CN112030076A - 一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。其技术方案是：高速电机用高强度电工钢的化学成分是：Si为2.8～3.5wt％；Mn为0.2～1.50wt％；Als为0.5～1.0wt％；Cr为0～2.0wt％；Sn为0.02～0.10wt％；Ce为0～0.03wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免的杂质。按所述电工钢的化学成分冶炼，1450～1550℃浇铸成板坯，1100～1200℃保温1～2h，热轧至厚度为1.8～2.5mm的热轧板，终轧温度为800～900℃；热轧板在920～960℃常化处理2～4min，酸洗后冷轧至厚度为0.3～0.35mm，在氮气与氢气混合气氛中进行再结晶退火，制得高速电机用高强度电工钢。本发明具有成本低、强度高和铁损低的特点。

Description

一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法
技术领域
本发明属于高速电机用电工钢技术领域。具体涉及一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。
技术背景
高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。高速电机、尤其是高速永磁同步电动机，由于高扭矩、功率密度高、尺寸小、重量轻和转速范围宽广，在新能源汽车、军工、航空等领域有着广泛的应用。高速电机在高速旋转过程产生较大的离心力，从而要求高速电机转子用电工钢具有较高的强度以抵抗疲劳变形作用，同时要求高速电机用电工钢具有较高的磁感应强度与低的铁损。
采用固溶强化、析出强化或位错强化可以提高高速电机用电工钢的强度，但会降低所述电工钢的磁感、增加铁损。电工钢的高强度与优异的磁性能不能同时兼顾是高速电机用电工钢广泛使用的瓶颈。
目前，国内外关于高强度电工钢的研究有一定的报道，如“一种较高磁感的高强度无取向电工钢及其制备方法”(CN102453838A)专利技术，通过冶炼-浇铸-常化-冷轧-退火等制备系列高强度电工钢，厚度为0.50mm，退火后屈服强度范围为450～735MPa，B50范围为1.59～1.73T。但该技术含有较高的贵金属Cr与Ni，其中Cr含量为2.5％～6％，Ni含量为1.05～3.5％，使所制备的高强度无取向电工钢的成本大幅度增加。
另如“一种新能源汽车驱动电机用高强度无取向硅钢的制造方法”(CN106435358A)专利技术，该技术的电工钢成分中除了Si，添加了0.5～3wt％的Cr和0.5～2wt％的Ni，还添加了0.08～0.15wt％的Nb，采用双辊薄带连铸技术，制得的高强度无取向硅钢虽屈服强度Rp0.2为600～780MPa,磁感应强度B50为1.65～1.70T，但是铁损较高，P1.0/400为28～38.2W/kg。成品板中含有一定NbC第二相影响钢的再结晶行为与(100)有利织构体积分数，钢的铁损增大。
“一种基于纳米Cu析出强化制备高强度无取向硅钢的方法”(CN106282781B)专利技术，利用纳米Cu析出强化的作用，同时添加较多的Ni，使纳米Cu析出数量增多，尺寸减小，并添加0.2～0.5wt％的Cr来降低铁损，在几乎不影响磁性能的同时使强度大幅度提高，通过双辊薄带轧制法制备了高强度无取硅钢屈服强度达到640～750MPa，但其铁损较高，P1.0/400达到22.5～31.5W/kg。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种成本低、强度高和铁损低的高速电机用高强度电工钢及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述高速电机用高强度电工钢的化学成分是：Si为2.8～3.5wt％；Mn为0.2～1.50wt％；Als为0.5～1.0wt％；Cr为0～2.0wt％；Sn为0.02～0.10wt％；Ce为0～0.03wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免的杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1450～1550℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1100～1200℃条件下保温1～2h，热轧至厚度为1.8～2.5mm的热轧板，终轧温度为800～900℃；再将所述热轧板在920～960℃条件下常化处理2～4min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为75～90％，得到厚度为0.3～0.35mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为850～950℃，再结晶退火的时间为1～4min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述高速电机用高强度电工钢：屈服强度大于520MPa；抗拉强度大于650MPa；铁损P1.0/400≤22W/kg；磁感应强度B5000≥1.62T。
