无取向电工钢板及其制造方法与流程

1.本发明涉及无取向电工钢板及其制造方法。具体地，本发明涉及一种无取向电工钢板及其制造方法，在加入cu的钢成分中，通过s和p的偏析大量形成有利于磁性的铁素体织构，从而提高磁通密度。


背景技术：

2.无取向电工钢板用作电动机、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到重要的作用。
3.最近，由于电动机效率法规的加强，高效电动机的使用大幅增加。为了提高这种电动机的效率，需要降低铁损或降低铜损。这两种方法都会大大影响作为铁芯材料的电工钢板的磁性。因此，电动机制造商倾向于使用铁损低的电工钢板而不是现有的铁损高的电工钢板。
4.为了降低铜损，采用降低设计磁通密度或降低设计磁通下的励磁电流的方法，而为了采用后一种方法，需要提高电工钢板的磁通密度。
5.尤其，对于磁通密度高的电工钢板，具有能够提高转矩的优点，因此在频繁开/关(on/off)的电动机的情况下，具有可以在短时间内产生大输出的优点。
6.作为磁通密度高的电工钢板，已知有例如减少si含量以及大量加入ni的无取向电工钢板。然而，由于加入ni，奥氏体的稳定温度降低，所以能够在铁素体相热处理的温度会降低。因此，有利于铁损和磁性的高温退火不可能实现。另外，由于增加电阻率的元素si的含量低，存在铁损高的问题。因此，有必要开发一种无取向电工钢板，不会导致制造成本上升，具有低铁损，同时提高磁通密度。
7.另外，电动机旋转时，励磁方向在板面内旋转，一般情况下，轧制方向上磁性最好，而轧制方向的45度方向上磁性最差。
8.因此，在轧制方向和轧制对角线方向上都具有优异的磁特性，与仅在轧制方向上具有优异的磁性的电工钢板相比，不仅对提高电动机效率极其有利，而且两个方向上的磁性差较小，因为在基于旋转体的电动机的情况下，优选不同方向的磁性差要小。


技术实现要素：

9.(一)要解决的技术问题
10.本发明的一个实施例旨在提供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，在加入cu的钢成分中，通过s和p的偏析大量形成有利于磁性的铁素体织构，从而提高磁通密度。
11.(二)技术方案
12.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％以下、c：0.01％以下且0％除外、mn：0.03至3％、p：0.005至0.2％、s：0.001至0.02％、al：0.7％以下且0％除外、n：0.005％以下且0％除外、和cu：0.02至0.06％，ca和mg各自单独
或以合计含量包含0.0001至0.005重量％，sb和sn各自单独或以合计含量包含0.02至0.2重量％，余量包含fe和不可避免的杂质。
13.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可以包含0.0001至0.003重量％的mg。
14.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可以包含0.01至0.1重量％的sn和0.001至0.1重量％的sb。
15.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可以包含0.05重量％以下的ni。
16.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其平均晶粒粒径可为13至100μm。
17.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，其轧制方向的磁通密度b50l和与轧制方向呈90度角的方向的磁通密度b50c的平均可为1.76t以上，轧制方向的磁通密度b50l和与轧制方向呈45度角的方向的磁通密度b50d之比(b50l/b50d)可为1.07以下。
18.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，其可以包含：将板坯加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含si：1.5％以下、c：0.01％以下且0％除外、mn：0.03至3％、p：0.01至0.2％、s：0.001至0.02％、al：0.7％以下且0％除外、n：0.005％以下且0％除外、和cu：0.02至0.06％，ca和mg各自单独或以合计含量包含0.0001至0.005重量％，sb和sn各自单独或以合计含量包含0.02至0.2重量％，余量包含fe和不可避免的杂质；对板坯进行热轧来制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧来制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
19.热轧板的厚度可为2.0至3.5mm。
20.冷轧板的厚度可为0.3至1.0mm。
21.(三)有益效果
22.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，在加入cu的钢成分中，通过s和p的偏析大量形成有利于磁性的铁素体织构，从而可以提高磁通密度。
