CN109554619A - 一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢及其制造方法，冷轧磁性叠片钢化学成分重量百分比为：C≤0.010％，Mn：0.20～0.50％，S≤0.0050％，P≤0.030％，0.65％≤Si+1.2Al≤1.5％，B、Zn、Co、Sn、Sb、Cu、Bi中一种或两种成分，添加量控制在0.020‑0.10％，其余为Fe及不可避免杂质。本发明冷轧磁性叠片钢磁性能优异，加工性能好，冷轧磁性叠片钢磁性退火后，铁损P15/50≤3.9W/kg、磁感B50≥1.68T。

Description

一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢及其制造方法。
背景技术
冷轧磁性叠片钢是一种重要的金属软磁材料，又叫半工艺电工钢，主要用来制造电机、变压器的铁芯，冷轧钢卷经钢厂软化退火、平整后，不涂绝缘涂层，直接供给下游用户，用户对其进行冲片和磁性退火。它的基本生产工艺包括如下步骤：钢厂：冶炼→热轧→(常化，可选择，只对高等级产品)→冷轧→软化退火→平整轧制→精整，钢板表面无绝缘涂层，不涂油或涂覆少量特殊防锈油，用户：钢卷分条→冲片→磁性退火和发蓝退火。
冷轧磁性叠片钢的优势在于：
(1)生产效率高，生产设备与常规冷轧板相同，不需钢厂投资新设备，可增加钢厂产品种类，为钢厂带来额外效益；
(2)与全工艺电工钢相比，冷轧磁性叠片钢表面不需要涂覆绝缘涂层，制造成本低；
(3)产品磁性能提高，比全工艺无取向电工钢提高2-3个牌号；
(4)对用户而言，冷轧磁性叠片钢经磁性退火达到铁芯的铁损和磁感目标值，经表面发蓝形成绝缘层，提高铁芯成品性能，能满足绝大多数电机铁芯应用的要求。冷轧磁性叠片钢在美国被广泛应用于电机铁芯、变压器铁芯，市场规模数倍于全工艺无取向电工钢，近年来使用比例有进一步扩大趋势。国内市场越来越多电机、压缩机用户开始关注使用这种材料。
中国专利CN1974820A公开了一种半工艺电工钢的生产方法，该半工艺电工钢铸坯化学成分为：C：0.001-0.020％，Si：0.15-1.40％，Mn：0.15-1.20％，P：0.0015-0.10％，S：0.005-0.020％，Al：0.15-0.80％，N：0.0015-0.0080％，Sb：0.015-0.12％，Sn：0.015-0.12％，其余为铁及不可避免杂质，采用薄板坯连铸连轧热轧板，然后经酸洗、冷轧、退火、二次冷轧获得，其中二次冷轧压下率2-10％。该技术的特点是利用薄板坯连铸连轧技术，获得有利织构组织，实现磁性改善。但是二次冷轧工序对压下率要求较高，需要特殊冷轧平整装备。
中国专利CN1864879A公开了一种薄板坯连铸连轧生产半工艺冷轧硅钢方法，通过炼钢过程工艺控制，获得Si含量0.2-1.0％、Mn含量0.20-0.8％、P含量0.02-0.07％、酸溶铝含量0.04-0.30％、Sb含量0.02-0.06％的连铸坯，然后经过热轧、酸洗冷轧、退火、2-18％延伸率平整形变，获得冷轧板经过磁性退火后，铁损小于6.5W/kg。该制造方法也是采用大延伸率平整，铁损较高。
为了降低成本，中国专利CN101306434A公开的一种低碳低硅无铝半工艺无取向电工钢制备方法，它的特征是成分中不含Al、Sn、Sb、Cu、Cr、Ni以及稀土等合金元素，降低了炼钢合金成本，同时采用较大临界变形(3.1％-13.2％)，最终产品磁性能P15/50＝3.45～5.05W/kg、B50＝1.69T～1.76T。但是由于钢板中不含Al、同时没有添加抑制内氧化合金，当钢板在复杂炉况条件下退火时，特别是露点高于0℃时，极易在表层产生内氧化，造成磁性劣化，限制了应用范围。
