TWI740474B

TWI740474B - 非方向性電磁鋼片及其製造方法

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Publication number: TWI740474B
Application number: TW109114220A
Authority: TW
Inventors: 陳伯宇; 蕭一清; 蔡明欽; 李欣怡; 許琳
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-09-21
Also published as: TW202140814A

Abstract

一種非方向性電磁鋼片及其製造方法。在此方法中，提供鋼胚。鋼胚包含小於或等於0.005wt%的碳、2wt%至4wt%的矽、小於或等於2wt%的鋁、0.1wt%至1.0wt%的錳、小於或等於0.05wt%的磷、小於或等於0.005wt%的硫、小於或等於0.005wt%的氮、小於或等於0.003wt%的鈦、0.05wt%至0.95wt%的鎳、不可避免之雜質、及平衡量的鐵。矽與鋁的總含量小於或等於5wt%。對鋼胚進行熱軋製程，以形成熱軋鋼板。對熱軋鋼板進行熱軋退火處理。熱軋退火處理係在熱軋退火溫度下持溫約60秒以上，熱軋退火溫度為約900℃至約1050℃。對熱軋鋼板進行冷軋製程，以形成冷軋鋼片。對冷軋鋼片進行最終冷軋退火處理，以製得非方向性電磁鋼片。

Description

非方向性電磁鋼片及其製造方法

本揭露是有關於一種鋼片製作技術，且特別是有關於一種非方向性電磁鋼片及其製造方法。

因應電動車用之高轉速馬達的高效節能需求，高磁通低鐵損之非方向性電磁鋼片是近年來電磁鋼片產品發展的主要開發目標。對於非方向性電磁鋼片而言，鐵損主要包含磁滯損與渦流損。由於渦流損與轉速平方和頻率平方成整比關係，因此在高轉速馬達中渦流損的控制就變得至關重要。

為了降低非方向性電磁鋼片的渦流損，一般會透過提高矽(Si)與鋁(Al)等合金元素的含量來增加鋼材的電阻，以及削減鋼片厚度的方式來達成。然而，矽鋁元素的大量添加，例如矽與鋁總含量大於4.0wt%時，會導致電磁鋼片的磁通顯著下降，而造成鋼帶脆化，難以對鋼帶進行冷軋製程，進而無法達成減少鋼片之厚度的目標。

目前有針對非方向性電磁鋼片這樣實際生產困難且難以兼顧磁特性的問題提出相關討論，關於這些討論說明如下。

有一種技術係針對非方向性矽鋼片，其中矽含量小於4.0wt%，鋁含量小於3.0wt%且大於0.1wt%。此技術利用較低溫之熱軋退火處理，來將冷軋前之鋼板內的晶粒尺寸控制在30μm至150μm，藉此降低鋼板的轉脆溫度，提高鋼板的冷軋加工性。

雖然晶粒矽化確實可有效提高鋼板之韌性，但原本熱軋退火處理的主要目的是為了在鋼板冷軋前得到粗大晶粒組織分布，藉此可在冷軋鋼板退火後獲得較多之磁性優化方位的集合組織，以達到提升鋼板之磁通的效果。因此，若改以較低溫對鋼板進行熱軋退火來生成細晶組織，便會喪失原有熱軋退火改善的優點，導致最終鋼片之磁特性不佳。

另有一種技術係針對高矽含量電磁鋼片，其中矽含量大於3.5wt%。此技術降低鋼材之矽含量，並添加鉻(Cr)合金元素，藉以維持鋼材的高電阻，並獲得較低的轉脆溫度來改善鋼材之冷軋性。

雖然鉻元素的添加可稍微彌補矽含量減少所降低的電阻值，但鉻所需添加之量相當大，不符經濟效益。此外，添加鉻雖有助於降低鋼材的轉脆溫度，但也造成對鋼材內碳(C)與氮(N)等微量元素之含量相當敏感。碳與氮的含量稍微偏高便會導致鋼材之韌性與磁性的劣化，鋼材的品質穩定性不易維持。

另有一種技術係藉由降低鋼材之矽含量並增加對應之鋁含量的方式，來維持鋼材之高電阻低電損。此技術亦添加銅(Cu)與鎳(Ni)合金元素來提高鋼材強度，並維持鋼材之冷軋加工性。

此技術為達高強度之目的，鋼材之熱軋退火處理的溫度採用600℃至900℃，藉以控制銅偏析。但以這樣的溫度區間進行熱軋退火處理並未能獲得足夠粗大的晶粒組織來優化磁通。此外，過多鎳的添加亦將導致過多的固溶強化。

因此，本發明之一目的就是在提供一種非方向性電磁鋼片及其製造方法，其藉由添加適量鎳合金元素，並搭配使用高溫熱軋退火處理，藉此可製得具有優異磁特性與冷軋加工性之非方向性電磁鋼片。

