CN110819879A - 一种磁性能优良的无取向硅钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性能优良的无取向硅钢及其制造方法，属于无取向硅钢生产技术领域。本发明的无取向硅钢的化学组分的重量百分比为：C≤0.005％、Si≤1.50％、0.15％≤Mn≤0.35％、0.050％≤Als≤0.55％、0.0010％≤S≤0.0030％、0.0010％≤N≤0.0030％、Ti≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明通过原料钢进行冶炼、连铸、热轧、酸洗冷轧、成品退火、拉矫处理、涂覆绝缘层和消除应力退火等工艺处理，从而能够在不添加贵重金属的条件下，获得一种Si含量在1.5％以下、Al含量在0.05～0.5％之间的低铁损、高磁极化强度的无取向硅钢，且其经消除应力退火后铁损下降比例较高，进而能够进一步提高现有无取向硅钢的电磁性能。

Description

一种磁性能优良的无取向硅钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及无取向硅钢生产技术领域，更具体地说，涉及一种磁性能优良的无取向硅钢及其制造方法。
背景技术
低铁损无取向硅钢板可广泛用于航天航空、医疗、化工、机械、家电等领域中的无刷直流电机、交流感应电机和小型变压器内。随着应用领域的不断拓展，低铁损无取向硅钢板的使用量将越来越大。为了降低电能消耗，提高电机使用效率，达到节能降耗的目的，降低成品铁损值和提高磁感应强度是无取向硅钢制造行业一直追求的目标。
目前，为了进一步降低无取向硅钢板的铁损，提高其磁极化强度，现有硅钢生产工艺通常采用成分的纯净化、夹杂物改性处理(稀土金属元素的添加及钙处理)、热轧板退火温度优化和成品退火高温化等方法对无取向硅钢板材料的磁性能进行优化，从而使其满足不同应用领域的使用要求。但是，由于影响硅钢产品的铁损和磁极化强度性能的因素多且复杂，采用上述工艺操作处理对所得硅钢产品的磁性能(主要为铁损和磁感)改善效果并不显著。
经检索，关于进一步降低同牌号系列硅钢产品的铁损、提高其磁性能的专利已有相关公开。如，中国专利公开号为：CN112962A的专利申请中公开了一种消除应力退火后铁损低、无取向的电工钢板及电动机或变电器用铁芯，该申请案中通过采用添加稀土REM的方式，用来降低Zr、Ti，从而在低温短时间的消除应力退火过程中，将阻碍晶粒长大的极细小的析出物粗大化，无害化，进而能够得到经消除应力退火后铁损优良的无取向硅钢。但是，由于稀土收得率不稳定，容易导致产品性能波动，且稀土元素的添加也增加了生产成本，因此不适宜大批量生产。
又如，中国专利公开号为：CN1154146A的专利申请中公开了一种高磁感冷轧无取向电工钢的成分及其生产工艺，其通过提高钢中Mn元素到1.0wt％，控制C、S、N含量均不超过30ppm，热轧终轧在Ar3+50相区，Ar1-50℃～(Ar1+Ar3)/2卷曲并自退火，从而可得到B5000为1.79～1.80T的高磁感性能，但其铁损值P1.5＞5.0w/kg，不能同时获得高磁感和低铁损的特性。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于克服采用现有硅钢生产工艺对所得无取向硅钢的磁性能改善效果相对较差的不足，提供了一种磁性能优良的无取向硅钢及其制造方法。采用本发明的技术方案，在不添加贵重金属的条件下，能够有效降低所得无取向硅钢的铁损，并提高其磁极化强度。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种磁性能优良的无取向硅钢，其化学组分的重量百分比为：C≤0.005％、Si≤1.50％、0.15％≤Mn≤0.35％、0.050％≤Als≤0.55％、0.0010％≤S≤0.0030％、0.0010％≤N≤0.0030％和Ti≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
更进一步的，所述C、S、N和其他杂质的含量分别优选控制为：C≤0.0025％、0.0010％≤S≤0.0025％和0.0010％≤N≤0.0025％，其他杂质＜0.006％。
更进一步的，所述无取向硅钢的成品铁损P1.5/50在5.5W/kg以下，产品磁导率μ1.0在5500Gs/Oe以上，经消除应力退火后，其铁损P1.5/50降低至3.8W/kg以下，产品磁导率μ1.0提高至9000Gs/Oe以上。
本发明的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：冶炼、连铸；
步骤二：热轧；
步骤三：酸洗、冷轧；
步骤四：成品退火；
步骤五：拉伸平整；
步骤六：涂覆绝缘层；
步骤七：消除应力退火。
更进一步的，步骤一中将原料钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成厚度为150～250mm的铸坯；步骤二热轧过程中，铸坯加热温度为1050～1150℃，加热时间为120～300min；热轧后厚度为2.0～3.0mm。
更进一步的，将步骤三中冷轧后的厚度为0.35～0.65mm；步骤四成品退火时，退火温度为700～850℃，退火时间为40～50s。
更进一步的，步骤五中进行拉矫处理时控制板材的延伸率为3～5％。
更进一步的，步骤六中涂覆绝缘层后进行烘干处理时，烘干温度＜500℃，烘干时间为10～20s。
更进一步的，步骤七中进行消除应力退火处理时，退火温度为700～800℃，退火时间为1.5～2.5h。
