TWI635188B - 無方向性電磁鋼片及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種無方向性電磁鋼片及其製造方法，其係將具有特定矽、鋁及錳之總含量的鋼胚，在經過特定製程後，可製得具有特定晶粒尺寸及適當之晶粒取向的無方向性電磁鋼片，進而獲得兼具低鐵損值、高磁通密度及高熱傳導係數的電磁鋼片。

Description

無方向性電磁鋼片及其製造方法

本發明是關於一種電磁鋼片及其製造方法，特別是關於一種無方向性電磁鋼片及其製造方法。

電磁鋼片是一種軟磁材料，雖然電磁鋼片本身不具有如磁鐵般的磁性，但在通電後可具有良好的磁性。舉例而言，變壓器、馬達及發電機等設備的工作原理便是利用電磁鋼片形成磁路，將電能轉為二次電能或將電能轉為機械能。換言之，電磁鋼片可用以轉換能量。

電磁鋼片根據其晶粒取向可分為方向性電磁鋼片及無方向性電磁鋼片。方向性電磁鋼片之特定結晶軸的方向均順著軋延方向排列，因此，方向性電磁鋼片之軋延方向具有特別優異的磁性。無方向性電磁鋼片之晶粒取向與鋼片的幾何方向則不具有特定關係，因此，無方向性電磁片之材料性質在各方向上較為均勻。

鐵損值(core loss)、磁導率(magnetic permeability)及磁通密度(magnetic flux density)是電 磁鋼片的重要電磁特性。鐵損值是定義為電磁轉換中的能量損失，其係包含渦流損與磁滯損。渦流損與電阻率及合金含量相關，而磁滯損與晶粒尺寸及晶粒取向相關。一般而言，晶粒尺寸愈大，鋼片較容易被磁化，則磁滯損愈低。磁導率是表示電磁鋼片被磁化的難易度，且磁導率與磁通密度成比例關係。在固定的外加磁場強度下，磁導率愈高，則磁通密度愈高，轉化出的能量便愈高。磁通密度係與合金含量及晶粒取向有關，當晶粒取向偏向特定方位時，可使電磁鋼片具有較高磁通密度。因此，電磁鋼片的主要研發方向為降低鐵損值、提高磁通密度。除此之外，具有良好熱傳性質的電磁鋼片更有助於其應用。

習知製程係藉由提高合金添加量，以提高電磁鋼片的電阻，進而降低鐵損值中的渦流損。然而，合金添加量過高時，電磁鋼片的磁通密度及熱傳導係數便會下降。另一習知製程藉由添加較低含量的合金，以增加電磁鋼片的熱傳性質，並控制熱軋製程的完軋溫度在Ar1溫度以下，並在高溫進行盤捲，以改善晶粒取向，進而提高磁通密度。然而，此低含量合金的製程缺點是晶粒成長幅度有限，因此電磁鋼片會具有較高的鐵損值。

再一習知製程係在矽含量小於1.2%的條件下，控制錳含量與矽含量的比值，搭配極低的鋁和鈦之固溶量，以控制氧化介在物的型態。藉此可降低抑制晶粒成長的阻礙，並於應力消除退火過程中，促使晶粒成長。然而，此製程對於晶粒成長幅度有限，仍無法有效地降低電磁鋼片的 鐵損值。

有鑑於此，亟須提供一種無方向性電磁鋼片及其製造方法，以製得具有較大晶粒尺寸及晶粒取向的電磁鋼片，進而獲得兼具有低鐵損值、高磁通密度及高熱傳導係數的電磁鋼片。

本發明之一態樣是提供一種無方向性電磁鋼片的製造方法，其係利用具有特定矽、鋁及錳之總含量的鋼胚，在經過熱軋步驟、冷軋步驟、冷軋退火步驟、調質軋延步驟及最終退火步驟後，製得具有良好電磁特性及熱傳性質的無方向性電磁鋼片。

本發明之另一態樣是提供一種無方向性電磁鋼片，其係利用上述態樣的製造方法而製得。

根據本發明之一態樣，提供一種無方向性電磁鋼片的製造方法。首先，提供鋼胚，其中鋼胚係包括不大於0.01重量%的碳、0.1重量%至2.0重量%的矽、0.1重量%至1.5重量%的錳、0.1重量%至1.5重量%的鋁、0.005重量%至0.1重量%的磷、不大於0.005重量%的硫、不大於0.005重量%的氮且其餘量為鐵及不可避免的雜質。再者，前述鋼胚之矽、鋁及錳的總含量為大於1.0重量%，且小於2.5重量%。

