專利名稱：制備非取向電工鋼帶的改進(jìn)方法
與相關(guān)申請(qǐng)的相互參考本申請(qǐng)涉及并且要求2002年5月8日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/378,743的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
在各種電力機(jī)械和裝置中，特別是在要求鋼片所有方向上鐵損低和磁導(dǎo)率高的電機(jī)中，均廣泛使用非取向電工鋼作為磁芯材料。本發(fā)明涉及制備鐵損低和磁導(dǎo)率高的非取向電工鋼的方法，該方法中，將鋼熔體凝固成鑄錠或連鑄板坯，并且進(jìn)行熱軋和冷軋，獲得鋼帶成品。對(duì)鋼帶成品進(jìn)行至少一次獲得磁性能的退火處理，從而使本發(fā)明的鋼帶適合用于電力機(jī)械例如電機(jī)或者變壓器中。
市售的非取向電工鋼典型地分成兩類冷軋電機(jī)疊片鋼(″CRML″)和冷軋非取向電工鋼(″CRNO″)。CRML通常用于要求極低鐵損在經(jīng)濟(jì)上難以合算的場(chǎng)合。這樣的場(chǎng)合典型地要求非取向電工鋼的最大鐵損約4瓦特/磅(約9W/kg)，在1.5T和60Hz條件下測(cè)得的最小磁導(dǎo)率為約1500G/Oe(高斯/奧斯特)。在這些應(yīng)用中，所用鋼片典型地被加工成約0.018-0.030英寸(約0.45-0.76mm)的名義厚度。CRNO一般用在要求磁性能更好的具有較高要求的場(chǎng)合。這樣的場(chǎng)合典型地要求非取向電工鋼的最大鐵損約2W/#(約4.4W/kg)，在1.5T和60Hz條件下測(cè)得的最小磁導(dǎo)率為約2000G/Oe。在這些應(yīng)用中，所用鋼片典型地被加工成約0.0006-0.025英寸(約0.15-0.63mm)的名義厚度。
非取向電工鋼一般有兩種形式，通常稱作“半加工”鋼或者“完全加工”鋼?！鞍爰庸ぁ敝傅氖钱a(chǎn)品在使用之前必須退火，才能形成適當(dāng)?shù)木Я３叽绾涂棙?gòu)，釋放出加工應(yīng)力，并且，如果需要，才能夠提供適當(dāng)?shù)牡吞己恳员苊獍l(fā)生老化?！巴耆庸ぁ敝傅氖窃趯搸Ъ庸こ莎B片之前，就已經(jīng)充分獲得了磁性能，即已形成所述的晶粒尺寸和織構(gòu)，而且，為防止發(fā)生磁退化，碳含量已降低至約0.003％(重量)或更低。上述級(jí)別的鋼除非希望釋放制造應(yīng)力，否則不要求在制造成疊片之后進(jìn)行退火。非取向電工鋼主要用于旋轉(zhuǎn)裝置，例如電機(jī)或者發(fā)電機(jī)中，在這些場(chǎng)合，要求在相對(duì)于鋼片軋制方向的所有方向上，磁性能均勻一致。
非取向電工鋼的磁性能可能受到鋼片成品的厚度、體積電阻率、晶粒尺寸、化學(xué)純度和結(jié)晶織構(gòu)的影響。通過(guò)減小鋼片成品的厚度、提高鋼片中的合金含量以提高體積電阻率或者將兩種方法組合，能夠降低渦流引起的鐵損。
在已確立的用于制備非取向電工鋼的方法中使用的典型(但不受此限制的)合金添加元素是硅、鋁、錳和磷。非取向電工鋼可以含有最多約6.5％(重量)的硅、最多約3％(重量)的鋁、最多約0.05％(重量)的碳(加工過(guò)程中必須降至低于約0.003％(重量)，以防止發(fā)生磁退化)、最多約0.01％(重量)的氮、最多約0.01％(重量)的硫，余者是鐵以及少量煉鋼方法附帶的其它雜質(zhì)。
為了獲得最佳的磁性能，希望在最終退火之后獲得適當(dāng)?shù)拇缶Я３叽?。最終退火后的鋼片的純度可能對(duì)磁性能有顯著影響，因?yàn)榉稚⑾?、夾雜物和/或析出相的存在能夠抑止晶粒正常長(zhǎng)大，阻止獲得希望的晶粒尺寸和織構(gòu)，因而，不能在成品形式中獲得希望的鐵損和磁導(dǎo)率。此外，最終退火期間的夾雜物和/或析出相在AC磁化期間阻礙疇壁運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)一步降低最終產(chǎn)品的磁性能。如上所述，鋼片成品的結(jié)晶織構(gòu)，即構(gòu)成電工鋼帶的晶粒的取向分布在決定最終產(chǎn)品的鐵損和磁導(dǎo)率時(shí)非常重要。由米勒指數(shù)定義的<100>和<110>織構(gòu)分量具有較高的磁導(dǎo)率；相反，<111>型織構(gòu)分量具有較低的磁導(dǎo)率。
非取向電工鋼按照添加元素例如硅、鋁和類似元素的比例來(lái)區(qū)分。這類合金添加元素的作用是提高體積電阻率，以便在AC磁化期間抑止渦流的產(chǎn)生，從而降低鐵損。這些添加元素還通過(guò)提高硬度改善沖制性能。合金添加元素對(duì)鐵的體積電阻率的影響如方程I所示
(I)ρ＝13+6.25(％Mn)+10.52(％Si)+11.82(％Al)+6.5(％Cr)+14(％P)式中，ρ是鋼的體積電阻率(單位μΩ-cm)，％Mn，％Si，％Al，％Cr和％P分別是鋼中錳、硅、鋁、鉻和磷的重量百分?jǐn)?shù)。
含有的硅和其他元素的添加量低于約0.5％(重量)以獲得最高約20μΩ-cm的體積電阻率的鋼一般可被歸類為電機(jī)疊片鋼；硅或其他元素添加量約為0.5-1.5％(重量)以獲得約20-30μΩ-cm的體積電阻率的鋼一般可被歸類為低硅鋼；硅或其他元素添加量約為1.5-3.0％(重量)以獲得約30-45μΩ-cm的體積電阻率的鋼一般可被歸類為中硅鋼；以及，最后，硅或其他元素添加量約大于3.0％(重量)以獲得高于約45μΩ-cm的體積電阻率的鋼一般可被歸類為高硅鋼。
