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CN107002160A - 用于制备具有高冷轧压下度的晶粒非取向的电炉钢带材的方法 - Google Patents

用于制备具有高冷轧压下度的晶粒非取向的电炉钢带材的方法 Download PDF

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CN107002160A
CN107002160A CN201580023936.9A CN201580023936A CN107002160A CN 107002160 A CN107002160 A CN 107002160A CN 201580023936 A CN201580023936 A CN 201580023936A CN 107002160 A CN107002160 A CN 107002160A
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S·扶隽纳提
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Centro Sviluppo Materiali SpA
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Abstract

本发明涉及用于制备晶粒非取向的电炉Fe‑Si钢带材的方法，该带材具有优异的电学特征和/或磁性特征，优选待用于构建发电机。

Description

用于制备具有高冷轧压下度的晶粒非取向的电炉钢带材的 方法
本发明涉及用于制备晶粒非取向的电炉Fe-Si钢带材的方法，该带材具有优异的电学特性和/或磁性特征，优选待用于构建发电机。
现有技术
晶粒非取向的电炉钢带材(electric steel strip)主要用于制造旋转式发电机的芯。
市售的产品根据其磁性性质进行分类(由UNI EN 10106标准规定)。
这种磁性特征与组分的晶体结构有关，特征为晶粒平均尺寸通常不大于0.25mm，轧制产品的平面中尽量各向同性的晶体排列来确保在发电机操作过程中各种角度施加磁场的磁性行为相似。
主要的定性磁性特征是根据标准IEC 60404-2和IEC 60404-3，在施加特定值的磁场时可获得的特定感应加工条件和磁化频率以及极化水平条件下测量的磁损耗。
现有的制备晶粒非取向的电炉钢带材的技术有多种，并且为了减少磁损耗，开发了一些策略，如减少轧制产品的最终厚度和/或通过添加元素如Si,Al,Mn…增加金属合金的电阻率，等。
用于改进产品磁性而研究的另一个冶金特征是所述钢的金属基质中存在的第二非金属相(例如硫化物、氮化物、碳化物和氧化物)的最大容量。出于该目的，最新的生产实践包括在板坯浇铸过程中已在熔融钢的固化阶段中制备具有极少硫、氮、碳和氧含量的钢。
轧制产品中另一个受控的物理特征是板材的表面性质。具体地，最好的产品的特征是具有低粗糙程度和无(或几乎无)热氧化的表面。
通常由Fe-Si合金制成，具有在0.1重量％-3.3重量％之间可变的硅含量的晶粒非取向的电炉钢带材由熔融合金开始制备并固化为板坯；板坯进行热轧以得到轧制产品的板材，然后进行冷轧直到获得最终应用厚度。
除了有时在科技文献和国际专利文献中描述但目前未包括任何工业实施的直接薄带连铸固化，用于制造晶粒非取向带材的板坯根据使用的技术通过连续固化以在20mm-300mm之间可变的厚度生产。
板坯的热轧有时根据使用的技术和设备以非常不同的方式进行，但对所有的情况温度范围为1300℃至700℃，用于获得厚度在2.5mm-1mm之间变化的热轧产品。
通常市场上提供的用于最终用途的产品的厚度在1mm至0.35mm之间变化，用于常规应用，最高至0.2mm的较低厚度用于特殊的高频应用。
