CN110088328A - 无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质。

Description

无取向电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及无取向电工钢板及其制造方法。
背景技术
有效利用电能已经成为改善全球环境的一个大问题，例如节能，减少雾霾和减少温室气体。由于目前生产的总电能中50％以上消耗在电动机，因此必须实现电动机的高效化，以有效利用电力。
近年来，随着环保汽车(混合动力汽车、插电式混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车)领域的迅速发展，对高效驱动电机的关注日益增加。同时，由于对家用高效电机、重型电器用超高端电机等的高效化的认识和政府管制不断加强，对有效利用电能的要求比以往任何时候都高。
另一方面，为了实现电动机的高效化，在从材料的选择到设计、组装和控制的所有领域进行优化非常重要。特别是，在材料方面，电工钢板的磁性能最为重要，因此对低铁损和高磁通密度有很高的要求。不仅在商用频率范围内驱动，而且要在高频范围内驱动的汽车驱动电机或空调压缩机用电机而言，高频低铁损特性非常重要。
为了获得这样的高频低铁损特性，需要在钢板制造过程中加入大量的电阻率元素如Si、Al和Mn，还需要积极控制钢板中存在的夹杂物和微小析出物，以防止它们干扰磁壁移动。然而，为了控制夹杂物和微小析出物，要想在炼钢过程中提炼成杂质元素如C、S、N、Ti、Nb和V等含量极低，就必须使用高级原料。同时，由于二次精炼需要很多时间，存在生产性下降的问题。
因此，已经研究了大量加入电阻率元素如Si、Al和Mn以及杂质元素含量控制为极低的方法，但是实际应用结果效果不明显。
发明内容
技术问题
本发明的一个实施例提供一种无取向电工钢板及其制造方法，在炼钢过程中不需要加强二次精炼，也能将夹杂物、析出物等微小杂质减少到最低，使得磁壁移动顺利进行，从而改善磁性。
本发明的另一个实施例提供一种生产性和磁性优异的无取向电工钢板及其制造方法。
技术方案
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板还可包含Y：0.0005％至0.01％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板可满足下述式1。
[式1]
[Zn]/[Y]>1
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板可满足下述式2。
[式2]
[Zn]+[Y]≤0.025
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板还可包含N：大于0％且小于等于0.0040％、C：大于0％且小于等于0.0040％、S：大于0％且小于等于0.0040％、Ti：大于0％且小于等于0.0040％、Nb：大于0％且小于等于0.0040％及V：大于0％且小于等于0.0040％。
无取向电工钢板可包含夹杂物，直径为0.5μm至1.0μm的夹杂物可占总夹杂物的40体积％或更多。直径小于等于2μm的夹杂物可占总夹杂物的80体积％或更多。
无取向电工钢板可包含夹杂物，相对于整个无取向电工钢板的面积夹杂物总面积可小于等于0.2％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其平均粒径可为50μm至95μm。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其包含：对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质；对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
板坯还可包含Y：0.0005％至0.01％。
板坯可满足下述式1。
[式1]
[Zn]/[Y]>1
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
板坯可满足下述式2。
[式2]
[Zn]+[Y]≤0.025
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
板坯还可包含N：大于0％且小于等于0.0040％、C：大于0％且小于等于0.0040％、S：大于0％且小于等于0.0040％、Ti：大于0％且小于等于0.0040％、Nb：大于0％且小于等于0.0040％及V：大于0％且小于等于0.0040％。
