CN107130169A - 一种高强度含铜冷轧无取向硅钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度含铜冷轧无取向硅钢及制造方法，属于钢铁加工技术领域。该硅钢成分为：0.001‑0.0015wt.％C，2.5‑3.0wt.％Si，0.8‑1.0wt.％Al，0.5‑0.8wt.％Mn，1.5‑2.0wt.％Cu，0.75‑1.5wt.％Ni，Nb≤0.005wt.％，余为Fe及不可避免的不纯物，通过控制二次冷轧压下量、退火工艺以及时效工艺，从而使无取向硅钢的磁感强度、铁损以及屈服强度达到平衡。本发明开发的钢种经过上述冷轧、退火及时效工艺处理后，磁感强度B50为1.64‑1.66T，铁损W1.0/50为2.5‑3.5W/kg，W1.0/400为20.04‑25.04W/kg，下屈服强度ReL为750‑810MPa，抗拉强度Rm为800‑870MPa，延伸率为15％‑20％，已经达到并且超越了普通高强度无取向硅钢对性能方面的要求。

Description

一种高强度含铜冷轧无取向硅钢及制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁加工技术领域，特别是指一种高强度含铜冷轧无取向硅钢及制造方法。
背景技术
近年来，随着新能源汽车的迅猛发展，对作为驱动电机和微型电机铁芯材料的无取向硅钢的性能要求更高。作为高效率的驱动电机，需要满足高速旋转并获得高的转矩，同时还需要保证较高的磁感应强度以及较低的高频铁损。因此，实际生产与使用中要求驱动电机较传统无取向电工钢强度高200MPa以上，且在提高强度同时还需保证不能损害其优良的磁性能。
到目前为止主要是通过优化无取向硅钢成分以及改善织构达到改善无取向磁感的目的。在成分设计上，电机所用的无取向硅钢成分通常都是超低碳、氮(质量分数均小于50×10-6)和高硅，有时还需要加入高Al含量来保证其优异的磁性能特别是低的铁损，也有通过添加稀土元素达到改善磁感强度的目的。在改善织构方面，主要通过粗化热轧带晶粒、适量添加Sn、Sb、Cu、Mn等元素、利用AlN的析出、薄带铸轧以及利用初始柱状晶等方法抑制有害织构，增加有利织构来改善无取向硅钢的磁感强度。为了满足无取向硅钢的强度，目前主要是通过固溶强度、沉淀强化及位错强化等方式达到目的。如何通过控制织构改善磁感强度的同时，利用各种强化方式改善无取向硅钢的力学性能使其综合性能达到最佳点，是本发明的特点之一。
传统磁性硅钢通过Si的固溶强化提高强度同时降低铁损，但最多只能提高至550MPa左右，更高Si含量导致不可轧制，此外随着Si含量的提高磁感应强度随之降低。因此，也有通过添加Al以替代Si的相关工作。其中，日本专利特开平10-25554在Si、Al总量不变的前提下，通过增加Al和Si含量以改善材料磁感应强度的目的，但随着Al含量升高、Si含量降低，材料铁损开始出现劣化，材料机械性能也随之降低。此外，随着Al含量的提高对冶炼工艺提出了更加严格的要求。
专利CN102453838A公开了一种“较高磁感的高强度无取向电工钢及其制造方法”，在传统的生产工艺上，通过改进成分添加1％-8％Cr以及0.5％-5％Ni使基体固溶大量的合金元素以提高无取向硅钢的力学性能的同时，也提高了高强度无取向硅钢的生产成本；专利CN106282781A公开了一种“基于纳米Cu析出强化制备高强度无取向硅钢的方法”，通过添加0.5％-2.0％Cu和0.3％-2.0％Ni以及经过薄带铸轧工艺生产的高强度无取向硅钢性能如下：磁感强度B50为1.67-1.74T，铁损P1.0/400为22.5-31.5W/kg，屈服强度Rp0.2为640-750MPa，抗拉强度为700-850MPa。虽然此专利的力学性能和磁感强度较高，但高频铁损较高以及薄板铸轧技术在目前原有工业生产中难以实现。
早在20世纪中期，研究人员就对铜在钢中析出强化方面进行了深入的研究。相较于Ti、Nb、V等元素碳氮化物第二相粒子对磁畴的影响，富铜相对无取向硅钢磁畴的移动阻力小很多，故富铜相的析出几乎不影响磁感应强度。此外由于富铜相的析出对无取向硅钢强度得到了较大程度的提高，而富铜相在钢中是一种含有铁的亚稳Cu-Fe相，具有一定的塑性变形能力，因此使得含铜钢在较高强度的前提下仍具有较好的塑性。鉴于此，在对无取向硅钢进行强化时，只需要对C、N等引起磁时效元素进行严格控制并对无取向硅钢采用时效工艺便能达到较为理想的效果。而本发明的特点是在现有生产工艺的基础上，在不大幅度增加生产成本的前提下，通过优化无取向硅钢的成分以及适当改进部分生产工艺达到高强度无取向硅钢更好的综合性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度含铜冷轧无取向硅钢及制造方法，在0.001-0.0015wt.％C，2.5-3.0wt.％Si，0.8-1.0wt.％Al的冷轧无取向硅钢中加入适量的铜及镍元素，在适当的热轧和卷曲工艺下，采用二次冷轧工艺促进无取向硅钢中有利织构组分增加，同时减少不利织构的生成，从而使无取向硅钢磁感强度得以改善。此外，采用时效工艺使退火过程中固溶的铜元素以第二相析出，从而达到强化无取向硅钢的目的。
