本发明涉及一种无取向电工钢板及其制备方法。更具体而言，涉及一种作为用于电机的铁芯的无取向电工钢板及其制备方法，涉及一种高频铁损低且磁通密度高的无取向电工钢板及其制备方法。
背景技术：
为了改善节能、减少雾霾和减少温室气体等地球环境问题，有效利用电能已经成为一个大问题。由于目前生产的总电能中50％以上消耗在电动机，因此必须实现电动机的高效化，以有效利用电力。近来，随着环保汽车(混合动力汽车、插电式混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车)领域的迅速发展，对高效驱动电机的关注日益增加，同时，由于对家用高效电机、重型电器用超高端电机等的高效化的认识和政府管制不断加强，对有效利用电能的要求比以往任何时候都高。
一方面，为了实现电动机的高效化，在从材料的选择到设计、组装和控制的所有领域进行优化非常重要。尤其，在材料方面，电工钢板的磁性能最为重要，因此对低铁损和高磁通密度有很高的要求。铁损是指在特定磁通密度和频率下发生的能量损失，磁通密度是指在特定磁场下受磁化的程度。铁损越低，在相同的条件下能够制备能效高的电动机，磁通密度越高，能够使电动机小型化或减少铜损。这时，就不仅在商用频率范围内驱动，而且要在高频范围内驱动的汽车驱动电机或空调压缩机用电机而言，高频低铁损特性非常重要。
为了获得这样的高频低铁损特性，需要在钢板制备过程中添加大量的如si、al和mn的电阻率元素，还需要积极控制钢板内部存在的夹杂物和微细析出物，使得它们无法干扰磁壁移动。然而，存在一种问题：为了控制夹杂物和微细析出物，要在炼钢过程中将如c、s、n、ti、nb和v等的杂质元素含量提炼成极低，则需要使用高级原料，并且由于二次精炼需要很长时间，因此生产性下降。
因此，对如si、al和mn的电阻率元素的大量添加方法以及将杂质元素含量控制为极低的方法进行了研究，但实际应用结果并不明显。
技术实现要素：
要解决的技术问题
本发明提供一种无取向电工钢板及其制备方法。更具体而言，提供一种作为用于电机的铁芯的无取向电工钢板及其制备方法，提供一种高频铁损低且磁通密度高的无取向电工钢板及其制备方法。
解决技术问题的手段
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，以重量％计，包含si：2.5至3.8％、al：0.5至2.5％、mn：0.2至4.5％、as：0.0005至0.02％、bi：0.0005至0.01％以及余量的fe和不可避免的杂质，并且满足下述[式1]。
[式1]
0.3≤[表面微细晶粒径]×[微细晶粒形成厚度]×([as]/[bi])≤5.0
在式1中，[表面微细晶粒径]是指电工钢板极表面层的微细的晶粒的平均粒径(μm)，[微细晶粒形成厚度]是指形成微细的晶粒的极表面层的厚度(mm)，[as]是指as的组成(重量％)，[bi]是指bi的组成(重量％)。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板的as与bi的合可以为0.0005至0.025％。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板可以满足[式2]。
[式2]
1≤[as]/[bi]≤10
在式2中，[as]是指钢坯内的as的组成(重量％)，[bi]是指钢坯内的bi的组成(重量％)。
在电工钢板厚度的10％以内的极表面层中，可能存在小于平均晶粒径的25％的微细的晶粒。
电工钢板还可包含n：0.0040％以下(不含0％)、c：0.0040％以下(不含0％)、s：0.0040％以下(不含0％)、ti：0.0040％以下(不含0％)、nb：0.0040％以下(不含0％)、v：0.0040％以下(不含0％)中的一种以上。
电工钢板的电阻率可以为45μω·㎝以上。
电工钢板的铁损(w0.5/10000)可以为10w/kg以下。
一方面，根据本发明一实施例的无取向电工钢板的制备方法包括：加热钢坯的步骤，所述钢坯，以重量％计，包含si：2.5至3.8％、al：0.5至2.5％、mn：0.2至4.5％、as：0.0005至0.02％、bi：0.0005至0.01％以及余量的fe和不可避免的杂质；通过对钢坯进行热轧来制备热轧板的步骤；通过对热轧板进行冷轧来制备冷轧板的步骤；以及通过对冷轧板进行最终退火来制备电工钢板的步骤。