所有已有的生产方法的特征为通过热轧(通常温度>700℃)压下率90-95％(薄板坯技术)和98-99％(厚板坯技术)的量并通过冷轧(通常温度<300℃)压下率通常60％-80％的量。
那么，具体地，在最新的技术中，趋势是制备更薄的热轧板材，以尽量减少施加冷轧的量。其优势是降低成本和改进与较便宜的冷轧相关的性能，以及同时改进磁性，其与完成的产品中可获得的晶体排列相关。
US 676412公开了制备晶粒非取向的磁性带材的方法，由厚度小于1.5mm的热轧板材开始制备。该文献中描述的方法包括受限的硅和铝含量([％S]+2[％Al]≤1.8)，以及即使其包括可能加入其它合金元素如P,Sn,Sb,Zr,V,Ti,N,Ni,Co,Nb,B，这些元素的总量也不超过1.5％，因此可获得的磁损耗对目前市场所需的高质量产品而言质量很差。
US 2005/0067053 A1描述了热轧制备带材的方法，该方法适合制造最大热轧条带厚度为1.8mm或1.2mm的晶粒非取向的磁性带材。在该情况中可采用的Si和Al含量较高，但对任何情况都限制为[％Si]+2[％Al]≤5％。在描述热轧产品基质的具体晶体结构的文献中，采用这种方法就实现产品的高磁性而言，并没有具体的优势。
要解决的技术问题
晶粒非取向的带材的磁性(特别是与高频工作的发电机中的使用目的相关)主要由合金(含有元素如Si,Al,Mn,..)的电阻率、带材厚度和磁场转动平面内的材料的可极化性调节。此外，产品晶粒的平均尺寸必须在特定的极窄尺寸范围内调节，并针对其最终用途的发电机的工作频率进行优化。
但是，在这些产品的工业制造中，对冶金工具(metallurgic lever)的研发对于质量控制存在重要的限制，主要与实际因素有关，具体来说如下：
-合金元素的增加使金属合金的电阻率增加，导致机械脆性增加至临界水平，在此临界水平下，物理制造性能的降低使得生产方法不再具有优势；冷轧至极小的厚度产生高成本，特别是与所涉及的合金的脆性特征的问题相关时；难以保证控制产品的微结构(关于粒径分布和晶体结构)，微结构关键性地影响磁损耗和磁性极化特征，这是由于微结构对合金化学组成的甚至小波动和热-机械处理条件和最终退火的高敏感性。
发明内容
本发明涉及晶粒非取向的电炉钢带材的制造方法，其中通过冷轧获得的整体厚度压下率不小于80％。本发明的带材优选用于制备发电机的铁磁芯。
因此，本发明的一个目的是制备晶粒非取向的电炉钢带材的方法，其中所述钢包括以下组分，以重量百分数计：
Si 1.8％-6％
Al 0.2％-4％
Mn 0.2％-3％
S 0.0005％-0.01％
N 0.001％-0.01％
C 0.001％-0.01％
Mn％/S％>100且Al％/N％>200,
浇铸和固化之后为板坯形式，该板坯的厚度Sp等于或大于20mm，该板坯进行以下热-机械处理：
-任选地，在1000-1330℃的温度下加热所述板坯；
-将所述板坯热轧至1300-700℃的温度，总体压下率为70％-99％，得到热轧板材(NAC)，其厚度为2.5mm-12.0mm，
-根据以下顺序对之前的热轧板材进行冷轧，总体压下率不小于80％：
a)在低于300℃的温度下进行第一步压下率为20％-70％的冷轧(LAF)，
b)在700℃-1100℃的温度下进行中间退火软化，持续时间10-900s，
c)进行至少第二步压下率为20％-70％的冷轧(LAF)，如果重复所述第二步骤，在重复所述第二步骤之前任选地在700℃-1100℃的温度下再进行中间退火软化，持续时间10-900s。
-以连续方式对冷轧板材在800-1200℃温度下进行最后的退火，持续时间10-900s，用于重结晶和晶体生长。
在一种优选实施方式中，所述钢还包含：Sn 0.01％-0.15％,或更优选还包含:Ti0.001％-0.004％,Cu 0.01％-0.20％,Nb 0.001％-0.004％,Cr 0.02％-0.20％。
