CN113195769A - 无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且满足下述式1，平均晶粒粒径小于等于20μm。[式1][Mn]≥1450×[S]‑0.8在式1中，[Mn]和[S]各自表示Mn和S的含量(重量％)。

Description

无取向电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种无取向电工钢板及其制造方法。具体地，本发明涉及一种无取向电工钢板及其制造方法，通过钢板中适量加入Mn、S元素以及将晶粒粒径控制成较小，可以同时达到用于实现高强度特性和能源效率化的低铁损磁特性。
背景技术
近来，随着对有效利用能源越来越关注，正在努力尝试提高用于大型发电机或环保车辆如混合动力汽车(HEV；Hybrid Electric Vehicle)或电动汽车(EV；ElectricVehicle)等电气设备中的电机的效率。作为其中的一个环节，正在努力通过频率调制来获得比普通电机更快的转速，就像BLDC电机一样。
尤其，对于混合动力汽车或电动汽车的驱动单元所使用的电机，需要以有限的尺寸获得大功率，还需要高转速。在这种情况下，由于电机转子所承受的离心力与转速的平方成正比，因此会超过普通电工钢板在高速旋转时所能承受的屈服强度，这会成为威胁电机稳定性和耐久性的因素。因此，高速旋转的设备的转子需要高强度材料。
另外，对于作为电机转子的材料，除了强度以外，还需要减少高频导致的涡流损耗，如果使用高强度碳钢或制成一体式转子以提高强度，则转子的涡流损耗会增加，从而造成电机的整体效率降低。
因此，需要研究能够同时满足高强度特性和低铁损特性的电工钢板的制造技术。作为其中的一个环节，已经提出了如下技术：在钢中形成铁素体以外的组织，以提高强度；加入特殊合金元素，以提高强度；以及将冷轧或附加加工前的状态下的晶粒尺寸控制成较大，以同时具有铁损特性和强度特性。
然而，对于形成铁素体以外的组织的技术，由于钢内部存在珠光体、马氏体和奥氏体的非磁性异常组织，铁损和磁通密度迅速衰减，并且存在用于转子时电机的效率迅速降低的缺陷。加入特殊合金元素的技术也会发生磁性迅速衰减的问题，并且根据用途受到限制。此外，对于将冷轧前的晶粒尺寸控制成较大的技术，在有很多未再结晶组织的高强度电工钢板中，其效果不明显，存在难以有效提高磁特性的问题。
发明内容
技术问题
本发明的一个实施例旨在提供一种无取向电工钢板及其制造方法，具体地提供一种通过钢板中适量加入Mn、S元素以及将晶粒粒径控制成较小，可以同时达到用于实现高强度特性和能源效率化的低铁损磁特性的无取向电工钢板及其制造方法。
技术方案
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且满足下述式1，平均晶粒粒径小于等于20μm。
[式1]
[Mn]≥1450×[S]-0.8
在式1中，[Mn]和[S]各自表示Mn和S的含量(重量％)。
还可包含Ti：小于等于0.003重量％、Nb：小于等于0.003重量％和Cu：小于等于0.1重量％中的一种或更多种。
直径为1nm至0.1μm的硫化物的密度可小于等于25万/mm2。
硫化物可包含MnS或MnS和CuS。
在5000A/m的磁场下感应的磁通密度(B50)可大于等于1.61T，并具有大于等于500MPa的屈服强度。
在750℃的温度下进行去应力退火2小时后，所测定的铁损(W10/400)可小于等于12W/kg。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其包含：对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且满足下述式1；对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及在710℃至820℃的温度下对冷轧板进行最终退火的步骤。
[式1]
[Mn]≥1450×[S]-0.8
在式1中，[Mn]和[S]各自表示Mn和S的含量(重量％)。
板坯还可包含Ti：小于等于0.003重量％、Nb：小于等于0.003重量％和Cu：小于等于0.1重量％中的一种或更多种。
可以将板坯加热到1100℃至1250℃。
制造热轧板的步骤之后，还可包含对所述热轧板以850℃至1200℃的温度进行退火的热轧板退火步骤。