钢坯的as与bi的合可以为0.0005％至0.025％。
钢坯可以满足[式2]。
[式2]
1≤[as]/[bi]≤10
在式2中，[as]是指钢坯内的as的组成(重量％)，[bi]是指钢坯内的bi的组成(重量％)。
在对冷轧板进行最终退火的步骤中，直至700℃的加热速度可以为10℃/s以上。
根据本发明一实施例的制备方法制备的冷轧钢板可以满足[式1]。
[式1]
0.3≤[表面微细晶粒径]×[微细晶粒形成厚度]×([as]/[bi])≤5.0
在式1中，[表面微细晶粒径]是指电工钢板极表面层的微细的晶粒的平均粒径(μm)，[微细晶粒形成厚度]是指形成微细的晶粒的极表面层的厚度(mm)，[as]是指钢坯内的as的组成(重量％)，[bi]是指钢坯内的bi的组成(重量％)。
钢坯还可包含n：0.0040％以下(不含0％)、c：0.0040％以下(不含0％)、s：0.0040％以下(不含0％)、ti：0.0040％以下(不含0％)、nb：0.0040％以下(不含0％)、v：0.0040％以下(不含0％)中的一种以上。
制备热轧板的步骤；之后，可以进一步包括对热轧板进行热轧板退火的步骤。
发明效果
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，当通过按照一定的比率添加as和bi来优化最终退火时的升温速度时，可以助长表面微细晶粒，从而改善趋肤效应导致的高频范围内的铁损。
因此，根据本发明一实施例的无取向电工钢板适用于高速旋转。
通过提供这种能够制备无取向电工钢板的技术，可以为环保汽车用电机、家用高效电机、超高端电动机的制作做出贡献。
具体实施方式
在本说明书中，第一、第二和第三等术语用于说明多种部分、成分、区域、层和/或段，但并不限于此。这些术语用于将某一部分、成分、区域、层或段与另一部分、成分、区域、层或段相区分开。因此，在不脱离本发明的范围的前提下，以下所述的第一部分、成分、区域、层或段可以被提及为第二部分、成分、区域、层或段。
在本说明书中，某个部分“包括”某一构成要素，意味着除非另有特别相反的记载，还可以包括其他构成要素，而不是排除其他构成要素。
在本说明书中，使用的全文术语仅用于提及特定实施例，而不旨在限定本发明。本文使用的单数形式只要在句子上不表示与此明确相反的含义则包含复数形式。说明书中使用的“包含”的含义是使特定特性、区域、整数、步骤、操作、要素和/或成分具体化，而不排除其他特性、区域、整数、步骤、操作、要素和/或成分的存在或附加。
在本说明书中，马库什型描述中包含的术语“这些的组合”是指从由马库什型描述中记载的构成要素组成的组中选择的一个以上构成要素的混合或组合，意味着包括从由所述构成要素组成的组中选择的一个以上构成要素。
在本说明书中，当提及为某一部分位于其他部分的“上方”或“上”时，可以是直接位于其他部分的上方或上，或者它们之间可以存在其他部分。相比之下，当提及为某一部分“直接”位于其他部分的“上方”时，它们之间不存在其他部分。
虽然没有另外进行定义，但是这里使用的包含技术术语和科学术语的所有术语具有与本发明所属技术领域的技术人员所通常理解的含义相同的含义。通常使用的词典中定义的术语被附加解释为具有符合相关技术文献和当前公开的内容的含义，只要未定义，则不应以理想的或非常正式的含义解释。
此外，只要未特别提及，则％表示重量％并且1ppm为0.0001重量％。
在本发明一实施例中还包含附加元素的含义为代替作为剩余部分的铁(fe)包含附加量的附加元素。
以下，对本发明实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的技术人员容易实施。然而，本发明可以以多种不同的形式实现，不限于这里说明的实施例。
为了改善无取向电工钢板的高频铁损，需要将晶粒径变小，同时由于趋肤效应，有必要将表面层的晶粒制成更加微细。然而，当在钢板内二元化晶粒径时，可能会因析出物的导入等导致磁性劣化。本发明的目的在于，通过利用特殊元素as、bi来在表面上制备微细的晶粒，从而能够更容易地制备不仅生产率优异而且高频铁损也优异的电工钢板。以下，对用于达成上述目的的条件进行说明。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，以重量％计，包含si：2.5至3.8％、al：0.5至2.5％、mn：0.2至4.5％、as：0.0005至0.02％、bi：0.0005至0.01％以及余量的fe和不可避免的杂质，并且满足下述[式1]。
