用于生产无晶粒取向电工钢的钢带和生产该钢带的方法与流程

电工钢的材料可以例如从de10153234a1或de60108980t2中得知。它们主要由铁硅合金或铁硅铝合金组成，其中根据晶粒取向(go)和无晶粒取向(ngo)电工钢加以区分，并且这些电工钢用于不同应用。尤其是，加入铝和硅以便在磁饱和极化尽可能保持不变的情况下实现强度的增加和密度的降低，并且尤其是电阻的增加。

对于电气工程中的应用，其中磁通量不固定于特定方向并且因此在所有方向上都需要同样良好的磁性，通常生产可能最具各向同性的电工带钢，并将其称作无晶粒取向(ngo)电工带钢。这主要用于发电机、电动机、交换机、继电器和小型变压器。

无晶粒取向(ngo)电工带钢的理想结构(结构组成)是晶粒尺寸在20μm至200μm之间的多晶微结构，其中微晶在具有(100)面的钢板平面中随机取向。然而，在实践中，钢板平面中真正的无晶粒取向电工带钢的磁特性在很小的程度上取决于磁化方向。例如，纵向和横向之间的损耗差异至多是10％。无晶粒取向电工带钢中磁特性的足够各向同性的发展基本上受热成型、冷成型和最后阶段退火的制造路线的配置的影响。

根据已知技术，电工带钢中的磁特性基本上由如下因素决定：高纯度，硅和铝的含量(按质量百分数计达到约4％)以及有目的地添加其它合金元素诸如锰、硫和氮的含量，以及热轧、冷轧和退火工艺。确定的板厚度是在比1mm小得多的范围内，例如0.18mm或0.35mm。

如从已公开的文献de10153234a1中知晓的，无晶粒取向电工钢的材料具有以wt.％计的c<0.02％、mn≤1.2％、si0.1-4.4％和al0.1-4.4％的合金组成。描述了不同的生产方法，诸如薄板或薄带铸造，采用这些方法能够生产最大厚度是1.8mm的热轧带钢。通过随后的冷轧，能够得到厚度达到0.2mm的带钢。

专利文献de60306365t2公开了无晶粒取向电工钢，以wt.％计由达到约6.5％硅、5％铬、0.05％碳、3％铝、3％锰和余量的铁及杂质组成。钢带采用垂直薄板坯铸造法生产，其中钢水被引入至两个反向旋转、内冷铸轧辊的铸造间隙中。然后，可以对铸带进行热轧和冷轧，其中实现了带钢厚度小于1mm。

从已公开的文献wo2013/117184a1知晓用于生产无晶粒取向或晶粒取向电工钢的热轧带钢，其中热轧带钢由以wt.％计的如下合金组分组成：c：0.001至0.08，al：4.8至20，si：0.05至10，b：达到0.1，zr：达到0.1，cr：0.1至4，余量为铁和熔炼引发的杂质。热轧带钢以如下方式生产：首先在水平带钢铸造装置中以流平(beruhigt)的方式且无弯曲来铸造熔体以形成6至30mm的预带钢，然后将其轧制以形成形变率至少是50％的热轧带钢。然后，可将热轧带钢冷轧至厚度低至0.150mm。

无晶粒取向电工钢的已知合金具有如下缺点：磁特性，尤其是磁滞损失，在很大程度上取决于磁化电流的频率和振幅。尤其，在高频率和较高振幅下，磁滞损失显著增加，这特别是对快速运转的电动机具有不利影响。

因此，需要一种由无晶粒取向材料组成的钢带，该材料具有合金概念：使损失最小化，并且即使在高频率下仍使损失持续保持低。

本发明的目的是提供一种用于生产无晶粒取向电工钢的钢带，与已知电工钢相比，它具有极大改进的、不依赖于频率的磁特性，尤其是磁滞损失极大降低。另一目的是提供该钢带的生产方法。

根据本发明的用于生产无晶粒取向电工钢的钢带具有以wt.％计的如下合金组分：

c：<0.03，

al：1至12，

si：0.3至3.5，

mn：>0.25至10，

cu：>0.05至3.0，

ni：>0.01至5.0，

n、s和p的总量：至多0.07，

余量是铁和熔炼引起的杂质，可选地添加选自cr、mo、zn和sn中的一种或多种元素，其中钢带具有基本上由al2o3和/或sio2组成、厚度是10μm至100μm的绝缘层。