23.此外，可以提高磁通密度的各向异性。
24.另外，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，可以具有多种用途，用于高效电动机、高输出和高转矩电动机、发电机的铁芯材料等。
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.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。
28.另外，在没有特别提及的情况下，％表示重量％，1ppm是0.0001重量％。
29.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。
30.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。
31.在本发明的一个实施例中，在加入cu的钢成分中，通过s和p的偏析大量形成有利于磁性的铁素体织构，从而提高无取向电工钢板的磁通密度。
32.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％以下、c：0.01％以下且0％除外、mn：0.03至3％、p：0.01至0.2％、s：0.001至0.02％、al：0.01％以下且0％除外、n：0.005％以下且0％除外、和cu：0.02至0.3％，ca和mg各自单独或以合计含量包含0.0001至0.005重量％，sb和sn各自单独或以合计含量包含0.001至0.2重量％，余量包含fe和不可避免的杂质。
33.首先描述限制无取向电工钢板的成分的理由。
34.si：1.50重量％以下
35.硅(si)是提高钢的电阻率以及降低铁损的有效元素，加入越多越好，但作为代替钢中的铁原子形成bcc结构的元素，是导致磁通密度变差的主要元素。当大量加入si时，饱和磁通会大大降低，因而b50磁通密度也会变差。因此，si含量可以是前述的范围。更具体地，si含量可为1.00重量％以下。更具体地，si含量可为0.10至0.50重量％。
36.c：0.0100重量％以下
37.碳(c)是引起磁时效而大大增加铁损的元素。因此，c含量可为0.0100重量％以下。更具体地，c含量可为0.005重量％以下。更具体地，c含量可为0.0010至0.0050重量％。
38.mn：0.03至3.00重量％
39.需要基于cu的加入量加入锰(mn)，以防止热轧时的脆性。如果mn含量过少，则可能会发生热轧时的脆性所导致的问题。如果mn含量过多，则饱和磁通密度降低，由于钢中fe的比例减小，饱和磁通密度会降低。因此，mn含量可以是前述的范围。更具体地，mn含量可为0.05至1.00重量％。更具体地，mn含量可为0.10至0.50重量％。
40.p：0.01至0.20重量％
41.磷(p)具有与cu、s一起改善钢的铁素体组织中的织构以及提高磁通密度的效果。如果p含量过少，则前述的效果可能无法适当地表征。如果p含量过多，则由于p在钢中单独析出，磁通密度会变差，而且钢的脆性最大化，可能会难以轧制。因此，p含量可以是前述的范围。更具体地，p含量可为0.03至0.15重量％。更具体地，p含量可为0.05至0.10重量％。
42.s：0.0010至0.0200重量％
43.硫(s)是在表面和晶界偏析的元素。s是退火过程中基于表面偏析影响织构发达而有助于提高磁通密度以及降低各向异性的元素。当s含量过少时，前述的效果可能无法适当地表征。当s含量过多时，大量形成mns、cus等硫化物，由于该硫化物，晶粒生长可能会受阻。其结果，铁损会增大。因此，s含量可以是前述的范围。更具体地，s含量可为0.00150至0.0100重量％。更具体地，s含量可为0.0020至0.0050重量％。
44.al：0.700重量％以下
45.铝(al)是提高钢的电阻率以及降低铁损的有效元素，作为铁素体稳定化元素，根据加入量，在高温下也能阻止相变为奥氏体，因此是有用的元素，al是提高钢板的电阻率的
主要元素，其程度与si相同。但是，如果加入过多的al，则由于饱和磁通大大降低，当制作电动机后驱动时，励磁有效电流可能会显著增加。因此，al含量可以是前述的范围。进一步具体地，al含量可为0.100重量％以下。进一步具体地，al含量可为0.005重量％以下。
46.n：0.0050重量％以下
47.氮(n)是有害元素，由于形成氮化物，抑制晶粒生长，增加铁损。因此，n含量可为0.0050重量％以下。更具体地，n含量可为0.0030重量％以下。
48.cu：0.020至0.060重量％
49.铜(cu)在热轧后卷取时促进晶体生长。此外，通过在表面和晶界的sn与s和p的偏析，对提高磁通密度产生影响。另外，cu在最终退火过程中与s结合而形成粗大的硫化物，进而抑制微细的mns所导致的铁损恶化，从而提高磁通密度以及降低铁损，可以制造磁性优异的电工钢板。当cu含量过少时，前述的效果可能无法适当地表征。当cu含量过多时，高温下可能会造成热收缩(hot shortening)缺陷，还会形成钢中的铜的二次相，可能会导致磁通密度降低。因此，cu含量可以是前述的范围。更具体地，cu含量可为0.020至0.050重量％。
