CN116057196A - 非晶粒取向的金属扁平制品及其制造方法以及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非晶粒取向的金属扁平制品，其主要具有相对较高的Mn和Cr重量占比。本发明还涉及一种制造方法和应用。

Description

非晶粒取向的金属扁平制品及其制造方法以及应用
技术领域
本发明涉及一种非晶粒取向的金属扁平制品、用于制造扁平制品的方法以及应用。
背景技术
在所述开发的范畴内，术语金属扁平制品尤其包括轧制产品，例如钢带或钢板、借助浇铸制造的坯料或电路板。尤其地，本发明涉及被设计为钢制电工带的扁平制品和被设计为钢制电工板的扁平制品。
在许多电气工程技术应用中需要非晶粒取向的扁平制品，尤其是非晶粒取向的电工带或电工板。
非晶粒取向的电工带或电工板，通常也被称为“NO电工带”或者说“NO电工板”，在英语中被称为“NGO电工钢”(“NGO”即非晶粒取向的)，例如用作用于制造旋转电机的部件的基材。在这种应用中，用非晶粒取向的金属扁平制品控制和放大电磁场的走向。这种带和板的典型应用领域是电动机和发电机中的转子和定子。
对于许多电动机，例如被开发用于所谓电动汽车范畴内的应用并且由此变得越来越重要的马达，期望以每单位时间的高转数运行。电动机在高转数下的运行伴随着所需交变电磁场的高频，交变电磁场说到底是用于驱动电动机的基础。因此，越来越需要被设计用于具有较高频率的交变电磁场的材料。
发明内容
在开发用于用高频交变场运行的电动机时，材料开发人员感觉自己面临着为电动机提高效率做出贡献的挑战。在此背景下，需要非晶粒取向的金属扁平制品，尤其是非晶粒取向的电工带和非晶粒取向的电工片，其将相对高频率下的相对低的反磁化损耗与相对高的磁极化强度和感应以及相对高的导磁率相结合。
在已证明有效的电工带和电工板中，这些特性的良好组合是通过在电工带或者说电工板的起始合金中高重量占比的硅和/或铝实现的。然而，这些元素的高占比通常伴随着这样的不利影响，即具有上述特性的相应的目前已知的NO电工带或者说NO电工板由于其硅和/或铝含量高而具有相对较高的脆性，在加工中，例如在冷轧中具有随之而来的缺点。例如，在冷轧过程中，相应的NO电工带会出现越来越多的带断裂。
在上述解释的背景下，本发明的目的是为已知的扁平钢制品提供替代品，替代品在其磁特性方面同等或更高程度地符合所提出的要求。所提供的扁平制品还应应用于非常低的端部厚度，例如小于0.35mm的端部厚度。
本发明通过具有权利要求1的特征的扁平制品来实现。本发明还通过具有权利要求7的特征的方法来实现。该发明还包括具有权利要求13的特征的扁平制品和具有权利要求15的特征的应用。
预设非晶粒取向的金属扁平制品，其由具有以下合金成分的钢组分，元素以重量百分比给出，缩写为wt％：
C：0.0020至0.005；
Si：2.6至2.9；
Al：0.5至0.8；
Mn：1.1至1.3；
Cr：0.7至1.6，优选0.9至1.6，尤其优选1.0至1.6；
N：0.0001至0.0060；
S：0.0001至0.0035；
Ti：0.001至0.010；
P：0.004至0.060；
可选的成分：0.001至0.15；
剩余为Fe和不可避免的杂质。
应当理解，剩余部分的表记是指包括剩余部分在内的所有合金成分的重量占比加起来为100wt％。
作为可选成分，可以存在尤其是Ni、Cu、Sn、Co、Zr、Nb、V和Mo，只要这些元素的重量占比之和不超过上面给出的限制即可。
受制于工艺，可以包含占比在0.0005至0.005wt％之间的Mg和Ca并且Mg和Ca在本说明书的范畴内被包含在上述不可避免的杂质中。
通过根据本发明的合金规格，相对于已知的电工带或电工板的组分显著地提高扁平制品中的Mn占比和Cr占比，可以实现用于提供具有有利的磁特性和有利的机械特性的特性组合的扁平制品的决定性措施。
