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CN110088327B - 无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

无取向电工钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％及余量的Fe和不可避免的杂质。

Description

无取向电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及无取向电工钢板及其制造方法。
背景技术
无取向电工钢板主要用于将电能转换为机械能的电机，为了在转换过程中发挥高效率，要求无取向电工钢板具有优异的磁性能。特别是近年来，随着环境友好技术受到关注，提高占电能消耗总量的一半以上的电动机效率变得非常重要。为此，磁性能优异的无取向电工钢板的需求也在增加。
对于无取向电工钢板的磁性能，主要通过铁损和磁通密度进行评价。铁损是指在特定磁通密度和频率下产生的能量损耗，磁通密度是指在特定磁场下得到的磁化程度。铁损越低，在相同条件下，可以制造出能效越高的电机，而磁通密度越高越能实现电机的小型化或减少铜损，因此制造出铁损低以及磁通密度高的无取向电工钢板很重要。
铁损和磁通密度具有各向异性，因此根据测定方向显示出不同的值。通常，轧制方向的磁性能最优异，从轧制方向旋转55度至90度时，磁性能会明显变差。无取向电工钢板用于旋转设备，因此各向异性越低越有利于稳定的运行，通过改善钢的织构，可以降低各向异性。如果{011}<uvw>取向或{001}<uvw>取向发达，则平均磁性优异，但是各向异性会非常大，如果{111}<uvw>取向发达，则平均磁性低，各向异性小，如果{113}<uvw>取向发达，则平均磁性较为优异，各向异性也不会太大。
为了增加无取向电工钢板的磁性能，通常采用的方法是加入Si等合金元素。通过加入这些合金元素能增加钢的电阻率，电阻率越高涡流损耗越低，从而可以降低整体铁损。为了增加钢的电阻率，可以与Si一起加入Al、Mn等元素，以生产出磁性优异的取向电工钢板。
在用于高速旋转的电机的无取向电工钢板的情况下，同时要求具有优异的机械性能。如果转子不能承受高速旋转而产生的离心力，就会导致电机损坏，因此需要在各种操作环境下具有高屈服强度。然而，通常用于获得优异的机械性能的晶粒细化、析出、相变等方法会导致无取向电工钢板的磁性能大大降低，因此同时满足磁性能和机械性能存在很大困难。当电机运行温度上升时，无取向电工钢板的屈服强度会下降，因此无取向电工钢板还需要具有在高温下也保持优异的机械性能的特性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一个实施例提供一种无取向电工钢板及其制造方法，更具体地提供一种同时具有优异的磁性能和机械性能的无取向电工钢板。
(二)技术方案
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％及余量的Fe和不可避免的杂质。
所述无取向电工钢板还可包含Bi：0.0005重量％至0.05重量％。
所述无取向电工钢板还可包含C：小于等于0.005重量％、S：小于等于0.005重量％、N：小于等于0.004重量％、Ti：小于等于0.004重量％、Nb：小于等于0.004重量％及V：小于等于0.004重量％中的一种或更多种元素。
所述无取向电工钢板还可包含B：小于等于0.001重量％、Mg：小于等于0.005重量％、Zr：小于等于0.005重量％及Cu：小于等于0.025重量％中的一种或更多种元素。
相对于垂直于钢板轧制方向的截面可包含小于等于20％的晶粒，其结晶取向具有从{111}<uvw>至15度以内的取向。
在120℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2可以是在20℃下实施拉伸试验时得到的YP0.2的0.7倍或更大。
所述YP0.2是指在通过拉伸试验得到的应力-应变曲线图中0.2％补偿屈服强度。
铁损(W15/50)可小于等于2.30W/kg，磁通密度(B50)可大于等于1.67T。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其包含：对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％及余量的Fe和不可避免的杂质；对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
板坯还可包含Bi：0.0005重量％至0.05重量％。
板坯还可包含C：小于等于0.005重量％、S：小于等于0.005重量％、N：小于等于0.004重量％、Ti：小于等于0.004重量％、Nb：小于等于0.004重量％及V：小于等于0.004重量％中的一种或更多种元素。
板坯还可包含B：小于等于0.001重量％、Mg：小于等于0.005重量％、Zr：小于等于0.005重量％及Cu：小于等于0.025重量％中的一种或更多种元素。
在制造热轧板的步骤之后，还可包含对热轧板进行热轧板退火的步骤。
(三)有益效果
根据本发明的一个实施例，可以提供同时具有优异的磁性能和机械性能的无取向电工钢板及其制造方法。