硅、鋁添加元素對(duì)鋼有不利影響。眾所周知，大量添加硅，特別是當(dāng)硅含量高于約2.5％時(shí)，會(huì)使鋼變脆，以及使溫度敏感性更高，即韌脆轉(zhuǎn)變溫度可升高。硅還可能與氮反應(yīng)，形成可能損害非取向電工鋼的物理性能和引起磁“老化”的氮化硅夾雜。適當(dāng)采用的添加鋁可以最大程度地減小氮對(duì)非取向電工鋼的物理性能及磁性能的影響，因?yàn)殇X會(huì)在澆注和/或熱軋前的加熱后的冷卻期間與氮反應(yīng)形成氮化鋁夾雜。但是，添加鋁會(huì)影響鋼的熔煉和澆注，因?yàn)樗鼤?huì)使耐火材料受到更嚴(yán)重的磨損，特別是會(huì)使用于在板坯澆注期間輸送鋼液的耐火材料部件發(fā)生堵塞。鋁還會(huì)使在冷軋之前氧化皮的去除變得更困難，從而影響熱軋鋼帶的表面質(zhì)量。
鐵中添加合金元素例如硅、鋁等還會(huì)影響奧氏體的數(shù)量，如方程II所示(II)γ1150℃＝64.8-23*Si-6l*Al+9.9*(Mn+Ni)+5.1*(Cu+Cr)-14*P+694*C+347*N式中，γ1150℃是在1150℃(2100°F)下形成的奧氏體的體積百分?jǐn)?shù)，％Si，％Al，％Cr，％Mn，％P，％Cr，％Ni，％C和％N分別是鋼中硅、鋁、錳、磷、鉻、鎳、銅、碳和氮的重量百分?jǐn)?shù)。典型地，含有約高于約2.5％Si的合金全部是鐵素體，即在加熱或冷卻期間不發(fā)生體心立方的鐵素體相向面心立方的奧氏體相的相變。眾所周知，全部鐵素體的電工鋼采用薄或厚板坯鑄造很復(fù)雜，原因是存在“皺紋狀變形(ridging)”的傾向。皺紋狀變形是在熱軋鋼片的冶金結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)局部不均勻所產(chǎn)生的缺陷。
上述的非取向電工鋼的制備方法已很成熟。這些方法典型地包括制備具有要求組成的鋼熔體；將鋼熔體澆注成厚度約2-20英寸(約50-500mm)的鑄錠或板坯；將鑄錠或板坯加熱至典型地高于約1900°F(約1040℃)的溫度下；以及，熱軋成厚度約0.040英寸(約1mm)或更大的鋼片。隨后采用各種工藝路線對(duì)熱軋鋼片進(jìn)行處理，所述工藝路線可以包括酸洗或者，任選地，在酸洗之前或之后對(duì)熱軋鋼片進(jìn)行退火；采用一個(gè)或多個(gè)步驟冷軋至要求的產(chǎn)品厚度；以及，最終退火，有時(shí)，隨后進(jìn)行表面光整軋制，以獲得要求的磁性能。
在制備非取向電工鋼的最常用示例性方法中，連鑄出厚度大于約4英寸(約100mm)但小于約15英寸(約370mm)的板坯；將其重新加熱至高溫，隨后進(jìn)行熱粗軋步驟，使板坯變成厚度大于約0.4英寸(約10mm)但小于3英寸(約75mm)的過(guò)渡板材；以及，熱軋成適合于進(jìn)一步處理的厚度大于約0.04英寸(約1mm)但小于0.4英寸(約10mm)的鋼帶。如上所述，厚板坯鑄造方法提供實(shí)施多個(gè)熱壓下步驟的機(jī)會(huì)，如果適當(dāng)采用多個(gè)熱壓下步驟，能夠提供避免出現(xiàn)本領(lǐng)域通常稱作“皺紋狀變形”的缺陷所需的均勻的熱軋冶金顯微組織。但是，必需的實(shí)施工藝經(jīng)常與軋機(jī)設(shè)備的操作不協(xié)調(diào)或者不適合軋機(jī)設(shè)備的操作。
近年來(lái)，薄板坯鑄造技術(shù)已得到發(fā)展。在該方法的實(shí)例中，非取向電工鋼由大于約1英寸(約25mm)但小于4英寸(約100mm)的鑄造板坯制備而成，對(duì)該板坯進(jìn)行加熱，隨后馬上熱軋至適合于進(jìn)一步處理的厚度大于約0.04英寸(約1mm)但小于0.4英寸(約10mm)的鋼帶。然而，雖然已經(jīng)能夠制備電機(jī)疊片級(jí)非取向電工鋼，但是，由于“皺紋狀變形”問(wèn)題，制備具有非常高的磁性能和物理質(zhì)量的完全鐵素體非取向電工鋼僅僅取得有限的成功。部分地，薄板坯鑄造更受限制，原因在于與使用厚板坯鑄造方法的情形相比，采用薄板法將鑄態(tài)板坯熱軋成熱軋鋼帶成品時(shí)熱軋的量與靈活性更受限制。
出于上述原因，長(zhǎng)期感到需要開(kāi)發(fā)使用與厚和薄板坯鑄造提供的能力更匹配且制造成本更低的方法，以甚至制備出極高級(jí)的非取向電工鋼的手段。
附圖描述

圖1是奧氏體相區(qū)與溫度關(guān)系的示意圖，其示出了臨界Tmin和Tmax溫度。
圖2是爐次A的鑄坯進(jìn)行加熱并采用所示壓下量熱軋之后的顯微組織照片。
圖3是爐次B的鑄坯進(jìn)行加熱并采用所示壓下量熱軋之后的顯微組織照片。
圖4是各種溫度下奧氏體計(jì)算量曲線，其刻畫(huà)出表1中爐次C，D，E和F的奧氏體相區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是公開(kāi)由連鑄板坯制備具有優(yōu)異物理性能和磁性能的非取向電工鋼的改進(jìn)組成。
本發(fā)明的上述及其他重要目的由具有下述組成的鋼實(shí)現(xiàn)，該組成中，硅、鋁、鉻、錳和碳的含量如下i.硅最多約6.5％ii.鋁最多約3％iii.鉻最多約5％iv.錳最多約3％v.碳最多約0.05％；此外，鋼中可以含有最多約0.15％銻；最多約0.005％鈮；最多約0.01％氮；最多約0.25％磷；最多約0.01％的硫和/或硒；最多約0.15％錫；最多約0.01％鈦和最多約0.01％的釩，余者是鐵以及煉鋼方法附帶的殘留物。
