制造具有高磁通量密度的非取向电工钢片的方法 相关申请
本申请要求在日本2003年4月10日递交的日本申请2003-106992号的优先权，该专利全部引入本文作参考。
【技术领域】
本发明涉及在L和C方向上具有极高磁通量密度的低铁损非取向电工钢片的制造方法。
背景技术
非取向电工钢片用于大型发电机、发动机，以及小型静止电装置，例如稳流器或用于音频物品(audio goods)的器件。
如图1所示，电工钢片的断流器具有主要在轧制方向(下文中称作L方向)和垂直于L方向的方向(下文中称作C方向)上形成的磁通道。最近，图1所示的分裂铁芯或者通过环状配置断流器T形钢片形成的定子铁芯已经被用于生产电动机。这些产品已经要求在L和C方向上具有高磁通量密度的低铁损非取向电工钢片。
淬火固化方法是制备高磁通量密度非取向电工钢片地制造方法之一。在淬火固化中，在移动的冷却壁上固化钢液形成铸钢条，并且铸钢条冷轧成预定的厚度，然后在最终步骤中退火成为非取向电工钢片。在未审查的日本专利申请第62-240714号(JP′714)，公开了一种制备平均晶粒尺寸等于或大于50微米的铸钢条，然后轧制铸钢条，从而产生大于50％冷轧比的方法。在实施例1(JP′714)中，因为所公开的起始铸钢条含有平均晶粒尺寸为0.5毫米的晶体并且条的厚度为1.4毫米，所以得出起始钢材包含等轴晶体的结论是合理的。还公开了通过控制冷轧比可以获得适于宣称目的的结构。例如，在高于50％冷轧比下获得适合小型静止电装置的{100}<001>型结构，而在高于70％冷轧比下获得适合旋转机械的{100}<025>型结构。JP′714中图2表示冷轧比和L及C方向上磁通量密度之间的关系，即当冷轧比超过70％时，磁通量密度降低。
具有分裂铁芯的型发电机、小型静止装置和发动机需要在L和C方向都具有高磁通量密度的钢片。但是，通过JP′714公开的方法并不能获得具有非常高磁通量密度(尤其是在L和C两个方向上)的非取向电工钢片，因为：(a)在移动冷却壁上超过70％的冷轧比下固化钢液；以及(b)铸钢条具有平均晶粒尺寸超过50微米的晶体。如同在下文中所公开，在条件(a)和(b)下，磁通量密度随着冷轧比的增加而增加，直至冷轧比达到约70％，此时磁通量开始降低。
一般而言，公知因为使用淬火固化方法获得的铸钢条是非常脆的，所以在使用淬火固化方法来获得铸钢条的情况下，在室温下轧制铸钢条可能会发生裂缝。
【发明内容】
本发明的目标是提供在L和C方向上具有极高磁通量密度的低铁损非取向电工钢片的制造方法，所述电工钢片不能通过JP′714中公开的方法来获得。
该目标通过下面的方法来实现。
一种制造具有高磁通量密度的低铁损非取向电工钢片的方法包括以下步骤：制备包含以质量百分数计0.008％或更少的C、1.8％到7％的(Si+2Al)、0.02到1.0％的Mn、0.005％或更少的S、0.01％或更少的N，以及余量Fe和不可避免杂质的钢液；在至少一个移动冷却壁上固化钢液，形成铸钢条；冷轧铸钢条至预定的厚度；以及最后退火冷轧的钢条，其中{100}磁极强度至少为4，并且冷轧的冷轧比在70％和85％之间，{100}磁极强度是铸钢条中间平面上{100}平面的积分反转磁极强度(integrated inverse pole intensity)[对于给定的冷轧钢条样品]与晶粒随机取向的“随机”样品{100}平面的积分反转磁极强度的比例。
在本发明的实施方案中，固化前钢液的过热度是70℃或更高。钢液的过热度定义为钢液浇铸温度与液相线温度之间的差值。
【附图说明】
图1表示非取向电工钢片的应用和应用的坯件布置。
图2是表示{100}磁极强度和磁通量密度B50间关系的图。
图3a)是表示{100}磁极强度为1.3的铸钢条固化结构的照片。
图3b)是表示{100}磁极强度为6.4的铸钢条固化结构的照片。
图4是表示冷轧比和磁通量密度B50间关系的图。
【具体实施方式】
发现为了制造高磁通量密度的非取向电工钢片，在淬火固化方法中控制固化结构、铸钢条结构和冷轧比(在特定窄的范围内应用到钢条上)是非常有效的。图2表示本发明人实施的实验结果的实施例。包含以质量百分数计0.0011％到0.0013％C、3.1％Si、1.1％Al、0.26％Mn、0.0022到0.0026％S和0.0013到0.0016％N的钢液在不同条件下使用双滚筒方法来淬火固化形成1.6毫米厚的铸钢条。铸钢条在78％冷轧比下室温冷轧形成0.35毫米厚的钢片，并且钢片最终在1075℃下退火30秒钟。图2表示a)铸钢条中间平面上{100}平面的积分反转磁极强度与晶粒随机取向的“随机”样品{100}平面的积分反转磁极强度的比例(本文简称为“{100}磁极强度”)；和b)在L、C和LC方向上磁通量密度B50间的关系。图2说明当{100}磁极强度超过4时磁通量密度增加。在图2的试样中，通过改变钢液的过热度来得到不同的{100}磁极强度。
