CN115198198B

CN115198198B - 一种高速电机用无取向硅钢及其制备方法

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Publication number: CN115198198B
Application number: CN202211107301.5A
Authority: CN
Inventors: 兰昊天; 岳重祥; 胡显军; 朱赫男
Original assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province; Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Zhangjiagang Yangzijiang Cold Rolled Sheet Co Ltd
Current assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province; Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Zhangjiagang Yangzijiang Cold Rolled Sheet Co Ltd
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2042-09-13
Also published as: CN115198198A; WO2024055269A1

Abstract

本发明涉及无取向硅钢技术领域，具体提供了一种高速电机用无取向硅钢及其制备方法，该高速电机用无取向硅钢的化学成分如说明书所限定；其中，成品厚度为0.20‑0.30mm，成品晶粒尺寸为80‑100μm，所述的高速电机用无取向硅钢的制备方法，包括冶炼并铸成连铸坯、连铸坯冷却与加热、热轧、常化、酸洗、冷轧、退火和涂层处理，本发明通过化学成分和上述全流程的工艺设计，借助电阻率控制、夹杂物控制、织构控制和晶粒度控制等手段，在提高强度的同时降低了高频铁损P_1.0/1000，且冶炼成本低、生产工艺简单、生产成本低，满足高速电机高转速、小体积、高效率的应用要求。

Description

一种高速电机用无取向硅钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及无取向硅钢技术领域，具体涉及一种高速电机用无取向硅钢及其制备方法。

背景技术

高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。高速电机具有转速高、相对尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，在空调和冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、高速磨床等诸多场合具有较多应用，在电动汽车、分布式发电系统中具有广阔的应用前景。目前已成为国际电工领域的研究热点之一。

高速电机的主要特点是转子速度高、定子绕组电流和铁芯中的磁通频率高。电机转子上的离心力与线速度的平方成正比。由于高速电机转速超过10000r/min，故要求其转子铁芯用无取向硅钢具有很高的机械强度；同时，高速电机为满足高转速的技术指标，其体积远小于同等功率的常速电机，故要求其铁芯用无取向硅钢具有较高的磁感。简而言之，为实现高速电机高转速、小体积、高效率控制要求，作为其铁芯核心材料的无取向硅钢应该具有较高的强度、较低的高频铁损P_1.0/1000及较高的磁感。

现有无取向硅钢生产技术绝大部分仅关注50Hz~400Hz频率条件下的铁损，仅有少量生产技术关注1000Hz及以上频率条件下的铁损，但生产工艺复杂，难以满足未来高速电机快速发展的需要。

例如，中国专利公开号为CN111471927A的专利文献公开了一种汽车发电机用高磁感无取向硅钢及其制备方法，所述无取向硅钢包括以下重量百分比的化学成分：Si 0.60~1.60%、Mn 0.10~0.65%、P 0.040~0.100%、Als≤0.0080%、Sn 0.01~0.10%、C+S+O+N+Ti≤100ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余成分为Fe及不可避免的杂质元素。通过成分和工艺设计优化，最终产品的磁性能满足，铁损P_1.5/50≤4.50W/kg，磁感B₅₀₀₀≥1.74T；力学性能满足维氏显微硬度HV1在110~120范围，延伸率A50≥40%。

中国专利公开号为CN 107964631 B的专利文献公开了一种屈服强度≥500MPa的高速电机转子用无取向硅钢，其化学成分按wt%计为：Si：4.12～4.5%，Al：1.62～2.0%，Mn：0.5～2.0，N≤0.005%，S≤0.002%，C≤0.003%，P≤0.05%，Cu≤0.05%，Ti+Nb+V+Zr≤0.01%。生产方法：转炉冶炼；RH真空精炼；对铸坯加热；粗轧后精轧；卷取；酸洗；冷轧；退火。该发明公开的高速电机转子用无取向硅钢屈服强度不低于500MPa，对于0.35mm及以下厚度成品铁损为P_1.0/400≤18W/kg。