中国专利CN101654757A也公开了一种半工艺无取向电工钢板及制造方法，钢板的化学成分为：C：≦0.003％，Si：1.00-2.30％，Mn：0.20-1.00％，P：0.01-0.10％，S：≦0.005％，Al：0.20-0.80％，N：≦0.005％，其余为铁及不可避免杂质，生产流程包括板坯连铸、热轧、酸洗冷轧、退火，它的特征在于退火后钢板表面涂绝缘涂层，同时无平整压下变形，当Si含量为1.15％时，磁性退火后铁损P15/50约4.2W/kg。
本发明要解决的技术问题是在低平整压下条件下，通过合理的成分设计和工艺控制，获得一种可抑制内氧化行为且软磁性能优异的冷轧磁性叠片钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢及其制造方法，所述冷轧磁性叠片钢磁性能优异，加工性能好，冷轧磁性叠片钢磁性退火后，铁损P15/50≤3.9W/kg、磁感B50≥1.68T。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢，其化学成分重量百分比为：C≤0.010％，Mn：0.20～0.50％，S≤0.0050％，P≤0.030％，0.65％≤Si+1.2Al≤1.5％，B、Zn、Co、Sn、Sb、Cu、Bi中一种或两种成分，添加量控制在0.020-0.10％，其余为Fe及不可避免杂质。
本发明所述的冷轧磁性叠片钢磁性退火后，铁损P15/50(即频率50Hz、磁感1.5T条件下的铁损)≤3.9W/kg、磁感B50≥1.68T。
本发明冷轧磁性叠片钢的化学成分设计中：
Si+Al：增加Si、Al元素含量，可增大钢的电阻率，从而降低铁损，但同时也会使磁感劣化，本发明通过成分优化，限定硅、铝含量满足满足关系式：0.65％≤Si+1.2Al≤1.5％，一方面，当Si+1.2Al含量小于0.65％时，在较小延伸率条件下，磁性退火后铁损改善有限，性能偏差，另一方面当Si+1.2Al含量超过1.5％时，磁感劣化严重，同时合金成本升高。
C：碳是不利于磁性的有害元素，碳含量太高会引起铁损升高、磁时效、用户脱碳困难，因此要限制含量不超过0.010％；
Mn：锰可提高电阻率，同时改善热轧塑性和晶粒组织，有利于磁性能改善，加入量低于0.2％或者高于0.5％都不利于性能改善。
从B、Zn、Co、Sn、Cu、Sb、Bi等元素中选择一种或者两种微合金化，添加量控制在0.020-0.10％，第一，可以利用合金元素在晶界的偏聚，改善晶粒织构，提高{110}有利织构强度，抑制{111}纤维织构，从而提高磁性；第二，利用合金元素晶界偏聚，阻止氧元素向钢板内部扩散，抑制表层产生内氧化层，进而防止磁性能劣化，提高叠片钢在用户磁性退火过程中的适应能力。
S：硫是磁性有害元素，与Mn形成细小MnS析出物时阻碍退火过程中晶粒长大，使铁损劣化，本发明限定S含量不超过0.0050％。
P：磷元素易沿晶界偏聚，当Si+Al含量较高时，增加钢板脆性，本发明限定P≤0.030％。
本发明所述的磁性能优异的冷轧磁性叠片钢的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按上述所述成分冶炼、铸造成坯；
2)铸坯加热，加热温度：1050-1180℃；
3)热轧
终轧温度F与Si含量满足关系：830≤F≤860+exp(112×λ+2.8)，其中，λ表示Si含量，F单位℃；卷取温度控制在650-740℃，热轧板厚度2.2-2.8mm；
4)酸洗冷轧，采用一次冷轧法，总压下率≥72％；
5)软化退火，采用连续退火炉，退火温度650-780℃，保温时间60-100s；
6)平整，平整延伸率1.0-2.0％，带钢最终成品厚度0.50mm±0.04mm。
本发明制造方法的核心是热轧工艺。对于Fe-Si合金体系，当Si含量≤1.7％时，在900-1100℃热轧时存在相变：奥氏体γ→铁素体α，其中，钢中的Si含量对Ar3相变点有重要影响，该范围内Si含量增加，Ar3相变点温度急剧升高，另外，奥氏体、铁素体两相变形抗力相差较大，热轧过程变形抗力波动较大，使得热轧板型、厚度控制困难。
