CN111684085A - 能够但非强制再退火的电工带材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非晶粒定向的、尤其用于电工技术应用的电工带材或板材，由这些电工带材或板材制造的电工技术构件、用于制造该电工带材或板材的方法以及这种电工带材或板材在用于电工技术应用的构件中的用途。

Description

能够但非强制再退火的电工带材
技术领域
本发明涉及一种非晶粒定向的、尤其用于电工技术用途的电工带材或板材、由这些电工带材或板材制造的电工技术构件、用于制造该电工带材或板材的方法以及这种电工带材或板材在用于电工技术应用的构件中的用途。
非晶粒定向的电工带材或板材在专业术语中也称为“NO-电工带材或板材”或者在英语中也称为“NGO-电工钢材”(“NGO”＝Non Grain Oriented)，用于增强旋转电机的铁芯中的磁通量。这种板材的典型的用途是电动机和发电机，其中尤其用在定子中或在转子中。
在电机、尤其是马达或发电机的定子和转子中使用的非晶粒定向的电工带材优选具有不同的机械特性和磁性特性。电机的转子叠片优选由一种材料制成，该材料具有明显提高的机械特性，而定子应具有提高的磁性特性。材料中的磁特性的改进通常对材料的机械特性有负面影响，反之亦然。因此，在制造电机时，要么为转子和定子选择一种材料，该材料展现在机械特性和磁性特性之间的折衷，要么对于转子和定子必须使用两种不同的电工带材种类。
背景技术
EP 2 612 942公开了一种由钢制成的非晶粒定向的电工带材或板材，除了铁和不可避免的杂质外，所述钢还含有1.0至4.5重量％的Si、至多2.0重量％的Al、至多1.0重量％的Mn、至多0.01重量％的C、至多0.01重量％的N、至多0.012重量％的S、0.1至0.5重量％的Ti和0.1至0.3重量％的P，其中对于含量比Ti/P，分别以重量％计1.0≤Ti含量/P含量≤2.0。非晶粒定向的电工带材或板材以及由这种板材或带材制成的用于电工技术的构件的特征在于提高的强度和同时良好的磁性特性。根据EP 2 612 942制造NO-电工带材或板材，其方式为，将由具有上述组成的钢构成的热带材冷轧成冷带材，并且该冷带材随后经受最终退火。
EP 2 840 157公开了一种非晶粒定向的电工带材或板材，尤其用于电工技术，所述电工带材或板材由钢制造，除了铁和不可避免的杂质外，其包含2.0至4.5重量％的Si、0.03至0.3重量％的Si、至多2.0重量％的Al、至多1.0重量％的Mn、至多0.01重量％的C、至多0.01重量％的N、至多0.001重量％的S和至多0.015重量％的P，其中在电工带材或板材的组织中存在三元Fe-Si-Zr析出物。EP 2 840 157还公开了一种用于制造这种电工带材和板材的方法，该方法包括最终退火。
WO 00/65103 A2公开了一种用于制造非晶粒定向的电工钢板的方法，其中，将钢预制材料热轧成厚度小于3.5mm的热带材，所述钢预制材料含有小于0.06重量％的C、0.03至2.5重量％的Si、小于0.4重量％的Al、0.05至1重量％的Mn和小于0.02重量％的S，然后酸洗并在酸洗之后轧制成厚度为0.2至1mm的冷带材。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种非晶粒定向的电工带材或板材，其可以在电机、特别是电动机或发电机中不仅用作具有改善的机械特性的转子，而且用作具有改善的磁性特性的定子，其中，这些不同的、本身相反的特性应该能够容易地相互转化。
这个目的通过一种非晶粒定向的电工带材或板材来实现，除了铁和不可避免的杂质之外，还含有(各自以重量％计)至高0.0040的C、0.0700至0.3000的Mn、大于2.700至3.250的Si、0.5500至0.8500的Al、至高0.0400的P、至高0.0035的S、至高0.0070的N和至高0.0070的Ti，其中在最终退火状态下的磁滞损耗P1.0/50与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.0/50的比至少为1.10。
在本发明的范围内，根据本发明的非晶粒定向电工带材的“参考退火”被理解为在制造方法结束时对根据本发明的非晶粒定向电工带材或板材进行的退火，对应于下面描述的方法的温度为600至1000℃的任选步骤(D)。因此，“参考退火状态”是根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材在600至1000℃温度退火之后的状态。相应地，“最终退火状态”是根据本发明的非晶粒定向的电工带材在600至1000℃的温度退火(对应于根据本发明的方法的可选步骤(D))之前的状态。
