CN112143866B - 伺服电机用无取向硅钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伺服电机用无取向硅钢板及其生产方法，属于冶金技术领域。它包括如下工艺步骤：1)钢水冶炼并连铸成坯；2)铸坯加热及保温；3)铸坯出炉后进行粗轧，精轧，卷取；4)常化、酸洗；5)经一次冷轧到目标厚度；6)再结晶退火；7)涂层。其中，铸坯加热温度与合金元素S和N满足一定数学关系，保温时间与铸坯厚度、合金元素Si满足一定数学关系。通过在控制相关合金元素含量的基础上，进一步地控制铸坯装炉温度，热轧均热时间，从而达到既能改善成品磁性，又能降低生产成本的技术目的。

Description

伺服电机用无取向硅钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种无取向硅钢板的生产制备，属于冶金技术领域，具体地涉及一种伺服电机用无取向硅钢板及其生产方法。
背景技术
无取向电工钢广泛用于马达及变压器等的铁芯材料。近年来，从节能的观点出发，强烈要求提高各种电器的效率，而作为用于这些电器的马达和变压器的铁芯材料，期望得到更低的铁损和更高的磁感。
作为智能化转型的基础产业，伺服电机系统在各行各业得到广泛应用，其中高分辨率传感器，高精度合金铸件、加工及装配，高性能电工钢及稀土永磁材料，成为伺服电机产业链条中的重要组成部分。特别是在机器人、数控机床等精密伺服电机应用行业中，
高性能电工钢已成为提高效率，提升可靠性及响应性，推进数控及智能化升级的关键性材料。
依据其工作原理及运行技术特点，从材料研发平台上，初步对应出伺服电机用高性能电工钢产品技术需求如下。
(1)产品小型化、高效化，封闭式运行—材料高的磁极化密度、低损耗低温升；
(2)矩频、变频及脉冲信号控制—材料具备高的最大磁导率；
(3)高磁密设计，高响应性要求—材料达到最大磁导率所需的磁场小。
(4)低噪音要求—材料磁化进程快、磁滞伸缩及磁各向同性指标优异等。
因此伺服电机铁芯制造所需硅钢应满足铁损低、磁感高、最大磁导率高、磁化快等要求。
关于高牌号无取向硅钢板及其生产方法，国内外相关技术如下：
一、采用优化化学成分：
专利特开2017-57462A公开了一种无方向性电磁钢板的制造方法，其化学成分：C:0.01％以下，Si:1.0％以上4.0％以下，Al:0.001％以上3.0％以下，Mn:0.05％以上3.0％以下，P:0.15％以下，S:0.01％以下，N:0.01％以下，Si+Al+0.5×Mn≥1.5％，其Si+Al％最高达到了7.0％，虽然在一定程度上提高了性能，但这给轧制带来了极大困难，磁导率及磁感也会急剧恶化。
专利CN105132808A公开了一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法，属于电工钢技术领域。该发明采用复合添加一定量的Ca、La和B的无取向电工钢铸坯，但BN的析出物仍会阻碍晶粒的长大。所述无取向硅钢的化学成分按重量百分比为：C≤0.005％，Si:0.8％～1.7％，Mn:0.3％～0.6％，Al:0.2％～0.4％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.004％，La:0.003％～0.015％，B:0.001％～0.004％，Ca:0.0015％～0.0025％，然而其针对的也为中低牌号无取向硅钢。
专利JP 2017-179485A公开了一种电机铁芯用无取向电磁钢板的制造方法，其成分：0.5％≤Si≤4.0％，0.2％≤Al≤2.0％，0.1％≤Mn≤3.0％，0.010％≤Sn≤0.150％，C≤0.005％，S≤0.010％，N≤0.005％，其中，Al％最高达到2.0％，这会明显增加连铸难度，而Sn％最高达到0.15％，Sn％过高会在晶界偏析，降低晶间强度，在退火时容易造成钢带表面结瘤缺陷，同时影响成品强度以及铁芯冲压。
二、采用优化生产工艺：