所述保护气氛为70～90vol％的氮气和10～30vol％的氢气组成的混合气体。
本发明根据不同合金元素的强化机理及其对强度与磁性能影响规律，主要选择置换固溶强化元素Si、Mn和Cr等进行成分一体化设计，即保证电工钢获得高的强度，同时具有高的磁感与低的铁损值。
硅(Si)：Si能提高电工钢电阻率、γ相区缩小、涡流损耗降低和使铁损值降低的同时磁感值也降低，Si起固溶强化作用能提高高速电机用高强度电工钢(以下简称“电工钢”)的强度，但是当Si含量过高时，会形成B2和D03脆性有序相，钢板轧制困难，因此，本发明中Si含量设计为2.8～3.5wt％。
锰(Mn)：Mn在钢中起固溶强化作用,提高电工钢的电阻率降低铁损；Mn易与S形成MnS夹杂物，防止FeS引起的热脆，MnS粗化后利于晶粒长大，加Mn有利于冲片性和切削性，因此，本发明中Mn的含量设计为0.2～1.50wt％。
铝(Al)：Al能提高钢的电阻率降低铁损、缩小γ相区、促进晶粒长大、粗化AlN、改善织构和减轻磁时效，因此，本发明中Al含量设计为0.7～1.0wt％。
铬(Cr)：Cr元素能有效降低高频铁损和应力敏感性，能减小铁芯在加工过程中因高速旋转式应力改变引起的磁性能波动，同时能提高电工钢的强度与耐腐蚀性能，但是Cr有细化晶粒作用，显著增加磁滞损耗，因此，本发明中Cr含量设计为0～2.0wt％。
锡(Sn):Sn是一种表面与晶界偏聚元素，偏聚程度与晶粒取向有关，即在(100)面比(111)面上有更高的偏聚程度，但是Sn含量过高易于发生晶界偏聚导致钢的脆性增大，因此，本发明中Sn含量设计为0.02～0.10wt％。
碳(C)：C易于造成碳化物析出而恶化钢的磁性能，C含量过高易于造成热轧板的边裂，不利于保证电工钢的质量与生产效率，因此，本发明中C含量控制在0.003wt％以下。
氮(N)：N易于造成氮化物析出伤害钢板的磁性能，N含量小于0.003wt％。硫(S)：S与Mn形成MnS夹杂，随S含量增加，铁损升高，因此，本发明中S含量控制在0.003wt％以下。
氧(O)：随钢中O含量增加，铁损增加，加速磁时效，因此，本发明中O含量控制在0.002wt％以下。
铈(Ce):稀土元素Ce与钢中S、O等元素有很强的化学亲和力，容易形成高熔点的硫化物和氧化物，以脱除基体中的S、O。另外微量稀土Ce影响第二相粒子形态，粗化电工钢晶粒，有助于改善钢的磁性能，因此，本发明中Ce为0～0.03wt％。
炼钢时加入Ca，在比MnS更高的温度形成CaS，抑制细小析出物析出，从而增大热轧板带的晶粒尺寸，控制MnS析出对磁性能危害。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明主要选择Si、Mn和Cr等固溶强化元素，不添加贵金属Ni及碳化物形成元素Nb，同时采用添加Ca或稀土Ce元素对电工钢进行纯净化冶炼，控制有害元素N、O和S含量，净化钢板基体并控制夹杂粒子量可以使铁损明显下降，促使磁感升高。添加微量的Sn元素，促进有利织构{100}织构形成，添加一定的Cr元素，可以有效降低高频铁损和应力敏感性，可减小铁芯在加工过程中因高速旋转式应力改变引起的磁性能波动，同时可以提高电工钢的强度与耐腐蚀性能。Si和Mn起固溶强化作用，同时提高电阻率，降低铁损，Als降低铁损。
本发明主要通过控制固溶强化元素，不仅有利于兼顾提高电工钢强度和可轧性，而且通过纯净化冶炼控制夹杂物数量，晶界偏聚元素Sn有利于获得对磁性能有利的{100}织构，提高磁性能。
本发明制备的电工钢成品板厚度为0.3～0.35mm，经检测：屈服强度大于520MPa；抗拉强度大于650MPa；P1.0/400≤22W/kg，B5000≥1.62T。
因此，本发明具有成本低、强度高和铁损低的特点，适用于高速电机等领域。
附图说明
图1为本发明制备的一种高速电机用高强度电工钢的常化板组织；
图2为图1所示高速电机用高强度电工钢的退火板组织；
图3为图2所示高速电机用高强度电工钢的退火板截面
Figure BDA0002624581790000051