在一個(gè)優(yōu)選組成中，上述元素的含量如下i.硅約1-3.5％ii.鋁最多約1％iii.鉻約0.1-3％iv.錳約0.1-1％v.碳最多約0.01％；vi.硫最多約0.01％vii.硒最多約0.01％以及viii.氮最多約0.005％在一個(gè)更優(yōu)選組成中，上述元素的含量如下i.硅約1.5-3％ii.鋁最多約0.5％iii.鉻約0.15-2％iv.錳約0.1-0.35％v.碳最多約0.005％；vi.硫最多約0.005％vii.硒最多約0.007％以及viii.氮最多約0.002％。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種由鋼熔體制備非取向電工鋼的方法，所述鋼熔體含有硅和其他合金添加元素或者煉鋼方法附帶的雜質(zhì)，該熔體隨后被鑄造成厚度約0.8-15英寸(約20-375mm)的板坯，重新加熱至高溫，并熱軋成厚度約0.014-0.06英寸(約0.35-1.5mm)的鋼帶。該方法的非取向電工鋼可以在用于獲得用于電機(jī)、變壓器等裝置所希望的磁特性的最終退火處理之后使用。
在第二個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種方法，該方法中，非取向電工鋼由鋼熔體制備而成，所述鋼熔體含有硅和其他合金添加元素或者煉鋼方法附帶的雜質(zhì)，該熔體隨后被鑄造成厚度約0.8-15英寸(約20-375mm)的板坯，重新加熱并熱軋成厚度約0.04-0.4英寸(約0.1-10mm)的鋼帶，隨后進(jìn)行冷卻，酸洗，冷軋并且進(jìn)行最終退火，以獲得用于電機(jī)、變壓器等裝置所希望的磁特性。在該實(shí)施方案的一個(gè)任選形式中，熱軋鋼帶可以在冷軋和最終退火之前進(jìn)行退火。
在上述各實(shí)施方案的實(shí)踐中，制備出含有硅、鉻、錳和類似添加元素的鋼熔體，所述組成能夠提供使用方程I確定的至少20μΩ-cm的體積電阻率，和采用方程II確定的奧氏體體積分?jǐn)?shù)峰值γ1150℃大于0wt％。在本發(fā)明的優(yōu)選、更優(yōu)選和最優(yōu)選實(shí)踐中，γ1150℃分別至少5％，10％和至少20％。
在上述實(shí)施方案的實(shí)踐中，不可以在熱軋成鋼帶之前將鑄板坯或薄板坯加熱至高于方程IIIa確定的Tmax 0％溫度。Tmax 0％是奧氏體相區(qū)的高溫邊界，在該溫度，合金中存在100％的鐵素體，低于該溫度，合金中存在少量的奧氏體。這一點(diǎn)由圖1可以看出。通過(guò)如此限制加熱溫度，可以避免在板坯重新加熱期間由奧氏體重新轉(zhuǎn)變成鐵素體引起的晶粒異常長(zhǎng)大。在上述實(shí)施方案的優(yōu)選實(shí)踐中，不可以在熱軋成鋼帶之前將鑄板坯或薄板坯加熱至高于方程IIIb確定的Tmax 5％溫度。類似地，Tmax 5％是合金中存在95％的鐵素體和5％的奧氏體的溫度，該溫度剛剛低于高溫奧氏體相區(qū)邊界。在更優(yōu)選的實(shí)踐中，不可以將鑄板坯或薄板坯加熱至高于Tmax 10％溫度。在上述實(shí)施方案的最優(yōu)選實(shí)踐中，不可以在熱軋成鋼帶之前將鑄板坯或薄板坯加熱至高于方程IIIc確定的Tmax 20％溫度。Tmax 10％和Tmax 20％分別是在高于峰值奧氏體重量百分?jǐn)?shù)的溫度下，合金中存在10％和20％奧氏體的溫度。Tmax 5％，Tmax 10％和Tmax 20％也都在圖1中示出。
(IIIa)Tmax 0％，℃＝1463+3401(％C)+147(％Mn)-378(％P)-109(％Si)-248(％Al)-0.79(％Cr)-78.8(％N)+28.9(％Cu)+143(％Ni)-22.7(％Mo)
(IIIb)Tmax 5％，℃＝1479+3480(％C)+158(％Mn)-347(％P)-121(％Si)-275(％Al)+1.42(％Cr)-195(％N)+44.7(％Cu)+140(％Ni)-132(％Mo)(IIIc)Tmax 20％，℃＝1633+3970(％C)+236(％Mn)-685(％P)-207(％Si)-455(％Al)+9.64(％Cr)-706(％N)+55.8(％Cu)+247(％Ni)-156(％Mo)對(duì)鑄造并重新加熱的板坯必須進(jìn)行熱軋，因此，至少一個(gè)減薄道次在鋼的冶金結(jié)構(gòu)包括奧氏體的溫度下進(jìn)行。上述實(shí)施方案的實(shí)踐包括在約高于圖1所示Tmin 0％，但最高溫度約低于方程IIIa確定的如圖1所示約Tmax 0％的溫度下進(jìn)行的熱壓下道次。上述實(shí)施方案的優(yōu)選實(shí)踐包括在約高于方程IVa確定的Tmin 5％，但最高溫度約低于方程IIIb確定的Tmax 5％的溫度下進(jìn)行的熱壓下道次。上述實(shí)施方案的更優(yōu)選實(shí)踐包括在約高于Tmin 10％但最高溫度約低于Tmax 10％的溫度下進(jìn)行的熱壓下道次，如圖1所示。上述實(shí)施方案的最優(yōu)選實(shí)踐包括在約高于方程IVb確定的Tmin 20％但最高溫度約低于方程IIIc確定的Tmax 20％的溫度下進(jìn)行的熱壓下道次。
(IVa)Tmin 5％，℃＝921-5998(％C)-106(％Mn)+135(％P)+78.5(％Si)+107(％Al)-11.9(％Cr)+896(％N)+8.33(％Cu)-146(％Ni)+173(％Mo)(IVb)Tmin 20％，℃＝759-4430(％C)-194(％Mn)+445(％P)+181(％Si)+378(％Al)-29.0(％Cr)-48.8(％N)-68.1(％Cu)-235(％Ni)+116(％Mo)上述實(shí)施方案的實(shí)踐包括至少一個(gè)熱壓下道次，以在熱軋之后提供至少700名義應(yīng)變(ε名義)，該名義應(yīng)變采用方程V計(jì)算出