此外，所述目的通过一种用于制造根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材的方法、通过由这种电工带材制造的用于电工技术的构件以及通过所述电工带材在用于电工技术的构件中的用途来实现。
本发明的非晶粒定向的电工带材由钢制造，除了铁和不可避免的杂质外，该钢还含有(各自以重量％计)
至多0.0040的C，
0.0700至0.3000的Mn，
多于2.700至3.250的Si，
0.5500至0.8500的Al，
至多0.0400的P，
至多0.0035的S，
至多0.0070的N和
至多0.0070的Ti。
优选地，根据本发明的非晶粒定向的电工带材由钢制造，除了铁和不可避免的杂质外，该钢还含有(各自以重量％计)
0.001至0.004的C，
0.14至0.17的Mn，
多于2.7至3.25的Si，
0.6至0.75的Al，
至多0.030重量％，更优选至少0.005重量％的P，
0.0005至0.002的S，
0.001至0.002的N和
0.002至0.004的Ti。
在根据本发明优选使用的钢中包含的各个元素的量通过本领域技术人员已知的方法测定，例如通过根据DIN EN 10351：2011-05“铁材料化学分析-借助于具有电感耦合等离子体的光发射光谱的非合金和低合金钢的分析”的化学分析。
本发明的发明人发现，可以提供一种非晶粒定向的电工带材，该电工带材可以在电机、特别是电动机和发电机中既用作具有良好磁性特性的定子，也用作具有良好机械特性的转子，其中特性的变换通过在最终退火之后获得的材料的参考退火而实现。根据本发明，通过参考退火可以获得非晶粒定向的电工带材，该电工带材与最终退火的材料相比具有改善的磁性特性，尤其在不同的极化和/或频率下明显降低了磁滞损耗P。根据本发明材料的这种特性表现为，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.0/50与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.0/50的比值至少为1.10，即在参考退火状态下，磁滞损耗P1.0/50明显降低。另一方面，根据本发明的晶粒定向的电工带材在未退火的状态下与参考退火状态相比具有改善的机械特性，这例如通过如下方式体现，即，在最终退火和参考退火状态下屈服极限和抗拉强度的比大于1。
按照本发明，根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材在最终退火状态具有良好的机械特性且在参考退火状态具有良好的磁特性。由此，利用根据本发明的非晶粒定向的电工带材与用于转子和定子的统一的材料相比实现了电机的明显的效率提高，这是因为可以为转子和定子分别提供一种材料，该材料要么具有改善的机械特性要么具有改善的磁性特性。
在一个优选的实施方式中，本发明涉及根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材，其中，它在参考退火状态下具有非常低的特定的晶粒尺寸，例如在此存在50至130μm、优选70至100μm的晶粒尺寸。因此，本发明优选涉及根据本发明的非晶粒定向的电工带材，其中，它在参考退火状态下具有50至130μm、优选70至100μm的晶粒尺寸。晶粒尺寸可以通过本领域技术人员已知的所有方法确定，例如通过根据ASTM E112“用于确定平均粒度尺寸的标准试验方法”借助于光学显微镜的组织试验。
根据本发明的非晶粒定向电工带材或板材具有在最终退火状态中的磁滞损耗P与在参考退火状态中的磁滞损耗P的有利比例。根据本发明，包括精整道次(轧制步骤)的“最终退火”状态也理解为“半成品”状态。在本发明的范围内，标记P1.0/50表示在极化为1.0T且频率为50Hz时的磁滞损耗P。根据本发明，磁滞损耗P例如可以借助于爱泼斯坦框架(Epsteinrahmen)，尤其是根据DIN EN 60404-2：2009-01：磁性材料-第2部分：用于借助于爱泼斯坦框架确定电工带材和板材的磁性特性的方法来确定。在此，相应的电工板材在纵向(L)、横向(Q)或两者的组合(混合取向(M))中被测量。在本发明的范围内，分别给出混合取向(M)的值。