[式1]
0.3≤[表面微细晶粒径]×[微细晶粒形成厚度]×([as]/[bi])≤5.0
在式1中，[表面微细晶粒径]是指电工钢板极表面层中的微细的晶粒的平均粒径(μm)、[微细晶粒形成厚度]是指形成微细的晶粒的极表面层的厚度(mm)、[as]是指as的组成(重量％)、[bi]是指bi的组成(重量％)。
更具体而言，还可包含n：0.0040％以下(不含0％)、c：0.0040％以下(不含0％)、s：0.0040％以下(不含0％)、ti：0.0040％以下(不含0％)、nb：0.0040％以下(不含0％)、v：0.0040％以下(不含0％)中的一种以上。
更具体而言，as与bi的合可以为0.0005％至0.025％。
更具体而言，可以满足[式2]。
[式2]
1≤[as]/[bi]≤10
在式2中，[as]是指钢坯内的as的组成(重量％)，[bi]是指钢坯内的bi的组成(重量％)。
首先，对限定无取向电工钢板的成分的理由进行说明。
si：2.5至3.8重量％
si起通过提高材料的电阻率来降低铁损的作用，并且当过少添加时，高频铁损改善效果可能不够。相反地，当过多添加时，由于材料的硬度上升，从而冷轧性极度恶化，因此生产率和冲压性变差。因此，可以在上述范围内添加si。更具体而言，可包含2.7至3.5重量％的si。
al：0.5至2.5重量％
al起通过提高材料的电阻率来降低铁损的作用，并且当过少添加时，则对减少高频铁损没有效果，并且细微地形成氮化物，从而可能会劣化磁性。相反地，当添加量过多时，则可能会在炼钢和连续铸造等所有工艺上产生问题，从而可能极大降低生产率。因此，可以在上述范围内添加al。更具体而言，可包含0.5至2.0重量％的al。更具体而言，可包含0.5至1.5重量％的al。
mn：0.2至4.5重量％
mn起通过提高材料的电阻率来改善铁损并形成硫化物的作用，并且当过少添加时，则mns细微地析出，从而劣化磁性。相反地，当过多添加，则助长对磁性不利的{111}集合组织的形成，从而可能急剧减小磁通密度。因此，可以在上述范围内添加mn。更具体而言，可包含0.3至4.0重量％的mn。更具体而言，可包含0.4至3.0重量％的mn。
as：0.0005至0.02重量％
as起通过在表面层偏析来调节晶粒生长性的作用。基本上，在本发明的一实施例中，为了解决现有技术中存在的问题，不仅优化作为主要添加成分的si、al以及mn的范围，还以一定比率添加少量的作为特殊添加元素的as和bi。另外，还通过控制将在后处理制备方法的说明中提及的最终退火时的升温速度，在表面形成微细晶粒，来限定磁性优异的范围。这时，如果过少添加as，则as无法充分偏析，从而可能无法发挥助长晶粒生长性的作用。相反地，如果过多添加，则抑制钢板整体的晶粒生长性，从而可能导致磁性变差。因此，可以在上述范围内添加as。更具体而言，可包含0.001至0.02重量％的as。
bi：0.0005至0.01重量％
bi起帮助as的表面偏析的添加剂的作用。如果过少添加，则帮助as的表面偏析，从而可以在退火工艺中起促进极表面层晶粒微细化的作用。相反地，如果过多添加，则会助长微细的析出物的形成，从而可能劣化铁损。因此，可以在上述范围内添加bi。更具体而言，可包含0.0007至0.01重量％的bi。
其他杂质元素c、s、n、ti、nb、v：各0.004重量％以下
n通过与ti、nb、v结合来形成氮化物或者碳化物。这种氮化物或碳化物的大小越微细，则晶粒生长性越低，由于考虑到每个氮化物或碳化物的程度和作用不同，其含量可以在上述范围内添加。
由于c可以通过与n、ti、nb、v等反应生成微细的碳化物来起妨碍晶粒生长性和磁畴移动的作用，并且引起磁时效，因此可以在上述的范围内添加。
由于s通过形成硫化物来劣化晶粒生长性，因此可以在上述的范围内添加。更具体而言，可包含c、s、n、ti、nb以及v，其中，c、s、n、ti、nb以及v的含量分别为0.003重量％以下。