制造热轧板的步骤之后，还可包含对热轧板进行热轧板退火的步骤。
对冷轧板进行最终退火的步骤中退火温度可为850℃至1050℃。
对冷轧板进行最终退火的步骤之后，可以25℃/秒至50℃/秒的冷却速度冷却至600℃。
在对板坯进行加热的步骤之前，还可包含制造钢水的步骤；钢水中加入Si合金铁、Al合金铁及Mn合金铁的步骤；钢水中加入Zn后利用惰性气体进行鼓泡操作的步骤；以及实施连铸以制造板坯的步骤。
发明效果
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，由于包含特定范围的Zn，改善了钢水洁净度，使得夹杂物和析出物粗大化。结果，高频铁损和低磁场性能得到改善，可以制造出适合高速旋转的无取向电工钢板。由此，可以制造出环保汽车用电机、高效家用电机、超高端电动机。
具体实施方式
文中术语第一、第二、第三等用于描述各种部分、成分、区域、层和/或段，但这些部分、成分、区域、层和/或段不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分某一部分、成分、区域、层和/或段与另一部分、成分、区域、层和/或段。因此，在不脱离本发明的范围内，下面描述的第一部分、成分、区域、层和/或段也可以被描述为第二部分、成分、区域、层和/或段。
本文所使用的术语只是出于描述特定实施例，并不意在限制本发明。除非上下文中另给出明显相反的含义，否则本文所使用的单数形式也意在包含复数形式。还应该理解的是，术语“包含”可以具体指某一特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，但并不排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
如果某一部分被描述为在另一个部分之上，则可以直接在另一个部分上面或者其间存在其他部分。当某一部分被描述为直接在另一个部分上面时，其间不会存在其他部分。
虽然没有另作定义，但本文使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)的含义与所属领域的技术人员通常理解的意思相同。对于辞典里面有定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
此外，在没有特别提及的情况下，％表示重量％，1ppm是指0.0001％。
本发明的一个实施例中进一步包含附加元素是指余量的铁(Fe)中一部分被附加元素替代，替代量相当于附加元素的加入量。
下面详细描述本发明的实施例，以使本发明所属领域的普通技术人员容易实施本发明。本发明能够以各种不同方式实施，并不局限于本文所述的实施例。
在本发明的一个实施例中，不仅对无取向电工钢板中的组分(特别是作为主要加入成分的Si、Al、Mn)的范围进行优化，而且通过限制微量元素Zn的加入量来显著改善织构和磁性。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质。
首先描述限制无取向电工钢板的成分的理由。
Si：2.0重量％至3.5重量％
硅(Si)的作用是提高材料的电阻率降低铁损，如果加入量过少，则高频铁损改善效果可能会不足。相反地，如果加入量过多，则材料的硬度上升，进而导致冷轧性极度恶化，有可能造成生产性和冲裁性变差。因此，可以在前述的范围内加入Si。
Al：0.3重量％至3.5重量％
铝(Al)的作用是提高材料的电阻率降低铁损，如果加入量过少，则对减少高频铁损没有效果，并且形成微小的氮化物，从而造成磁性变差。相反地，如果加入量过多，则炼钢和连铸等所有工艺上会出现问题，有可能造成生产性大大下降。因此，可以在前述的范围内加入Al。
Mn：0.2重量％至4.5重量％
锰(Mn)的作用是提高材料的电阻率改善铁损以及形成硫化物，如果加入量过少，则析出微小的MnS，可能会造成磁性变差。相反地，如果加入量过多，则促进形成不利于磁性的{111}织构，有可能降低磁通密度。因此，可以在前述的范围内加入Mn。
在本发明的一个实施例中，电阻率可为55μΩ·cm至80μΩ·cm。
Zn：0.0005重量％至0.02重量％
锌(Zn)的作用是与杂质发生反应而提高钢水的洁净度。如果加入量过少，则导致夹杂物等粗大化，有可能无法发挥提高钢水洁净度的作用。相反地，如果加入量过多，就会促进形成微小的析出物。因此，可以在前述的范围内加入Zn。
Y：0.0005重量％至0.02重量％
钇(Y)是进一步加入的元素，其起到有助于使Zn的夹杂物粗大化的添加剂作用。当进一步加入Y时，有助于使Zn的夹杂物粗大化，以抑制后续退火工艺中发生的夹杂物再熔解，从而起到减少微小析出物的作用。如果加入量过多，就会促进形成微小的析出物，可能会造成铁损恶化。
