本发明的一个实施例涉及一种无取向电工钢板及其制造方法。具体地，本发明的一个实施例涉及一种无取向电工钢板及其制造方法，钢板中适量加入as、mg元素，使as和mg适当地在晶界偏析，从而在低磁场区具有低铁损以及高磁通密度。
背景技术：
无取向电工钢板用作电机、发电机等旋转设备和小型变压器等静止设备的铁芯材料，对确定电气设备的能效起重要的作用。
电工钢板的典型特性为铁损和磁通密度，铁损越低越好，而磁通密度越高越好，因为铁芯通电产生磁场时，铁损越低越能降低发热而消耗的能量，磁通密度越高，相同能量产生的磁场越大。
传统上，在用于电机等的无取向电工钢板的磁特性中，铁损是以w15/50为指标用50hz频率下磁化至1.5t时的能量损耗进行评价，而磁通密度是以b50为指标用5000a/m下的电工钢板的磁通密度进行评价，但是在逆变器驱动的交流电机中发生磁化使电工钢板具有1.0t左右的磁通密度，因此在低磁场区的磁特性也变得很重要。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明的一个实施例旨在提供一种无取向电工钢板及其制造方法。具体地，本发明的一个实施例旨在提供一种无取向电工钢板及其制造方法，钢板中适量加入as、mg元素，使as和mg适当地在晶界偏析，从而在低磁场区具有低铁损以及高磁通密度。
(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：1.5％至4.0％、al：0.001％至0.011％、mn：0.05％至0.40％、s：0.0001％至0.01％、as：0.003％至0.015％和mg：0.0007％至0.003％，余量包含fe和不可避免的杂质。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可包含0.0034重量％至0.01重量％的as。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可包含包含0.0009重量％至0.002重量％的mg。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可满足下述式1。
[式1]
[as]>[al]
在式1中，[as]和[al]各自表示as和al的含量(重量％)。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可满足下述式2。
[式2]
3×[mg]>[al]
在式2中，[mg]和[al]各自表示mg和al的含量(重量％)。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可包含sn：0.02重量％至0.15重量％和p：0.01重量％至0.15重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可满足下述式3。
[式3]
0.03≤[sn]+[p]≤0.15
在式3中，[sn]和[p]各自表示sn和p的含量(重量％)。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可包含c：小于等于0.004重量％、n：小于等于0.003重量％和ti：小于等于0.003重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可包含cu、ni和cr中的一种或多种分别小于等于0.05重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可包含zr、mo和v中的一种或多种分别小于等于0.01重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可包含0.0001面积％至0.003面积％的as析出物。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，as析出物的平均粒径可为3nm至100nm。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可包含0.0002面积％至0.005面积％的mgs析出物。
mgs析出物的平均粒径可为3nm至30nm。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，平均晶粒粒径可为60μm至300μm。
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：1.5％至4.0％、al：0.001％至0.011％、mn：0.05％至0.40％、s：0.0001％至0.01％、as：0.003％至0.015％和mg：0.0007％至0.003％，余量包含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。
板坯可以加热到1100℃至1250℃。
在制造热轧板的步骤之后，还可包含对所述热轧板以950℃至1200℃的温度进行退火的热轧板退火步骤。
最终退火步骤中，可以在950℃至1150℃下对冷轧板进行退火。
(三)有益效果
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，钢板中适量加入as和mg元素，使as和mg适当地在晶界偏析，从而可以获得磁性优异的无取向电工钢板。
尤其，在本发明的一个实施例中，可以获得在低磁场区具有低铁损以及高磁通密度的无取向电工钢板。
另外，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板提供优化的特性，应用于逆变器驱动的交流电机等。
