一種高強度含銅冷軋無取向矽鋼及製造方法與流程
2023-09-27 05:36:45
本發明涉及鋼鐵加工技術領域，特別是指一種高強度含銅冷軋無取向矽鋼及製造方法。
背景技術：
近年來，隨著新能源汽車的迅猛發展，對作為驅動電機和微型電機鐵芯材料的無取向矽鋼的性能要求更高。作為高效率的驅動電機，需要滿足高速旋轉並獲得高的轉矩，同時還需要保證較高的磁感應強度以及較低的高頻鐵損。因此，實際生產與使用中要求驅動電機較傳統無取向電工鋼強度高200mpa以上，且在提高強度同時還需保證不能損害其優良的磁性能。
到目前為止主要是通過優化無取向矽鋼成分以及改善織構達到改善無取向磁感的目的。在成分設計上，電機所用的無取向矽鋼成分通常都是超低碳、氮(質量分數均小於50×10-6)和高矽，有時還需要加入高al含量來保證其優異的磁性能特別是低的鐵損，也有通過添加稀土元素達到改善磁感強度的目的。在改善織構方面，主要通過粗化熱軋帶晶粒、適量添加sn、sb、cu、mn等元素、利用aln的析出、薄帶鑄軋以及利用初始柱狀晶等方法抑制有害織構，增加有利織構來改善無取向矽鋼的磁感強度。為了滿足無取向矽鋼的強度，目前主要是通過固溶強度、沉澱強化及位錯強化等方式達到目的。如何通過控制織構改善磁感強度的同時，利用各種強化方式改善無取向矽鋼的力學性能使其綜合性能達到最佳點，是本發明的特點之一。
傳統磁性矽鋼通過si的固溶強化提高強度同時降低鐵損，但最多只能提高至550mpa左右，更高si含量導致不可軋制，此外隨著si含量的提高磁感應強度隨之降低。因此，也有通過添加al以替代si的相關工作。其中，日本專利特開平10-25554在si、al總量不變的前提下，通過增加al和si含量以改善材料磁感應強度的目的，但隨著al含量升高、si含量降低，材料鐵損開始出現劣化，材料機械性能也隨之降低。此外，隨著al含量的提高對冶煉工藝提出了更加嚴格的要求。
專利cn102453838a公開了一種「較高磁感的高強度無取向電工鋼及其製造方法」，在傳統的生產工藝上，通過改進成分添加1％-8％cr以及0.5％-5％ni使基體固溶大量的合金元素以提高無取向矽鋼的力學性能的同時，也提高了高強度無取向矽鋼的生產成本；專利cn106282781a公開了一種「基於納米cu析出強化製備高強度無取向矽鋼的方法」，通過添加0.5％-2.0％cu和0.3％-2.0％ni以及經過薄帶鑄軋工藝生產的高強度無取向矽鋼性能如下：磁感強度b50為1.67-1.74t，鐵損p1.0/400為22.5-31.5w/kg，屈服強度rp0.2為640-750mpa，抗拉強度為700-850mpa。雖然此專利的力學性能和磁感強度較高，但高頻鐵損較高以及薄板鑄軋技術在目前原有工業生產中難以實現。
早在20世紀中期，研究人員就對銅在鋼中析出強化方面進行了深入的研究。相較於ti、nb、v等元素碳氮化物第二相粒子對磁疇的影響，富銅相對無取向矽鋼磁疇的移動阻力小很多，故富銅相的析出幾乎不影響磁感應強度。此外由於富銅相的析出對無取向矽鋼強度得到了較大程度的提高，而富銅相在鋼中是一種含有鐵的亞穩cu-fe相，具有一定的塑性變形能力，因此使得含銅鋼在較高強度的前提下仍具有較好的塑性。鑑於此，在對無取向矽鋼進行強化時，只需要對c、n等引起磁時效元素進行嚴格控制並對無取向矽鋼採用時效工藝便能達到較為理想的效果。而本發明的特點是在現有生產工藝的基礎上，在不大幅度增加生產成本的前提下，通過優化無取向矽鋼的成分以及適當改進部分生產工藝達到高強度無取向矽鋼更好的綜合性能。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種高強度含銅冷軋無取向矽鋼及製造方法，在0.001-0.0015wt.％c，2.5-3.0wt.％si，0.8-1.0wt.％al的冷軋無取向矽鋼中加入適量的銅及鎳元素，在適當的熱軋和捲曲工藝下，採用二次冷軋工藝促進無取向矽鋼中有利織構組分增加，同時減少不利織構的生成，從而使無取向矽鋼磁感強度得以改善。此外，採用時效工藝使退火過程中固溶的銅元素以第二相析出，從而達到強化無取向矽鋼的目的。
該矽鋼的化學成分為：0.001-0.0015wt.％c，2.5-3.0wt.％si，0.8-1.0wt.％al，0.5-0.8wt.％mn，1.5-2.0wt.％cu，0.75-1.5wt.％ni，nb≤0.005wt.％，餘為fe及不可避免的不純物，通過控制二次冷軋壓下量、退火工藝以及時效工藝，從而使無取向矽鋼的磁感強度、鐵損以及屈服強度達到平衡。其中cu元素的添加是為了得到納米級析出相，起到沉澱強化的作用。
該高強度含銅冷軋無取向矽鋼的製造方法，包括如下步驟：
(1)冶煉：按照化學成分百分比分別稱取原料，通過轉爐、電爐或感應爐冶煉獲得鋼液；
(2)鑄造：將步驟(1)所獲得的鋼液採用連鑄或澆鑄，得到鑄錠，並將得到的鑄錠進行鍛造，鍛坯厚度為35-40mm；
(3)熱軋：在1100-1200℃下將步驟(2)得到的鍛坯保溫1-2h，隨後經軋機進行不少於五道次軋制，總壓下率為92-94％，每道次壓下率為28％-35％，終軋溫度控制在850℃以上，隨後將熱軋板在550℃-650℃條件下保溫1h以上後隨爐冷卻；