专利CN 108004463 A公开了一种磁性能优良的无取向电工钢，其热轧加热温度为850～1250℃，终轧温度为800～1050℃，退火的板品控制在620～900℃，其热轧温度最高达到1250℃，然而会造成AlN、TiN、MnS等有害析出物固溶度明显增大，在退火过程中会严重阻碍组织再结晶恶化磁性能，而退火的板的最低温度仅为620℃，冷轧后的组织也难以回复再结晶。
专利CN 102634729 A公开了一种低铁损高磁感高牌号，铸坯经热轧、常化、酸洗、一次冷轧至0.80mm厚度、中间退火、二次冷轧至0.35mm厚度钢带、涂层后获得成品钢带。然而其采用二次冷法生产，二次冷轧会导致成品磁各向异性大，且生产成本会急剧增加。
专利CN108277433A公开了一种新型冷轧高牌号无取向电工钢及其生产方法。其采用热轧后平整，保证表面质量和晶界储能有利于常化形成有利组织，其不足是利用热轧板平整进行应力诱导后续常化过程中的组织再结晶的同时，容易造成表层晶粒异常长大，最终导致成品组织不均匀，恶化成品磁各向异性及磁性水平。
专利CN109082607A公开了一种无取向硅钢及其热连轧生产方法，其通过控制加热炉均热段上下表面炉温温差，控制出炉温度，层流冷却采用后冷方式，控制层流冷却终冷温度得到质量合格的无取向硅钢热轧钢卷。然而其针对的是Si％≤1.6％以下的中低牌号无取向硅钢。
目前没有专门针对伺服电机用无取向硅钢的生产技术，而针对高牌号无取向硅钢板普遍存在设备要求高，生产成本高的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种伺服电机用无取向硅钢板及其生产方法，本发明设计的生产方法通过在控制相关合金元素含量的基础上，进一步地控制铸坯装炉温度，热轧均热时间，从而达到既能改善成品磁性，又能降低生产成本的技术目的。
为实现上述目的，本发明公开了一种伺服电机用无取向硅钢板的生产方法，它包括如下工艺步骤：
1)钢水冶炼并连铸成坯：所得铸坯中Si的质量百分比含量为Wsi，Als的质量百分比含量为WAls；S的质量百分比含量为Ws，N的质量百分比含量为WN；所述铸坯厚度为d，单位为mm；
2)铸坯加热及保温：步骤1)所得铸坯冷却至一定温度后送入热轧加热炉内进行均热保温，其中，所述热轧加热炉热装温度T满足如下数学关系式：
200000×(Ws+WN)≤T≤260000×(Ws+WN)；单位为℃；
所述均热保温时间为t，且t满足如下数学关系式：
5×d×Wsi≤t≤12×d×Wsi；单位为min；
3)铸坯出炉后进行粗轧，精轧，卷取；
4)常化、酸洗；
5)经一次冷轧到目标厚度；
6)再结晶退火；
7)涂层。
进一步地，步骤2)中，所述热轧加热炉热装温度T满足如下数学关系式：
220000×(Ws+WN)≤T≤240000×(Ws+WN)；单位为℃。
进一步地，步骤2)中，所述均热保温时间t满足如下数学关系式：
7×d×Wsi≤t≤10×d×Wsi；单位为min。
进一步地，步骤2)中，将步骤1)所得铸坯冷却至300～720℃。
进一步地，步骤1)中，铸坯中Si和Als的含量满足3.0％≤(Wsi+WAls)≤4.0％；S和N的含量满足(Ws+WN)≤0.003％。其中，Si和Als满足在上述含量范围内，并结合相应热装温度及均热保温时间，有利于提高产品最大磁导率及降低铁损。并且钢中不可避免的S和N含量越低越好。
进一步地，所述铸坯厚度d为180～250mm。
此外，本发明为更好的实现技术目的，还公开了一种伺服电机用无取向硅钢板，它为采用上述制备方法制得。
进一步地，所述无取向硅钢板制成爱泼斯坦方圈在50Hz电流下的最高磁导率值μmax为10.0～16.0mH/m，各所述最高磁导率对应磁场为75～125A/m。
进一步地，所述无取向硅钢板在400Hz电流下的铁损P1.0/400为13.0～19.0W/kg。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明设计的生产方法对生产设备要求不高，在现有生产设备的使用状态下即可实现。
