CN1813074B - 制备非取向电工钢带的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制备非取向电工钢带的改进方法，所述钢具有改善的磁性能和改善的抗皱纹状变形、脆化、喷嘴堵塞以及磁老化的能力。含铬钢由钢熔体制备出，将钢熔体铸造成薄板坯或通常的板坯，冷却，热轧和/或冷轧成钢带成品。对钢带成品再进行至少一次退火处理，由此获得磁性能，使得本发明的钢带适合用于电力机械例如电机或者变压器中。

Description

制备非取向电工钢带的改进方法

与相关申请的相互参考

本申请涉及并且要求2002年5月8日提交的美国临时申请60/378,743的优先权。

发明背景

在各种电力机械和装置中，特别是在要求钢片所有方向上铁损低和磁导率高的电机中，均广泛使用非取向电工钢作为磁芯材料。本发明涉及制备铁损低和磁导率高的非取向电工钢的方法，该方法中，将钢熔体凝固成铸锭或连铸板坯，并且进行热轧和冷轧，获得钢带成品。对钢带成品进行至少一次获得磁性能的退火处理，从而使本发明的钢带适合用于电力机械例如电机或者变压器中。

市售的非取向电工钢典型地分成两类：冷轧电机叠片钢(″CRML″)和冷轧非取向电工钢(″CRNO″)。CRML通常用于要求极低铁损在经济上难以合算的场合。这样的场合典型地要求非取向电工钢的最大铁损约4瓦特/磅(约9W/kg)，在1.5T和60Hz条件下测得的最小磁导率为约1500G/Oe(高斯/奥斯特)。在这些应用中，钢片典型地被加工成约0.018-0.030英寸(约0.45-0.76mm)的名义厚度。CRNO一般用在要求磁性能更好的具有较高要求的场合。这样的场合典型地要求非取向电工钢的最大铁损约2瓦/磅(约4.4W/kg)，在1.5T和60Hz条件下测得的最小磁导率为约2000G/Oe。在这些应用中，所用钢片典型地被加工成约0.006-0.025英寸(约0.15-0.63mm)的名义厚度。

非取向电工钢一般有两种形式，通常称作“半加工”钢或者“完全加工”钢。“半加工”指的是产品在使用之前必须退火，才能形成适当的晶粒尺寸和织构，释放出加工应力，并且，如果需要，才能够提供适当的低碳含量以避免发生老化。“完全加工”指的是在将钢带 加工成叠片之前，就已经充分获得了磁性能，即：已形成所述的晶粒尺寸和织构，而且，为防止发生磁退化，碳含量已降低至约0.003％(重量)或更低。上述级别的钢除非希望释放制造应力，否则不要求在制造成叠片之后进行退火。非取向电工钢主要用于旋转装置，例如电机或者发电机中，在这些场合，要求在相对于钢片轧制方向的所有方向上，磁性能均匀一致。

非取向电工钢的磁性能可能受到钢片成品的厚度、体积电阻率、晶粒尺寸、化学纯度和结晶织构的影响。通过减小钢片成品的厚度、提高钢片中的合金含量以提高体积电阻率或者将两种方法组合，能够降低涡流引起的铁损。

在已确立的用于制备非取向电工钢的方法中使用的典型(但不受此限制的)合金添加元素是硅、铝、锰和磷。非取向电工钢可以含有最多约6.5％(重量)的硅、最多约3％(重量)的铝、最多约0.05％(重量)的碳(加工过程中必须降至低于约0.003％(重量)，以防止发生磁退化)、最多约0.01％(重量)的氮、最多约0.01％(重量)的硫，余者是铁以及少量炼钢方法附带的其它杂质。

为了获得最佳的磁性能，希望在最终退火之后获得适当的大晶粒尺寸。最终退火后的钢片的纯度可能对磁性能有显著影响，因为分散相、夹杂物和/或析出相的存在能够抑止晶粒正常长大，阻止获得希望的晶粒尺寸和织构，因而，不能在成品形式中获得希望的铁损和磁导率。此外，最终退火期间的夹杂物和/或析出相在AC磁化期间阻碍畴壁运动，从而进一步降低最终产品的磁性能。如上所述，钢片成品的结晶织构，即：构成电工钢带的晶粒的取向分布在决定最终产品的铁损和磁导率时非常重要。由米勒指数定义的<100>和<110>织构分量具有较高的磁导率；相反，<111>型织构分量具有较低的磁导率。

非取向电工钢按照添加元素例如硅、铝和类似元素的比例来区分。这类合金添加元素的作用是提高体积电阻率，以便在AC磁化期间抑止涡流的产生，从而降低铁损。这些添加元素还通过提高硬度改善冲制性能。合金添加元素对铁的体积电阻率的影响如方程I所示：

(I)ρ＝13+6.25(％Mn)+10.52(％Si)+11.82(％Al)+6.5(％Cr)+14(％P)