令人惊讶的是，相对于具有高Si含量和/或Al含量但低Mn含量和/或Cr含量的材料相比，通过在这方面提高的Mn含量和在这方面提高的Cr含量，不仅实现了在期望值范围内的磁特性的特性曲线，而且额外地获得了令人惊讶的结果，该结果在存在机械应力，例如冷轧的情况下得出有利的性能。下文将对二者在产生的示例的说明的范畴内进行深入阐述和证明。
在磁特性方面，已经令人惊讶地表明，根据本发明的材料将相对高的磁极化与相对低的反磁化损耗相结合。
优选地，非晶粒取向的扁平制品是非晶粒取向的电工带或非晶粒取向的电工板，分别由具有根据本发明的合金组分的钢制成。
优选的根据本发明的扁平制品具有极化和反磁化损耗，以下关系式对其择一地或累加地适用：
Abs[P1.0；1000×d/(J200；1000×([Mn]+[Cr])^2)]<9，和/或
P1.0；400<16W/kg，和/或
P1.0；1000<70W/kg。
上面公式中的符号在此被选择如下：
“Abs[]”：位于方括号内的值的绝对值；
P1.0；1000：反磁化频率为1000Hz而磁通密度为1.0T的交变电磁场中材料内的反磁化损耗，单位为W/kg；
P1.0；400：反磁化频率为400Hz而磁通密度为1.0T的交变电磁场中材料内的反磁化损耗，单位为W/kg；
J200；1000：1000Hz的交变电磁场中磁场强度为200A/m时的磁极化强度；
d：材料厚度，单位为mm。
上述值的所有数值均作为无量纲数值(即无单位)插入公式的方括号内。这是根据经验发现的公式，其总结了所获得的结果，并且当使用属于上面阐述的具有上面给出的单位的公式符号的无量纲数值时，其在优选的根据本发明的样品中是成立的。
关系式P1.0；400<16W/kg表示在反磁化频率为400Hz而磁通密度为1.0T的交变电磁场中，材料内以W/kg为单位的反磁化损耗小于16W/kg。
关系式P1.0；1000<16W/kg表示在反磁化频率为1000Hz而磁通密度为1.0T的交变电磁场中，材料内以W/kg为单位的反磁化损耗小于70W/kg。
可替代地或额外地，优先地适用：
J200；1000＞1.0，即，在1000Hz的交变电磁场中，磁场强度为200A/m时的磁极化强度大于1.0T。
用于确定极化强度和场强度的方法对于本领域技术人员是已知的，例如借助用于确定极化强度的爱泼斯坦方圈，尤其是根据DIN EN 60404-2:2009-01：磁性材料-第2部分：借助爱泼斯坦方圈确定电工带和电工板的磁特性的方法。
替代地或额外地，优选的扁平制品的特征可以在于，在18℃和28℃之间(分别包括18℃和28℃在内)的温度下，即其中同样包括18℃与28℃，优选在20℃和24℃之间(分别包括20℃和24℃在内)的任何温度下，遵守如下关系式：
2.2≤([Mn]+[Cr])2×[ρspez]≤5.5
其中：
[Mn]：Mn含量的无量纲值，单位为wt％，
[Cr]：Cr含量的无量纲值，单位为wt％，
[ρspez]：比电阻的无量纲值，单位为Ωmm2/m，尤其是最终退火的冷轧带的比电阻。
已经表明，满足上述比电阻与Mn含量及Cr含量之间的关系式的扁平制品以特别期望的程度将期望的特性结合起来。利用该关系式将钢合金的Mn的重量占比与钢合金的Cr的重量占比关联起来。由此对于给定的比电阻实现了，一方面即使二者加起来也存在Mn或Cr的最小含量，利用其能够引起比电阻和随之而来的电磁特性，另一方面即使二者加起来也不会超过Mn或Cr的最大含量，并在电磁特性中带来随之而来的缺点。
特别优选的扁平制品可替代地或额外地通过扁平制品的令人惊讶地确定到的特性来表征，通过生产方法的退火来在表面层中设定更高的Mn和Cr的含量。即换句话说，与扁平制品的内部相比，Mn和Cr富集在扁平制品的边缘层中。
也就是说，例如，表面之下存在深度，扁平制品到该深度为止高于特定程度地具有比起在扁平制品的内部更高的的Mn含量和更高的Cr含量，当然其中两侧都有这一深度存在，即扁平制品的顶侧和底侧上。