中国专利公开号为CN 107974620 B专利文献公开了一种屈服强度600MPa级高速转子用无取向硅钢，其化学成分按wt%计为：C 0.001~0.003%、Si 2.6~3.4%、Mn 0.20~0.60%、P≤0.005%、S≤0.005%、Als 0.75~0.95%、N 0.002~0.006%、Nb 0.053~0.20%。生产步骤：经转炉冶炼并浇铸成坯；对连铸坯加热；常规的粗轧及精轧；常化；酸洗后进行冷轧；连续退火。该发明公开无取向硅钢厚度不超过0.35mm的成品屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，P_1.0/400≤35W/kg，B₅₀₀₀≥1.60T。

以上专利CN111471927A、CN 107964631 B和107974620 B提供的普通电机用无取向硅钢尽管在机械强度和磁感方面能够满足高速电机的要求，但仅关注50Hz~400Hz频率条件下的铁损。无取向硅钢的铁损包括磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗三部分。由于反常损耗在铁损中占比较小，故一般重点关注磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗P _h =k _h *f*B ²，涡流损耗P _e =k _e *f ² *B ²。从磁滞损耗和涡流损耗的公式可以看出，磁滞损耗P _h与f 成正比，涡流损耗P _e与f ²成正比。所以，随着频率增加，铁损中涡流损耗大幅度增加。在低频（50Hz~400Hz）情况下，磁滞损耗占铁损的大部分比例；在高频（≥1000Hz）下，涡流损耗占铁损的大部分比例。显然，由于高频和低频条件下铁损组成的不同，低频条件下磁性能良好的无取向硅钢难以保证高频下仍具有良好的磁性能，也即以上专利所述无取向硅钢及生产方法难以满足高速电机用无取向硅钢高频铁损P_1.0/1000的使用要求，存在高频率下的铁损较高的缺陷。

中国专利公开号为CN 104480386 B专利文献公开了一种高速电机用0.2mm厚无取向硅钢，其组分及wt%为：C 0.001~0.025%、Si 2.6~3.0%、Al 0.25~0.55%、Mn 0.10~0.30%、P≤0.015%、S 0.001~0.0025%、N 0.001~0.0025%。生产步骤：用真空感应炉冶炼并铸成钢锭；开坯加热；经锻打后加热；热轧；常化；酸洗；第一次冷轧；中间退火；第二次冷轧；成品退火；按常规冷却、剪切、制样、磁性与机械性能测量。该发明在保证磁性能P_1.0/1000≤40w/kg，B₅₀₀₀≥1.68T的前提下，兼顾机械性能屈强比在0.70~0.73，满足制造高速电机铁芯的使用要求。

中国专利公开号为CN 112538592 B专利文献公开了一种用于频率≥10000Hz高速电机的无取向硅钢，其组分及wt%：C≤0.003%、Si 2.8~3.5%、Mn 0.05~1.0%、P≤0.0015%、N≤0.0008%、Al 0.75~1.5%、S≤0.0009%、Sb 0.001~0.1%、Sn 0.001~0.1%，且满足Sb+Sn在0.001~ 0.1%；步骤：冶炼并浇注成坯；铸坯加热、保温后热轧，卷取；常化、保温、酸洗并卷取；第一次冷轧；第一次连续退火；第二次冷轧；第二次连续退火；第三次冷轧；成品连续退火；缓冷、涂敷绝缘层及卷曲。该发明在厚度0.02~0.15mm下，获得磁性能优异，即P_0.1/10000不超过15.5W/kg，P_0.1/400不超过9.5W/kg，B₅₀₀₀不低于1.6T。

中国专利公开号为CN 104480386 B和CN 112538592 B的专利文献分别公开了一种电流频率为1000Hz和10000Hz的高速电机用无取向硅钢，但是生产工艺复杂，成本高。如中国专利公开号为CN 104480386 B专利文献公开了一种高速电机用0.2mm厚无取向硅钢，其生产工艺采用二次冷轧+二次退火；而中国专利公开号为CN 112538592 B专利文献公开了一种用于频率≥10000Hz高速电机的无取向硅钢，其生产工艺包括三次冷轧+三次退火。

