CN107794439B - 极低铁损无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低铁损无取向电工钢板，其化学元素质量百分比为：C≤0.005％；Si：2.6～3.2％；Mn：0.01～0.15％；S≤0.002％；Al≤0.003％；Cu：0.005～0.02％；Ti≤0.0015％；N≤0.002％；余量为Fe及其他不可避免的杂质；此外还满足[Mn]/[Cu]²为100～1500，其中Mn、Cu表示相应元素的质量百分比。相应地，本发明还公开了一种上述极低铁损无取向电工钢板的制造方法。本发明的所述极低铁损无取向电工钢板对各化学成分配比进行优化，结合相匹配的工艺流程，有效控制了无害析出物的析出，使得钢板的晶粒尺寸为80‑160μm，铁损≤2.3W/kg。

Description

极低铁损无取向电工钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种无取向电工钢板及其制造方法。

背景技术

随着用户市场对高效、节能、环保需求的日益提高，要求用于制作电机、压缩机铁芯的无取向电工钢板，必须在保证价格优势的前提下具有优良的电磁性能，即所谓的超低铁损、超高磁感。通常，随着对电工钢板磁感的需求会有所降低，而对电工钢板铁损的需求会逐步提升。

现有技术中，降低铁损最普通的方法是，提高钢中的Si、Al元素含量，因为Si、Al元素都能显著提高材料的电阻率，进而降低成品钢板的铁损，但是随着钢中Si、Al元素含量的大幅提高，尤其是在(Si+Al)元素含量>3.5％之后，会限制常化退火温度的提高以及冷轧轧制的可行性改善，这样就很难稳定获得铁损达到2.3W/kg及以下的电工钢板。此外，采用提高钢中的Si、Al元素含量会增加钢的制造成本。

另外，现有技术中降低铁损的办法也可以采用添加P、Cr元素的方法，该方法尤其适用于高频条件下成品带钢的铁损降低，然而该方法存在会大幅降低成品带钢的磁感的缺陷。

此外，除了Si、Al等化学元素对电工钢板的电磁性能造成影响以外，真正影响电工钢板电磁性能的还包括制造过程中不断形成的微细析出物，该微细析出物包括MnS、AlN，其尺寸在300nm～800nm之间。为了尽可能的消除MnS、AlN析出物的有害作用，所采用的方法如下所述：

(1)通过提高炼铁、炼钢原辅材料品质，以及加强炼铁、炼钢生产工艺技术管理，以降低钢中杂质元素C、S、O、N、Ti、Zr含量，减少有害夹杂物、析出物的生成。但该方法对于工艺要求较高，对于原辅材料品质要求较为苛刻。

(2)在冶炼过程中，采用钙、稀土元素处理，因为钙元素、稀土元素与硫元素的结合力远大于锰元素和硫元素的结合力，所以钙元素和稀土元素可以起到很好的固硫作用以及避免热轧、热处理过程中MnS析出的目的。在钙、稀土元素处理之后，钢中大颗粒的夹杂物被去除和变性，析出物数量明显减少、尺寸粗化，特别是在不进行常化处理的条件下，钢的铁损可以降低0.4～0.8W/kg；此外，对于含有0.8％～1.6％的Si的电工钢板而言，通过Pr、Nd稀土元素以及采用合理的轧制工艺，还可以粗化晶粒，有效降低磁滞损耗，同时还可以改善钢板的组织结构，提高磁感应强度。然而，添加稀土元素的同时也增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种极低铁损无取向电工钢板，所述的极低铁损无取向电工钢板对钢板中各化学成分配比进行优化，有效控制了无害析出物的析出，增大钢板的晶粒尺寸，降低了钢板铁损，从而提高了钢板电磁性能。

基于上述发明目的，本发明提供了一种极低铁损无取向电工钢板，其化学元素质量百分比为：

C≤0.005％；Si：2.6～3.2％；Mn：0.01～0.15％；S≤0.002％；Al≤0.003％；Cu：0.005～0.02％；Ti≤0.0015％；N≤0.002％；余量为Fe及其他不可避免的杂质；此外还满足[Mn]/[Cu]²为100～1500，其中Mn、Cu表示相应元素的质量百分比。

