CN103498096B - Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢，其组分及wt%：Si：2.5～3.5%，Mn：0.1～1.0%，Ni+Al不超过1.0%，N：≤0.005%，S≤0.015%，C≤0.003%，P≤0.05%：生产步骤：冶炼并连铸成坯；对连铸坯加热；热轧；卷取；常化；酸洗并冷轧；连续退火；自然冷却至室温并待用。本发明机械性能与磁性能能同时满足电机用钢的要求，即Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，P_1.0/400≤17W/kg，B₅₀₀₀≥1.66T，使定转子采用同一种电磁钢板进行加工，从而降低时间和材料成本。

Description

Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种无取向电工钢及其生产方法，具体地属于一种Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢及其生产方法。

背景技术

近年来地球环境问题日益突出，很多节能领域都在提倡节能产品，环境应对技术不断发展，汽车领域也不例外，低排放，减少燃料消耗技术取得了长足进步。而电动汽车和混合动力汽车领域是节能减排领域中非常突出的例子，汽车驱动电机的性能直接影响到这些电动汽车的性能。

驱动电机铁芯多使用永磁体，定子和转子一起构成。最近，将永磁体嵌入转子内部的IPM电机已得到广泛使用，其使任意调节转子转速成为可能，使转子有向高速化发展，而转子高速旋转时由于离心力的作用，会导致嵌入的永久磁铁脱落，影响生产及设备安全，这对转子材料的机械性能提出了很高的要求。特别是当IPM电机得转子形状非常复杂时，必须考虑到转子材料的应力集中，离心力和应力变化等机械性能的要求。而且，机器人，工程机械用电机领域今后可能会和电驱动电机一样出现高速旋转的趋势。

转子用无取向电工钢板的所有特性中，第一位的是机械特性，即屈服强度和抗拉强度，这是为了抑制转子高速旋转时产生变形，以及应力变化引起的疲劳破坏。近年来电动汽车，混合动力汽车驱动电机转子受到的平均应力达到250MPa，应力振幅达到150MPa。因此，从抑制变形的观点来看，至少要达到400MPa以上,考虑到安全问题屈服强度甚至在500MPa以上比较合适。而且，从抑制上述应力状态产生的疲劳破坏的观点来看，抗拉强度至少要达到500MPa以上，考虑到安全问题抗拉强度甚至在600MPa以上比较合适。

转子用无取向电工钢板的第二特性就是磁通密度。IPM电机充分利用了磁阻转矩，电机转子用材料的磁通密度直接影响到转矩的大小，磁通密度低则无法得到理想的转矩。

转子用无取向电工钢板的第三特性就是铁损，铁损是不可逆的畴壁运动引起的磁滞损耗和磁化引起的涡流损耗组成的，电工钢板的总损耗由这两种损耗的总合来评价。转子产生的损耗对电机的效率没有太大的影响，转子产生损耗时的发热对永磁体具有消磁的作用，间接的恶化了电机的性能。因此，转子用无取向电工钢板的铁损水平可以根据永磁体热退磁对应的耐热温度决定。比起定子使用的材料，转子用无取向电工钢板的铁损稍高是能够接受的。这是因为电机中的磁场波动分量主要集中于定子铁心，铁耗主要由定子铁芯产生，特别是定子齿。在转子铁芯和永磁体中磁通密度变化较小，而定子铁芯中磁通密度变化较大。因此相对于定子铁芯损耗，转子和永磁体中的损耗可以忽略。而且从谐波分析可以预计，转子中的谐波分量幅值很小，定子中的铁耗会远大于转子。

近年来，随着原材料价格上涨，电机行业希望改善钢材的成品率，降低材料成本减少工艺流程，为此希望定子和转子采用同一种电磁钢板以减少工艺流程降低成本。定子转子加工一体化就是定子用材料在冲压完后废弃的中部剩余材料冲压成转子。因此材料的成品率显著提高。

然而，转子使用的电磁钢板要优先考虑强度而不是磁性能，比起定子使用的电磁钢板容许铁损高一些。高转速驱动电机转子用的电磁钢板必须满足必要的强度，定子和转子用材料一起进行加工，可能无法得到必要的定子磁性能，从而无法得到理想的电机效率，这是一个要考虑的问题。另一方面，定子对构件的强度要求本来就不高，必须优先满足必要的磁性能，这样定子和转子材料一起进行加工，就可能无法满足必要的强度水平，产生疲劳破坏，这也是一个问题。