结合绝缘层的组成，这基本上意味着至少50％的绝缘层由al2o3或sio2或者前述两种成分的总和组成。

优选地，绝缘层的厚度是20μm至100μm，特别优选地是20μm至50μm。

根据本发明的包括合金组分的钢带的特征是磁滞损失极大降低，以及磁特性与磁化电流的频率的广泛无关性(weitgehende)。结果，就能量而言并且从经济学角度来看，该材料的适用范围能够极大地增大，尤其是用于快速运转的电动机和在高频率的磁化电流下使用。

尤其，最大值是12％的al含量使电阻极大增加，并且相应地减少磁损失。

此外，通过添加达到12wt.％铝，也减小了钢的比密度，这对旋转电机部件的重量和特别是在高旋转频率下产生的离心力具有积极效果。

此外，钢中含al的沉淀物使强度极大增加。为了实现相应效果，铝的最小含量固定为1wt.％。然而，al含量高于12wt.％会造成冷轧过程困难，原因是形成了有序相。因此，遵循al含量为10wt.％以下是有利的。

虽然根据权利要求16的热轧带钢是在超过1000℃或更高的温度下进行热轧的，但是提供了非常高的防氧化皮保护。因为al为12wt.％以下或si为3.5wt.％以下的极其高的含量，所以在热钢板的表面上形成致密的、固有形成的绝缘层，该绝缘层基本上由al2o3和/或sio2组成，这有效地减少或甚至完全抑制钢中铁的起皮(verzunderung)。此外，钢带的退火(尤其是最终退火)的温度和持续时间能够有利地影响该层的厚度，其中前述钢带通常理解为冷轧钢带。随着退火的温度和持续时间的增加，该层的厚度也增加。以有利的方式，实现至少10μm、优选至少20μm的层厚度。然而，这种氧化皮层不应当超过100μm、优选50μm的厚度，使得由于随着厚度增加而同样增加的脆性，该层不会因为皮层剥落而对可轧制性产生不利影响。

由于该层在带钢进一步加工中被保留并且以电绝缘的方式发挥功能，因此可以任选地节省或极大地减少钢盘组的片材盘之间的附加绝缘层。结果，可以省略其它必需的绝缘材料，因此降低了成本和组件重量。

添加si会产生电阻增加的作用。根据本发明，为了实现效果，需要0.3wt.％的最小含量。对于si含量超过3.5wt.％，可冷轧性降低，原因是材料变得越来越脆并且边缘裂纹在钢带上变得越来越明显。因此，1.0至3.0wt.％且优选1.5至2.5wt.％的含量是有利的设定。在所选合金元素含量中加入si和al代表电阻增加和磁饱和极化降低的最优组合。

碳含量应当保持在尽可能地低以便在成品钢带中防止碳化物沉积造成的磁老化。低碳含量引起磁特性的改善，因为材料中出现更少的由碳原子和碳化物引起的裂缝。已经显示0.03wt.％的最大碳含量是有利的。

根据本发明的钢含有超过0.25至10wt.％的量的锰。锰增加比体积电阻。为了产生相应效果，钢应当含有超过0.25wt.％的锰。为了确保采用热轧或冷轧进一步加工时不出问题，由于脆性相的形成，锰含量不应当超过10wt.％。mn对可轧制性的不利影响以复杂的方式取决于元素al、si和mn的总和。以有利的方式，应当将mn+al+si的总含量小于或等于20wt.％作为可轧制性的上限。

铜的添加同样增加比体积电阻。为了产生相应的效果，cu含量应当大于0.05wt.％。不大于3wt.％的cu应当被合金化到钢中，原因是：如果不这样，由于在晶界处形成沉积，热轧过程中会发生可轧制性变差并且可能发生焊料开裂。

