一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢及其制造方法与流程

1.本发明属于电工钢领域，更具体地说，涉及一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢及其制造方法。


背景技术：

2.随着国家对环保要求的提高，新能源汽车作为环保型代步工具，发展越来越迅速；电动汽车驱动电机由于复杂的使用工况(如高低温、高频、加速、频繁震动、过载等)，与传统工业电机性能要求差异很大，既要具备高的功率密度和高的扭矩还有具备一定的材料强度。因此对于制备驱动电机铁芯材料而言，即要求无取向硅钢具备良好的磁性能又要有一定的强度。但对硅钢而言，在提升强度指标过程中，必然会降低电磁性能尤其是铁损恶化。如何调和材料磁性能与强度指标的矛盾性，成为近几年驱动电机用硅钢研发的重点方向和攻关难点。
3.传统高牌号硅钢通过si、als、mn等主合金元素配比设计结合适当的生产工艺，强度最高可达到420～450mpa，而高速驱动电机转子强度要求达到600mpa以上，微合金化成为进一步提高驱动电机转子用硅钢材料强度的有效途径。国内外通过采用固溶强化、细晶强化、析出强化及位错强化等措施来提高无取向硅钢的强度均有过报道，在实际应用中，以固溶强化和析出强化为主，但实施中往往会伴随着细晶强化和位错强化。在固溶强化方面，新日铁公司通过添加p、mn、ni等元素使0.35mm厚度硅钢产品屈服强度达到570mpa级别，其p
1.0/400
为30w/kg。在析出强化方面，日本住友金属公司通过zr、ti、v等元素使0.35mm厚度硅钢产品屈服强度达到690mpa级别，但p
1.0/400
达到46w/kg。新日铁公司在研究中提出可行的cu析出强化路线，与mn、ni等元素配合，其强度可达到550～600mpa，若辅以其它强化手段，可实现更高强度级别。
4.经检索，申请号201280004130.1的专利申请案公开了一种高强度无取向电工钢板，加入0.5-3.0％的ni、0.5-3.0％的cu，通过高温退火，使cu析出物与硫化物的相互作用，得到良好磁性能同时得到优良的强度性能，w
1.0/400
＝20.2-30.5w/kg，屈服强度r
el
为750-820mpa；该技术以牺牲磁感来提升力学性能。申请号200980113090.2的专利申请案公开了高强度无取向电工钢板及其制造方法，通过加入0.5-3.0％的cu，cu在950-1000℃的高温退火过程后，析出强化钢板，但退火温度较高，部分晶粒异常长大，不利于铁损p
10/400
的降低和磁感b
50
的提高，磁感b
50
为1.60-1.65t，铁损p
10/400
为25.0-30.0w/kg，铁损p
1.0/400
不能满足新能源汽车用无取向电工钢高效率的要求。
5.国内也在加快高强度无取向电工钢的研制步伐，如公开号cn106282781a的申请案公开了一种基于纳米cu析出强化制备高强度无取向硅钢的方法，利用纳米cu析出相对磁畴壁移动的阻碍作用小，几乎不影响磁感的同时大幅度提高强度。但是通过cu析出强化的方法需要高温退火使cu暂时固溶，延迟再结晶，并控制再结晶率，但是高温退火使部分晶粒异常长大，磁感b
50
为1.67-1.74t，铁损p
10/400
为22.5-31.5w/kg，铁损较高。公开号cn106435358a和cn105803311a的申请案通过采用双辊薄带连铸技术，添加析出强化元素
nb，配以成分设计及轧制和热处理，制造磁性能优良、强度高的无取向电工钢，磁感b
50
为1.68-1.73t，铁损p
10/400
为25.5-37.5w/kg，铁损较高。
6.公开号cn108286014a的申请案通过si的固溶强化能力提高强度，但较高的si含量使钢板的韧性下降，不利于产品加工；公开号cn106435358a的申请案采用超低c炼钢技术，通过添加析出强化元素nb提高强度，但其成品铁损p
10/400
较高为28.0-38.2w/kg；公开号cn111235461a的申请案采用高c(0.03-0.08％)成分体系，通过添加nb、ti及微量稀土来提高无取向硅钢强度，但c和ti会降低无取向硅钢的磁性能。