上述實(shí)施方案的實(shí)踐可以包括在冷軋之前進(jìn)行的溫度低于方程IVb確定的Tmin 20％的退火步驟。上述實(shí)施方案的優(yōu)選實(shí)踐可以包括在冷軋之前進(jìn)行的溫度低于Tmin 10％的退火步驟。上述實(shí)施方案的更優(yōu)選實(shí)踐可以包括在冷軋之前進(jìn)行的溫度低于方程IVa確定的Tmin5％的退火步驟。上述實(shí)施方案的最優(yōu)選實(shí)踐可以包括在冷軋之前進(jìn)行的溫度低于Tmin 0％的退火步驟。
上述實(shí)施方案的所述實(shí)踐必須包括為獲得鋼帶的磁性能在低于Tmin 20％(方程IVb)的溫度下進(jìn)行的最終退火。上述實(shí)施方案的所述優(yōu)選實(shí)踐必須包括為獲得鋼帶的磁性能在低于Tmin 10％(如圖1所示)的溫度下進(jìn)行的最終退火。上述實(shí)施方案的所述更優(yōu)選實(shí)踐必須包括為獲得鋼帶的磁性能在低于Tmin 5％(方程IVa)的溫度下進(jìn)行的最終退火。上述實(shí)施方案的所述最優(yōu)選實(shí)踐必須包括為獲得鋼帶的磁性能在低于Tmin 0％(如圖1所示)的溫度下進(jìn)行的最終退火。
除非另有定義，此處使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)的含義與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義相同。雖然在本發(fā)明的實(shí)施或?qū)嶒?yàn)中，可以使用與本文所述類似或相當(dāng)?shù)姆椒ê筒牧?，但是，下面介紹的是合適的方法和材料。將本文提及的所有出版物、專利申請(qǐng)、專利以及其它參考文獻(xiàn)通過(guò)引用全文并入本文。一旦出現(xiàn)沖突，以本說(shuō)明書(shū)(包括定義)為準(zhǔn)。此外，各種材料、方法和實(shí)施例均是說(shuō)明性的，并沒(méi)有打算對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。由下面的詳細(xì)描述以及權(quán)利要求，將明顯看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)。
發(fā)明詳述為了能夠?qū)φf(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求，包括待給定的范圍有一個(gè)清晰且一致的了解，對(duì)一些術(shù)語(yǔ)作如下定義。
術(shù)語(yǔ)“鐵素體”和“奧氏體”用于描述鋼的特定晶體形式?！拌F素體”或“鐵素體鋼”具有體心立方或″bcc″晶體結(jié)構(gòu)，而“奧氏體”或“奧氏體鋼”具有面心立方或″fcc″晶體結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“完全鐵素體鋼”用于描述在從熔體的冷卻過(guò)程中和/或熱軋重新加熱時(shí)，不管最終室溫顯微組織如何，都不會(huì)發(fā)生在鐵素體和奧氏體晶體結(jié)構(gòu)之間的任何相轉(zhuǎn)變的鋼。
術(shù)語(yǔ)“鋼帶”和“薄板”用于在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中描述鋼的物理特性，所述鋼為厚度小于約0.4英寸(約10mm)，寬度典型地超過(guò)約10英寸(約250mm)，更典型地超過(guò)約40英寸(約1000mm)的鋼。術(shù)語(yǔ)“鋼帶”沒(méi)有寬度限制，但其寬度明顯大于厚度。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，使用的是含有合金添加元素硅、鉻、錳、鋁和磷的鋼熔體。
為了開(kāi)始制備本發(fā)明的電工鋼，可以使用鋼熔煉、精煉和合金化的通用熟練方法制備鋼熔體。該熔體組成一般含有最多約6.5％硅、最多約3％鋁、最多約5％鉻、最多約3％錳、最多約0.01％氮，以及最多約0.05％碳，余者基本是鐵以及煉鋼方法附帶的殘留元素。一種優(yōu)選組成含有約1-3.5％硅、最多約1％鋁、約0.1-3％鉻、約0.1-1％錳、最多約0.01％硫和/或硒，最多約0.005％氮和最多約0.01％碳。此外，優(yōu)選鋼可以含有不超過(guò)約0.005％的殘留量的元素，例如鈦、鈮和/或釩。一種更優(yōu)選的鋼含有約1.5-3％硅、最多約0.5％鋁、約0.15-2％鉻、最多約0.005％碳、最多約0.008％硫或硒、最多約0.002％氮、約0.1-0.35％錳，余者為鐵和通常出現(xiàn)的殘留物。所述鋼也可以含有最多0.15％的其他元素如銻、砷、鉍、磷和/或錫。該鋼也可以包括單獨(dú)含量或者組合含量最多約1％的銅、鉬和/鎳。其他元素可以作為有意添加元素或者鋼熔煉過(guò)程中的殘留元素即雜質(zhì)存在。制備鋼熔體的示例方法包括吹氧、電弧(EAF)或者真空感應(yīng)熔煉(VIM)。進(jìn)一步精煉和/或向鋼熔體中添加合金元素的示例方法可以包括鋼包冶金爐(LMF)、真空吹氧脫碳(VOD)容器和/或氬氧脫碳(AOD)反應(yīng)器。
本發(fā)明鋼中的硅含量為約0.5-6.5％，優(yōu)選約1-3.5％，更優(yōu)選為約1.5-3％。硅的添加目的是提高體積電阻率，穩(wěn)定鐵素體相和提高硬度，以改善鋼帶成品的沖制性能。但是，當(dāng)含量高于約2.5％時(shí)，已認(rèn)識(shí)到硅會(huì)使鋼更脆。
本發(fā)明鋼中的鉻含量為最多約5％，優(yōu)選約0.1-3％，更優(yōu)選約0.15-2％。鉻的添加目的是提高體積電阻率。但是，為了保持所希望的相平衡和微觀組織特性，必須考慮鉻的作用。