该硅钢的化学成分为：0.001-0.0015wt.％C，2.5-3.0wt.％Si，0.8-1.0wt.％Al，0.5-0.8wt.％Mn，1.5-2.0wt.％Cu，0.75-1.5wt.％Ni，Nb≤0.005wt.％，余为Fe及不可避免的不纯物，通过控制二次冷轧压下量、退火工艺以及时效工艺，从而使无取向硅钢的磁感强度、铁损以及屈服强度达到平衡。其中Cu元素的添加是为了得到纳米级析出相，起到沉淀强化的作用。
该高强度含铜冷轧无取向硅钢的制造方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：按照化学成分百分比分别称取原料，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得钢液；
(2)铸造：将步骤(1)所获得的钢液采用连铸或浇铸，得到铸锭，并将得到的铸锭进行锻造，锻坯厚度为35-40mm；
(3)热轧：在1100-1200℃下将步骤(2)得到的锻坯保温1-2h，随后经轧机进行不少于五道次轧制，总压下率为92-94％，每道次压下率为28％-35％，终轧温度控制在850℃以上，随后将热轧板在550℃-650℃条件下保温1h以上后随炉冷却；
(4)常化：在纯氮或保护性气氛下，将步骤(3)制得的热轧板在980℃-1030℃条件下保温3-5min，随后将热轧板取出空冷至室温，得到常化板；
(5)一次冷轧与退火：将步骤(4)制得的常化板进行酸洗处理，然后进行一次冷轧至0.5mm，再在25％H2+75％N2气氛和800℃-900℃条件下保温2-5min，将得到的一次退火板取出空冷至室温；
(6)二次冷轧与退火：将步骤(5)制得的一次退火板进行第二次冷轧，压下量控制在15％-40％，然后在25％H2+75％N2气氛和940℃-1020℃条件下保温3-5min，将得到的二次退火板取出空冷至室温；
(7)时效处理：将步骤(6)制得的二次退火板进行时效处理工艺，在20％-40％H2气氛和500℃-600℃条件下保温20-40min，随后将时效处理后的钢板取出空冷至室温，制得高强度含铜冷轧无取向硅钢。
制得的硅钢的磁感强度B50为1.64-1.66T，铁损W1.0/50为2.5-3.5W/kg，W1.0/400为20.04-25.04W/kg，下屈服强度ReL为750-810MPa，抗拉强度Rm为800-870MPa，延伸率为15％-20％。其较好的力学性能归因于含铜相粒子的沉淀强化，形变过程中，根据Frank-Read强化理论，实验钢中的含铜相粒子与变形的过程生成的位错进行交互作用，纳米级的含铜相粒子相会钉扎位错，此外由于含铜相粒子不是刚性粒子，因此粒子能够承受一定的塑性变形，无取向硅钢的塑性相较于其他沉淀强化较高。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
由于本发明是利用时效过程析出的铜相粒子强化无取向硅钢，通过二次冷轧改善无取向硅钢织构，故有别于目前现有的冷轧无取向硅钢的生产。生产工艺简单，可广泛应用于不同生产水平的冷轧无取向硅钢生产厂家，工艺通用性较强。
附图说明
图1为本发明980℃常化样品金相图；
图2为本发明940℃退火后样品EBSD图；
图3为本发明940℃退火样品磁滞曲线图；
图4为本发明940℃退火样品应力应变图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种高强度含铜冷轧无取向硅钢及制造方法。
实施例1
化学成分(以质量百分数计)为：0.0013％C，0.53％Mn，0.80％Al，2.84％Si，0.0030％N，0.0027％Nb，0.0018％S，0.0045％P，1.8％Cu，1.2％Ni，其余为铁和不可避免的杂质。