可见，现有无取向硅钢生产技术绝大部分仅关注50Hz~400Hz频率条件下的铁损，仅有少量生产技术关注1000Hz及以上频率条件下的铁损，但生产工艺复杂，难以满足未来高速电机快速发展的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中高速电机用无取向硅钢存在的生产工艺复杂或者高频率下的铁损较高的缺陷，从而提供一种高速电机用无取向硅钢及其制备方法。

为此，本发明提供了一种高速电机用无取向硅钢，其化学成分按质量百分数计为：C≤0.0020%、S≤0.0010%、N≤0.0030%、Si:3.0~3.4%、Al:0.80~1.0%、Mn:0.2~0.4%、P≤0.01%、Sn+Sb≤0.004%、Nb≤0.005%、V≤0.005%、Ti≤0.005%、Mo≤0.005%、Cr≤0.05%、Ni≤0.05%、Cu≤0.05%，其它为Fe及不可避免的夹杂；其中，0<C+S+N≤0.0050%；成品厚度为0.20-0.30mm，成品晶粒尺寸为80-100μm。

进一步地，所述高速电机用无取向硅钢的屈服强度≥550MPa，磁感B₅₀₀₀≥1.65，0.30mm厚度时高频铁损P_1.0/1000≤45W/kg，0.25mm厚度时高频铁损P_1.0/1000≤40W/kg，0.20mm厚度时高频铁损P_1.0/1000≤35W/kg。

进一步地，4.8%≤Si+2Al≤5.2%。

本发明中各元素和工序的主要作用如下：

C≤0.0020%、S≤0.0010%、N≤0.0030%：在无取向硅钢中C、S、N均为有害元素。C含量增加，铁损高、磁感低；C高还可引起磁时效问题，其含量越低越好。S与Mn形成细小的MnS，N与Al形成细小的AlN，不仅阻碍退火时晶粒的长大，还直接阻碍畴壁移动，提高磁滞损耗。无取向硅钢一般采用真空精炼，控制C在0.002%以下， N在0.003%以下，难度不高。一般中低牌号无取向硅钢S含量控制在0.0030%以下，继续降低S含量，成本增加。但对本发明高速电机用高牌号无取向硅钢来说，由于Si含量控制在3.0~3.4%，Al含量控制在0.80~1.0%，钢液中O含量大幅降低。根据脱硫反应CaO+S=CaS+O，钢液中O含量降低后，脱硫难度降低。故本发明控制C在0.0020%以下，S在0.0010%以下，N在0.0030%以下，同时控制0<C+S+N≤0.0050%。有害元素C、S 、N的控制，不仅降低了本发明无取向硅钢在高频运行时的磁滞损耗，还提高了磁感，减少了磁时效。

Si 3.0~3.4%、Al 0.80~1.0%：Si和Al均是提高电阻率、降低铁损、提高强度的有效添加元素。但Si、Al含量增加，轧钢难度增加，热轧过程易出现边裂，冷轧过程易发生断带；特别是当Si含量大于3.5%后，轧制难度大幅度增加。同时Si、Al含量增加，钢板的磁感降低。本发明中Si含量控制在3.0~3.4%，Al含量控制在0.80~1.0%，降低高频铁损，提高钢板强度，同时使钢液中O含量大幅降低，为超低S冶炼创造条件。配合化学成分（P、Sn+Sb）控制、将铸坯自然冷却至400~500℃后，以不高于10℃/min的加热速度加热到1080~1100℃，然后保温0.5~1.0h再热轧、830-870℃的低温常化以及冷轧前将钢板预热至100-200℃的措施，可实现热轧无边裂稳定生产和冷轧大压下率稳定生产，冷轧断带率低于0.5%。并且，通过上述低温常化工艺，使得成品具有较高的磁感。