具体实施方式
文中术语第一、第二、第三等用于描述各种部分、成分、区域、层和/或段，但这些部分、成分、区域、层和/或段不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分某一部分、成分、区域、层和/或段与另一部分、成分、区域、层和/或段。因此，在不脱离本发明的范围内，下面描述的第一部分、成分、区域、层和/或段也可以被描述为第二部分、成分、区域、层和/或段。
本文所使用的术语只是出于描述特定实施例，并不意在限制本发明。除非上下文中另给出明显相反的含义，否则本文所使用的单数形式也意在包含复数形式。还应该理解的是，术语“包含”可以具体指某一特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，但并不排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
如果某一部分被描述为在另一个部分之上，则可以直接在另一个部分上面或者其间存在其他部分。当某一部分被描述为直接在另一个部分上面时，其间不会存在其他部分。
虽然没有另作定义，但本文使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)的含义与所属领域的技术人员通常理解的意思相同。对于辞典里面有定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
此外，在没有特别提及的情况下，％表示重量％，1ppm是指0.0001％。
本发明的一个实施例中进一步包含附加元素是指余量的铁(Fe)中一部分被附加元素替代，替代量相当于附加元素的加入量。
下面详细描述本发明的实施例，以使本发明所属领域的普通技术人员容易实施本发明。本发明能够以各种不同方式实施，并不局限于本文所述的实施例。
在本发明的一个实施例中，不仅对无取向电工钢板中的组分(特别是作为主要加入成分的Si、Al、Mn)的范围进行优化，而且通过加入适量的In来抑制氧化层以及改善高温强度，从而可以提供同时具有优异的磁性能和机械性能的无取向电工钢板。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％及余量的Fe和不可避免的杂质。
首先描述限制无取向电工钢板的成分的理由。
Si：2.0重量％至3.5重量％
硅(Si)的作用是提高材料的电阻率降低铁损，如果加入量过少，则高频铁损改善效果可能会不足。相反地，如果加入量过多，则材料的硬度上升，进而导致冷轧性极度恶化，有可能造成生产性和冲裁性变差。因此，可以在前述的范围内加入Si。
Al：0.05重量％至2.0重量％
铝(Al)的作用是提高材料的电阻率降低铁损，如果加入量过少，则对减少铁损没有效果。相反地，如果加入量过多，则氮化物过量形成，进而导致磁性变差，并且炼钢和连铸等所有工艺上会出现问题，有可能造成生产性大大下降。因此，可以在前述的范围内加入Al。
Mn：0.05重量％至2.0重量％
锰(Mn)的作用是提高材料的电阻率改善铁损以及形成硫化物，如果加入量过少，则析出微小的MnS，从而造成磁性变差。相反地，如果加入量过多，则促进形成不利于磁性的{111}织构，有可能降低磁通密度。因此，可以在前述的范围内加入Mn。
In：0.0002重量％至0.003重量％
铟(In)的作用是偏析到钢板的表面和晶界抑制氧化层以及改善高温强度。当适量包含In时，晶界强度会增加，即使温度上升到100℃附近，也可以抑制屈服强度的下降。如果In的含量过少，则效果不明显，如果In的含量过多，则可能会引起降低晶界强度的问题。因此，可以在前述的范围内加入In。
Bi：0.0005重量％至0.05重量％
铋(Bi)的作用是偏析到钢板的表面和晶界抑制氧化层以及改善织构。当适量包含Bi时，由于降低晶界能量的效果较高，晶界再结晶受到抑制，从而降低具有{111}<uvw>取向的再结晶晶粒分数。如果Bi的含量过少，则效果不明显，如果Bi的含量过多，则晶粒生长受到抑制、表面特性变差以及脆性增加，有可能引起磁性能、机械性能同时下降的问题。因此，可以在前述的范围内加入Bi。
C：小于等于0.005重量％
碳(C)会引起磁时效，还会与其他杂质元素结合生成碳化物，从而造成磁性能下降，因此C的含量越低越好。当包含C时，C的含量可小于等于0.005重量％。更优选地，C的含量可小于等于0.003重量％。
S：小于等于0.005重量％
硫(S)是钢中不可避免存在的元素，S会形成微小的析出物如MnS、CuS等，从而造成磁性能恶化。当包含S时，S的含量可小于等于0.005重量％。更优选地，S的含量可小于等于0.003重量％。
N：小于等于0.004重量％
氮(N)在母材内部不仅形成微小细长的AlN析出物，还与其他杂质结合形成微小的氮化物，从而抑制晶粒生长造成铁损恶化，因此N的含量越低越好。当包含N时，N的含量可小于等于0.004重量％。更优选地，N的含量可小于等于0.003重量％。
Ti、Nb、V：各自小于等于0.004重量％
钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)会形成碳化物或氮化物，从而导致铁损恶化，还会促进不利于磁性的{111}织构发达。因此，Ti、Nb、V的含量各自可小于等于0.004重量％。更优选地，Ti、Nb、V的含量各自可小于等于0.003重量％。
