СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТА ИЗ ОЛОВОСОДЕРЖАЩЕЙ НЕТЕКСТУРИРОВАННОЙ КРЕМНИСТОЙ СТАЛИ, ПОЛУЧЕННЫЙ СТАЛЬНОЙ ЛИСТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
METHOD OF MAKING SHEET FROM TIN-CONTAINING NON-TEXTURED SILICON STEEL, OBTAINED STEEL SHEET AND ITS APPLICATION

Настоящее изобретение относится к способу изготовления листов из электротехнической Fe-Si стали, обладающих магнитными свойствами. Такой материал используется, например, при изготовлении роторов и/или статоров электродвигателей для транспортных средств.
Придание магнитных свойств Fe-Si стали является наиболее экономичным источником магнитной индукции. С точки зрения химического состава добавление кремния к железу является очень распространённым способом увеличения удельного электросопротивления, улучшая в результате магнитные свойства и одновременно снижая общие потери энергии. В настоящее время сосуществуют два типа сталей для электрооборудования: текстурированные и нетекстурированные стали.
Преимущество нетекстурированных сталей заключается в том, что они обладают магнитными свойствами, которые практически эквивалентны во всех направлениях намагничивания. Как следствие, такой материал более пригоден для применений, которые требуют вращательного движения, таких как, например, двигатели или генераторы.
Следующие свойства используются для оценки эффективности электротехнических сталей, когда речь идёт о магнитных свойствах:
- магнитная индукция, выраженная в Теслах. Эта индукция получается в заданном магнитном поле, характеризующемся в А/м. Чем выше индукция, тем лучше.
- потери в сердечнике, выраженные в Вт/кг, измеряются при заданной поляризации, выраженной в Теслах (Т), с использованием частоты, выраженной в герцах. Чем меньше суммарные потери, тем лучше.
Многие металлургические параметры могут влиять на указанные выше свойства, наиболее распространёнными из которых являются: содержание легирующих элементов, структура материала, размер ферритного зерна, размер и распределение выделений и толщина материала. Таким образом, термомеханическая обработка от литья до окончательного отжига холоднокатаной стали необходима для достижения искомых характеристик.
JP201301837 раскрывает способ изготовления листа электромагнитной стали, которая содержит 0,0030% или менее C, 2,0 - 3,5% Si, 0,20 - 2,5% Al, 0,10 - 1,0% Mn и 0,03 - 0,10% Sn, причем Si + Al + Sn ≤ 4,5%. Такую сталь подвергают горячей прокатке и затем первичной холодной прокатке со степенью обжатия 60 - 70% для получения стального листа средней толщины. Затем стальной лист подвергают промежуточному отжигу, затем вторичной холодной прокатке со степенью обжатия 55 - 70% и последующему окончательному отжигу при температуре 950°С или более в течение 20 - 90 секунд. Такой способ достаточно энергоёмкий и требует длительных технологических операций.
JP2008127612 относится к листу из нетекстурированной электромагнитной стали, имеющей химический состав, содержащий в % масс., 0,005% или менее С, 2 - 4% Si, 1% или менее Mn, 0,2 - 2% Al, 0,003 - 0,2% Sn , и остальное Fe с неизбежными примесями. Лист из нетекстурированной электромагнитной стали толщиной 0,1 - 0,3 мм изготавливают на стадиях: холодной прокатки толстолистового проката до и после стадии промежуточного отжига и последующего рекристаллизационного отжига листа. Такой путь обработки, как и в случае первой заявки, ухудшает производительность, поскольку он включает длинный технологический путь.
По-видимому, существует необходимость в способе изготовления таких FeSi сталей, который был бы упрощённым и более надёжным, при этом без потерь энергии и электромагнитных свойств.
Сталь в соответствии с изобретением проходит упрощенный технологический маршрут для достижения подходящих компромиссов в отношении потерь энергии и индукции. Кроме того, ограничен износ инструмента в случае стали по изобретению.