在另一个优选的实施方式中，所述钢中存在Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,W,Cr,Co,Ni,Cu中的一种或多种元素，且它们的重量％之和小于1.5％，且包含P,Sb,Sn,Pb,Bi,Se中一种或多种元素，它们的含量的重量％之和小于1.0％。
在本发明的一个方面，所述方法步骤如下：
所述冷轧步骤是单向的并通过依次排列的一个或多个轧制机架获得，优选通过将浓度为1-8体积％的水包油乳液插入层叠柱筒之间作为润滑剂进行。
b)所述冷轧之后的中间退火软化连续进行。
在本发明一个优选的实施方式中，所述以板坯形式固化的钢的厚度Sp<120mm，带材热轧(NAC)至最终厚度以如下方式进行：相对的热施加的压下率(D_热；T>700℃)和相对的冷施加的变形(D_冷；T<300℃)满足如下关系：
D_热*D_冷*>0.77
其中
D_热＝(sp板坯-sp NAC)/sp板坯
D_冷＝(sp NAC-sp LAF)/sp NAC。
最后一次冷轧之后的板材更优选具有0.15-0.50mm的最终厚度。
在优选的一个方面，最终的连续重结晶退火和晶粒生长在一个或多个退火室中进行，温度为850-1200℃，持续时间5-90秒。
在另一个优选的方面，所述第一冷轧使用直径为150-350mm的加工柱筒进行，板材温度为30-300℃，并向所述板材施加小于500N/mm2的轧制强度。
本发明的另一个目的是可根据所述方法获得的非取向的晶粒电炉钢带材，其厚度(sp)为0.15-1.0mm，在1.5特斯拉和50Hz条件下测量的磁损耗(P15)小于或等于以下关系式的结果：
P15(w/kg)<[4,6*(sp)^2-1.6*(sp)+2]。
本发明的方法能克服现有制备方法的特性限制，特别是关于制备的合金中使用的硅和铝的最大含量以及严格可靠地控制制备具有优良磁性和机械特性的晶粒非取向的磁性带材时产品的晶体微结构。
本发明提出了一种基于起始热带材的高冷轧度(>80％)的制备循环，所述带材具有与常规工业方法使用的典型厚度(通常<2.5mm)相比更大的厚度(2.5mm–12mm)。
该处理由于冷变形产生极大量的网状缺陷至临界限制密度，这样在带材之后的退火中，轧制产品的结构中非常均匀的重结晶过程被激活。重结晶退火之后获得的晶粒结构有助于钢的机械加工性，所述钢具有与常规制备的那些钢相比更高的硅和铝含量：Si高达6％且Al高达4％。此外，在最终退火过程(跟在最终冷轧步骤之后)中，获得设计的最终微结构的更可靠的结果(晶粒尺寸和排列)；所述微结构的演变对于采用的非金属内含物含量和热处理条件的波动的敏感性较低，能获得具有高性能和再现性的多种级别的产品所需的磁性特征。
现有技术包括将整体冷变形进一步分为多个阶段与中间退火交替进行，从而从改进磁性特性的角度出发改进重结晶和晶体排列的均匀性，不能获得本发明所述的结果。
出于该目的必须将热带材的厚度增加至超过2.5mm，并施用大于80％的整体冷轧压下率，而不对热带材进行预先退火。
该方法对于由固化形式开始的整体压下率受限的情况(例如薄板坯)是特别有效的，特别是能生产具有良好定性特征和性能的磁性带材，优于常规方法。
本发明的另一个目的是所述方法的一个特定变化形式，基于具有大厚度的板材的热处理，它能压缩生产循环并降低晶粒非取向带材的生产成本，它包括以连续循环的方式实现以下基本方法步骤：
展开所述板材，
使用一个或多个呈一条线排列的轧制机架进行冷变形；
对冷轧板材进行退火，
使用一个或多个呈一条线排列的轧制机架进行进一步冷轧；
再卷绕所述板材，送至后续处理步骤。
上述冷轧压缩和退火使得制备成本显著降低，使所提出的方法与目前使用的方法相比更经济，同时保证了极高的产品质量。
在本发明中已可确定特定的工艺条件，这是现有技术未知的，这能得到具有优良电学特征和/或磁性特征的产品，保证最终结果的高度可靠性以优良的产品功能特征的稳定性和高生产性能。
本发明已总体上描述了这一点，现在，结合以下本发明示例性和非限制性的实施例，说明书将给出其实施方式，以更好地描述本发明的目的、特征、优点和施用模式。
实施例1