的ODF图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高速电机用高强度电工钢的化学成分是：Si为3.2wt％；Mn为0.5wt％；Als为0.8wt％；Cr为1.0wt％；Sn为0.03wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免的杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1490℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1100℃条件下保温2h，热轧至厚度为1.8mm的热轧板，终轧温度为800℃；再将所述热轧板在920℃条件下常化处理4min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为83％，得到厚度为0.3mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为930℃，再结晶退火的时间为3.5min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述保护气氛为70vol％的氮气和30vol％的氢气组成的混合气体。
本实施制备的高速电机用高强度电工钢经检测：屈服强度525MPa；抗拉强度为685MPa；P1.0/400＝17.36W/kg；B5000＝1.64T
实施例2
一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高速电机用高强度电工钢的化学成分是：Si为3.0wt％；Mn为1.1wt％；Als为0.9wt％；Cr为1.8wt％；Sn为0.02wt％；Ce为0.02wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1500℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1130℃条件下保温1.5h，热轧至厚度为2mm的热轧板，终轧温度为850℃；再将所述热轧板在940℃条件下常化处理3min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为84％，得到厚度为0.32mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为900℃，再结晶退火的时间为2.5min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述保护气氛为75vol％的氮气和25vol％的氢气组成的混合气体。
本实施制备的高速电机用高强度电工钢经检测：屈服强度为567MPa；抗拉强度为738MPa；P1.0/400＝18.13W/kg；B5000＝1.63T。
实施例3
一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高速电机用高强度电工钢的化学成分：Si为3.5wt％；Mn为0.9wt％；Als为0.5wt％；Cr为0.06wt％；Sn为0.05wt％；Ce为0.03wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1550℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1200℃条件下保温1h，热轧至厚度为2.5mm的热轧板，终轧温度为900℃；再将所述热轧板在960℃条件下常化处理2min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为75％，得到厚度为0.35mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为910℃，再结晶退火的时间为2min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述保护气氛为75vol％的氮气和25vol％的氢气组成的混合气体。
本实施制备的高速电机用高强度电工钢经检测：屈服强度为543MPa；抗拉强度为676MPa；P1.0/400＝21.65W/kg；B5000＝1.65T。
实施例4
一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高速电机用高强度电工钢的化学成分：Si为3.3wt％；Mn为1.2wt％；Als为0.5wt％；Cr为0.5wt％；Sn为0.06wt％；Ce为0.02wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1530℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1180℃条件下保温1h，热轧至厚度为2.2mm的热轧板，终轧温度为830℃；再将所述热轧板在950℃条件下常化处理2min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为85％，得到厚度为0.32mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为880℃，再结晶退火的时间为2.5min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述保护气氛为80vol％的氮气和20vol％的氢气组成的混合气体。