Целью настоящего изобретения является создание способа изготовления отожжённого холоднокатаного листа из нетекстурированной Fe-Si стали, состоящего из следующих последовательных стадий:
- плавки стали, состав которой содержит в массовых процентах:
C ≤ 0,006
2,0 ≤ Si ≤ 5,0
0,1 ≤ Al ≤ 3,0
0,1 ≤ Mn ≤ 3,0
N ≤ 0,006
0,04 ≤ Sn ≤ 0,2
S ≤ 0,005
P ≤ 0,2
Ti ≤ 0,01
остальное Fe и другие неизбежные примеси
- отливки указанного расплава в сляб
- повторного нагрева указанного сляба при температуре от 1050°С до 1250°С
- горячей прокатки указанного сляба при температуре окончания горячей прокатки от 750°С до 950°С для получения горячекатаной стальной полосы,
- намотки указанной горячекатаной стальной полосы при температуре от 500°С до 750°С для получения горячекатаной полосы
- необязательного отжига горячекатаной стальной полосы при температуре от 650°С до 950°С в течение времени от 10 с до 48 часов
- холодной прокатки горячекатаной стальной полосы для получения холоднокатаного стального листа
- нагрева холоднокатаного стального листа до температуры выдержки от 850°С до 1150°С
- выдержки холоднокатаного стального листа при температуре выдержки в течение времени от 20 с до 100 с
- охлаждения холоднокатаного стального листа до комнатной температуры для получения отожжённого холоднокатаного стального листа.
В предпочтительном осуществлении способа изготовления листа из нетекстурированной Fe-Si стали согласно изобретению содержание кремния составляет: 2,0 ≤ Si ≤ 3,5, более предпочтительно 2,2 ≤ Si ≤ 3,3.
В предпочтительном осуществлении способа изготовления листа из нетекстурированной Fe-Si стали согласно изобретению содержание алюминия составляет: 0,2 ≤ Al ≤ 1,5, более предпочтительно 0,25 ≤ Al ≤ 1,1.
В предпочтительном осуществлении способ изготовления листа из нетекстурированной Fe-Si стали по изобретению содержание марганца составляет: 0,1 ≤ Mn ≤ 1,0.
Предпочтительно в способе изготовления листа из нетекстурированной Fe-Si стали по изобретению содержание олова составляет: 0,07 ≤ Sn ≤ 0,15, более предпочтительно 0,11 ≤ Sn ≤ 0,15.
В другом предпочтительном осуществлении способ изготовления листа из нетекстурированной Fe-Si стали по изобретению включает необязательный отжиг в зоне горячекатаной полосы, осуществляемый с использованием линии непрерывного отжига.
В другом предпочтительном осуществлении способ изготовления листа из нетекстурированной Fe-Si стали по изобретению включает необязательный отжиг в зоне горячекатаной полосы, осуществляемый с использованием отжига в камерной печи.
В предпочтительном осуществлении температура выдержки составляет от 900 до 1120°С.
В другом осуществлении холоднокатаный отожжённый лист из нетекстурированной стали по изобретению имеет покрытие.
Другой целью изобретения является нетекстурированная сталь, полученная с использованием способа по изобретению.
Высокоэффективные промышленные двигатели, генераторы для производства электроэнергии, двигатели для электрических транспортных средств, использующие нетекстурированную сталь, изготовленную в соответствии с изобретением, также являются объектом изобретения, а также двигатели для гибридного транспортного средства, использующие нетекстурированную сталь, изготовленную согласно изобретению.
Чтобы достичь искомых свойств, сталь согласно изобретению включает следующий элементный химический состав в массовых процентах:
Углерод в количестве, ограниченном 0,006 включительно. Этот элемент может быть вредным, так как он может вызвать старение стали и/или выделение, что могло бы ухудшить магнитные свойства. Поэтому концентрацию следует ограничить значением ниже 60 ppm (0,006 % масс.).
Минимальное содержание Si составляет 2,0%, а максимальное ограничено 5,0%, включая оба предела. Si играет важную роль в увеличении удельного сопротивления стали и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи. Ниже 2,0% масс. Si трудно достичь уровни потерь для сортов с малыми потерями. Выше 5,0% масс. Si сталь становится хрупкой и осложняется последующая технологическая обработка. Следовательно, содержание Si составляет: 2,0% масс. ≤ Si ≤ 5,0% масс., в предпочтительном осуществлении 2,0% масс. ≤ Si≤ 3,5% масс., более предпочтительно 2,2% масс. ≤ Si≤ 3,3% масс.