制备Fe-Si合金，其硅含量为3.9％，铝1.1％,锰1.2％,硫0.002％,氮0.005％和碳0.003％。将所述钢浇铸成板坯，厚度为50mm，直接热轧为6.0mm厚度，厚度压下率88％。轧制所述板坯的起始温度控制在1160-1140℃的范围内，而最终轧制温度范围为900–860℃。然后将热轧产品进行冷轧直至厚度为2.7mm，第一次冷轧的压下率为55％，并在750℃的温度连续退火30秒并空气冷却。然后对这样得到的轧制产品进行打磨、酸洗并冷轧至厚度为0.50mm，第二次冷轧的压下率大于81％，总的冷轧压下率大于91％，之后在干燥的氮气-氢气气氛中在1020℃的温度下退火60秒。
然后对这样得到的带材根据UNI EC 10106标准通过磁性测试进行表征。所有测试的轧制产品满足以下磁性特征：
B5000(磁性极化)≥1.65特斯拉
P10(感应为1.0特斯拉和50Hz时的磁损耗)≤0.75W/Kg
P15(感应为1.5特斯拉和50Hz时的磁损耗)≤1.78W/Kg
实施例2
制备具有不同组成的四种钢材，如表1所示。由其制备一些厚度为40mm的实验板坯。
然后对板坯使用以下步骤进行热轧：加热至最高1200℃，保持15分钟，然后热轧至厚度为5.0mm，压下率为87.5％。
表1
然后将热轧产品进行冷轧直至厚度为2.5mm，使用5％水-油乳液作为润滑剂，在950℃的温度下连续退火20秒并空气冷却。然后对这样得到的轧制产品进行打磨、酸洗和冷轧至厚度为0.50，总的冷轧压下率为90％，之后在干燥的氮气-氢气气氛中在1000℃的温度下退火40秒。
表2显示根据本发明的说明书处理的四种不同实验钢材样品的测试的磁性特征。B5000是5000A/m的施加磁场中以特斯拉测量的磁感应，P1O和P15是工作感应分别为1.0和1.5特斯拉和50Hz时以瓦特每千克测量的磁损耗。
表2
实施例3
包含3.8重量％硅，0.004重量％碳,2.1重量％锰,0.01重量％铜,1.2重量％铝,0.006％重量硫,0.005重量％氮,0.002重量％钛,0.001重量％铌,0.09重量％锡,0.02％重量铬的钢材固化为板坯形式，厚度为70mm，生产的系列工件在1150℃的温度下加热约20分钟，并冷轧至不同的厚度(NAC厚度)；之后，用可逆辊将其冷轧，使用3％水-油乳液作为润滑剂，如表3所示，其中记录了单次测试中第一步冷轧之后的厚度值(1st LAF厚度)。然后对所有的轧制产品在980℃温度下在干燥氮气气氛中进行退火60秒。然后对退火的产品进行第二冷轧阶段，至不同的最终厚度(最终厚度)。
表3
表3中，用D_热标记的栏表示热压下率，表示为D_热＝(板坯厚度-NAC厚度)/板坯厚度，D_冷栏表示施加的总压下量，表示为D_冷＝(NAC厚度-LAF最终厚度)/NAC厚度，以及H*C栏涉及产品H*C＝D_热*D_冷。在循环一栏中，inv＝根据本发明。
轧制至最终厚度的多种轧制产品在干燥氢气中进行退火工艺。
然后对实验中所有的轧制产品进行取样并进行磁性表征。获得的结果示于表3中。可以看出通过本发明的教导(inv)可以获得具有良好磁性特征的产品，优于不采用本发明教导的方式处理的那些情况。
实施例4
制备具有不同组成的四种钢材，如表4所示。由其制备一些厚度为200mm的实验板坯。
对板坯使用以下步骤进行热轧：加热至最高1,250℃，保持20分钟，然后热轧至厚度为4.0mm，压下率为98％。
表4
然后对这样生产的轧制带材进行冷轧至厚度为2mm，在氮气气氛下900℃退火60秒，然后冷轧至厚度为0.50mm，最后在干燥氢气中在1040℃退火20秒。然后对这样加工的板材进行磁性表征，结果示于表5。
表5

Claims (10)

1.一种制备晶粒非取向的电炉钢带材的方法，其中所述钢包含以下组分，以重量百分数计：
Si 1.8％-6％
Al 0.2％-4％
Mn 0.2％-3％
S 0.0005％-0.01％
N 0.001％-0.01％
C 0.001％-0.01％
Mn％/S％>100且Al％/N％>200,
