CN111471927B - 一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法，所述汽车发电机用高磁感无取向硅钢包括以下重量百分比的化学成分：Si 0.60％～1.60％；Mn 0.10％～0.65％；P 0.040～0.100％；Als≤0.0080％；Sn 0.01％～0.10％；C+S+O+N+Ti≤100ppm，且各元素含量均≤25ppm；其余成分为Fe及不可避免的杂质元素；通过成分和工艺设计优化，最终产品的的磁性能满足，铁损P1.5/50≤4.50W/kg，磁感B50≥1.74T；力学性能满足维氏显微硬度HV1在110～120范围，延伸率A50≥40％；最终生产的无取向硅钢成品满足用户对汽车发电机的性能和定子缠绕式加工要求，采用本发明生产的汽车发电机铁芯，相对于常规产品生产的铁芯，重量可减轻10％以上，满足汽车轻量化发展要求。

Description

一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法
技术领域
本发明属于无取向硅钢生产技术领域，具体涉及一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法。
背景技术
电工钢主要包括碳含量很低且硅含量低于0.5％的电工钢和硅含量为0.5％～6.5％的硅钢两种，主要用作各种电机、变压器和发电机的铁芯，是电力、电子、军事工业和交通工具中不可缺少的重要软磁合金材料。在汽车发电机领域，随着汽车轻量化的推进，在设计阶段为了充分利用空间，降低整车质量，对汽车发电机的设计尺寸和重量提出更高要求。
汽车发电机作为汽车的主要电源部件，其功能是在发动机正常运转时向所有用电设备(起动机除外)供电，同时向蓄电池充电。其工作原理是当外电路通过电刷使励磁绕组通电时，便产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极，当转子旋转时，磁通交替地在定子绕组中变化，根据电磁感应原理可知，定子的三相绕组中便产生交变的感应电动势，从而达到发电目的。
汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰。交流发电机按照不同的分类方法分为以下5种类型：普通交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机、无刷交流发电机和永磁交流发电机。交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成，其中汽车发电机的定子和转子生产的核心原料为高磁感无取向硅钢产品。
汽车发电机制造企业为了提高无取向硅钢材料利用率，经过加工工艺改进优化，采用缠绕加工方式代替传统的冲压加工，无取向硅钢片的利用率由85％提升到99％以上，极大地降低生产发电机铁芯的材料成本。由于汽车发电机核心部件定子和转子性能和加工方式的要求，对无取向硅钢产品的电磁性能和力学性能提出更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法。通过成分和工艺设计优化，最终产品的的磁性能满足，铁损P1.5/50≤4.50W/kg，磁感B50≥1.74T；力学性能满足维氏显微硬度HV1在110～120范围，延伸率A50≥40％；最终生产的无取向硅钢成品满足用户对汽车发电机的性能和定子缠绕式加工要求。采用本发明生产的汽车发电机铁芯，相对于常规产品生产的铁芯，重量可减轻10％以上，满足汽车轻量化发展要求。
本发明采取的技术方案为：
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢，包括以下重量百分比的化学成分：Si0.60％～1.60％；Mn 0.10％～0.65％；P 0.040～0.100％；Als≤0.0080％；Sn0.01％～0.10％；C+S+O+N+Ti≤100ppm，且各元素含量均≤25ppm；其余成分为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步地，Sn元素还可替换为Sb元素。
上述成分中，C、S、O、N和Ti为有害元素，C含量超过0.0025％时会产生磁时效，导致硅钢长期使用过程中铁损恶化；S和N超过0.0025％时会产生大量的MnS、Cu2S和AlN等夹杂，抑制晶粒长大，对硅钢铁损、磁感和磁导率等性能影响较大；O超过0.0025％时会产生大量Al2O3夹杂，影响硅钢磁性能和加工性能；Ti含量增加时会形成大量细小稳定的TiC和TiN夹杂，严重阻碍退火过程晶粒长大，特别是对硅钢铁损性能有很坏影响。
Si、Mn和Als：三者是按比例控制在一定范围内的合金元素，随着三者总量增加，铁损P1.5/50性能得到明显提升，但磁感B50性能会恶化，本发明采用的是低硅高猛无铝设计理念，成分控制中不添加Al元素。并要求Als控制范围在≤0.0080％，在该范围内生产的无取向硅钢AlN夹杂少，钢水纯净度高，磁感B50高，超过该范围，铁损P1.5/50降低，但磁钢B50同样降低，达不到汽车发电机用高磁感无取向硅钢性能要求。
Sn和Sb：属于晶界偏聚元素，可有效增强(100)组分和晶粒粗化并阻碍(111)再结晶晶核的形成，有利于磁化从而改善磁性，增加磁感应强度，结合高温卷取工艺，经高温快速退火后达到磁感B50≥1.74T要求，对磁感B50性能提升明显。
本发明还提供了所述的汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼、RH精炼；
(2)将RH炉精炼后的钢水经连铸制成铸坯；
(3)将连铸后的板坯经加热炉加热后，CSP热轧，然后进行卷取；
(4)热轧板经酸洗后进行冷轧；
(5)连续退火；
(6)涂覆绝缘涂料。
步骤(2)中，所述铸坯的厚度为60～90mm，这样在后续的CSP流程生产热轧卷时，加热炉对于60～90mm的铸坯的加热效率高，热轧工艺控制良好，有利于批量化稳定生产。
步骤(3)中，加热炉温度1000～1180℃，保温时间≥30min；在该温度范围内，有利于热轧和夹杂物控制，温度低于此范围热轧困难，温度高于此范围夹杂物固溶强化，成品磁性能差。
步骤(3)中，粗轧轧至25～36mm，精轧轧至2.0mm～2.8mm厚度，经水冷工艺后温度降至680～760℃进行卷取。