根據本發明之上述目的，提出一種非方向性電磁鋼片之製造方法。在此方法中，提供鋼胚。此鋼胚包含小於或等於0.005wt%的碳、2wt%至4wt%的矽、小於或等於2wt%的鋁、0.1wt%至1.0wt%的錳(Mn)、小於或等於0.05wt%的磷(P)、小於或等於0.005wt%的硫(S)、小於或等於0.005wt%的氮、小於或等於0.003wt%的鈦(Ti)、0.05wt%至0.95wt%的鎳、不可避免之雜質、以及平衡量的鐵(Fe)，其中矽與鋁的總含量小於或等於5wt%。對鋼胚進行熱軋製程，以形成熱軋鋼板。對熱軋鋼板進行熱軋退火處理，其中進行熱軋退火處理包含在熱軋退火溫度下持溫約60秒以上，熱軋退火溫度為約900℃至約1050℃。於熱軋退火處理後，對熱軋鋼板進行冷軋製程，以形成冷軋鋼片。對冷軋鋼片進行最終冷軋退火處理，以製得非方向性電磁鋼片。

依據本發明之一實施例，上述進行熱軋退火處理包含以約5℃/s至約15℃/s之加熱速度升溫至熱軋退火溫度。

依據本發明之一實施例，上述進行熱軋退火處理包含於熱軋退火溫度下持溫後，以約5℃/s至約15℃/s之冷卻速度降溫至約100℃以下。

依據本發明之一實施例，上述之熱軋退火溫度為約1000℃。

依據本發明之一實施例，上述進行冷軋製程包含形成具有厚度約0.35mm以下之冷軋鋼片。

依據本發明之一實施例，上述進行最終冷軋退火處理包含在冷軋退火溫度下持溫約60秒以上，冷軋退火溫度為約900℃至約1050℃。

根據本發明之上述目的，另提出一種非方向性電磁鋼片，其利用上述實施例之任一方法所製得。

應用本發明之實施方式，可使鋼片經過高溫熱軋退火處理後仍維持其冷軋加工性，並可製得具有高磁通低鐵損特性之非方向性電池鋼片。

有鑑於習知高矽鋁電磁鋼片在開發上所面臨的瓶頸，例如磁特性與冷軋加工性無法兼顧，本發明實施方式在此提供非方向性電磁鋼片之製造方法，透由添加適量鎳合金元素，並搭配高溫熱軋退火處理。藉此，可於鋼板冷軋前完成充足的晶粒粗化，而可在最終冷軋退火處理後獲得優化之晶粒集合組織，來提高鋼片之磁通。另外，鎳的適量添加亦可增加鋼片之磁通。因此，所製得鋼片可滿足高磁通低鐵損的磁特性需求。此外，鎳可改善鋼片之韌性，而可使鋼板在高溫熱軋退火處理後維持冷軋加工性，製得薄的高矽鋁電磁鋼片。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種非方向性電磁鋼片之製造方法的流程圖。製作非方向性電磁鋼片時，可先進行步驟100，以煉製並提供鋼胚。在一些實施例中，鋼胚可包含小於或等於0.005wt%的碳、2wt%至4wt%的矽、小於或等於2wt%的鋁、0.1wt%至1.0wt%的錳、小於或等於0.05wt%的磷、小於或等於0.005wt%的硫、小於或等於0.005wt%的氮、小於或等於0.003wt%的鈦、0.05wt%至0.95wt%的鎳、不可避免之雜質、以及平衡量的鐵，其中矽與鋁的總含量小於或等於5wt%。

在本實施方式中，鋼胚添加了適量的鎳合金成分。藉由鎳的添加，來提高鋼材之韌性，如此可改善鋼板熱軋邊裂的情況，並可增進鋼板底材抵抗破裂的能力，維持鋼板之冷軋加工性，更可進一步提升電磁鋼片的磁通。

提供了鋼胚之後，可進行步驟110，以對鋼胚進行熱軋製程，而將鋼胚熱軋成熱軋鋼板。完成熱軋製程後，可進行步驟120，以對熱軋鋼板進行熱軋退火處理。本實施方式對熱軋鋼板採用高溫熱軋處理。在一些例子中，對熱軋鋼板進行熱軋退火處理時，可先以一加熱速度將溫度升溫至預設熱軋退火溫度。接著，可在此熱軋退火溫度下進行持溫60秒以上的退火處理。加熱速度可例如為約5℃/s至約15℃/s，熱軋退火溫度可例如為約900℃至約1050℃。在一些示範例子中，熱軋退火溫度可大於900℃。隨後，於熱軋鋼板在熱軋退火溫度下持溫進行熱軋退火處理後，可例如以約5℃/s至約15℃/s之冷卻速度將熱軋鋼板之溫度降溫至約100℃以下。