50.此时，cu作为常用的金属元素之一，有可能从作为钢铁原料的废料混入或者作为合金元素加入。
51.ca和mg各自单独或合计含量：0.0001至0.005重量％
52.钙(ca)是形成硫化物和氧化物的元素。当加入ca时，通过使硫化物粗大化，可以促进晶粒生长。当ca、mg的含量过少时，前述的效果可能无法适当地表征。当ca含量过多时，钢中的ca与氧结合而形成析出物，从而减缓晶体生长速度，因此可能会发生抑制基于p的退火过程中织构控制效果的问题。因此，ca与mg一起加入，其含量可以是前述的范围。更具体地，当包含ca时，ca含量可为0.0005至0.005重量％。更具体地，ca含量可为0.0005至0.0015重量％。
53.镁(mg)在加入cu、s和p的钢中的退火过程中的作用与ca类似。也就是说，当加入mg时，通过使硫化物粗大化，可以促进晶粒生长。当mg、ca的含量过少时，前述的效果可能无法适当地表征。当加入过多的mg时，可能会抑制基于p的退火过程中织构控制效果。因此，mg与ca一起加入，其含量可以是前述的范围。更具体地，当包含mg时，mg含量可为0.0001至0.003重量％。更具体地，mg含量可为0.0005至0.002重量％。
54.ca和mg具有类似的作用，因此将它们作为一种元素单独包含时，各自含量可为0.0001至0.005重量％，或者同时包含ca和mg时，合计含量可为0.0001至0.005重量％。
55.也就是说，单独包含ca时，ca含量可为0.0001至0.005重量％，或者单独包含mg时，mg含量可为0.0001至0.005重量％，或者同时包含ca和mg时，ca和mg的合计含量可为0.0001至0.005重量％。
56.sb和sn各自单独或合计含量：0.02至0.2重量％
57.锑(sb)和锡(sn)都是晶界偏析元素，具有通过控制退火时基于晶体生长的织构来提高磁通密度的效果。当sb和sn的含量过少时，前述的效果可能无法适当地表征。尤其，在加入cu的钢中，具有通过晶界的相互作用来诱导大大提高磁性的织构以及有益于晶体生长的效果。但是，当sb和sn的含量过多时，由于在晶界偏析，从而导致韧性下降，因此相对于改善磁性，生产性可能会下降。
58.sb和sn具有类似的作用，因此将它们作为一种元素单独包含时，各自含量可为
0.02至0.2重量％，或者同时包含sb和sn时，合计含量可为0.02至0.2重量％。
59.也就是说，单独包含sb时，sb含量可为0.02至0.2重量％，或者单独包含sn时，sn含量可为0.02至0.2重量％，或者同时包含sb和sn时，sb和sn的合计含量可为0.001至0.2重量％。
60.更具体地，sn可以包含0.020至0.100重量％，同时sb可以包含0.0001至0.100重量％。
61.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还可以包含0.05重量％以下的ni。
62.ni：0.05重量％以下
63.镍(ni)被认为是提高饱和磁通密度的元素。在本发明的一个实施例中，通过加入cu、s、p，可以充分提高饱和磁通密度，而ni的加入反而抑制晶粒生长，可能会发生铁损低以及形成不利于磁性的织构的问题。因此，当进一步包含ni时，其含量可为0.05重量％以下。更具体地，ni含量可为0.02重量％以下。
64.其他杂质
65.除了前述的元素以外，还可以包含不可避免混入的杂质。余量为铁(fe)，当加入前述元素以外的附加元素时，代替余量的铁(fe)。
66.不可避免混入的杂质可以是cr、zr、mo、v等。
67.cr可以包含0.05重量％以下。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，从而对磁性产生不良影响，因此将它们的含量分别限制为0.05重量％以下。
68.另外，还可以包含分别为0.01重量％以下的zr、mo和v中的一种以上。zr、mo、v等也是较强的碳氮化物形成元素，因此优选尽量不加入，含量分别限制为0.01重量％以下。
69.如前所述，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，作为合金成分包含适当的cu、s、p、ca、mg，从而形成具有适当的尺寸和密度的硫化物。该硫化物可以促进晶粒生长。最终，可以提高无取向电工钢板的磁性和各向异性。
70.电工钢板的微细组织中平均晶粒粒径可为13.0至100.0μm。如果晶粒粒径过小，则磁滞损耗会大大增加，从而导致铁损恶化。此外，为了通过微细析出物和偏析效果来改善磁通密度，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冲裁时，加工上可能会出现问题。更具体地，平均晶粒粒径可为13.0至40.0μm。
71.对于构成无取向电工钢板的晶粒，冷轧工艺中加工的未再结晶组织在最终退火工艺形成为再结晶的再结晶组织，再结晶的组织为99体积％以上。
72.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，如前所述，具有优异的磁性和各向异性。
73.具体地，根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，在5000a/m的磁场下感应的磁通密度(b
