CN110205462A

CN110205462A - 高速电机用无取向硅钢生产方法

Info

Publication number: CN110205462A
Application number: CN201910578952.4A
Authority: CN
Inventors: 石文敏; 杨光; 吕黎; 李准; 陈圣林; 黄景文; 罗敏
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2019-09-06

Abstract

本发明公开了一种高速电机用无取向硅钢生产方法，将热轧板经常化、酸洗后冷轧至临界厚度，然后再结晶退火后采用X％的临界压下量冷轧至目标成品厚度，进行涂层获得铁损P_1.0/400≤30W/kg、屈服强度Rp_0.2≥500MPa、硬度HV₅≤280的成品A；2)去除步骤1)成品A后的剩余热轧板进行消除应力退火得到铁损P_1.0/400≤20W/kg、磁感B₅₀₀₀≥1.64T的成品B。该发明显著提高了材料的利用率，避免了合金元素添加带来的生产加工问题。

Description

高速电机用无取向硅钢生产方法

技术领域

本发明属于硅钢技术领域，具体涉及一种高速电机用无取向硅钢生产方法。

背景技术

高速电机通常指转速超过10000r/min的电机，尤其是高速永磁同步电动机，由于其功率密度高，尺寸小，重量轻，转速范围宽广，在新能源汽车领域，高速电机在各方面均具有广阔的应用前景。

一方面，由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度，转子上的损耗比例很小，对电机的效率没有太大的影响，但转子产生损耗时的发热对永磁体具有消磁的作用，间接的恶化了电机的性能，因此也要控制在一定水平。目前高速电机中普遍采用的永磁同步电机为了抑制磁桥处的漏磁，就要使用导磁率较低的硅钢片。但是，永磁同步电机还充分利用了磁阻转矩，电机转子用硅钢片的磁通密度直接影响到磁阻转矩的大小，为了提高电机的磁阻转矩，硅钢片的导磁率也不能过低，因此对磁感的要求因不同电机的设计要求有所差异。另一方面，由于高速电机频率高，定子铁芯铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。

一般情况下，硅钢片的高强度和电磁性能很难兼得，通过添加合金元素降低损耗或提高强度会使铁芯制造成本大幅上升，且对于转子材料轧制加工难度加大。国内外也有采用两种材料分别制造定转子铁芯的设计，但从降低成本的角度看，使用同种硅钢板冲压加工定转子铁芯比较合适，这就需要开发出磁性能和机械性能兼顾的无取向硅钢板。对于提高无取向硅钢强度的需求，一般采用固溶强化、析出强化、细晶强化等方法提高强度，但是电磁性能会不同程度恶化。

中国发明专利申请(申请号201010518005.5)公开了一种较高磁感的高强度无取向硅钢及其制造方法，其方法包括如下步骤：1)冶炼、浇铸，硅钢成分重量百分比为：C≥0.0040％，Si：2.50～4.00％，Al：0.20％～0.80％，Cr：1.0～8.0％，Ni：0.5～5.0％，Mn≥0.50％，P≥0.30％，S≥0.0020％，N≥0.0030％，Ti≥0.0030％，Nb≥0.010％，V≥0.010％，C+S+N+Ti：≥0.010％，其余Fe；冶炼、RH真空处理、浇铸；2)热轧；3)常化，温度850～950℃，时间0.5～3min，后以5～15℃/s缓冷至650～750℃，再以20～70℃/s快冷至100℃以下；4)酸洗冷轧，总压下率≥70％；5)退火，温度800～1000℃，保持5～60s，后以3～10℃/s缓冷却至650～750℃，再以20～70℃/s快冷至100℃以下。本发明在不增加制造难度条件下生产高强度兼具高效磁性能的无取向硅钢。Cr％低时，磁性转变温度(居里温度T_C)随Cr％的增加而稍增，而超过5％Cr后，T_C随Cr％的增加而降低，因此少量Cr加入到钢中能使T_C升高，由公式Ms²≈3N²μ_B ²(1-T/T_C)可知，T_C升高有利于饱和磁化强度MS的提高。但该专利中的最大添加量超过5％，显然会降低饱和磁感。Ni元素成本较高，过量Ni使钢板变脆，冷轧时容易断裂，因此Ni的添加也应该适量。