具体实施方式
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。在说明书中使用的“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，其间不存在其他部分。
虽然没有另作定义，但是本文中使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同。对于辞典中定义的术语，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。
另外，在没有特别提及的情况下，％表示重量％，1ppm是0.0001重量％。
在本发明的一个实施例中，钢成分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。
在下文中，将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。然而，本发明能够以各种不同方式实施，并不限于本文所述的实施例。
在本发明的一个实施例中，通过优化无取向电工钢板中的组分，特别是主要加入成分as、mg的范围，使as和mg适当地在晶界偏析，从而可以获得在低磁场区具有低铁损以及高磁通密度的无取向电工钢板。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，以重量％计，所述钢板包含si：1.5％至4.0％、al：0.001％至0.011％、mn：0.05％至0.40％、s：0.0001％至0.01％、as：0.003％至0.015％和mg：0.0007％至0.003％，余量包含fe和不可避免的杂质。
首先，说明无取向电工钢板的成分限制理由。
si：1.5重量％至4.0重量％
硅(si)是增加钢的电阻率降低铁损中涡流损耗的成分，是无取向电工钢板中加入的主要元素。如果si的加入量过少，则难以获得低铁损特性，可能会发生1000℃或更高的温度下退火时相变的问题。如果si的加入量过多，则轧制性可能会下降。因此，在本发明的一个实施例中，将si的加入量限制在1.5重量％至4.0重量％。更具体地，si的加入量可为2.0重量％至3.5重量％。
al：0.001重量％至0.011重量％
铝(al)是炼钢工艺中为了钢的脱氧不可避免加入的元素。在常规炼钢工艺中，钢中存在0.001重量％或更多的al。但是，如果al过量加入，则饱和磁通密度会降低，并且形成微细的aln，进而抑制晶粒生长，最终造成磁性下降。因此，在本发明的一个实施例中，将al的加入量限制在0.001重量％至0.011重量％。更具体地，al的加入量可为0.0015重量％至0.005重量％。
mn：0.05重量％至0.40重量％
锰(mn)具有与si、al等一起增加电阻率降低铁损的效果。因此，现有技术中通过大量加入mn来改善铁损，但是随着mn的加入量增加，饱和磁通密度降低，所以施加恒定电流时的磁通密度会降低。此外，由于mn是形成强硫化物的元素，当大量加入时，本发明的一个实施例中要利用的mg和as的效果会降低。因此，为了提高磁通密度以及防止夹杂物导致的铁损增加，在本发明的一个实施例中，将mn加入量限制在0.05重量％至0.40重量％。更具体地，mn加入量可为0.05重量％至0.30重量％。
s：0.0001重量％至0.01重量％
硫(s)是形成不利于磁特性的mns、cus和(cu、mn)s等硫化物的元素。众所周知，为了抑制铁损的增加，优选加入量要低。然而，当s在钢表面偏析时，具有降低{100}面的表面能量的效果。因此，通过加入s，也可以获得有利于磁性的{100}面较强的织构。尤其，与mg和as反应的s的量与mg和as的原子总数成正比，因此需要确定s的范围，以便能够充分提供与mg和as结合而形成硫化物的原子。但是，如果过量加入，则由于晶界偏析，加工性大大降低，可能会发生表面偏析导致的问题。因此，在本发明的一个实施例中，将s加入量限制在0.0001重量％至0.01重量％。更具体地，s加入量可为0.0005重量％至0.005重量％。
as：0.003重量％至0.015重量％
在本发明的一个实施例中，砷(as)用作晶界偏析元素。因此，通过与钢中的其他偏析元素p和sn、s等竞争来确定偏析量。p或s引起的偏析会造成晶界的强度恶化，进而在常温至900℃之间的区段，有可能造成加工性大幅恶化。因此，从加工性方面出发，优选加入量大于等于0.003重量％。当过量加入时，可能会阻碍有助于形成{100}面的p和s的偏析效果，因此限制as的加入量。更具体地，可包含0.0034重量％至0.01重量％的as。
mg：0.0007重量％至0.003重量％
在本发明的一个实施例中，镁(mg)的作用是连铸中与s结合而形成mgs，以使热轧板的结晶生长速度减缓。此外，在电工钢板的制造工艺中，与mns等复合结合而粗大化，因此最终退火中不会出现结晶生长速度减缓效果。但是，当过量加入时，可能会抑制基于p的退火中织构控制效果。此时，适当的mg的加入范围，可以期待使硫化物粗大化以促进粒子生长的效果。因此，在本发明的一个实施例中，将mg的加入量限制在0.0007重量％至0.003重量％。更具体地，mg的加入量可为0.0009重量％至0.002重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可满足下述式1。
[式1]
[as]>[al]
在式1中，[as]和[al]各自表示as和al的含量(重量％)。
al是形成氮化物的元素，当钢中形成氮化物时，对结晶生长非常不利。特别是，由于晶界上形成的al，结晶生长会受阻。此时，如果晶界上存在晶界偏析元素as，则al不会在晶界微析出，所以不会阻碍结晶生长。因此，在本发明的一个实施例中，将as和al的关系控制在如上述式1所示。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可满足下述式2。