优选地，扁平制品在边缘层(即毗邻表面的边界区域)中所具有的Mn和Cr的含量在关于该边界区域体积进行积分的情况下与Al和Si的含量的比例为0.2或更高的数值。
在特别优选的特殊情况下，扁平制品在位于其表面下的最上面的0.95微米内，在关于该边界区域体积进行积分的情况下，所具有的Mn和Cr的含量与Al和Si的含量的比例为0.2或更高的数值。
换句话说，优选地适用，在最终退火之后，从0到0.95μm的表面层，即直到表面之下0.95微米的深度，Mn和Cr的体积积分质量密度的总和与Si和Al的体积积分质量密度的总和之比大于或等于0.2。
数学上表达为：
Figure BDA0004086412620000061
其中：
[Mn]：Mn含量的无量纲值，单位为wt％，
[Cr]：Cr含量的无量纲值，单位为wt％，
[Al]：Al含量的无量纲值，单位为wt％，
[Si]：Si含量的无量纲值，单位为wt％，
积分的边界给出表面之下的深度(以微米为单位)，积分符号表示集成地在根据本发明的优选的扁平制品的到0.95μm的深度处并且在整个表面上Mn含量和Cr含量的和与Al含量和Si含量的和之比大于0.2。
令人惊讶的是，在分辨深度的元素分析中已经表明，利用根据本发明的元素组分，在扁平制品的近表面区域中创造用于Mn和Cr的所述富集现象的先决条件。根据检验标准ISO 11505:2012-12，借助辉光放电光谱仪(英语：Glow-discharge optical emissionspectroscopy(GDOES))通过对最终退火样品的实验测定了近表面区域中Mn和Cr元素富集的这种特质。
由于元素在表面层中到根据本发明的扁平制品(相对于常规的高渗硅的电工带扁平制品具有较高的Mn和Cr含量)的为0,95μm深度为止的特殊且新颖的分布，可以在一定程度上防止因Si和Al在表面中高含量的富集而形成本领域技术人员已知的变脆的有序相(D03结构)，这大概是由原子晶格中Mn和Cr引发的对晶序的“扰动”引起。已知的由Si和Al诱导的脆性相由于所描述的在相对于Si含量和Al含量所发生Mn和Cr富集的意义上的重量占比上的过量而不可避免地规模下降，由此消除了本领域技术人员已知的这些脆性相对改型适应性的不利影响，这就是根据本发明的扁平制品及其改进方案在冷轧、冲压和涂层以及通常在改型中具有更好的可加工性的原因。
特别优选地，根据本发明的扁平制品的特征可以替换地或额外地在于，28℃温度下的比电阻值在0.60Ωmm2/m和0.70Ωmm2/m之间，更加优选地在0.60Ωmm2/m和0.65Ωmm2/m之间。具有该规格的比电阻与所获得的良好磁特性相关。
特别优选地，存在最大厚度小于0.35mm的扁平制品，其中0.19mm和0.31mm之间的厚度是特别优选的。在一个实施方案中，扁平制品是其厚度在每个位置都满足上述标准的板或带。扁平制品优选以所述的低厚度存在，这是因为反磁化损耗在这些低厚度比在较高厚度更少。由于预期的优异的可冷轧性，根据本发明的扁平制品的改进的可加工性展现了其特别的优点。
利用下面解释的方法之一，可以制备具有基于开头所述合金规范的优点的材料。例如，通过下述的根据本发明的方法制造扁平制品，其具有特别有利的特性组合。执行以下步骤：
A)熔化包含根据开头所述合金规范的元素组分的熔体；
B)将熔体浇铸成可轧制的半成品，尤其是半成带、铸锭或薄铸锭；
C)半成品的热轧，终轧温度在820℃至890℃之间；
D)酸洗；
E)可选的热带退火；
F)冷轧；
G)最终退火。
在本发明的范畴内，最终退火被理解为在制造方法结束时对根据本发明的扁平制品进行退火，即作为绝缘漆涂层之前的最后的方法步骤。
如果在热轧开始时将半成品加热至不超过1200℃的预热温度时，可获得特别有利的特性。
步骤D)在步骤C)之后进行。
特别优选的是，在步骤C)之后，或在步骤D)(如果已执行)之后，并且，在步骤E)(如果已执行)之前和/或在步骤F)之前卷取热带，其中卷取温度在500℃和750℃之间。
