CN112430776B - 一种磁各向异性小的无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁各向异性小的无取向电工钢板，其化学元素质量百分比为：0＜C≤0.005％；Si：2.0‑3.5％；Mn：0.1‑2.0％；Sn和Sb的至少其中之一：0.003‑0.2％；Al：0.2‑1.8％；余量为Fe及其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述的磁各向异性小的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造；(2)热轧；(3)常化；(4)冷轧；(5)连续退火：以50～800℃/s的升温速度将冷轧带钢从350℃～750℃的起始温度快速加热至均热温度，进行均热保温；(6)绝缘涂层，以得到成品无取向电工钢板。该无取向电工钢板具有高频低铁损、磁各向异性小的特点。

Description

一种磁各向异性小的无取向电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种无取向电工钢板及其制造方法。
背景技术
随着节能、环保、高效需求的日益提高，制作电动汽车驱动电机用无取向电工钢板，正逐渐向薄规格、高磁感、低铁损、高强度方向发展，以满足其制作铁芯的小型化、高效化。通常，为了满足钢板高强度的需求，会向钢中加入大量的硅、铝含量。
例如:公开号为CN103290190A，公开日为2013年9月11日，名称为“无取向硅钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种磁性优异的无取向硅钢。在该专利文献所公开的技术方案中，Si含量达到2.5-4.0％，Al含量达到0.5-1.5％，这样，随着Si、Al含量增加，材料铁损迅速降低，但材料磁感也迅速降低。
又例如：为了有效改善成品带钢的磁感，公开号为CN1888112，公开日为2007年1月3日，名称为“具有高磁感的高牌号无取向电工钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种电工钢及其制造方法。在该专利文献所公开的技术方案中，其通过粗轧道次大压下轧制和粗糙辊轧制，高温卷取，优化各道次压下率来获得理想的热轧带钢组织，提高冷轧压下率为最终再结晶退火过程中晶粒长大提供更大的能量(变形能)；通过控制再结晶退火温度来获得理想的晶粒组织等措施来获得表面质量优良的具有高磁感、低铁损的最能适用于高效电机铁芯。
研究表明，采用电磁感应加热方式，对冷轧带钢进行快速连续退火，可以大幅增加晶粒长大的驱动力，减少不利织构的形成，从而可以大大改善成品带钢的电磁性能。
再例如：公开号为CN102453837A，公开日为2012年5月16日，名称为“一种高磁感无取向硅钢的制造方法”的中国专利文献公开了一种高磁感无取向硅钢的制造方法。在该专利文献所公开的技术方案中，其包括如下步骤：1)冶炼、浇铸，无取向硅钢化学成分重量百分比：Si：0.1～1％，Al：0.005～1％，C≤0.004％，Mn：0.10～1.50％，P≤0.2％，S≤0.005％，N≤0.002％，Nb+V+Ti≤0.006％；余铁；炼钢、二次精炼，浇铸成铸坯；2)热轧，加热温度1150℃～1200℃，终轧温度830～900℃，≥570℃温度下进行卷取；3)平整，压下量2～5％的冷轧；4)常化，温度不低于950℃，保温时间30～180s；5)酸洗，冷轧，酸洗后进行累计压下量70～80％的冷轧；6)退火，升温速率≥100℃/s，到800～1000℃保温，保温时间5～60s，后以3～15℃/s缓冷至600～750℃。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种磁各向异性小的无取向电工钢板，该无取向电工钢板具有高频低铁损、磁各向异性小的特点。
为了实现上述目的，本发明提出了一种磁各向异性小的无取向电工钢板，其化学元素质量百分比为：
0＜C≤0.005％；Si：2.0-3.5％；Mn：0.1-2.0％；Sn和Sb的至少其中之一：0.003-0.2％；Al：0.2-1.8％；余量为Fe及其他不可避免的杂质。
在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，C强烈阻碍成品带钢晶粒长大，容易与Nb、V、Ti等结合形成细小析出物，从而引起损耗增加并产生磁时效，因此，在本发明所述的技术方案中控制C的质量百分比在0＜C≤0.005％。
Si：在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，Si提高材料的电阻率，能有效降低钢的铁损。Si的质量百分比高于3.5％时，会显著降低钢的磁感；而Si的质量百分比低于2.0％时，又起不到有效降低铁损的作用。基于此，本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板将Si的质量百分比控制在Si：2.0-3.5％。