2、本发明设计的生产方法主要针对于伺服电机铁芯对硅钢满足铁损低、磁感高、最大磁导率高、磁化快等的特殊要求，通过控制铸坯装炉温度，热轧均热时间等，在降低一定生产成本的前提下，最大磁导率值较高，且最大磁导率值对应的磁场更低，同时铁损值也较低。
3、本发明设计制备的无取向硅钢板，适用于进一步生产制造伺服电机铁芯。
具体实施方式
本发明公开了一种伺服电机用无取向硅钢板的生产方法，其为解决现有高牌号无取向硅钢板的生产普遍存在设备要求高，生产成本高的技术问题。
具体的，本发明设计的生产方法包括如下工艺步骤：
1)钢水冶炼并连铸成坯：所得铸坯中Si的质量百分比含量为Wsi，Als的质量百分比含量为WAls；S的质量百分比含量为Ws，N的质量百分比含量为WN；所述铸坯厚度为d，单位为mm；
2)铸坯加热及保温：步骤1)所得铸坯冷却至一定温度后送入热轧加热炉内进行均热保温，其中，所述热轧加热炉热装温度T满足如下数学关系式：
200000×(Ws+WN)≤T≤260000×(Ws+WN)；单位为℃；其中，所述热轧加热炉热装温度T为400～780℃；
所述均热保温时间为t，且t满足如下数学关系式：
5×d×Wsi≤t≤12×d×Wsi；单位为min；其中，所述均热保温时间t为29.9～88.3min；
3)铸坯出炉后进行粗轧，精轧，卷取；
4)常化、酸洗；
5)经一次冷轧到目标厚度；
6)再结晶退火；
7)涂层。
其中，铸坯中Si和Als的含量满足3.0％≤(Wsi+WAls)≤4.5％；S和N的含量满足(Ws+WN)≤0.003％，本申请之所以需要对这几种合金元素含量进行控制，是因为AlN和MnS是无取向硅钢中最常见的析出相，小于某一临界磁畴的AlN、MnS在晶界处弥散析出并钉扎晶界，明显阻碍了退火时的晶粒长大，增加(111)织构组分，造成恶化硅钢的电磁性能，故对其对应的合金元素需要限定其含量。所述铸坯中还包括其它合金元素如C、Mn、Ti、Nb及Fe与不可避免的杂质元素。
步骤1)中，所得铸坯厚度d为180～250mm。
步骤2)中，步骤1)所得铸坯冷却至中300～720℃后送入热轧加热炉内，其中，所述热轧加热炉热装温度T优选满足220000×(Ws+WN)≤T≤240000×(Ws+WN)；单位为℃。并且均热保温7×d×Wsi≤t≤10×d×Wsi；单位为min。
其中，加热炉内热装温度对无取向硅钢铸坯中的AlN、MnS析出行为有重要影响，因为其会进一步影响到随后加热过程AlN、MnS的固溶以及热轧和退火过程中AlN、MnS的析出，且最终影响无取向硅钢的电磁性能，为了减少析出物对电磁性能的不利影响，我们希望析出物数量少，尺寸大，减少对晶界的钉扎，从而降低对晶粒长大以及对磁化过程中磁畴运动的抑制作用。一定的热轧加热温度下，MnS和AlN的析出数量及平均尺寸则随着热装温度降低而进一步增加，并在温度低于一定值时达到最大值后保持不变。随着热装温度降低，MnS和AlN相的数量和尺寸的增加，晶界钉扎力减弱，导致对应的成品晶粒尺寸增大。考虑到在减少析出物数量的同时降低其平均尺寸，铸坯入炉热装温度过低，低于200000×(WS+WN)时，在随后的热轧加热炉升温加热到目标温度过程中MnS和AlN等夹杂物固溶比例更高，后续析出数量也越多，对成品组织长大抑制作用更强，导致磁性进一步恶化；铸坯入炉热装温度过高，高于260000×(WS+WN)％时，在随后的热轧加热炉升温加热到目标温度过程中MnS和AlN等夹杂物进一步粗化长大空间变小，后续细小析出物比例更高，其对晶界运动的钉轧作用更强，同样会导致磁性进一步恶化。因此需要根据(WS+WN)的含量确定合适的铸坯入炉热装温度范围。
当(WS+WN)较低时，板坯中存在的夹杂物数量较少，此时应着重控制夹杂物的尺寸，(WS+WN)越低，铸坯入炉热装温度范围整体越低，在随后的热轧加热炉升温加热到目标温度过程中MnS和AlN等夹杂物随着温度的升高逐步粗化长大的空间更大，减少了后续细小弥散的第二相析出可能，从而降低了其对再结晶晶粒长大的阻碍作用。
