具有减少的老化和改进的电气性能的冷轧电机层合电工钢的制作方法
【专利摘要】本申请涉及具有减少的老化和改进的电气性能的冷轧电机层合电工钢。提供了一种包括如下元素的半处理的电工钢：.005≤锡≤.09%；.0<碳≤0.050%；.10≤锰≤1.00%；.005≤磷≤.120%；.0<硫≤.010%；.50≤硅≤2.50%；.01≤铝≤1.60%；.0≤锑<.02%；铁-平衡的至少主要部分。
【专利说明】具有减少的老化和改进的电气性能的冷轧电机层合电工钢
【背景技术】
[0001]冷轧电机层压(CRML)电工钢(在本文中理解为包括在电机、变压器、交流发电机、发电机、镇流器或其它电气产品中应用的电工钢)已经得到开发并且占优势地在美国使用了超过50年。这种类型的钢起初为商用品质的钢的改进，即通过添加少量的硅并且在冲压之后对产品进行退火。在二十世纪70年代和80年代期间，这种电工钢在美国的增长由联合钢厂内的相对较低的产品成本驱动，联合钢厂使用相同的设备来生产CRML电工钢，如生产大批量的汽车和商用品质的冷轧钢所使用的设备那样。钢厂的刺激因素为CRML钢为常规的冷轧钢带来了额外收益、具有非常高的生产率以及非常少的与汽车钢板相关的报废或质量问题。在美国，CRML电工钢被认为是半处理的，因为它需要在冲压之后进行退火。在其它国家，电工钢的发展集中于完全处理的电工钢，其能够在已冲压的条件中使用而不需要进一步的退火。这也被其它国家中的较高的能量成本所影响，较高的能量成本对退火的商业利益有影响。
[0002]为了对本专利审请进行定义，CRML电工钢表征为用于电气应用的扁平钢材(电机、发电机、交流发电机、变压器、镇流器或使用芯体的其它产品)，其中，在钢厂中的最终步骤为退火(箱内退火或连续退火)，并且继之以硬化冷轧(有时称为冷轧平整)，其中延伸量或伸长量超过2%。因此，CRML钢需要在冲压之后进行进一步的退火，以便开发充分的磁性。相反，完全处理的钢材进行了退火(箱内退火或连续退火)，并且不涉及进一步的硬化冷轧步骤。退火在钢厂中完成时，完全处理的钢材已经开发出了电气应用所需要的最终的特性。
[0003]CRML电工钢也称作半处理电工钢，因为其需要退火的附加处理以便产生令人满意的磁特性。CRML电工钢在冲压之后的退火需要非常受控制的温度的平衡、温度下的时间以及允许选择性地将碳从钢材中去除而不允许钢材的氧化的脱碳气氛。碳的去除由碳从钢材的本体扩散到表面来控制，在表面处碳与控制的局部压力的氧气反应以形成一氧化碳。对温度以及温度下的时间进行控制允许扩散和反应发生。实现脱碳而并不将钢材氧化的热力学和适当的氧气的局部压力的·稳定性是相对较好理解的。然而，除了各种退火炉设计之外，存在有用于控制氧气局部压力的工艺，两者组合起来能够提供不同质量的退火，即使对于相同的钢种。
[0004]通过上述介绍和对冶金热化学的理解，能够推断出的是:
[0005]钢材中的碳的初始水平或起始水平将对用于脱碳的时间以及最终的碳浓度两者具有很大影响，以及
[0006]诸如硅和铝之类的合金元素的添加(减慢了碳在钢材内的扩散)将对扩散所需要的时间和温度两者具有影响。
[0007]因此，发展CRML电工钢的策略已经集中于供应超低的碳水平，通常碳小于
0.010%，这可以通过连续浇铸之前的液体状态下的钢的真空脱气实现。
[0008]在本说明书中表达的所有的元素百分比都是重量百分比。
[0009]在二十世纪80年代末和90年代初，另一种策略被开发出(由Inland钢铁公司的Lyudkovsky等人,其它人在不同的国家)，由此铺的进一步的少量的添加发生于CRML钢。铺的作用是阻止钢基的任何氧化但仍然允许碳的扩散以进行反应和去除。在这种形式中，锑被认为是钢的表面抑制剂。锑的添加对于具有较高碳水平(0.02%至0.04%的碳)的CRML钢种而言是特别有效的，并因此现在在大多数的CRML钢种中被用作标准实践方式。这包括具有增大的硅水平的更高等级的CRML，其需要更高的退火温度并因此更倾向于氧化。