图3是钢条固化结构的两张照片。图3B中所示的结构具有6.4的{100}磁极强度，而图3A中所示的结构具有1.3的{100}磁极强度。在照片中，垂直方向是铸钢条的厚度方向，并且水平方向是浇铸方向。在图3B中，{100}磁极强度为6.4的样品具有从表面延伸到中心层良好发展的柱状晶体。相反，在图3A中，{100}磁极强度为1.3的样品具有大量球形等轴晶体，并且几乎没有柱状晶体。从这一点发现通过尽可能发展柱状晶体来形成{100}<0vw>丰富的结构是重要的。
图4表示钢条样品冷轧比与磁通量密度B50间的关系，通过在室温和不同冷轧比下冷轧在图2实验中获得的{100}磁极强度为5.0的铸钢条，并且在最后步骤中于1075℃下退火该钢条30秒钟来获得所述钢条样品。图4表示通过在70～85％的冷轧比下冷轧{100}磁极强度为5.0的铸钢条获得最高的磁通量密度。
本发明人发现在图3和图4中样品所采取的冷轧温度条件下，有一些样品形成边缘裂缝。下面的表1表示在发现裂缝的情况中钢条样品的冷轧温度、边缘裂缝深度和磁通量密度B50间的关系，通过在不同的轧制温度和78％的冷轧比下，冷轧在图2实验中获得的{100}磁极强度为5.0的铸钢条，并且在最后步骤中于1075℃下退火钢条30秒钟来获得所述样品。
如表1所示，新发现通过在高于180℃的温度下冷轧铸钢条，防止了边缘裂缝，并且磁通量密度B50增加了0.01T。
表1 样品 号 冷轧温度 (℃) 发现裂缝情况下的 裂缝深度(毫米) B50 LC(T) 1 20 50 1.732 2 50 45 1.732 3 100 20 1.737 4 150 10 1.739 5 180 没有裂缝 1.743 6 250 没有裂缝 1.745 7 350 没有裂缝 1.746 8 370 没有裂缝 1.746
在本发明的实施方案中，退火步骤在750～1250℃的范围内进行10～180秒。优选地，退火步骤在850～1200℃的范围内进行20～180秒。最优选地，退火步骤在1000～1200℃的范围内进行25～60秒。
如上所述，在未审查的日本专利申请62-240714号中，建议了一种制备平均晶粒尺寸等于或大于50微米的铸钢条，然后轧制铸钢条，从而产生大于50％冷轧比的方法。但是在该文献中，可以合理地得出起始钢材中包含等轴晶体的结论。这种结论是基于JP′714实施例1图2中给出的数据是钢条具有0.5毫米晶体晶粒尺寸和1.4毫米厚度的观察结果得出的。
在本发明中，新发现通过使用具有柱状晶体的铸钢条并且应用70～85％的冷轧比可以获得高的磁通量密度，而{100}磁极强度为1.3的样品被认为在钢条中心层中具有等轴晶体，如图3A所示，在冷轧比为78％的情况下，LC方向上的B50为1.69T。如图2所示，在本发明中，使用70～85％的冷轧比，具有展开柱状晶体的钢条结构富含{100}<0vw>，LC方向上的B50高于1.72T，这会导致磁通量密度增加0.03T或更多。
还新发现通过在高于180℃的温度下冷轧铸钢条，防止了边缘裂缝，并且磁通量密度B50增加了0.01T，如上面的表1所示。
在本发明的钢片中，以质量百分数计，C含量达到0.008％，使得不会形成两相奥氏体和铁氧体，并且单相由铁氧体构成，铁氧体尽可能地发展柱状晶体。优选地C含量为0.0002％到0.008％。
如果(Si+2Al)％为1.8％或更多并且C％为0.008％或更少，不会形成奥氏体和铁氧体的两相，而是形成铁氧体单相，这有助于柱状晶体的发展。当(Si+2Al)％超过7％时，可冷轧性降低。所以(Si+2Al)％的上限为7％并且下限为1.8％。
为了改善脆性，Mn％为0.02％到1％。如果Mn含量超过1％，磁通量密度降低。
为了避免对铁损有不利影响的细硫化物的形成，S％为0.005％或更少。优选地，S含量为0.0002％到0.005％。
为了避免对铁损有不利影响的细氮化物如AlN的形成，N％为0.01％或更少。优选地，N含量为0.0002％到0.01％。
钢液被在至少一个移动冷却壁上固化，形成铸钢条。可以使用单滚筒方法和双滚筒方法。