式中，ρ是钢的体积电阻率(单位μΩ-cm)，％Mn，％Si，％Al，％Cr和％P分别是钢中锰、硅、铝、铬和磷的重量百分数。

含有的硅和其他元素的添加量低于约0.5％(重量)以获得最高约20μΩ-cm的体积电阻率的钢一般可被归类为电机叠片钢；硅或其他元素添加量约为0.5-1.5％(重量)以获得约20-30μΩ-cm的体积电阻率的钢一般可被归类为低硅钢；硅或其他元素添加量约为1.5-3.0％(重量)以获得约30-45μΩ-cm的体积电阻率的钢一般可被归类为中硅钢；以及，最后，硅或其他元素添加量约大于3.0％(重量)以获得高于约45μΩ-cm的体积电阻率的钢一般可被归类为高硅钢。

硅、铝添加元素对钢有不利影响。众所周知，大量添加硅，特别是当硅含量高于约2.5％时，会使钢变脆，以及使温度敏感性更高，即韧脆转变温度可升高。硅还可能与氮反应，形成可能损害非取向电工钢的物理性能和引起磁“老化”的氮化硅夹杂。适当采用的添加铝可以最大程度地减小氮对非取向电工钢的物理性能及磁性能的影响，因为铝会在浇注和/或热轧前的加热后的冷却期间与氮反应形成氮化铝夹杂。但是，添加铝会影响钢的熔炼和浇注，因为它会使耐火材料受到更严重的磨损，特别是会使用于在板坯浇注期间输送钢液的耐火材料部件发生堵塞。铝还会使在冷轧之前氧化皮的去除变得更困难，从而影响热轧钢带的表面质量。

铁中添加合金元素例如硅、铝等还会影响奥氏体的数量，如方程II所示：

(II)γ_1150℃＝64.8-23*Si-61*Al+9.9*(Mn+Ni)+5.1*(Cu+Cr)-14*P+694*C+347*N

式中，γ_1150℃是在1150℃(2100°F)下形成的奥氏体的百分数，％Si，％Al，％Cr，％Mn，％P，％Cr，％Ni，％C和％N分别是钢中硅、铝、锰、磷、铬、镍、铜、碳和氮的重量百分数。典型地，含有约高于约 2.5％Si的合金全部是铁素体，即在加热或冷却期间不发生体心立方的铁素体相向面心立方的奥氏体相的相变。众所周知，全部铁素体的电工钢采用薄或厚板坯铸造很复杂，原因是存在“皱纹状变形(ridging)”的倾向。皱纹状变形是在热轧钢片的冶金结构中出现局部不均匀所产生的缺陷。

上述的非取向电工钢的制备方法已很成熟。这些方法典型地包括制备具有要求组成的钢熔体；将钢熔体浇注成厚度约2-20英寸(约50-500mm)的铸锭或板坯；将铸锭或板坯加热至典型地高于约1900°F(约1040℃)的温度下；以及，热轧成厚度约0.040英寸(约1mm)或更大的钢片。随后采用各种工艺路线对热轧钢片进行处理，所述工艺路线可以包括酸洗或者，任选地，在酸洗之前或之后对热轧钢片进行退火；采用一个或多个步骤冷轧至要求的产品厚度；以及，最终退火，有时，随后进行表面光整轧制，以获得要求的磁性能。

在制备非取向电工钢的最常用示例性方法中，连铸出厚度大于约4英寸(约100mm)但小于约15英寸(约370mm)的板坯；将其重新加热至高温，随后进行热粗轧步骤，使板坯变成厚度大于约0.4英寸(约10mm)但小于3英寸(约75mm)的过渡板材；以及，热轧成适合于进一步处理的厚度大于约0.04英寸(约1mm)但小于0.4英寸(约10mm)的钢带。如上所述，厚板坯铸造方法提供实施多个热压下步骤的机会，如果适当采用多个热压下步骤，能够提供避免出现本领域通常称作“皱纹状变形”的缺陷所需的均匀的热轧冶金显微组织。但是，必需的实施工艺经常与轧机设备的操作不协调或者不适合轧机设备的操作。

近年来，薄板坯铸造技术已得到发展。在该方法的实例中，非取向电工钢由大于约1英寸(约25mm)但小于4英寸(约100mm)的铸造板坯制备而成，对该板坯进行加热，随后马上热轧至适合于进一步处理的厚度大于约0.04英寸(约1mm)但小于0.4英寸(约10mm)的钢带。然而，虽然已经能够制备电机叠片级非取向电工钢，但是，由于“皱纹状变形”问题，制备具有非常高的磁性能和物理质量的完全 铁素体非取向电工钢仅仅取得有限的成功。部分地，薄板坯铸造更受限制，原因在于与使用厚板坯铸造方法的情形相比，采用薄板法将铸态板坯热轧成热轧钢带成品时热轧的量与灵活性更受限制。