50
)中，轧制方向(rd方向)的磁通密度b50l和与轧制方向呈90度角的方向(td方向)的磁通密度b50c的平均可为1.76t以上，轧制方向的磁通密度b50l和与轧制方向呈45度角的方向的磁通密度b50d之比(b50l/b50d)可为1.07以下。更具体地，b50l和b50c的平均可为1.78至1.85t，(b50l/b50d)可为1.00至1.05。
74.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板，还具有良好的铁损。具体地，以50hz的频率激励1.5t的磁通密度时的铁损(w
15/50
)可为5.5w/kg以下。
75.根据本发明的一个实施例的无取向电工钢板的制造方法，可以包含：将板坯加热的步骤，以重量％计，所述板坯包含si：1.5％以下、c：0.01％以下且0％除外、mn：0.03至3％、p：0.01至0.2％、s：0.001至0.02％、al：0.7％以下且0％除外、n：0.005％以下且0％除外、和cu：0.02至0.06％，ca和mg各自单独或以合计含量包含0.0001至0.005重量％，sb和sn各自单独或以合计含量包含0.001至0.2重量％，余量包含fe和不可避免的杂质；对板坯进行热轧来制造热轧板的步骤；对热轧板进行冷轧来制造冷轧板的步骤；以及对冷轧板进行最终退火的步骤。
76.在下文中，将详细描述每个步骤。
77.首先，将板坯进行加热。板坯中各组分的加入比例的限制理由与前述的无取向电工钢板的组分限制理由相同，因此省略重复说明。由于后述的热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火等制造过程中板坯的组分没有实质变化，因此板坯的组分与无取向电工钢板的组分实际相同。
78.对于板坯，通过转炉或脱气设备等熔炼出组分适合的钢，再通过连铸或粗轧-精轧等来制造。
79.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等析出物再固溶后热轧时微细析出，从而抑制晶粒生长，可能会降低磁性。
80.板坯加热后热轧成2.0至3.5mm，并将热轧后的热轧板卷取。热轧时，精轧中的终轧是在铁素体相区域结束。此外，热轧时，可以大量加入si、al、p等铁素体相扩展元素，或者可以少量含有抑制铁素体相的元素mn、c等。如此，在铁素体相进行轧制时，织构中形成很多{100}面，因此可以提高磁性。
81.在制造热轧板的步骤之后，还可以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，则由于组织不会生长或微细生长，磁通密度的上升效果小，如果退火温度过高，则磁特性反而会降低，由于板形状的变形，轧制操作性可能会变差。热轧板退火是为了根据需要增加有利于磁性的取向而进行的，也可以省略。
82.接下来，对热轧板进行酸洗，并冷轧成具有预定板厚。根据热轧板的厚度，压下率可以不同，但是可以采用50至95％的压下率冷轧成最终厚度为0.3至1.0mm。冷轧可以实施一次，或者也可以根据需要实施两次以上的冷轧，其间进行中间退火。
83.对冷轧后的冷轧板进行最终退火(冷轧板退火)。对冷轧板进行最终退火的工艺中，退火时均热温度为800至1150℃。
84.如果冷轧板退火温度过低，则难以获得用于获得低铁损的大小充分的晶粒。如果退火温度过高，则由于退火过程中的板形状不均匀以及析出物在高温下再固溶后冷轧过程中微细析出，可能对磁性产生不良影响。
85.可以对最终退火后的钢板进行绝缘膜处理。绝缘层的形成方法是无取向电工钢板技术领域中广为人知的，因此不再赘述。具体地，作为绝缘层形成组合物，可以使用铬类(cr-type)或无铬类(cr-free type)中的任何一种，对此没有限制。
86.在下文中，将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优选的一个实施例而已，本发明不限于下述实施例。
87.实施例1
88.对转炉中吹炼的钢水进行脱气处理，从而炼制以重量％计含有下表1和表2所示的成分、余量fe和不可避免的杂质的钢，然后进行连铸，以制造板坯。对板坯进行1200℃下保温1小时的再加热，然后在860℃的终轧温度下热轧成表3所示的厚度，以制造热轧板。将所制造的各热轧板在700℃的温度下卷取后，通过在大气中退火60分钟来模拟卷取时的热轧卷板的温度。
89.然后，冷轧成厚度为0.5mm后，在含有5％的氢气的氮气环境中850℃的温度下退火35秒，以制造无取向电工钢板。由此，在轧制方向(l方向)和与轧制方向呈45度角的方向(d方向)上切割出宽60mm
×
长60mm的sst试样，并依据iec 60404-3分别测定下述的(b50l/b50d)，以测定铁损w15/50和磁通密度b50、各向异性，其结果示于表3中。
90.[表1]
[0091]