更进一步的，步骤四成品退火过程中采用氮氢混合气体为保护气氛；步骤七消除应力退火过程中采用氮气为保护气氛。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种磁性能优良的无取向硅钢，通过对其冶炼后的组分含量及种类进行优化设计，不需要添加贵金属就可获得一种Si含量在1.5％以下、Al含量在0.05～0.5％之间的低铁损、高磁极化强度的无取向硅钢，有效降低了生产成本。本发明的无取向硅钢产品的成品铁损P1.5/50在5.5W/kg以下，产品磁导率μ1.0在5500Gs/Oe以上，经消除应力退火后，其铁损P1.5/50可有效降低至3.8W/kg以下，产品磁导率μ1.09000Gs/Oe以上，同时，本发明的无取向硅钢产品表面硬度HV1能够控制在100～150之间，可以较好的满足冲片加工要求。
(2)本发明的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，通过对成品退火后的无取向硅钢进行进一步拉矫(拉伸和矫直)处理，最后再进行消除应力退火，从而可以有效降低所得无取向硅钢的铁损值，且其降低比例较高，同时还能够进一步提高所得无取向硅钢的磁极化强度。
(3)本发明的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，通过对无取向硅钢的组分、配比及制造工艺的各工艺参数进行优化设计，从而可以进一步保证所得无取向硅钢的磁性能和力学性能，且其制造工艺简单、成本较低。
附图说明
图1为实施例1所得无取向硅钢产品成品退火后的横向组织金相图；
图2为实施例1所得无取向硅钢产品消除应力退火后的横向组织金相图；
图3为各实施例的无取向硅钢产品的化学成分(重量百分数)；
图4为各实施例的无取向硅钢产品的性能测试结果。
具体实施方式
本发明的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将原料钢经铁水预处理，使其经铁水预处理后目标S含量≤0.0020％，再进行转炉炼钢，要求出钢氧含量≤800ppm、然后进行真空处理，用以脱硫、脱碳和脱氧，使其达到需要的成分要求之后连铸成厚度为150～250mm的铸坯。所述原料钢冶炼后的化学成分(重量百分数)为：C≤0.0050％、Si≤1.50％、0.15％≤Mn≤0.35％、0.050％≤Als≤0.55％，0.0010％≤S≤0.0030％，0.0010％≤N≤0.0030％、Ti≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
需要说明的是，由于C是产生磁时效的主要元素，控制在较低水平较好，高的C含量，在进行后续退火处理时需要加湿脱碳，不然在高温室气氛下，易产生内氧化层，阻碍消除应力退火过程的晶粒长大，从而恶化消除应力退火性能。因此，在C≤0.005％的范围内优选C≤0.0025％。Si是增加电阻的元素，是电工钢最重要的合金元素，为使无取向硅钢产品获得低的铁损，需要适当提高Si含量，但是过高的Si含量也会导致磁极化强度J5000降低，因此，本发明中控制Si含量上限为1.5％。由于无取向硅钢组分中的Ti会与C、N形成细小尺寸的Ti(CN)，而S会与Cu形成细小CuxS析出相，从而阻碍消除应力退火过程的晶粒长大。因此，本发明的S、N的含量控制在0.0025％以下为佳，Ti的含量控制在0.0015％以下。其他杂质元素，如V、Nb应控制在较低水平，一般要求总含量控制在0.006％以下。
步骤二：将步骤一中得到的铸坯采用热装的方式，入加热炉温度控制在150℃以上，放入加热炉中加热处理，加热温度控制在1050～1150℃，加热时间控制在120～300min；通过对其加热温度的控制，从而一方面能够有效减少MnS和AlN的固溶量(且MnS和AlN的析出尺寸较大)，获得需要的MnS和AlN第二相析出，进而确保在本发明需要的二次再结晶发生之前，能够有效的抑制晶粒尺寸。另一方面，在消除应力退火过程中，能够有效使小尺寸析出物钉扎晶界的阻力减少，有利于晶粒进一步长大，进而获得铁损较低的无取向硅钢产品。然后对铸坯进行热轧，热轧后获得2.0～3.0mm厚的热轧板；
步骤三：步骤二中的热轧板无需常化处理，因此能够有效降低生产成本，然后直接进行酸洗并冷轧至需要的厚度，一般为0.35～0.65mm；
步骤四：将冷轧后的带钢在700～850℃的氮氢混合气氛中进行退火，露点在-10℃以下，退火40～50s，获得需要的再结晶组织；
步骤五：采用拉矫机对退火后的带钢进行拉矫处理，板材的平整延伸率控制在3～5％；
步骤六：在经步骤五处理后的带钢表面涂覆绝缘涂层，经500℃以下的温度进行烘干固化10～20s，获得优良的绝缘性能；
步骤七：将步骤六中的带钢在700～800℃下，采用氮气保护进行消除应力退火1.5～2.5h，最终使硅钢产品获得消除应力退火性能。
采用现有无取向硅钢生产工艺对无取向硅钢板材料的磁性能进行优化时，对其磁性能的改善效果，尤其是对铁损的降低效果并不显著。同时，采用现有工艺来降低无取向硅钢的铁损时，通常不可避免地会导致其磁感也随之降低，从而无法满足同时降低铁损与提高磁感的要求。基于以上问题，本发明通过对无取向硅钢的组成、配比以及具体生产工艺流程和工艺参数进行优化设计，从而一方面能够有效降低所得无取向硅钢产品的铁损，另一方面还能够进一步提高其磁极化强度，即在不添加稀土等贵金属的基础上就可获得一种Si含量在1.5％以下、Al含量在0.05～0.5％之间的低铁损、高磁极化强度的无取向硅钢，从而有效降低了生产成本。