[式2]
3×[mg]>[al]
在式2中，[mg]和[al]各自表示mg和al的含量(重量％)。
对于形成硫化物的mg，因为s是晶界偏析元素，所以与s结合形成硫化物后会留在晶界。因此，基于al的氮化物在热轧中不会形成在晶界。在电工钢板的制造工艺中，随着mn与s结合，mgs变成(mn、mg)s而粗大化，因此结晶生长抑制效果变弱。为了这样的效果，mg应该大于等于al的1/3。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可包含sn：0.02重量％至0.09重量％和p：0.01重量％至0.15重量％。如前所述，当进一步包含附加元素时，余量的fe中一部分被附加元素替代。也就是说，以重量％计，所述无取向电工钢板包含si：1.5％至4.0％、al：0.001％至0.011％、mn：0.05％至0.40％、s：0.0001至0.01重量％、as：0.003％至0.015％、mg：0.0007％至0.003％、sn：0.02重量％至0.09重量％和p：0.01重量％至0.15重量％，余量包含fe和不可避免的杂质。
sn：0.02重量％至0.09重量％
锡(sn)的作用是在钢板的表面和晶界偏析，从而抑制退火时表面氧化，并改善织构。如果sn的加入量过少，则效果可能会不充分。如果sn的加入量过多，则由于晶界偏析，致使韧性下降，相对于改善磁性，生产性会下降，所以不优选过量加入。因此，当进一步加入sn时，可以在0.02重量％至0.09重量％的范围内加入。更具体地，sn可包含0.03重量％至0.07重量％。
p：0.01重量％至0.15重量％
磷(p)增加电阻率降低铁损且在晶界偏析，从而抑制形成不利于磁性的{111}织构，并形成有利的织构{100}。但是，如果过量加入，则轧制性会下降。此外，当进一步加入p时，作为降低钢的板面中{100}面的表面能量的元素，通过含有更多的p，在表面偏析的p的量变多，由此进一步降低有利于磁性的{100}面的表面能量，从而可以在退火中提高具有有利于磁性的{100}面的晶粒的生长速度。因此，在本发明的一个实施例中，p的加入量可为0.01重量％至0.15重量％。更具体地，p可包含0.02重量％至0.1重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可满足下述式3。
[式3]
0.03≤[sn]+[p]≤0.15
sn和p是晶界偏析元素，如果这些元素没有在晶界偏析，就会有过多的微析出物形成在晶界上，无法期待通过控制as偏析或(mg、mn)s、aln等析出物来改善结晶生长、磁通密度。因此，当进一步加入sn和p时，优选sn和p的含量合计大于等于0.03重量％。但是，如果sn和p的加入量过多，就会造成钢板表面上的各种缺陷，因此它们的加入量可以限制成如上所述。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可包含c：小于等于0.004重量％、n：小于等于0.003重量％和ti：小于等于0.003重量％。
c：小于等于0.004重量％
如果碳(c)的加入量很多，就会扩大奥氏体区域，并增加相变区，但是抑制退火时铁素体的晶粒生长，进而出现提高铁损的效果。此外，c与ti等结合而形成碳化物，从而导致磁性变差，由最终产品加工成电气产品后，使用时磁时效导致铁损增加。因此，当进一步包含c时，将含量限制在小于等于0.004重量％。
n：小于等于0.003重量％
氮(n)是不利于磁性的元素，与al、ti等强力结合，从而形成氮化物抑制晶粒生长，因此优选少量含有。当进一步包含n时，将含量限制在小于等于0.003重量％。
ti：小于等于0.003重量％
钛(ti)形成微细的碳化物和氮化物，从而抑制晶粒生长，加入量越多，碳化物和氮化物越增加，因此织构也变差，进而磁性变差。当进一步包含ti时，将含量限制在小于等于0.003重量％。
其他杂质
除了前述的元素之外，还可包含不可避免混入的杂质。余量是铁(fe)，当加入前述的元素之外的附加元素时，余量的铁(fe)中一部分被附加元素替代。
不可避免加入的杂质可以是cu、ni、cr、zr、mo、v等。
可包含cu、ni和cr中的一种或多种分别小于等于0.05重量％。cu、ni、cr与杂质元素发生反应而形成微细的硫化物、碳化物和氮化物，对磁性产生不利影响，因此将它们的含量分别限制在小于等于0.05重量％。
另外，还可包含zr、mo和v中的一种或多种分别小于等于0.01重量％。zr、mo、v等也是强劲的碳氮化物形成元素，因此优选尽可能避免加入这些元素，使得它们的含量分别小于等于0.01重量％。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可包含0.0001面积％至0.003面积％的as析出物。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，as析出物的平均粒径可为3nm至100nm。
由于使as析出物适当地析出，al不会在晶界微析出，因此不会阻碍结晶生长。最终，可以提高无取向电工钢板的磁性。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可包含0.0002面积％至0.005面积％的mgs析出物。
mgs析出物的平均粒径可为3nm至30nm。
电工钢板的微细组织内平均晶粒粒径可为60μm至300μm。如果晶粒粒径过小，则磁滞损耗大大增加，从而造成铁损恶化。此外，由于微析出物和偏析所产生的效果，为了改善磁通密度，优选具有适当的晶粒粒径。但是，如果晶粒粒径过大，则退火后涂覆的产品在冲切时加工上可能会出现问题。更具体地，平均晶粒粒径可为90μm至200μm。