步骤(4)中，酸洗使用浓度为12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃，以获得良好的酸洗效果。
步骤(4)中，冷轧总压下率控制在75％～80％。
步骤(5)中，退火温度880～940℃，时间180～260s；H2和N2按3:7比例做保护气氛以防止退火过程中表面发生氧化，获得良好的表面质量和性能；退火后再以不超过18℃/s的冷却速度至560℃以下，缓慢冷却有利于硅钢晶粒缓慢长大，如果冷却速度超出18℃/s，会造成混晶影响成品磁性能。
步骤(6)中，固化温度480～600℃，时间30～50s。
根据本发明的制备方法生产得到的所述汽车发电机用高磁感无取向硅钢成品铁损P1.5/50≤4.50W/kg，典型值4.20W/kg；磁感B50≥1.74T，典型值1.75T；力学性能满足维氏显微硬度HV1在110～120范围，典型值116；延伸率A50≥40％，典型值44％；金相组织为铁素体。
本发明公开的汽车发电机用高磁感无取向硅钢产品，相比对应国标牌号的硅钢产品，由于低硅高锰无铝成分设计，添加Sn或Sb晶界偏聚元素，热轧均热、高温卷取和高温快速退火工艺的优化，在铁损P1.5/50控制基本不变的情况下，磁感B50均值提升0.03T，满足汽车发电机用户提出的磁感B50≥1.74T要求；产品经客户批量化使用验证，满足缠绕式加工要求，各项性能指标均满足乘用车发电机设计要求。
与现有技术相比，本发明的一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及制造方法具有以下效果：
1)采用本发明生产的汽车发电机领域用高磁感无取向硅钢产品，当产品厚度为0.50mm时，相对于对应国标牌号硅钢产品，在铁损P1.5/50典型值一致的情况下，磁感B50提升0.03T以上；
2)产品维氏显微硬度HV1范围在110～120，典型值116；延伸率A50≥40％，典型值44％，满足用户缠绕式加工要求，产品综合利用率达到99％以上，有效提降低硅钢材料使用成本；
3)产品主要使用到高端乘用车领域，制造的汽车发电机定子铁芯重量相比常规牌号的硅钢产品减轻10％以上，满足汽车轻量化设计要求。
附图说明
图1为实施例1中的汽车发电机用高磁感无取向硅钢横向组织。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明生产的汽车发电机用高磁感无取向硅钢性能测试部分中，铁损P1.5/50为频率50Hz交变磁场，磁极化强度在1.5T条件下测得的比总损耗；磁感B50为磁场强度为5000A/m条件下测得的磁极化强度；硬度采用维氏显微硬度仪进行测试；延伸率采用A50拉伸试样进行测试。
实施例1
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到转炉进行冶炼，经吹氩站吹氩均匀成分，再到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为85mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：0.70％；Mn：0.25％；P：0.080％；Als：0.0065％；Sn：0.04％；C+S+N+Ti：88ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间45min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.2mm厚度，经水冷工艺后温度降至740℃进行卷取；
4)热轧板用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；经4道次一次冷轧至目标厚度0.50mm，冷轧总压下率控制在为77％；
5)最后经920℃，速度130m/min，在炉时间260s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的10％；再以18℃/s的冷却速度至560℃以下；
6)经涂层辊进行绝缘涂料的涂覆，温度580℃和时间35s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的汽车发电机用无取向硅钢表面质量优良，其金相组织图如附图所示，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.5级，晶粒尺寸达到68μm。成品的铁损P1.5/50为4.28W/Kg，磁感B50为1.75T；维氏显微硬度HV1值118；延伸率A50值44％。采用实施例1制备的无取向硅钢产品性能满足用户缠绕式加工和汽车发电机性能测试要求。
实施例2
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到转炉进行冶炼，经吹氩站吹氩均匀成分，再到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为85mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：0.90％；Mn：0.20％；P：0.060％；Als：0.0060％；Sn：0.04％；C+S+N+Ti：85ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间45min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.2mm厚度，经水冷工艺后温度降至740℃进行卷取；
4)热轧板用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；经4道次一次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为77％；
5)最后经940℃，速度140m/min，在炉时间240s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的10％；再以20℃/s的冷却速度至560℃以下；
