CN107587039A - 磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：Si:1.0～3.5%，Al:0.5～2.0%，Mn:0.5～2.0%，N≤0.003%，S≤0.002%，C≤0.003%，P≤0.05%，Cu≤0.05%。生产方法：冶炼浇铸；对连铸坯加热；粗轧；精轧；卷取；常化；酸洗；一次法冷轧；退火；分段进行变速冷却；自然冷却至室温，待用。本发明使A1N、MnS、Cu_xS析出物总数不超过200×10⁶/mm³，析出物平均尺寸不小于0.50μm，退火冷却后残余应力不大于70MPa，从而有效抑制A1N、MnS、Cu_xS析出物和残余应力对磁性的不利影响，生产出厚度在0.27~0.35mm，P_1.0/400≤16.0W/kg,B₅₀₀₀≥1.65T的电动汽车驱动电机用无取向硅钢。

Description

磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢及生产方法

技术领域

本发明属于无取向硅钢生产技术领域，具体涉及一种磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法，特别适用于电动汽车驱动电机钢及生产方法。

背景技术

近年来地球环境问题日益突出，很多节能领域都在提倡节能产品，环境应对技术不断发展，汽车领域也不例外，低排放，减少燃料消耗技术取得了长足进步。而电动汽车和混合动力汽车领域是节能减排领域中非常突出的例子，汽车驱动电机的性能直接影响到这些电动汽车的性能。

驱动电机铁芯多使用永磁体，定子和转子一起构成。最近，将永磁体嵌入转子内部的IPM电机已得到广泛使用。并且随着电气驱动技术的发展任意调节转子转速成为可能，转子有高速化倾向。特别是内置永磁电机(IPM),其转速往往可达到10000r/min甚至更高,车内空间狭小要求电机小型轻量化，要求为使硅钢具有高频下铁损低高磁感的性能。工业上随着50-60Hz以上高频励磁比例的升高，高频磁性能发生了变化，400-1kHz时铁芯定子的磁性能改善要求越来越高。

因此，开发高频铁损低，磁感高的硅钢片能提高电机的效率和启动转矩，实现电机的高密度、小体积和轻量化设计，也有利于控制电机的发热和温升，提高电机的寿命。

经检索：日本专利JP 2016-169435 A报道了一种低铁损，高磁感的无取向电工钢板，其化学成分为C:0.005％以下、Si:1.7-3.5％、Mn:0.08-1.5％、P:0.03-0.15％、Sn:0.03-0.15％、S:0.004％以下、Al:0.1-2.0％以下、N:0.004％以下、Mo:0.002-0.2％。该发明成品板厚为0.10-0.25mm。该文献虽然成品铁损随厚度的减薄而明显降低，但是其磁感则明显下降。还有由于其常化采用950-1050℃高温热处理，常化后晶粒尺寸大，使热轧板强度较低，并且由于成分中含有P及Sn元素，其容易在晶界处偏析而导致晶界脆性增大，容易在后续的冷轧过程中发生断带现象。

日本专利文献JP 2012-36474 A，报道了一种无取向电工钢板，其化学成分为C:0.005％以下、Si:1.5-4.0％、Mn:3.0％以下，P:0.20％以下、S:0.01％以下、Al:3.0％以下、N:0.01％以下。该文献出于降低铁损和保证一定磁感的需要，将成品板厚要求在0.10-0.30mm，为了进一步降低损耗，该文献采用二次冷轧法，这就极大增加了生产成本，且该文献要求成品的高斯织构{011}<100>强度范围在1.0-10.0，以提高磁性能水平，但是高斯织构{011}<100>具有强烈的各向异性，其改善铁损和磁感水平的同时会提高成品的各向异性，对于旋转工作的电机来讲，其制造的铁芯各向异性过大会降低电机的运行效率。

日本专利文献JP 2011-179027 A，提出了一种高频铁损特性优异的无取向电磁钢板的制造方法，其成分：C:0.002-0.006％、Cr:0.3-6.0％、Si:2.0-4.0％、Mn:≤1.5％、Al：0.1-3.0％以下、S:0.003％以下、N:0.003％以下，其余基本为Fe的无取向电工钢板，其主要通过添加Cr来降低高频损耗，并通过消除应力退火抑制Cr的碳化物析出，从而降低材料的高频损耗，但由于其Cr含量过高，使磁感降低幅度增大，且消除应力退火又增加了生产成本。