{100}磁极强度应该为4或更大。当柱状晶体在铸钢条中发展时，获得高的磁通量密度，并且{100}磁极强度为4或更大，如图2和图3所示。
为了控制{100}磁极强度，调节钢液的过热度是有效的。钢液的过热度定义为钢液浇铸温度与液相线温度之间的差值。如同在下面的实施方案中所示，70℃或更高的过热度使{100}磁极强度为4或更大。
冷轧冷轧比在70～85％下应用。如图4所示，在冷轧比低于70％或多于85％的情况下，不能获得高的磁通量密度。
优选地，在180和350℃之间实施退火前的冷轧。如上面的表1所示，在低于180℃下实施冷轧的情况中，有可能形成边缘裂缝。在高于350℃下实施冷轧的情况中，磁通量密度B50的增加被饱和。通过在钢条温度降低到180℃以下之前轧制淬火固化的钢条，可在180℃以上的温度下冷轧钢条。还可以使用外部加热装置如电炉和煤气炉将钢条加热到180℃以上。
实施例1
在不同的过热度下，以质量计包含0.009％的C、3.0％的Si、0.20％的Mn、1.2％的溶解Al、0.0007到0.0018％的S和0.0018到0.0024％的N的钢液通过双滚筒方法淬火固化，从而形成具有不同厚度的铸钢条。钢条的液相温度为1490℃。然后，铸钢条在室温下酸洗，冷轧成0.35毫米厚的钢片，在1075℃下退火30秒并且最后用绝缘涂层来涂布。下面的表2表示冷轧比、磁性能和{100}磁极强度间关系。发现4或更大的{100}磁极强度和70到85％冷轧比的组合可以提供高的磁通量密度。
表2 样 品 号 {100} 磁极 强度 过热 度 (℃) 铸钢 条厚 度 (mm) 冷却 减速 比 (％) W15/50 LC (W/kg) B50 L (T) B50 C (T) B50 LC (T) 1 2.3 30 1.59 78 2.07 1.729 1.669 1.699比较例 2 3.5 55 1.59 78 2.06 1.734 1.691 1.713比较例 3 4.1 72 1.59 78 2.03 1.746 1.705 1.726本发明实施例 4 5.5 88 1.59 78 2.01 1.739 1.720 1.730本发明实施例 5 6.4 100 1.59 78 1.98 1.734 1.733 1.734本发明实施例 6 5.5 89 0.88 60 2.05 1.735 1.697 1.716比较例 7 5.6 90 1.09 68 2.05 1.738 1.700 1.719比较例 8 5.3 88 1.25 72 2.03 1.741 1.707 1.724本发明实施例 9 5.4 88 1.75 80 1.99 1.744 1.718 1.731本发明实施例 10 5.2 85 2.19 84 2.02 1.724 1.720 1.722本发明实施例 11 5.3 87 2.50 86 2.07 1.710 1.699 1.705比较例
实施例2
下面的表3表示钢条样品的冷轧温度、冷轧比、边缘裂缝深度、{100}磁极强度和磁性能间的关系，所述钢条样品通过在不同的轧制温度下冷轧用于制备表2中实施例1第9样品时获得的铸钢条成0.35毫米厚的钢片、在1075℃下退火钢条30秒钟，并且将绝缘薄膜应用于钢条上来获得。根据本发明的方法，通过采用70％到85％间的冷轧冷轧比、至少为4的{100}磁极强度及180和350℃间冷轧温度的条件，可以制造没有边缘裂缝的高磁通量密度非取向电工钢片。
表3 样 品 号 {100} 磁极 强度 过 热 度 (℃) 铸钢 条厚 度 (mm) 冷轧 比 (％) 冷轧 温度 (％) 边缘 裂缝 深度 (mm) W15/50 LC (W/kg) B50 L (T) B50 C (T) B50 LC (T) 12 5.4 88 1.75 80 20 55 1.99 1.744 1.718 1.731 本发明 实施例 13 5.4 88 1.75 80 150 20 1.99 1.746 1.720 1.733 本发明 实施例 14 5.4 88 1.75 80 180 0 1.98 1.753 1.726 1.740 本发明 实施例 15 5.4 88 1.75 80 210 0 1.96 1.754 1.729 1.742 本发明 实施例 16 5.4 88 1.75 80 350 0 1.96 1.754 1.729 1.741 本发明 实施例
根据本发明的方法，可以生产在L和C方向上具有极高磁通量密度的低铁损非取向电工钢片，它适合于用作大型发电机、小型静止电装置、发动机(包括分裂铁芯)等的铁芯。