优选地，步骤E)的热带退火在700℃和790℃之间的温度下执行。优选地，热带退火在不少于12小时且不多于36小时的时长下执行。
步骤F)的冷轧在总冷轧度处于75％和90％之间时引起所获得的扁平制品的特别有利的特性。特别优选地，扁平制品被轧制到0.19mm和0.31mm之间的厚度。特别优选地，所执行的轧制道次不超过四个。
对于最终退火，如果在930℃和1070℃之间的优选温度下执行，则特性已被证明是有利的，其中特别优选地，最终退火的持续时间最长为300秒。最终退火的最小持续时间优选为50秒。
最终退火优选在连续运行的并且被扁平制品穿过的炉中进行，例如在水平的连续炉中。
特别优选地，所述最终退火在一个阶段中进行，而不是在两个阶段中进行。
特别优选地，步骤A)至G)按给定的字母顺序进行。
本申请的另一个方面是扁平制品，其可利用前述方法中的任一种或其改进方案获得。
本申请的另一个方面是由前述扁平制品之一冲压而成的部段作为旋转电机的薄片的应用。
具体实施方式
在下文中，将借助实施例更详细地解释本发明。
制造了三条根据本发明的电工带，以下称为变体1、变体2和变体3。变体1、2和3的组分列于表1中。被称为对比变体1、对比变体2和对比变体3的其他变体用作非根据本发明的比较样品，其合金组分也列于表1中。
经由钢包炉从给出的合金中设定低的硫含量和氮含量，并经由连续铸造或者说薄扁锭铸造生成铸锭。然后，由此借助热轧、酸洗、热带退火、冷轧和最终退火分别制造带。在示例中，热轧前将材料加热至最高1200℃，轧制至1.3-1.9mm的热带厚度，直至终轧温度为820℃–890℃并且卷取温度为500℃–750℃。
生成的热带被酸洗，然后在700–790℃下退火24小时，其中该步骤不一定是本发明的组成部分，因此是可选的。退火热带以75–90％的总冷轧度被改型到0.19-0.31mm(+/-8％)的最终厚度，轧制道次最多为4。
最终退火在930至1070℃之间的最高温度下进行。
变体1至3和对比变体1至3的制备参数如表1所示。
Figure BDA0004086412620000101
在最终退火后测量样品的比电阻。为此，使用符合DIN EN 60404-13:2015-01的惠斯通测量电桥。
Figure BDA0004086412620000121
表3显示了制备的样品1至3和对比样品1至3的特性。
根据IEC404-3，借助60×60mm2盘确定1.0T和1000Hz时的磁性数值P和200A/m和1000Hz时的磁性值J，其中分别形成纵向和横向数值的平均值。
尤其地，除了在1000Hz处和磁场强度为200A/m时的非常好的极化之外，还显示出在1.0T和1000Hz处出现值得期待的更少的磁性反磁化损耗P，其处于约在对比样品处获得的结果的量级中。
表3
Figure BDA0004086412620000131
表4显示了从分析1-3中制备的样品1.1、2.1、2.2、2.3、3.1以及从对比分析1-3中产生的对比样品1.1、1.2、2.1、3.1至3.5的以下特性，其中点后的数字表示从用于光学分析的一个样品中随机制备多个样品，以证明所执行的研究的稳健性。例如，从对比材料3制备了五个样品，用3.1至3.5对其连续编号。
根据检验标准ISO 11505:2012-12，借助辉光放电光谱仪测定扁平制品表面层中的Mn和Cr元素富集的特质。在样品的顶侧(OS)和底侧(US)进行测量。此外，在样本点测量边缘(R1/R2)和中心(M)的带宽度。根据获得的在0到12μm的样品深度上的质量的测量曲线，计算Mn、Cr、Al和Si从表面(0μm)到0.95μm的样品深度上的质量密度的积分求值。
Figure BDA0004086412620000141
Figure BDA0004086412620000151
Figure BDA0004086412620000161