影响磁性能的因素包括化学成分、洁净度、夹杂物、析出相、晶粒尺寸和织构等，以上专利文献均为通过添加合金元素，或者采用二次冷轧，消除应力退火而达到提高磁性能的目的，但不足却均为生产成本明显高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的生产成本较高，成分及工艺不合理造成的磁感降低或断带等不足，提供一种通过优化化学成分及退火冷却，使A1N、MnS、Cu_xS析出物总数不超过200×10⁶/mm³，析出物平均尺寸不小于0.50μm，退火冷却后残余应力不大于70MPa，从而有效抑制A1N、MnS、Cu_xS析出物和残余应力对成品磁性的不利影响，P_1.0/400≤16.0W/kg,B₅₀₀₀≥1.65T的电动汽车驱动电机用无取向硅钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：Si:1.0～3.5％，Al:0.5～2.0％，Mn:0.5～2.0％，N≤0.003％，S≤0.002％，C≤0.003％，P≤0.05％，Cu≤0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。

优选地C≤0.002％。

优选地Cu≤0.05％。

优选地S≤0.001％。

优选地N≤0.002％。

生产磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其步骤：

1)冶炼浇铸:采用转炉冶炼，RH真空精炼，并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度在1000～1200℃

3)进行粗轧，并控制粗轧出口温度不低于850℃；粗轧出口厚度不低于25mm；

4)进行精轧，并控制终轧温度不低于700℃；精轧前4道次总压下率不低于80％；热轧板厚度在1.8～2.8mm；

5)进行卷取，并控制卷取温度不低于650℃；

6)进行常化:并控制均热段温度在750～950℃；均热时间在1～3min；

7)进行酸洗，并控制酸洗液温度在90～120℃，酸洗时间为2～8min，将钢板表面氧化铁皮清洗干净。

8)采用一次冷轧法进行冷轧，轧制4～7道次，前3道次累积压下比不低于80％，末道次压下率不高于20％，成品厚度控制在0.35mm以内。

9)进行退火，退火过程采用N₂，H₂及水蒸气以任意比例混合的混合气体；退火均热时间在1～3min；退火均热温度T满足：

850+100×t≤T≤950+100×t

式中：T—表示为退火均热温度，单位为℃

t—表示为成品厚度，单位为mm；

10)分段进行变速冷却，即从退火均热温度冷却到600℃阶段，控制其冷却速度≤15℃/s；从小于600℃冷却到不超过300℃阶段，冷却速度不低于30℃/s；

11)自然冷却至室温，待用。

优选地从均热温度冷却到600℃阶段，其冷却速度≤10℃/s。

本发明中C、Mn、Si、Al等主要元素的作用及机理：

C：在本发明中，C会引起磁时效，还会形成TiC，使磁性变差，因此尽可能降低其含量。故本发明将其含量控制在:≤0.003％，优选地C≤0.002％。

Si:Si是提高钢板电阻率的元素，从而降低铁损，因此Si含量需要大于1.0％，当硅的添加量过多时，钢板会发生脆化导致轧制困难，因此将Si含量上限设置为3.5％。

Al：其可以借助提高铁素体的电阻率明显降低钢的涡流损耗，在高频涡流损耗比例较大的情况下能显著降低总损耗，因此Al含量需要大于0.50％，但是Al会明显降低饱和磁感Bs，对钢板的脆化影响也大，在退火时容易产生内氧化，因此将Al含量上限设定为2.0％。

Mn：Mn可以改善热轧塑性，使钢板硬度增加，改善钢板冲片性，Mn≤0.5％时，铁损不能充分降低，形成细小析出物铁损增加。而Mn≥2.0％时，Mn的碳化物大量形成会导致铁损增加。

S：S会导致MnS、TiS、CuS的析出，阻碍晶粒长大，使磁性变差。因此本发明中控制其含量在0.002％以下，优选含量≤0.001％。

N：N会造成AlN、TiN的析出，使退火时晶粒长大受阻，因此本发明中控制在0.003％以下，优选含量≤0.002％。

(6)P:0.005～0.05％

P：其可以提高电阻率，通过改善退火后的织构来提高磁感的效果，还可以提高钢板强度，改善冲片性，因此将其设定为0.005％以上。但P含量超过0.05％，会使钢板脆化，增加生产风险。

Cu：其在本发明中为非必要元素，该元素会形成细小硫化物使磁性恶化，因此Cu含量越低越好，因此本发明中控制Cu≤0.05％，优选地≤0.004％。

还需要说明的是：

根据公式ρ(μΩ·cm)＝9.9+12.5×[Si]+6.5×[Mn]+10.0×[Al]可知，当钢板的电阻率提高时，涡流损耗会明显降低。电阻率提高必然是合金元素提高的结果，但存在合金元素提高会导致钢板韧性降低，给生产特别是冷轧带来困难。因此，本发明要求电阻率控制在

