CN112375965A - 一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法,属于电工钢制造领域。材料成分为:Si=3.5%‑5.5%,Cu=0.8‑3.2%,C≤0.50%,S≤0.002%,Mn≤0.50%,Ti≤0.0030%,P≤0.30%,B≤0.0020%,余量为铁和夹杂。制备步骤为:熔炼、浇铸、锻造开坯、热轧固溶处理、中温轧制及室温轧制、再结晶退火、时效处理等。固溶处理温度800‑1100℃,时间0.5‑120min,后快速冷却。中温轧制温度50‑400℃,轧至厚度小于0.5mm。室温轧制总压下量≥50%,得到0.03‑0.30mm的薄板。再结晶退火温度800‑1100℃,时间30s‑60min。时效温度400‑600℃,时间30s‑200h,最终获得低铁损高强度无取向电工钢。本发明无取向电工钢,相较于目前商业化高强度无取向电工钢,铁损进一步下降,强度进一步提升,降低了成本节约了资源,且由于兼具优异的磁性能和力学性能,在高速电机等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电工钢制造领域,特别涉及适用于电动汽车马达和高速运转电机等需要的高启动扭矩、耐冲击性能的一种较高磁感的高强度无取向电工钢及其制造方法。通过提高硅元素含量来进行固溶强化以及添加铜元素实现析出强化,控制C、N、S、Ti等对磁性能有害的元素,确保电工钢的磁性能,提高了电工钢的屈服强度。
背景技术
随着石油、煤炭等不可再生资源日趋枯竭,环境温室效应危害日益严重,电动汽车、混合动力汽车作为一款低污染、高环保交通工具越来越得到重视,在今后必将得到广泛应用。电动汽车、混动汽车牵引马达定转子铁芯采用无取向电工钢制成,汽车在启动和加速时,马达转子铁芯在高速下由于离心力承受极端的应变,汽车启动瞬间受到强烈冲击因此要求铁芯材料要具备高的强度和韧性;在永磁体同步电机中,转子铁芯中的磁桥在电机运行过程中会产生显著的应力集中,但磁桥越窄,电机的效率越高,铁芯材料强度的提升可以降低磁桥的宽度,进而提高电机的效率,因此这也对铁芯材料的强度提出了更高的要求。
目前的无取向电工钢产品中,随着Si含量提高,产品强度得到提高,部分顶级高牌号产品屈服强度已达450MPa,产品铁损也较低,能够满足一般的工业电机和发电机组的使用。但是目前新能源电动汽车的驱动电机多采用高速电机,转速超过10000r/min,现有的高牌号产品的强度已不能满足新能源电动汽车驱动电机的需要。
宝钢公开了一种较高磁感的高强度无取向电工钢及其制造方法(CN102453838A),该制备方法采用常规冶炼浇注工艺生产铸坯,经过热轧、常化、冷轧、退火的后处理工艺后,得到具有较好磁性能、较高强度的无取向电工钢产品。该生产方式提供了一些增强高强度无取向电工钢的特定工艺路线,具有一定的参考价值,但其生产过程复杂,同时要求有常化工艺,对资源的节约与环境的发展不利,从长远来看,还需要进行工艺改进;东北大学申请了一种基于纳米Cu析出强化制备高强度无取向硅钢的方法(CN106282781A),该制备方法在2.5-3.5%Si的前提下通过铜的添加实现最终热处理时冷轧板中纳米含Cu析出物的析出,通过该方法制备的高强度硅钢片有效的提升了屈服强度并降低了在400Hz下的铁损,但从目前来看,其性能有待进一步提升。
本发明致力于通过在提高硅含量的基础上通过添加Cu元素来并使其形成弥散分布的纳米尺度的含Cu析出物来提高强度:硅含量的提高可以有效的提高材料的屈服强度并且同时提高磁性能;弥散析出的含Cu析出物可以在不大幅降低磁感的基础上,大幅的提升材料的强度。目前尚未见在高硅含量(>3.5wt.%)下添加Cu元素制备高强度无取向电工钢的报道。
发明内容
针对现有无取向电工钢制造技术上存在的以上难题,本发明提供了一种高速电机用高强度无取向电工钢的制造方法,通过在较高硅含量的基础上添加Cu元素使其在再结晶退火后弥散析出来制备性能优良的高强度无取向电工钢,提高驱动电机的使用效率。
一种在高Si含量下实现纳米Cu析出强化制备高强度无取向硅钢的方法,其特征在于工艺流程为:以工业纯铁、纯铜和金属硅为原料,在真空感应炉中熔炼并浇铸成铸锭,铸锭经锻造开坯后进行热轧、再结晶退火、低温轧制、酸洗和室温轧制,冷轧板涂覆绝缘层后在Ar2气氛条件下进行退火处理,最终获得具有高强度及优异磁性能的无取向电工钢薄板;具体工艺步骤及参数为:
(1)熔炼:将纯硅、纯铜和工业纯铁按照成分比例进行混合,利用真空感应炉熔融后在1450-1550℃精炼,浇铸成铸锭,合金的化学成分质量百分比为:Si=3.5%-5.5%,Cu=0.8-3.2%,C≤0.50%,S≤0.002%,Mn≤0.50%,Ti≤0.0030%,P≤0.30%,B≤0.0020%,余量为铁和不可避免的夹杂;
(2)锻造开坯:采用机械自由锻造方式,利用空气锤在800~1200℃范围内锻造,经过多次反复镦粗拔长,将铸锭锻成方坯;
(3)热轧:锻造方坯室温装炉,加热温度保温后进行热轧,两道次轧制后回炉,后进行二次热轧,得到1.0-2.0mm厚的热轧薄板;
(4)固溶处理:这一阶段根据成分划分,需采用不同工艺:
a)Si≤4%且Cu≤2%时,该步骤可以省略,酸洗后直接进行中温轧制
b)Si>4%或Cu>2%时,热轧板需进行固溶处理,温度800-1100℃,时间0.5-120min,后快速冷却。
对热轧板进行固溶处理,使Cu元素完全固溶,降低轧制抗力,后快速冷却,防止含Cu析出物大量析出;
(5)中温轧制:热轧板在酸洗后,在50-400℃保温5-30min后进行轧制,道次压下率10%-30%,每道次需进行回炉保温1-30min,得到厚度<0.5mm的薄板;
(6)室温轧制:室温轧制采用一次冷轧法,第一道次轧制压下率应大于15%,后电工钢薄板经室温多道次反复轧制,轧至0.03-0.30mm;
(7)再结晶退火:冷轧板在保护气氛条件下进行再结晶退火处理,退火温度800-1100℃,退火时间30s-60min,同时使Cu元素完全固溶,后快速冷却,防止含Cu析出物大量析出;
(8)时效处理:将冷轧板在保护气氛中进行时效,时效温度400-600℃,时效时间30s-200h,最终获得低铁损高强度无取向电工钢
进一步地,步骤(4)所述固溶温度为800-1100℃,时间为0.5-120min;
进一步地,所述的高强度无取向硅钢的屈服强度为550-1050MPa,抗拉强度为580-1100MPa,断后伸长率>3%;
进一步地,所述的高强度无取向硅钢的铁损值P1.0T/400Hz为8-20W/kg,磁感应强度为1.56-1.68T;
进一步地,所述的高强度无取向硅钢的平均晶粒尺寸为10-300μm,纳米铜析出物的尺寸为2-30nm。
与现有技术相比,本发明的特点和有益效果是:
(1)采用铜元素作为析出强化元素,可以有效地提高电工钢的强度,并且不会大幅降低磁性能。
(2)采用较高的硅含量能有效地提高钢的电阻率,降低铁损。
(3)采用铜元素的析出强化来提高强度,能大幅降低高强度电工钢的生产成本。
(4)制备的高强度无取向电工钢产品性能优异,实现了对现有技术性能上的超越。
(5)制备的高强度硅钢片加工性能好,在冲片之前都可以保持相对较软的状态,冲片后通过时效处理完成力学性能的提升。
附图说明
图1所示为低铁损高强度无取向电工钢的工艺路线图;
图2所示为实施例二高强度无取向硅钢的纳米Cu析出物的透射电镜显微组织图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是,下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的,它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中,各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件,可应用于不同实施例中。
实施例一
(1)熔炼:将纯硅和工业纯铁按照成分比例进行混合,利用真空感应熔炼炉熔融后在1450-1550℃精炼,浇铸成铸锭。化学成分:合金的化学成分及质量百分比为Si=3.5%,Cu=3.2%,C≤0.50%,S≤0.0020%,Mn≤0.50%,Ti≤0.0030%,P≤0.30%,B≤0.0020%,余量为铁和不可避免的夹杂;
(2)锻造开坯:采用机械自由锻造方式,利用空气锤在1100℃锻造,经过多次反复镦粗拔长,将铸锭锻成方坯;
