TWI410504B - 無方向性電磁鋼片及其製造方法 - Google Patents

Description

無方向性電磁鋼片及其製造方法

本發明是有關於一種無方向性電磁鋼片及其製造方法，且特別是有關於一種具有低鐵損值與高磁通密度的無方向性電磁鋼片及其製造方法。

近年來，因應節約能源的發展趨勢，因此電機產品亦朝高效率與小型化發展。而在電機特性方面，電機產品則有朝著變頻與高頻化發展的趨勢。為了滿足電機產品各種性能的要求，因此，關鍵鐵心材料的選擇顯得格外重要。

一般來說，在習知之鐵心材料(亦即一般市場上稱為電磁鋼片的材料)中，往往無法同時兼顧低鐵損值與高磁通密度之特性。然而，欲使得電機產品(例如：高效率馬達、變頻馬達、電動車驅動馬達、伺服馬達、高速主軸馬達以及高效率變壓器)滿足所需之性能要求，則電機產品所採用之鐵心材料一般需同時具備低鐵損值與高磁通密度的特性。

以上所述之鐵損值係定義為：將電磁鋼片置放在特定頻率的交流磁場下，磁化至特定的磁通密度時，每單位重量之電磁鋼片所損失的能量，稱為鐵損值。至於磁通密度，其係定義為：將電磁鋼片置放在特定頻率之磁場強度下，單位面積所通過的磁通量，稱為磁通密度，其係用以表示電磁鋼片被磁化的難易度。

在鐵損值與磁通密度的量測上，常用之標準有日本工業標準(JIS) C2552規範。在C2552規範中，針對鐵損值之量測，又可區分為低頻鐵損值(規範名稱為W15/50)以及高頻鐵損值(規範名稱為W10/400)的量測，而針對磁通密度之量測，其規範名稱則為B50。以上所述之W15/50係定義為：以頻率為50赫茲(Hertz；Hz)之交流磁場，將該電磁鋼片磁化到1.5特斯拉(Tesla)的磁通密度，每公斤之電磁鋼片所損失的瓦特數，其單位為瓦特/公斤(Watt/Kg)。而W10/400則定義為：以頻率為400 Hz之交流磁場，將電磁鋼片磁化到1.0特斯拉的磁通密度，每公斤之該電磁鋼片所損失的瓦特數。至於B50則定義為：對電磁鋼片施以頻率為50 Hz，且磁場強度為5000安培/公尺(A/m)之外加磁場，此時測得之電磁鋼片的磁通密度，其單位為特斯拉。

在習知無方向性電磁鋼片之製程技術中，主要係透過降低無方向性電磁鋼片之厚度以及提高無方向性電磁鋼片中之合金添加量，來達到降低鐵損值的目的。然而，過高的合金添加量將導致磁通密度下降，同時亦將使得無方向性電磁鋼片變得既硬又脆，使得於室溫下之軋延變得更加困難，特別是冷軋時容易發生脆斷現象，故不利於大量生產。

此外，若降低合金添加量，雖可獲得較高之磁通密度，且較易軋延生產，但相對的，產出之無方向性電磁鋼片之鐵損值容易偏高。

因此，本發明之目的係在提供一種無方向性電磁鋼片及其製造方法，藉由控制添加於無方向性電磁鋼片之合金種類與含量，以及無方向性電磁鋼片之晶粒尺寸，可同時兼顧無方向性電磁鋼片之低鐵損值與高磁通密度之特性，且於冷軋時較不容易發生脆斷現象。

根據本發明之一實施例，提供一種無方向性電磁鋼片。無方向性電磁鋼片包含以下以重量百分比(wt%)計之多個成分，其中此些成分為：0.005 wt%以下之C、2.0~3.0 wt%之Si、0.1~1.0 wt%之Al、0.1~1.0 wt%之Mn、0.005~0.1 wt%之Sb、0.005~0.02 wt%之P、0.005 wt%以下之S、0.005 wt%以下之N、以及殘部，其中殘部係由Fe以及不可避免之不純物所組成。而上述無方向性電磁鋼片之晶粒尺寸為60微米(μm)至100μm，且上述Si、Al以及Mn之重量百分比滿足以下之不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%。