接著，對鋼胚進行熱軋步驟，以獲得熱軋鋼板。然後，對熱軋鋼板進行冷軋步驟，以獲得冷軋鋼板。接著， 對冷軋鋼板進行冷軋退火步驟，以獲得冷軋退火鋼板。冷軋退火步驟之退火溫度為700℃至850℃。然後，對冷軋退火鋼板進行調質軋延步驟，以獲得鋼板。調質軋延步驟之軋延率為1%至10%。然後，對鋼板進行最終退火步驟，以獲得無方向性電磁鋼片。

根據本發明之一實施例，上述無方向性電磁鋼片的製造方法更包含，在進行熱軋步驟前，對鋼胚進行加熱步驟，其中加熱步驟之加熱溫度係不大於1250℃，並進行2至4小時。

根據本發明之一實施例，上述冷軋退火步驟係進行15秒至90秒。

根據本發明之一實施例，上述冷軋退火鋼板之平均晶粒尺寸為10μm至35μm。

根據本發明之一實施例，上述軋延率為2%至8%。

根據本發明之一實施例，上述最終退火步驟係進行15秒至90秒。

根據本發明之一實施例，上述最終退火步驟之升溫速率為5℃/秒至30℃/秒。

根據本發明之一實施例，上述最終退火步驟之最終退火溫度為850℃至1000℃。

根據本發明之另一態樣，提供一種無方向性電磁鋼片，其係利用上述態樣之方法製得。

根據本發明之一實施例，上述無方向性電磁鋼 片之平均晶粒尺寸為70μm至150μm。

應用本發明提供之無方向性電磁鋼片及其製造方法，其係將具有特定矽、鋁及錳之總含量的鋼胚，經由特定製程後，以製得具有特定晶粒尺寸及適當之晶粒取向的電磁鋼片，進而獲得兼具低鐵損值、高磁通密度及高熱傳導係數的電磁鋼片。

100‧‧‧方法

110‧‧‧提供鋼胚

120‧‧‧對鋼胚進行熱軋步驟，以獲得熱軋鋼板

130‧‧‧對熱軋鋼板進行冷軋步驟，以獲得冷軋鋼板

140‧‧‧對冷軋鋼板進行冷軋退火步驟，以獲得冷軋退火鋼板

150‧‧‧對冷軋退火鋼板進行調質軋延步驟，以獲得鋼板

160‧‧‧對鋼板進行最終退火步驟，以獲得無方向性電磁鋼片

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，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示根據本發明一實施例之無方向性電磁鋼片的製造方法的流程圖。

承上所述，本發明提供一種無方向性電磁鋼片及其製造方法，其係利用具有特定矽、鋁及錳之總含量的鋼胚，在經過熱軋步驟、冷軋步驟、冷軋退火步驟、調質軋延步驟及最終退火步驟後，製得具有良好電磁特性及熱傳性質的無方向性電磁鋼片。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一實施例之無方向性電磁鋼片的製造方法100的流程圖。首先，進行步驟110，提供鋼胚。在一實施例中，鋼胚係由鋼材經造塊或連鑄所製得。在一實施例中，鋼胚包括不大於0.01重量%的碳、0.1重量%至2.0重量%的矽、0.1重量%至1.5重量%的 錳、0.1重量%至1.5重量%的鋁、0.005重量%至0.1重量%的磷、不大於0.005重量%的硫、不大於0.005重量%的氮且其餘量為鐵及不可避免的雜質。在一實施例中，鋼胚之矽、鋁及錳的總含量為大於1.0重量%，且小於2.5重量%。若鋼胚之矽、鋁及錳的總含量係小於1.0重量%，則由於合金添加量太低，所製得之電磁鋼片的鐵損值偏高。若鋼胚之矽、鋁及錳的總含量大於2.5重量%，則所製得之電磁鋼片的熱傳導係數較低。

接著，進行步驟120，對鋼胚進行熱軋步驟，以獲得熱軋鋼板。在一實施例中，步驟120是將厚度約210mm的鋼胚熱軋至厚度為約1.5mm至約3.5mm的熱軋鋼板。在一實施例中，在步驟120之前，可選擇性地對鋼胚進行加熱步驟，其中此加熱步驟可例如為以不大於1250℃的加熱溫度進行2至4小時。在一具體例中，加熱步驟的加熱溫度較佳為1000℃至1200℃。

在選擇性地對熱軋鋼板進行酸洗步驟之後，進行步驟130，對熱軋鋼板進行冷軋步驟，以獲得冷軋鋼板。在一實施例中，冷軋鋼板的厚度可為大於0.50mm，且不大於0.60mm。在一具體例中，若欲使製得之無方向性電磁鋼片的厚度為0.50mm，則步驟130可為將厚度為例如約1.5mm至約3.5mm的熱軋鋼板冷軋至約0.505mm至約0.555mm的冷軋鋼板。