(3)热轧:锻造方坯室温装炉,加热温度为1100℃,保温30min,利用二辊热轧机进行热轧,两道次轧制后回炉,后进行二次热轧,得到1.4mm厚的热轧薄板;
(4)固溶处理:1100℃下保温15min,水冷。
(5)中温轧制:热轧板在酸洗后,在300℃保温10min后进行轧制,道次压下率10%-30%,每道次需进行回炉保温5min,得到厚度<0.5mm的薄板;
(6)室温轧制:室温轧制采用一次冷轧法,第一道次轧制压下率应大于15%,后电工钢薄板经室温多道次反复轧制,轧至0.3mm;
(7)再结晶退火。冷轧板在保护气氛条件下进行再结晶退火处理,退火温度1100℃,退火时间30s,同时使Cu元素固溶,后快速冷却,防止含Cu析出物大量析出;
(8)时效处理。将冷轧板在保护气氛中进行时效,时效温度600℃,时效时间1min,最终获得低铁损高强度无取向电工钢。时效后冷轧板屈服强度σs=1050MPa,延伸率δ=3.2%,B50=1.62T,P1/400=20.3W/kg。平均晶粒尺寸为300μm,纳米铜析出物尺寸为10nm。
实施例二
(1)熔炼:将纯硅和工业纯铁按照成分比例进行混合,利用真空感应熔炼炉熔融后在1450-1550℃精炼,浇铸成铸锭。化学成分:合金的化学成分及质量百分比为Si=4.47%,Cu=1.87%,C≤0.50%,S≤0.0020%,Mn≤0.50%,Ti≤0.0030%,P≤0.30%,B≤0.0020%,余量为铁和不可避免的夹杂;
(2)锻造开坯:采用机械自由锻造方式,利用空气锤在1100℃锻造,经过多次反复镦粗拔长,将铸锭锻成方坯;
(3)热轧:锻造方坯室温装炉,加热温度为1050℃,保温30min,利用二辊热轧机进行热轧,两道次轧制后回炉,后进行二次热轧,得到1.4mm厚的热轧薄板;
(4)固溶处理:1050℃下保温15min,水冷。
(5)中温轧制:热轧板在酸洗后,在300℃保温10min后进行轧制,道次压下率10%-30%,每道次需进行回炉保温5min,得到厚度<0.5mm的薄板;
(6)室温轧制:室温轧制采用一次冷轧法,第一道次轧制压下率应大于15%,后电工钢薄板经室温多道次反复轧制,轧至0.15mm;
(7)再结晶退火。冷轧板在保护气氛条件下进行再结晶退火处理,退火温度900℃,退火时间5min,同时使Cu元素固溶,后快速冷却,防止含Cu析出物大量析出;
(8)时效处理。将冷轧板在保护气氛中进行时效,时效温度500℃,时效时间20min,最终获得低铁损高强度无取向电工钢。时效后冷轧板屈服强度σs=740MPa,延伸率δ=12.3%,B50=1.63T,P1/400=13.2W/kg。平均晶粒尺寸为50μm,纳米铜析出物尺寸为15nm。
实施例三
(1)熔炼:将纯硅和工业纯铁按照成分比例进行混合,利用真空感应熔炼炉熔融后在1450-1550℃精炼,浇铸成铸锭。化学成分:合金的化学成分及质量百分比为Si=5.5%,Cu=0.8%,C≤0.50%,S≤0.0020%,Mn≤0.50%,Ti≤0.0030%,P≤0.30%,B≤0.0020%,余量为铁和不可避免的夹杂;
(2)锻造开坯:采用机械自由锻造方式,利用空气锤在1050℃锻造,经过多次反复镦粗拔长,将铸锭锻成方坯;
(3)热轧:锻造方坯室温装炉,加热温度为1050℃,保温30min,利用二辊热轧机进行热轧,两道次轧制后回炉,后进行二次热轧,得到1.4mm厚的热轧薄板;
(4)固溶处理:900℃下保温15min,水冷。
(5)中温轧制:热轧板在酸洗后,在300℃保温10min后进行轧制,道次压下率10%-30%,每道次需进行回炉保温5min,得到厚度<0.5mm的薄板;
(6)室温轧制:室温轧制采用一次冷轧法,第一道次轧制压下率应大于15%,后电工钢薄板经室温多道次反复轧制,轧至0.03mm;
(7)再结晶退火。冷轧板在保护气氛条件下进行再结晶退火处理,退火温度800℃,退火时间60min,同时使Cu元素固溶,后快速冷却,防止含Cu析出物大量析出;
(8)时效处理。将冷轧板在保护气氛中进行时效,时效温度400℃,时效时间200h,最终获得低铁损高强度无取向电工钢。时效后冷轧板屈服强度σs=550MPa,延伸率δ=8.1%,B50=1.62T,P1/400=9.4W/kg。平均晶粒尺寸为10μm,纳米铜析出物尺寸为30nm。