Содержание алюминия должно составлять от 0,1 до 3,0%, включая оба предела. Этот элемент действует подобно кремнию с точки зрения сопротивления. Ниже 0,1% масс. Al отсутствует реальное влияния на удельное сопротивление или потери. Выше 3,0% масс. Al сталь становится хрупкой и осложняется последующая технологическая обработка. Следовательно, содержание Al состаляет: 0,1% масс. ≤ Al≤ 3,0% масс., в предпочтительном осуществлении 0,2% масс. ≤ Al ≤ 1,5% масс., более предпочтительно 0,25% масс. ≤ Al≤ 1,1% масс.
Содержание марганца должно составлять от 0,1 до 3,0%, включая оба предела. Этот элемент действует аналогично Si или Al на удельное сопротивление: он увеличивает удельное сопротивление и, следовательно, снижает потери на вихревые токи. Кроме того, Mn повышает твёрдость стали и может быть полезным для сортов, которые требуют более высоких механических свойств. Ниже 0,1% масс. Mn отсутствует реальное влияние на удельное сопротивление, потери или механические свойства. При содержании выше 3,0% масс. Mn образуются сульфиды, такие как MnS, что может ухудшить потери в сердечнике. Следовательно, содержание Mn составляет 0,1% масс. ≤ Mn ≤ 3,0% масс., в предпочтительном осуществлении 0,1% масс. ≤ Mn ≤ 1,0% масс.
Так же, как углерод, азот может быть вреден, так как он может привести к выделениям AlN или TiN, что может ухудшить магнитные свойства. Свободный азот также может вызывать старение, что ухудшает магнитные свойства. Поэтому концентрацию азота следует ограничить 60 ppm (0,006% масс.).
Олово является существенным элементом в стали этого изобретения. Его содержание должно составлять от 0,04 до 0,2%, включая оба предела. Оно играет положительную роль в плане магнитных свойств, особенно благодаря улучшению текстуры. Это помогает уменьшить компонент (111) в окончательной текстуре и, таким образом, помогает улучшить магнитные свойства в целом и поляризацию/индукцию в частности. Ниже 0,04% масс. эффект олова является незначительным и выше 0,2% масс. хрупкость стали становится проблемой. Следовательно, содержание олова составляет: 0,04% масс. ≤ Sn ≤ 0,2% масс., в предпочтительном осуществлении 0,07% масс. ≤ Sn ≤ 0,15% масс.
Концентрация серы должна быть ограничена 0,005% масс., потому что S может образовывать выделения, такие как MnS или TiS, которые ухудшают магнитные свойства.
Содержание фосфора должно быть ниже 0,2% масс. P увеличивает удельное сопротивление, что уменьшает потери, а также может улучшить текстуру и магнитные свойства из-за того, что является сегрегирующим элементом, который может играть роль при рекристаллизации и в текстуре. Он также может улучшить механические свойства. Если концентрация превышает 0,2% масс., технологическая обработка будет затруднена из-за увеличения хрупкости стали. Следовательно, содержание Р составляет P ≤ 0,2% масс., но в предпочтительном осуществлении, чтобы ограничить проблемы сегрегации, P ≤ 0,05% масс.
4
2
2
Титан представляет собой элемент, который может образовывать выделения, такие как: TiN, TiS, TiCS, Ti(C,N) и TiC, что является вредным для магнитных свойств. Его концентрация должна быть ниже 0,01% масс.
Остальное представляет собой железо и неизбежные примеси, такие как перечисленные ниже, с максимальным содержанием, приемлемым в стали в соответствии с изобретением:
Nb ≤ 0,005% масс.
V≤ 0,005% масс.
Cu≤ 0,030% масс.,
Ni ≤ 0,030% масс.
Cr≤ 0,040% масс.,
B≤ 0,0005
Другими возможными примесями являются: As, Pb, Se, Zr, Ca, O, Co, Sb и Zn, которые могут присутствовать на уровне следов.
Отливку с химическим составом согласно изобретению затем повторно нагревают, температура повторного нагрева сляба (SRT) составляет от 1050°С до 1250°С, до достижения однородной температуры по всему слябу. При температуре ниже 1050°С затруднена прокатка и усилия прокатки будут слишком высокими. Выше 1250°С сорта с высоким содержанием кремния становятся очень мягкими и может происходить коробление до некоторой степени и таким образом затрудняется переработка.
Температура окончания горячей прокатки влияет на окончательную микроструктуру после горячей прокатки и составляет от 750 до 950°С. Когда температура чистовой прокатки (FRT) ниже 750°С, рекристаллизация ограничена и микроструктура сильно деформирована. Выше 950°С означало бы больше примесей в твёрдом растворе и возможное последующее выделение и ухудшение магнитных свойств.