技术实现要素：

7.1、要解决的问题
8.针对目前无取向硅钢综合性能难以满足市场高需求的情况，本发明拟提供一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢及其制造方法，采用本发明的制造方法，最终产品具有较低铁损p
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≤21w/kg的同时，具有较高的强度屈服强度rp0.2≥700mpa。
9.2、技术方案
10.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
11.本发明的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢，钢板的化学成分按重量百分比计为：c：0-0.002％；si：2.5-3.5％；mn：0.25-0.75％；al：0.50-1.50％；p：≤0.01％；s：≤0.002％；sn：0.02-0.20％；且0.5％≤ni+nb+cu≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质。更进一步地，钢板的化学成分中按重量百分比计，0.5％≤ni+nb≤4.0％。更进一步地，ni含量按重量百分比计为1％～3％。更进一步地，nb含量按重量百分比计为0～1.5％。钢板的产品最终磁性能为：厚度0.27mm时b50＝1.60-1.70t，w1.0/400≤21.0w/kg，屈服强度rp0.2≥700mpa，抗拉强度rm≥780mpa，延伸率a50≥10％。
12.本发明的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢的制造方法，包括以下过程：
13.s1、对钢水进行冶炼和连铸得到铸坯；真空脱氧采用si和al的方式处理，脱氧和浇铸中间应保持在2-4分钟，有利于形成大晶粒夹杂物；
14.s2、铸坯放入加热炉中加热，然后进行热轧；其中加热炉中加热速度小于5℃/s，加热炉温度控制在1150℃以下；以降低细小的ain和mns比例，增加0.5μm以上夹杂物比例；
15.具体地，热轧阶段中精轧温度低于1100℃，终轧温度在780～850℃，卷曲温度600～680℃。
16.s3、轧后板坯进行常化处理；并对板坯进行冷轧；
17.具体地，常化处理中常化温度820～980℃，保温1～5min，并采用5％hcl在95℃进行酸洗；采用小辊径摩擦系数高的冷轧辊进行冷轧，有利于增加表层的剪切应力。
18.s4、对冷轧后板坯进行退火处理，具体地，退火处理采用三段式处理：
19.第一段：将温度从室温升至400～600℃，退火炉气氛氢含量≥30％，降低表面氧化层，；若炉内o含量控制在5ppm以下，可将退火炉气氛氢含量设为≤5％；
20.第二段：将温度从400～600℃至910～950℃，此温度区间为快速升温，优化采用电加热升温方式，升温速度控制50℃/s以下，保持高还原性气氛，退火炉气氛氢含量≥35％；因为连退机组采用快速加热退火可以抑制回复，使再结晶发生前的剩余形变储能增加，从而导致形核驱动力相应增加，同时，还能够促进大角晶界迁移。此外，快速加热退火降低了
晶核择优位向，最终降低了《111》//nd再结晶组分强度，位提高强度应降低板面升温速率，增加《111》织构比例；
21.第三段：温度从910～950℃升温至980～1050℃，升温速度控制在20℃/s以下，保温时间5s～100s，保持退火炉气氛氢含量≥30％；如此有助于保持晶粒的均匀性，晶粒断裂往往发生在大晶粒处，为降低大晶粒比例需在此阶段较长时间保温。
22.第三段保温后，以冷却速度10℃/s以下进行冷却。
23.本发明中各组分含量控制分析如下：
24.c：本发明控制c含量以为了保证热轧磁轭钢的强度，但c含量过高会降低钢板韧性，且c无论以固溶体形式还是渗碳体形式存在都会损害钢板的磁性能，本发明将c含量限定在≤0.002％。
25.si：si含量提高，钢板的强度升高，增大电阻率降低磁滞损耗，降低铁损，本发明提升钢中si含量，控制si含量2.5-3.5％。
26.mn：mn有利提高材料的电阻率，降低磁滞损耗，增加热轧板的可轧性，而且可以通过固溶强化提高强度；本发明提高mn含量设定为0.25-0.75％，并配合实施硅脱氧生产工艺，有利于减少形成熔点较低的氧化物复合夹杂，利于后期晶粒长大降低磁滞损耗p
1.0/400
可达0.5w/kg。
27.al：al具有钢板强度升高，降低磁感，降低铁损的作用，本发明控制al含量为0.50-1.50％。
28.p：p受sn的促进作用产生偏聚，细化晶粒、提高强度、改善织构，但fe3p偏析会使钢板脆化，降低韧性，因此本发明控制p≤0.010％。
