CN114574756A - 一种低铁损高磁感无取向电工钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低铁损高磁感无取向电工钢及其制造方法，属于电工钢技术领域。铸坯化学成分包括以下重量百分比的组分：C≤0.005%,Si 0.3～1.0%,Mn 0.10～0.50%,Al 0.15～0.80%，S≤0.0050%,N≤0.0050%，Ti≤0.0050%；添加0～0.15%Cr或0～0.06%P中的一种或两种，其余为Fe及不可避免的杂质。制造过程为：铸坯经加热、卷取，热轧板不进行常化，经酸洗后一次冷轧至成品厚度，进行低温成品退火，退火后晶粒细小均匀；用户冲片后进行720～800℃、2～4小时去应力退火，退火后晶粒尺寸发生明显异常长大，最大可达200μm以上，得到综合磁性能优良的低铁损高磁感无取向电工钢。

Description

一种低铁损高磁感无取向电工钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种低铁损高磁感无取向电工钢及其制造方法，属于电工钢技术领域。
背景技术
世界发电量的60%~70%是通过各种电机消耗的，电能损耗问题日益受到各个国家的重视。为实现节能环保要求，电机产品正向小型化、高效化方向发展。具有低铁损、高磁感特征的无取向电工钢产品也受到越来越多的中小型电机及压缩机用户的青睐。
低铁损高磁感无取向电工钢，传统制造工艺大都是通过努力提高钢质纯净度，复合添加Sn、Cu、Sb、Se、P、B等晶界偏析元素中的一种或多种以改善织构，并通过控制热轧、卷取及进行热轧板常化来提高最终产品磁性能。
简要叙述现有制备技术如下：
1、中国专利CN1131532C（浦项），公开了一种具有优良磁性能的无取向电工钢生产方法，其化学成分为：1.0%以下Si, 0. 5% Mn, 0. 005%以下Al, 0.03～0.30%Sn，加较高的P和微量B，控制B/N比0.1～0.5，典型工艺为：板坯加热 1100℃～1250℃，750℃以下卷曲，热轧板退火800℃～1100℃，冷轧板退火750℃～ 1050℃。该专利产品不含Al，采用的是加较高的Sn和B、控制B/N 比例来防止细小BN等夹杂物的析出，但加热温度及后续的热处理温度较高，制造工艺较复杂，获得优良的产品磁性能的成本也较高。
2、中国专利CN 100999050A（宝钢），公开了一种低铁损高磁感冷轧无取向电工钢板生产方法。其成分为0.1～3.5%Si、Al≤1.5%、0.10～1. 5% Mn、P≤0.20%，S≤0.008%，N≤0.0030%，添加Sn、Sb中的一种或两种，总量不超过0.2%。其工艺特征为热轧板要进行常化处理，制成半工艺型产品还需对退火后的冷轧板进行1-10%平整。 其不足之处在于需对热轧板进行高温常化及二次冷轧，生产流程长，制造成本高。
3、中国专利CN 101343683A（首钢），公开了一种低铁损高磁感无取向电工钢制造方法。其成分为1.0～2.0% Si、Al≤0.6%、且1.5%≤Si+3Al≤3.2%， 0.01～0.40% Mn、P≤0.04%，S≤0.01%，N≤0.005%，O≤0.025%。该专利优点是不含Sn、Sb、Bi、Cu、Cr、Ni、B、Ca、Ce等合金元素，生产成本降低；不足之处是Si含量相对较高，热轧板需进行高温常化处理，才能得到较高的磁感。
4、中国专利CN 1100157C（武钢），公开了一种生产低铁损高磁感冷轧无取向电工钢的制造方法，其成分特征是0.2～2.5%Si、0.15-0.8%Mn、P+Sn/Sb<0.45%, B<0.0035%，极低的S、N含量，其中P+Sn/Sb必须为复合添加，其工艺特点为铸坯经≤1150℃均热轧制，酸洗、冷轧，在820℃～1050℃成品再结晶或脱碳再结晶退火。在低Si高Mn含量成分条件下也能达到B5000≈1.79～1. 81T高磁感性能，但铁损值也较高，Pl.5/50≈4.2～5.5W/kg。