构成无取向电工钢板的晶粒是由冷轧工艺中加工的未再结晶组织在最终退火工艺中再结晶的再结晶组织构成，再结晶的组织为99体积％以上。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，如前所述，具有优异的磁性。尤其，在低磁场区具有低铁损以及高磁通密度。
具体地，5000a/m的磁场下感应的磁通密度(b50)大于等于1.7t。更具体地，磁通密度(b50)为1.73至1.85t。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，如前所述，在低磁场区具有低铁损。具体地，以50hz的频率激励1.3t的磁通密度时的铁损(w13/50)可小于等于1.5w/kg。更具体地，铁损(w13/50)可为1.3w/kg至1.47w/kg。测定铁损时，厚度标准为0.35mm。如此，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板提供优化的特性，应用于逆变器驱动的交流电机等。也就是说，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板可用于交流电机。
根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，不仅低磁场区的铁损优异，而且一般铁损也优异。具体地，以50hz的频率激励1.5t的磁通密度时的铁损(w15/50)可小于等于2.3w/kg。更具体地，铁损(w15/50)可为1.5w/kg至2.15w/kg。
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：1.5％至4.0％、al：0.001％至0.011％、mn：0.05％至0.40％、s：0.0001％至0.01％、as：0.003％至0.015％和mg：0.0007％至0.003％，余量包含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。
下面按照各步骤详细描述。
首先，对板坯进行加热。板坯中各组分的加入比例限制理由与前述的无取向电工钢板的组分限制理由相同，因此不再赘述。在下述的热轧、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1250℃。在高于1250℃的温度下加热时，板坯中存在的aln、mns等析出物会再固溶后热轧时微析出，从而抑制晶粒生长，可能会导致磁性下降。
板坯加热后实施热轧，轧制成2.0mm至2.3mm，并卷取热轧后的热轧板。热轧时，精轧中的终轧在铁素体相区域结束。此时，热轧时，可以大量加入si、al、p等铁素体相扩张元素或者少量加入抑制铁素体相的元素mn、c等。如此，在铁素体相区域轧制时，织构中形成很多{100}面，因此可以提高磁性。
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，热轧板退火温度可为950℃至1200℃。如果热轧板退火温度过低，则组织不会生长或者微生长，磁通密度的上升效果低，如果退火温度过高，则磁特性反而会下降，由于板形状变形，轧制操作性会变差。对于热轧板退火，根据需要来执行，以增加有利于磁性的取向，也可以省略热轧板退火。
接下来，对热轧板进行酸洗，并冷轧成预定板厚。根据热轧板厚度，可以采用不同的压下率，通过采用50％至95％的压下率，可以冷轧成最终厚度为0.2mm至0.65mm。对于冷轧，可以实施一次冷轧，或者根据需要，也可以实施包含中间退火的两次以上冷轧。
对冷轧后的冷轧板进行最终退火(冷轧板退火)。在对冷轧板进行最终退火的工艺中，退火时均热温度为950℃至1150℃。
如果冷轧板退火温度过低，则可能难以获得具有足够的尺寸以获得低铁损的晶粒。如果退火温度过高，则退火中板形状不均匀，并且析出物在高温下再固溶后冷却过程中微析出，因此可能对磁性产生不良影响。
最终退火后的钢板可以进行绝缘覆膜。至于绝缘层形成方法，是无取向电工钢板技术领域中众所周知的，因此省略详细描述。具体地，作为绝缘层形成组合物，可以不受限制地使用铬类(cr-type)或无铬类(cr-freetype)中的任何一种。
下面描述本发明的优选实施例和比较例。然而，下述实施例是本发明的一个优选实施例而已，本发明不限于下述实施例。
实施例1
制造板坯，以重量％计，所述板坯包含下表1和表2的成分以及余量的fe和不可避免的杂质。将板坯再加热到1150℃，然后热轧成2.5mm，以制造热轧板。将所制造的各热轧板在650℃下卷取，然后在空气中冷却，并在1100℃下实施热轧板退火3分钟。接着，对热轧板进行酸洗，然后实施冷轧，轧制成厚度为0.35mm。对冷轧板在1050℃下进行最终退火1分钟。
分析磁性和微细组织特性，并示于下表3中。对于析出物密度，用透射电子显微镜的复制法进行测定。对于磁通密度(b50)和铁损(w13/50、w15/50)，利用大小为60×60mm2的单板测定装置沿轧制方向和轧制垂直方向进行测定，并求出平均值。对于平均晶粒粒径，由光学显微镜图片求出平均晶粒面积，并通过取平方根来确定。
【表1】
【表2】
【表3】
如表1至表3所示，控制as和mg的含量的发明例，其磁性优异，尤其在低磁场区的铁损(w13/50)优异。
另一方面，在没有满足as和mg的含量的情况下，磁特性较差。
本发明能以各种不同方式实施，并不局限于上述的实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下能够通过其他具体方式实施本发明。因此，应该理解上述的实施例在所有方面都是示例性的，并不是限制性的。