随着铸坯中Si％和铸坯厚度的增加，铸坯的导热性逐渐下降，在一定的均热温度下，根据Si％和板坯厚度延长均热时间有利于改善板坯不同部位温度的均匀性，从而有利于成品组织的均匀性和性能的稳定性。但均热时间过长，MnS和AlN等第二相的固溶数量会逐渐增加，在后续热轧和过程中的析出量也会相应增加，导致成品磁性恶化，同时均热时间过长能耗和煤气消耗也会增加，导致生产成本增加，效率降低，因此考虑到铸坯温度的均匀性，析出物的数量以及生产成本及效率，加热炉均热段保温时间t(min)需要控制在上述关系式要求内，当均热时间低于5×d×WSi时，铸坯厚度方向以及纵横向不同位置的温度均匀性较差，导致其后粗轧和精轧的轧制力不稳定，组织不均匀。当均热时间低于高于12×d×WSi时，MnS和AlN等第二相的固溶数量会逐渐增加，在后续热轧和过程中的析出量也会相应增加，导致成品磁性恶化。因此需要根据铸坯厚度和Si％确定合适的均热时间范围。
厚度越小，Si％越低，铸坯传热导热能力越强，不同加热部位温度越容易趋近一致，因此其均热时间整体偏短，同样厚度越大，Si％越高，铸坯传热导热能力越差，不同加热部位温度越难以趋近一致，因此其均热时间整体偏长。
步骤3)中，铸坯出炉后进行粗轧，其中，粗轧温度为950～1050℃，粗轧压下率为75～85％，接着进行精轧，精轧后得板坯厚度为2.0～2.4mm，再在600～700℃温度下进行卷取；
步骤4)中，在850～1000℃温度下继续进行常化均热时间为40～80s，接着进行抛丸，酸洗，去除表面氧化铁皮；
步骤5)中，经一次冷轧到目标厚度0.25～0.35mm；步骤6)中，在连续退火炉中，控制温度900～1000℃进行均热退火，并保温30～60s。
采用上述设计生产方法，制得无取向硅钢板的厚度为0.25～0.35mm，将所述无取向硅钢板制成爱泼斯坦方圈在50Hz电流下的最高磁导率值μmax为10.0～16.0mH/m，各所述最高磁导率对应磁场为75～125A/m，同时，所述无取向硅钢板在400Hz电流下的铁损P1.0/400为13.0～19.0W/kg。
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
采用转炉冶炼和RH真空精炼，然后连铸成坯，铸坯厚度为200mm，铸坯的化学成分如表1所示。
表1实施例1公开的铸坯化学成分(wt,％)
S N Si Als
0.0013 0.0017 3.05 0.25
铸坯冷却到一定温度后热装入热轧加热炉，加热到1125℃后保温均热一段时间，出炉后粗轧，860℃精轧到2.1mm、675℃进行卷取，950℃常化均热保温40s，酸洗，一次冷轧至成品厚度0.35mm，最后在连续炉退火炉中进行975℃均热退火，保温45s，涂层。测量采用不同的入炉温度及加热炉保温时间对应的爱泼斯坦方圈成品试样在50Hz下的最高磁导率值μmax、对应的磁场H，以及400Hz下的铁损P1.0/400，相关结果如表2所示。
表2部分工艺及产品性能
Figure BDA0002694621350000081
Figure BDA0002694621350000091
本实施例中铸坯入炉温度T的范围为600～780℃，优选660～720℃。加热炉保温时间t的范围为30.5～73.2min，优选42.7～61min，其中，实施例5～6采用优选工艺所得产品的铁损更低，最大磁导率值更高，最大磁导率对应的磁场更低。
实施例2
采用转炉冶炼和RH真空精炼，然后连铸成坯，铸坯厚度230mm，铸坯的化学成分化学成份如表3所示。
表3铸坯化学成分(wt,％)
S N Si Als
0.0006 0.0014 3.20 0.50
铸坯冷却到一定温度后热装入热轧加热炉，加热到1109℃后保温均热一段时间，出炉后粗轧，850℃精轧到2.1mm、660℃进行卷取，912℃常化均热保温45s，酸洗，一次冷轧至成品厚度0.35mm，最后在连续炉退火炉中进行980℃均热退火，保温50s，涂层。测量采用不同工艺对应的爱泼斯坦方圈成品试样在50Hz下的最高磁导率值μmax、对应的磁场H，以及400Hz下的铁损P1.0/400，相关结果如表4所示。
表4实施例工艺及产品性能
Figure BDA0002694621350000092
Figure BDA0002694621350000101