65μΩ·cm≤ρ≤80μΩ·cm

本发明中主要工序的作用进：

退火温度一方面取决于合金元素Si，Al的含量，另一方面取决于成品厚度，成品厚度越薄，退火时晶粒长大越快，退火均热温度要求越低，但本发明考虑到晶粒尺寸对成品磁性特别是高频铁损的影响，如其均热温度太低则成品晶粒太小，使磁滞损耗太高，如其温度过高，晶粒尺寸则过大，使高频下涡流损耗过大。因此综合考虑给出的退火均热温度范围为850+100×t≤T≤950+100×t(t为成品厚度，单位mm)。

A1N、MnS、Cu_xS是无取向硅钢中最常见的析出相.相关研究结果表明，小于某一临界磁畴的A1N、MnS、Cu_xS在晶界处弥散析出并钉扎晶界，明显阻碍了退火时的晶粒长大，增加(111)织构组分，恶化硅钢的电磁性能。

冷轧无取向硅钢中的析出质点对晶粒大小有重要影响，析出相尺寸越大或体积分数越小(数量越少)，对晶粒长大的抑制作用越小，有利于晶粒的充分长大，有利于磁性的提高。

退火后的冷却过程中从退火均热温度冷却到600℃的阶段属于高温冷却阶段，随着冷却速率的加快，第一阶段新相开始析出、结束析出温度不断升高，析出温度区间不断缩小，较低冷却速率下，高温阶段更有利于新相充分析出，析出温度区间较大，析出相连续分布，尺寸相对较大。较高冷却速率下，高温阶段不利于新相充分析出，析出温度区间较小，析出相弥散分布，尺寸相对较小。第二阶段，新相开始析出、结束析出温度不断降低，析出温度区间不断增大，新相开始析出。在较低冷却速率下，低温阶段不利于新相充分析出，新相依附旧相生成，尺寸相对较小。较高冷却速率下，低温阶段更有利于新相充分析出，析出温度区间较大，且析出相单独出现，尺寸相对较大。

高温冷却阶段，当冷却速率较低时，主要夹杂物是MnS，以及少量的AlN、Cu_xS，三者均为类球形，尺寸较大，数量不多；冷却速率较高时，主要夹杂物是AlN，以及少量的MnS、Cu_xS、MnS、Cu_xS呈类球形，AlN呈条形，三者尺寸相对较小，数量很多；冷却速率更高时，主要夹杂物是Cu_xS，以及少量的MnS、AlN，三者尺寸相对较大，数量次之；冷却速率继续增大，主要夹杂物仍以Cu_xS为主，以及少量的MnS、AlN，前者呈类球形，尺寸细小、数量较多，后者呈类球形，尺寸相对较大、数量很少。造成这种差异的根本原因是，冷却速度的变化改变了新、旧相的自由能差，影响了相变的形核和长大过程。

本发明从磁性能控制角度出发，在从退火均热温度冷却到600℃阶段高温冷却阶段，采用15℃/s以下冷却速度，在于以尽量避免生成大量小尺寸的MnS、Cu_xS、AlN析出物。考虑到较慢的冷却速度(≤15℃/s)可以避免钢板的内应力急剧增加，同时延缓钢板中夹杂物的长大时间，使其尺寸进一步粗化，对成品晶粒长大的抑制作用减至最轻。因此优选600℃以上的高温冷却阶段的冷却速率为15℃/s以下，优选地在10℃/s以下。

而在从600℃冷却到不超过300℃的过程中采用高于30℃/s的冷却速度，以使有效抑制A1N、MnS、Cu_xS等夹杂物的析出，有利于成品晶粒的长大。冷却速度优选为40℃/s以上。

本发明与现有技术相比，本发明通过优化化学成分及退火冷却，使A1N、MnS、Cu_xS析出物总数不超过200×10⁶/mm³，析出物平均尺寸不小于0.50μm，退火冷却后残余应力不大于70MPa，从而有效抑制A1N、MnS、Cu_xS析出物和残余应力对成品磁性的不利影响，生产出厚度在0.27～0.35mm，P_1.0/400≤16.0W/kg,B₅₀₀₀≥1.65T的电动汽车驱动电机用无取向硅钢。