Zn和Y可满足下述式1。
[式1]
[Zn]/[Y]>1
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
由于Y是辅助Zn发挥作用的元素，当Y的加入量多于Zn时，反而会阻碍夹杂物粗大化，有可能促进形成微小的析出物。因此，可以如式1所示限制Y的比率。
Zn和Y可满足下述式2。
[式2]
[Zn]+[Y]≤0.025
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
如果Zn和Y的合计含量过多，就会促进形成微小的析出物，有可能造成铁损恶化。因此，可以如式2所示限制Zn和Y的合计含量。
N：小于等于0.0040重量％
氮(N)与Ti、Nb、V结合而形成氮化物或碳化物，其尺寸越微小越造成晶粒生长性下降，因此优选限制在小于等于0.0040重量％，更具体地限制在小于等于0.0030重量％。
C：小于等于0.0040重量％
碳(C)与N、Ti、Nb、V等发生反应而形成微小的碳化物，从而阻碍晶粒生长性和磁畴移动，还会引起磁时效，因此优选限制在小于等于0.0040重量％，更具体地限制在小于等于0.0030重量％。
S：小于等于0.0040重量％
硫(S)与Mn发生反应而形成MnS等硫化物，从而造成晶粒生长性下降以及抑制磁畴移动，因此优选限制在小于等于0.0040重量％，更具体地限制在小于等于0.0030重量％。
Ti：小于等于0.0040重量％
钛(Ti)会形成碳化物或氮化物，从而抑制晶粒生长性和磁畴移动，因此优选限制在小于等于0.0040重量％，更具体地限制在小于等于0.0030重量％。
Nb：小于等于0.0040重量％
铌(Nb)会形成碳化物或氮化物，从而抑制晶粒生长性和磁畴移动，因此优选限制在小于等于0.0040重量％，更具体地限制在小于等于0.0030重量％。
V：小于等于0.0040重量％
钒(V)会形成碳化物或氮化物，从而抑制晶粒生长性和磁畴移动，因此优选限制在小于等于0.0040重量％，更具体地限制在小于等于0.0030重量％。
其他杂质
除了前述的元素之外，还会包含不可避免混入的杂质如Mo、Mg、Cu等。虽然这些元素是微量元素，但是通过形成钢中夹杂物等可能会造成磁性恶化，因此需要控制成Mo、Mg分别小于等于0.005重量％，Cu小于等于0.025重量％。
在本发明的一个实施例中，通过加入一定量的Zn来适当地控制夹杂物的尺寸，最终提高无取向电工钢板的磁性。具体地，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其中直径为0.5μm至1.0μm的夹杂物可占总夹杂物的40体积％或更多。此时，夹杂物的直径是指假设有一虚拟圆，其面积与夹杂物相同，该圆的直径即为夹杂物的直径。这样的夹杂物会提高磁畴移动性，使得无取向电工钢板显示出优异的磁性能。更具体地，直径小于等于2μm的夹杂物可占总夹杂物的80体积％或更多。
无取向电工钢板可包含夹杂物，相对于整个无取向电工钢板的面积夹杂物总面积可小于等于0.2％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其平均粒径可为50μm至100μm。在所述范围内，无取向电工钢板的磁性更加优异。
如前所述，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其高频铁损和低磁场性能得到改善。具体地，在50Hz、100A/m下磁通密度大于等于0.8T，在0.1T下高频铁损比率(1000Hz/10000Hz×100)可能小于等于3.2％。这表明，不仅在几百Hz范围内高频铁损优异，而且在几十kHz范围内高频铁损也优异。当高频铁损比率大于3.2％时，在高速旋转和低速旋转下的铁损之差很大，从而成为整体电机效率变差的原因。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其包含：对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含S i：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质；对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
下面按照各步骤进行详细描述。