除了上述成分以外，本发明还包含fe以及不可避免的杂质。但不排除上述成分以外的有效成分的添加。
接下来，对限定无取向电工钢板的成分元素间的添加比率的理由进行说明。
[as]+[bi]：0.0005至0.025，[as]/[bi]：1至10
由于[as]+[bi]仅需以一定量以上存在，并且在极表面层偏析，因此as或bi中仅存在一种即可，如果其合计过多，则可能会因微细的析出物形成而使晶粒生长性极其下降。另外，限定[as]/[bi]比的理由是在很小的范围内可能不会充分发生极表面偏析，因此可能难以助长晶粒。相反地，在很大的范围内，由于没有bi的催化作用，从而几乎无法生成表面微细晶粒径，因此可以限定其比率。
0.3≤[表面微细晶粒径(μm)]×[微细晶粒形成厚度(mm)]×([as]/[bi])≤5.0
找出退火时形成的表面微细晶粒径和微细晶粒形成厚度取决于[as]/[bi]的比率并将其公式化。在很小的范围内可能几乎不会形成微细晶粒。相反地，在很大的范围内，表面微细晶粒会变粗，变得与平均晶粒几乎相同，因此，应在所述范围内进行管理。这里，[表面微细晶粒径]是指电工钢板极表面层的微细的晶粒的平均粒径(μm)，[微细晶粒形成厚度]是指微细的晶粒形成的极表面层的厚度(mm)，[as]是指as的组成(重量％)，[bi]是指bi的组成(重量％)。
更具体而言，[表面微细晶粒径]可指在电工钢板极表面层存在的大小不到平均晶粒径的25％的微细晶粒的大小。具体而言，[表面微细晶粒径]可以为13μm以上。更具体而言，可以为15μm至20μm。
更具体而言，[微细晶粒形成厚度]可指电工钢板厚度的10％以内的微细晶粒存在的极表面层。具体而言，[微细晶粒形成厚度]可以为11μm以上。更具体而言，可以为15μm至30μm。
因此，根据本发明一实施例的无取向电工钢板，在电工钢板厚度的10％以内的极表面层中可以存在粒径长度不到平均晶粒径的25％的微细的晶粒。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，电阻率可以为45μω·㎝以上。具体而言，可以为53μω·㎝以上。更具体而言，可以为64μω·㎝以上。虽然没有特别限制其上限，但是可以为100μω·㎝以下。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，其高频铁损(w0.5/10000)可以为10w/kg以下。具体而言，可以为9w/kg以下。更具体而言，可以为8.5w/kg以下。虽然没有特别限制其下限，但是可以为7.0w/kg以上。在本发明的一实施例中，由于高频铁损非常低，因此尤其当将所述钢板用于机动车电机时，在高速行驶中的燃油经济性优异。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，其铁损(w10/400)可以为15.5w/kg以下。更具体而言，可以为14.8w/kg以下。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板，其磁通密度(b50)可以为1.63t以上。就磁通密度为1.63t而言，当用作机动车电机时，具有出发和加速时的转矩优异的特征。
根据本发明一实施例的无取向电工钢板的制备方法包括：准备钢坯的步骤，所述钢坯，以重量％计，包含si：2.5至3.8％、al：0.5至2.5％、mn：0.2至4.5％、as：0.0005至0.02％、bi：0.0005至0.01％以及余量的fe和不可避免的杂质；加热钢坯的步骤；通过对经加热的钢坯进行热轧来制备热轧板的步骤；通过对热轧板进行冷轧来制备冷轧板的步骤；以及通过对冷轧板进行最终退火来制备电工钢板的步骤。在对冷轧板进行最终退火的步骤中，直至700℃的加热速度可以为10℃/s以上。下面按各步骤进行具体说明。
首先，准备满足上述组成的钢坯。限定钢坯内各组成的添加比率的理由与限制上述无取向电工钢板的组成的理由相同，因此省略重复的说明。在后述热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火等制备过程中，钢坯的组成实质上没有变动，因此钢坯的组成与无取向电工钢板的组成实质上相同。