附图说明

图1为本发明钢板析出物形貌图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

1)冶炼浇铸:采用转炉冶炼，RH真空精炼，并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度在1000～1200℃；

3)进行粗轧，并控制粗轧出口温度不低于850℃；粗轧出口厚度不低于25mm；

4)进行精轧，并控制终轧温度不低于700℃；精轧前4道次总压下率不低于80％；热轧板厚度在1.8～2.8mm；

5)进行卷取，并控制卷取温度不低于650℃；

6)进行常化:并控制均热段温度在750～950℃；均热时间在1～3min；

7)进行酸洗，并控制酸洗液温度在90～120℃，酸洗时间为2～8min，将钢板表面氧化铁皮清洗干净。

8)采用一次冷轧法进行冷轧，轧制4-7道次，前3道次累积压下比不低于80％，末道次压下率不高于20％，成品厚度控制在0.35mm以内。

9)进行退火，退火过程采用N₂，H₂及水蒸气以任意比例混合的混合气体；退火均热时间在1～3min；退火均热温度T满足：

850+100×t≤T≤950+100×t

式中：T—表示为退火均热温度，单位为℃

t—表示为成品厚度，单位为mm；

10)分段进行变速冷却，即从退火均热温度冷却到600℃阶段，控制其冷却速度≤15℃/s；从小于600℃冷却到不超过300℃阶段，冷却速度不低于30℃/s；

11)自然冷却至室温，待用。

以下各实施例中的退火均热温度T，均要根据其所生产的产品的厚度t，依据公式：850+100×t≤T≤950+100×t，计算出所要满足的温度范围。

实施例1

采用转炉冶炼和RH真空精炼下，得到重量百分比化学成分见表1；试验钢热轧加热温度1150℃，在炉时间120min；粗轧出口温度880℃；粗轧出口厚度28mm；精轧终轧温度750℃；精轧前4道次压下比88％；卷取温度690℃；热轧板厚度2.0mm。常化连续炉均热段温度900℃；均热时间3min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法进行冷轧，成品厚度0.35mm；退火均热温度为960℃，均热时间为2min，从退火均热温度冷却到600℃控制冷却速度在8℃/s，从小于600℃冷却到300℃以下过程中控制冷却速度在45℃/s。测试不同成分退火后成品爱泼斯坦方圈试样的铁损P_1.0/400和磁感B₅₀₀₀，相关结果如表1所示。

表1

说明：表1是采用在相同的工艺条件下，所冶炼钢的化学成分及试验结果。由该表可见，当Si含量超过本发明所限定的上限时，会导致冷轧断带；当C、S、Cu等杂质元素超出本发明所限定的范围，也会导致磁性不合。

实施例2

按照表1中实施例3的化学成分，并采用同一的工艺条件，即采用转炉和真空炉进行冶炼，随后进行连铸；连铸坯加热温度在1130℃，在炉时间120min；粗轧出口温度在860℃；粗轧出口厚度在30mm；精轧终轧温度在730℃；精轧前4道次总压下率为85％；卷取温度在672℃；热轧板厚度为2.2mm；常化连续炉均热段温度860℃，均热时间4min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法冷轧至成品厚度，成品厚度为0.30mm；退火均热时间为2.5min；根据公式：850+100×t≤T≤950+100×t，其退火均热温度应在880～980℃范围内的情况与超出本发明退火均热温度880-980℃范围的情况。

将经上述退火后的钢板制作成透射电镜薄膜试样；再在透射电镜中对试样中的析出相进行观察，及采用X射线残余应力测试仪对试样进行常规试验检测，测试点为5个。并计算出残余应力平均值。其试验、检测结果见表2所示。

表2

表2中，V₁表示从均热温度冷却到600℃的过程中的冷却速度；V₂为从600℃冷却到295℃过程中的冷却速度。

由表2可见，退火均热温度不在880-980℃范围内，或当V₁或V₂不在限定的范围时，其磁性能均会变得较差。当V₁或V₂在优选范围内时，其对应试样磁性能会更加优良。

实施例3

按照表1中实施例4的化学成分，并采用同一的工艺条件，即采用转炉和真空炉进行冶炼，随后进行连铸；连铸坯加热温度在1055℃，在炉时间135min；粗轧出口温度在875℃；粗轧出口厚度在33mm；终轧温度在725℃；精轧前4道次总压下率为83％；卷取温度在676℃；热轧板厚度位2.3mm；常化连续炉均热段温度895℃，均热时间3min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法冷轧至成品厚度，成品厚度为0.27mm；退火均热时间为1.5min；根据公式：850+100×t≤T≤950+100×t，其退火均热温度应在877～977℃范围内，且对比例的冷却速度超出本发明的限定范围时的情况。

