CN105331879A - 一种高功率密度电机用无取向硅钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高功率密度电机用无取向硅钢，其组分及wt%为：C≤0.0030%，Si：3.25～3.45%，Mn：0.05～0.10%，Al≤0.005%，P≤0.05%，S≤0.0020%，Sn：0.04～0.06%，N≤0.0030%；生产方法：按低Al纯净钢冶炼并连铸成坯；将铸坯加热；热轧；卷取并冷却至室温；常化；常规酸洗后采用一次冷轧法轧制至成品厚度；成品退火；冷却、涂层及精整。本发明能同时满足铁芯高速冲片和铁芯叠片自动铆接，及磁性和高疲劳强度要求，且磁感B₅₀₀₀≥1.69T，铁损P_1.0/400≤17.0W/kg，硬度Hv5达到180~200，疲劳极限强度≥400Mpa，即具有优良的抗疲劳性能。

Description

一种高功率密度电机用无取向硅钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种无取向硅钢及生产方法，具体地属于一种高功率密度电机用无取向硅钢及生产方法。

背景技术

目前，通过使用高牌号无取向电工钢片和高性能永磁体等磁性材料，来制造高效率、高能量密度的电机。该电机主要由嵌入绕组的定子和配置永磁体的转子所构成，以转子内部埋入永磁体为主流，称为永磁体埋入型电机即IPM电机。

通过使用高质量的磁性材料开发高功率密度电机，达到单位重量的高输出功率。因为输出功率P（）与磁性负载B _g （气隙磁感应强度）成正比，所以，为了得到高输出功率，需要增加气隙中的磁感应强度，就有必要使用高磁感应强度的铁芯材料。传统无取向电工钢主要是通过采取降低Si和Al的总量来提高磁感，但同时也增加了铁损，而且降低了材料疲劳极限强度。

随着汽车驱动电机和空调压缩机向小型化和提高效率化方向发展，其使用的电机的频率也向200～1000Hz以上的高频化方向发展，要求电机使用铁芯材料在高频下铁损要低，因此有必要增加Si和Al含量。可是，Si和Al含量的增加，钢板明显***，冲压加工时易损坏模具，由此必须考虑铁芯材料的磁性能与冲压加工性的匹配问题。

另一方面，伴随电机的可变速运转，加上其转子离心力变大，所以用于铁芯的电工钢板要有优良的疲劳性能。要改善疲劳性能，需要增加钢板硬度。

电机行业为了提高工作效率，希望定子和转子采用同一种电磁钢板，实现定子、转子加工一体化，同时在一条生产线上完成冲片加工甚至叠片成铁芯。

因此，高功率密度电机用钢的要求也逐渐提高。

经检索：中国专利公开号为CN1380908A的文献，公开了一种无取向电工钢板及其制造方法。其含有质量%为：C≤0.005%，Si：1.5～3.0%，Mn：0.05～1.5%，P≤0.05%，S≤0.02%，Al：0.1～2％，N≤0.005%，Cr：0.4～1.4％，其余基本为铁的无取向电工钢板，具有优良的冲片加工性能和疲劳性能，而且在1000Hz频率下的应力退火前后铁损低，适用于电动汽车用电机和空调用电机的铁芯材料。但是，该文献得到的材料磁感偏低（B₅₀₀₀≤1.68T），而且疲劳极限强度也不高，即小于360Mpa。

中国专利公开号为CN103173678A的文献，公开了一种转子用无取向硅钢及其制造方法。含有质量%为：C:0.001～0.004%，Si：2.5～4.0%，Al：0.5～1.5％，Mn：0.1～1.5%，P≤0.02%，S≤0.001%，N≤0.002%，B≤0.005％，其余铁和不可避免的杂质；精炼工序先Si后Al脱氧，最后进行Ca处理，该方法主要问题是冶炼难度大，而且需要温轧，成本高，并且0.5mm厚度材料磁性指标偏低（B₅₀₀₀≥1.64T）,实物质量也只有1.67T。