Mn：在本发明所述的技术方案中，Mn与S结合生成MnS，可以减少对磁性能的危害。Mn的质量百分比低于0.1％时，固硫效果差，而Mn的质量百分比高于2.0％以上时，会抑制钢的再结晶效果。基于此，本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板将Mn的质量百分比控制在Mn：0.1-2.0％。
Sn和Sb的至少其中之一：在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，Sn、Sb可以改善钢的晶体织构，因此，要向钢中加入0.003％以上的Sn和/或Sb。但向钢中加入超过0.2％的Sn和/或Sb之后，会导致晶粒异常细化和钢的铁损劣化。基于此，本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板将Sn和Sb的质量百分比控制在：Sn和Sb的至少其中之一为0.003-0.2％。
Al：在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，Al的质量百分比低于0.2％时，起不到良好的脱氧效果，而Al的质量百分比超过1.8％时，会造成连铸浇铸困难，劣化冷轧的加工性。基于此，本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板将Al的质量百分比控制在：Al：0.2-1.8％。
进一步地，在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，其平均晶粒尺寸为90～140μm。
上述方案中，将平均晶粒尺寸限定为90～140μm，平均晶粒尺寸低于90μm时，受夹杂物钉扎晶界和晶粒成长驱动力不足的影响，带钢的磁滞损耗为主，且相对较高，最终造成铁损偏高，同时，由于晶粒取向控制稳定性差，还会导致L、C各向异性超标，即垂直轧制方向的钢板电磁性能之差与其之和的比值较大。此外，晶粒平均尺寸高于130μm时，有害的面织构{111}会迅速长大，从而会吞噬有利的(100)面织构比例，导致磁感劣化。
进一步地，在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，在其他不可避免的杂质中，P≤0.2％，S≤0.003％，N≤0.002％，O≤0.002％，Ti≤0.0015％。
上述方案中，不可避免的杂质应当控制得越少，其中，控制P≤0.2％，是因为P的质量百分比超过0.2％时，容易导致冷脆现象发生，降低冷轧加工过程的可制造性。而S≤0.003％，是因为S的质量百分比超过0.003％时，将使MnS、Cu2S的有害夹杂物数量大大增加，破坏钢的有利织构和阻碍成品晶粒长大。控制N≤0.002％，是因为当N的质量百分比超过0.002％时，将使N的Nb、V、Ti、Al等析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁。而控制O≤0.002％，是因为O的质量百分比超过0.002％时，将使氧化物夹杂物数量大大增加，不利于调整有利于夹杂物的比例，恶化钢的磁性能。而控制Ti≤0.0015％，是因为Ti的质量百分比超过0.0015％时，将使Ti的C、N的析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性；
进一步地，在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，其具有以MnS、Cu2S为主的夹杂物，夹杂物的尺寸集中在150～500nm之间。
进一步地，在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，夹杂物的形状以球形或者类球形为主，夹杂物平面投影为圆形或者椭圆形。
上述方案中，由于本发明所述的无取向电工钢板对C、N、Ti元素的设计限制，因而，在连铸坯冷却过程中，该期间会优先析出尺寸粗大的MnS夹杂物，同时可以避免后续低熔点、小尺寸的Ti、C和N化物析出，并且在缓冷条件下，MnS夹杂物也更容易粗化、长大，使得其最终保持良好的球形或者类球形。而球形或者类球形的夹杂物不容易形成更为有害的楔形畴，因此，磁化更容易，所获得的无取向电工钢板磁性能优良。
更进一步地，在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，其中当夹杂物的平面投影为椭圆形时，其长轴/短轴直径之比≤4.0。
上述方案中，析出物中的MnS、Cu2S夹杂物受到的液相外力差异小、不容易变形，比较容易形成球形或者类球形的夹杂物，其平面投影图形为圆形或者椭圆形，且其长短轴直径之比小于4.0。
进一步地，在本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板中，其铁损P10/400≤11.0W/kg，磁感B50≥1.66T，其平行于轧制方向和垂直于轧制方向的电磁性能之差与之和的比值≤10％。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述的磁各向异性小的无取向电工钢板的制造方法，通过该制造方法可以获得高频低铁损、磁各向异性小的磁各向异性小的无取向电工钢板。