6)经涂层辊进行绝缘涂料的涂覆，温度580℃和时间35s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的汽车发电机用无取向硅钢表面质量优良，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.2级，晶粒尺寸达到75μm。成品的铁损P1.5/50为4.18W/Kg，磁感B50为1.75T；维氏显微硬度HV1值116；延伸率A50值44％。采用实施例2制备的无取向硅钢产品性能满足用户缠绕式加工和汽车发电机性能测试要求。
实施例3
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到转炉进行冶炼，经吹氩站吹氩均匀成分，再到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为85mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：1.05％；Mn：0.15％；P：0.080％；Als：0.0060％；Sn：0.04％；C+S+N+Ti：90ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间45min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.2mm厚度，经水冷工艺后温度降至740℃进行卷取；
4)热轧板用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；经4道次一次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为77％；
5)最后经920℃，速度130m/min，在炉时间260s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的10％；再以18℃/s的冷却速度至560℃以下；
6)经涂层辊进行绝缘涂料的涂覆，温度580℃和时间35s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的汽车发电机用无取向硅钢表面质量优良，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.0级，晶粒尺寸达到80μm。成品的铁损P1.5/50为4.00W/Kg，磁感B50为1.74T；维氏显微硬度HV1值117；延伸率A50值43％。采用实施例3制备的无取向硅钢产品性能满足用户缠绕式加工和汽车发电机性能测试要求。
实施例4
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到转炉进行冶炼，经吹氩站吹氩均匀成分，再到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为85mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：0.60％；Mn：0.45％；P：0.080％；Als：0.0075％；Sn：0.04％；C+S+N+Ti：86ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间45min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.2mm厚度，经水冷工艺后温度降至740℃进行卷取；
4)热轧板用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；经4道次一次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为77％；
5)最后经940℃，速度140m/min，在炉时间240s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的10％；再以20℃/s的冷却速度至560℃以下；
6)经涂层辊进行绝缘涂料的涂覆，温度580℃和时间35s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的汽车发电机用无取向硅钢表面质量优良，其金相组织图如附图所示，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.5级，晶粒尺寸达到72μm。成品的铁损P1.5/50为4.28W/Kg，磁感B50为1.76T；维氏显微硬度HV1值114；延伸率A50值44％。采用实施例4制备的无取向硅钢产品性能满足用户缠绕式加工和汽车发电机性能测试要求。
对比例1
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到转炉进行冶炼，经吹氩站吹氩均匀成分，再到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为85mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：1.25％；Mn：0.45％；P：0.080％；Als：0.0095％；Sn：0.04％；C+S+N+Ti：90ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间45min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.2mm厚度，经水冷工艺后温度降至740℃进行卷取；
4)热轧板用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；经4道次一次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为77％；
5)最后经920℃，速度130m/min，在炉时间260s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的10％；再以18℃/s的冷却速度至560℃以下；