中国专利公开号为CN201410545379.4的文献，公开了《一种变频高效压缩机用无取向硅钢及其生产方法》，其组分及重量百分比含量为：C：≤0.0050%，Si：3.1～3.4%，Mn：0.03～0.1%，Als≤0.01%，P≤0.05%，S不超过0.0025%，Cu≤0.06%，Sn：0.04～0.06%，N≤0.0025%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足Mn/S在20～80，Als含量不为零。采用一次冷轧法进行生产的磁性能为磁感B₅₀≥1.69T，铁损P_1.0/400≤17.5W/kg，没有考虑疲劳强度。

日本公开的专利文献《一种磁性和冲片加工性优良的压缩机用无取向电工钢》(JP20040072045)，其加入Sn：0.01%～0.40%、Cu：0.1%～1.0%、Ca：0.001%～0.03%、REM(稀土)：0.001%～0.02%。该文献要求控制加工硬化指数N值在0.25以下、下屈服强度／抗拉强度在0.635以上。消除应力退火后W15/50为2.6～2.8(W／kg)，B50为1.71(T)，冲片加工性优良的性能指标。其存在铁损较高，也没有考虑疲劳强度。

美国专利US20090202383文献，公开了一种无取向硅钢及其制造方法。其通过添加Cu、Ni、Cr、Mo、W等元素、进行基体固溶强化和第二相析出强化来提高屈服强度，但该文献磁性较差，成本较高。

日本专利文献特开2011-89204，公开了新能源汽车驱动马达用高强度无取向电工钢板，其特点是在钢中添加Nb，冷轧时引入大量位错,热处理时控制再结晶面积比率使大量的位错残存在钢的组织内，从而获得优良磁性和机械性能。其虽然厚度为0.35mm成品屈服强度达到670MPa，抗拉强度达到780MPa，即机械性能满足了高强度钢要求，但存在再结晶比例过低，会导致磁性能恶化，磁感下降，尤其是高频铁损大幅上升，其成品铁损P_1.0/400高达35W/kg,磁感B₅₀₀₀最好的也只有1.64T，差的达到1.62T，磁感太低，铁损偏高，不适合制造高功率密度电机。

用现有的方法生产上述高强度硅钢，虽然满足了疲劳性能优良要求，但会引起产品磁性变差即主要使磁感降低，而且还产生冲压加工性能恶化问题，如产品硬度太高，造成冲片次数明显减少，疲劳性能、磁性和冲压加工性能不能同时满足要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种在满足磁感B₅₀₀₀≥1.69T，铁损P_1.0/400≤17.0W/kg，产品硬度Hv5达到180～200的条件下，使疲劳极限强度≥400Mpa，并能同时满足铁芯高速冲片和铁芯叠片自动铆接，及磁性和高疲劳强度要求的高功率密度电机用无取向硅钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种高功率密度电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C≤0.0030%，Si：3.25～3.45%，Mn：0.05～0.10%，Al≤0.005%，P≤0.05%，S≤0.0020%，Sn：0.04～0.06%，N≤0.0030%，并且3.3%≤（Si+Mn/2+P）≤3.5%，其余为Fe及不可避免的杂质；力学性能：磁感B₅₀₀₀≥1.69T，铁损P_1.5/50≤17W/kg，疲劳极限强度≥400MPa，硬度Hv5在180~200。