在根据本发明的非晶粒定向电工带材或板材中，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.0/50与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.0/50的比至少为1.10，优选至少为1.4。该比例的上限例如为3。
优选地，在根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材中，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.5/50与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.5/50的比为至少1.05，特别优选为至少1.20，非常特别优选为至少1.40，该比例的上限例如为2.0。
进一步优选地，在根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材中，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.0/400与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.0/400的比为至少1.05，特别优选至少1.20，非常特别优选至少1.3，该比例的上限例如为1.80。
在不同的极化和/或频率时的磁滞损耗的根据本发明的比例清楚地表明，在根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材中，磁特性通过参考退火被显著改善。
优选地，在根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材中，在最终退火状态下的屈服极限Rp0.2与在参考状态下的屈服极限Rp0.2的比为至少1.05，特别优选至少1.10，非常特别优选至少1.15。该比例的上限例如为1.40。
优选地，在根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材中，在最终退火状态下的抗拉强度Rm与在参考退火状态下的抗拉强度Rm之比为至少1.03，特别优选至少1.05。该比例的上限例如为1.20。
在根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材中，在最终退火状态中的极化J2500/50与参考退火状态中的极化J2500/50的比优选为至少1.01。在本发明的范围内，标记J2500/50表示在2500A/m的场强和50Hz的频率下的极化。用于确定极化和场强的方法对于本领域技术人员是已知的，例如借助于用于确定极化的爱泼斯坦框架，尤其根据DIN EN60404-2：2009-01：磁性材料-第2部分：借助爱泼斯坦框架测定电工带材和板材的磁性特性的方法。
根据本发明的非晶粒定向电工带材或板材相对于根据现有技术的晶粒定向电工带材具有有利的、更高的电阻率。用于确定电阻率的方法对于本领域技术人员来说本身是已知的，例如根据DIN EN 60404-13：2008-05磁性材料-第13部分：用于测量电工板材和带材的密度、电阻率和堆叠系数的测试。
通常，本发明的非晶粒定向电工带材或板材可以以适合电工技术应用的所有厚度存在。根据本发明优选的是，电工带材或板材具有特别小的厚度，因为在这种小的厚度情况下，磁滞损耗比在较大的厚度情况下小。根据本发明的电工带材或板材的厚度优选为0.26至0.38mm，各自偏差最多8％。
根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材优选具有400至580N/mm2的屈服极限Rp0.2，其中，根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材在最终退火状态优选具有480至560N/mm2的屈服极限Rp0.2，且在参考退火状态下具有400至500N/mm2的屈服极限Rp0.2。根据本发明，按照本领域技术人员已知的方法来测定屈服极限，例如按照DIN EN ISO 6892-1：2017-02“金属材料-拉伸实验-第1部分：室温下测试方法”的拉伸实验。