出于上述原因，长期感到需要开发使用与厚和薄板坯铸造提供的能力更匹配且制造成本更低的方法，以甚至制备出极高级的非取向电工钢的手段。

附图描述

图1是奥氏体相区与温度关系的示意图，其示出了临界T_min和T_max温度。

图2是炉次A的铸坯进行加热并采用所示压下量热轧之后的显微组织照片。

图3是炉次B的铸坯进行加热并采用所示压下量热轧之后的显微组织照片。

图4是各种温度下奥氏体计算量曲线，其刻画出表1中炉次C，D，E和F的奥氏体相区。

发明内容

本发明的主要目的是公开由连铸板坯制备具有优异物理性能和磁性能的非取向电工钢的改进组成。

本发明的上述及其他重要目的由具有下述组成的钢实现，该组成中，硅、铝、铬、锰和碳的含量如下：

i.硅：最多约6.5％

ii.铝：最多约3％

iii.铬：最多约5％

iv.锰：最多约3％

v.碳：最多约0.05％；

此外，钢中可以含有最多约0.15％锑；最多约0.005％铌；最多约0.01％氮；最多约0.25％磷；最多约0.01％的硫和/或硒；最多约0.15％ 锡；最多约0.01％钛和最多约0.01％的钒，余者是铁以及炼钢方法附带的残留物。

在一个优选组成中，上述元素的含量如下：

i.硅：约1-3.5％

ii.铝：最多约1％

iii.铬：约0.1-3％

iv.锰：约0.1-1％

v.碳：最多约0.01％；

vi.硫：最多约0.01％

vii.硒：最多约0.01％以及

viii.氮：最多约0.005％

在一个更优选组成中，上述元素的含量如下：

i.硅：约1.5-3％

ii.铝：最多约0.5％

iii.铬：约0.15-2％

iv.锰：约0.1-0.35％

v.碳：最多约0.005％；

vi.硫：最多约0.005％

vii.硒：最多约0.007％以及

viii.氮：最多约0.002％。

在一个实施方案中，本发明提供一种由钢熔体制备非取向电工钢的方法，所述钢熔体含有硅和其他合金添加元素或者炼钢方法附带的杂质，该熔体随后被铸造成厚度约0.8-15英寸(约20-375mm)的板坯，重新加热至高温，并热轧成厚度约0.014-0.06英寸(约0.35-1.5mm)的钢带。该方法的非取向电工钢可以在用于获得用于电机、变压器等装置所希望的磁特性的最终退火处理之后使用。

在第二个实施方案中，本发明提供一种方法，该方法中，非取向电工钢由钢熔体制备而成，所述钢熔体含有硅和其他合金添加元素或 者炼钢方法附带的杂质，该熔体随后被铸造成厚度约0.8-15英寸(约20-375mm)的板坯，重新加热并热轧成厚度约0.04-0.4英寸(约0.1-10mm)的钢带，随后进行冷却，酸洗，冷轧并且进行最终退火，以获得用于电机、变压器等装置所希望的磁特性。在该实施方案的一个任选形式中，热轧钢带可以在冷轧和最终退火之前进行退火。

在上述各实施方案的实践中，制备出含有硅、铬、锰和类似添加元素的钢熔体，所述组成能够提供使用方程I确定的至少20μΩ-cm的体积电阻率，和采用方程I I确定的奥氏体分数峰值γ1150℃大于0wt％。在本发明的优选、更优选和最优选实践中，γ1150℃分别至少5％，10％和至少20％。

在上述实施方案的实践中，不可以在热轧成钢带之前将铸板坯或薄板坯加热至高于方程IIIa确定的Tmax 0％温度。Tmax 0％是奥氏体相区的高温边界，在该温度，合金中存在100％的铁素体，低于该温度，合金中存在少量的奥氏体。这一点由图1可以看出。通过如此限制加热温度，可以避免在板坯重新加热期间由奥氏体重新转变成铁素体引起的晶粒异常长大。在上述实施方案的优选实践中，不可以在热轧成钢带之前将铸板坯或薄板坯加热至高于方程IIIb确定的Tmax 5％温度。类似地，Tmax 5％是合金中存在95％的铁素体和5％的奥氏体的温度，该温度刚刚低于高温奥氏体相区边界。在更优选的实践中，不可以将铸板坯或薄板坯加热至高于Tmax 10％温度。在上述实施方案的最优选实践中，不可以在热轧成钢带之前将铸板坯或薄板坯加热至高于方程IIIc确定的Tmax 20％温度。Tmax 10％和Tmax 20％分别是在高于峰值奥氏体重量百分数的温度下，合金中存在10％和20％奥氏体的温度。Tmax5％，Tmax 10％和Tmax 20％也都在图1中示出。

(IIIa)Tmax 0％，℃＝1463+3401(％C)+147(％Mn)-378(％P)-109(％Si)-248(％Al)-0.79(％Cr)-78.8(％N)+28.9(％Cu)+143(％Ni)-22.7(％Mo)

(IIIb)Tmax 5％，℃＝1479+3480(％C)+158(％Mn)-347(％P)-121(％Si)-275(％Al)+1.42(％Cr)-195(％N)+44.7(％Cu)+140(％Ni)-132(％Mo)

(IIIc)Tmax 20％，℃＝1633+3970(％C)+236(％Mn)-685(％P)-207(％Si)-455(％Al)+9.64(％Cr)-706(％N)+55.8(％Cu)+247(％Ni)-156(％Mo)