[0010]电工钢的其它特性中的一个(对完全处理的和半处理的而言)是称为老化的现象，由此芯体损失将随着时间的推移增大，其通常因与电机或变压器的操作温度相关联的升高的温度引起。电工钢的老化已经得到了相对较好的研究并且被认为是碳(以及在一些情况下为氮)的亚微扩散以形成群组或区域的结果。这些群组或区域类似于在铝合金中已知的纪尼埃普斯顿区(Guinier-Preston zones)。它们不是沉淀物但确实会导致引起芯体损失的增大的晶格应变。常规的产业知识和经验表明，电工钢应当为碳小于0.005%并且优选地为碳小于0.003%以实现更高的等级，以便最小化老化效应(老化效应无法完全消除)。
[0011]如果低等级的CRML钢已经适当地进行退火使碳小于0.003%则不会显示明显的老化。当碳含量小于0.003%时，具有高于2.0%的硅含量的高等级的完全处理的电工钢也不会显示明显的老化。在这种情况下，较高水平的硅限制或抑制了碳的扩散，从而提供了对碳区域或碳群组的形成的限制。较高等级的CRML钢具有介于0.50%与2.5%之间的硅含量，并因此会显示出明显的老化。
[0012]应当注意的是，在钢厂中对较高等级的完全处理的电工钢进行退火的处量通常涉及附加的脱碳步骤，以进一步从在钢材制造期间提供的小于0.005%的输入水平减小碳含量。
【发明内容】
[0013]一个目的是提供一种具有减少的老化并且提供改进的磁特性的半处理的电工钢。
[0014]提供了一种半处理的电工钢，包括:
[0015].005 ≤锡≤.09%
[0016].0〈碳≤ 0.050%
[0017].10 ≤锰≤ 1.00%
[0018].005 ≤磷≤.120%
[0019].0〈硫≤.010%
[0020].50 ≤硅≤ 2.50%
[0021].01 ≤铝≤ 1.60%
[0022].0 ≤锑〈.02%
[0023]铁-平衡的至少主要部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1在表1中示出了用于各种等级的常规CRML电工钢种的老化的芯体损失数据；
[0025]图2在表2中示出了用于具有宽范围的硅含量的完全处理的电工钢种的老化的芯体损失数据；
[0026]图3在表3中示出了用于各种电工钢种的老化的芯体损失数据，所述各种电工钢种在脱碳气氛中经受连续的退火并继之以加速老化；[0027]图4在表4中示出了用于表3中的各种电工钢种的老化(在组合的退火和老化之后)的芯体损失数据，以及在渐次的脱碳退火步骤中的每一次之后测量的碳值，并且还对不同钢种的锑值进行了比较。
[0028]图5为本发明的优选示例性实施例示出了电工钢的至少一些成分，成分中包括作为合金元素的锡而将作为合金元素的铺基本上或完全地去除；以及
[0029]图6示出了用于使用改进的半处理电工钢来制造改进的电气芯体的工艺。
【具体实施方式】
[0030]为了有助于理解本发明的原理，现在将对附图中示出的优选示例性实施例/最佳模式进行参照并且将使用特定的用语来对其进行描述。尽管如此，应当理解的是，并非由此意在限制本发明的范围，并且本发明所涉及的本领域技术人员通常能够想到的所示出的实施例中的类似的改变和其它改型以及所示出的本发明的原理的类似的进一步的应用都包括在本发明的范围内。本文中提出的所有的元素百分比都是重量百分比。
[0031]不同的电工钢种的老化的示例