本發(fā)明鋼中的錳含量最多約3％，優(yōu)選約0.1-1％，更優(yōu)選約0.1-0.35％。錳的添加目的是提高體積電阻率。但是，本領(lǐng)域中已知錳會(huì)降低最終退火期間晶粒的長(zhǎng)大速率。為此，就保持成品中所希望的相平衡和微觀組織特性而言，必須仔細(xì)考慮錳的大量添加適用性。
本發(fā)明鋼中的鋁含量最多為約3％，優(yōu)選最多約1％，更優(yōu)選最多約0.5％。鋁的添加目的是提高體積電阻率，穩(wěn)定鐵素體相和提高硬度，以改善鋼帶成品的沖制性能。但是，由于鋁會(huì)加速煉鋼耐火材料的劣化，因此，必須仔細(xì)考慮鋁的大量添加的適用性。此外，需要仔細(xì)考慮加工條件，以防止在熱軋期間析出細(xì)小的氮化鋁。最后，大量添加鋁可能導(dǎo)致形成附著力更強(qiáng)的氧化皮，結(jié)果使得鋼帶的除鱗更困難和昂貴。
硫和硒是本發(fā)明的鋼中不希望存在的元素，原因是這些元素會(huì)與其他元素結(jié)合，形成加工期間可能會(huì)抑止晶粒長(zhǎng)大的析出物。硫是鋼熔煉中常見(jiàn)的殘留元素。當(dāng)本發(fā)明的鋼中存在硫和/或硒時(shí)，它們的含量可為最多約0.01％。優(yōu)選硫的含量最多約0.005％，硒含量最多約0.007％。
氮是本發(fā)明的鋼中不希望存在的元素，原因是氮會(huì)與其他元素結(jié)合，形成加工期間可能會(huì)抑止晶粒長(zhǎng)大的析出物。氮是鋼熔煉中常見(jiàn)的殘留元素，而且，當(dāng)本發(fā)明的鋼中存在氮時(shí)，其含量最多可以約為0.01％，優(yōu)選最多約0.005％，更優(yōu)選最多約0.002％。
碳是本發(fā)明的鋼中不希望存在的元素。碳促進(jìn)奧氏體的形成，而且，當(dāng)其含量高于約0.003％時(shí)，所述鋼必須進(jìn)行脫碳退火處理，以充分降低碳含量，防止因碳化物析出導(dǎo)致最終退火態(tài)鋼發(fā)生“磁退化”。碳是鋼熔煉中常見(jiàn)的殘留元素，而且，當(dāng)本發(fā)明的鋼中存在碳時(shí)，其含量可為最多約0.05％，優(yōu)選最多約0.01％，更優(yōu)選最多約0.005％。如果熔體中的碳含量高于約0.003％，則非取向電工鋼必須進(jìn)行脫碳退火，以使碳含量低于約0.003％，優(yōu)選低于約0.0025％，這樣，最終的退火鋼帶將不會(huì)發(fā)生磁退化。
本發(fā)明的方法指出了在本發(fā)明的鋼生產(chǎn)方法，特別是用于制造高質(zhì)量的非取向電工鋼帶的緊湊(compact)鋼帶制備方法即薄板坯鑄造中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。
在薄板坯鑄造的特定情形中，鑄機(jī)與板坯加熱操作(或者稱作溫度均衡化)緊密相連，進(jìn)而，板坯加熱操作又與熱軋操作緊密相連。這種緊湊的軋機(jī)設(shè)計(jì)可能會(huì)限制板坯加熱溫度以及熱軋可采用的壓下量。這些限制會(huì)使得完全鐵素體的非取向電工鋼的生產(chǎn)變得困難，因?yàn)椴煌耆俳Y(jié)晶經(jīng)常導(dǎo)致最終產(chǎn)品中存在皺紋狀變形。
在厚板坯鑄造的特定情形中，以及在薄板坯鑄造的某些情形中，有時(shí)采用高的板坯重新加熱溫度，以確保鋼處在用于進(jìn)行粗熱軋的充分高的溫度下，在粗熱軋期間，通過(guò)厚度減薄將板坯軋成過(guò)渡板材，之后，進(jìn)行最終熱軋，在最終熱軋期間，過(guò)渡板材被軋成熱軋鋼帶。必須采用板坯加熱，以保持板坯處于其顯微組織由鐵素體與奧氏體的混合相構(gòu)成的溫度，防止在軋制之前板坯晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大。在本發(fā)明方法的實(shí)踐中，板坯的重新加熱溫度應(yīng)不高于方程IV中的Tmax。
對(duì)所述鑄造并軋制的鋼帶進(jìn)一步進(jìn)行最終退火處理，在退火處理中，獲得所要求的磁性能，并且，如果必要，充分降低碳含量，以防止發(fā)生磁退化。最終退火典型的是退火時(shí)在可控氣氛，例如氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中進(jìn)行。本領(lǐng)域中有幾種已知方法，包括分批或箱式退火、連續(xù)帶式退火和感應(yīng)退火。如果采用分批退火，則其實(shí)施的典型工藝是退火溫度等于或高于約1450°F(約790℃)但低于約1550°F(約843℃)，時(shí)間大約1小時(shí)，如ASTM規(guī)范726-00，A683-98a和A683-99中所述。如果采用連續(xù)帶式退火，則其實(shí)施的典型工藝是退火溫度為或高于約1450°F(約790℃)但低于約1950°F(約1065℃)，時(shí)間低于10分鐘。如果采用感應(yīng)退火，則其實(shí)施的典型工藝是退火溫度高于約1500°F(約815℃)，時(shí)間低于約5分鐘。