对铸造并重新加热的板坯必须进行热轧，因此，至少一个减薄道次在钢的冶金结构包括奥氏体的温度下进行。上述实施方案的实践包括在约高于图1所示Tmin 0％，但最高温度约低于方程III a确定的如图1所示约Tmax 0％的温度下进行的热压下道次。上述实施方案的优选实践包括在约高于方程IVa确定的Tmin 5％，但最高温度约低于方程IIIb确定的Tmax 5％的温度下进行的热压下道次。上述实施方案的更优选实践包括在约高于Tmin10％但最高温度约低于Tmax10％的温度下进行的热压下道次，如图1所示。上述实施方案的最优选实践包括在约高于方程IVb确定的Tmin20％但最高温度约低于方程IIIc确定的Tmax 20％的温度下进行的热压下道次。

(IVa)Tmin 5％，℃＝921-5998(％C)-106(％Mn)+135(％P)+78.5(％Si)+107(％Al)-11.9(％Cr)+896(％N)+8.33(％Cu)-146(％Ni)+173(％Mo)

(IVb)Tmin 20％，℃＝759-4430(％C)-194(％Mn)+445(％P)+181(％Si)+378(％Al)-29.0(％Cr)-48.8(％N)-68.1(％Cu)-235(％Ni)+116(％Mo)

上述实施方案的实践包括至少一个热压下道次，以在热轧之后提供至少700名义应变(ε_名义)，该名义应变采用方程V计算出：

上述实施方案的实践可以包括在冷轧之前进行的温度低于方程IVb确定的Tmin 20％的退火步骤。上述实施方案的优选实践可以包括在冷轧之前进行的温度低于Tmin 10％的退火步骤。上述实施方案的更优选实践可以包括在冷轧之前进行的温度低于方程IVa确定的Tmin5％的退火步骤。上述实施方案的最优选实践可以包括在冷轧之前进行的温度低于Tmin 0％的退火步骤。

上述实施方案的所述实践必须包括为获得钢带的磁性能在低于Tmin 20％(方程IVb)的温度下进行的最终退火。上述实施方案的所述优选实践必须包括为获得钢带的磁性能在低于Tmin 10％(如图1所示)的温度下进行的最终退火。上述实施方案的所述更优选实践必须包括为获得钢带的磁性能在低于Tmin 5％(方程IVa)的温度下进行的最终退火。上述实施方案的所述最优选实践必须包括为获得钢带的磁性能在低于Tmin 0％(如图1所示)的温度下进行的最终退火。

除非另有定义，此处使用的所有技术和科学术语的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。虽然在本发明的实施或实验中，可以使用与本文所述类似或相当的方法和材料，但是，下面介绍的是合适的方法和材料。将本文提及的所有出版物、专利申请、专利以及其它参考文献通过引用全文并入本文。一旦出现冲突，以本说明书(包括定义)为准。此外，各种材料、方法和实施例均是说明性的，并没有打算对本发明进行限制。由下面的详细描述以及权利要求，将明显看出本发明的其它特征和优势。

                        发明详述

为了能够对说明书和权利要求，包括待给定的范围有一个清晰且一致的了解，对一些术语作如下定义。

术语“铁素体”和“奥氏体”用于描述钢的特定晶体形式。“铁素体”或“铁素体钢”具有体心立方或″bcc″晶体结构，而“奥氏体”或“奥氏体钢”具有面心立方或″fcc″晶体结构。术语“完全铁素体钢”用于描述在从熔体的冷却过程中和/或热轧重新加热时，不管最终室温 显微组织如何，都不会发生在铁素体和奥氏体晶体结构之间的任何相转变的钢。

术语“钢带”和“薄板”用于在本说明书和权利要求中描述钢的物理特性，所述钢为厚度小于约0.4英寸(约10mm)，宽度典型地超过约10英寸(约250mm)，更典型地超过约40英寸(约1000mm)的钢。术语“钢带”没有宽度限制，但其宽度明显大于厚度。

在本发明的实践中，使用的是含有合金添加元素硅、铬、锰、铝和磷的钢熔体。

为了开始制备本发明的电工钢，可以使用钢熔炼、精炼和合金化的通用熟练方法制备钢熔体。该熔体组成一般含有最多约6.5％硅、最多约3％铝、最多约5％铬、最多约3％锰、最多约0.01％氮，以及最多约0.05％碳，余者基本是铁以及炼钢方法附带的残留元素。一种优选组成含有约1-3.5％硅、最多约1％铝、约0.1-3％铬、约0.1-1％锰、最多约0.01％硫和/或硒，最多约0.005％氮和最多约0.01％碳。此外，优选钢可以含有不超过约0.005％的残留量的元素，例如钛、铌和/或钒。一种更优选的钢含有约1.5-3％硅、最多约0.5％铝、约0.15-2％铬、最多约0.005％碳、最多约0.008％硫或硒、最多约0.002％氮、约0.1-0.35％锰，余者为铁和通常出现的残留物。所述钢也可以含有最多0.15％的其他元素如锑、砷、铋、磷和/或锡。该钢也可以包括单独含量或者组合含量最多约1％的铜、钼和/镍。其他元素可以作为有意添加元素或者钢熔炼过程中的残留元素即杂质存在。制备钢熔体的示例方法包括吹氧、电弧(EAF)或者真空感应熔炼(VIM)。进一步精炼和/或向钢熔体中添加合金元素的示例方法可以包括钢包冶金炉(LMF)、真空吹氧脱碳(VOD)容器和/或氩氧脱碳(AOD)反应器。