在这种炼钢步骤中，当向钢水中添加合金元素时，可以优先添加si、al以及mn后,添入as或bi中的一种以上元素，之后可以通过利用ar气体等实施五分钟以上的充分的鼓泡(bubbling)来使as与bi反应。此后，可以通过在连续铸造工艺使控制的钢水凝固来制备钢坯。
接下来加热所制备的钢坯。通过加热，可以顺利地进行随后的热轧工艺，并且可以均质化钢坯。更具体而言，加热可以是指再加热。这时，钢坯加热温度可以为1100至1250℃。如果钢坯的加热温度过高，则析出物再熔解，因此在热轧之后会细微地析出。
接下来，通过热轧经加热的钢坯来制备热轧板。热轧的终轧温度可以为800℃以上。
在制备热轧板的步骤之后，还可包括对热轧板进行热轧板退火的步骤。这时，热轧板退火温度可以为850至1150℃。如果热轧板退火温度过低，则组织不会生长或细微地生长，因此磁通密度的上升效果小，相反地，如果热轧板退火温度过高，则磁特性反而会劣化，并且由于板形状的变形，轧制操作性可能会变差。更具体而言，温度范围可以为950至1125℃。更具体而言，热轧板的退火温度可以为900至1100℃。热轧板退火是为了根据需要使有利于磁性的方位增加而执行的，也可以省略。
接下来，通过对热轧板进行酸洗，再进行冷轧以达到规定的板厚度来制备冷轧板。虽然可以根据热轧板厚度而不同地应用，但可以通过应用70至95％的压下率来进行冷轧，使得最终制得的冷轧板的厚度为0.2至0.65mm。
接下来，通过对冷轧板进行最终退火来制备电工钢板。最终退火温度可以为800至1050℃。如果最终退火温度过低，则再结晶无法充分发生，如果最终退火温度过高，则因晶粒发生急剧生长，从而可能劣化磁通密度和高频铁损。更具体而言，可在900至1000℃的温度下进行最终退火。在前一步骤的冷轧步骤中形成的加工组织可以在最终退火过程中全部(即，99％以上)再结晶。
在对冷轧板进行最终退火的步骤中，可以将直至700℃的加热速度控制在10℃/s以上。这是为了通过特殊添加元素的表面偏析来助长极表面微细晶粒。极表面层可指钢板厚度的10％以内，微细晶粒可指大小不到平均晶粒径的25％的微细的晶粒径。更更具体而言，加热速度可以控制在13至35℃/s以上。
此后，可以以10至30℃/s的速度从700℃以上的温度加热至上述的最终退火温度。
可以利用光学显微镜来确认此时极表面微细晶粒的晶粒径，并且观察面是轧制垂直方向上的截面(td面)。
下面，通过实施例对本发明进行更加详细地说明。然而，应注意的是，以下实施例仅用于通过例示本发明来进行更加详细地说明，而不是用于限制本发明的权利范围。这是因为，本发明的权利范围是由权利要求书中记载的事项和从中合理推断出的事项决定的。
(实施例)
制备了如下表1所示组成，含余量的fe和不可避免的杂质的钢坯。钢坯的杂质c、s、n以及ti均控制在0.003％。以1150℃加热钢坯，以850℃的热精轧温度热轧，从而制备了板厚度为2.0mm的热轧板。将热轧后的热轧板在1100℃下热轧板退火四分钟后，通过进行酸洗和冷轧来使厚度成为0.25mm，以表2的温度范围和升温速度进行了最终退火。因此，如表2所示，制备了平均晶粒径为80μm至100μm的退火板。可以利用光学显微镜来确认此时极表面微细晶粒的晶粒径，并且观察面是轧制垂直方向上的截面(td面)。
在下表3中示出了每个样品的电阻率、磁通密度(b50)、铁损(w10/400)以及高频铁损(w0.5/100000)。通过使用单张测试仪(singlesheettester)来将这种磁性能确定为轧制方向和垂直方向的平均值。这时，b50是在5000a/m的磁场中诱导出的磁通密度、w10/400是以400hz的频率诱发出1.0t的磁通密度时的铁损、w0.5/100000是以100000hz的频率诱发出0.05t的磁通密度时的铁损。
就属于本发明的范围的钢种而言，形成有厚度为约15μm以上的微细表面层，并且表面微细晶粒的直径也为约15μm以上。在这种情况下，高频铁损特性优异。
【表1】
【表2】
【表3】
本发明不限于上述实施例，可以以多种不同的形式制备，并且本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解本发明在不变更本发明的技术思想或必要的特征的情况下可以以其他具体的形式实施。因此应理解，以上所述的实施例在所有方面都是示例性的而不是限定性的。