本发明钢成分中Si含量小于1.5％，精轧过程也会发生奥氏体铁素体转变，本发明通过控制终轧温度在Ar3相变温度以下；对于不同硅含量，终轧温度控制：830≤F≤860+exp(112×λ+2.8)，λ表示Si含量，保证精轧最后一道次或二道次在两相区之外，即单一铁素体相区轧制，可减小变形抗力波动，增加轧制稳定性和板型控制。
同时，结合适当卷取温度650-740℃，使热轧板再结晶晶粒组织比例超过70％，达到提高最终成品磁感的目的。
本发明的有益效果：
(1)Si和Al元素配比设计：本发明通过合理设计Si和Al元素的含量，在获得低铁损的同时，磁感也得到提高。
(2)利用微合金化，从B、Zn、Co、Sn、Cu、Sb、Bi等元素中选择一种或者两种微合金化，一方面可以利用合金元素在晶界的偏聚，改善织构，提高磁性；另一方面提高叠片钢磁性退火过程中的环境适应能力，在露点高于0℃退火环境中可抑制产生内氧化，进而防止磁性能劣化。
(3)本发明通过对热轧工艺设计，改善了热轧板晶粒组织和板型质量，同时结合软化退火和平整压下变形工艺，从而获得磁性能优异的冷轧磁性叠片钢。
(4)本发明平整工艺采用1.0-2.0％低延伸率，一方面，钢板经过低平整压下后，有利于磁性退火过程中晶粒长大，降低铁损，提高磁导率，同时可改善钢板冲片加工性能；另一方面，对平整机设备轧制能力要求低，平整过程轧制力小，能耗低，采用普通平整机即可生产，不需要专用大功率平整轧机设备，额外设备投资小。
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给出了实施例A0-A8的磁性能优异的冷轧磁性叠片钢主要元素的质量百分比，其成分余量为Fe和其它不可避免杂质。
表2列出了实施例A0-A8具体对应的终轧温度、卷取温度、软化退火工艺以及平整工艺参数。
表3列出了实施例A0-A8样板经不同条件磁性退火后检测的磁性能结果，其中：
磁性退火I：退火温度760℃，保温2.5hr，气氛10％H2，90％N2，露点26℃；
磁性退火II：退火温度790℃，保温1hr，气氛20％H2，80％N2，露点13℃。
表1
实施例 C Si+1.2Al Mn S P 合金元素
A0 0.0060 0.65 0.50 0.0035 0.0025 Co+Cu：0.095
A1 0.0024 0.72 0.22 0.0019 0.020 Sb：0.035
A2 0.0095 0.89 0.25 0.0032 0.015 B+Cu：0.040
A3 0.0025 1.08 0.30 0.0028 0.012 Sn+Bi：0.051
A4 0.0055 1.19 0.27 0.0042 0.021 Co+Zn：0.082
A5 0.0027 1.24 0.26 0.0026 0.013 Sb+B：0.036
A6 0.0063 1.31 0.35 0.0036 0.014 Sn+Cu：0.056
A7 0.0040 1.45 0.40 0.0021 0.018 Cu+B：0.023
A8 0.0058 1.50 0.021 0.0021 0.016 Bi+Cu：0.020
实施例A0-A8的冷轧磁性叠片钢采用如下工艺步骤获得：
1)按表1成分冶炼、连铸，获得相应铸坯；
2)热轧：铸坯加热温度1080-1160℃，热轧终轧温度控制在830℃-890℃，卷取温度650-740℃，热轧板厚度2.5mm；
3)酸洗冷轧：一次冷轧法，轧制厚度0.50-0.51mm。
4)软化退火工艺：退火温度650-780℃，保温时间60-100s；
5)平整工艺：平整延伸率1.0-2.0％，带钢最终成品厚度0.50mm。
表2