本發(fā)明提供具有適合商業(yè)應(yīng)用的磁性能的非取向電工鋼，其中，將鋼熔體鑄造成起始板坯，然后進(jìn)行熱軋、冷軋或者二者均有，之后，最終退火處理，以產(chǎn)生要求的磁性能。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中的含硅和鉻的非取向電工鋼具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诩庸て陂g能夠獲得改善的機(jī)械性能，其韌性更優(yōu)，而且，鋼帶斷裂抗力更高。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供制備非取向電工鋼的方法，所述鋼具有最大鐵損約4W/#(約8.8W/kg)、最小磁導(dǎo)率約1500G/Oe(測(cè)定條件1.5T，60Hz)的磁性能。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供制備非取向電工鋼的方法，所述鋼具有最大鐵損約2W/#(約4.4W/kg)、最小磁導(dǎo)率約2000G/Oe(測(cè)定條件1.5T，60Hz)的磁性能。
在本發(fā)明的任選實(shí)踐中，熱軋鋼帶可以進(jìn)行退火處理，之后，進(jìn)行冷軋和/或最終退火處理。
由原始組織為完全鐵素體的連鑄板坯制備非取向電工鋼的方法已為本領(lǐng)域的專業(yè)人員所公知。也已知道在熱軋期間使鑄態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)完全再結(jié)晶很困難。這會(huì)使熱軋鋼帶中產(chǎn)生不均勻晶粒結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致在冷軋期間出現(xiàn)稱作“皺紋狀變形“的缺陷。皺紋狀變形是不均勻變形的結(jié)果，它會(huì)導(dǎo)致對(duì)于最終應(yīng)用而言不可接受的物理特性。方程II說(shuō)明了組成對(duì)形成奧氏體相的影響，在本發(fā)明方法的實(shí)踐中，可以用來(lái)確定鋼帶熱軋(如使用)和/或退火(如使用)的限制溫度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，本申請(qǐng)人已確定對(duì)鋼帶進(jìn)行熱軋、退火、任選進(jìn)行冷軋，并且進(jìn)行最終退火處理，以使非取向電工鋼具有優(yōu)異的磁性能。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，本申請(qǐng)人進(jìn)一步確定對(duì)鋼帶進(jìn)行熱軋、冷軋和最終退火處理，以使非取向電工鋼具有優(yōu)異的磁性能，而不需要在熱軋之后進(jìn)行退火。在本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施方案中，本申請(qǐng)人還確定對(duì)鋼帶進(jìn)行熱軋、退火、冷軋和最終退火處理，以使非取向電工鋼具有優(yōu)異的磁性能。
在本申請(qǐng)人開(kāi)展的研究中，采用特定熱軋條件，以促進(jìn)再結(jié)晶，從而抑止“皺紋狀變形”缺陷的出現(xiàn)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)踐中，對(duì)熱軋變形條件進(jìn)行了模型化，以確定當(dāng)熱軋?zhí)峁┑膽?yīng)變能足于使鋼帶發(fā)生廣泛再結(jié)晶時(shí)的熱變形條件。該模型在方程IV-X中概括示出，它代表的是本發(fā)明方法的又一個(gè)實(shí)施方案，本領(lǐng)域的專業(yè)人員對(duì)此應(yīng)該很容易理解。
軋制提供的應(yīng)變能可以采用下式計(jì)算(VI)---W=θcln(11-R)]]>式中，W是軋制消耗的功，θc是鋼的條件屈服強(qiáng)度，R是以小數(shù)表示的軋制壓下量，即鑄造鋼帶的初始厚度(tc，單位mm)除以鑄造并熱軋鋼帶的最終厚度(tf，單位mm)。熱軋真應(yīng)變可以進(jìn)一步計(jì)算為(VII)ε＝K1W其中，ε是真應(yīng)變，K1是常數(shù)。將方程VI代入方程VII，真應(yīng)變可以計(jì)算為(VIII)---ϵ=K1θcln(titf)]]>條件屈服強(qiáng)度θc與熱軋時(shí)鑄造鋼帶的屈服強(qiáng)度有關(guān)。熱軋時(shí)，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)，因此，可以認(rèn)為在本發(fā)明的方法中熱軋期間不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變硬化。但是，屈服強(qiáng)度與溫度和應(yīng)變率密切相關(guān)，因此，申請(qǐng)人引入一個(gè)基于Zener-Holloman關(guān)系的解決方法，從而屈服強(qiáng)度根據(jù)變形溫度和變形率(也稱作應(yīng)變率)進(jìn)行計(jì)算，如下式所示(IX)---θT=4.019ϵ·0.15exp(7616T)]]>其中，θT是鋼軋制期間的溫度和應(yīng)變率補(bǔ)償?shù)那?qiáng)度， 是軋制應(yīng)變率，T是軋制時(shí)鋼的溫度(單位°K)。對(duì)于本發(fā)明而言，θT代替方程VIII中的θc，得到下式(X)---ϵ=K2ϵ·0.15exp(7616T)ln(titf)]]>
其中，K2為常數(shù)。