本发明的有益效果为:(1)采用铜元素作为析出强化元素,可以有效地提高电工钢的强度,并且不会大幅降低磁性能。(2)采用较高的硅含量能有效地提高钢的电阻率,降低铁损。(3)采用铜元素的析出强化来提高强度,能大幅降低高强度电工钢的生产成本。(4)制备的高强度无取向电工钢产品性能优异,实现了对现有技术性能上的超越。(5)制备的高强度硅钢片加工性能好,在冲片之前都可以保持相对较软的状态,冲片后通过时效处理完成力学性能的提升。
本文虽然已经给出了本发明的三个实施例,但是本领域的技术人员应当理解,在不脱离本发明精神的情况下,可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的,不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (5)
1.一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法,其特征在于工艺流程为:以工业纯铁、纯铜和金属硅为原料,在真空感应炉中熔炼并浇铸成铸锭,铸锭经锻造开坯后进行热轧、再结晶退火、低温轧制、酸洗和室温轧制,冷轧板涂覆绝缘层后在Ar2气氛条件下进行退火处理,最终获得具有高强度及优异磁性能的无取向电工钢薄板;具体工艺步骤及参数为:
(1)熔炼:将纯硅、纯铜和工业纯铁按照成分比例进行混合,利用真空感应炉熔融后在1450-1550℃精炼,浇铸成铸锭,合金的化学成分质量百分比为:Si=3.5%-5.5%,Cu=0.8-3.2%,C≤0.50%,S≤0.002%,Mn≤0.50%,Ti≤0.0030%,P≤0.30%,B≤0.0020%,余量为铁和不可避免的夹杂;
(2)锻造开坯:采用机械自由锻造方式,利用空气锤在800~1200℃范围内锻造,经过多次反复镦粗拔长,将铸锭锻成方坯;
(3)热轧:锻造方坯室温装炉,加热温度保温后进行热轧,两道次轧制后回炉,后进行二次热轧,得到1.0-2.0mm厚的热轧薄板;
(4)固溶处理:这一阶段根据成分划分,需采用不同工艺:
a)Si≤4%且Cu≤2%时,该步骤可以省略,酸洗后直接进行中温轧制;
b)Si>4%或Cu>2%时,热轧板需进行固溶处理,温度800-1100℃,时间0.5-120min,后快速冷却;
对热轧板进行固溶处理,使Cu元素完全固溶,降低轧制抗力,后快速冷却,防止含Cu析出物大量析出;
(5)中温轧制:热轧板在酸洗后,在50-400℃保温5-30min后进行轧制,道次压下率10%-30%,每道次需进行回炉保温1-30min,得到厚度<0.5mm的薄板;
(6)室温轧制:室温轧制采用一次冷轧法,第一道次轧制压下率应大于15%,后电工钢薄板经室温多道次反复轧制,轧至0.03-0.30mm;
(7)再结晶退火:冷轧板在保护气氛条件下进行再结晶退火处理,退火温度800-1100℃,退火时间30s-60min,同时使Cu元素完全固溶,后快速冷却,防止含铜析出物大量析出;
(8)时效处理:将冷轧板在保护气氛中进行时效,时效温度400-600℃,时效时间30s-200h,最终获得低铁损高强度无取向电工钢。
2.根据权利要求1所述一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法,其特征在于步骤(4)所述固溶温度为800-1100℃,时间为0.5-120min。
3.根据权利要求1所述的一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法,其特征在于所述的高强度无取向硅钢的屈服强度为550-1050MPa,抗拉强度为580-1080MPa,断后伸长率>3%。
4.根据权利要求1所述的一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法,其特征在于所述的高强度无取向硅钢的铁损值P1.0T/400Hz为8-20W/kg,磁感应强度为1.56-1.70T。
5.根据权利要求1所述的一种含Cu高强度低铁损无取向高硅钢的制备方法,其特征在于所述的高强度无取向硅钢的平均晶粒尺寸为10-300μm,纳米铜析出物的尺寸为2-30nm。
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