就降低磁损失而言，镍的添加具有积极作用。为了实现相应的效果，最小含量应当超过0.01wt.％，但是因为镍是非常昂贵的元素，因此出于经济原因，不应当超过最大值5.0wt.％。优选地，镍的含量在0.01至3.0wt.％之间。

此外，通过任选添加总量为0.01至0.5wt.％的铬和钼或者添加总量为0.01至0.05wt.％的锌和锡，能够以有利的方式影响材料的比体积电阻。

考虑到良好的可热轧性或可冷轧性，已经证实如下合金变型是特别有利的(wt.％)：

al：1至6，

si：0.5至1，

mn：>1.0至7，

cu：>0.1至2.0，

ni：>0.1至3.0，

或

al：>6至10，

si：0.5至0.8，

mn：>0.5至3，

cu：>0.1至2.5，

ni：>0.1至2.5，

或

al：>6至10，

si：0.3至0.5，

mn：>0.5至2，

cu：>0.1至0.5，

ni：>0.1至2.5。

根据本发明，这些合金组合物能够用于生产具有相似电磁特性、比密度是6.40至7.30g/cm³的钢带，以便满足钢带的最低可能比重的要求。

根据本发明，由于不同的合金概念，机械性能同样可以在广谱范围内改变。根据本发明的钢带的强度rm是450至690mpa，屈服强度rp0.2是310至550mpa，并且伸长率a80是5至30％。

一种根据本发明的用于生产根据本发明的钢带的方法包括如下步骤：

-熔炼钢液，该钢液具有根据本发明的上述合金组分，

-采用水平或垂直带钢铸造法来铸造钢液以形成接近最终尺寸的预带钢，或者，采用水平或垂直板坯或者薄板坯铸造法来铸造钢液以形成板坯或薄板坯，

-将板坯或薄板坯重新加热至1050℃至1250℃，然后热轧板坯或薄板坯以形成热轧带钢，或者，将制造为接近最终尺寸的预带钢重新加热至1000℃至1100℃，然后热轧预带钢以形成热轧带钢，或者，在不重新加热的情况下，利用铸造热来热轧预带钢以形成热轧带钢，在热轧的单道次轧制之间任选进行中间加热，

-在850℃至室温的卷取温度下卷取(aufhaspeln)热轧带钢，

-采用如下参数任选地对热轧带钢进行退火：

退火温度：550至800℃，退火持续时间：20至80分钟，随后在空气中冷却，

-对制造为接近最终尺寸的预带钢或热轧带钢(其厚度小于3mm)进行单级或多级精轧，以形成最小最终厚度是0.10mm的钢带，

-随后，采用如下参数对钢带进行退火：

退火温度：900至1080℃，退火持续时间：10至60秒，随后在空气中冷却，以便对钢带上实质上由al2o3和/或sio2组成的、厚度是10μm至100μm、优选20μm至100μm、特别优选20μm至50μm的绝缘层进行调整。

即使原则上所有常规的钢生产方法(例如，连铸、薄板坯铸造或薄带铸造)都适用于生产由根据本发明的合金组分构成的钢带，在水平带钢铸造装置中生产钢带已经被证实在涉及难以生产的合金变型(尤其是锰、铝和硅含量增加时)的钢生产中是成功的，其中熔体以流平的方式且无弯曲地铸造以形成厚度是6至30mm的预带钢，随后进行轧制以形成形变率至少是50％、厚度是约0.9至6.0mm的热轧带钢。

关于在热轧过程中要保持的最小的厚度减小率，已经证实，随着al含量的增加，其应该也会增加。因此，依赖于要得到的最终带钢厚度以及依赖于al含量，要保持超过50％、70％、或者甚至超过90％的减小率，以便得到有序相和无序相的混合结构。高的减小率也是必须的，以便破坏微结构(尤其在高al合金的情况下)，并因此减小晶粒的尺寸(晶粒细化)。因此，较高的al含量需要相应较高的减小率。