在一實施例中，在進行步驟130之前，可選擇性地對熱軋鋼板進行退火步驟，以優化製得之電磁鋼片的性 質。

接著，進行步驟140，對冷軋鋼板進行冷軋退火步驟，以獲得冷軋退火鋼板。在一實施例中，冷軋退火步驟之退火溫度為700℃至850℃，較佳為700℃至800℃。在一實施例中，冷軋退火步驟係進行15秒至90秒，較佳為15秒至60秒，更佳為45秒至60秒。一般而言，較高的退火溫度可搭配較短的退火時間。冷軋退火步驟可使冷軋鋼板發生再結晶並使晶粒成長。因此，在一實施例中，冷軋退火鋼板之平均晶粒尺寸為10μm至35μm。冷軋退火鋼板的平均晶粒尺寸會影響後續製得之無方向性電磁鋼片的晶粒尺寸，進而影響電磁鋼片的鐵損值。

然後，進行步驟150，對冷軋退火鋼板進行調質軋延步驟，以獲得鋼板。調質軋延又稱為輕度軋延，其主要目的並非用以調整鋼板的厚度，而本發明進行調質軋延步驟的目的係用以使鋼板累積足夠的應變能，因為應變能有助於鋼板在後續製程中的晶粒成長。在一實施例中，調質軋延步驟之軋延率為1%至10%，較佳為2%至8%，更佳為2%至5%。若軋延率小於1%，則無法提供鋼板足夠的應變能，以使鋼板在後續製程中發生晶粒成長的現象；反之，若軋延率大於10%，導致應變能太大，而無法達成本發明之目的或造成負面的影響，例如成長過大的晶粒。在經過調質延軋延步驟後，獲得最終所要厚度的鋼板，在一實施例中，鋼板最終厚度可為0.50mm。

接著，進行步驟160，對鋼板進行最終退火步 驟，以獲得無方向性電磁鋼片。在一實施例中，最終退火步驟之升溫速率為5℃/秒至30℃/秒，較佳為10℃/秒至20℃/秒，更佳為15℃/秒至20℃/秒。若最終退火步驟的升溫速率太慢，例如小於5℃/秒，則無法有效降低電磁鋼片的鐵損值，且不利於獲得適當的晶粒取向，進而無法提高磁通密度。由於製程條件的限制，一般而言，無法設定高於30℃/秒的升溫速率。

在一實施例中，最終退火步驟的最終退火溫度為850℃至1000℃，較佳為900℃至1000℃。在一實施例中，最終退火步驟係進行15秒至90秒，較佳為15秒至60秒，更佳為45秒至60秒。若最終退火步驟進行時間小於15秒，則晶粒成長不完全，無法獲得足夠大的晶粒尺寸；反之，若進行時間太長，例如超過90秒，則晶粒已成長完畢，過長的退火時間僅是浪費製程時間及成本。一般而言，較高的退火溫度可搭配較短的退火時間。

在一實施例中，製得之無方向性電磁鋼片的平均晶粒尺寸為70μm至150μm。在一實施例中，無方向性電磁鋼片具有30.0W/K以上的熱傳導係數、3.5W/kg以下的鐵損值(W15/50)以及1.69 Tesla以上的磁通密度(B50)。補充說明的是，W15/50代表激磁頻率為50Hz並激磁到1.5 Tesla時的鐵損值，而B50代表激磁頻率為50Hz，磁場強度達5000A/m時所得之磁通密度。因此，本發明利用方法100可製得兼具高熱傳導係數、低鐵損值以及高磁通密度的無方向性電磁鋼片。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明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。

提供編號分別為A、B、C及D的四種鋼胚，鋼胚A至鋼胚D之碳、硫及氮的含量均為0.003wt%，磷含量為0.08wt%，而矽、錳及鋁的含量如下表一所示，其餘量為鐵及不可避免的雜質。接著，將鋼胚置於1200℃的加熱爐中進行2小時的加熱後，將鋼胚熱軋成厚度為2.5mm的熱軋鋼板。然後，將熱軋鋼板經過酸洗後，進行冷軋步驟，以獲得厚度為約0.521mm的冷軋鋼板。接著，分別將冷軋鋼板依序進行冷軋退火步驟、調質軋延步驟及最終退火步驟，以獲得無方向性電磁鋼片。冷軋退火步驟、調質軋延步驟及最終退火步驟的條件如下表二所示。

將表一的鋼胚分別以表二所示之各種製程後，將製得之無方向性電磁鋼片，根據JIS C2550的規範，進行熱傳導係數、鐵損值(W15/50)及磁通密度(B50)的量測。量測結果如表二所示。