最终退火的步骤之后，还可包含在700℃至900℃的温度范围下进行退火的去应力退火步骤。
发明效果
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，通过钢板中适量加入Mn、S元素以及将晶粒粒径控制成较小，可以同时达到用于实现高强度特性和能源效率化的低铁损磁特性。
另外，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，通过有效地降低钢内部的硫化物，在去应力退火工艺中促进晶体生长，从而可以获得去应力退火后铁损低的无取向电工钢板。
另外，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，在去应力退火之前，可以稳定地确保磁通密度和屈服强度特性。
另外，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可以提供适用于高效电机，特别是汽车驱动电机等永磁内嵌式电机的优化特性。
具体实施方式
本文所使用的术语只是出于描述特定实施例，并不意在限制本发明。除非上下文中另给出明显相反的含义，否则本文所使用的单数形式也意在包含复数形式。在说明书中使用的“包含”可以具体指某一特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，但并不排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
如果某一部分被描述为在另一个部分之上，则可以直接在另一个部分上面或者其间存在其他部分。当某一部分被描述为直接在另一个部分上面时，其间不存在其他部分。
虽然没有另作定义，但是本文中使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同。对于辞典中定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
另外，在没有特别提及的情况下，％表示重量％，1ppm是0.0001重量％。
在本发明的一个实施例中，钢成分进一步包含附加元素是指余量的铁(Fe)中一部分被附加元素替代，替代量相当于附加元素的加入量。
在下文中，将详细描述本发明的实施例，以使本发明所属领域的普通技术人员容易实施本发明。然而，本发明能够以各种不同方式实施，并不限于本文所述的实施例。
在本发明的一个实施例中，对无取向电工钢板中的组分范围进行优化，特别是对主要加入成分Mn、S的范围进行优化，并且将晶粒粒径控制成较小，从而同时达到用于实现高强度特性和能源效率化的低铁损磁特性。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
首先说明限制无取向电工钢板成分的理由。
C：小于等于0.004重量％
碳(C)在最终制造的电工钢板中引起磁时效而降低使用中磁特性，因此优选含有小于等于0.004重量％。C的含量越低，越能改善磁特性，因此更具体地可包含小于等于0.003重量％。
Si：2.5重量％至4.0重量％
硅(Si)作为增加电阻率降低铁损中涡流损耗的成分加入。另外，当加入Si时，具有增加材料强度的效果。如果Si加入过少，则不可能充分发挥前述的效果。此外，如果Si加入过多，则冷轧性下降，可能会发生板断裂。更具体地，Si可包含2.6重量％至3.5重量％。
P：小于等于0.1重量％
加入磷(P)是为了增加电阻率，并改善织构，以提高磁性。但是，当过量加入时，冷轧性会恶化，因此P的含量优选限制为小于等于0.1重量％。更具体地，P可包含0.005重量％至0.05重量％。
Al：0.3重量％至2.0重量％
铝(Al)是增加电阻率降低涡流损耗的有效成分，虽然效果低于Si，但是加入时会具有提高强度的效果。如果Al加入过少，则AlN微析出，磁性可能会衰减。另一方面，如果Al加入过多，则加工性可能会衰减。更具体地，Al可包含0.5重量％至1.5重量％。
N：小于等于0.003重量％
氮(N)在内部形成细长的AlN析出物，从而抑制晶粒生长导致铁损变差，因此优选含量尽可能少。在本发明的一个实施例中，将N含量限制为小于等于0.003重量％。更具体地，N可包含小于等于0.002重量％。
S：小于等于0.003重量％
硫(S)形成微析出物MnS和CuS，从而妨碍晶体生长导致磁特性恶化，因此优选控制成低含量。在本发明的一个实施例中，将S含量限制为小于等于0.003重量％。更具体地，S可包含小于等于0.002重量％。