透過對熱軋鋼板進行高溫的熱軋退火處理，可使熱軋鋼板於冷軋前達成充足的晶粒粗化。因此，可使熱軋鋼板經冷軋所得之鋼片在後續之最終冷軋退火處理後，獲得優化之晶粒集合組織，進而可提高電磁鋼片之磁通。

完成熱軋鋼板之熱軋退火處理後，可進行步驟130，以對熱軋退火處理後之熱軋鋼板進行冷軋製程，而形成冷軋鋼片。在一些例子中，對熱軋鋼板進行冷軋製程時，可將熱軋鋼板冷軋成具有厚度約0.35mm以下的冷軋鋼片。

隨後，可進行步驟140，以對冷軋鋼片進行最終冷軋退火處理，而製得非方向性電磁鋼片。在一些例子中，對冷軋鋼片進行最終冷軋退火處理時，可先以一加熱速度將溫度升溫至預設最終冷軋退火溫度，再於此最終冷軋退火溫度下進行持溫60秒以上的退火處理。最終冷軋退火溫度可例如為約900℃至約1050℃。

以下利用多個實施例與比較例的實驗結果，來更具體說明利用本發明之實施例的技術內容與功效，然其並非用以限定本發明。

實驗鋼胚之成分如下表1所列示。表1

樣品	合金成分組成(wt%)
碳	硫	氮	矽	錳	磷	鋁	鈦	鎳
比較例1	0.003	0.002	0.001	3.0	0.3	0.01	0.6	0.003	-
比較例2	0.003	0.002	0.001	3.1	0.3	0.01	0.6	0.003	1.0
實施例1	0.003	0.002	0.001	3.0	0.3	0.01	0.6	0.003	0.1
實施例2	0.003	0.002	0.001	3.1	0.3	0.01	0.6	0.003	0.5

由上表1可知，比較例1之合金成分為不添加鎳，比較例2之合金成分添加1wt%的鎳。另一方面，實施例1添加0.1wt%的鎳，實施例2則添加0.5wt%的鎳。比較例1與2及實施例1與2之其餘合金元素則近乎相同。以上表1之組成煉製鋼胚後，將比較例1與2及實施例1與2之鋼胚熱軋至約2.1mm厚的熱軋鋼板。接著，對這些熱軋鋼板分別進行熱軋退火溫度為900℃、950℃、與1000℃且持溫約100秒的熱軋退火處理。

以維氏(Vickers)硬度機量測這些經熱軋退火之鋼板的個別硬度值，其中壓痕荷重為1kg。經熱軋退火溫度1000℃之熱軋鋼板之硬度值的量測結果例示於下表2。表2

樣品	熱軋退火900℃	熱軋退火1000℃
維硬度 (HV1)	韌脆轉化溫度(℃)	維硬度 (HV1)	韌脆轉化溫度(℃)
比較例1	215	70	215	90
比較例2	230	90	230	100
實施例1	217	90	216	70
實施例2	220	90	218	70

此外，由於冷軋加工性與鋼板的轉脆溫度息息相關，而當鋼板之轉脆溫度高於80℃時，一般視為無法進行常溫冷軋。因此，本案以鋼板之轉脆溫度作為冷軋加工性的評估標準。取比較例1與2及實施例1與2之熱軋鋼板，並沿著熱軋鋼板之軋延方向製作夏比(Charpy)衝擊試驗試片，再對這些試片進行韌脆轉換溫度的量測，量測結果亦列示於上表2中。

將比較例1與2及實施例1與2之熱軋退火後的鋼板冷軋成約0.35mm的鋼片。並對這些冷軋後的鋼片分別進行900℃、950℃、與1000℃且持溫約100秒的最終冷軋退火處理，而完成非方向性電磁鋼片的成品。將非方向性電磁鋼片的成品裁切成60mmx60mm的單片磁性量測試片，並進行磁性量測，量測結果列示於下表3。表3

樣品	熱軋退火1000℃
冷軋退火950℃	冷軋退火1000℃
W _15/50(W/kg)	B ₅₀(Tesla)	W _15/50(W/kg)	B ₅₀(Tesla)
比較例1	2.79	1.691	2.65	1.683
比較例2	2.69	1.699	2.62	1.697
實施例1	2.84	1.693	2.60	1.691
實施例2	2.80	1.699	2.61	1.692

根據實驗結果，發明人發現鎳的添加會使鋼板硬度提高，而隨著熱軋退火溫度的提高，不同鎳含量樣品間仍有明顯的硬度差距。特別是，鎳含量1.0wt%之比較例2的樣品硬度最高，發明人認為這反映了鎳的添加有一定量的固溶強化作用。而由表2可知，當熱軋退火溫度上升至1000℃，無鎳的比較例1的轉脆溫度即上升至90℃，出現了劣化的情況。在此同時，實施例1與2之轉脆溫度僅為70℃，明顯優於無鎳的比較例，更遠優於鎳含量1.0wt%的比較例2。比較例2之轉脆溫度為100℃，韌性最差。