根據本創作之又一實施例，當上述無方向性電磁鋼片之厚度為0.20毫米(mm)至0.25 mm時，以W15/50規範量測無方向性電磁鋼片，其鐵損值小於或等於2.4瓦特/公斤。而以W10/400規範量測無方向性電磁鋼片，其鐵損值小於或等於14瓦特/公斤。至於磁通密度的量測，以上述之B50規範量測無方向性電磁鋼片，其磁通密度大於或等於1.69特斯拉。

此外，根據本創作之再一實施例，提供一種製造無方向性電磁鋼片的方法。此方法包含製備一鋼胚，其中鋼胚包含以下以重量百分比計之多個成分，此些成分為：0.005 wt%以下之C、2.0~3.0 wt%之Si、0.1~1.0 wt%之Al、0.1~1.0 wt%之Mn、0.005~0.1 wt%之Sb、0.005~0.02 wt%之P、0.005 wt%以下之S、0.005 wt%以下之N以及殘部，其中殘部係由Fe以及不可避免之不純物所組成，且上述Si、Al以及Mn之重量百分比滿足以下之不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%。接著使用一第一預設溫度對上述鋼胚持續加熱第一預設時間，其中第一預設溫度為1200℃至1250℃，且第一預設時間為2小時至4小時。隨後熱軋上述鋼胚，藉以獲得熱軋板，其中熱軋板厚度為1.5毫米至2.5毫米。在上述熱軋步驟之後，使用一第二預設溫度上述熱軋板持續退火一第二預設時間，其中第二預設溫度為700℃至850℃，第二預設時間為2小時至30小時。然後於常溫下冷軋上述熱軋板，藉以獲得冷軋板，其中冷軋板厚度為0.2毫米至0.25毫米。最後使用一第三預設溫度對冷軋板持續退火一第三預設時間，藉以獲得無方向性電磁鋼片，其中第三預設溫度為900℃至1100℃，第三預設時間為30秒至10分鐘。

本發明之優點為，透過無方向性電磁鋼片中合金添加量的最適化控制，並搭配無方向性電磁鋼片之厚度的薄化來達到磁性要求，故可降低添加合金之成本支出。此外，本發明所獲得之無方向性電磁鋼片之延脆轉換溫度(Ductile-Brittle Transition Temperature；DBTT)可維持在40℃以下，使得無方向性電磁鋼片在生產製造過程中，不需額外加熱，即可在常溫下進行冷軋，故可降低上述冷軋時所發生之脆斷現象，近而降低公共安全意外的發生，且可降低生產成本。再者，由於無方向性電磁鋼片成品晶粒尺寸偏小，故最終退火之溫度可以下降，再次減少高溫退火的生產成本。

根據本發明之一實施例，為了使無方向性電磁鋼片之產品同時兼具低鐵損值與高磁通密度之特性，以期能夠應用眾多之電機產品上，無方向性電磁鋼片必須具備如以下表一所列示之成分，其中各成分係以重量百分比(wt%)做計算。此外，無方向性電磁鋼片亦允許存在不可避免之不純物。

在本實施例之無方向性電磁鋼片中，C、Si、Al、Mn、Sb、P、S以及N之含量係如以上表一所示，除了以上八種元素之外，無方向性電磁鋼片中其他部份(殘部)則為Fe與不可避免之不純物。

此外，為滿足以上所述同時兼具低鐵損值與高磁通密度之特性，在本實施例之無方向性電磁鋼片中，Si、Al以及Mn之重量百分比更必須滿足不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%，且無方向性電磁鋼片之晶粒尺寸需為60μm至100μm。

根據電磁鋼片的特性，可將電磁鋼片大致可以區分為方向性和無方向性兩大類。若電磁鋼片為方向性電磁鋼片，則特定方向上具有非常優異的磁性，但在其他方向的磁性則並不突出，因此方向性電磁鋼片較適合應用於靜止之電磁機械。若電磁鋼片為無方向性電磁鋼片，則其在各個方向的磁性差異不大，但其磁性卻小於方向性電磁鋼片的磁性，因此無方向性電磁鋼片較適合應用於迴轉電磁機械。