Mn：0.15重量％至2.5重量％
如果锰(Mn)加入过少，就会形成微析出物MnS，从而抑制晶体生长，致使磁性恶化。因此，优选适量加入，以使MnS析出物形成得粗大。此外，如果适量加入Mn，就会防止S成分析出成更微细的析出物CuS，从而可以避免磁性衰减。然而，如果Mn过量加入，反而会降低磁性。因此，可以包含前述范围的Mn。更具体地，Mn可包含0.2重量％至2.3重量％。
在本发明的一个实施例中，可以包含Mn和S使其满足下述式1。
[式1]
[Mn]≥1450×[S]-0.8
在式1中，[Mn]和[S]各自表示Mn和S的含量(重量％)。
如式1所示，当大量加入Mn时，可以使S析出物变得稳定，抑制其在热轧工艺和热轧板退火工艺中再溶解于电工钢板中，从而抑制产生微析出物。具体地，直径为1nm至0.1μm的硫化物的密度可小于等于25万/mm2。此时，硫化物(即S析出物)的直径是指面积与硫化物相同的虚拟圆的直径。对基准面没有特别限制，可以是与轧制面(ND面)平行的面。更具体地，硫化物的密度可为1万/mm2至24万/mm2。
硫化物可包含MnS。当进一步包含Cu时，可包含MnS和CuS。
Cr：小于等于0.5重量％
已知铬(Cr)是增加电阻率而改善铁损的元素，但是在本发明的一个实施例中，铬导致磁通密度变差，特别是去应力退火后导致铁损变差，因此最大限度地抑制加入量。更具体地，Cr可包含0.001重量％至0.2重量％。
Ti：小于等于0.003重量％，Nb：小于等于0.003重量％和Cu：小于等于0.1重量％中的一种或更多种
钛(Ti)和铌(Nb)会形成微析出物Ti(Nb)CN，从而抑制晶粒生长。当Ti和Nb的含量大于0.003重量％时，由于产生大量的微析出物，致使织构变差，进而导致磁性恶化，并且去应力退火工艺中抑制晶体生长，因此Ti和Nb的含量限制为小于等于0.003重量％。
当铜(Cu)过量加入时，将会析出成微析出物CuS，可能会导致磁性恶化。因此，Cu可以加入小于等于0.1重量％。
其他杂质
除了前述的元素之外，可以包含不可避免混入的杂质。余量为铁(Fe)，当有前述元素之外的附加元素加入时，取代一部分余量的铁(Fe)。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其平均晶粒粒径可小于等于20μm。晶粒粒径是指面积与晶粒相同的虚拟圆的直径。对基准面没有特别限制，但可以是与轧制面(ND面)平行的面。
晶粒粒径和强度倾向于成反比，通过使晶粒粒径保持尽可能小，可以对提高强度做贡献。此外，由于硫化物在去应力退火过程中延迟晶粒生长，在去应力退火过程后，铁损可能会恶化。在本发明的一个实施例中，为了将硫化物的密度控制成较小，提出了前述的式1，通过晶粒粒径的控制和式1的控制，可以同时实现无取向电工钢板的强度和磁性。更具体地，平均晶粒粒径可为1μm至18μm。
构成无取向电工钢板的晶粒包含冷轧工艺中加工的未再结晶组织在最终退火工艺中再结晶的再结晶组织。具体地，可包含大于等于15体积％的再结晶组织。更具体地，可包含大于等于50体积％的再结晶组织。再结晶组织一般具有小于等于107lines/cm2的位错密度，通常用电子显微镜进行观察时，可以利用取向分布为1度以内的再结晶与未再结晶进行区分。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，如前所述，可以同时确保强度和磁性。
具体地，在5000A/m的磁场下感应的磁通密度(B50)可大于等于1.61T，并且具有大于等于500MPa的屈服强度。更具体地，磁通密度(B50)可为1.64至1.75T，屈服强度可为550MPa至750MPa。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，如前所述，在去应力退火之后，可以确保优异的铁损。具体地，在750℃的温度下进行去应力退火2小时后，所测定的铁损(W10/400)可小于等于12W/kg。铁损是以400Hz的频率激励1.0T的磁通密度时的铁损。更具体地，在去应力退火之后，所测定的铁损(W10/400)可为10W/kg至11W/kg。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其包含：对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且满足下述式1；对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