Mn 0.2~0.4%：适量添加Mn，对提高钢板的磁性能有利，同时可提高钢板强度；Mn可以抑制S引起的热脆性，易与S形成粗大的MnS析出物而使得钢板的铁损降低。Mn合金价格较高，基于成本考虑，本发明Mn含量控制在0.2~0.4%。由于本发明S含量≤0.0010%，Mn/S较高，可促进MnS的析出与长大，对磁性能有利。

P≤0.01%：P对磁性影响不大，提高P含量可有效提高钢板强度，但对高牌号无取向硅钢来说，P含量增加后，冷轧生产难度大幅增加，轧制过程易发生断带。本发明控制思想是采用高Si、高Al成分设计和成品薄规格设计，通过成品细晶控制，获得高强度；通过一次冷轧获得成品厚度，故应控制P≤0.01%，提高钢板的可轧性，简化生产工艺。

Sn+Sb≤0.004%：Sn和Sb均为晶界偏聚元素，在无取向硅钢中单独添加Sn、单独添加Sb或复合添加Sn和Sb，目的都是通过Sn和Sb在晶界的偏聚，减少{111}不利织构的比例，提高成品的磁感。特别是在无常化工序生产流程中，效果更为明显。但是由于Sn和Sb的晶界偏聚行为，导致钢板晶界脆化，冷轧易断带，生产难度增加。本发明在冷轧前，热轧卷经过常化处理，可显著降低成品{111}不利织构的比例，故成分设计时，不特意添加Sn和Sb，控制Sn+Sb≤0.004%，以确保钢板的可轧性，简化生产工艺。

Nb≤0.005%、V≤0.005%、Ti≤0.005%、Mo≤0.005%、Cr≤0.05%、Ni≤0.05%、Cu≤0.05%：Nb、V、Ti、Mo、Cr、Ni、Cu会减小无取向硅钢成品晶粒尺寸，导致低频条件下无取向硅钢的磁性能下降，包括铁损增大、磁感应强度降低；本发明高速电机用无取向硅钢要求成品在高频运行条件下具有低铁损，需要通过适当减小晶粒尺寸，以减小涡流损耗。故本发明高速电机用无取向硅钢中适当含量Nb、V、Ti、Mo、Cr、Ni、Cu的存在，可减小无取向硅钢成品晶粒尺寸，不仅有利于提高强度，还有利于减小高频涡流损耗。但考虑到这些元素的合金价格较高，本发明不特意添加，仅适当放宽其控制要求，降低炼钢难度。控制Nb≤0.005%、V≤0.005%、Ti≤0.005%、Mo≤0.005%、Cr≤0.05%、Ni≤0.05%、Cu≤0.05%。

无取向硅钢的铁损包括磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗三部分。磁滞损耗是磁性材料在磁化和反磁化过程中，由于材料中夹杂物、晶体缺陷、内应力和晶体位向等因素阻碍畴壁移动，磁通变化受阻，造成磁感应强度落后于磁场强度变化的磁滞现象而引起的能量损耗。涡流损耗是磁性材料在交变磁化过程中，在磁通改变大小或方向时，按照法拉第电磁感应法则，在磁通周围感生出局部电动势而引起涡电流所造成的能量损耗。也就是说磁壁移动时磁化迅速变化而产生涡流损耗，可按经典涡流损耗公式计算。反常损耗是材料磁化时由于磁畴结构不同而引起的能量损耗，在铁损中占比较小。

可见，无论是磁滞损耗、涡流损耗，还是反常损耗，均是磁性材料在磁化和反磁化过程中产生的能量损耗。由于反常损耗在铁损中占比较小，故一般重点关注磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗P _h =k _h *f*B ²，涡流损耗P _e =k _e *f ² *B ²。在工频（50Hz）情况下，磁滞损耗约占70%、涡流损耗约占 30%。从磁滞损耗和涡流损耗的公式可以看出，P _h与f 成正比，P _e与f ²成正比，所以，随着频率增加，铁损中涡流损耗大幅度增加。在低频（50Hz~400Hz）情况下，磁滞损耗占铁损的大部分比例；在高频（≥1000Hz）下，涡流损耗占铁损的大部分比例。