将经上述退火后的钢板制作成透射电镜薄膜试样；再在透射电镜中对试样中的析出相进行观察，及采用X射线残余应力测试仪对试样进行常规试验检测，测试点为5个。并计算出残余应力平均值。其试验、检测结果见表3所示。

表3

表3中，V₁表示从均热温度冷却到600℃的过程中的冷却速度；V₂为从600℃冷却到285℃过程中的冷却速度。

由表3可见，退火均热温度不在877-977℃范围内，或当V₁或V₁不在限定的范围时，其磁性能均会变得较差。当V₁或V₂在优选范围内时，其对应试样磁性能会更加优良。

实施例4

按照实施例5的化学成分，采用同一的工艺条件，即采用转炉和真空炉进行冶炼，随后进行连铸；连铸坯加热温度在1085℃，在炉时间125min；粗轧出口温度在775℃；粗轧出口厚度在34mm；终轧温度在715℃；精轧前4道次总压下率为81％；卷取温度在672℃；热轧板厚度位2.0mm；常化连续炉均热段温度895℃，均热时间2min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法冷轧至成品厚度，成品厚度为0.20mm；退火均热时间为1.8min；根据公式：850+100×t≤T≤950+100×t，其退火均热温度应在870～970℃范围内。

将经上述退火后的钢板制作成透射电镜薄膜试样；再在透射电镜中对试样中的析出相进行观察，及采用X射线残余应力测试仪对试样进行常规试验检测，测试点为5个。并计算出残余应力平均值。其试验、检测结果见表4所示。

表4

表4中，V₁表示从均热温度冷却到600℃的过程中的冷却速度；V₂为从600℃冷却到280℃过程中的冷却速度。

由表4可见，退火均热温度不在870-970℃范围内，或当V₁或V₁不在限定的范围时，其磁性能均会变得较差。当V₁或V₂在优选范围内时，其对应试样磁性能会更加优良。

本发明各实施例，根据公式ρ(μΩ·cm)＝9.9+12.5×[Si]+6.5×[Mn]+10.0×[Al]，电阻率均在65μΩ·cm≤ρ≤80μΩ·cm范围内。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (7)

1.磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：Si:1.0～3.5%，Al:0.5～2.0%，Mn:0.5～2.0%，N≤0.003%，S≤0.002%，C≤0.003%，P≤0.05%，Cu≤0.05%，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其特征在于：控制C≤0.002%。

3.如权利要求1所述的磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其特征在于：控制Cu≤0.04%。

4.如权利要求1所述的磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其特征在于：控制S≤0.001%。

5.如权利要求1所述的磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢，其特征在于：控制N≤0.002%。

6.生产如权利要求1所述的磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢的方法，其步骤：

1）冶炼浇铸:采用转炉冶炼，RH真空精炼，并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度在1000～1200℃；

3）进行粗轧，并控制粗轧出口温度不低于850℃；粗轧出口厚度不低于25mm；

4）进行精轧，并控制终轧温度不低于700℃；精轧前4道次总压下率不低于80%；热轧板厚度在1.8～2.8mm；

5）进行卷取，并控制卷取温度不低于650℃；

6)进行常化: 并控制均热段温度在750～950℃；均热时间在1～3min；

7) 进行酸洗，并控制酸洗液温度在90～120℃，酸洗时间为2～8min，将钢板表面氧化铁皮清洗干净；

8)采用一次冷轧法进行冷轧，轧制4-7道次，前3道次累积压下比不低于80%，末道次压下率不高于20%，成品厚度控制在0.35mm以内；

9) 进行退火，退火过程采用N₂，H₂及水蒸气以任意比例混合的混合气体；退火均热时间在1~3min；退火均热温度T满足：

850+100×t≤T≤950+100×t

式中：T—表示为退火均热温度，单位为℃

t—表示为成品厚度，单位为mm；

10）分段进行变速冷却，即从退火均热温度冷却到600℃阶段，控制其冷却速度≤15℃/s；从小于600℃冷却到不超过300℃阶段，冷却速度不低于30℃/s；

11）自然冷却至室温，待用。

7.如权利要求3所述的生产磁性优良的电动汽车驱动电机用无取向硅钢的方法，其特征在于：从均热温度冷却到600℃阶段，其冷却速不超过10℃/s。