Температура намотки (СТ) горячекатаной полосы также играет роль в конечном горячекатаном продукте; она составляет от 500°С до 750°С. Намотка при температурах ниже 500°С не позволила бы добиться достаточного возврата, хотя эта металлургическая стадия необходима в плане магнитных свойств. Выше 750°С появляется толстый оксидный слой, что создает трудности для последующих стадий обработки, таких как холодная прокатка и/или травление.
Горячекатаная стальная полоса имеет поверхностный слой с текстурой Госса с ориентировкой {110}<100>, указанная текстура Госса измеряется на 15% толщины горячекатаной стальной полосы. Текстура Госса обеспечивает полосу с повышенной плотностью магнитного потока, тем самым уменьшая потери в сердечнике, что хорошо видно из таблиц 2, 4 и 6, представленных ниже. Зарождение текстуры Госса усиливается во время горячей прокатки путём поддержания температуры окончания прокатки выше 750 градусов Цельсия.
Толщина горячей полосы варьируется от 1,5 до 3 мм. Трудно получить толщину менее 1,5 мм на обычных станах горячей прокатки. Холодная прокатка от полосы толщиной более 3 мм до заданной толщины холоднокатаной стали значительно снизит производительность после стадии намотки, что также ухудшит окончательные магнитные свойства.
Необязательный отжиг горячекатаной полосы (HBA) может выполняться при температурах от 650 до 950°С, эта стадия является дополнительной. Это может быть непрерывный отжиг или отжиг в камерной печи. Ниже температуры выдержки 650°С рекристаллизация не будет завершена, и улучшение конечных магнитных свойств будет ограничено. Выше температуры выдержки 950°С зерно рекристаллизации становится слишком большим и металл становится хрупким и затрудняется обработка на последующих технологических стадиях. Продолжительность выдержки будет зависеть от того, будет ли это непрерывный отжиг (от 10 с до 60 с) или отжиг в камерной печи (от 24 ч до 48 ч). После этого полосу (отожжённую или не отожжённую) подвергают холодной прокатке. В этом изобретении холодную прокатку проводят в одну стадию, т.е. без промежуточного отжига.
Травление может быть выполнено до или после стадии отжига.
Наконец, холоднокатаную сталь подвергают окончательному отжигу при температуре (FAT), составляющей от 850 до 1150°С, предпочтительно от 900 до 1120°С, в течение времени от 10 до 100 с в зависимости от используемой температуры и искомого размера зерна. Ниже 850°С рекристаллизация не будет завершена, и потери не достигнут своего наилучшего значения. При температуре выше 1150°С размер зерна будет слишком большим и индукция ухудшится. Что касается времени выдержки, менее 10 секунд не хватает времени для рекристаллизации, тогда как выше 100 с размер зерна будет слишком большим и отрицательно скажется на конечных магнитных свойствах, таких как уровень индукции.
Толщина конечного листа (FST) составляет от 0,14 мм до 0,67 мм.
Микроструктура конечного листа, полученного в соответствии с изобретением, содержит феррит с размером зерна от 30 мкм до 200 мкм. Ниже 30 мкм потери будут слишком высокими и выше 200 мкм уровень индукции будет слишком низким.
Что касается механических свойств, то предел прочности при разрыве будет составлять от 300 МПа до 480 МПа, в то время как предельная прочность при растяжении должна быть от 350 МПа до 600 МПа.
Следующие примеры предназначены для иллюстрации и не предназначены для ограничения объёма раскрытия:
Пример 1
Выполняют две лабораторные плавки с составами, приведёнными в таблице 1 ниже. Подчёркнутые значения не соответствуют изобретению. Затем последовательно: проводят горячую прокатку после повторного нагрева слябов при 1150°С. Температура окончания прокатки составляет 900°С и стали наматывают при 530°С. Горячие полосы подвергают отжигу в камерной печи при 750°С в течение 48 часов. Стали подвергают холодной прокатке до 0,5 мм. Промежуточный отжиг не проводят. Окончательный отжиг проводят при температуре выдержки 1000°С и времени выдержки 40 с.
Таблица 1: Химический состав в % масс. Плавки 1 и 2
Элемент (% масс.)