钢种csimnpals10.0130.380.210.1000.00800.002520.00311.730.270.1710.00200.004530.00080.383.50.1450.00300.003740.00320.330.250.2300.00300.005850.00250.340.230.0881.63000.005860.00220.310.290.0210.85000.003170.00310.350.260.1070.00700.023080.00070.330.290.0900.00100.006990.00390.320.260.1120.00500.0027100.00160.410.210.0980.00200.0054110.00340.340.290.1750.00500.0059120.00430.350.230.1720.01000.0050130.00350.410.280.1290.00600.0037140.00510.370.290.1420.00200.0026150.00210.310.220.0600.00060.0041160.00320.350.260.0960.00300.0069170.00220.380.260.1190.00400.0037180.00320.340.200.0880.00200.0060190.00230.410.020.0860.01000.0037200.00150.380.270.0030.00700.0050210.00230.390.200.1630.00200.0003220.00250.350.280.1780.01000.0005230.00390.320.290.0910.00200.0050240.00120.320.290.0570.00100.0049250.00230.340.220.0830.00010.0031260.00430.320.280.0820.00100.0025270.00310.400.250.1030.00200.0043280.00230.330.290.0640.00100.0041
[0092]
[表2]
[0093]
钢种ncusbsncamg10.00170.0270.00300.0350.0020.00320.00390.0250.00100.0410.0020.00330.00270.0680.00300.0310.003-40.00300.0460.00100.0250.0020.00250.00410.0490.00200.032-0.00360.00300.0250.00100.0430.00010.000170.00340.0320.00300.0540.0020.00380.00610.0550.00300.0210.0020.00390.00430.0050.00300.0250.0010.003100.00180.0120.00300.0310.002-110.00110.0350.00300.020
‑‑
120.00250.3700.00100.0250.001-130.00360.0310.23100.0030.0010.001140.00420.0650.00200.2310.001-150.00220.0300.00300.0130.00050.0003160.00300.0440.00100.0230.0060.001170.00330.0220.00100.0430.0010.006180.00120.0490.00030.00010.0010.001190.00210.0560.00400.0350.00070.0011200.00370.0400.00300.0450.00070.0003210.00150.0580.00100.0280.00010.0006220.00060.0560.00200.0380.00020.0004230.00170.0600.00200.0340.00070.0003240.00270.0480.00200.0320.00090.0002250.00290.0570.03000.022-0.0005260.00120.0550.00400.055-0.0003270.00150.0330.00100.0250.00130.001280.00230.0210.00100.0310.00060.0001
[0094]
[表3]
[0095][0096]
如表1至表3所示，根据本发明的一个实施例的合金成分都得到满足的发明例，其磁性和各向异性都优异。
[0097]
另一方面，钢种1是c含量过多，因此磁性和各向异性较差。
[0098]
钢种2是si含量过多，因此磁性和各向异性较差。
[0099]
钢种3和钢种19是mn含量过多或过少，因此磁性和各向异性较差。
[0100]
钢种4和钢种20是p含量过多或过少，因此磁性和各向异性较差。
[0101]
钢种5和6是al含量过多，因此磁性和各向异性较差。
[0102]
钢种9、钢种23和钢种24是s含量过多或过少，因此磁性和各向异性较差。
[0103]
钢种8是n含量过多，因此磁性和各向异性较差。
[0104]
钢种9、钢种10和钢种12是cu含量过多或过少，因此磁性和各向异性较差。
[0105]
钢种13、14、15和18是sb、sn含量过多或过少，因此磁性和各向异性较差。
[0106]
钢种11、钢种16和钢种17是ca、mg含量过多或过少，因此磁性和各向异性较差。
[0107]
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。