[0032]如所表示的，电工钢的老化为经过较长的一段时间之后磁性的衰退(具体地为芯体损失)的测量标准。然而，为了开发能够有助于对老化的程度进行预测的有意义的数据，通常要利用到加速试验，在加速试验中，样品会在相对较短的时间内受到略微较高的温度。频繁使用到的一组试验条件使用24小时的200°C来作为增强加速老化的条件。产业中的统一标准为:在曝露于上述类型的加速老化条件的情况下，在一种电工钢中的芯体损失的增加应当小于老化之前的初值或起始值的10%。可以使用其它加速老化试验并且结论是相似的。
[0033]在对下文中描述的本发明的优选示例性实施例进行研制的过程中，具有不同硅含量的多种半处理 电工钢种和完全处理的电工钢经受加速老化条件。应当指出的是，如之前在上文中描述的，半处理钢种在对钢叠片进行冲压之后接受附加的脱碳退火处理，而完全处理的钢种在冲压之前在钢厂接受其最终退火。在半处理的电工钢种和完全处理的电工钢种之间存在有另外的一个显著的不同。完全处理的钢种通常在钢带的两个侧面都拥有表面覆层，而半处理的钢种不具有覆层，并且依靠锑的存在和在退火期间对氧气局部压力的控制来保护钢不受氧化，而同时允许脱碳发生。图1中的表1示出了这些试验的结果。
[0034]图1的表1中的结果示出了与常规CRML电工钢种的老化相关的若干原理。
[0035]老化的百分比，或初始芯体损失与在加速老化之后测量的芯体损失之间的百分比的差异，随着硅的量的增加而增大。
[0036]结果显示了明显的分散性，但总体而言，当硅少于0.50%并且原始样品中的碳的水平低于0.005%时，常规CRML电工钢种的老化的百分比小于10%。
[0037]具有高于0.50%的硅含量百分比的常规CRML电工钢种会显示出超过10%的明显的老化，并且老化的量随着硅和碳的量的增加而增大。
[0038]相反，在对下文中描述的本发明的优选示例性实施例进行研制时，对具有更宽范围的硅含量的完全处理的电工钢种完成了类似的老化试验。这些样品同样在脱碳气氛中进行退火，从而它们经历了与半处理的样品完全相同的处理。结果在图2的表2中示出。
[0039]图2的表2中的结果示出，即使具有升高的硅的水平，在将这些钢种曝露于加速老化试验条件之后也几乎不存在老化。然而，须要注意的是，平均碳含量低于表1中考察的相同组的半处理钢种。
[0040]为了获悉和理解关于老化的力学的更多内容，更具体地关于残余碳对老化的作用，完成了进一步的试验来作为对本文中的优选示例性实施例进行研制的一部分，在该实验中，表1中示出的相同的样品在脱碳气氛中渐次地经受连续的退火，并在每次退火之后继之以加速老化。常规理论提出，在脱碳气氛中渐次曝露于一系列的退火周期会具有渐次地将碳去除的效果，并因此渐次地减小老化的百分比。结果在图3的表3中示出。
[0041]图3的表3中的结果提供了若干对不同电工钢种的老化的力学的了解，如下所述:
[0042]当硅含量低于0.50%时，在脱碳退火之后老化通常不发生在CRML电工钢种中。
[0043]硅含量高于0.50%的常规CRML电工钢种的老化效应由于随后的完全退火是可逆的。这表明在老化期间形成的碳群并不形成沉淀物并且并不由于随后的退火而重新分布到
基质中。
[0044]常规CRML电工钢种的老化效应通过随后的退火而减小，但对具有较高的硅水平的电工钢种而言，老化效应减小以非常慢的速率进行。
[0045]通过将表3中的芯体损失值(在组合的退火和老化之后)与逐次的脱碳退火步骤中的每次之后测量的碳值进行比较，并且对不同钢种的锑值进行比较，能够更容易地理解图3的表3中的结果。该数据在图4的表4中示出。
[0046]图4的表4中的结果清楚地表出出:
[0047]当残余碳超过0.00·20%时，在脱碳退火之后明显的老化发生在具有等于或高于
0.50%的硅的常规CRML电工钢种中。
[0048]当残余碳的量超过0.0020%时，老化效应成比例地增加。
[0049]高于0.50%的硅的量对在脱碳期间去除的碳的量有效，但又会出现对CRML电工钢种中的锑的量的作用或影响。