浇铸和固化之后为板坯形式，该板坯厚度Sp等于或大于20mm，该板坯进行以下热-机械处理：
-任选地，在1000-1330℃的温度下加热所述板坯；
-将所述板坯热轧至1300℃-700℃，总体压下率为70％-99％，得到热轧板材(NAC)，该板材的厚度为2.5mm-12.0mm，
-按照以下顺序对之前的热轧板材进行冷轧，总体压下率不小于80％：
a)在低于300℃的温度下进行第一步的冷轧(LAF)，压下率为20％-70％，
b)在700℃-1100℃的温度下进行中间退火软化，持续时间10-900s，
c)进行至少第二步压下率为20％-70％的冷轧(LAF)，如果重复进行所述第二步骤，在重复进行所述第二步骤之前任选地在700℃-1100℃的温度下再进行中间退火软化，持续时间10-900s，
-以连续方式对冷轧板材在800-1200℃温度下进行最后的退火，持续时间10-900s，用于重结晶和晶粒生长。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢进一步包含以下组分，以重量％计：
Sn 0:01％-0:15％。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钢进一步包含以下组分，以重量％计：
Ti 0.001％-0.004％
Cu 0:01％-0:20％
Nb 0.001％-0.004％
Cr 0.02％-0:20％。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述钢中存在Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,W,Cr,Co,Ni,Cu中的一种或多种元素，它们的重量％之和小于1.5％，且所述钢中存在P,Sb,Sn,Pb,Bi,Se中的一种或多种元素，它们含量的重量％之和小于1.0％。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
a)所述冷轧步骤是单向的并通过依次排列的一个或多个轧制机架获得，优选通过将浓度为1-8体积％的水包油乳液插入层叠柱筒之间作为润滑剂进行；
b)所述冷轧之后的中间退火软化连续进行。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述板坯形式的固化的钢的厚度Sp<120mm，带材热轧(NAC)至最终厚度以如下方式进行：相对的热施加的压下率(D_热；T>700℃)和相对的冷施加的变形(D_冷；T<300℃)满足如下关系：
D_热D_冷*>0.77
其中
D_热＝(sp板坯-sp NAC)/sp板坯
D_冷＝(sp NAC-sp LAF)/sp NAC。.
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，最后一次冷轧之后的板材的最终厚度为0.15-0.50mm。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，最终的连续重结晶退火和晶粒生长在一个或多个退火室中进行，温度为850-1200℃，持续时间5-90秒。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一冷轧使用直径为150-350mm的加工柱筒进行，板材温度为30-300℃，并向所述板材施加小于500N/mm2的轧制强度。
10.如前述权利要求所述的方法制备得到的非取向的晶粒电炉钢带材，其特征在于，所述钢带材的厚度(sp)为0.15-1.0mm，在1.5特斯拉和50Hz条件下测量的磁损耗(P15)小于或等于以下关系式的结果：P15(w/kg)<[4,6*(sp)^2-1.6*(sp)+2]。
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