锻坯经过1150℃保温1.5h后，经过轧机进行7道次轧制，总压下率为94％，每道次压下率为31％，终轧温度为870℃，随后将热轧板在650℃条件下保温1h后随炉冷却。接着将热轧板在980℃和干的100％N2保护性气氛下保温5min后并取出空冷至室温。常化板经酸洗去除氧化铁皮后，冷轧至0.5mm，然后将冷轧板在850℃和干的25％H2+75％N2保护性气氛下保温3min，随后取出并空冷至室温。对退火板再进行第二次冷轧至0.35mm，然后在940℃和干的25％H2+75％N2保护性气氛下保温5min后，立即将退火板取出空冷至室温。将退火板在550℃和干的25％H2+75％N2保护性气氛下保温30min，随后取出冷却至室温。所得产品的磁性能B50＝1.65T，铁损W1.0/400＝22.29W/kg,W1.0/50＝3.285W/kg，力学性能为：ReL＝750MPa，Rm＝845MPa，延伸率为18.90％。
其中，980℃常化样品金相图如图1所示，940℃退火后样品EBSD图如图2所示，940℃退火样品磁滞曲线图如图3所示，940℃退火样品应力应变图如图4所示。
实施例2
化学成分(以质量百分数计)为：0.0015％C，0.62％Mn，0.91％Al，2.92％Si，0.0030％N，0.0025％Nb，0.0018％S，0.0045％P，1.5％Cu，0.8％Ni，其余为铁和不可避免的杂质。
锻坯经过1150℃加热后，通过轧机进行7道次轧制，总压下率为94％，每道次压下率为31％，终轧温度为870℃，随后将热轧板在600℃条件下保温1h后随炉冷却。接着将热轧板在1030℃和干的100％N2保护性气氛下保温3min后取出空冷。常化板经酸洗去除氧化铁皮后，冷轧至0.5mm，然后将冷轧板在800℃和干的25％H2+75％N2保护性气氛下保温5min，随后取出空冷至室温。接着对退火板再进行二次冷轧至0.35mm，然后在980℃和干的25％H2+75％N2保护性气氛下保温4min后，立即将退火板取出空冷至室温。将退火板在600℃和干的30％H2+70％N2保护性气氛下保温20min，随后取出冷却至室温。所得产品的磁性能B50＝1.66T，铁损W1.0/400＝25.04W/kg,W1.0/50＝3.175W/kg，力学性能为：ReL＝745MPa，Rm＝845MPa，延伸率为15.12％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高强度含铜冷轧无取向硅钢，其特征在于：化学成分为：0.001-0.0015wt.％C，2.5-3.0wt.％Si，0.8-1.0wt.％Al，0.5-0.8wt.％Mn，1.5-2.0wt.％Cu，0.75-1.5wt.％Ni，Nb≤0.005wt.％，余为Fe。
2.根据权利要求1所述的高强度含铜冷轧无取向硅钢的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)冶炼：按照化学成分百分比分别称取原料，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得钢液；
(2)铸造：将步骤(1)所获得的钢液采用连铸或浇铸，得到铸锭，并将得到的铸锭进行锻造，锻坯厚度为35-40mm；
(3)热轧：在1100-1200℃下将步骤(2)得到的锻坯保温1-2h，随后经轧机进行不少于五道次轧制，总压下率为92-94％，每道次压下率为28％-35％，终轧温度控制在850℃以上，随后将热轧板在550℃-650℃条件下保温1h以上后随炉冷却；
(4)常化：在纯氮或保护性气氛下，将步骤(3)制得的热轧板在980℃-1030℃条件下保温3-5min，随后将热轧板取出空冷至室温，得到常化板；
(5)一次冷轧与退火：将步骤(4)制得的常化板进行酸洗处理，然后进行一次冷轧至0.5mm，再在25％H2+75％N2气氛和800℃-900℃条件下保温2-5min，将得到的一次退火板取出空冷至室温；
(6)二次冷轧与退火：将步骤(5)制得的一次退火板进行第二次冷轧，压下量控制在15％-40％，然后在25％H2+75％N2气氛和940℃-1020℃条件下保温3-5min，将得到的二次退火板取出空冷至室温；
(7)时效处理：将步骤(6)制得的二次退火板进行时效处理工艺，在20％-40％H2气氛和500℃-600℃条件下保温20-40min，随后将时效处理后的钢板取出空冷至室温，制得高强度含铜冷轧无取向硅钢。
3.根据权利要求1所述的高强度含铜冷轧无取向硅钢，其特征在于：所述硅钢的磁感强度B50为1.64-1.66T，铁损W1.0/50为2.5-3.5W/kg，W1.0/400为20.04-25.04W/kg，下屈服强度ReL为750-810MPa，抗拉强度Rm为800-870MPa，延伸率为15％-20％。
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