[0050]授予Lyudkovsky等人的美国专利4，421，574和4，483，723说明了，铺的作用是在脱碳退火期间防止钢的内部氧化。如果内部氧化发生，即使发生在钢的表面处，钢的磁性也会下降；具体地，芯体损失会增大。由于氧与硅之间的高亲合力(生成的自由能)，电工钢对内部氧化尤其敏感。
[0051]替代方案:具有减少的老化和增强的磁性的CRML钢种。
[0052]图2的表2中的数据示出，完全处理的电工钢种，即使具有比在常规CRML钢种中所发现的更高的硅的水平，也可以被充分脱碳至低于0.0020%的碳水平，并因此显示没有可测量到的老化特性。最重要的问题是(其在图4的表4中进行了参考)，由于常规半处理的钢种包含从0.02%至0.07%变化的锑的水平，完全处理的电工钢种不包含作为规定添加剂的锑。因此已经发现的是，锑的有益方面，即阻止氧进入钢而在脱碳退火期间潜在地引起内部氧化同样具有防止碳离开钢以与氧进行反应(脱碳的基本过程)的相同的阻止作用。
[0053]如果从常规的CRML半处理电工钢种将锑去除，则发生下述情况。对具有小于
0.50%的硅的百分比的钢种而言，由于脱碳退火而不存在磁性的改变，并且钢可以充分脱碳至仅显示较小的老化效应。对具有大于0.50%的硅的百分比的钢种而言，脱碳退火的结果是氧化水平的增大，氧化水平随着硅的量的增加而增大。尽管在不存在有锑的情况下脱碳水平也会提高，但内部氧化的水平也会提高，从而显著地降低了钢的磁性，具体地引起了芯体损失的增大以及导磁率的降低。
[0054]在脱碳退火期间的相同的氧化效应在完全处理的电工钢种中没有观察到，即使这些钢具有升高水平的硅并且不包含锑。其原因在于，完全处理的电工钢种中的大多数具有无机覆层，该无机覆层在退火期间形成了陶瓷，从而减少或消除了钢的氧化。半处理的CRML电工钢的工艺步骤涉及在钢厂中在分批退火之后进行硬化冷轧。这不允许将覆层经济地应用于半处理的电工钢种。因此寻求允许脱碳但防止或抑制钢的氧化的另一手段。
[0055]在完全处理的电工钢产业的某些部分中已知的是，锡(Sn)的添加能够在热轧期间具有对组织的有益效果，并因此能够提高磁性，具体地提高导磁率(导磁率与组织直接相关)。锡的添加发生在由美国的AK钢铁公司生产的以及由生产完全处理的电工钢所涉及到的其它选择公司生产的特定电工钢种中。通过这种情况，对基本冶金热力学的认识清楚地表明，锡具有对氧的强亲和力以及与碳反应或相溶解的强排斥性。
[0056]在本发明的优选示例性实施方式中，对于生产改进的半处理CRML电工钢种而言，具体地具有> 0.50%的硅含量的钢种(认为是被称为高等级CRML/半处理电工钢的钢材)，其呈现出良好的磁性和降低的老化水平，提供有以下情形:
[0057]作为合金元素的锑被基本上或完全地去除；以及
[0058]锡作为合金元素被添加，锡的量从大于或等于.005%至小于或等于0.09%变化。
[0059]将锑基本上或完全去除意味着以下情形。锑具有小于.02%的重量百分比。然而，优选的是锑小于.01。更为优选的是将锑完全去除。进一步观察到的是，由于用于制造钢种的废料添加中的污染，可 能会存在诸如~.005%的微量的锑。
[0060]锡具有小于或等于.09%的重量百分比,是因为:
[0061]I)锡具有对组织的有益效果；2)锡不会以锑的方式阻止或防碍碳的去除；以及3)高于.09%的值导致了半处理/CRML电工钢的脆性。锡的重量百分比为大于或等于.005%，因为考虑到以下情况:锡的残余水平的域值或测量限度高于.005%时必须进行锡的特定添加以验证添加的益处。
[0062]还需要注意以下情况。对完全处理的电工钢而言，已知的是锡的添加超过0.09%会导致脆性，脆性的程度和开始依赖于磷、硫的相关水平，并且较小程度地依赖于硅的百分t匕。在完全处理的电工钢的情况下，该脆性特性支配了将锡添加到CRML电工钢种中的实际上限。