Claims (15)

1.非晶粒取向的金属扁平制品，由以下成分组成，以重量百分比计，缩写为：wt％：
C：0.0020至0.005；
Si：2.6至2.9；
Al：0.5至0.8；
Mn：1.1至1.3；
Cr：0.7至1.6；
N：0.0001至0.0060；
S：0.0001至0.0035；
Ti：0.001至0.010；
P：0.004至0.060；
可选成分：0.001至0.15；
剩余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的扁平制品，其在28℃下的比电阻为0.60Ωmm2/m≤ρspez≤0.70Ωmm2/m。
3.根据前述权利要求中任一项所述的扁平制品，其中：分别优选地在所述扁平制品的厚度处于0.19mm和0.31mm之间时，
Abs[P1.0；1000×d/(J200；1000×([Mn]+[Cr])^2)]<9，和/或
P1.0；400<16W/kg，和/或
P1.0；1000<70W/kg，和/或
200A/m和1000Hz时的J>1.0T。
4.根据前述权利要求中任一项所述的扁平制品，其中在18℃和28℃之间，分别包括18℃和28℃的温度下，优选地在20℃和24℃之间的任一温度下，适用：
2.2≤([Mn]+[Cr])2×[ρspez]≤5.5
其中：
[Mn]：Mn含量的无量纲值，单位为wt％，
[Cr]：Cr含量的无量纲值，单位为wt％，
[ρspez]：最终退火的冷带的比电阻的无量纲值，单位为Ωmm2/m。
5.根据前述权利要求中任一项所述的扁平制品，其中在距表面的深度直至0.95μm的边界区域中，Mn和Cr加起来的、以kg/m^3计的含量与Al和Si加起来的、以kg/m^3计的含量之比为0.2或更大。
6.根据前述权利要求中任一项所述的扁平制品，其厚度d为d＜0.35mm，优选地0.19mm＜d＜0.31mm。
7.用于制造扁平制品，尤其是由根据前述权利要求中任一项所述的合金所制造的扁平制品的方法，具有以下制造步骤：
A)熔化包含根据权利要求1所述的元素组分的熔体；
B)将所述熔体浇铸成可轧制的半成品，尤其是半成带、铸锭或薄铸锭；
C)所述半成品的热轧，终轧温度在820℃至890℃之间；
D)酸洗；
E)可选地进行热带退火；
F)冷轧；
G)最终退火。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述热轧开始时将所述半成品加热至最高1200℃的预热温度。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其中在步骤C)之后或在步骤D)之后，以500℃和750℃之间的卷取温度卷取所述热带。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中步骤E)的热带退火在700和790℃之间的温度下进行，优选地用时12小时至36小时。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中步骤F)的冷轧以75％至90％之间的总冷轧度执行，其中优选地所述扁平制品最多执行四个轧制道次并被轧制到0.19mm和0.31mm之间的厚度。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中在930℃和1070℃
之间的温度下执行所述最终退火。
13.扁平制品，能利用根据权利要求7至12中任一项所述的方法获得。
14.根据权利要求13所述的扁平制品，其具有根据权利要求2至6中任一项所述的特性。
15.将从根据权利要求1至6中任一项所述的扁平制品冲压出的部段作为旋转电机的薄片的应用。
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