具体的，本发明尤其是通过对成品退火后的无取向硅钢进行进一步拉伸、矫直处理，然后经绝缘涂层涂覆后再进行进一步消除应力退火，从而能够使所得无取向硅钢的铁损相对于成品退火后的无取向硅钢得到有效降低，本发明所得无取向硅钢产品的成品铁损P1.5/50在5.5W/kg以下，产品磁导率μ1.0在5500Gs/Oe以上，经拉矫处理和消除应力退火后，其铁损P1.5/50可有效降低至3.8W/kg以下，产品磁导率μ1.0可提高至9000Gs/Oe以上，其铁损下降率达20％以上，铁损下降较为显著，而在现有无取向硅钢生产工艺的基础上进行消除应力退火处理则对铁损降低效果并不显著。同时，本发明的制造工艺简单、成本较低，所得无取向硅钢的表面硬度HV1还能够控制在100～150之间，可以较好的满足冲片加工要求。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成230mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计66ppm，经1130℃加热280min，热轧成2.5mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.50mm厚度，然后进行800℃×45s退火，采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，按照5％的延伸率对带钢进行拉矫处理，涂覆绝缘涂料经过450℃×15s干燥固化后，采用氮气保护，再进行700℃×2h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在30μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在58μm，其成品退火和消除应力退火后的金相组织分别如图1及图2所示。对比图1和图2可以发现，经消除应力退火后，产品的晶粒尺寸明显增加，其铁损得到了有效降低。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
实施例2
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成230mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计57ppm，经1130℃加热280min，热轧成2.5mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.50mm厚度，然后进行800℃×45s退火，采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，按照4％的延伸率对带钢进行拉矫处理，涂覆绝缘涂料经过450℃×15s干燥固化后，采用氮气保护，再进行750℃×2h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在28μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在63μm。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
实施例3
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成230mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计68ppm，经1130℃加热280min，热轧成2.5mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.50mm厚度，然后进行820℃×45s退火，采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，按照5％的延伸率对带钢进行拉矫处理，涂覆绝缘涂料经过450℃×15s干燥固化后，采用氮气保护，再进行800℃×1.5h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在45μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在72μm。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
实施例4
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成150mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计100ppm，经1050℃加热120min，热轧成2.0mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.65mm厚度，然后进行850℃×40s退火，采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，按照3％的延伸率对带钢进行拉矫处理，涂覆绝缘涂料经过450℃×20s干燥固化后，采用氮气保护，再进行750℃×2.5h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在35μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在65μm。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
实施例5
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成250mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计100ppm，经1150℃加热300min，热轧成3.0mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.35mm厚度，然后进行700℃×50s退火，由于C含量较高，为保证成品性能不产生磁时效，在退火过程加湿，以达到脱碳的目的，同时采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，按照4％的延伸率对带钢进行拉矫处理，涂覆绝缘涂料经过450℃×10s干燥固化后，采用氮气保护，再进行800℃×1.5h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在37μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在70μm。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