5、现有技术中公开的向钢中添加Cr进行无取向电工钢制备的专利很多，无一例外Cr添加量都较高（一般均在0.5%以上，最高甚至达10%以上）、都是用于高强度无取向电工钢的生产。如中国专利CN102453838A，Cr添加量为2.5％～6％Cr；中国专利CN106435358A，Cr添加量为0.5～3％，同时添加0.5～2％的Ni及0.08～0.15％的Nb。未见添加0.03～0.15%Cr或同时添加0.02～0.06%P进行低铁损高磁感无取向电工钢制备的技术方案发布。
现有技术中有关Cr对磁性能的影响方面的文章，如张峰、李光强等人的“ Cr对无取向硅钢磁性能的影响”（ 特殊钢2010年6月第31卷第3期）、周峰等人的“Cr含量对50W800无取向电工钢电磁性能的影响”（工程前沿 2020年第18期），认为微量Cr对不常化低合金合量无取向电工钢磁性能不利，会使铁损升高，磁感降低，应将Cr控制在0.03%以下。未见以0.03～0.15%微量Cr或同时添加0.02～0.06%P，不对热轧板常化进行低铁损高磁感无取向电工钢制备的相关报道。
发明内容
为了克服上述不足，本发明旨在提供一种低铁损高磁感无取向电工钢及其制造方法，该电工钢具有合金总量低、晶粒尺寸大、综合磁性能高等显著特点。本发明创造性地应用取向硅钢生产原理进行无取向电工钢产品的制备，打破了传统产品开发思维。
本发明中，受到向钢中添加抑制剂、通过抑制剂的钉扎或偏聚作用，阻碍初次退火再结晶晶粒的长大，而促进二次退火再结晶晶粒的异常长大而获得稳定均匀的高斯织构，从而获得铁损极低、磁感极高的取向硅钢生产思路的启发，向钢中添加微量晶界偏聚元素Cr，或复合添加少量P，适当提高热轧加热温度和卷取温度，使Cr或P在热轧加热时发生固溶并在随后轧制过程中沿晶界析出，成品退火时利用其细化晶粒及低温退火共同作用，使初次退火晶粒细小均匀。产品在电机用户处经720～800℃、2～4小时去应力退火，使部分特殊位向的晶粒吞并其它位向的小晶粒而实现二次晶粒异常长大，从而降低产品的磁滞损耗，最终获得低铁损、高磁感无取向电工钢产品。
本发明提供了一种低铁损高磁感无取向电工钢，热轧原料铸坯成分设计为（质量百分比）：C≤0. 005%，Si 0.3～1.0%，Mn 0. 10～0. 50 %， Al 0. 15～0.80%，S≤0.0050%， N≤0. 0050%，Ti≤0. 0050%；向钢中添加0～0. 15 %Cr或0～0.06%P中的一种或两种，作为抑制剂，不进行热轧板常化处理，成品进行780~880℃低温退火抑制初次晶粒长大，在用户处进行2~4h消除应力退火实现最终产品的晶粒尺寸异常长大，晶粒尺寸最大可达200μm以上。
本发明提供了上述低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，工艺步骤为：采用上述成分的电工钢铸坯为热轧原料，将铸坯加热、热轧后进行卷取；热轧板不进行常化处理，酸洗后一次冷轧至成品厚度，进行低温成品退火；成品冲片后进行用户去应力退火，最终获得低铁损高磁感无取向电工钢产品。
进一步地，所述铸坯加热过程的温度为1100～1200℃，加热时间1~5h。
进一步地，所述热轧过程的终轧温度为800～900℃，卷取温度为650～750℃，热轧板厚度为2.0～3.0mm。
进一步地，热轧板不进行常化处理，经酸洗后一次冷轧成目标厚度的冷轧板，冷轧板厚度0.20～0.65mm。
进一步地，冷轧板进行780～880℃低温成品退火，退火时间120～300s，退火气氛为H2、N2混和气体，H2的比例为10~50%。
进一步地，用户冲片后进行720～800℃、2～4小时去应力退火。
本发明的有益效果：
（1）与传统低铁损高磁感无取向电工钢制造工艺相比，本发明对C、S、N、Ti等有害杂质元素含量的要求不高，合金合量也比较低，只需向钢中有意添加0.03～0.15% Cr或同时添加0.02～0.06%P，并适当提高热轧加热温度和卷取温度，后工序不需进行热轧板常化和高温退火，不需对热轧及退火生产条件作出苛刻要求，即可生产出综合磁性能等同于高合金合量且经常化处理的低铁损高磁感无取向电工钢产品，具有制造工艺简单、流程短、成本低等优点，产品附加值极高；