由于低频和高频铁损组成的不同，本发明采用与传统无取向硅钢截然不同的的设计理念。

传统无取向硅钢的设计理念：低频条件下，对同一成分无取向硅钢来说，由于磁滞损耗占比较高，故工艺设计时一般要求围绕成品大晶粒设计。因为晶界会阻碍畴壁移动，晶粒增大，晶界减少，磁滞损耗较少，铁损低。成品大晶粒设计，有利于降低低频铁损，但晶粒增加后钢板强度降低。即低频条件下，对晶粒尺寸控制来说，低铁损和高强度是矛盾的。为降低铁损，应增加晶粒尺寸，然后通过固溶强化、沉淀强化及位错强化等其它强化方式来提高强度。比如：在成分设计中添加Cu、Cr、Ni、Nb、V、Ti等合金元素；在工艺设计上进行不完全再结晶退火或二次冷轧；或者以上两种方式的组合。

本发明的无取向硅钢的设计理念：高频条件下，对同一成分无取向硅钢来说，由于涡流损耗占比较高，故工艺设计时成品晶粒不再追求大晶粒，因为晶粒变大后，晶界减少，磁畴移动速度增加，导致磁化迅速变化，从而增加了涡流损耗。也就是说，高频条件下，可以通过减小晶粒尺寸，减少占高频铁损最大比例的涡流损耗，虽然磁滞损耗会增加，但整体高频铁损降低。同时可借助晶粒细化，提高钢板强度。即高频条件下，对晶粒尺寸控制来说，低铁损和高强度是有机统一的，可以通过控制晶粒尺寸，同时实现细晶强化和高频低铁损。