所提出的方法的优点能够从如下事实中发现：当使用水平带钢铸造装置时，由于非常均匀的冷却条件，所以在水平带钢铸造装置中能够基本上避免宏观偏析和空腔。

就加工技术而言，提议带钢铸造法以实现流平，原因是使用了共同运行的电磁制动器，该共同运行的电磁制动器产生同步地或以相对于带钢的最佳相对速度共同运行的场，并且确保了在理想的情况下熔体进料速度与循环传送带的速度相同。在固化期间被认为是不利的弯曲通过如下事实避免：接收熔体的铸造带的下侧由彼此相邻的多个辊支撑。支撑被增强，使得在铸造带的区域中产生负压以便铸造带被牢固地压在辊上。此外，在几乎无氧的铸造气氛中富al或富si的熔体会固化。

为了在固化的关键阶段期间保持这些条件，选择传送带的长度使得在传送带的在其偏转之前的末端处，预带钢在最大可能程度上被彻底固化。

传送带的末端附接有均化区，该均化区用于温度均衡和可能的应力减小。

可以在线或单独离线对预带钢进行轧制以形成热轧带钢。在离线轧制之前，预带钢可以在生产之后和冷却之前被直接热卷取或切割成板。然后，在可能的冷却之后对带钢或板材重新加热并展开用于离线轧制或者重新加热并轧制成板。

将热轧带钢轧制成最终厚度可以采用经典的室温下冷轧进行或者根据本发明以特别有利的方式在显著高于室温的高温下进行。

由于这种轧制方法并不对应于经典的室温下冷轧，因此当热轧带钢在高温下精轧至所需最终厚度时，在下文中使用术语“精轧”。

高温下精轧的优点在于如下事实：由此可以极大地降低在轧制过程中产生边缘裂纹的可能趋势。此外，由此可能在广泛的领域影响电磁性能，例如，在晶粒尺寸、晶畴尺寸分布和布洛赫壁稳定方面。

如果将热轧带钢加热至350至570℃、优选350至520℃的温度范围并且在该温度下将其精轧至指定的最终厚度，那么这已经被证实是有利的。

在多级精轧过程中，下述操作已经被证实是成功的：在轧制步骤之间，执行重新加热至温度600至800℃并保持20分钟至80分钟的步骤，其中执行随后冷却至精轧温度的步骤。

取决于特定的合金组成，已经出现了多种有利的生产路线来生产根据本发明的钢带，参见图1。该图示出了三个有利的生产路线。

下面缩写表示如下含义：

thr：在1000至1150℃的温度下热轧，

cr：冷轧，

t1、t2c、t3c：所有路线的最终退火(900至1080℃，10至60秒，空气冷却)

t2a、t2b、t3a、t3b：路线2和3的中间退火(550至800℃，20至80分钟)，

tr：在350至570℃的高温下路线3的精轧

根据路线1，在室温下将热轧带钢精轧至所需的最终厚度。

如果合金太坚固而不适合采用传统的室温下冷轧，那么可以使用根据路线2的两级冷轧过程，原因是：室温下最初以相对所需要的最终厚度的厚度减小率达60％进行轧制，然后所述合金在550至650℃的温度范围内被轧制40至60分钟，再然后采用冷轧再次实现所需要的最终厚度的剩余40％。

根据线路3通过高温下精轧能够生产尤其是包括大于6wt.％的增加的al含量或al+si总量大于6wt.％的材料，该材料在第一次冷轧过程之后具有边缘裂纹。在350至600℃、优选350至520℃的温度范围内加热之后，执行轧制，然后在轧制步骤之间的每种情况下在前述温度范围内重复地执行重新加热2至5分钟，并且执行精轧直至实现所需要的最终厚度。

下文中描述了与根据本发明的合金有关的一些结果。

根据表1测试合金，其中仅测定必要元素。合金13、17和22是根据本发明的合金，并且与并非根据本发明的参照材料ref1相比较进行测试。

表1

表2显示了合金的机械性能和材料的确定比密度。除了不同的机械性能之外，还可以生产具有不同比密度的材料，从而根据本发明的材料的各种要求能够得到满足。

表2

表3显示了测试合金的具有厚度0.7mm的钢板的磁通密度bmax的频率依赖性的测量结果。测量在频率f是50hz、200hz、400hz、750hz和1000hz下进行。结果有效地证实磁通密度的宽范围的频率无关性并因此证明了在周期性交变场中的磁滞损失。

表3