29.s：s与钢中mn可形成塑性mns夹杂，减轻热脆现象，但会导致带钢形成带状组织，降低钢板韧性和成型性，且s对磁性能影响很大，本发明控制s含量≤0.002％。
30.sn：sn在热轧过程中会在原始晶界处偏聚，并促进p的偏聚，阻碍晶粒长大，使晶粒细化，提高钢板强度；但晶粒细化会导致磁滞损耗增加，由于sn、p偏聚会改善织构，减小偏聚对磁感造成的影响，本发明控制sn含量0.02-0.20％。
31.ni、nb、cu：有晶界的形貌也可由不加nb的平直晶界转变为加铌的弯折扭曲晶界，阻碍晶界间的相对移动，抑制晶粒的长大，钢的强度及塑性变形能力得以提高，ni可以提升电阻率，增加有利织构比例，提升磁感，cu具有细化晶粒提升强度的作用，本发明控制0.5％≤ni+nb+cu≤5.0％。
32.通过固溶强化元素ni、nb、cu等元素的加入，通过具体的热处理工艺析出尺寸在100nm～200nm析出物(nbc)，太小的析出物易对晶界形成钉扎阻碍退火时晶粒长大。cu和nb的加入主要是为了延迟再结晶发展，使nbc析出物控制在100nm～200nm比例增大，防止cu带来的热轧板表面龟裂，更优方式添加1％～3％的ni。同时加入一定比例的sn含量，sn元素的添加提升ni、nb、cu带来的磁感偏低的问题，主要优化有利织构组分和抑制内氧化层和内氮化层的出现降低磁滞损耗进而降低中高频铁损；微合金化提高无取向硅钢强度和磁性能，配合本发明特殊的制造工艺优化晶粒尺寸，使磁滞损耗和涡流损耗之和出现最优值。生产出的无取向电工钢具有较高强度的同时，还具有较低的中高频铁损。
33.3、有益效果
34.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
35.(1)本发明的高强度无取向电工钢的制造方法，通过加入ni、nb、cu和sn，sn元素的添加主要提升ni、nb、cu带来的磁感偏低的问题，主要优化有利织构组分和抑制内氧化层和内氮化层的出现降低磁滞损耗进而降低中高频铁损；微合金化提高无取向硅钢强度和磁性能；并配合特殊的制造工艺，优化合适的晶粒尺寸使磁滞损耗和涡流损耗总和达到一个最低值，生产出的无取向电工钢具有较高强度的同时，还具有较低的中高频铁损。
附图说明
36.图1为实施例1所得的钢种组织结构示意图；
37.图2为对比例1所得的钢种组织结构示意图。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
39.实施例
40.本发明的钢种化学成分(以质量百分数计)如下：c：0-0.002％；si：2.5-3.5％；mn：0.25-0.75％；al：0.50-1.50％；p：≤0.01％；s：≤0.002％；sn：0.02-0.20％；且0.5％≤ni+nb+cu≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质，具体各实施例和对比例的主要组分设计见下表1，其中c：0-0.002％，p：≤0.01％；s：≤0.002％，组分含量较低，表格中不再显示。
41.表1、连铸坯主要化学成分设计，单位：％
42.方案sisnmnalcuninb实施例13.030.120.490.621.811.00.5实施例23.50.150.60.50.52.01.5实施例32.50.20.251.01.03.01.0实施例42.80.020.751.2010.5实施例53.030.060.491.50.81.50.6实施例63.10.080.250.551.52.51.0实施例73.30.050.30.8000.5实施例82.70.160.71.50.82.251.5对比例13.030.120.490.621.813.251.6对比例23.20.150.550.61.001.6对比例33.030.120.490.621.02.250
43.本实施例的钢板制备方法如下：经过冶炼和连铸得到铸坯，真空脱氧和浇铸中间保持在2-4分钟；然后加热炉中加热，加热速度小于5℃/s，加热炉温度控制在1150℃以下，进行热轧；热轧阶段中精轧温度低于1100℃，终轧温度在780～850℃，卷曲温度600～680℃；轧后板坯进行常化处理，常化温度820～980℃，保温1～5min，并采用5％hcl在95℃进行酸洗，并对板坯进行冷轧；对冷轧后板坯进行三段式退火处理，第一段时退火炉气氛氢含量≥30％；第二段时升温速度控制50℃/s以下，具体如50℃/s、48℃/s、40℃/s等，退火炉气氛氢含量≥35％；第三段时升温速度控制在20℃/s以下，具体如20℃/s、16℃/s、12℃/s等，保温时间5s～100s，具体如5s、20s、50s、100s等，保持退火炉气氛氢含量≥30％；第三段保温后，以冷却速度10℃/s以下进行冷却，具体如10℃/s、8℃/s、7℃/s、6℃/s。其中主要制备工
艺参见表2。
44.表2、主要制备工艺信息表