根據以上所述，故本發明之無方向性電磁鋼片可應用在高效率馬達、變頻馬達、電動車驅動馬達、伺服馬達、高速主軸馬達以及高效率變壓器等產品上無方向性。

在特定之實施例中，當表一所示之無方向性電磁鋼片被軋延成厚度為0.20 mm至0.25 mm之電磁鋼片時，若以頻率為50 Hz之交流磁場，將無方向性電磁鋼片磁化到1.5特斯拉的磁通密度(亦即以上所述之W15/50規範)，則每公斤之無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數小於或等於2.4瓦特/公斤。若以高頻率(400 Hz)之交流磁場，將本實施例之無方向性電磁鋼片磁化到1.0特斯拉的磁通密度(亦即以上所述之W10/400規範)，則每公斤之無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數小於或等於14瓦特/公斤。此外，若針對無方向性電磁鋼片施以頻率為50 Hz，且磁場強度為5000 A/m之外加磁場(亦即以上所述之B50規範)，則無方向性電磁鋼片的磁通密度將大於或等於1.69特斯拉。此外，以衝擊試驗分析此無方向性電磁鋼片，其DBTT可維持在40℃以下。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明之一實施例之製造無方向性電磁鋼片之方法的流程圖。製造無方向性電磁鋼片之方法100開始於步驟102，以製備一鋼胚，其中此鋼胚包含以上表一所列示之元素，且各元素之含量亦如表一所示，且Si、Al以及Mn之含量亦符合如上所示之不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%。接著使用介於1200℃至1250℃之第一預設溫度對上述之鋼胚持續加熱一第一預設時間(步驟104)，其中第一預設時間為2小時至4小時。在步驟104之後，熱軋上述鋼胚(步驟106)，藉以獲得厚度為1.5 mm至2.5 mm的熱軋板。緊接著使用介於700℃至850℃之第二預設溫度對上述之熱軋板持續退火一第二預設時間(步驟108)，其中第二預設時間為2小時至30小時。在步驟108之後，於常溫下冷軋上述之熱軋板(步驟110)，藉以獲得厚度為0.2 mm至0.25 mm的冷軋板。最後使用介於900℃至1100℃之第三預設溫度對上述之冷軋板持續退火一第三預設時間(步驟112)，藉以獲得最終之無方向性電磁鋼片，其中第三預設時間為30秒至10分鐘。

根據以上製造無方向性電磁鋼片之方法100所獲得之無方向性電磁鋼片，以上述W15/50規範測試之，則每公斤之無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數小於或等於2.4瓦特/公斤。若以W10/400規範測試之，則每公斤之無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數小於或等於14瓦特/公斤。此外，若以B50規範測試之，則無方向性電磁鋼片的磁通密度大於或等於1.69特斯拉。

在本實施例中，以衝擊試驗分析利用上述製造無方向性電磁鋼片之方法100所獲得之無方向性電磁鋼片，其DBTT可維持在40℃以下，且其晶粒尺寸可控制在60μm至100μm之間。

此外，在特定之實施例中，製造無方向性電磁鋼片之方法100更包含於上述步驟106之後，進行上述步驟108之前，酸洗上述之熱軋板(步驟107)。

在特定之實施例中，本實施例之無方向性電磁鋼片可應用在高效率馬達、變頻馬達、電動車驅動馬達、伺服馬達、高速主軸馬達以及高效率變壓器等產品上。

以下則以實際之實施例與比較例更具體地說明本發明，惟本發明的範圍不受此些實施例之限制。

製備無方向性電磁鋼片

實施例一

首先，進行鋼材組成成分之調配，使得鋼材中C、S以及N所佔之重量百分比均為0.004 wt%，P所佔之重量百分比為0.020 wt%，而Si所佔之重量百分比為2.4 wt%，Al所佔之重量百分比為0.7 wt%，Mn所佔之重量百分比為0.1 wt%，Sb所佔之重量百分比為0.08 wt%，其餘則為Fe以及雜質元素。此外，Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%等於4.1 wt%。上述鋼材經造塊或連鑄之製程後產出鋼胚。隨後將此鋼胚置放在1220℃爐中加熱2小時，將此鋼胚熱軋成厚度2.4 mm的熱軋板。接著對熱軋板進行酸洗，再將此熱軋板置放在800℃爐中加熱退火30小時。將熱軋退火後之熱軋板進行衝擊試驗，分析得到其DBTT為25℃。隨後在常溫下將上述經熱軋退火之熱軋板冷軋成厚度0.25 mm之冷軋板。然後將此冷軋板置放在980℃爐中加熱90秒，以獲得最終之無方向性電磁鋼片。