（2）所得产品的典型磁性能P1.5/50≤3.86W/kg,B5000≥1.73T，磁性能特别优异；
（3）本发明的钢种合金含量低，对钢质纯净度及热轧、退火等生产工艺条件要求不苛刻，也不用对热轧板进行常化处理，就可生产出最终晶粒尺寸大、铁损极低而磁感较高的产品，工艺简单成本低。
附图说明
图1为实施例1所得产品的金相组织图。
图2为实施例2所得产品的金相组织图。
图3为实施例3所得产品的金相组织图。
图4为对比例1所得产品的金相组织图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
铸坯化学成分(以质量百分数计)为：0.0025％C，0.75％Si，0.32％Mn，0.40％Al，0.0028％S，0.0035％N，0.0021％Ti，0.009%P，有意添加0.04%Cr，其余为铁和不可避免的杂质。
铸坯经1160℃、2.5h加热，热轧至2.5mm厚，热轧终轧温度840℃，卷取温度680℃。热轧板不经常化处理，酸洗后一次冷轧至0.50mm的成品厚度，然后进行800℃、3min低温成品退火, 退火气氛为25%H2+75%N2混和气体，退火后金相组织如图1 a）所示。用户冲片后进行750℃、2h的去应力退火，气氛为甲烷或H2 、N2混合气体,金相组织如图1 b）所示。所得产品的磁性能铁损P1.5/50＝3.86W/kg,B5000＝1.754T。
由图1可以看出，添加0.04%Cr，并进行800℃、3min低温成品退火，获得的成品初次晶粒尺寸只有20~30μm左右，较对比例1明显小很多，但经用户去应力退火后，晶粒尺寸最大可达到100μm，但晶粒大小不太均匀。磁性能铁损P1.5/50较对比例1高0.33W/kg，但B5000较对比例1高0.05T。
实施例2：
铸坯化学成分(以质量百分数计)为：0.0028％C，0.80％Si，0.35％Mn，0.38％Al，0.0034％S，0.0032％N，0.0026％Ti，有意添加0.07%Cr，复合添加0.035%P，其余为铁和不可避免的杂质。
铸坯经1180℃、2.5h加热，热轧至2.4mm厚，热轧终轧温度860℃，卷取温度700℃。热轧板不经常化处理，酸洗后一次冷轧至0.50mm的成品厚度，然后进行820℃、3min低温成品退火, 退火气氛为25%H2+75%N2混和气体，退火后金相组织如图2 a）所示。用户冲片后进行750℃、2.5h的去应力退火，气氛为甲烷或H2 、N2混合气体，金相组织如图2 b）所示。所得产品的磁性能铁损P1.5/50＝3.64W/kg,B5000＝1.742T。
由图2可以看出，添加0.07%Cr并同时添加0.035%P，初次退火时对晶粒长大抑制能力明显增强，820℃低温成品退火晶粒尺寸也未发生大的变化，大约为20~30μm左右，但经用户去应力退火后，晶粒尺寸明显增大，最大可达150μm，远大于对比例1晶粒尺寸，且晶粒大小均匀性改善。磁性能铁损P1.5/50明显降低，较对比例1仅高0.11W/kg，但B5000较对比例1高0.038T。
实施例3：
铸坯化学成分(以质量百分数计)为：0.0024％C，0.88％Si，0.34％Mn，0.38％Al，0.0032％S，0.0029％N，0.0024％Ti，有意添加0.12%Cr，复合添加0.045%P，其余为铁和不可避免的杂质。
铸坯经1200℃、2.5h加热，热轧至2.3mm厚，热轧终轧温度880℃，卷取温度720℃。热轧板不经常化处理，酸洗后一次冷轧至0.50mm的成品厚度，然后进行850℃、3min低温成品退火, 退火气氛为25%H2+75%N2混和气体, 退火后金相组织如图3 a）所示。用户冲片后进行750℃、3h的去应力退火，气氛为甲烷或H2 、N2混合气体, 金相组织如图3 b）所示。所得产品的磁性能铁损P1.5/50＝3.48W/kg,B5000＝1.734T。
由图3可以看出，添加0.12%Cr并同时添加0.045%P，初次退火时对晶粒长大抑制能力进一步加强，850℃低温成品退火晶粒尺寸略有增大，大约在40~50μm左右，而经用户去应力退火后，晶粒尺寸进一步增大，最大可达200μm以上，晶粒大小均匀性也进一步改善。磁性能铁损P1.5/50也进一步降低，与对比例1基本相当，但B5000较对比例1高0.03T，磁性能特别优异。