本发明钢中的硅含量为约0.5-6.5％，优选约1-3.5％，更优选为约1.5-3％。硅的添加目的是提高体积电阻率，稳定铁素体相和提高硬度，以改善钢带成品的冲制性能。但是，当含量高于约2.5％时，已认识到硅会使钢更脆。

本发明钢中的铬含量为最多约5％，优选约0.1-3％，更优选约 0.15-2％。铬的添加目的是提高体积电阻率。但是，为了保持所希望的相平衡和微观组织特性，必须考虑铬的作用。

本发明钢中的锰含量最多约3％，优选约0.1-1％，更优选约0.1-0.35％。锰的添加目的是提高体积电阻率。但是，本领域中已知锰会降低最终退火期间晶粒的长大速率。为此，就保持成品中所希望的相平衡和微观组织特性而言，必须仔细考虑锰的大量添加适用性。

本发明钢中的铝含量最多为约3％，优选最多约1％，更优选最多约0.5％。铝的添加目的是提高体积电阻率，稳定铁素体相和提高硬度，以改善钢带成品的冲制性能。但是，由于铝会加速炼钢耐火材料的劣化，因此，必须仔细考虑铝的大量添加的适用性。此外，需要仔细考虑加工条件，以防止在热轧期间析出细小的氮化铝。最后，大量添加铝可能导致形成附着力更强的氧化皮，结果使得钢带的除鳞更困难和昂贵。

硫和硒是本发明的钢中不希望存在的元素，原因是这些元素会与其他元素结合，形成加工期间可能会抑止晶粒长大的析出物。硫是钢熔炼中常见的残留元素。当本发明的钢中存在硫和/或硒时，它们的含量可为最多约0.01％。优选硫的含量最多约0.005％，硒含量最多约0.007％。

氮是本发明的钢中不希望存在的元素，原因是氮会与其他元素结合，形成加工期间可能会抑止晶粒长大的析出物。氮是钢熔炼中常见的残留元素，而且，当本发明的钢中存在氮时，其含量最多可以约为0.01％，优选最多约0.005％，更优选最多约0.002％。

碳是本发明的钢中不希望存在的元素。碳促进奥氏体的形成，而且，当其含量高于约0.003％时，所述钢必须进行脱碳退火处理，以充分降低碳含量，防止因碳化物析出导致最终退火态钢发生“磁退化”。碳是钢熔炼中常见的残留元素，而且，当本发明的钢中存在碳时，其含量可为最多约0.05％，优选最多约0.01％，更优选最多约0.005％。如果熔体中的碳含量高于约0.003％，则非取向电工钢必须进行脱碳退火，以使碳含量低于约0.003％，优选低于约0.0025％，这样，最终的退火钢带将不会发生磁退化。

本发明的方法指出了在本发明的钢生产方法，特别是用于制造高质量的非取向电工钢带的紧凑(compact)钢带制备方法即薄板坯铸造中出现的实际问题。

在薄板坯铸造的特定情形中，铸机与板坯加热操作(或者称作温度均衡化)紧密相连，进而，板坯加热操作又与热轧操作紧密相连。这种紧凑的轧机设计可能会限制板坯加热温度以及热轧可采用的压下量。这些限制会使得完全铁素体的非取向电工钢的生产变得困难，因为不完全再结晶经常导致最终产品中存在皱纹状变形。

在厚板坯铸造的特定情形中，以及在薄板坯铸造的某些情形中，有时采用高的板坯重新加热温度，以确保钢处在用于进行粗热轧的充分高的温度下，在粗热轧期间，通过厚度减薄将板坯轧成过渡板材，之后，进行最终热轧，在最终热轧期间，过渡板材被轧成热轧钢带。必须采用板坯加热，以保持板坯处于其显微组织由铁素体与奥氏体的混合相构成的温度，防止在轧制之前板坯晶粒发生异常长大。在本发明方法的实践中，板坯的重新加热温度应不高于方程III中的T_max。

对所述轧制的钢带进一步进行最终退火处理，在退火处理中，获得所要求的磁性能，并且，如果必要，充分降低碳含量，以防止发生磁退化。最终退火典型的是退火时在可控气氛，例如氢气和氮气的混合气体中进行。本领域中有几种已知方法，包括分批或箱式退火、连续带式退火和感应退火。如果采用分批退火，则其实施的典型工艺是：退火温度等于或高于约1450°F(约790℃)但低于约1550°F(约843℃)，时间大约1小时，如ASTM规范726-00，A683-98a和A683-99中所述。如果采用连续带式退火，则其实施的典型工艺是：退火温度为或高于约1450°F(约790℃)但低于约1950°F(约1065℃)，时间低于10分钟。如果采用感应退火，则其实施的典型工艺是：退火温度高于约1500°F(约815℃)，时间低于约5分钟。