为了实现上述目的，本发明提出了一种上述的磁各向异性小的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造；
(2)热轧；
(3)常化；
(4)冷轧；
(5)连续退火：以50～800℃/s的升温速度将冷轧带钢从350℃～750℃的起始温度快速加热至均热温度，进行均热保温；
(6)绝缘涂层，以得到成品无取向电工钢板。
在本发明所述的制造方法中，由于冷轧中较大的冷轧压下率下，冷轧带钢内部储能高、位错多，因此，在后续的连续退火过程中，有利于有害面织构{111}生长，以及吞噬尺寸相对细小的有利高斯织构和{110}面织构。因此，采用以50～800℃/s的升温速度将冷轧带钢从350℃～750℃的起始温度快速加热至均热温度，进行均热保温，从而对冷轧带钢进行连续退火。这是因为：采用该连续退火工艺之后，可以有效抑制晶体回复，并会增加再结晶之前的剩余形变储能，因而，形核驱动力增加，<111>//ND再结晶织构组分强度降低，有利于电磁性能的提高和改善。另一方面，连续退火的起始温度低于350℃时，再结晶之前的剩余形变储能太高，后续容易形成细晶和偏聚，增加连退均热温度和均热时间才能达到均匀化，而但若连续退火的起始温度高于750℃时，则晶粒取向控制稳定性差，会大幅降低有利的(100)面织构比例，导致磁感劣化。其中，电磁感应快速加热时，当升温速度低于50℃/s时，不能有效控制再结晶过程，以形成充足的储能便于后续控制晶粒取向，而当升温速度高于800℃/s时，容易形成细晶以及再结晶组织不均匀，同时，会对设备功能提出更高的要求，增加设备投资和运行费用。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)的转炉出钢过程中对钢包顶渣进行改性处理，要求满足：(CaO)/(Al2O3)≥0.85，且TFe≥13％，其中CaO、Al2O3分别表示其质量百分含量。
上述方案，主要是考虑到提高渣中的TFe含量，可以有效的避免渣、钢间有害元素Ti的还原反应，而提高(CaO)/(Al2O3)的比值，则有利于吸收钢中的有害夹杂物CaO、Al2O3，促进脱硫反应的进行和抑制连铸、热轧过程中，硫化物夹杂物的析出。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中采用一次冷轧法将带钢直接轧制到成品厚度0.10～0.30mm。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，升温速度为100～600℃/s。
本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板通过对钢板中各成分的有效设计使得其具有高频低铁损、磁各向异性小的特点。
此外，本发明所述的制造方法也同样具有上述的优点以及有益效果。
附图说明
图1显示了对比例A4的常规钢板的有害夹杂物分布情况。
图2显示了实施例A16的磁各向异性小的无取向电工钢板的有害夹杂物种类及尺寸分布情况。
图3示意性地显示了采用了不同的CaO/Al2O3与TFe之间的关系。
图4示意性地显示了采用了不同的CaO/Al2O3与CaO/SiO2之间的关系。
图5示意性地显示了采用了不同的晶粒尺寸与磁感B50之间的关系。
图6示意性地显示了采用了不同的晶粒尺寸与铁损P10/400之间的关系。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例A9-A21以及对比例A1-A8
实施例A9-A21的无取向电工钢板以及对比例A1-A8的常规钢板采用以下步骤制得：
(1)铁水、废钢按照表1所示的组分配比进行搭配，经转炉冶炼之后，对钢包顶渣进行改性，在RH精炼进行脱碳、合金化后，钢液经连铸浇铸后，得到120～250mm厚，800～1400mm宽的连铸坯。
(2)热轧：连铸坯依次经过粗轧、精轧之后，获得热轧钢卷。钢卷厚度为1.5～2.8mm。
(3)常化：热轧钢卷进行常化处理，常化均热温度为800～1000℃，均热时间为1～180s。
(4)冷轧：采用一次冷轧法将带钢直接轧制到成品厚度0.10～0.30mm。
(5)连续退火：以50～800℃/s的升温速度将冷轧带钢从350℃～750℃的起始温度快速加热至均热温度，进行均热保温。
(6)绝缘涂层，以得到成品无取向电工钢板。
需要说明的是，在一些优选的实施方式中，升温速度为100～600℃/s。
此外，在一些优选的实施方式中，转炉出钢过程中对钢包顶渣进行改性处理，要求满足：(CaO)/(Al2O3)≥0.85，且TFe≥13％，其中CaO、Al2O3分别表示其质量百分含量。
表1列出了实施例A9-A21的无取向电工钢板以及对比例A1-A8的常规钢板的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S、N、O以及Ti以外的其他不可避免的杂质)
Figure BDA0002179386320000071
Figure BDA0002179386320000081
表2列出了实施例A9-A21的无取向电工钢板以及对比例A1-A8的常规钢板具体工艺参数。
表2.