因此，电磁钢板必须同时兼备制造高速旋转转子所必要的强度，制造定子所必要的磁性能，定转子采用同一种电磁钢板进行加工从而降低时间和材料成本是用户希望实现的目标。

通常降低铁损的手段包括添加合适的合金元素促进再结晶组织发达，或者采用合适的工艺手段获得足够大的成品晶粒尺寸，从而降低磁滞损耗，但很多合金元素添加后一方面会降低磁感强度，进而导致电机转矩下降，另一方面在促进再结晶组织发达的同时降低了成品强度，而采用合适的工艺手段获得足够大的成品晶粒尺寸也会使成品强度降低。日本专利特开2010-24509公开了新日铁开发的一种强度和磁性能优良的无取向电工钢板，通过Ni,Cu按照一定比例的添加达到提高磁性能磁感和强度的效果，其Al含量最高可达到3.0%以上，Cu在热轧过程中会析出细小的ε-Cu第二相质点，在再结晶过程中会阻碍晶粒的长大，恶化磁性能，钢水中Al含量高，浇铸时易结瘤，铸坯表面易结疤，成品表面缺陷多，Al也容易在退火时产生内氧化层和内氮化层,另外该专利还添加了0.01%-0.10%的Sn,Sn的熔点较低,退火过程中容易在钢板表面产生结瘤,且添加也增加了合金成本。最后该专利仅仅给出了屈服强度,延伸率和涡流损耗的数据,而未提到总损耗和磁感水平.日本专利特开2011-89204公开了住友金属开发的一种转子用无取向电工钢板的制造方法，其通过添加Nb，在热轧过程中析出的大量细小的Nb(C,N)质点来控制退火过程中的再结晶比例，从而达到析出强化的效果，其0.35mm成品屈服强度达到659MPa,抗拉强度达到768MPa,但再结晶比例过低会导致磁性能恶化，尤其是铁损大幅上升，其0.35mm成品高频铁损P_1.0/400高达46W/kg,因此其只适合制造转子材料。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种机械性能与磁性能能同时满足电机用钢的要求，0.35mm厚度钢板性能：Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，P_1.0/400≤17W/kg，B₅₀₀₀≥1.66T，使定子及转子采用同一种电磁钢板进行加工的无取向电工钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢，其组分及重量百分比含量为：Si：2.5～3.5%，Mn：0.1～1.0%，Ni+Al不超过1.0%，N：≤0.005%，S≤0.015%，C≤0.003%，P≤0.05%,其余为铁及残余含量；且要满足：1.0≤Al/Ni≤2.0,C+S+N≤0.007；0.35mm厚度成品的机械性能：Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，磁性能:P_1.0/400≤17W/kg，B₅₀₀₀≥1.66T。

生产Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对连铸坯加热，温度不低于1050℃，在炉时间不低于120分钟；

3）进行热轧轧制：控制粗轧终轧温度不低于900℃，钢板厚度不低于25mm；控制精轧终轧温度不低于750℃，板厚不低于2.0mm；

4）进行卷取，控制卷取温度不低于700℃；

5）进行常化，控制常化炉均热温度不低于750℃，常化时间不少于1分钟；

6）进行酸洗并冷轧：酸洗温度60-100℃,酸洗时间2~5分钟,采用一次冷轧法进行冷轧，轧制道次为4~7，控制前3~6道次的总压下率不低于80%，末道次压下率不超过20%；

7）进行连续退火，退火温度不低于850℃，均热时间不少于1分钟，气氛为常规的H₂+N₂混合气，N₂/H₂不超过0.5,气体流量不低于200m³/min;

8)自然冷却至室温，待用。

本发明添加了少量Ni,代替部分Al，其作用如下：

(1)Ni为铁磁性元素，在外加磁场时很容易使材料达到饱和，从而提高材料的磁感，而Al会降低饱和磁感。

(2)高牌号无取向硅钢在热变形时没有相变(在铁素体区)，层错能高，变形时扩展位错的宽度窄、集束容易，位错的交滑移和攀移容易进行，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态再结晶所需的能量水平。因此这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大、变形温度远高于静态再结晶的温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶，也就是说，动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。加入Ni后层错能降低，变形时扩展位错的宽度变宽、集束变得困难，位错的交滑移和攀移难以进行，位错难以在滑移面间转移，结果使位错密度上升，畸变能升高，动态再结晶更容易发生。而Al属于提高层错能，不利于动态再结晶的发生，另外动态再结晶的能力除了与金属的层错能高低有关外，还与晶界迁移的难易有关。Al在热轧过程中析出的细小AlN颗粒能阻碍晶界的移动，所以会遏制动态再结晶的进行。另外，钢水中Al含量高，浇铸时易结瘤，铸坯表面易结疤，成品表面缺陷多，Al也容易在退火时产生内氧化层和内氮化层，因此以Ni取代Al的硅钢再结晶组织发达和完善（如附图1，图2），有利于改善磁性，磁性能波动范围小、对成品退火工艺的敏感性降低、稳定性好，工艺适应能力强，表面质量得到提高。