隨溫度變化而出現的材料韌脆轉換現象其實是材料強度與抵抗破裂能力交互作用的結果。材料強度會受到溫度影響，抵抗破裂能力則變化不大。一般而言，溫度上升時，材料強度會因為差排更容易滑動而降低，此時若材料受力會先進行塑性變形，最後才會破裂，屬於韌性破壞。反之，於低溫狀態下，材料強度較高，材料受力後會直接由彈性變形進入斷裂，並不會發生塑性變形，屬於脆性破壞。

硬度值可反映出材料本身的強度。添加1.0wt%鎳之比較例2的硬度大幅增加，但轉脆溫度劣化，此乃材料因固溶強化所帶來的高強度導致其改善韌性的作用無法發揮。有鑑於此，本揭露實施方式針對韌性改善所選用之最適量的鎳添加範圍為0.05wt%至0.95wt%。

熱軋退火處理最主要之目的為粗化鋼材進入冷軋前的晶粒尺寸並且調整晶粒之集合組織，以優化鋼材之磁特性。因此，更高溫度的熱軋退火處理有助於產出更優異特性的電磁鋼片成品。然而，在鋼材之晶粒粗化的同時，會造成鋼材之韌性劣化。發明人由實驗結果得知，不加鎳的比較例1隨退火溫度的提高，轉脆溫度也隨之變高。而添加0.1wt%鎳的實施例1與添加0.5wt%鎳的實施例2有較佳的韌性表現。因此，可透過鎳的適量添加來改善鋼材的韌性，而可以更高的熱軋退火溫度來進一步提升電磁鋼片的磁特性。

上表3所列之磁性量測結果同樣是取熱軋退火處理之理想高溫條件1000℃來進行各鋼片的比較。由上表3可看出，有添加鎳之比較例2及實施例1與2均有較高的磁通表現。在1000℃之冷軋退火處理後，比較例與實施例之鋼片的鐵損均達到2.6W/kg左右，而鋼片之磁通則隨鎳含量的增加有較顯著的提高。此時，不加鎳之比較例1的磁通僅為1.683T，添加0.1wt%、0.5wt%、與1.0wt%鎳的鋼片則分別可達1.691T、1.692T、與1.697T。由此可知，添加鎳對於鋼片之磁通的改善效果顯著，且可維持同樣的鐵損等級。因此，本揭露實施例的應用可產製出具高磁通低鐵損之優異磁特性的非方向性電磁鋼片。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之非方向性電磁鋼片之製造方法藉由添加適量鎳合金元素，並搭配使用高溫熱軋退火處理，可製得具有優異磁特性與冷軋加工性之非方向性電磁鋼片。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，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:步驟 110:步驟 120:步驟 130:步驟 140:步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：［圖1］係繪示依照本發明之一實施方式的一種非方向性電磁鋼片之製造方法的流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:步驟

110:步驟

120:步驟

130:步驟

140:步驟

Claims

一種非方向性電磁鋼片之製造方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚包含小於或等於0.005wt%的碳、2wt%至4wt%的矽、小於或等於2wt%的鋁、0.1wt%至1.0wt%的錳、小於或等於0.05wt%的磷、小於或等於0.005wt%的硫、小於或等於0.005wt%的氮、小於或等於0.003wt%的鈦、0.05wt%至0.95wt%的鎳、不可避免之雜質、以及平衡量的鐵，其中矽與鋁的總含量小於或等於5wt%；對該鋼胚進行一熱軋製程，以形成一熱軋鋼板；對該熱軋鋼板進行一熱軋退火處理，其中進行該熱軋退火處理包含在一熱軋退火溫度下持溫60秒以上，該熱軋退火溫度為900℃至1050℃，進行該熱軋退火處理更包含以5℃/s至15℃/s之加熱速度升溫至該熱軋退火溫度；於該熱軋退火處理後，對該熱軋鋼板進行一冷軋製程，以形成一冷軋鋼片；以及對該冷軋鋼片進行一最終冷軋退火處理，以製得一非方向性電磁鋼片。
如請求項1所述之方法，其中進行該熱軋退火處理包含於該熱軋退火溫度下持溫後，以5℃/s至15℃/s之冷卻速度降溫至100℃以下。
如請求項1所述之方法，其中該熱軋退火溫度為1000℃。
如請求項1所述之方法，其中進行該冷軋製程包含形成具有厚度0.35mm以下之該冷軋鋼片。
如請求項1所述之方法，其中進行該最終冷軋退火處理包含在一冷軋退火溫度下持溫60秒以上，該冷軋退火溫度為900℃至1050℃。
一種非方向性電磁鋼片，藉由請求項1至5中之任一項方法所製得。