本实施制备的高速电机用高强度电工钢经检测：屈服强度为550MPa；抗拉强度为680MPa；P1.0/400＝19.50W/kg；B5000＝1.64T。
实施例5
一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高速电机用高强度电工钢的化学成分：Si为3.4wt％；Mn为0.7wt％；Als为0.8wt％；Cr为0.8wt％；Sn为0.1wt％；Ce为0.01wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1540℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1150℃条件下保温1h，热轧至厚度为2mm的热轧板，终轧温度为900℃；再将所述热轧板在930℃条件下常化处理2min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为83.5％，得到厚度为0.33mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为850℃，再结晶退火的时间为1.5min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述保护气氛为85vol％的氮气和15vol％的氢气组成的混合气体。
本实施制备的高速电机用高强度电工钢经检测：屈服强度为540MPa；抗拉强度为660MPa；P1.0/400＝18.50W/kg；B5000＝1.64T。
实施例6
一种高速电机用高强度电工钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高速电机用高强度电工钢的化学成分：Si为2.90wt％；Mn为1.5wt％；Als为0.9wt％；Sn为0.03wt％；Ce为0.03wt％；P≤0.02wt％；N≤0.003wt％；S＜0.003wt％；C＜0.003wt％；其余为Fe及不可避免杂质。
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1450℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1170℃条件下保温1h，热轧至厚度为2.2mm的热轧板，终轧温度为880℃；再将所述热轧板在920℃条件下常化处理2min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为90％，得到厚度为0.32mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为950℃，再结晶退火的时间为1.5min，制得高速电机用高强度电工钢。
所述保护气氛为90vol％的氮气和10vol％的氢气组成的混合气体。
本实施制备的高速电机用高强度电工钢经检测：屈服强度为535MPa；抗拉强度为655MPa；P1.0/400＝19.25W/kg；B5000＝1.65T。
本具体实施方式根据不同合金元素的强化机理及其对强度与磁性能影响规律，主要选择置换固溶强化元素Si、Mn和Cr等进行成分一体化设计，即保证高速电机用高强度电工钢(以下简称“电工钢”)获得高的强度，同时具有高的磁感与低的铁损值。
硅(Si)：Si能提高电工钢电阻率、γ相区缩小、涡流损耗降低和使铁损值降低的同时磁感值也降低，Si起固溶强化作用能提高电工钢的强度，但是当Si含量过高时，会形成B2和D03脆性有序相，钢板轧制困难，因此，本具体实施方式中Si含量设计为2.8～3.5wt％。
锰(Mn)：Mn在钢中起固溶强化作用,提高电工钢的电阻率降低铁损；Mn易与S形成MnS夹杂物，防止FeS引起的热脆，MnS粗化后利于晶粒长大，加Mn有利于冲片性和切削性，因此，本具体实施方式中Mn的含量设计为0.2～1.50wt％。
铝(Al)：Al能提高钢的电阻率降低铁损、缩小γ相区、促进晶粒长大、粗化AlN、改善织构和减轻磁时效，因此，本具体实施方式中Al含量设计为0.7～1.0wt％。
铬(Cr)：Cr元素能有效降低高频铁损和应力敏感性，能减小铁芯在加工过程中因高速旋转式应力改变引起的磁性能波动，同时能提高电工钢的强度与耐腐蚀性能，但是Cr有细化晶粒作用，显著增加磁滞损耗，因此，本具体实施方式中Cr含量设计为0～2.0wt％。