由于MnS、AlN是无取向电工钢中对钢的磁性能影响较大的有害析出物，尤其是MnS的影响最大，因此，需要对MnS和AlN加以控制。在本发明所述的技术方案中，对MnS和AlN的控制是通过添加Cu进行，其原理是：添加Cu后，Cu抑制了MnS和AlN的析出，此外，即使有少量的MnS、AlN析出，也会和Cu_xS(包括CuS和Cu₂S。)结合形成尺寸更大的复合析出物，尤其是在Mn元素的质量百分比越低时，MnS和Cu_xS的复合析出比例越高，当Mn元素的质量百分比低于0.1％时，MnS和Cu_xS的复合析出比例几乎为100％。由于析出物的尺寸越大，对于钢的磁性能危害就越小，因此，添加Cu可以起到改善钢晶粒尺寸和电磁性能的效果。此外，由于Cu_xS的熔点低于600℃，因而热轧或热处理工艺过程中，在钢晶粒尺寸长大的过程中，加热温度高于Cu_xS的熔点，因而，Cu_xS全部溶解进钢晶粒基体，而不会造钉扎晶界长大，而在钢晶粒长大后开始降温的过程中，Cu_xS会再次析出，但此时的Cu_xS已经不会再影响晶粒长大，由此可以认为Cu_xS是无害析出物，不会对晶粒尺寸造成不利影响，对钢的磁性能危害很低。

为了控制无害析出物Cu_xS的析出，进而优化所述的极低铁损无取向电工钢板的效果，本案发明人经过研究发现，将[Mn]/[Cu]²控制在100～1500，可以有效控制Cu_xS的析出，从而获得极低铁损无取向电工钢板。

另外，本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中的各化学元素的设计原理为：

硅：硅能提高基体电阻率，有效降低钢的铁损。硅的质量百分比高于3.2％时，会显著降低钢的磁感，并造成冷轧断带；而硅的质量百分比低于2.6％时，又起不到大幅降低铁损的作用。因此，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中将硅的质量百分比控制在：2.6～3.2％。

锰：锰与硫结合生成MnS，在热轧、热处理过程中反复固溶、析出，抑制钢晶粒长大和造成织构生成，因而需要对锰和硫的质量百分比进行控制，以避免MnS析出物生成。因此，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中将Mn的质量百分比控制在0.01～0.15％。

铜：在本发明技术方案中，铜的质量百分比超过0.02％时，会生成Cu的析出相，反而会阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性，而铜的质量百分比低于0.005％时，则起不到在热轧、热处理过程中的固硫效果。因此，本发明所述的极低铁损无取向电工钢板需要将Cu的质量百分比控制在0.005～0.02％。

硫：在本发明的技术方案中，硫的质量百分比超过0.002％时，将使MnS等析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板的硫的质量百分比控制在S≤0.002％。

碳：在本发明的技术方案中，碳强烈阻碍晶粒长大，容易引起钢的铁损增加和产生磁时效，并给后续脱碳带来困难，因此，在本发明中，碳作为有害的残余元素进行控制，控制其质量百分比≤0.005％。

铝：本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中，铝是易氧化元素，与氧反应生成Al₂O₃，会在后续工艺浇铸成坯过程中带来困难，磁感显著降低，因此，在本发明中，铝也作为有害残余元素进行控制，控制其质量百分比≤0.003％。

氮：本发明所述的极低铁损无取向电工钢板的氮的质量百分比超过0.002％时，将使AlN析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性，因此，在本发明的技术方案中，需要将氮的质量百分比控制在N≤0.002％。

钛：本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中，Ti为有害的残余元素，其可以和C、N元素结合生成TiC、TiN等析出物，强烈阻碍晶粒长大、抑制有利织构生长，恶化钢的磁性，因此，在本发明的技术方案中，需要将钛的质量百分比控制在Ti≤0.0015％。

进一步地，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中，其微观组织包括铁素体基体以及在铁素体基体的晶界和晶内析出的Cu_xS(CuS和Cu₂S)析出物和含有Cu_xS的复合析出物。