(4)常化：在純氮或保護性氣氛下，將步驟(3)製得的熱軋板在980℃-1030℃條件下保溫3-5min，隨後將熱軋板取出空冷至室溫，得到常化板；
(5)一次冷軋與退火：將步驟(4)製得的常化板進行酸洗處理，然後進行一次冷軋至0.5mm，再在25％h2+75％n2氣氛和800℃-900℃條件下保溫2-5min，將得到的一次退火板取出空冷至室溫；
(6)二次冷軋與退火：將步驟(5)製得的一次退火板進行第二次冷軋，壓下量控制在15％-40％，然後在25％h2+75％n2氣氛和940℃-1020℃條件下保溫3-5min，將得到的二次退火板取出空冷至室溫；
(7)時效處理：將步驟(6)製得的二次退火板進行時效處理工藝，在20％-40％h2氣氛和500℃-600℃條件下保溫20-40min，隨後將時效處理後的鋼板取出空冷至室溫，製得高強度含銅冷軋無取向矽鋼。
製得的矽鋼的磁感強度b50為1.64-1.66t，鐵損w1.0/50為2.5-3.5w/kg，w1.0/400為20.04-25.04w/kg，下屈服強度rel為750-810mpa，抗拉強度rm為800-870mpa，延伸率為15％-20％。其較好的力學性能歸因於含銅相粒子的沉澱強化，形變過程中，根據frank-read強化理論，實驗鋼中的含銅相粒子與變形的過程生成的位錯進行交互作用，納米級的含銅相粒子相會釘扎位錯，此外由於含銅相粒子不是剛性粒子，因此粒子能夠承受一定的塑性變形，無取向矽鋼的塑性相較於其他沉澱強化較高。
本發明的上述技術方案的有益效果如下：
由於本發明是利用時效過程析出的銅相粒子強化無取向矽鋼，通過二次冷軋改善無取向矽鋼織構，故有別於目前現有的冷軋無取向矽鋼的生產。生產工藝簡單，可廣泛應用於不同生產水平的冷軋無取向矽鋼生產廠家，工藝通用性較強。
附圖說明
圖1為本發明980℃常化樣品金相圖；
圖2為本發明940℃退火後樣品ebsd圖；
圖3為本發明940℃退火樣品磁滯曲線圖；
圖4為本發明940℃退火樣品應力應變圖。
具體實施方式
為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
本發明提供一種高強度含銅冷軋無取向矽鋼及製造方法。
實施例1
化學成分(以質量百分數計)為：0.0013％c，0.53％mn，0.80％al，2.84％si，0.0030％n，0.0027％nb，0.0018％s，0.0045％p，1.8％cu，1.2％ni，其餘為鐵和不可避免的雜質。
鍛坯經過1150℃保溫1.5h後，經過軋機進行7道次軋制，總壓下率為94％，每道次壓下率為31％，終軋溫度為870℃，隨後將熱軋板在650℃條件下保溫1h後隨爐冷卻。接著將熱軋板在980℃和幹的100％n2保護性氣氛下保溫5min後並取出空冷至室溫。常化板經酸洗去除氧化鐵皮後，冷軋至0.5mm，然後將冷軋板在850℃和幹的25％h2+75％n2保護性氣氛下保溫3min，隨後取出並空冷至室溫。對退火板再進行第二次冷軋至0.35mm，然後在940℃和幹的25％h2+75％n2保護性氣氛下保溫5min後，立即將退火板取出空冷至室溫。將退火板在550℃和幹的25％h2+75％n2保護性氣氛下保溫30min，隨後取出冷卻至室溫。所得產品的磁性能b50＝1.65t，鐵損w1.0/400＝22.29w/kg,w1.0/50＝3.285w/kg，力學性能為：rel＝750mpa，rm＝845mpa，延伸率為18.90％。
其中，980℃常化樣品金相圖如圖1所示，940℃退火後樣品ebsd圖如圖2所示，940℃退火樣品磁滯曲線圖如圖3所示，940℃退火樣品應力應變圖如圖4所示。
實施例2
化學成分(以質量百分數計)為：0.0015％c，0.62％mn，0.91％al，2.92％si，0.0030％n，0.0025％nb，0.0018％s，0.0045％p，1.5％cu，0.8％ni，其餘為鐵和不可避免的雜質。
鍛坯經過1150℃加熱後，通過軋機進行7道次軋制，總壓下率為94％，每道次壓下率為31％，終軋溫度為870℃，隨後將熱軋板在600℃條件下保溫1h後隨爐冷卻。接著將熱軋板在1030℃和幹的100％n2保護性氣氛下保溫3min後取出空冷。常化板經酸洗去除氧化鐵皮後，冷軋至0.5mm，然後將冷軋板在800℃和幹的25％h2+75％n2保護性氣氛下保溫5min，隨後取出空冷至室溫。接著對退火板再進行二次冷軋至0.35mm，然後在980℃和幹的25％h2+75％n2保護性氣氛下保溫4min後，立即將退火板取出空冷至室溫。將退火板在600℃和幹的30％h2+70％n2保護性氣氛下保溫20min，隨後取出冷卻至室溫。所得產品的磁性能b50＝1.66t，鐵損w1.0/400＝25.04w/kg,w1.0/50＝3.175w/kg，力學性能為：rel＝745mpa，rm＝845mpa，延伸率為15.12％。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。