本实施例中铸坯入炉温度T的范围为400～520℃，优选440～480℃。加热炉保温时间t的范围为36.8～88.3min，优选51.5～73.6min。其中，实施例5～6采用优选工艺铁损更低，最大磁导率值更高，最大磁导率对应磁场更低。
实施例3
采用转炉冶炼和RH真空精炼，然后连铸成坯，铸坯厚度210mm，铸坯的化学成分化学成份如表5所示。
表5铸坯化学成分(wt,％)
S N Si Als
0.0009 0.0016 2.85 0.95
铸坯冷却到一定温度后热装入热轧加热炉，加热到1105℃后保温均热一段时间，出炉后粗轧，881℃精轧到2.0mm、654℃进行卷取，935℃常化均热保温44s，酸洗，一次冷轧至成品厚度0.30mm，最后在连续炉退火炉中进行955℃均热退火，保温50s，涂层。测量采用不同工艺对应的爱泼斯坦方圈成品试样在50Hz下的最高磁导率值μmax、对应的磁场H，以及400Hz下的铁损P1.0/400，相关结果如表6所示。
表6实施例工艺及产品性能
Figure BDA0002694621350000111
本实施例中铸坯入炉温度T的范围为500～650℃，优选550～600℃。加热炉保温时间t的范围为29.9～71.8min，优选41.9～59.8min。其中，实施例5～6采用优选工艺铁损更低，最大磁导率值更高，最大磁导率对应磁场更低。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种伺服电机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于，它包括如下工艺步骤：
1）钢水冶炼并连铸成坯：所得铸坯中Si的质量百分比含量为Wsi，Als的质量百分比含量为WAls；S的质量百分比含量为Ws，N的质量百分比含量为WN；所述铸坯厚度为d，单位为mm；步骤1）中，铸坯中Si和Als的含量满足3.0%≤（Wsi+WAls）≤4.5%；S和N的含量满足（Ws+WN）≤0.003%；所述铸坯厚度d为180~250mm；
2）铸坯加热及保温：步骤1）所得铸坯冷却至一定温度后送入热轧加热炉内进行均热保温，其中，所述热轧加热炉热装温度T满足如下数学关系式：
200000×（Ws+WN）≤T≤260000×（Ws+WN）；单位为℃；
所述均热保温时间为t，且t满足如下数学关系式：
5×d×Wsi≤t≤12×d×Wsi；单位为min；
3）铸坯出炉后进行粗轧，精轧，卷取；
4）常化、酸洗；
5）经一次冷轧到目标厚度；
6）再结晶退火；
7）涂层。
2.根据权利要求1所述伺服电机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于，步骤2）中，所述热轧加热炉热装温度T满足如下数学关系式：
220000×（Ws+WN）≤T≤240000×（Ws+WN）；单位为℃。
3.根据权利要求1所述伺服电机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于，步骤2）中，所述均热保温时间t满足如下数学关系式：
7×d×Wsi≤t≤10×d×Wsi；单位为min。
4.根据权利要求1~3中任意一项所述伺服电机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于，步骤2）中，将步骤1）所得铸坯冷却至300~720℃送入热轧加热炉内。
5.一种伺服电机用无取向硅钢板，其特征在于，它为权利要求1~4中任意一项制备方法制得。
6.根据权利要求5所述伺服电机用无取向硅钢板，其特征在于，所述无取向硅钢板制成爱泼斯坦方圈在50Hz电流下的最高磁导率值μmax为10.0~16.0mH/m，各所述最高磁导率对应磁场为75~125A/m。
7.根据权利要求6所述伺服电机用无取向硅钢板，其特征在于，所述无取向硅钢板在400Hz电流下的铁损P1.0/400为13.0~19.0W/kg。
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