根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材优选具有500至680N/mm2的抗拉强度Rm，其中根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材在最终退火状态下优选具有580至640N/mm2的抗拉强度Rm，且在参考退火状态下优选具有500至580N/mm2的抗拉强度Rm。该测试在材料的纵向方向上进行，即在电工带材的轧制方向上，在此通常是对于抗拉强度较差的方向，这是由于在材料中可能存在的各向异性。根据本发明，按照本领域技术人员已知的方法来测定抗拉强度，例如根据DIN EN ISO 6892-1：2017-02“金属材料-拉伸实验-第1部分：室温下的测试方法”的拉伸实验。
根据本发明的非晶粒定向电工带材的特征在于，它在最终退火状态下具有特别有利的机械特征值，并且可以通过退火转变成具有特别有利的磁性特性的材料。因此，这种材料可以在电机、尤其是电动机或发电机中不仅用作定子而且用作转子，这又产生了上面所提到的优点。
本发明还涉及用于制造根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材的方法，至少包括下列方法步骤：
(A)提供一种热带材，除了铁和不可避免的杂质之外，该热带材含有(各自以重量％计)
至高0.0040的C，
0.0700至0.3000的Mn，
大于2.700至3.250的Si，
0.5500至0.8500的Al，
至高0.0400的P，
至高0.0035的S，
至高0.0070的N和
至高0.0070的Ti，
(B)将所述热带材冷轧为非晶粒定向的电工带材，和
(C)对来自步骤(B)的冷带材进行热处理，以获得非晶粒定向的电工带材。
为此，首先提供以上述针对本发明的非晶粒定向的电工带材或板材说明的方式组成的热带材，该热带材接下来被冷轧并且作为经冷轧的带材经受热处理(步骤(C)，也称为最终退火)。在根据本发明的方法的步骤(C)之后，获得非晶粒定向的电工带材，该电工带材已准备好在电机中使用，并且其特征在于，与现有技术的非晶粒定向的电工带材种类相比，无应力的状态与特别优异的机械性能相结合。通过同样实现的精细的晶粒组织，通过分离工艺如切割、冲压或激光切割造成的可能的损坏比现有技术的非晶粒定向的电工带材种类更小。
根据本发明，在根据本发明的方法的步骤(C)之后获得的非晶粒定向的电工带材可以经受另一个热处理步骤(D)，所谓的“参考退火”。由此必要时通过分离工艺来修复在分离棱边上产生的损伤并且激发材料核心中的晶粒生长。这导致如此处理的材料具有优异的磁性特性。
因此，本发明优选涉及根据本发明的方法，其中在步骤(C)之后执行以下步骤(D)：
(D)在600至1000℃的温度下对来自步骤(C)的非晶粒定向的电工带材进行参考退火。
下面详细描述根据本发明的方法的各个步骤。
根据本发明的方法的步骤(A)包括提供一种热带材，该热带材除了铁和不可避免的杂质之外还含有(各自以重量％计)至高0.0040的C、0.0700至0.3000的Mn，多于2.700至3.250的Si、0.5500至0.8500的Al，至高0.0400的P、至高0.0035的S、至高0.0070的N和至高0.0070的Ti。优选的量在上文中给出。
根据本发明提供的热带材的制造可以尽量以常规的方式进行。为此，首先可以使具有与根据本发明的规定相对应的组成的钢熔体熔化并且浇铸成预制材料，在常规制造中，所述预制材料可以是板坯或薄板坯。
然后，可将如此生产的预制材料加热到1020-1300℃的预制材料温度。为此，如果需要，重新加热预制材料或者利用浇注热使预制材料保持在各自的目标温度。
这样加热的预制材料然后可以热轧成具有一般为1.5至4mm、尤其1.5至3mm厚度的热带材。在此，热轧以公知的方式在成品分级中(Fertigstaffel)以高于900℃、例如1000至1150℃的热轧起始温度开始，并且以低于900℃、例如700至920℃、尤其是780至850℃的热轧终点温度结束。
所获得的热带材接下来可以冷却到卷绕温度并且卷绕成卷材。这里，以理想的方式选择卷绕温度，以避免在随后进行的冷轧过程中出现问题。在实践中，卷绕温度为此例如最高为700℃。
可选地，可以在已卷绕的状态下在热轧之后或在冷轧之前进行退火。例如在600至900℃的温度下进行此退火步骤。
在根据本发明的方法的步骤(B)中的冷轧之前，可以可选地通过酸洗进行清洁步骤。相应的方法对于本领域技术人员来说本身是已知的。
本发明方法的步骤(B)包括将热带材冷轧为冷带材。