實施例二

以上述實施例一中之步驟與製程條件製備實施例二之無方向性電磁鋼片，其中之差異在於，Si、Al、Mn以及Sb所佔之重量百分比分別為2.5 wt%、0.45 wt%、0.3 wt%以及0.07 wt%，而Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%等於4.3 wt%，且DBTT為35℃。此外，在以上所述之實施例一及二中，最終之無方向性電磁鋼片經檢測後發現，其晶粒尺寸約為80μm。

比較實施例一至四

同樣以上述實施例一中之步驟與製程條件製備比較實施例一至四之無方向性電磁鋼片，其中之差異在於，Si、Al、Mn以及Sb所佔之重量百分比，以及Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%之值，而DBTT亦隨上述之差異而有所不同，詳細請參照以下表二。

上述二實施例以及四個比較實施例係列示於以下表二中。

在表二中，「不等式」之欄位係用以表示每個實施例或比較實施例之Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%的計算值。

根據以上表二所示之內容可知，在比較實施例一至四中，雖然Si、Al、Mn以及Sb之含量均落在表一所示之範圍內。然而比較實施例一至四之Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%計算值並未符合以上所述不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%。在比較實施例一至三之中，由於其Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%之計算值係高於4.4 wt%，經衝擊試驗後發現其DBTT均遠超過40℃，故使得比較實施例一至三之無方向性電磁鋼片在室溫冷軋時產生脆斷。至於比較實施例四，由於其Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%之計算值係低於4.0 wt%，經衝擊試驗後發現其DBTT為遠低於40℃之15℃，故在室溫冷軋時並未產生脆斷現象。此外，在B50規範之測試中，比較實施例四之測試值為1.72特斯拉，亦較實施例一及二為佳。然而，在W15/50以及W10/400規範之測試中，比較實施例四所獲得之數值分別為2.55 Watt/Kg以及17.0 Watt/Kg，均高於實施例一及二之測試值，且均超出W15/50與W10/400規範之標準值(2.4 Watt/Kg與14 Watt/Kg)。

綜合以上所述可知，透過控制無方向性電磁鋼片中合金添加量、晶粒尺寸以及無方向性電磁鋼片之厚度，可使得最終之無方向性電磁鋼片同時符合上述W15/50、W10/400與B50規範之標準。此外，透過本發明之製造無方向性電磁鋼片之方法所獲得之無方向性電磁鋼片，亦可同時符合上述W15/50、W10/400與B50規範之要求。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．製造無方向性電磁鋼片之方法

102．．．製備一鋼胚

104．．．使用第一預設溫度對鋼胚持續加熱第一預設時間

106．．．熱軋鋼胚，以獲得厚度為1.5至2.5 mm的熱軋板

107．．．酸洗熱軋板

108．．．使用第二預設溫度對熱軋板持續退火第二預設時間

110．．．於常溫下冷軋熱軋板，以獲得厚度為0.2至0.25 mm的冷軋板

112．．．使用第三預設溫度對冷軋板持續退火第三預設時間，以獲得最終之無方向性電磁鋼片

為了能夠對本發明之觀點有較佳之理解，請參照上述之詳細說明並配合相應之圖式。要強調的是，根據工業之標準常規，附圖中之各種特徵並未依比例繪示。事實上，為清楚說明上述實施例，可任意地放大或縮小各種特徵之尺寸。相關圖式內容說明如下。