[0063]将锑消除以及将锡添加到半处理的CRML电工钢种中从而具有有效元素的典型化学组成在图5中示出的优选示例性实施例中进行了例示，诸如铜、镍、铬、钥等等之类的其它元素可以作为残余元素存在于CRML电工钢种中，但并不被认为是关于磁性方面的有效元素。上述CRML电工钢种具有以下优点:
[0064]1、减少或消除的老化
[0065]2、依赖于钢种(所存在的硅的量)的良好的磁性的开发。具体地，与包含有锑的常规CRML电工钢相比，获得了相同或较低的芯体损失(其示例在表1中示出)，并且实现了导磁率的提闻。
[0066]上述改进的半处理电工钢用于制造具有改善的磁性和电气特性并且具有减少的老化的电芯体。如图6所示，改进的半处理电工钢在步骤100中提供出、在步骤101中切条到适当宽度、在步骤102中进行冲压、并且在冲压之后在步骤103中进行退火、继之以步骤104中芯体的组装。散装形式的冲压部件可以在组装成芯体之前进行退火。替代性地，所述部件可以首先组装成芯体来作为冲压件的一部分，然后进行退火(通过使用冲压和堆叠模具)。
[0067]因而，该工艺允许生产可以组装成芯体的散装的叠片，并且允许在冲压期间直接生产芯体。
[0068]尽管在附图中和在上述说明书中对优选示例性实施例进行了示出和详细描述，但优选示例性实施例应当视为是纯示例性的并且不应当视为对本发明的限制。应当指出的是，仅示出和描述了优选示例性实施方式，并且落入到本发明的保护范围内的当前的或将来的所 有的变型和改型都应当受到保护。
【权利要求】
1.一种半处理的冷轧层压电工钢，包括:
?005 ≤锡≤.09% ? O〈碳≤ 0.050% ?10≤锰≤1.00% ?005≤磷≤.120% ?0〈硫≤.010%.50≤硅≤2.50% ?01≤铝≤1.60%
?O ≤锑〈.02% 铁-平衡的至少主要部分。
2.根据权利要求1所述的半处理的电工钢，其中，锑<.01%。
3.根据权利要求1所述的半处理的电工钢，其中，锑〈.005%。
4.根据权利要求1所述的半处理的电工钢，其中，锑为0%。
5.根据权利要求1所述的半处理的电工钢，还包括选自铜、镍、铬和钥的元素中的至少一种元素。
6.根据权利要求1所述的半处理的电工钢，其中，所述半处理的电工钢需要在冲压之后进行退火。
7.根据权利要求1所述的半处理的电工钢，其中，碳在0.005%至.050%的范围内。
8.一种用于生产磁芯的方法，包括以下步骤: 提供包括如下元素的半处理的冷轧电工钢:
?005 ≤锡≤.09%
?O〈碳≤ 0.050% ?10≤锰≤1.00% ?005≤磷≤.120% ?0〈硫≤.010%.50≤硅≤2.50% ?01≤铝≤1.60%
?O ≤锑〈.02% 铁-平衡的至少主要部分； 对所述半处理的电工钢进行冲压以生成冲压部件；以及 在所述冲压之后对所述冲压的部件进行组装和退火，以便形成所述磁芯。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，选自铜、镍、铬和钥的元素中的至少一种元素另外地存在于所述电工钢中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述冲压部件在所述部件被组装以形成所述磁芯之前进行退火。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述冲压部件在所述冲压部件被组装以形成所述磁芯之后进行退火。
【文档编号】H01F41/02GK103849822SQ201310643950
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】格温·约翰斯顿 申请人:坦普尔钢铁公司