本发明还提供了一种高速电机用无取向硅钢的制备方法，包括冶炼并铸成连铸坯、连铸坯冷却与加热、热轧、常化、酸洗、冷轧、退火和涂层处理。

进一步地，常化温度为830-870℃，保温时间为3-5min；冷压压下率控制在89%-90%；退火温度为880-900℃，保温时间为120-150s。

进一步地，采用真空感应炉进行冶炼，控制0<C+S+N≤0.0050%，并铸成厚度200~250mm连铸坯。

进一步地，所述铸坯冷却与加热步骤为，将铸坯自然冷却至400~500℃后，以不高于10℃/min的加热速度加热到1080~1100℃，然后保温0.5~1.0h。

进一步地，所述热轧包括6道次粗轧和7道次精轧工序；和/或，

通过粗轧获得厚度为30~45mm中间坯，通过精轧获得厚度为2.0~3.0mm的热轧板；和/或，

精轧终轧温度800~860℃，卷取温度600~660℃，精轧终轧温度和卷取温度的波动范围为±15℃，精轧的总压下率为92.5-93.5%。

进一步地，常化后将钢板冷却至80~150℃后，进行抛丸和酸洗工序。

可采用现有常规试剂酸洗，例如采用盐酸进行酸洗，酸液温度为75~85℃，酸液中盐酸的浓度为120~160g/L。

进一步地，冷轧前将钢板预热至100-200℃；和/或，常化后再结晶晶粒尺寸为60~80μm，再结晶组织体积占比为100%。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的高速电机用无取向硅钢，其化学成分按质量百分数计为：C≤0.0020%、S≤0.0010%、N≤0.0030%、Si:3.0~3.4%、Al:0.80~1.0%、Mn:0.2~0.4%、P≤0.01%、Sn+Sb≤0.004%、Nb≤0.005%、V≤0.005%、Ti≤0.005%、Mo≤0.005%、Cr≤0.05%、Ni≤0.05%、Cu≤0.05%，其它为Fe及不可避免的夹杂；其中，0<C+S+N≤0.0050%；成品厚度为0.20-0.30mm，成品晶粒尺寸为80-100μm，通过化学成分精确控制以及成品厚度和晶粒尺寸的控制在提高强度的同时降低了高频铁损P_1.0/1000，且冶炼成本低、生产工艺简单、生产成本低，满足高速电机高转速、小体积、高效率的应用要求，既不需要额外添加Cu、Cr、Ni、Nb、V、Ti等合金强化元素，又不需要添加Sn、Sb等织构控制元素。

2.本发明提供的高速电机用无取向硅钢，成品屈服强度≥550MPa，磁感B₅₀₀₀≥1.65，0.30mm厚度时高频铁损P_1.0/1000≤45W/kg，0.25mm厚度时高频铁损P_1.0/1000≤40W/kg，0.20mm厚度时高频铁损P_1.0/1000≤35W/kg；满足未来高速电机快速发展的需要。

3.本发明提供的高速电机用无取向硅钢的制备方法，包括冶炼并铸成连铸坯、连铸坯冷却与加热、热轧、常化、酸洗、冷轧、退火和涂层处理，生产流程短，生产效率高。通过化学成分的控制和上述全流程工艺设计，借助电阻率控制、夹杂物控制、织构控制和晶粒度控制等手段调和高频铁损、磁感和强度之间的矛盾，同时实现高强度、高磁性能和优良的高频磁性能。

4.本发明提供的高速电机用无取向硅钢的制备方法，通过控制成分设计中P、Sn、Sb元素含量，结合控制铸坯自然冷却的温度和加热速度，避免高硅钢铸坯裂纹，确保热轧顺行；通过常化后再结晶晶粒尺寸的控制和冷轧轧前预热，实现高硅钢大压下率一次冷轧，通过一次退火即可获得厚度0.20~0.30mm成品，生产流程短，生产效率高。

5.本发明提供的高速电机用无取向硅钢的制备方法，在830-870℃下保温3-5min的常化，低温较长时间加热，既实现热轧板完全再结晶，又避免晶粒过大，使得晶粒尺寸为60~80μm。之所以控制冷压压下率在89%-90%，提高储存能和形核点，增加退火形核率，为退火过程精确稳定控制成品晶粒尺寸创造条件。结合在880-900℃下保温120-150s的退火，上述三个工序条件的控制结合对化学成分精确控制确保实现完全再结晶，控制成品晶粒尺寸为80~100μm。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1~8分别提供一种高速电机用无取向硅钢，化学成分以质量百分比计如表1所示，其余为Fe及不可避免的夹杂；并且，各实施例制备得到的高速电机用无取向硅钢具体为如表1所示厚度的钢板。

表1

本发明各实施例的高速电机用无取向硅钢均按照如下步骤生产：

（1）采用真空感应炉进行冶炼，控制0<C+S+N≤0.0050%，并铸成厚度220mm连铸坯；连铸坯的化学成分如表1所示；冶炼过程不特意添加Nb、V、Ti、Mo、Cr、Ni、Cu，但适当放宽其控制要求，控制Nb≤0.005％，V≤0.005％，Ti≤0.005％，Mo≤0.005％，Cr≤0.05％，Ni≤0.05％，Cu≤0.05％降低炼钢难度。

（2）将步骤（1）所得连铸坯堆垛，并自然冷却至450℃后，送入加热炉，以5℃/min的加热速度加热后进行保温，加热温度和保温时间如表2所示。

（3）将步骤（2）加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧采用1+5模式，通过六道次轧制获得中间坯；然后进行7道次精轧和卷取得到热轧板卷。粗轧所得中间坯厚度、精轧终轧温度、精轧过程的总压下率、所得热轧板的厚度以及卷取温度如表2所示。