首先，对板坯进行加热。限制板坯中的各组分的加入比的理由与前述的限制无取向电工钢板的组分的理由相同，因此省略重复的描述。下述的热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火等制造过程中板坯的组分实际上没有变化，因此板坯的组分与无取向电工钢板的组分实际上相同。
可通过如下步骤制造板坯：制造钢水；钢水中加入Si合金铁、Al合金铁及Mn合金铁；钢水中加入Zn后，利用惰性气体进行鼓泡操作；以及实施连铸。可以调节Si合金铁、Al合金铁、Mn合金铁、Zn等的加入量，使其落入前述的板坯的组分范围。当进一步加入Y时，可与Zn一起同时加入。同时加入Zn和Y后，通过进行鼓泡操作，可使Zn和Y进行反应。
将板坯装入加热炉加热到1100℃至1200℃。在高于1250℃的温度下进行加热时，析出物会再熔解，在热轧后可能析出微小的析出物。
将加热后的板坯热轧成2mm至2.3mm而制成热轧板。在制造热轧板的步骤中，最终温度可以是800℃至1000℃。
在制造热轧板的步骤之后，还可包含对热轧板进行热轧板退火的步骤。此时，热轧板退火温度可以是850℃至1150℃。如果热轧板退火温度低于850℃，则不会有组织生长或者生长出微小的组织，进而磁通密度的上升效果低，如果退火温度高于1150℃，则磁性能反而变差，而且由于板状变形，有可能造成轧制操作性变差。更具体地，温度范围可以是950℃至1125℃。更具体地，热轧板的退火温度可以是900℃至1100℃。根据需要进行热轧板退火，以增加有利于磁性的取向，因此可以省略热轧板退火。
接下来，对热轧板进行酸洗后，冷轧成预定厚度。可以根据热轧板厚度采用不同的压下率，但是可以采用70％至95％的压下率冷轧成最终厚度为0.2mm至0.65mm制成冷轧板。
对最终冷轧的冷轧板实施最终退火，以使平均粒径达到50μm至95μm。最终退火温度可以是850℃至1050℃。如果最终退火温度过低，则不会发生充分的再结晶，如果最终退火温度过高，则发生晶粒的急剧生长，有可能造成磁通密度和高频铁损恶化。更具体地，可在900℃至1000℃的温度下进行最终退火。在最终退火过程中，在上一个步骤即冷轧步骤形成的加工组织都(即，99％以上)会再结晶。
在最终退火之后，可以25℃/秒至50℃/秒的冷却速度冷却至600℃。通过以适当的冷却速度进行冷却，可以促进夹杂物的粗大化。如此制成的无取向电工钢板，其中直径为0.5μm至1.0μm的夹杂物可占总夹杂物的40体积％或更多。直径小于等于2μm的夹杂物可占总夹杂物的80体积％或更多。相对于整个无取向电工钢板的面积夹杂物总面积可小于等于0.2％。
下面通过实施例进一步详细描述本发明。然而，下述实施例只是用于例示本发明，本发明不限于下述实施例。
实施例1
制造出具有如下表1所示的组分的板坯。除了表1中的成分之外，C、S、N、Ti等均控制成0.003重量％。将板坯加热至1150℃，并在850℃下进行热精轧制成板厚为2.0mm的热轧板。热轧后的热轧板在1100℃下退火4分钟后进行酸洗。接着，冷轧成板厚为0.25mm，并在整理于下表2中的温度下实施最终退火45秒。然后，以整理于下表2中的冷却速度冷却至600℃，最终制造出无取向电工钢板。对于磁性，利用单片测试仪(Single Sheet tester)以轧制方向和垂直方向的平均值确定磁性并示于下表2中。利用光学显微镜观察夹杂物，显微镜的倍数为500倍，观察面是垂直于轧制方向的截面(TD)，观察面积至少为4mm2。夹杂物的直径用相同面积的虚拟圆的直径来表示。对于夹杂物总面积，将直径为0.5μm至1.0μm的夹杂物的面积比率整理于下表2。
【表1】
【表2】
如表1和表2所示，对于实施例钢种，具有一定直径的夹杂物的比率增加，因此具有优异的磁性。相比之下，Zn的Y加入量超出本发明的范围的对比例钢种，由于没用适当地加入Zn、Y或者最终退火的温度及冷却速度不适当，未能满足夹杂物特性，而且磁性很差。
本发明能以各种不同方式实施并不局限于所述的实施例，本发明所属领域的普通技术人员可以理解在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下通过其他具体方式能够实施本发明。因此，应该理解上述的实施例是示例性的，而不是用来限制本发明的。

Claims (18)

1.一种无取向电工钢板，其特征在于：
以重量％计，所述钢板包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于：
所述钢板还包含Y：0.0005％至0.01％。
3.根据权利要求2所述的无取向电工钢板，其特征在于：
所述钢板满足下述式1，
[式1]
[Zn]/[Y]>1
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