6)经涂层辊进行绝缘涂料的涂覆，温度580℃和时间35s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的汽车发电机用无取向硅钢表面质量优良，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.0级，晶粒尺寸达到80μm。成品的铁损P1.5/50为3.95W/Kg，磁感B50为1.72T；维氏显微硬度HV1值120；延伸率A50值42％。采用对比例1制备的无取向硅钢产品磁感B50性能不用满足用户汽车发电机设计要求。
对比例2
一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到转炉进行冶炼，经吹氩站吹氩均匀成分，再到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为85mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：0.80％；Mn：0.60％；P：0.080％；Als：0.0060％；Sn：0.04％；C+S+N+Ti：85ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间45min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.2mm厚度，经水冷工艺后温度降至740℃进行卷取；
4)热轧板用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；经4道次一次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为77％；
5)最后经940℃，速度140m/min，在炉时间240s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的10％；再以20℃/s的冷却速度至560℃以下；
6)经涂层辊进行绝缘涂料的涂覆，温度580℃和时间35s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的汽车发电机用无取向硅钢表面质量优良，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.0级，晶粒尺寸达到80μm。成品的铁损P1.5/50为4.08W/Kg，磁感B50为1.73T；维氏显微硬度HV1值136；延伸率A50值40％。采用对比例2制备的无取向硅钢产品不能满足用户缠绕式加工要求。
对比例3
其他同实施例1，只是步骤3)中，经3道次粗轧至38mm，7道次精轧至3.0mm厚度。该工艺生产的高磁感无取向热轧板经7道次冷轧才能轧制至0.50mm目标厚度，此对比例制备的无取向硅钢的性能为铁损P1.5/50为4.95W/Kg，磁感B50为1.70T。
对比例4
其他同实施例1，只是步骤3)中，加热的温度1200℃，保温时间为25min，采用该工艺生产的高磁感无取向硅钢产品经检测存在大量夹杂物，此对比例制备的无取向硅钢的性能为铁损P1.5/50为5.25W/Kg，磁感B50为1.70T。
对比例5
其他同实施例1，只是步骤4)中，酸洗用质量浓度12％盐酸进行酸洗，酸洗温度70℃，采用该工艺进行酸洗，高磁感无取向硅钢表面氧化铁皮有残留，冷轧困难，此对比例制备的无取向硅钢的性能为铁损P1.5/50为4.25W/Kg，磁感B50为1.72T。
对比例6
其他同实施例1，只是步骤5)中，退火时的保护气氛为H2和N2按体积比1:7比例做保护气氛进行退火，H2含量占保护气总量的3.3％，采用该气氛进行退火，高磁感无取向硅钢成品表面氧化色严重，不能满足质检表面质量判钢要求，此对比例制备的无取向硅钢的性能为4.45W/Kg，磁感B50为1.71T。
对比例7
其他同实施例1，只是步骤5)中，退火的速度170m/min，在炉时间175s，退火后再以20℃/s的冷却速度至560℃以下，该工艺生产的高磁感无取向硅钢产品经金相检验测试，存在混晶问题，此对比例制备的无取向硅钢的性能为5.05W/Kg，磁感B50为1.70T。
对比例8
其他同实施例1，只是步骤6)中固化的温度和时间为460℃和25s，该工艺生产的高磁感无取向硅钢产品表面绝缘涂层固化不良，存在弯曲检测脱落风险，此对比例制备的无取向硅钢的性能为4.05W/Kg，磁感B50为1.74T。
上述参照实施例对一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：Si 0.60％～1.60％；Mn 0.10％～0.65％；P 0.040～0.100％；Als≤0.0080％；Sn0.01％～0.10％；C+S+O+N+Ti≤100ppm，且各元素含量均≤25ppm；其余成分为Fe及不可避免的杂质元素；
所述汽车发电机用高磁感无取向硅钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)转炉冶炼、RH精炼；
(2)将RH炉精炼后的钢水经连铸制成铸坯；
(3)将连铸后的板坯经加热炉加热后，CSP热轧，然后进行卷取；
(4)热轧板经酸洗后进行冷轧；
(5)连续退火；
(6)涂覆绝缘涂料；
步骤(2)中，所述铸坯的厚度为60～90mm；
步骤(3)中，加热炉温度1120～1180℃，保温时间≥30min；粗 轧轧至25～36mm，精轧轧至2.0mm～2.8mm厚度；
步骤(4)中，酸洗使用浓度为12％盐酸进行酸洗，酸洗温度80℃；
步骤(5)中，H2和N2按3:7比例做保护气氛；退火温度880～940℃，时间180～260s，退火后再以不超过18℃/s的冷却速度至560℃以下；
步骤(6)中，固化温度480～600℃，时间30～50s；
所述汽车发电机用高磁感无取向硅钢铁损P1.5/50≤4.50W/kg；磁感B50≥1.74T；力学性能满足维氏显微硬度HV1在110～120；延伸率A50≥40％。
2.根据权利要求1所述的汽车发电机用高磁感无取向硅钢，其特征在于，Sn元素替换为Sb元素。
3.根据权利要求1所述的汽车发电机用高磁感无取向硅钢，其特征在于，步骤(3)中，经水冷工艺后温度降至680～760℃进行卷取。
4.根据权利要求1所述的汽车发电机用高磁感无取向硅钢，其特征在于，步骤(4)中，冷轧总压下率控制在75％～80％。
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