在下文中，将按照各步骤详细描述。
首先，对板坯进行加热。板坯中各组分的加入比例限制理由与前述的无取向电工钢板的组分限制理由相同，因此不再赘述。在下述的热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火等制造过程中，板坯的组分实际上没有变化，因此板坯的组分与无取向电工钢板的组分实际相同。
将板坯装入加热炉，并在1100℃至1250℃下进行加热。在高于1250℃的温度下加热时，由于析出物再溶解，热轧后可能会微析出。
板坯加热后，热轧成2.0mm至2.3mm，将热轧后的热轧板进行卷取。对于卷取的热轧板，根据需要实施热轧板退火。由此，制造成热轧板。
在制造热轧板的步骤之后，还可包含对热轧板进行热轧板退火的步骤。此时，热轧板退火温度可为850℃至1200℃。如果热轧板退火温度过低，则组织不会生长或者微生长，因此磁通密度的上升效果小，而如果退火温度过高，则磁特性反而会下降，由于板形状的变形，轧制操作性可能会变差。热轧板退火是根据需要进行，以增加有利于磁性的取向，也可以省略热轧板退火。热轧板退火工艺的有/无对最终制造的电工钢板的晶粒粒径不会有太大影响。
接下来，对热轧板进行酸洗，再进行冷却，使其达到预定的板厚。可以采用70％至95％的压下率冷轧成最终厚度为0.2mm至0.65mm，根据热轧板厚度，可以采用不同的压下率。对于冷轧，可以实施一次冷轧，或者也可以根据需要实施二次或更多次冷轧，冷轧与冷轧之间进行中间退火。
对最终冷轧的冷轧板进行最终退火。此时，可在710℃至820℃的温度下进行最终退火，以形成适合的晶粒粒径。如果在过低的温度下进行最终退火，则由于未再结晶分数大，磁通密度会迅速降低，即使强度高，也无法获得转子所需的特性。另外，如果在过高的温度下进行热处理，则晶粒尺寸变得粗大化，无法获得所需的强度特性。在本文中，最终退火温度是指均热温度。
最终退火时间可为10秒至3分钟。此时，最终退火时间是指使冷轧板升温达到均热温度后直至均热结束的时间。
对于最终退火气氛，可在包含10体积％至30体积％的氢和70体积％至90体积％的氮的气氛下进行。
在此之后，还可包含形成绝缘层的步骤。除了将厚度形成得较薄之外，可以采用常规方法形成绝缘层。绝缘层形成方法是无取向电工钢板技术领域中众所周知的，因此省略详细描述。具体地，作为绝缘层形成组合物，可以使用铬类(Cr-type)或无铬类(Cr-freetype)中的任何一种，对此没有限制。
在此之后，还可包含在700℃至900℃的温度范围下进行退火的去应力退火步骤。如前所述，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，由于去应力退火过程中再结晶生长，可以改善铁损特性。具体地，在去应力退火之后，晶粒粒径可为30μm至300μm。
下面描述本发明的优选实施例和比较例。然而，下述实施例是本发明的一个优选实施例而已，本发明不限于下述实施例。
实施例1
制造板坯，以重量％计，所述板坯包含下表1和表2的组分以及余量Fe和不可避免的杂质。对板坯在1130℃下进行再加热，然后热轧成2.0mm，以制造热轧板。将所制造的各热轧板在620℃下卷取后，在空气中冷却，并在1020℃下实施热轧板退火2分钟。接着，对热轧板进行酸洗后，实施冷轧使厚度达到0.25mm。接下来，在氢为20体积％、氮为80体积％的气氛条件下，按照下表2所示的温度对冷轧板实施最终退火1分钟，然后分析磁性和机械特性，并整理于下表3中。在去应力退火前的特性中，对于屈服强度，制作KS13B规格的试样后实施拉伸实验，并且以0.2％偏移量(offset)下的值确定屈服强度，对于析出物密度，采用透射电子显微镜的复制法进行测定，对于磁通密度(B50)，利用大小为60×60mm2的单板测定装置在轧制方向和轧制垂直方向上进行测定，并求出平均值，对于平均晶粒粒径，由光学显微镜图片求出平均晶粒面积，并通过取平方根来确定。对于去应力退火后的铁损(W10/400)，在750℃的温度下对钢板进行去应力退火2小时后，利用大小为60×60mm2的单板测定装置在轧制方向和轧制垂直方向上进行测定，并求出平均值。
【表1】
Figure BDA0003065478480000101
【表2】
Figure BDA0003065478480000102
Figure BDA0003065478480000111