（4）将步骤（3）所得热轧卷板在纯干N₂气氛下进行常化，常化温度、常化时间如表3所示；常化后钢板冷却至100℃后，先进行抛丸，然后采用盐酸进行酸洗，酸液温度为80℃，酸液中盐酸的浓度为140g/L，酸洗液中Fe²⁺的质量浓度控制在50±20g/L。对各个实施例的常化钢板进行金相组织检测，测量所得的再结晶组织体积占比、再结晶晶粒尺寸分别如表3所示；

（5）将步骤（4）所得常化酸洗钢板将常化酸洗后钢板进行预热，然后进行冷轧，预热温度、轧前厚度、轧后厚度、冷轧压下率分别如表4所示。

（6）将步骤（5）所得轧硬钢板在H₂和N₂混合气氛中进行连续退火，H₂含量为15%；退火温度和保温时间如表4所示。

（7）将步骤（6）所得钢板按常规方法进行涂层及精整。

表2

表3

表4

对比例

对比例1~8分别提供一种无取向硅钢，化学成分以质量百分比计如表5所示；并且，各对比例制备得到的无取向硅钢具体为如表5所示厚度的钢板。

表5

对比例1~8的无取向硅钢均按照低频无取向硅钢设计思路组织生产：

对比例1~3，通过控制常化温度和保温时间使得常化后再结晶晶粒尺寸较大，再结合冷压压下率、退火温度和保温时间的控制，获得成品大晶粒，具体工艺参数如表6~8所示；

对比例4~6在对比例1~3基础上，在成分设计时，增加Nb、Ti含量，通过微合金元素Nb、Ti的固溶强化和细晶强化效果，增加钢板强度。

对比例7在成分设计时增加Si含量超出本发明的范围，冷轧过程易断带，故对比例8在对比例7基础上增加成品厚度至0.35mm，降低断带风险。

对比例1~8的无取向硅钢生产步骤如下：

（1）采用真空感应炉进行冶炼，并铸成厚度220mm连铸坯；连铸坯的化学成分如表5所示。

（2）将步骤（1）所得连铸坯堆垛，并自然冷却至450℃后，送入加热炉，以5℃/min的加热速度加热后进行保温，加热温度和保温时间如表6所示。

（3）将步骤（2）加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧采用1+5模式，通过六道次轧制获得中间坯；然后进行7道次精轧和卷取得到热轧板卷。粗轧所得中间坯厚度、精轧终轧温度、精轧过程的总压下率、所得热轧板的厚度以及卷取温度如表6所示。

（4）将步骤（3）所得热轧卷板在纯干N₂气氛下进行常化，常化温度、常化时间如表7所示；常化后钢板冷却至100℃后，先进行抛丸，然后采用盐酸进行酸洗，酸液温度为80℃，酸液中盐酸的浓度为140g/L，Fe²⁺的质量浓度控制在50±20g/L。对各个对比例的常化钢板进行金相组织检测，测量所得的再结晶组织体积占比、再结晶晶粒尺寸分别如表7所示；

（5）将步骤（4）所得常化酸洗钢板将常化酸洗后钢板进行预热，然后进行冷轧，预热温度、轧前厚度、轧后厚度、冷轧压下率分别如表8所示。其中对比例7冷轧过程断带，未完成轧制。

（6）将步骤（5）所得轧硬钢板在H₂和N₂混合气氛中进行连续退火，H₂含量≥15%；退火温度和保温时间如表8所示。

（7）将步骤（6）所得钢板按常规方法进行涂层及精整。

表6

表7

表8

测试实施例1~8、对比例1~6和对比例8制得的无取向硅钢的再结晶晶粒尺寸和再结晶组织体积占比（%）、屈服强度和抗拉强度以及铁损P_1.0/1000，测试实施例1~8和对比例4~6制得的无取向硅钢的磁感应强度B₅₀₀₀。结果见下表所示。