一种高功率密度电机用无取向硅钢的生产方法，其步骤：

1）按低Al纯净钢冶炼并连铸成坯；

2）将连铸坯进行加热，控制其均热温度在1120～1160℃，加热及保温时间在：3~5个小时；

3）进行热轧：控制精轧入口温度为960～1000℃，终轧温度为820～860℃；

4）进行卷取并冷却至室温：卷取温度控制在630～680℃，将钢卷自然冷却至室温；

5）进行常化，控制常化均热温度在950℃～1000℃，通板速度控制为25～30m/min；

6）常规酸洗后采用一次冷轧法轧制至成品厚度；

7）在常规H2和N2混合气或全H2气干式气氛中进行成品退火，并控制其退火温度在930~980℃，通板速度为60～80m/min；

8）按常规进行冷却、涂层及精整。

本发明各组分含量及制备方法中工艺参数控制原理阐述如下：

本发明无取向硅钢的成分及制备工艺主要围绕高磁性和高疲劳强度和合适冲片性能设计。本发明中各元素及主要工序的作用：

C在0.003%以下。C是对磁性有害的成分，希望越低越好，退火工序可以不脱C，改善产品冲片性，因此规定其含量在0.003%以下，最好在0.002%以下。

Si在3.25~3.45%。Si是提高电阻率、改善铁损的有效添加元素，对极低铁损高牌号无取向硅来说，Si含量不到3.25%得不到所需的磁性和疲劳强度，故其下限为3.25%。另一方面，Si含量如果超过3.45%其硬度会很高，难以冷轧加工，冲片性能也会恶化，因此其上限定为3.45%。

Mn在0.05~0.1%。Mn是不可避免的杂质，不需要添加。Mn对板坯加热时固溶的S量有减低效果，防止热脆性和提高基体疲劳强度，Mn含量必须在0.05%以上；另一方面，其含量如果超过0.1%，容易产生细小MnS，会导致磁性的恶化，而且磁感下降。为避免生成MnS和改善疲劳强度，防止热脆，因此规定其含量范围定为0.05~0.1%。

Al在0.005%以下。传统观点认为Al含量不能低于0.1%，否则会导致钢中存在细小AlN，阻碍晶粒长大，磁性变坏。经本发明验证，Al在0.005%以下时，钢中不存在细小AlN，而且发现Al越低，产品铁损越低，磁感越高。因此限定Al在0.005%以下，希望越低越好。

P在0.05%以下。P是不可避免的杂质，不需要添加。P通过固溶强化而提高钢板硬度，可有效提高疲劳强度，但对高牌号无取向硅钢来说，超过0.05%会显著恶化钢的冷延性，冲片性能恶化，因此其含量定在0.05%以下。

为了保证一定的疲劳强度并兼顾冲压加工性能，本发明规定：3.3%≤（Si+Mn/2+P）≤3.5%。因为随着Si+Mn/2+P含量提高，铁损P_1.0/400降低，疲劳强度提高，但磁感B₅₀₀₀也降低，冲压加工性变差，而且冷轧难度增大，容易发生边裂和脆断，生产加工性也变差。

S在0.002%以下。S是钢中夹杂物成分的重要组成部分，其硫化物的形成会恶化钢的磁性，因此其含量必须控制在0.002%以下。

N在0.003%以下。N在钢中容易形成AlN、TiN等细小的夹杂物，对铁损有害。因此，N含量超过0.003%就会导致铁损的恶化，其含量在0.003%以下为好。

为了磁性进一步改善，还含有Sn：0.04~0.06%。

在本发明中，Sn可防止成品表面的氮化，改善磁性能。Sn含量不足0.04%，则改善磁性的效果差，超过0.06%时容易引起成品高温度退火时产品结瘤，还可能对晶粒的长大有影响，同时也会引起合金成本增加，因此，Sn的含量限定为0.04~0.06%。

为了改善钢板的综合性能，简化工序，降低生产成本，本发明采用一次冷轧法。

炼钢：按纯净钢的生产方法进行。

热轧：为防止热轧时析出物的细小化，板坯采用低温加热以抑制板坯中的析出物重新固溶为最好，同时采取630～680℃高温卷取技术使析出物进一步长大。

卷取温度太低，回复效果不好，而过高则难以保证温度的均匀性。

常化：是改善成品织构所必须的关键工序过程。在热轧板连续退火时，常化温度控制在950~1000℃，通板速度为20～30m/min。如果温度过低则达不到改善织构的效果，如果温度超过1000℃，则晶粒长得过大，会造成冷轧困难；常化时间过短则得不到改善磁性的效果，而过长会造成生产效率低下。

冷轧：热轧板常化后，即进行一次法冷轧至成品厚度。

成品退火：成品退火温度在930~980℃，通板速度为60～80m/min较为合适，温度如果小于930℃，则晶粒无法充分长大，磁性能较差，而温度如果超过980℃，晶粒过大，导致疲劳强度变差。