所提供的热带材被冷轧为具有一定厚度的冷带材，该厚度通常对应于根据本发明的电工带材或板材的厚度，即0.26至0.38mm，各自具有至高8％的偏差。冷轧的方法和过程本身是本领域技术人员已知的。根据本发明，优选地，第一道次的材料厚度减小不超过35％。进一步优选地，最后一道次中的材料减少不大于20％。
根据本发明方法的步骤(C)包括热处理步骤(B)的冷带材，以获得非晶粒定向的电工带材。
优选地，根据本发明的方法的步骤(C)作为连续过程进行。相应的装置，即炉本身是本领域技术人员已知的，根据本发明方法的步骤(B)的冷带材可在该炉中进行连续热处理。根据本发明的方法的步骤(C)中的热处理优选在750至1000℃的温度下、特别优选在750至950℃下进行。在所述温度下的工艺速度优选为60至100m/min。
在根据本发明的方法的步骤(C)中进行热处理之后，将所获得的非晶粒定向电工带材优选冷却至环境温度，并且如果需要，可以在表面上涂覆漆。相应的方法和漆本身是本领域技术人员已知的。在步骤(C)之后获得的非晶粒定向的电工带材或板材可以有利地用在电机中。
优选地，本发明涉及根据本发明的方法，其中在步骤(C)之后进行以下步骤(D)：
(D)在600至1000℃的温度下对来自步骤(C)的非晶粒定向电工带材进行参考退火。
如果应该获得一种根据本发明的、具有特别有利的磁性特性的、又可以优选地用作电机中的定子的电工带材或板材，则实施根据本发明的方法的步骤(D)(“参考退火”)。本发明方法的步骤(D)优选在从步骤(C)中获得的非晶粒定向电工带材分离出来的构件上进行。优选地，将应当用作电机中的定子的部件通过冲压或切割从在步骤(C)中获得的非晶粒定向的电工带材中分离出来。对此的方法对于本领域技术人员来说本身是已知的，例如冲压、激光束切割、水束切割、线切割。根据本发明的方法的可选步骤(D)可以根据本发明在构件本身上进行，根据本发明也可能的是，将各个构件组合成组并且随后在步骤(D)中进行处理。
本发明方法的可选步骤(D)包括在600-1000℃，优选700-900℃，特别优选750-850℃的温度下的退火。根据本发明，所述温度可以在步骤(C)期间波动向上至多20℃和向下至多15℃。
在本发明方法的可选步骤(D)中，加热速率优选至少为100℃/h。在这个步骤中，在终点温度下的保持时间根据本发明优选为至少20分钟。
通常，可选步骤(D)可以以本领域技术人员已知的所有方式进行。步骤(D)优选根据本发明在静止的炉设备中进行。同样可能的是，在连续的退火工艺中实施步骤(D)，所述连续的退火工艺对于本领域技术人员而言本身是已知的。
本发明还涉及一种用于电工技术的构件，该构件由根据本发明的电工带材或板材制成，该构件优选具有7.55至7.67kg/cm3的理论密度。用于电工技术的构件的示例是电动机、发电机或变压器，尤其是转子或定子，所述构件优选展示为电机的基本组件，利用所述构件可进行能量转换、尤其电能到机械能或机械能到电能的转换。
此外，本发明还涉及根据本发明的电工带材或板材在用于电工技术的构件中、尤其在电动机、发电机或变压器、尤其转子或定子中的用途，所述构件优选是电机的基本组件，利用所述构件能够进行能量转换、尤其电能到机械能或机械能到电能的转换。
具体实施方式
下面借助实施例进一步阐述本发明。
作为基础材料，使用具有根据表1的组成的硅钢。
表1：
样品1 样品2 样品3
C 0.0011 0.0016 0.002
Mn 0.155 0.152 0.158
P 0.01 0.011 0.013
S 0.0012 0.0006 0.0005
Si 3.11 3.11 3.15
Al 0.696 0.688 0.695
N 0.002 0.002 0.001
Ti 0.002 0.002 0.002
所有数据以重量％计，余量为至100重量％的Fe和不可避免的杂质。
用这些钢制造热带材。热轧温度在此为845℃。在625℃下卷绕热带材后，进行冷轧至厚度为2.06mm。然后，测定P1.0/50、P1.5/50、J2500/50、P1.0/400、Rp0.2和Rm的值。这些值在表2中示出。
表2：
Figure BDA0002614760670000111
Figure BDA0002614760670000121
A经最终退火/参考退火的相应值的比
所示的测量值通过以下方法确定：
Rp0.2：
值Rp0.2描述了材料的屈服极限，且根据DIN EN ISO 6892-1：2017-02“金属材料-拉伸实验-第1部分：室温下的测试方法”来测定。