中国发明专利(申请号200680042673.7)公开了一种高强度无方向性电磁钢板，其中，具有下述组成：以质量％计，使C和N为C：0.010％以下和N：0.010％以下、且C+N≥0.010％，含有Si：大于3.5％且在5.0％以下、Mn：3.0％以下、Al：3.0％以下、P：0.2％以下、以及S：0.01％以下，或还含有Ni：5.0％以下，并且在满足(Ti+V)/(C+N)≥16的范围内含有总计为0.01％以上、0.8％以下的Ti、V中的任意1种或2种，其余为Fe和不可避免的杂质，并且，钢板中的未再结晶恢复组织的存在比率以面积率计为50％以上。该专利含有Si大于3.5％，轧制难度极大，容易发生断带，Al最高可以达到3.0％，钢水中Al含量高，浇铸时易结瘤，铸坯表面易结疤，成品表面缺陷多，Al也容易在退火时产生内氧化层和内氮化层。添加Ti、V中的任意1种或2种会使在热轧过程中析出的大量细小的Ti(C,N)或V(C,N)质点，严重阻碍动态再结晶过程，降低退火过程中的再结晶比例，成品晶粒尺寸较小，使成品铁损大幅上升。

中国发明专利(申请号200480029117.7)公开了一种高强度电磁钢板及其加工部件，其特征在于，以质量百分比计，含有C：0.06％或以下、Si：0.2～6.5％、Mn：0.05～3.0％、P：0.30％或以下、S或Se：0.040％或以下、Al：2.50％或以下、Cu：0.6～8.0％、N：0.0400％或以下，其余量由Fe及不可避免的杂质组成，且在钢材内部含有直径为0.1μm或以下的由Cu构成的金属相。Cu在热轧过程中会析出细小的ε-Cu第二相质点，其未经常化热轧板强度高导致冷轧困难，再结晶过程中ε-Cu第二相质点也会阻碍晶粒的长大，最终恶化磁性能。该专利加Cu可以提高电磁钢板的强度但会使电磁性能变差。

日本JFE专利(授权公布号CN104520458A))公开了一种高强度无取向硅钢的生产方法，0.40mm以下、未再结晶的加工组织：10％-70％、拉伸强度在600MPa以上、铁损P_1.0/400:30W/kg以下，能够得到适合作为高速旋转电机的转子材料的、稳定地具有高强度且磁特性也优异的高强度电磁钢板，上述成分组成：C：0.005％以下、Si：超过3.5％且4.5％以下、Mn：0.01％～0.10％、Al：0.005％以下、Ca：0.0010％～0.0050％、S：0.003％以下、N：0.0030％以下，且满足Ca/S：0.80以上，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。其缺陷显而易见，成品未再结晶的加工组织比例较大，其铁损较高，且Si％超过3.5％后加工性急剧恶化。

中国发明专利申请(申请号201110113728.1)公开了一种半工艺冷轧无取向电工钢的生产方法，包括将无取向热轧硅钢酸洗、轧制、电解脱脂、退火和平整的步骤，平整延伸率控制在0.5～3％。该发明生产的牌号为50WB800、厚度为0.5mm，主要目的是降低铁损，提高磁感，平整后的材料不涂层直接由用户进行发蓝绝缘处理。半工艺适用于低牌号材料改善磁性，其产品主要应用于工频电机，对转子强度无特殊要求，不适用于高频高速电机。