方程XI中示出了一種計(jì)算熱軋中的平均應(yīng)變率 的簡(jiǎn)化方法(XI)---ϵ·m=K32πDnDtiti-tfti[1+14(ti-tfti)]]]>其中，D是工作輥的直徑(單位mm)，n是輥旋轉(zhuǎn)速度(單位轉(zhuǎn)/秒)，K3為常數(shù)。通過(guò)用方程IX中的 替換方程IX中的 并且令常數(shù)K1，K2和K3均為1，可以將上述表達(dá)式重新整理和簡(jiǎn)化，這時(shí)，可以計(jì)算出名義熱軋應(yīng)變?chǔ)琶x，如方程XII所示 在本發(fā)明的實(shí)施方案中，將鑄造板坯加熱至不高于方程IV中的Tmax溫度下，以避免晶粒異常長(zhǎng)大。對(duì)鑄造并重新加熱的板坯進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)道次的熱軋，使厚度壓下量大于至少約15％，優(yōu)選大于約20％但小于約70％，更優(yōu)選大于約30％但小于約65％。規(guī)定熱軋條件，包括溫度、壓下量和壓下速率，以便通過(guò)至少一個(gè)道次，優(yōu)選至少兩個(gè)道次，更優(yōu)選至少三個(gè)道次，使應(yīng)變、方程V中的ε名義大于1000，優(yōu)選大于2000，更優(yōu)選大于5000，以便為鑄態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)提供最佳的再結(jié)晶條件，之后，再對(duì)鋼帶進(jìn)行冷軋或最終退火。
在本發(fā)明的實(shí)踐中，熱軋鋼帶的退火可以借助自退火進(jìn)行，自退火中熱軋鋼帶由其中保留的熱量進(jìn)行退火。自退火可以通過(guò)在高于約1300°F(約705℃)的溫度下卷曲熱軋鋼帶獲得。熱軋鋼帶的退火也可以使用本領(lǐng)域公知的分批型卷曲退火或者連續(xù)型鋼帶退火方法進(jìn)行，但是，退火溫度不許超過(guò)方程IV中的Tmax。采用分批型卷曲退火時(shí)，將熱軋鋼帶加熱至高溫，典型地高于約1300°F(約705℃)，時(shí)間大于約10分鐘，優(yōu)選高于約1400°F(約760℃)。采用帶式連續(xù)退火時(shí)，將熱軋鋼帶加熱至典型地高于約1450°F(約790℃)的溫度，時(shí)間低于約10分鐘。
可以任選對(duì)本發(fā)明的熱軋鋼帶或者熱軋并熱軋帶退火的鋼帶進(jìn)行除鱗處理，以便在冷軋或最終退火之前除去非取向電工鋼帶上形成的所有氧化物或鱗片層?！八嵯础笔亲钇胀ǖ某[方法，該方法中，使用一種或多種無(wú)機(jī)酸的水溶液對(duì)鋼帶金屬表面進(jìn)行化學(xué)清洗。其他方法如苛性堿清洗、電化學(xué)清洗和機(jī)械清洗都是清洗鋼表面的成熟方法。
最終退火之后，可以在本發(fā)明的鋼上進(jìn)一步涂覆絕緣涂層例如在ASTM規(guī)范A677和A976-97中指定用于非取向電工鋼的涂層。
實(shí)施例實(shí)施例1熔煉出具有表I所示組成的A和B兩爐次鋼，將其鑄造成厚度2.5英寸(64mm)的板坯。表I表明根據(jù)方程II計(jì)算的爐次A和B的γ1150℃分別約為21％和1％。切制出該兩個(gè)爐次的板坯試樣，并且在實(shí)驗(yàn)室中加熱至約1922-2372°F(1050-1300℃)的溫度下，之后，采用單個(gè)道次、約10-40％的壓下量進(jìn)行熱軋。熱軋使用直徑9.5英寸(51mm)、輥速32RPM的工作輥采用單個(gè)軋制道次進(jìn)行。熱軋之后，冷卻試樣并進(jìn)行酸腐蝕，以確定再結(jié)晶的量。
圖2和3分別示出了爐次A和B的結(jié)果。由圖2可看出，組成與爐次A相當(dāng)?shù)匿撛谧罡呒s2372°F(1300℃)的板坯加熱溫度下存在足夠的奧氏體來(lái)防止發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大，而且，采用對(duì)于熱壓下步驟充分的條件，將會(huì)使鑄態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生極好的再結(jié)晶。由圖3可看出，組成與爐次B相當(dāng)?shù)匿撝袏W氏體量較少，必須在約束條件下進(jìn)行處理，所述約束包括容許的板坯加熱溫度(對(duì)于爐次B這一具體情況而言，溫度約2192°F(1200℃)或更低)，以避免熱軋之前板坯晶粒異常長(zhǎng)大。此外，只有在窄的多得熱軋溫度范圍內(nèi)采用高的多的熱壓下量時(shí)，才能使鑄態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生期望量的再結(jié)晶。由圖3可看出，晶粒異常長(zhǎng)大和熱軋不充分均會(huì)導(dǎo)致大面積未再結(jié)晶晶粒，這些晶?？赡茉阡搸С善分行纬砂櫦y狀變形缺陷。
實(shí)施例2根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)開(kāi)發(fā)出表I中的爐次C，D和E的組成，它們采用Si-Cr組成，得到的γ1150℃值約20％或更大，根據(jù)方程I計(jì)算的體積電阻率從約35μΩ-cm(本領(lǐng)域中硅鋼的典型值)到約50μΩ-cm(本領(lǐng)域高硅鋼的典型值)。表I也示出了爐次F，其代表現(xiàn)有技術(shù)中完全鐵素體非取向電工鋼。表I示出了板坯加熱的最大容許溫度和本發(fā)明的這些鋼的最佳熱軋溫度。將表I結(jié)果在圖4中示出。示出了爐次C，D和E的奧氏體相區(qū)。圖4還表明爐次F經(jīng)計(jì)算顯示不存在奧氏體/鐵素體相區(qū)。如表I所述，采用本發(fā)明的方法可以制備出一種非取向電工鋼，該鋼具有現(xiàn)有技術(shù)的中硅-高硅鋼的典型體積電阻率，同時(shí)還存在充分量的奧氏體，從而確保在使用寬范圍的板坯加熱溫度和熱軋條件的熱軋期間，發(fā)生強(qiáng)烈、完全的再結(jié)晶。此外，本領(lǐng)域的專業(yè)人員可以使用本發(fā)明所述的方法發(fā)展能夠最大程度地與具體制造要求、操作能力或設(shè)備限制相協(xié)調(diào)的合金組成。
表I