进一步地，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中，其晶粒尺寸为80-160μm。

进一步地，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板中，其铁损≤2.3W/kg。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述的极低铁损无取向电工钢板的制造方法，采用所述的制造方法，使得生产过程控制简便，操作方便，所获得的极低铁损无取向电工钢板的晶粒尺寸为80-160μm，并且其铁损≤2.3W/kg。

基于上述目的，本发明提供了一种上述的极低铁损无取向电工钢板的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼；

(2)脱气精炼；

(3)浇铸成坯：在浇铸过程中，控制铸坯表面在降温过程中的冷却速率为2.5～25℃/min；

(4)热轧；

(5)酸洗；

(6)冷轧；

(7)退火。

需要说明的是，在步骤(2)脱气精炼后，C的质量百分比控制在C≤0.005％。

优选地，在本发明所述的极低铁损无取向电工钢板所述的制造方法，在所述步骤(3)中，所述冷却速率小于20℃/min。

进一步地，在所述步骤(3)中，铸坯表面在从1100℃降至700℃的降温过程中的冷却速率为2.5～25℃/min或小于20℃/min。

因为所述的极低铁损无取向电工钢板中Al和N的质量百分比较低，一般很少生成AlN，为了避免在浇铸成坯过程中AlN析出，以及与AlN同类型的TiN、Ti(CN)析出物析出，因而在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中控制冷却速率为2.5～25℃/min，这是因为：Al、Ti元素在奥氏体和铁素体中的溶解与析出差异很大，当铸坯表面温为1100℃时，Al、Ti元素可全部溶入奥氏体中，当铸坯表面温度达到800℃时，Al、Ti的C、N化物几乎全部沉淀析出，在铸坯表面温度达到700℃左右时，碳化物析出最快；随着温度的继续降低，碳化物的析出明显减慢。基于上述认识，在铸坯表面温度从1100℃降低到700℃时，为了控制所述的极低铁损取向电工的析出物，因而将其冷却速率控制在2.5～25℃/min。

当冷却速率小于2.5℃/min时，析出物种类主要是较大尺寸的S化物析出物，对成品磁性能影响较小，而当冷却速率为25℃/min时，析出物种类则主要是尺寸细小的N化物析出物，对成品磁性能影响较大。

此外，冷却速率控制在2.5-25℃/min时，也更有利于Cu_xS的析出，从而限制了MnS的析出，这是因为：在此条件下的浇注成坯过程中，MnS析出时机将推迟，析出温度升高，析出数量减少且尺寸细小，并且在Mn元素含量越低时，MnS、Cu_xS复合析出比例越高，尤其在Mn元素含量低于0.1％时，复合析出比例几乎为100％。因此在在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中，添加适量Cu可以减少MnS析出的同时，使得生成的Cu_xS与MnS复合长大，从而减少了对晶粒的钉扎作用。而由于Cu_xS析出物熔点低于600℃，因而在浇注成坯的加热温度过程中，能够完全固溶在钢基体中，而在Cu_xS再次析出时的温度，晶粒也已经长大，不会对钢电磁性能产生影响。

本发明所述的极低铁损无取向电工钢板及其制造方法通过合理的各化学成分配比设计，有效解决了对钢电磁性能影响最大的MnS、AlN有害析出物问题，不仅提高了钢质纯净度，而且有利于晶粒长大，极大改善了钢板的韧性，使得所获得的极低铁损无取向钢板晶粒尺寸为80-160μm，其铁损≤2.3W/kg。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的极低铁损无取向电工钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例和对比例

上述实施例A1-A11和对比例B1-B6的钢板采用下述步骤制得：

(1)冶炼：按照表1进行冶炼；

(2)脱气精炼：采用RH真空循环脱气精炼后，C的质量百分比控制在C≤0.005％；

(3)浇铸成坯：在浇铸过程中，在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中控制冷却速率为2.5～25℃/min；其中，对比例B5的冷却速度为26.2℃/min。

(4)热轧：将铸坯在加热炉内加热到1100℃以上，保温均匀后进行轧制，需要经过1个道次以上的粗轧，以及3个道次以上的精轧，终轧结束温度不低于850℃；

(5)酸洗：采用卧式、浅槽紊流酸洗方式，去除带钢表面的氧化铁皮等；

(6)冷轧：热轧板经过酸洗之后，采用一次或者二次法进行冷轧。总的冷轧压下率控制在70～78％；

(7)退火：冷轧板以不低于25℃/s的平均加热速度升温至900℃以上，保温时间为5-60s，气氛为20％～70％H2+80％～30％N2，露点为-25℃～-40℃。