Figure BDA0002179386320000082
Figure BDA0002179386320000091
结合表1、表2可以看出，本案各实施例的无取向电工钢板具有以MnS、Cu2S为主的夹杂物，且夹杂物的尺寸集中在150～500nm之间。并且夹杂物的形状以球形或者类球形为主，夹杂物平面投影为圆形或者椭圆形，并且当夹杂物的平面投影为椭圆形时，其长轴/短轴直径之比≤4.0。
另外，本案各实施例的无取向电工钢板的其铁损P10/400≤11.0W/kg，磁感B50≥1.66T，其平行于轧制方向和垂直于轧制方向的电磁性能之差与之和的比值≤10％。
而反观各个对比例的常规钢板，其均未达到本案各实施例的技术效果，磁感、铁损控制效果差，磁各向异性大。例如：对比例1的常规钢板，由于其Si的质量百分比未落在本案限定的范围内，且没有添加Sn和/或Sb，且(CaO)/(Al2O3)只有0.21，导致相应的夹杂物MnS和/或Cu2S的尺寸只有95nm，加之没有采用本案的连续退火工艺，因此，最终成品带钢的铁损、磁感普遍较低，分别为12.7W/kg、1.64T，而磁各向异性达到了11.2％。
图1显示了对比例A4的常规钢板的有害夹杂物分布情况。图2显示了实施例A16的磁各向异性小的无取向电工钢板的有害夹杂物种类及尺寸分布情况。
结合图1和图2可以看出，本案的实施例A16的无取向电工钢板的MnS(图2中I所示位置)的尺寸明显比对比例A4的常规钢板的MnS大，而外围的以MnS为核心析出的Cu2S复合夹杂物(图2中II所示位置)的平均尺寸为300nm，相较于对比例而言，实施例A16的尺寸大了2～3倍，因而危害大大减轻了。
在对钢包顶渣进行改性处理时，可以通过控制(CaO)/(Al2O3)≥0.85，且TFe≥13％，以实现更好的控制效果，而图3和图4分别示意了钢包顶渣的控制效果，其中，图3示意性地显示了采用了不同的CaO/Al2O3与TFe之间的关系，图4示意性地显示了采用了不同的CaO/Al2O3与CaO/SiO2之间的关系。
结合图3和图4可以看出，提高提高渣中的TFe含量，可以有效的避免渣、钢间有害元素Ti的还原反应，而提高(CaO)/(Al2O3)则有利于吸收钢中的有害夹杂物CaO、Al2O3等，促进脱硫反应的进行和抑制连铸、热轧过程中，硫化物夹杂物的析出。
图5示意性地显示了采用了不同的晶粒尺寸与磁感B50之间的关系。图6示意性地显示了采用了不同的晶粒尺寸与铁损P10/400之间的关系。
结合图5和图6可以看出，晶粒平均尺寸在90～140μm时，本案的无取向电工钢板的磁性能表现更为优良，其铁损P10/400≤11.0W/kg，磁感B50≥1.66T，这是因为：平均晶粒尺寸低于90μm时，受夹杂物钉扎晶界和晶粒成长驱动力不足的影响，带钢的磁滞损耗为主，且相对较高，最终造成铁损偏高，同时，由于晶粒取向控制稳定性差，还会导致L、C各向异性超标，即垂直轧制方向的钢板电磁性能之差与其之和的比值较大。此外，晶粒平均尺寸高于130μm时，有害的面织构{111}会迅速长大，从而会吞噬有利的(100)面织构比例，导致磁感劣化。
综上所述可以看出，本发明所述的磁各向异性小的无取向电工钢板通过对钢板中各成分的有效设计使得其具有高频低铁损、磁各向异性小的特点。
此外，本发明所述的制造方法也同样具有上述的优点以及有益效果。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁各向异性小的无取向电工钢板，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
0＜C≤0.005％；Si：2.0-3.5％；Mn：0.1-2.0％；Sn和Sb：0.003-0.2％；Al：0.2-1.8％；余量为Fe及其他不可避免的杂质；
其平均晶粒尺寸为90～140μm；
其铁损P10/400≤11.0W/kg，磁感B50≥1.66T，其平行于轧制方向和垂直于轧制方向的电磁性能之差与之和的比值≤10％。
2.如权利要求1所述的磁各向异性小的无取向电工钢板，其特征在于，在其他不可避免的杂质中，P≤0.2％，S≤0.003％，N≤0.002％，O≤0.002％，Ti≤0.0015％。
3.如权利要求1所述的磁各向异性小的无取向电工钢板，其特征在于，其具有以MnS、Cu2S为主的夹杂物，所述夹杂物的尺寸集中在150～500nm之间。
4.如权利要求1所述的磁各向异性小的无取向电工钢板，其特征在于，所述夹杂物的形状以球形或者类球形为主，夹杂物平面投影为圆形或者椭圆形。
5.如权利要求4所述的磁各向异性小的无取向电工钢板，其特征在于，其中当夹杂物的平面投影为椭圆形时，其长轴/短轴直径之比≤4.0。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的磁各向异性小的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造；
(2)热轧；
(3)常化；
(4)冷轧；
(5)连续退火：以50～800℃/s的升温速度将冷轧带钢从350℃～750℃的起始温度快速加热至均热温度，进行均热保温；
(6)绝缘涂层，以得到成品无取向电工钢板。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)的转炉出钢过程中对钢包顶渣进行改性处理，要求满足：(CaO)/(Al2O3)≥0.85，且TFe≥13％，其中CaO、Al2O3分别表示其质量百分含量。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中采用一次冷轧法将带钢直接轧制到成品厚度0.10～0.30mm。
9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述升温速度为100～600℃/s。
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