溫度單位℃*本發(fā)明的**本發(fā)明的化學(xué)組成***非本發(fā)明的
權(quán)利要求
1.一種制備體積電阻率至少20μΩ-cm、峰值奧氏體體積分?jǐn)?shù)γ1150℃至少5wt％的非取向電工鋼的方法，包括如下步驟a)制備非取向電工鋼熔體，其組成包含以重量％計(jì)最多約6.5％硅最多約5％鉻最多約0.05％碳最多約3％鋁最多約3％錳，以及余者基本是鐵和殘留物；b)鑄造出厚度約20-375mm的鋼板坯；c)提供處于某一溫度的鋼板坯---c)將所述鋼板坯加熱至低于Tmax但高于Tmin的溫度，所述溫度由下式確定Tmin，℃＝759-4430(％C)-194(％Mn)+445(％P)+181(％Si)+378(％Al)-29.0(％Cr)-48.8(％N)-68.1(％Cu)-235(％Ni+116(％Mo)Tmax，℃＝1633+3970(％C)+236(％Mn)-685(％P)-207(％Si)-455(％Al)+9.64(％Cr)-706(％N)+55.8(％Cu)+247(％Ni)-156(％Mo)d)將所述板坯熱軋成厚度約0.35-1.5mm的熱軋鋼帶，其中，所述熱軋?zhí)峁┲辽?00的名義應(yīng)變，該名義應(yīng)變采用下述方程確定(需要說(shuō)明的是，對(duì)存在至少X％的奧氏體的鋼采用至少一次減薄)
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述非取向電工鋼熔體含有約1-3.5％硅、約0.1-3％鉻、最多約0.01％碳、最多約1％鋁、約0.1-1％錳、最多約0.01％的選自于由硫、硒及其混合物組成的組中的金屬、最多約0.01％氮，余者基本是鐵和殘留物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述非取向電工鋼熔體含有約1.5-3％硅、約0.15-2％鉻、最多約0.005％碳、最多約0.5％鋁、約0.1-0.35％錳、最多約0.005％硫、最多約0.007％硒、最多約0.002％氮，余者基本是鐵和殘留物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述非取向電工鋼熔體還含有最多約0.15％銻、最多約0.005％鈮、最多約0.25％磷、最多約0.15％錫、最多約0.01％硫和/或硒以及最多約0.01％釩。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述板坯(a)被加熱到Tmin至Tmax之間的溫度下；(b)熱軋成厚度約1-10mm的鋼帶；(c)冷卻至溫度低于？；(d)酸洗；(e)冷軋至厚度為？；以及(f)在低于Tmin溫度下最終退火。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，對(duì)所述熱軋鋼帶進(jìn)行冷軋。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，在冷軋前，在？溫度下對(duì)熱軋鋼帶進(jìn)行退火。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，γ1150℃是至少10％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，γ1150℃是至少20％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在最終退火之前對(duì)鋼帶進(jìn)行脫碳退火。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其在所述熱軋之后，還包括如下步驟a)對(duì)所述熱軋鋼進(jìn)行表面光軋；和b)對(duì)所述表面光軋的鋼進(jìn)行品質(zhì)退火。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其在熱軋之后，還包括如下步驟a)對(duì)所述熱軋鋼進(jìn)行酸洗操作；b)對(duì)所述酸洗后的鋼進(jìn)行一次或多次冷軋，如果冷軋超過(guò)一次，進(jìn)行退火；以及c)對(duì)所述冷軋鋼進(jìn)行品質(zhì)退火。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其在所述熱軋之后，還包括如下步驟a)對(duì)所述熱軋鋼進(jìn)行退火；b)對(duì)所述退火鋼進(jìn)行酸洗；c)對(duì)所述退火鋼進(jìn)行一次或多次冷軋，如果冷軋超過(guò)一次，進(jìn)行退火；以及d)對(duì)所述冷軋鋼進(jìn)行品質(zhì)退火。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，體積電阻率至少20％，峰值奧氏體體積分?jǐn)?shù)至少10％。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備非取向電工鋼的方法，所述鋼具有改善的磁性能和改善的抗皺紋狀變形、脆化、噴嘴堵塞以及磁老化的能力。含鉻鋼由鋼熔體制備出，將鋼熔體鑄造成薄板坯或通常的板坯，冷卻，熱軋和/或冷軋成鋼帶成品。對(duì)鋼帶成品再進(jìn)行至少一次退火處理，由此獲得磁性能，使得本發(fā)明的鋼帶適合用于電力機(jī)械例如電機(jī)或者變壓器中。
文檔編號(hào)H01F1/16GK1813074SQ200480017919
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月14日
發(fā)明者J·W·舍恩, R·小科姆斯托克 申請(qǐng)人:Ak資產(chǎn)公司