锡(Sn):Sn是一种表面与晶界偏聚元素，偏聚程度与晶粒取向有关，即在(100)面比(111)面上有更高的偏聚程度，但是Sn含量过高易于发生晶界偏聚导致电工钢的脆性增大，因此，本具体实施方式中Sn含量设计为0.02～0.10wt％；
碳(C)：C易于造成碳化物析出而恶化钢的磁性能，C含量过高易于造成热轧板的边裂，不利于保证电工钢的质量与生产效率，因此，本具体实施方式中C含量控制在0.003wt％以下。
氮(N)：N易于造成氮化物析出伤害钢板的磁性能，N含量小于0.003wt％。硫(S)：S与Mn形成MnS夹杂，随S含量增加，铁损升高，因此，本具体实施方式中S含量控制在0.003wt％以下。
氧(O)：随钢中O含量增加，铁损增加，加速磁时效，因此，本具体实施方式中O含量控制在0.002wt％以下；
铈(Ce):稀土元素Ce与钢中S、O等元素有很强的化学亲和力，容易形成高熔点的硫化物和氧化物，以脱除基体中的S、O。另外微量稀土Ce影响第二相粒子形态，粗化电工钢晶粒，有助于改善电工钢的磁性能，因此，本具体实施方式中Ce为0～0.03wt％。
炼钢时加入Ca，在比MnS更高的温度形成CaS，抑制细小析出物析出，从而增大热轧板带的晶粒尺寸，控制MnS析出对磁性能危害。
由于采用上述技术方案，本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式主要选择Si、Mn和Cr等固溶强化元素，不添加贵金属Ni及碳化物形成元素Nb，同时采用添加Ca或稀土Ce元素对电工钢进行纯净化冶炼，控制有害元素N、O和S含量，净化钢板基体并控制夹杂粒子量可以使铁损明显下降，促使磁感升高。添加微量的Sn元素，促进有利织构{100}织构形成，添加一定的Cr元素，可以有效降低高频铁损和应力敏感性，可减小铁芯在加工过程中因高速旋转式应力改变引起的磁性能波动，同时可以提高电工钢的强度与耐腐蚀性能。Si和Mn起固溶强化作用，同时提高电阻率，降低铁损，Als降低铁损。
本具体实施方式主要通过控制固溶强化元素，不仅有利于兼顾提高电工钢强度和可轧性，而且通过纯净化冶炼控制夹杂物数量，晶界偏聚元素Sn有利于获得对磁性能有利的{100}织构，提高磁性能。本具体实施方式制备的高速电机用高强度电工钢如附图所示，图1为实施例1制备的高速电机用高强度电工钢的常化板组织；图2为图1所示高速电机用高强度电工钢的退火板组织；图3为图2所示高速电机用高强度电工钢的退火板截面
Figure BDA0002624581790000111
的ODF图。从图1可以看出常化板组织主要是多边形铁素体，平均晶粒直径为91.2微米；从图2可以看出退火板组织发生了完全再结晶，得到多边形铁素体，平均晶粒直径为101.0微米；从图3可以看出高速电机用高强度电工钢退火后得到较高体积分数的{001}面织构。
本具体实施方式制备的电工钢成品板厚度为0.3～0.35mm，经检测：屈服强度大于520MPa，抗拉强度大于650MPa，P1.0/400≤22W/kg，B5000≥1.62T。
因此，本具体实施方式具有成本低、强度高和铁损低的特点，适用于高速电机等领域。

Claims (3)

1.一种高速电机用高强度电工钢的制备方法，其特征在于：所述高速电机用高强度电工钢的化学成分是：Si为2.8～3.5wt％，Mn为0.2～1.50wt％，Als为0.5～1.0wt％，Cr为0～2.0wt％，Sn为0.02～0.10wt％，Ce为0～0.03wt％；P≤0.02wt％，N≤0.003wt％，S＜0.003wt％，C＜0.003wt％，其余为Fe及不可避免的杂质；
按照所述高速电机用高强度电工钢的化学成分进行冶炼，1450～1550℃条件下浇铸成板坯，将所述板坯在1100～1200℃条件下保温1～2h，热轧至厚度为1.8～2.5mm的热轧板，终轧温度为800～900℃；再将所述热轧板在920～960℃条件下常化处理2～4min，获得均匀组织的常化板；将常化板酸洗后进行一次冷轧，一次冷轧的压下量为75～90％，得到厚度为0.3～0.35mm的冷轧板；最后将冷轧板在保护气氛中进行再结晶退火，再结晶退火的温度为850～950℃，再结晶退火的时间为1～4min，制得高速电机用高强度电工钢。
2.根据权利要求1所述高速电机用高强度电工钢的制备方法，其特征在于所述保护气氛为70～90vol％的氮气和10～30vol％的氢气组成的混合气体。
3.一种高速电机用高强度电工钢，其特征在于所述高速电机用高强度电工钢是根据权利要求1～2项中任一项所述高速电机用高强度电工钢的制备方法所制备的高速电机用高强度电工钢；
所述高速电机用高强度电工钢：屈服强度大于520MPa，抗拉强度大于650MPa，铁损P1.0/400≤22W/kg，磁感应强度B5000≥1.62T。
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