本发明提供具有适合商业应用的磁性能的非取向电工钢，其中，将钢熔体铸造成起始板坯，然后进行热轧、冷轧或者二者均有，之后，最 终退火处理，以产生要求的磁性能。

本发明的一个实施方案中的含硅和铬的非取向电工钢具有优势，因为在加工期间能够获得改善的机械性能，其韧性更优，而且，钢带断裂抗力更高。

在一个实施方案中，本发明提供制备非取向电工钢的方法，所述钢具有最大铁损约4W/磅(约8.8W/kg)、最小磁导率约1500G/Oe(测定条件：1.5T，60Hz)的磁性能。

在另一个实施方案中，本发明提供制备非取向电工钢的方法，所述钢具有最大铁损约2W/磅(约4.4W/kg)、最小磁导率约2000G/Oe(测定条件：1.5T，60Hz)的磁性能。

在本发明的任选实践中，热轧钢带可以进行退火处理，之后，进行冷轧和/或最终退火处理。

由原始组织为完全铁素体的连铸板坯制备非取向电工钢的方法已为本领域的专业人员所公知。也已知道在热轧期间使铸态晶粒结构完全再结晶很困难。这会使热轧钢带中产生不均匀晶粒结构，可能导致在冷轧期间出现称作“皱纹状变形“的缺陷。皱纹状变形是不均匀变形的结果，它会导致对于最终应用而言不可接受的物理特性。方程II说明了组成对形成奥氏体相的影响，在本发明方法的实践中，可以用来确定钢带热轧(如使用)和/或退火(如使用)的限制温度。

在本发明的一个实施方案中，本申请人已确定：对钢带进行热轧、退火、任选进行冷轧，并且进行最终退火处理，以使非取向电工钢具有优异的磁性能。在本发明的另一个实施方案中，本申请人进一步确定：对钢带进行热轧、冷轧和最终退火处理，以使非取向电工钢具有优异的磁性能，而不需要在热轧之后进行退火。在本发明的第三个实施方案中，本申请人还确定：对钢带进行热轧、退火、冷轧和最终退火处理，以使非取向电工钢具有优异的磁性能。

在本申请人开展的研究中，采用特定热轧条件，以促进再结晶，从而抑止“皱纹状变形”缺陷的出现。在本发明的优选实践中，对热轧变形条件进行了模型化，以确定当热轧提供的应变能足于使钢带发生广 泛再结晶时的热变形条件。该模型在方程IV-X中概括示出，它代表的是本发明方法的又一个实施方案，本领域的专业人员对此应该很容易理解。

轧制提供的应变能可以采用下式计算：

$\left(\mathrm{VI}\right)W={\mathrm{\&theta;}}_c\ln \left(\frac{1}{1-R}\right)$

式中，W是轧制消耗的功，θ_c是钢的条件屈服强度，R是以小数表示的轧制压下量，即：热轧钢带的最终厚度(t_f，单位：mm)除以所述钢带的初始厚度(t_i，单位：mm)。热轧真应变可以进一步计算为：

(VII)ε＝K₁W

其中，ε是真应变，K₁是常数。将方程VI代入方程VII，真应变可以计算为：

$\left(\mathrm{VIII}\right)\mathrm{\&epsiv;}=K_1{\mathrm{\&theta;}}_c\ln \left(\frac{t_i}{t_f}\right)$

条件屈服强度θ_c与热轧时铸造钢带的屈服强度有关。热轧时，出现动态回复，因此，可以认为在本发明的方法中热轧期间不会出现应变硬化。但是，屈服强度与温度和应变率密切相关，因此，申请人引入一个基于Zener-Holloman关系的解决方法，从而屈服强度根据变形温度和变形率(也称作应变率)进行计算，如下式所示：

$\left(\mathrm{IX}\right){\mathrm{\&theta;}}_T=4.019{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}^{0.15}\exp \left(\frac{7616}{T}\right)$

其中，θ_T是钢轧制期间的温度和应变率补偿的屈服强度，

是轧制应变率，T是轧制时钢的温度(单位：°K)。对于本发明而言，θ_T代替方程VIII中的θ_c，得到下式：

$\left(X\right)\mathrm{\&epsiv;}=K_2{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}^{0.15}\exp \left(\frac{7616}{T}\right)\ln \left(\frac{t_i}{t_f}\right)$

其中，K₂为常数。

方程XI中示出了一种计算热轧中的平均应变率的简化方法：

$\left(\mathrm{XI}\right),{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_m=K_3\frac{2\mathrm{\&pi;Dn}}{\sqrt{{\mathrm{Dt}}_i}}\sqrt{\frac{t_i-t_f}{t_i}}[1+\frac{1}{4}\left(\frac{t_i-t_f}{t_i}\right)]$

其中，D是工作辊的直径(单位：mm)，n是辊旋转速度(单位：转/秒)，K₃为常数。通过用方程XI中的

替换方程X中的并且令常数K₁，K₂和K₃均为1，可以将上述表达式重新整理和简化，这时，可以计算出名义热轧应变ε_名义，如方程XII所示：

在本发明的实施方案中，将铸造板坯加热至不高于方程III中的T_max温度下，以避免晶粒异常长大。对铸造并重新加热的板坯进行一个或多个道次的热轧，使厚度压下量大于至少约15％，优选大于约20％但小于约70％，更优选大于约30％但小于约65％。规定热轧条件，包括温度、压下量和压下速率，以便通过至少一个道次，优选至少两个道次，更优选至少三个道次，使应变、方程V中的ε名义大于1000，优选大于2000，更优选大于5000，以便为铸态晶粒结构提供最佳的再结晶条件，之后，再对钢带进行冷轧或最终退火。