对比例1：
铸坯化学成分(以质量百分数计)为：0.0030％C，1.75％Si，0. 35％Mn，0.30％Al，0.0032％S，0.0030％N，0.0023％Ti，0.012%Cr，0.010%P其余为铁和不可避免的杂质。
铸坯经1150℃、2.5h加热，热轧至2.3mm厚，热轧终轧温度850℃，卷取温度680℃。热轧板不经常化处理，酸洗后一次冷轧至0.50mm的成品厚度，然后进行980℃、3min高温成品退火, 退火气氛为25%H2+75%N2混和气体。所得产品的金相组织如图4所示，磁性能铁损P1.5/50＝3.53W/kg,B5000＝1.704T。
对比例2：
专利CN 101343683A，实施例1中D试样1.73% Si、0.28% Al、0.33% Mn，热轧板进行950℃常化处理及1000℃成品退火。所得产品的磁性能铁损P1.5/50＝3.628W/kg,B5000＝1.726T。
将本发明实施例1~3与对比例1、对比例2进行对比，可以看出，本发明制备的0.8%Si左右的低铁损高磁感产品，采用800～850℃低温成品退火得到的金相组织晶粒尺寸明显小于980℃高温退火产品，但经2～3h用户去应力退火后，晶粒却发生异常长大，明显大于980℃高温退火产品；铁损P1.5/50与1.75%Si高温退火工艺产品基本相当，而磁感B5000提高0.03T以上，达到国内一些已发布专利1.7%Si、常化工艺产品水平，磁性能特别优异。

Claims (8)

1.一种低铁损高磁感无取向电工钢，其特征在于包括以下重量百分比的组分：C≤0.005%，Si 0.3～1.0%，Mn 0. 10～0. 50 %，Al 0. 15～0.80%，S≤0. 0050%，N≤0. 0050%，Ti≤0. 0050%；添加0～0. 15 %Cr或0～0.06%P中的一种或两种，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于包括以下步骤：采用电工钢铸坯为热轧原料，将铸坯加热、热轧后进行卷取；热轧板不进行常化处理，酸洗后一次冷轧至成品厚度，进行低温成品退火，退火后晶粒细小均匀；用户冲片后进行去应力退火，，退火后晶粒尺寸发生明显异常长大，最终获得低铁损高磁感无取向电工钢产品。
3.根据权利要求2所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于：所述铸坯加热过程的温度为1100～1200℃，加热时间1~5h。
4.根据权利要求2所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于：所述热轧过程的终轧温度为800～900℃，卷取温度为650～750℃，热轧板厚度为2.0～3.0mm。
5.根据权利要求2所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于：热轧板不进行常化处理，经酸洗后一次冷轧成冷轧板，冷轧板的厚度为0.20～0.65mm。
6.根据权利要求2所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于：冷轧板进行780～880℃低温成品退火，退火时间120～300s，退火气氛为H2、N2混和气体，H2的比例为10~50%。
7.根据权利要求2所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于：用户冲片后进行720～800℃、2～4小时去应力退火。
8.根据权利要求2所述的低铁损高磁感无取向电工钢的制造方法，其特征在于：所得电工钢的晶粒尺寸粗大，能达到200μm以上；磁性能P1.5/50≤3.86W/kg，B5000≥1.73T。
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