如表二所示，實施例1至實施例5以根據本發明之無方向性電磁鋼片的製造方法所製得之電磁鋼片皆具有3.5W/kg以下的鐵損值，1.69 Tesla以上的磁通密度以及30.0W/K以上的熱傳導係數。然而，比較例1至比較例4則無法同時兼具較小的鐵損值、較高的磁通密度以及較高的熱傳導係數。

比較例1及比較例4是分別以鋼胚A及鋼胚D製作之電磁鋼片，根據表一所示之鋼胚成分中，鋼胚A之矽、錳及鋁的總含量小於1.0重量%，而鋼胚D之矽、錳及鋁的總含量大於2.5重量%，均不符合本發明限制的範圍。因此， 如表三所示，比較例1之電磁鋼片的鐵損值(4.22W/kg)大於3.5W/kg，其係由於合金添加量太低，雖然具有良好的磁通密度及高熱傳導係數，但導致鐵損值偏高。比較例4雖然具有較小的鐵損值，但比較例4的磁通密度(1.67 Tesla)及熱傳導係數(27.6W/mK)皆未達到本發明要求之磁通密度(1.69 Tesla以上)及熱傳導係數(30W/mK以上)。如上所述，過高的合金添加量可能使製得之電磁鋼片的熱傳導係數較低。

比較例2及比較例3係分別使用具有符合本發明限制的鋼胚B及鋼胚C，然而，比較例2在最終退火步驟中，以較小的升溫速率(0.7℃/s)進行加熱，退火溫度僅為800℃，低於本發明之限制，且退火時間較長(120秒)，因此，所製得之電磁鋼片的晶粒取向無法使其具有良好的磁通密度。比較例3則是在冷軋退火步驟的退火溫度較高(900℃)，故獲得平均晶粒尺寸較大(41.0μm)的冷軋退火鋼板。因此，比較例3製得之電磁鋼片因晶粒尺寸較大，進而導致較高的鐵損值。

根據上述實施例，本發明提供之無方向性電磁鋼片及其製造方法，係藉由將具有特定矽、鋁及錳之總含量的鋼胚，在經過特定製程後，以製得具有特定晶粒尺寸及適當之晶粒取向的無方向性電磁鋼片，進而獲得兼具低鐵損值、高磁通密度及高熱傳導係數的電磁鋼片。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常 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。

Claims (8)

1. 一種無方向性電磁鋼片的製造方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚包括：不大於0.01重量%的碳；0.1重量%至2.0重量%的矽；0.1重量%至1.5重量%的錳；0.1重量%至1.5重量%的鋁；0.005重量%至0.1重量%的磷；不大於0.005重量%的硫；不大於0.005重量%的氮；以及其餘量為鐵及不可避免的雜質，其中該鋼胚之矽、鋁及錳之一總含量為大於1.0%，且小於2.5%；對該鋼胚進行一熱軋步驟，以獲得一熱軋鋼板；對該熱軋鋼板進行一冷軋步驟，以獲得一冷軋鋼板；對該冷軋鋼板進行一冷軋退火步驟，以獲得一冷軋退火鋼板，其中該冷軋退火步驟之一退火溫度為700℃至850℃，且該冷軋退火鋼板之一平均晶粒尺寸為10μm至35μm；對該冷軋退火鋼板進行一調質軋延步驟，以獲得一鋼板，其中該調質軋延步驟之一軋延率為1%至10%；以及對該鋼板進行一最終退火步驟，以獲得該無方向性電磁鋼片，其中該無方向性電磁鋼片之一平均晶粒尺寸為70μm至150μm，且該無方向性電磁鋼片具有30.0W/K以上的熱傳導係數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼片的製造方法，更包含，在進行該熱軋步驟前，對該鋼胚進行一加熱步驟，其中該加熱步驟之一加熱溫度係不大於1250℃，並進行2至4小時。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼片的製造方法，其中該冷軋退火步驟係進行15秒至90秒。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼片的製造方法，其中該軋延率為2%至8%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼片的製造方法，其中該最終退火步驟之一升溫速率為5℃/秒至30℃/秒。
6. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼片的製造方法，其中該最終退火步驟之一最終退火溫度為850℃至1000℃。
7. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼片的製造方法，其中該最終退火步驟係進行15秒至90秒。
8. 一種無方向性電磁鋼片，其係利用如申請專利範圍第1項至第7項中之任一項所述之方法製得，其中該無方向性電磁鋼片之一平均晶粒尺寸為70μm至150μm，且該無方向性電磁鋼片具有30.0W/K以上的熱傳導係數。