(3)Ni的加入扩大了γ相区，相变点温度Ar₃相对降低，终轧温度容易接近Ar₃点，在α单相区精轧的时间缩短，从而使热轧板内部再结晶组织发达、形变晶少、等轴晶多、等轴晶比例高，冷轧后的组织中过渡带和切变带发达，形变带少，由于过渡带和切变带是{100}，{110}等有利织构的形核地点，形变带是{111}等不利织构的形核位置，因此，退火后{100}，{110}等有利织构发达，{111}等不利织构被弱化，磁性得到显著改善。

(4)溶入基体中的Ni原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，另一方面溶质原子在层错面上富集可降低层错能而增加了扩张位错的宽度，扩张位错不易束集，位错交截困难，双重交滑移和切割位错困难，不易产生多系滑移，从而使材料的强度增加。

(5)Ni为单质原子，不会与其他元素形成夹杂物或在热轧过程中形成第二相析出，从而不会恶化成品再结晶组织。

(6)Ni的电阻率低于Al，替代部分Al后涡流损耗会有所上升；另外，过量Ni使钢板变脆，冷轧时容易断裂，因此Ni的添加也应该适量。

本发明与现有技术相比，机械性能与磁性能能同时满足电机用钢的要求，即Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，P_1.0/400≤17W/kg，B₅₀₀₀≥1.66T，使定转子采用同一种电磁钢板进行加工，从而降低时间和材料成本。

附图说明

图1为本发明热轧板常化后的典型金相组织图；

图2为本发明成品退火后的典型金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对连铸坯加热，温度不低于1050℃，在炉时间不低于120分钟；

3）进行热轧轧制：控制粗轧终轧温度不低于900℃，钢板厚度不低于25mm；控制精轧终轧温度不低于750℃，板厚不低于2.0mm；

4）进行卷取，控制卷取温度不低于700℃；

5）进行常化，控制常化炉均热温度不低于750℃，常化时间不少于1分钟；

6）进行酸洗并冷轧：酸洗温度60-100℃,酸洗时间2~5分钟,采用一次冷轧法进行冷轧，轧制道次为4~7，控制前3~6道次的总压下率不低于80%，末道次压下率不超过20%；

7）进行连续退火，退火温度不低于850℃，均热时间不少于1分钟，气氛为常规的H₂+N₂混合气，N₂/H₂不超过0.5,气体流量不低于200m³/min;

8)自然冷却至室温，待用。

表1本发明各实施例及对比例化学成分

表2本发明各实施例及对比例工艺参数列表（一）

表2本发明各实施例及对比例工艺参数列表（二）

表2本发明各实施例及对比例工艺参数列表（三）

表3本发明各实施例及对比例磁性能及机械性能列表

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (1)

1.Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢，其组分及重量百分比含量为：Si：2.85～3.5%，Mn：0.1～1.0%，Ni+Al不超过0.5%或Ni+Al：0.7~1.0%，N：≤0.005%，S≤0.015%，C≤0.0019%，P≤0.05%,其余为铁及残余含量；且要满足：1.0≤Al/Ni≤1.6，C+S+N≤0.007；0.35mm厚度成品的机械性能：Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，磁性能:P_1.0/400≤17W/kg，B₅₀₀₀≥1.66T；

生产步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对连铸坯加热，温度不低于1050℃，在炉时间不低于120分钟；

3）进行热轧轧制：控制粗轧终轧温度不低于900℃，钢板厚度不低于25mm；控制精轧终轧温度不低于750℃，板厚不低于2.0mm；

4）进行卷取，控制卷取温度不低于700℃；

5）进行常化，控制常化炉均热温度不低于750℃，常化时间不少于1分钟；

6）进行酸洗并冷轧：酸洗温度60-100℃,酸洗时间2~5分钟,采用一次冷轧法进行冷轧，轧制道次为4~7，控制前3~6道次的总压下率不低于80%，末道次压下率不超过20%；

7）进行连续退火，退火温度不低于850℃，均热时间不少于1分钟，气氛为常规的H₂+N₂混合气，N₂/H₂不超过0.5,气体流量不低于200m³/min;

8)自然冷却至室温，待用。