 3.4 1.0 0.5 0.12 0.12 0.0021 0.0021 0.0021 0.0019 0.0021
A19 3.4 1.0 0.6 0.15 0.13 0.0020 0.0019 0.0020 0.0024 0.0020
将各自的主要成分添加量和比率、铁损、磁通密度、夹杂物分布密度、{001}//ND分数({001}面与电工钢板的板面在15°内平行的织构的分数)示于表2中。磁特性是利用单片测试仪(Single sheet tester)测量轧制方向和垂直方向后进行平均而算出的。用于观察夹杂物的样品制作利用了钢铁材料中的普通方法即复制法(replica method)，作为装置使用了透射电子显微镜。此时，施加了200kV的加速电压。对织构利用EBSD进行了测定，通过计算ODF算出了包含误差范围15°内的取向的{001}//ND分数。
【表2】
参照表2可知，对于满足本发明中给出的Al+Mn、Sb+Sn、(Sb+Sn)/(Al+Mn)的范围的A2、A4、A8、A9、A11、A12、A14、A15、A16、A18，大小为10nm以上的夹杂物分布密度较低是0.02个/mm2以下。因此，铁损低，同时{001}//ND分数为25％以上显示磁通密度高。
另一方面，对于钢种A1、A11，Al+Mn的含量低于本发明的范围，虽然磁通密度良好但铁损劣化。对于钢种A6，Al+Mn的含量超出本发明的范围，夹杂物分布密度增加且铁损劣化。对于钢种A7、A10，Sb+Sn的含量低于本发明的范围，织构劣化导致磁通密度低。对于钢种A19，Sb+Sn的含量高于本发明的范围，铁损和加工性劣化。
对于钢种A13、A17，(Sb+Sn)/(Al+Mn)的比率高于本发明的范围，铁损和加工性劣化。对于钢种A3、A5，(Sb+Sn)/(Al+Mn)的比率低于本发明的范围，磁通密度和铁损非常劣化。
以上对本发明的实施例进行了说明，但所属领域的技术人员可以理解，在不改变技术思想及必要特征的情况下，本发明能够以其他具体实施方式实施。

Claims (11)

1.一种无取向性电工钢板，其以重量％计包含以下组分：Si：2.5～3.5％、Al：0.3～1.5％、Mn：0.1～1.5％、N：0.001～0.005％和S：0.001～0.005％、以及选自Sb：0.02～0.25％和Sn：0.02～0.25％中的一种或两种，余量为Fe及其他不可避免的杂质，所述Al、Mn、Sb和Sn的含量满足下式1至3，
0.9<([Al]+[Mn])<1.5 式1
0.05<([Sb]+[Sn])<0.25 式2
0.04<([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])<0.17 式3
在所述式1至3中，[Al]、[Mn]、[Sb]和[Sn]分别表示Al、Mn、Sb和Sn的重量百分比(％)。
2.根据权利要求1所述的无取向性电工钢板，其厚度是0.15～0.35mm。
3.根据权利要求2所述的无取向性电工钢板，其包含复合夹杂物，所述复合夹杂物包含选自AlN和MnS中的一种或两种，大小为10nm以上的复合夹杂物的分布密度是0.02个/mm2以下。
4.根据权利要求3所述的无取向性电工钢板，其平均晶粒大小是50～150μm。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的无取向性电工钢板，其中{111}面与电工钢板的板面在误差范围15°内平行的织构的分数是25％以上。
6.一种无取向性电工钢板的制造方法，其包括以下步骤：
制造板坯，所述板坯以重量％计包含以下组分：Si：2.5～3.5％、Al：0.3～1.5％、Mn：0.1～1.5％、N：0.001～0.005％和S：0.001～0.005％、以及选自Sb：0.02～0.25％和Sn：0.02～0.25％中的一种或两种，余量为Fe及其他不可避免的杂质，所述Al、Mn、Sb和Sn的含量满足下式1至3；
将所述板坯再加热后进行热轧以制造热轧钢板；
对所述热轧钢板进行冷轧以制造冷轧钢板；以及
对所述冷轧钢板进行最终退火，
0.9<([Al]+[Mn])<1.5 式1
0.05<([Sb]+[Sn])<0.25 式2
0.04<([Sb]+[Sn])/([Al]+[Mn])<0.17 式3
在所述式1至3中，[Al]、[Mn]、[Sb]和[Sn]分别表示Al、Mn、Sb和Sn的重量百分比(％)。
7.根据权利要求6所述的无取向性电工钢板的制造方法，其中，
经所述最终退火的电工钢板包含复合夹杂物，所述复合夹杂物包含选自AlN和MnS中的一种或两种，大小为10nm以上的夹杂物的分布密度是0.02个/mm2以下。
8.根据权利要求6或7所述的无取向性电工钢板的制造方法，其中，
所述板坯再加热是在1,100℃～1,200℃的温度下实施。
9.根据权利要求8所述的无取向性电工钢板的制造方法，其中，
所述热轧是在800℃以上的温度下完成。
10.根据权利要求9所述的无取向性电工钢板的制造方法，其还包括以下步骤：
对所述热轧钢板进行热轧板退火，所述热轧板退火是在850～1150℃的温度下实施。
11.根据权利要求10所述的无取向性电工钢板的制造方法，其中，
所述冷轧钢板适用70～95％的压下率制造成厚度为0.15～0.35mm。
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