在本发明的实践中，热轧钢带的退火可以借助自退火进行，自退火中热轧钢带由其中保留的热量进行退火。自退火可以通过在高于约1300°F(约705℃)的温度下卷曲热轧钢带获得。热轧钢带的退火也可以使用本领域公知的分批型卷曲退火或者连续型钢带退火方法进行，但是，退火温度不许超过方程IV中的T_min。采用分批型卷曲退火时，将热轧钢带加热至高温，典型地高于约1300°F(约705℃)，时间大于约10分钟，优选高于约1400°F(约760℃)。采用带式连续退火时，将热轧钢带加热至典型地高于约1450°F(约790℃)的温度，时间低于约10分钟。

可以任选对本发明的热轧钢带或者热轧并热轧带退火的钢带进行除鳞处理，以便在冷轧或最终退火之前除去非取向电工钢带上形成的所有氧化物或鳞片层。“酸洗”是最普通的除鳞方法，该方法中，使用一种或多种无机酸的水溶液对钢带金属表面进行化学清洗。其他方法如苛性碱清洗、电化学清洗和机械清洗都是清洗钢表面的成熟方法。

最终退火之后，可以在本发明的钢上进一步涂覆绝缘涂层例如在ASTM规范A677和A976-97中指定用于非取向电工钢的涂层。

[0115] 实施例

实施例1

熔炼出具有表I所示组成的A和B两炉次钢，将其铸造成厚度2.5英寸(64mm)的板坯。表I表明根据方程II计算的炉次A和B的γ1150℃分别约为21％和1％。切制出该两个炉次的板坯试样，并且在实验室中加热至约1922-2372°F(1050-1300℃)的温度下，之后，采用单个道次、约10-40％的压下量进行热轧。热轧使用直径9.5英寸(51mm)、辊速32RPM的工作辊采用单个轧制道次进行。热轧之后，冷却试样并进行酸腐蚀，以确定再结晶的量。

图2和3分别示出了炉次A和B的结果。由图2可看出，组成与炉次A相当的钢在最高约2372°F(1300℃)的板坯加热温度下存在足够的奥氏体来防止发生晶粒异常长大，而且，采用对于热压下步骤充分的条件，将会使铸态结构发生极好的再结晶。由图3可看出，组成与炉次B相当的钢中奥氏体量较少，必须在约束条件下进行处理，所述约束包括容许的板坯加热温度(对于炉次B这一具体情况而言，温度约2192°F(1200℃)或更低)，以避免热轧之前板坯晶粒异常长大。此外，只有在窄的多得热轧温度范围内采用高的多的热压下量时，才能使铸态结构发生期望量的再结晶。图3显示晶粒异常长大和热轧不充分均会导致大面积未再结晶晶粒，这些晶粒可能在钢带成品中形成皱纹状变形缺陷。

实施例2

根据本发明的教导开发出表I中的炉次C，D和E的组成，它们采用Si-Cr组成，得到的γ1150℃值约20％或更大，根据方程I计算的体积电阻率从约35μΩ-cm(本领域中硅钢的典型值)到约50μΩ-cm(本领域高硅钢的典型值)。表I也示出了炉次F，其代表现有技术中完全铁素体非取向电工钢。表I示出了板坯加热的最大容许温度和本发明的这些钢的最佳热轧温度。将表I结果在图4中示出。示出了炉次C，D和E的奥氏体相区。图4还表明炉次F经计算显示不存在奥氏体/铁素体相区。如表I所述，采用本发明的方法可以制备出一种非取向电工钢，该钢具有现有技术的中硅-高硅钢的典型体积电阻率，同时还存在充分量的奥氏体，从而确保在使用宽范围的板坯加热温度和热轧条件的热轧期间，发生强烈、完全的再结晶。此外，本领域的专业人员可以使用本发明所述的方法发展能够最大程度地与具体制造要求、操作能力或设备限制相协调的合金组成。

Claims (8)

1.一种制备体积电阻率至少20μΩ-cm、峰值奥氏体分数γ_1150℃至少5wt％的非取向电工钢的方法，包括如下步骤：

a)制备非取向电工钢熔体，其组成以重量％计包含：

最多6.5％硅

最多5％铬

最多0.05％碳

最多3％铝

最多3％锰，以及

余者基本是铁和残留物；

b)从所述钢熔体铸造出厚度20-375mm的钢板坯；

c)将所述钢板坯加热至低于T_max但高于T_min的温度，所述温度由下式确定：

T_min，℃＝921-5998(％C)-106(％Mn)+135(％P)+78.5(％Si)+107(％Al)-11.9(％Cr)+896(％N)+8.33(％Cu)-146(％Ni)+173(％Mo)