表9

从上述实施例1~8可以看出，采用本发明实施方式的高速电机用无取向硅钢，不仅具有高强度和较高磁感，而且高频铁损P1.0/1000低，且冶炼成本低、生产工艺简单、生产成本低，满足高速电机的应用要求。

对比例1~3采用与实施例1~3相似的化学成分，通过控制常化温度、保温时间、冷压压下率、退火温度和保温时间，获得成品大晶粒。但成品强度显著低于实施例1~3，相同成品厚度高频铁损P_1.0/1000显著高于实施例1~3。

对比例4~6在对比例1~3基础上，在成分设计时，增加Nb、Ti含量，通过微合金元素Nb、Ti的固溶强化和细晶强化效果，相比于对比例1~3钢板强度略有增加。测试结果显示其晶粒尺寸小于对比例1~3，强度高于对比例1~3。与实施例1~3相比，对比例4~6相同成品厚度强度低、铁损高、磁感低，且合金成本高。

对比例7在成分设计时不增加Nb、Ti含量，而是增加Si含量至3.5%以上。结果在轧制目标厚度0.30mm钢板时，即使已经将轧前预热温度提升至180℃，但依然冷轧断带。

对比例8在对比例7基础上增加成品厚度至0.35mm，由于钢板厚度增加，其电阻率降低，造成成品高频铁损显著高于实施例1~8。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种高速电机用无取向硅钢，其化学成分按质量百分数计为：C≤0.0020%、S≤0.0010%、N≤0.0030%、Si:3.1~3.4%、Al:0.80~1.0%、Mn:0.2~0.4%、P≤0.01%、Sn+Sb≤0.004%、Nb:0.002%~0.004%、V≤0.005%、Ti≤0.005%、Mo≤0.005%、Cr≤0.05%、Ni≤0.05%、Cu≤0.05%，其它为Fe及不可避免的夹杂；其中，0<C+S+N≤0.0050%；成品厚度为0.20-0.30mm，成品晶粒尺寸为80-100μm；

所述的高速电机用无取向硅钢的制备方法，包括冶炼并铸成连铸坯、连铸坯冷却与加热、热轧、常化、酸洗、冷轧、退火和涂层处理，其中热轧精轧终轧温度800~860℃，卷取温度600~660℃，精轧终轧温度和卷取温度的波动范围为±15℃，精轧的总压下率为92.5-93.5%；常化温度为830-870℃，保温时间为3-5min；冷压压下率控制在89%-90%；退火温度为880-900℃，保温时间为120-150s；常化后再结晶晶粒尺寸为64~76μm，再结晶组织体积占比为100%，冷轧前将钢板预热至100-200℃；

所述的高速电机用无取向硅钢，其特征在于，所述高速电机用无取向硅钢的屈服强度≥569MPa，磁感B5000≥1.65，0.30mm厚度时高频铁损P1.0/1000≤45W/kg，0.25mm厚度时高频铁损P1.0/1000≤40W/kg，0.20mm厚度时高频铁损P1.0/1000≤35W/kg。

2.根据权利要求1所述的高速电机用无取向硅钢，其特征在于，4.8%≤Si+2Al≤5.2%。

3.根据权利要求1所述的高速电机用无取向硅钢，其特征在于，采用真空感应炉进行冶炼，控制0<C+S+N≤0.0050%，并铸成厚度200~250mm连铸坯。

4.根据权利要求1所述的高速电机用无取向硅钢，其特征在于，所述铸坯冷却与加热步骤为，将铸坯自然冷却至400~500℃后，以不高于10℃/min的加热速度加热到1080~1100℃，然后保温0.5~1.0h。

5.根据权利要求1所述的高速电机用无取向硅钢，其特征在于，所述热轧包括6道次粗轧和7道次精轧工序；和/或，

通过粗轧获得厚度为30~45mm中间坯，通过精轧获得厚度为2.0~3.0mm的热轧板。

6.根据权利要求1所述的高速电机用无取向硅钢，其特征在于，常化后将钢板冷却至80~150℃后，进行抛丸和酸洗工序。