其他元素
除了前述的元素之外，还会包含不可避免混入的B、Mg、Zr、Cu等杂质。虽然这些元素是微量元素，但是通过形成钢中夹杂物等可能会造成磁性恶化，因此需要控制成B小于等于0.001重量％，Mg小于等于0.005重量％，Zr小于等于0.005重量％，Cu小于等于0.025重量％。
对于根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，如前所述，通过精确地控制成分，可以最小限度地形成对磁性产生不良影响的结晶组织。具体地，相对于垂直于钢板轧制方向的截面可包含小于等于20％的晶粒，其结晶取向具有从{111}<uvw>至15度以内的取向。在本发明的一个实施例中，晶粒的含量是指对钢板的截面用EBSD进行测定时，相对于整体面积的晶粒的面积分数。EBSD是对整体厚度层包含在内的钢板截面测定15mm2或更大面积计算出取向分数的方法。
如前所述，通过精确地控制成分，可以获得同时具有优异的磁性和机械性能的无取向电工钢板。
首先，对于机械性能，在120℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2可以是在20℃下实施拉伸试验时得到的YP0.2的0.7倍或更大。此时，YP0.2是指在通过拉伸试验得到的应力-应变曲线图中0.2％补偿屈服强度。在120℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2是在20℃下实施拉伸试验时得到的YP0.2的0.7倍或更大表示，作为材料使用本发明的一个实施例的无取向电工钢板制作的电机在实际运行时，即使温度上升到120℃，屈服强度下降率也低于30％，比目前更低，因此电机实际运行时机械性能非常优异。具体地，在120℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2可以是250Mpa至350Mpa，在20℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2可以是330Mpa至450MPa。
其次，对于磁性，铁损(W15/50)可小于等于2.30W/kg，磁通密度(B50)可大于等于1.67T。更具体地，铁损(W15/50)可以是2.0W/kg至2.30W/kg，磁通密度(B50)可以是1.67T至1.70T。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其包含：对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％及余量的Fe和不可避免的杂质；对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
下面按照各步骤进行详细描述。
首先，对板坯进行加热。限制板坯中的各组分的加入比的理由与前述的限制无取向电工钢板的组分的理由相同，因此省略重复的描述。下述的热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火等制造过程中板坯的组分实际上没有变化，因此板坯的组分与无取向电工钢板的组分实际上相同。
将板坯装入加热炉加热到1100℃至1200℃。在高于1250℃的温度下进行加热时，析出物会再熔解，在热轧后可能析出微小的析出物。
将加热后的板坯热轧成2mm至2.3mm而制成热轧板。在制造热轧板的步骤中，最终温度可以是800℃至1000℃。
在制造热轧板的步骤之后，还可包含对热轧板进行热轧板退火的步骤。此时，热轧板退火温度可以是850℃至1150℃。如果热轧板退火温度低于850℃，则不会有组织生长或者生长出微小的组织，进而磁通密度的上升效果低，如果退火温度高于1150℃，则磁性能反而变差，而且由于板状变形，有可能造成轧制操作性变差。更具体地，温度范围可以是950℃至1125℃。更具体地，热轧板的退火温度可以是900℃至1100℃。根据需要进行热轧板退火，以增加有利于磁性的取向，因此可以省略热轧板退火。
接下来，对热轧板进行酸洗后，冷轧成预定厚度。可以根据热轧板厚度采用不同的压下率，但是可以采用70％至95％的压下率冷轧成最终厚度为0.2mm至0.65mm制成冷轧板。
对最终冷轧的冷轧板实施最终退火。最终退火温度可以是750℃至1050℃。如果最终退火温度过低，则不会发生充分的再结晶，如果最终退火温度过高，则发生晶粒的急剧生长，有可能造成磁通密度和高频铁损恶化。更具体地，可在900℃至1000℃的温度下进行最终退火。在最终退火过程中，在上一个步骤即冷轧步骤形成的加工组织都(即，99％以上)会再结晶。
下面通过实施例进一步详细描述本发明。然而，下述实施例只是用于例示本发明，本发明不限于下述实施例。
实施例
制造出具有如下表1所示的组分且余量包含Fe和不可避免的杂质的板坯。将板坯加热至1140℃，并在880℃的最终温度下进行热轧，从而制造出板厚为2.3mm的热轧板。热轧后热轧板在1030℃下进行热轧板退火100秒后，经过酸洗和冷轧制成厚度为0.35mm，然后在1000℃下实施最终退火110秒。