文献《Magnetic and Mechanical Properties of Newly Developed High-Strength Nonoriented Electrical Steel》(IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(2):290-293)介绍了一种具有优良力学性能的高强度无取向硅钢，通过位错强化提高强度，强度达到了690和780MPa级。冷轧引入的位错被重新排列，并形成几个再结晶晶粒内的位错减少变形的矩阵。这种硅钢是通过固溶铌适度抑制位错的合并对消而得到一种特殊的微观组织，因此兼具很高的力学性能和磁性，特别适用于HEV、EV驱动电机转子。但固溶铌后的成品再结晶比例低，400Hz，1.0T下的铁损在40W/kg以上，铁损明显偏高，该产品的强度虽高但磁性能较差。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种采用同种材料制得不同产品的高速电机用无取向硅钢生产方法，显著提高了材料的利用率，避免了合金元素添加带来的生产加工问题。

为实现上述目的，本发明所设计的高速电机用无取向硅钢生产方法如下：

1)将热轧板经常化、酸洗后冷轧至临界厚度，然后再结晶退火后采用X％的临界压下量冷轧至目标成品厚度，进行涂层获得铁损P_1.0/400≤30W/kg、屈服强度Rp_0.2≥500MPa、硬度HV₅≤280的成品A；

其中：临界压下量X和再结晶退火温度T满足：

T＝(35×X％+710)±10℃，X为2～10；

2)去除步骤1)成品A后的剩余热轧板进行消除应力退火得到铁损P_1.0/400≤20W/kg、磁感B₅₀₀₀≥1.64T的成品B，消除应力退火后，冷轧残余的形变储能为回复再结晶提供了足够动力，晶粒回复再结晶、长大。

进一步地，所述X为4～7。

进一步地，所述再结晶退火温度T为840～965℃。

进一步地，所述步骤2)中在N2中进行700～800℃×1～2h消除应力退火。

本发明通过采用同种材料冲片得到定转子，针对定转子不同性能需求，通过再结晶退火温度和临界压下量的组合协作控制，获得高强度的转子材料，转子铁心用无取向硅钢铁损P_1.0/400≤30W/kg、屈服强度Rp_0.2≥500MPa、硬度HV₅≤280；进一步消除应力退火后得到磁性优良的定子材料，定子铁心用无取向硅钢铁损P_1.0/400≤20W/kg、磁感B₅₀₀₀≥1.64T；同时也兼顾了模具的冲压能力和寿命，该发明显著提高了材料的利用率，避免了合金元素添加带来的生产加工问题。

再结晶退火温度低，晶粒相对细小，变形抗力大，此时为了保证后续临界压下工序顺利进行，临界压下量需要控制在较低；而当采用较低的临界压下量时，考虑到临界压下后的成品强度，再结晶退火温度需要更低。

再结晶退火温度高，晶粒相对粗大，变形抗力小，此时为了保证后续临界压下后成品具有较高强度，临界压下量需要相对较高；而当采用较高的临界压下量时，考虑到消除应力退火后材料的磁性，再结晶退火温度需要更高以保证较为粗大的晶粒。

临界压下使材料表层产生应变层，其表现为表层晶粒破碎或细化，甚至使晶格畸变产生形变带，造成材料的强度显著上升，材料铁损也会急剧上升；同时由于表层的应变硬化导致材料的显微硬度上升，临界压下量越大的同时硬度也越高，对模具的磨损也越严重，同时叠片间的铆接强度也会削弱。

下游电机厂购得本发明制造的硅钢后，用户应用自身条件，冲片后定子铁芯只需经过消除应力退火后，磁性能即可显著改善，达到高磁性能要求；而转子铁芯无需消除应力退火直接使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明高速电机用无取向硅钢生产方法，采用低温不完全退火工艺，生产工艺简单，生产成本低；硅钢成品经消除应力退火后，其磁性能非常优异，定子铁心用无取向硅钢铁损P_1.0/400≤30W/kg、屈服强度Rp_0.2≥500MPa、硬度HV₅≤280；进一步消除应力退火后得到磁性优良的定子材料，定子铁心用无取向硅钢铁损P_1.0/400≤20W/kg、磁感B₅₀₀₀≥1.64T，该发明显著提高了材料的利用率，避免了合金元素添加带来的生产加工问题。