需要说明的是，在一些其他的实施例中，步骤(1)前可以对铁水进行预处理，预处理工艺包括脱硫、脱锰以及除渣。

表1列出了各实施例和对比例的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素)

表2列出了实施例和对比例的制造方法的具体工艺参数。

表2

对上述实施例和对比例的钢板取样，进行各项性能测试，将试验测得到的相关性能参数列于表3中。

表3列出了实施例和对比例的性能参数。

表3

从表3可以看出，采用本案的各实施例的极低铁损无取向电工钢板其晶粒尺寸在80-160μm，铁损≤2.3W/kg，而对比例B1-B6的铁损均＞2.3W/kg。

结合表1、2及3，可以看出对比例B1的Si的质量百分比低于2.6％，因此，降低铁损的效果不佳，并且B1的Cu的质量百分比高于0.004％，且[Mn]/[Cu]²高于1500，因此较多的MnS析出物析出，也不利于降低铁损；对比例B2的Mn、Al、N、Cu元素质量百分比均高于本发明技术方案限定的范围，因而使其铁损率远远高于2.3W/kg；对比例B3中由于C的质量百分比高于0.0059％，，强烈阻碍晶粒长大，容易引起钢的铁损增加和产生磁时效，并给后续脱碳带来困难，此外，对比例B3中的S的质量百分比高于0.002％，且[Mn]/[Cu]²高于1500，因此造成对比例B3的铁损率也高于2.3W/kg；此外，对比例B4的S的质量百分比高于0.002％，造成较多MnS析出物析出不利于降低铁损；对比例B5中，Ti、N元素均高于本发明技术方案所限定的范围，并且[Mn]/[Cu]²高于1500，冷却速率高于25℃/min，使对比例B5的铁损为2.52W/kg，高于2.3W/kg；对比例B6的Si的质量百分比高于3.2％，因而降低了对比例B6的磁感，并造成冷轧断带，此外对比例B6的S的质量百分比高于0.002％，造成较多MnS析出物析出不利于降低铁损，使得对比例B6的铁损高于2.3W/kg。

继续结合表1、2及3，可以看出本案实施例A1-A11按照本案所限定的化学成分配比，遵照本案所限定的工艺流程进行制造，所获得的钢板晶粒尺寸在80-160μm，铁损≤2.3W/kg，综合性能而言均优于对比例B1-B6。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种极低铁损无取向电工钢板，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C≤0.005％；Si：2.6～3.2％；Mn：0.01～0.15％；S≤0.002％；Al≤0.003％；Cu：0.005～0.02％；Ti≤0.0015％；N≤0.002％；余量为Fe及其他不可避免的杂质；此外还满足[Mn]/[Cu]²为100～1500，其中Mn、Cu表示相应元素的质量百分比；

其中，极低铁损无取向电工钢板在浇铸过程中，铸坯表面在从1100℃降至700℃的降温过程中的冷却速率为2.5～25℃/min。

2.如权利要求1所述的极低铁损无取向电工钢板，其特征在于，其微观组织包括铁素体基体以及在铁素体基体的晶界和晶内析出的Cu_xS析出物和含有Cu_xS的复合析出物，其中X为1或2。

3.如权利要求1所述的极低铁损无取向电工钢板，其特征在于，其晶粒尺寸为80-160μm。

4.如权利要求1所述的极低铁损无取向电工钢板，其特征在于，其铁损≤2.3W/kg。

5.如权利要求1所述的极低铁损无取向电工钢板，其特征在于，极低铁损无取向电工钢板在浇铸过程中，铸坯表面在从1100℃降至700℃的降温过程中的冷却速率为2.5～20℃/min。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的极低铁损无取向电工钢板的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼；

(2)脱气精炼；

(3)浇铸成坯：在浇铸过程中，控制铸坯表面在从1100℃降至700℃的降温过程中的冷却速率为2.5～25℃/min；

(4)热轧；

(5)酸洗；

(6)冷轧；

(7)退火。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述冷却速率小于20℃/min。