Rm：
Rm值描述了材料的抗拉强度，且根据DIN EN ISO 6892-1：2017-02“金属材料-拉伸实验-第1部分：室温下的测试方法”来测定。
极化：
根据DIN EN 60404-2：2009-01：“磁性材料-第2部分：借助爱泼斯坦框架测定电工带材和板材的磁性特性的方法”来测定极化。
损耗P：
根据DIN EN 60404-2：2009-01：“磁性材料-第2部分：借助爱泼斯坦框架测定电工带材和板材的磁性特性的方法”来测定损耗P。
工业适用性
根据本发明的非晶粒定向的电工带材或板材可以优选在电动机中使用，尤其是用于电动车的电动机；或用于发电机。

Claims (12)

1.非晶粒定向的电工带材或板材，除了铁和不可避免的杂质之外，所述电工带材或板材以重量％计含有
至多0.0040的C，
0.0700至0.3000的Mn，
多于2.700至3.250的Si，
0.5500至0.8500的Al，
至多0.0400的P，
至多0.0035的S，
至多0.0070的N和
至多0.0070的Ti，
其特征在于，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.0/50与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.0/50的比至少为1.10。
2.根据权利要求1所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，所述非晶粒定向的电工带材或板材的厚度为0.26至0.38mm。
3.根据权利要求1或2所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，所述非晶粒定向的电工带材或板材在参考退火状态下具有50至130μm、优选70至100μm的晶粒尺寸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.5/50与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.5/50的比至少为1.05。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，在最终退火状态下的磁滞损耗P1.0/400与在参考退火状态下的磁滞损耗P1.0/400的比至少为1.05。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，在最终退火状态中的极化J2500/50与参考退火状态中的极化J2500/50的比至少为1.01。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，屈服极限Rp0.2为400至580N/mm2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的非晶粒定向的电工带材或板材，其特征在于，抗拉强度Rm为500至680N/mm2。
9.用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的非晶粒定向的电工带材或板材的方法，所述方法至少包括以下方法步骤：
(A)提供一种热带材，除了铁和不可避免的杂质之外，所述热带材以重量％计含有
至高0.0040的C，
0.0700至0.3000的Mn，
大于2.700至3.250的Si，
0.5500至0.8500的Al，
至高0.0400的P，
至高0.0035的S，
至高0.0070的N和
至高0.0070的Ti，
(B)将所述热带材冷轧为非晶粒定向的电工带材，和
(C)对来自步骤(B)的冷带材进行热处理，以获得非晶粒定向的电工带材。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤(C)之后，进行以下步骤(D)：
(D)在600至1000℃的温度下对来自步骤(C)的非晶粒定向的电工带材进行参考退火。
11.一种用于电工技术应用的构件，所述构件由根据权利要求1至8中任一项所述的电工带材或板材制成。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的电工带材或板材在用于电工技术应用的构件中的用途。
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