【表3】
Figure BDA0003065478480000112
Figure BDA0003065478480000121
Figure BDA0003065478480000131
如表1至表3所示，对于控制Mn、S的含量和晶粒粒径的发明材料，可以同时提高屈服强度和去应力退火前/后的磁性。
相比之下，当没有满足Mn、S的含量时，去应力退火前/后的磁性，特别是去应力退火后的铁损特性变差。
另外，当最终退火温度过低而大量存在未结晶组织(未结晶组织为90体积％或更多)时，磁通密度明显变差。
此外，当最终退火温度过高而平均晶粒粒径过大时，屈服强度明显变差。
另外，对于大量加入Cr的钢种C，去应力退火前/后的磁性变差。
本发明能以各种不同方式实施，并不局限于上述的实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下能够通过其他具体方式实施本发明。因此，应该理解上述的实施例在所有方面都是示例性的，并不是限制性的。

Claims (11)

1.一种无取向电工钢板，其中，
以重量％计，所述钢板包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质，
满足下述式1，
平均晶粒粒径小于等于20μm，
[式1]
[Mn]≥1450×[S]-0.8
在式1中，[Mn]和[S]各自表示Mn和S的含量(重量％)。
2.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其还包含Ti：小于等于0.003重量％、Nb：小于等于0.003重量％和Cu：小于等于0.1重量％中的一种或更多种。
3.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其中，
直径为1nm至0.1μm的硫化物的密度小于等于25万/mm2。
4.根据权利要求3所述的无取向电工钢板，其中，
所述硫化物包含MnS或MnS和CuS。
5.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其在5000A/m的磁场下感应的磁通密度(B50)大于等于1.61T，并具有大于等于500MPa的屈服强度。
6.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其在750℃的温度下进行去应力退火2小时后，所测定的铁损(W10/400)小于等于12W/kg。
7.一种无取向电工钢板的制造方法，其包含：
对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含C：大于0％且小于等于0.004％、Si：2.5％至4.0％、P：大于0％且小于等于0.1％、Al：0.3％至2.0％、N：大于0％且小于等于0.003％、S：大于0％且小于等于0.003％、Mn：0.15％至2.5％、Cr：大于0％且小于等于0.5％以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且满足下述式1；
对所述板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；
对所述热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及
在710℃至820℃的温度下对所述冷轧板进行最终退火的步骤，
[式1]
[Mn]≥1450×[S]-0.8
在式1中，[Mn]和[S]各自表示Mn和S的含量(重量％)。
8.根据权利要求7所述的无取向电工钢板的制造方法，其中，
所述板坯还包含Ti：小于等于0.003重量％、Nb：小于等于0.003重量％和Cu：小于等于0.1重量％中的一种或更多种。
9.根据权利要求7所述的无取向电工钢板的制造方法，其中，
将所述板坯加热到1100℃至1250℃。
10.根据权利要求7所述的无取向电工钢板的制造方法，其中，
所述制造热轧板的步骤之后，还包含对所述热轧板以850℃至1200℃的温度进行退火的热轧板退火步骤。
11.根据权利要求7所述的无取向电工钢板的制造方法，其中，
所述最终退火的步骤之后，还包含在700℃至900℃的温度范围下进行退火的去应力退火步骤。
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