本发明制造的高强度且磁性优良硅钢性价比非常高，冲压后即可得到高强度转子铁芯，消除应力退火后即可得到磁性能优良的定子铁芯，充分利用了材料特性，节省了原料成本，满足了下游用户特别是高速驱动电机厂家的需求。

具体实施方式

下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

实施例1

采用转炉冶炼，RH真空精炼处理，并连铸成钢坯，铸坯的主要化学成分如表1，其余为Fe和不可避免的杂质。

表1连铸坯的主要化学成分(wt,％)

Si	Als	Mn	C	S	P	N
							3.1	0.5	0.21	0.0020	0.0008	0.031	0.0007

将厚度为210mm的铸坯装入加热炉均热，热轧成2.0mm厚度的热轧卷，经过常化，酸洗，冷轧到临界厚度，脱脂处理后进行成品退火，再采用临界压下量冷轧到0.35mm，进行涂层，最后在保护气氛中经780℃×2h消除应力退火，空冷至室温进行磁性和机械性能检测。具体工艺及成品性能见表2。

表2试验钢的成品性能

由表2可见，临界压下量优选在4.0～7.0％时，屈服强度更高，消除应力退火后铁损更低。

实施例2

采用转炉冶炼，RH真空精炼处理，并连铸成钢坯，铸坯的主要化学成分如表3，其余为Fe和不可避免的杂质。

表3连铸坯的主要化学成分(wt,％)

Si	Als	Mn	C	S	P	N
							2.6	0.8	0.25	0.0017	0.0012	0.025	0.0011

将厚度为210mm的铸坯装入加热炉均热，热轧成2.0mm厚度的热轧卷，经过常化，酸洗，冷轧到临界厚度，脱脂处理后进行成品退火，再采用临界压下量冷轧到0.30mm，进行涂层，最后在保护气氛中经750℃×2h消除应力退火，空冷至室温进行磁性和机械性能检测。具体工艺及成品性能见表4。

表4试验钢的成品性能

由表4可见，临界压下量优选在4.0～7.0％时，屈服强度更高，消除应力退火后铁损更低。

实施例3

采用转炉冶炼，RH真空精炼处理，并连铸成钢坯，铸坯的主要化学成分如表5，其余为Fe和不可避免的杂质。

表5连铸坯的主要化学成分(wt,％)

Si	Als	Mn	C	S	P	N
							3.3	0.2	0.15	0.0019	0.0015	0.021	0.0013

将厚度为230mm的铸坯装入加热炉均热，热轧成2.0mm厚度的热轧卷，经过常化，酸洗，冷轧到临界厚度，脱脂处理后进行成品退火，再采用临界压下量冷轧到0.27mm，进行涂层，最后在保护气氛中经780℃×2h消除应力退火，空冷至室温进行磁性和机械性能检测。具体工艺及成品性能见表6。

表6试验钢的成品性能

由表6可见，临界压下量优选在4.0～7.0％时，屈服强度更高，消除应力退火后铁损更低。

Claims

1.一种高速电机用无取向硅钢生产方法，其特征在于：所述生产方法如下：

其中：临界压下量X和再结晶退火温度T满足：

T＝(35×X％+710)±10℃，X为2～10；

2)去除步骤1)成品A后的剩余热轧板进行消除应力退火得到铁损P_1.0/400≤20W/kg、磁感B₅₀₀₀≥1.64T的成品B。

2.根据权利要求1所述高速电机用无取向硅钢生产方法，其特征在于：所述X为4～7。

3.根据权利要求1所述高速电机用无取向硅钢生产方法，其特征在于：所述再结晶退火温度T为840～965℃。

4.根据权利要求1所述高速电机用无取向硅钢生产方法，其特征在于：所述步骤2)中在N2中进行700～800℃×1～2h消除应力退火。