实施例 终轧温度(℃) 卷取温度(℃) 软化退火工艺 平整延伸率(％)
A0 890 650 780℃+60s 2.0
A1 840 700 720℃+90s 2.0
A2 850 680 750℃+90s 1.9
A3 855 690 730℃+80s 1.9
A4 860 720 710℃+80s 1.5
A5 855 685 650℃+70s 1.8
A6 870 660 670℃+70s 1.8
A7 880 680 690℃+70s 1.6
A8 830 740 650℃+100s 1.0
表3
从结果可以看出，通过本发明获得的磁性能优异的冷轧磁性叠片钢，经不同工艺磁性退火后，铁损P15/50均小于3.9W/kg，磁感B50均高于1.68T。由此说明本发明获得的冷轧磁性叠片钢具有低铁损、高磁感等优异的软磁性能。
对比例
为了进一步说明本发明，下文列出了对比例B1-B3的化学成分百分比、工艺参数和性能。
表4列出了对比例B1-B3冷轧磁性叠片钢的各化学元素质量百分含量。表5列出了对比例B1-B3具体对应的终轧温度、卷取温度、软化退火工艺以及平整工艺参数。
表6列出了对比例B1-B3样板经不同条件磁性退火后检测的磁性能结果，其中：
磁性退火I：退火温度760℃，保温2.5hr，气氛10％H2，90％N2，露点26℃；
磁性退火II：退火温度790℃，保温1hr，气氛20％H2，80％N2，露点13℃。
表4
对比例 C Si+1.2Al Mn S P 合金元素
B1 0.0018 0.45 0.15 0.0034 0.050 Sn：0.03
B2 0.0024 1.28 0.24 0.0019 0.020 无
B3 0.0020 2.0 0.25 0.0018 0.017 Sb+Cu：0.040
表5
对比例 终轧温度(℃) 卷取温度(℃) 软化退火工艺 平整延伸率(％)
B1 850 700 760℃+90s 1.9
B2 860 720 740℃+90s 1.8
B3 870 730 740℃+90s 1.9
表6
从表6对比例B1-B3结果可以看出，磁性能铁损P15/50或高于3.9W/kg，磁感B50或低于1.68T。

Claims (4)

1.一种磁性能优异的冷轧磁性叠片钢，其化学成分重量百分比为：C≤0.010％，Mn：0.20～0.50％，S≤0.0050％，P≤0.030％，0.65％≤Si+1.2Al≤1.5％，B、Zn、Co、Sn、Sb、Cu、Bi中一种或两种成分，添加量控制在0.020-0.10％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的磁性能优异的冷轧磁性叠片钢，其特征在于，所述的冷轧磁性叠片钢磁性退火后，铁损P15/50≤3.9W/kg、磁感B50≥1.68T。
3.如权利要求1所述的磁性能优异的冷轧磁性叠片钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按权利要求1所述成分冶炼、铸造成坯；
2)铸坯加热，加热温度：1050-1180℃；
3)热轧
终轧温度F与Si含量满足关系：830≤F≤860+exp(112×λ+2.8)，其中，λ表示Si含量，F单位℃；卷取温度控制在650-740℃，热轧板厚度2.2-2.8mm；
4)酸洗冷轧，采用一次冷轧法，总压下率≥72％；
5)软化退火，采用连续退火炉，退火温度650-780℃，保温时间60-100s；
6)平整，平整延伸率1.0-2.0％，带钢最终成品厚度0.50mm±0.04mm。
4.如权利要求3所述的磁性能优异的冷轧磁性叠片钢的制造方法，其特征是，所述的冷轧磁性叠片钢磁性退火后，铁损P15/50≤3.9W/kg、磁感B50≥1.68T。
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