对比例1
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成230mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计84ppm，经1130℃加热280min，热轧成2.5mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.50mm厚度，然后进行800℃×45s退火，由于C含量较高，为保证成品性能不产生磁时效，在退火过程加湿，以达到脱碳的目的，同时采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，不进行拉矫处理涂覆绝缘涂料经过450℃×15s干燥固化后，采用氮气保护，再进行700℃×2h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在31μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在46μm。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
对比例2
本实施例试验钢的化学成分重量百分比如图3所示，将试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成230mm铸坯，杂质元素C+S+N+Ti合计90ppm，经1130℃加热280min，热轧成2.5mm厚的热轧卷。对热轧板进行酸洗后冷轧至0.50mm厚度，然后进行800℃×45s退火，采用氮氢混合气保护，在涂覆绝缘层前，不进行拉矫处理，直接涂覆绝缘涂料经过450℃×15s干燥固化后，采用氮气保护，再进行800℃×2h消除应力退火，获得最终产品。成品退火产品晶粒尺寸在33μm左右，消除应力退火后产品晶粒尺寸在44μm左右。采用爱波斯坦方圈试样测量产品成品退火和消除应力退火后的铁损P1.5/50，μ1.0，具体结果如图4所示。
结合图4可以看出，实施例1-5及对比例1-2中所得无取向硅钢产品经消除应力退火后，产品铁损均有不同程度的下降，产品磁导率进一步提高。但实施例1-5中的铁损下降率达20％以上，与对比例1-2相比，尤其是与对比例2(铁损下降率为9.17％)相比，其铁损值下降率较为显著。因此，采用本发明的无取向硅钢制造工艺，即通过在成品退火后增加一道拉伸、矫直处理，然后再进行消除应力退火能够有效用于进一步降低产品铁损值，且其效果显著，同时，又能有效提高产品的磁导率。

Claims (10)

1.一种磁性能优良的无取向硅钢，其特征在于：其化学组分的重量百分比为：C≤0.005％、Si≤1.50％、0.15％≤Mn≤0.35％、0.050％≤Als≤0.55％、0.0010％≤S≤0.0030％、0.0010％≤N≤0.0030％、Ti≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种磁性能优良的无取向硅钢，其特征在于：所述C、S、N和其他杂质的含量分别优选控制为：C≤0.0025％、0.0010％≤S≤0.0025％、0.0010％≤N≤0.0025％，其他杂质＜0.006％。
3.根据权利要求1所述的一种磁性能优良的无取向硅钢，其特征在于：所述无取向硅钢的成品铁损P1.5/50在5.5W/kg以下，产品磁导率μ1.0在5500Gs/Oe以上，经消除应力退火后，其铁损P1.5/50降低至3.8W/kg以下，产品磁导率μ1.0提高至9000Gs/Oe以上。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：冶炼、连铸；
步骤二：热轧；
步骤三：酸洗、冷轧；
步骤四：成品退火；
步骤五：拉矫处理；
步骤六：涂覆绝缘层；
步骤七：消除应力退火。
5.根据权利要求4所述的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：步骤一中将原料钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理、连铸成厚度为150～250mm的铸坯；步骤二热轧过程中，铸坯加热温度为1050～1150℃，加热时间为120～300min；热轧后厚度为2.0～3.0mm。
6.根据权利要求5所述的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：步骤三中冷轧后的厚度为0.35～0.65mm；步骤四成品退火时，退火温度为700～850℃，退火时间为40～50s。
7.根据权利要求6所述的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：步骤五中进行拉矫处理时控制板材的延伸率为3～5％。
8.根据权利要求7所述的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：步骤六中涂覆绝缘层后进行烘干处理时，烘干温度＜500℃，烘干时间为10～20s。
9.根据权利要求8所述的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：步骤七消除应力退火处理时，退火温度为700～800℃，退火时间为1.5～2.5h。
10.根据权利要求9所述的一种磁性能优良的无取向硅钢的制造方法，其特征在于：步骤四成品退火过程中采用氮氢混合气体为保护气氛；步骤七消除应力退火过程中采用氮气为保护气氛。
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