本发明与现有技术相比，能同时满足铁芯高速冲片和铁芯叠片自动铆接，及磁性和高疲劳强度要求，且满足磁感B₅₀₀₀≥1.69T，铁损P_1.0/400≤17.0W/kg，产品硬度Hv5达到180~200，且疲劳极限强度≥400Mpa，即具有优良的抗疲劳性能，能满足汽车驱动电机和空调压缩机向小型化和提高效率化、所使用电机的频率也向200～1000Hz以上的高频化方向发展的要求。

附图说明

图1为疲劳极限强度和产品冲压次数与（Si+Mn/2+P）含量的关系曲线图；

图2为本发明的成品硅钢板的金相组织图；

图3为本发明的成品硅钢板的析出相类型分析图；

图4为本发明的成品硅钢板的析出相能谱成分分析图；

图1中：—表示疲劳强度，—表示冲片次数，两条虚线之间为本发明的范围。

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化学成分取值列表；

表2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的性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）按低Al纯净钢冶炼并连铸成坯；

2）将连铸坯进行加热，控制其均热温度在1120～1160℃，加热及保温时间在：3~5个小时；

3）进行热轧：控制精轧入口温度为960～1000℃，终轧温度为820～860℃；

4）进行卷取并冷却至室温：卷取温度控制在630～680℃，将钢卷自然冷却至室温；

5）进行常化，控制常化均热温度在950℃～1000℃，通板速度控制为25～30m/min；

6）常规酸洗后采用一次冷轧法轧制至成品厚度；

7）在常规H2和N2混合气或全H2气干式气氛中进行成品退火，并控制其退火温度在930~980℃，通板速度为60～80m/min；

8）按常规进行冷却、涂层及精整。

需要说明的是以下表1及表2中的数据并非一一对应关系。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表（wt%）

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3本发明各实施例及对比例的性能检测情况

表3中疲劳性能试样为在平行于轧向（1.0×5.0×150mm）、试样在频率为20Hz、应力比为0.1的条件下测试的拉-拉疲劳性能。与对比例相比，本发明的磁感B₅₀₀₀≥1.69T，铁损P_1.0/400≤17.0W/kg，产品硬度Hv5达到180～200，且疲劳极限强度≥400Mpa，即具有优良的磁性能和抗疲劳性能，能满足汽车驱动电机和空调压缩机向小型化和高频化方向发展的要求。

（Si+Mn/2+P）含量与疲劳强度的关系如图1所示，可以看出，随着（Si+Mn/2+P）含量增大，疲劳强度持续提高，但冲片次数也要下降。因此本发明规定：3.3%≤（Si+Mn/2+P）≤3.5%。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (2)

1.一种高功率密度电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C≤0.0030%，Si：3.25～3.45%，Mn：0.05～0.10%，Al≤0.005%，P≤0.05%，S≤0.0020%，Sn：0.04～0.06%，N≤0.0030%，并且3.3%≤（Si+Mn/2+P）≤3.5%，其余为Fe及不可避免的杂质；力学性能：磁感B₅₀₀₀≥1.69T，铁损P_1.5/50≤17W/kg，疲劳极限强度≥400MPa，硬度Hv5在180~200。

2.一种高功率密度电机用无取向硅钢的生产方法，其步骤：

1）按低Al纯净钢冶炼并连铸成坯；

2）将连铸坯进行加热，控制其均热温度在1120～1160℃，加热及保温时间在：3~5个小时；

3）进行热轧：控制精轧入口温度为960～1000℃，终轧温度为820～860℃；

4）进行卷取并冷却至室温：卷取温度控制在630～680℃，将钢卷自然冷却至室温；

5）进行常化，控制常化均热温度在950℃～1000℃，通板速度控制为25～30m/min；

6）常规酸洗后采用一次冷轧法轧制至成品厚度；

7）在常规H2和N2混合气或全H2气干式气氛中进行成品退火，并控制其退火温度在930~980℃，通板速度为60～80m/min；

8）按常规进行冷却、涂层及精整。