4.根据权利要求2所述的无取向电工钢板，其特征在于：
所述钢板满足下述式2，
[式2]
[Zn]+[Y]≤0.025
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
5.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于：
所述钢板还包含N：大于0％且小于等于0.0040％、C：大于0％且小于等于0.0040％、S：大于0％且小于等于0.0040％、Ti：大于0％且小于等于0.0040％、Nb：大于0％且小于等于0.0040％及V：大于0％且小于等于0.0040％。
6.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于：
所述钢板包含夹杂物，直径为0.5μm至1.0μm的夹杂物占总夹杂物的40体积％或更多。
7.根据权利要求6所述的无取向电工钢板，其特征在于：
直径小于等于2μm的夹杂物占总夹杂物的80体积％或更多。
8.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于：
所述钢板包含夹杂物，相对于整个无取向电工钢板的面积所述夹杂物总面积小于等于0.2％。
9.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于：
平均粒径为50μm至95μm。
10.一种无取向电工钢板的制造方法，其特征在于，所述方法包含：
对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.3％至3.5％、Mn：0.2％至4.5％、Zn：0.0005％至0.02％及余量的Fe和不可避免的杂质；
对所述板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；
对所述热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及
对所述冷轧板进行最终退火的步骤。
11.根据权利要求10所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
所述板坯还包含Y：0.0005％至0.01％。
12.根据权利要求11所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
所述板坯满足下述式1，
[式1]
[Zn]/[Y]>1
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
13.根据权利要求11所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
所述板坯满足下述式2，
[式2]
[Zn]+[Y]≤0.025
但，[Zn]和[Y]各自表示Zn和Y的含量(重量％)。
14.根据权利要求10所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
所述板坯还包含N：大于0％且小于等于0.0040％、C：大于0％且小于等于0.0040％、S：大于0％且小于等于0.0040％、Ti：大于0％且小于等于0.0040％、Nb：大于0％且小于等于0.0040％及V：大于0％且小于等于0.0040％。
15.根据权利要求10所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
在制造所述热轧板的步骤之后，还包含对所述热轧板进行热轧板退火的步骤。
16.根据权利要求10所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
对所述冷轧板进行最终退火的步骤中退火温度为850℃至1050℃。
17.根据权利要求16所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
在对所述冷轧板进行最终退火的步骤之后，以25℃/秒至50℃/秒的冷却速度冷却至600℃。
18.根据权利要求10所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于：
在所述对板坯进行加热的步骤之前，所述方法还包含：
制造钢水的步骤；
钢水中加入Si合金铁、Al合金铁及Mn合金铁的步骤；
钢水中加入Zn后利用惰性气体进行鼓泡操作的步骤；以及
实施连铸以制造板坯的步骤。
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