关于各试样的磁通密度(B50)、铁损(W15/50)、{111}取向分数(％)示于下表2中。对于磁通密度、铁损等磁性能，切割出30mm(宽度)×305mm(长度)×20张(数量)的试样后，对每个试样用爱泼斯坦仪(Epstein tester)进行测定并示出测定的值。此时，B50是在5000A/m的磁场下感应的磁通密度，W15/50是指50Hz的频率下磁通密度为1.5T时的铁损。
{111}取向分数是对包含试样整体厚度层的轧制方向垂直截面通过EBSD应用350μm×5000μm的面积和2μm的步进间隔以不重叠的方式测定10次，将其数据合并后，计算出误差范围15度以内的{111}<uvw>取向分数的结果。
通过拉伸试验测定出屈服强度，将最终试样按照JIS5号规格制成拉伸试样，以每分钟20mm的速度拉伸试样使其变形并测定出相应值。对于120℃拉伸试验，将试样安装到试验机后，在试样周围安装加热器具，当达到120℃后等待5分钟，然后以每分钟20mm的相同的变形速度进行拉伸试验。
[表1]
Figure BDA0002097738180000101
[表2]
Figure BDA0002097738180000102
如表1和表2所示，落入本发明的范围的A3、A4、B3、B4、C3、C4、D3、D4具有优异的磁性能，{111}取向分数小于等于20％，B/A都满足大于等于0.7。相比之下，In和Bi的含量超出本发明的范围的A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2都是磁性不良，{111}取向分数大于20％，B/A小于0.7，高温下的机械性能急剧下降。
本发明能以各种不同方式实施并不局限于所述的实施例，本发明所属领域的普通技术人员可以理解在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下通过其他具体方式能够实施本发明。因此，应该理解上述的实施例是示例性的，而不是用来限制本发明的。

Claims (7)

1.一种无取向电工钢板，其特征在于，
以重量％计，所述钢板由Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％、Bi：0.0005％至0.05％、C：小于等于0.005％以及余量的Fe和不可避免的杂质组成，
其中相对于垂直于钢板轧制方向的截面，所述钢板包含小于等于20％的晶粒，其结晶取向具有从{111}<uvw>至15度以内的取向，
所述钢板在120℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2是在20℃下实施拉伸试验时得到的YP0.2的0.7倍或更大，所述YP0.2是指在通过拉伸试验得到的应力-应变曲线图中0.2％补偿屈服强度，
所述钢板的铁损(W15/50)小于等于2.30W/kg，磁通密度(B50)大于等于1.67T。
2.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于，
所述钢板还包含S：小于等于0.005重量％、N：小于等于0.004重量％、Ti：小于等于0.004重量％、Nb：小于等于0.004重量％及V：小于等于0.004重量％中的一种或更多种元素。
3.根据权利要求1所述的无取向电工钢板，其特征在于，
所述钢板还包含B：小于等于0.001重量％、Mg：小于等于0.005重量％、Zr：小于等于0.005重量％及Cu：小于等于0.025重量％中的一种或更多种元素。
4.一种无取向电工钢板的制造方法，其特征在于，所述方法包含：
对板坯进行加热的步骤，以重量％计，所述板坯由Si：2.0％至3.5％、Al：0.05％至2.0％、Mn：0.05％至2.0％、In：0.0002％至0.003％、Bi：0.0005％至0.05％、C：小于等于0.005％以及余量的Fe和不可避免的杂质组成；
对板坯进行热轧以制造热轧板的步骤；
对所述热轧板进行冷轧以制造冷轧板的步骤；以及
对所述冷轧板进行最终退火的步骤，
其中相对于垂直于钢板轧制方向的截面，所述钢板包含小于等于20％的晶粒，其结晶取向具有从{111}<uvw>至15度以内的取向，
所述钢板在120℃下进行拉伸试验时得到的YP0.2是在20℃下实施拉伸试验时得到的YP0.2的0.7倍或更大，所述YP0.2是指在通过拉伸试验得到的应力-应变曲线图中0.2％补偿屈服强度，
所述钢板的铁损(W15/50)小于等于2.30W/kg，磁通密度(B50)大于等于1.67T。
5.根据权利要求4所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于，
所述板坯还包含S：小于等于0.005重量％、N：小于等于0.004重量％、Ti：小于等于0.004重量％、Nb：小于等于0.004重量％及V：小于等于0.004重量％中的一种或更多种元素。
6.根据权利要求4所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于，
所述板坯还包含B：小于等于0.001重量％、Mg：小于等于0.005重量％、Zr：小于等于0.005重量％及Cu：小于等于0.025重量％中的一种或更多种元素。
7.根据权利要求4所述的无取向电工钢板的制造方法，其特征在于，
在制造所述热轧板的步骤之后，还包含对所述热轧板进行热轧板退火的步骤。
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