第1圖係繪示根據本發明之一實施例之製造無方向性電磁鋼片之方法的流程圖。

100．．．製造無方向性電磁鋼片之方法

102．．．製備一鋼胚

104．．．使用第一預設溫度對鋼胚持續加熱第一預設時間

106．．．熱軋鋼胚，以獲得厚度為1.5至2.5 mm的熱軋板

107．．．酸洗熱軋板

108．．．使用第二預設溫度對熱軋板持續退火第二預設時間

110．．．於常溫下冷軋熱軋板，以獲得厚度為0.2至0.25 mm的冷軋板

112．．．使用第三預設溫度對冷軋板持續退火第三預設時間，以獲得最終之無方向性電磁鋼片

Claims (5)

1. 一種無方向性電磁鋼片，包含以下以重量百分比(wt%)計之複數個成分，其中該些成分為：0.005 wt%以下之C、2.0~3.0 wt%之Si、0.1~1.0 wt%之Al、0.1~1.0 wt%之Mn、0.005~0.1 wt%之Sb、0.005~0.02 wt%之P、0.005 wt%以下之S、0.005 wt%以下之N以及一殘部，其中該殘部係由Fe以及不可避免之不純物所組成；其中該無方向性電磁鋼片之晶粒尺寸為60微米至100微米，且該Si、該Al以及該Mn之重量百分比滿足以下之不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%，其中以頻率為400赫茲之交流磁場，將該無方向性電磁鋼片磁化到1.0特斯拉的磁通密度，每公斤之該無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數係13.1至13.5瓦特/公斤，且該無方向性電磁鋼片之延脆轉換溫度係25℃至40℃。
2. 如請求項1所述之無方向性電磁鋼片，其中當該無方向性電磁鋼片之厚度為0.20毫米至0.25毫米時，以頻率為50赫茲之交流磁場，將該無方向性電磁鋼片磁化到1.5特斯拉的磁通密度，每公斤之該無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數小於或等於2.4瓦特/公斤；其中針對該無方向性電磁鋼片施以頻率為50赫茲，且磁場強度為5000安培/公尺之外加磁場，該無方向性電磁鋼片的磁通密度大於或等於1.69特斯拉。
3. 一種製造無方向性電磁鋼片的方法，包含：製備一鋼胚，其中該鋼胚包含以下以重量百分比計之複數個成分，該些成分為：0.005 wt%以下之C、2.0~3.0 wt%之Si、0.1~1.0 wt%之Al、0.1~1.0 wt%之Mn、0.005~0.1 wt%之Sb、0.005~0.02 wt%之P、0.005 wt%以下之S、0.005 wt%以下之N以及一殘部，其中該殘部係由Fe以及不可避免之不純物所組成，且該Si、該Al以及該Mn之重量百分比滿足以下之不等式4.0 wt%<(Si wt%+2Al wt%+3Mn wt%)<4.4 wt%；使用一第一預設溫度對該鋼胚持續加熱一第一預設時間，其中該第一預設溫度為1200℃至1250℃，該第一預設時間為2小時至4小時；熱軋該鋼胚，藉以獲得一熱軋板，其中該熱軋板厚度為1.5毫米至2.5毫米；使用一第二預設溫度對該熱軋板持續退火一第二預設時間，其中該第二預設溫度為700℃至850℃，該第二預設時間為2小時至30小時；於常溫下冷軋該熱軋板，藉以獲得一冷軋板，其中該冷軋板厚度為0.2毫米至0.25毫米；以及使用一第三預設溫度對該冷軋板持續退火一第三預設時間，藉以獲得一無方向性電磁鋼片，其中該第三預設溫度為900℃至1100℃，該第三預設時間為30秒至10分鐘，其中以頻率為400赫茲之交流磁場，將該無方向性電磁鋼片磁化到1.0特斯拉的磁通密度，每公斤之該無方向性電磁鋼片所損失的瓦特數係13.1至13.5瓦特/公斤，且 該無方向性電磁鋼片之延脆轉換溫度係25℃至40℃。
4. 如請求項3所述之製造無方向性電磁鋼片的方法，其中更包含：於熱軋該鋼胚之步驟之後，使用該第二預設溫度對該熱軋板持續退火該第二預設時間之前，酸洗該熱軋板。
5. 如請求項3所述之製造無方向性電磁鋼片的方法，其中該第三預設溫度為900℃至980℃。