T_max，＝1479+3480(％C)+158(％Mn)-347(％P)-121(％Si)-275(％Al)+1.42(％Cr)-195(％N)+44.7(％Cu)+140(％Ni)-132(％Mo)

d)将所述板坯热轧成厚度0.35-1.5mm的热轧钢带，其中所述热轧提供至少700的名义应变ε_名义，该名义应变采用下述方程确定：

其中n是以每秒钟转数计的辊旋转速度，t_i是轧制前钢带的初始厚度，t_f是轧制后钢带的最终厚度，D是以mm计的工作辊直径，而T是以°K计的轧制时钢的温度；和

e)在低于T的温度下最终退火所述钢带，所述温度T由下式确定：

T，℃＝759-4430(％C)-194(％Mn)+445(％P)+181(％Si)+378(％Al)-29.0(％Cr)-48.8(％N)-68.1(％Cu)-235(％Ni)+116(％Mo)；

其中γ_1150℃由下式确定：

γ_1150℃＝64.8-23(％Si)-61(％Al)+9.9(％Mn+％Ni)+5.1(％Cu+％Cr)-14(％P)+694(％C)+347(％N)；

其中％S i、％Al、％Mn、％P、％Cr、％Ni、％Cu、％C和％N分别是钢中硅、铝、锰、磷、铬、镍、铜、碳和氮的重量百分数。

2.根据权利要求1的方法，其中所述非取向电工钢熔体含有：1-3.5％硅、0.1-3％铬、最多0.01％碳、最多1％铝、0.1-1％锰、最多0.01％的选自于由硫、硒及硫和硒的混合物组成的组中的材料、最多0.01％氮，余者基本是铁和残留物。

3.根据权利要求1的方法，其中所述非取向电工钢熔体含有：1.5-3％硅、0.15-2％铬、最多0.005％碳、最多0.5％铝、0.1-0.35％锰、最多0.005％硫、最多0.007％硒、最多0.002％氮，余者基本是铁和残留物。

4.根据权利要求1的方法，其中所述非取向电工钢熔体还含有最多0.15％锑、最多0.005％铌、最多0.25％磷、最多0.15％锡、最多0.01％硫和/或硒，以及最多0.01％钒。

5.一种制备体积电阻率至少20μΩ-cm、峰值奥氏体分数γ_1150℃至少5wt％的非取向电工钢的方法，包括如下步骤：

a)制备非取向电工钢熔体，其组成以重量％计包含：

最多6.5％硅

最多5％铬

最多0.05％碳

最多3％铝

最多3％锰，以及

余者基本是铁和残留物；

b)从所述钢熔体铸造出厚度20-375mm的钢板坯；

c)将所述钢板坯加热至低于T_max但高于T_min的温度，所述温度由下式确定：

T_min，℃＝759-4430(％C)-194(％Mn)+445(％P)+181(％Si)+378(％Al)-29.0(％Cr)-48.8(％N)-68.1(％Cu)-235(％Ni)+116(％Mo)

T_max，℃＝1633+3970(％C)+236(％Mn)-685(％P)-207(％Si)-455(％Al)+9.64(％Cr)-706(％N)+55.8(％Cu)+247(％Ni)-156(％Mo)

d)将所述板坯热轧成厚度0.35-1.5mm的热轧钢带，其中所述热轧提供至少700的名义应变ε_名义，该名义应变采用下述方程确定：

其中n是以每秒钟转数计的辊旋转速度，t_i是轧制前钢带的初始厚度，t_f是轧制后钢带的最终厚度，D是以mm计的工作辊直径，而T是以°K计的轧制时钢的温度；和

e)在低于T_min的温度下最终退火所述钢带，所述温度T_min由下式确定：

T_min，℃＝759-4430(％C)-194(％Mn)+445(％P)+181(％Si)+378(％Al)-29.0(％Cr)-48.8(％N)-68.1(％Cu)-235(％Ni)+116(％Mo)，

其中γ_1150℃由下式确定：

γ_1150℃＝64.8-23(％Si)-61(％Al)+9.9(％Mn+％Ni)+5.1(％Cu+％Cr)-14(％P)+694(％C)+347(％N)；

其中％Si、％Al、％Mn、％P、％Cr、％Ni、％Cu、％C和％N分别是钢中硅、铝、锰、磷、铬、镍、铜、碳和氮的重量百分数。

6.根据权利要求5的方法，其中所述非取向电工钢熔体含有：1-3.5％硅、0.1-3％铬、最多0.01％碳、最多1％铝、0.1-1％锰、最多0.01％的选自于由硫、硒及硫和硒的混合物组成的组中的材料、最多0.01％氮，余者基本是铁和残留物。

7.根据权利要求5的方法，其中，所述非取向电工钢熔体含有：1.5-3％硅、0.15-2％铬、最多0.005％碳、最多0.5％铝、0.1-0.35％锰、最多0.005％硫、最多0.007％硒、最多0.002％氮，余者基本是铁和残留物。

8.根据权利要求5的方法，其中，所述非取向电工钢熔体还含有最多0.15％锑、最多0.005％铌、最多0.25％磷、最多0.15％锡、最多0.01％硫和/或硒以及最多0.01％钒。

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