Плавка 1
Плавка 2
C
0,0024
0,0053
Si
2,305
2,310
Al
0,45
0,50
Mn
0,19
0,24
N
0,001
0,0021
Sn
<b></b><b><u>0,005</u></b><b></b>
0,12
S
0,0049
0,005
P
< 0,05%
< 0,05%
Ti
0,0049
0,0060
Магнитные измерения проводят для обеих этих плавок. Измеряют общие магнитные потери при 1,5 Т и 50 Гц, а также индуктивность B5000 и результаты показаны в таблице ниже. Можно видеть, что добавление Sn приводит к существенному улучшению магнитных свойств с использованием этого технологического маршрута.
Таблица 2: Магнитные свойства плавки 1 и 2
Плавка 1
Плавка 2
Потери при 1,5T/50Гц (Вт/кг)
2,98
2,92
B5000 (T)
1,663
1,695
Пример 2
Выполняют две плавки с составами, приведёнными в таблице 3 ниже. Подчёркнутые значения не соответствуют изобретению. Горячую прокатку проводят после повторного нагрева слябов при 1120°С. Температура окончания прокатки составляет 870°С, температура намотки составляет 635°С. Горячие полосы подвергают отжигу в камерной печи при 750°С в течение 48 часов. Затем проводят холодную прокатку до 0,35 мм. Промежуточный отжиг не проводят. Окончательный отжиг проводят при температуре выдержки 950°С и времени выдержки 60 с.
Таблица 3: Химический состав в % масс. Плавка 3 и 4
Элемент (% масс.)
Плавка 3
Плавка 4
C
0,0037
0,0030
Si
2,898
2,937
Al
0,386
0,415
Mn
0,168
0,135
N
0,0011
0,0038
Sn
<u>0,033</u>
0,123
S
0,0011
0,0012
P
0,0180
0,0165
Ti
0,0049
0,0041
Магнитные измерения проводят для обеих этих плавок. Измеряют общие магнитные потери при 1,5 Т и 50 Гц, а также индуктивность B5000 и результаты показаны в таблице ниже. Можно видеть, что добавление Sn приводит к существенному улучшению магнитных свойств с использованием этого технологического маршрута.
Таблица 4: Магнитные свойства плавок 3 и 4
Плавка 3
Плавка 4
Потери при 1,5T/50Гц (Вт/кг)
2,40
2,34
B5000 (T)
1,666
1,688
Пример 3
Выполняют две плавки с составами, приведёнными в таблице 5 ниже. Подчёркнутые значения не соответствуют изобретению. Затем последовательно проводят: горячую прокатку после повторного нагрева слябов при 1150°С. Температура окончания прокатки составляет 850°С и стали наматывают при 550°С. Горячие полосы подвергают отжигу в камерной печи при 800°С в течение 48 ч. Стали подвергают холодной прокатке до 0,35 мм. Промежуточный отжиг не проводят. Окончательный отжиг проводят при температуре выдержки 1040°С и времени выдержки 60 с.
Таблица 5: Химический состав в % масс. Плавка 5 и 6
Элемент (% масс.)
Плавка 5
Плавка 6
C
0,002
0,0009
Si
3,30
3,10
Al
0,77
0,61
Mn
0,20
0,21
N
0,0004
0,0014
Sn
<u>0,006</u>
0,076
S
0,0004
0,0012
P
≤0,05
≤0,05
Ti
0,0015
0,0037
Сопротивление (мкОм<sup>.</sup>cm)
55,54
53,07
Магнитные измерения проводят для обеих этих плавок. Измеряют общие магнитные потери при 1,5 Т и 50 Гц, при 1 Т и 400 Гц, а также индуктивность B5000 и результаты показаны в таблице ниже. Можно видеть, что добавление 0,07% масс. Sn приводит к улучшению магнитных свойств с использованием этого технологического маршрута.
Таблица 6: Магнитные свойства плавка 5 и 6
Плавка 5
Плавка 6
Потери при 1,5T/50Гц(Вт/кг)
2,17
2,12
B5000 (T)
1,673
1,682
Как можно видеть из всех этих примеров, Sn улучшает магнитные свойства с использованием металлургического способа согласно изобретению с различным химическим составом.
Сталь, полученную по способу изобретения, можно использовать для двигателей электрических или гибридных автомобилей, для промышленных высокоэффективных двигателей, а также для генераторов для производства электроэнергии.