[0045][0046][0047]
各实施例和对比例制得的钢板产品最终性能参见下表3。其中实施例1所得的钢种组织结构参见附图1，对比例1所得的钢种组织结构参见附图2。
[0048]
表3、实施例和对比例产品性能信息表
[0049][0050]
对比例
[0051]
对比例中的各钢板组分具体参见表1，其中制备方法中，对比例1采用与实施例相同的制备工艺，对比例2和对比例3则分别采用以下常规工艺：经过冶炼和连铸，热轧开轧温度1080℃，终轧温度860℃，卷曲温度630℃，常化温度950℃，冷轧后的钢卷经保护气体为60％氮气和40％氢气高温管式退火炉，退火温度为950℃，退火后的钢卷涂上半有机涂层，保证绝缘性和层间电阻，最终制得的产品性能具体参见表3。
[0052]
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和
范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢，其特征在于：钢板的化学成分按重量百分比计为：c：0-0.002％；si：2.5-3.5％；mn：0.25-0.75％；al：0.50-1.50％；p：≤0.01％；s：≤0.002％；sn：0.02-0.20％；且0.5％≤ni+nb+cu≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢，其特征在于：钢板的化学成分中按重量百分比计，0.5％≤ni+nb≤4.0％。3.根据权利要求1所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢，其特征在于：钢板的化学成分中ni含量按重量百分比计为1％～3％。4.根据权利要求1所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢，其特征在于：钢板的化学成分中nb含量按重量百分比计为0～1.5％。5.根据权利要求1所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢，其特征在于：钢板的产品最终磁性能为：厚度0.27mm时b
50
＝1.60-1.70t，w
1.0/400
≤21.0w/kg，屈服强度r
p0.2
≥700mpa，抗拉强度r
m
≥780mpa，延伸率a
50
≥10％。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢的制造方法，其特征在于，包括以下过程：s1、对钢水进行冶炼和连铸得到铸坯；s2、铸坯放入加热炉中加热，然后进行热轧；其中加热炉中加热速度小于5℃/s，加热炉温度控制在1150℃以下；s3、轧后板坯进行常化处理；并对板坯进行冷轧；s4、对冷轧后板坯进行退火处理。7.根据权利要求6所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢的制造方法，其特征在于：s2热轧阶段中精轧温度低于1100℃，终轧温度在780～850℃，卷曲温度600～680℃。8.根据权利要求6所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢的制造方法，其特征在于：s3中常化温度820～980℃，保温1～5min。9.根据权利要求6所述的一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢的制造方法，其特征在于：s4中退火处理采用三段式处理：第一段：将温度从室温升至400～600℃，退火炉气氛氢含量≥30％；若炉内o含量控制在5ppm以下，退火炉气氛氢含量设为≤5％；第二段：将温度从400～600℃至910～950℃，升温速度控制50℃/s以下，退火炉气氛氢含量≥35％；第三段：温度从910～950℃升温至980～1050℃，升温速度控制在20℃/s以下，保温时间5s～100s，保持退火炉气氛氢含量≥30％；第三段保温后，以冷却速度10℃/s以下进行冷却。

技术总结
本发明公开了一种驱动电机转子用高强度无取向电工钢及其制造方法，属于电工钢领域。本发明钢板的化学成分按重量百分比计为：C：0-0.002％；Si：2.5-3.5％；Mn：0.25-0.75％；Al：0.50-1.50％；P：≤0.01％；S：≤0.002％；Sn：0.02-0.20％；且0.5％≤Ni+Nb+Cu≤5.0％，余量为铁和不可避免的杂质。采用本发明的制造方法，最终产品具有较低铁损P


技术研发人员：程国庆 裴英豪 施立发 陆天林 刘青松 徐文祥 杜军 夏雪兰 祁旋 占云高 陈明侠
受保护的技术使用者：马鞍山钢铁股份有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/7