无取向电工钢板

摘要

本发明涉及一种被广泛用作旋转机器例如汽车的驱动电动机中的钢芯材料的无取向电工钢板，包括按重量计1.3-2.5％的Al、0.8-2.0％的Si、0.6-1.2％的Mn和0.05-0.2％的P及余量的Fe和不可避免加入的其他杂质。该钢板满足组成方程式Al+Si+Mn+P＝3.9-4.45％，Al+Si＝2.5-3.8重量％，Al/Si＝0.65-3.1，并且Mn/P＝4-16。本发明提供了以电阻率为50-60μΩ·cm为前提、断面维氏硬度在185Hv以下的无取向电工钢板。由此，本发明能够制备与Fe-Si系的无取向电工钢板35A300-35A230(JIS规格)相比具有更大或相等的磁性的、生产率极高的无取向电工钢板。

权利要求

1.一种无取向电工钢板，其含有：

Al:1.3~2.5重量%，Si:0.8~2.0重量%，Mn:0.6~1.2重量%，P:0.05~0.09重量%，0.004重量%或更少的C、0.004重量%或更少的S，及0.002重量%或更少的N，余量的Fe，及不可避免的杂质； 其中该无取向电工钢板满足组成式Al+Si+Mn+P=3.9~4.45重量%、Al+Si=2.5~3.8重量%、Al/Si=0.65~3.1和Mn/P=4~16，并且电阻率为50~60μΩ·cm，而且维氏硬度为185HV以下，并且具有0.15~0.35mm的厚度时，其晶粒尺寸为70~130μm。

2.权利要求1的无取向电工钢板，其中当所述无取向电工钢板具有0.15~0.35mm的厚度时，其磁通量密度B50为1.60~1.70T、铁耗W10/400为11.0~25.0W/kg、铁耗W5/1000为

11.0~27.0W/kg。

说明书

无取向电工钢板

技术领域

[0001] 本发明涉及一种被广泛用作旋转装置中的铁芯材料的无取向电工钢板，并且更具体地，涉及一种具有低铁耗和高磁通量密度的无取向电工钢板。

背景技术

[0002] 无取向电工钢板作为在电装置中将电能转化成机械能所需的重要部件，为降低能量消耗，具有优良的磁性即低铁耗和高磁通量密度尤为重要。此处，由于铁耗在能量转化过程中被转化为热能，然后损失掉，因此铁耗越低效率越高。此外，磁通量密度作为一种产生动力的来源，因此磁通量密度越高效率越高。

[0003] 近年来，作为有效利用能量的同时降低CO2的措施，将汽油或柴油发动机转换为部分(混合型)或全部为电工式的技术正在快速发展。

[0004] 用于这些的发动机必须具有以下两个特征。第一，在启动时必须具有优良的加速性能，第二，在运行过程中必须具有高的燃料效率。将发动机的这些特征换做无取向电工钢板的磁性而言，前者为必须具有高饱和磁通量密度(Bs)，后者为必须具有较低的高频铁耗(W10/400，W5/1000)。此外，将无取向电工钢板的这些磁性换做其制备条件而言处于如下自相矛盾的关系：前者随着降低Si等合金元素量使电阻率(specific resistance)越低而越优秀，与此相反地，后者随着增加Si等合金元素量使电阻率越高而越优秀。

[0005] 当前，用于电动汽车的驱动电机的高级无取向电工钢板为35A300～35A230(基于JIS标准)，但是因为所述产品含有大量的Si等合金元素，因而可加工性差从而生产率较低。另外，制备的无取向电工钢板必须薄，以降低与高速旋转时的热损耗相对应的高频铁耗。但是，该当前使用的产品加工性也差，不易使其较薄，从而降低了生产率。为解决作为上述问题的高频带下的铁耗和低生产率，提出了通过增加电阻率等同于硅(Si)的组分铝(Al)的含量和降低硅(Si)的含量、或通过添加电阻率相当于硅(Si)一半的锰(Mn)来增强{100}结构的方法。这些现有技术在日本公开专利公报No.2002-146490、2001-59145和2003-293099中有公开。但是，由于晶粒生长、硬度、磁性等复合性问题而不能进行大批量生产。因此，需要设计一种最佳的组成比来制备具有高晶粒生长、低硬度和优良磁性的无取向电工钢板。

发明内容

[0006] 技术问题

[0007] 本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种具有低硬度和优良磁性的无取向电工钢板，其中晶粒生长可通过使例如Al、Si、Mn、P等添加组分最佳化而改进。

[0008] 技术方案

[0009] 为实现上述目标，本发明提供了一种无取向电工钢板，该钢板含有：Al：1.3～2.5重量％，Si：0.8～2.0重量％，Mn：0.6～1.2重量％，P：0.05～0.2重量％，余量的Fe，及不可避免的杂质；其中该无取向电工钢板满足组成式Al+Si+Mn+P＝3.9～4.45重量％、Al+Si＝2.5～3.8重量％、Al/Si＝0.65～3.1和Mn/P＝4～16，并且电阻率为50～60μΩ·cm，而且断面维氏硬度(cross-sectional Vickers hardness)在185Hv以下。

[0010] 有益效果

[0011] 本发明的无取向电工钢板的优点在于，由于使Al、Si、Mn、P等添加组分最佳化，因此硬度低并在高频带显示出优良磁性，并且由于易于生产加工，因此生产单价低改善了生产率。

附图说明

[0012] 图1示出了本发明的Mn和P的最佳范围；

[0013] 图2示出了本发明的Al和Si的最佳范围。

具体实施方式

[0014] 本发明为解决上述问题，不仅改变添加于钢的作为合金元素的Al、Si、Mn的添加量还改变P的添加量、Al/Si的比例和Mn/P的比例，来确认随各组分而变的硬度、晶体取向和晶粒生长，从而寻找能显著改进钢板的磁性和生产率的组成范围。

[0015] 下文，将对添加到钢板组合物中的各元素进行选择的原因及限制其比例的原因进行说明。

[0016] 在本发明中，为了维持与当前使用的Fe-Si系无取向电工钢板35A300～35A230(基于JIS标准)相等的饱和磁通量密度(BS)，以电阻率(ρ)具有相同范围
50～60μΩ·cm为前提。此处，组分比率(％)与电阻率(ρ)的关系由方程式ρ＝
13.25+11.3(Al+Si+P+Mn/2)表示。

[0017] 在本发明中，需要使高级钢的电阻率高于一般钢的电阻率，具体地，使高级钢电阻率为50μΩ·cm或更大。为使用于高级钢因而电阻率必须高。这是因为电阻率低时，涡流损耗增加，难以用于高级无取向电工钢板。这样的能给予电阻率的特定组分有Si、P等。这些组分的优点在于，它们能增加钢的电阻率并降低涡流损耗，但是缺点在于，当Si的含量过高时，降低了钢的磁通量密度以及使可加工性变差。因此，为降低涡流损耗和提供良好的可加工性，必须调节钢的电阻率在50～60μΩ·cm范围内。

[0018] 在本发明中，选择四种组分，例如Al、Si、Mn和P作为合金元素，并观测其影响。如下表1所示，分别用S0表示Fe-Si系，用S1表示Fe-Al系，用S2表示Fe-Al-Si系，用S3表示Fe-Al-Si-Mn-P系。此外，设定每个电阻率为56μΩ·cm，并相互进行比较。在此情况下，对每种钢进行热带退火(hot-band-annealed)、一步冷轧(one-stage-cold-rolled)，然后在1050℃进行最终退火38秒，从而制得无取向电工钢板。其结果在下表1中给出。

[0019] 表1

[0020]

[0021] 对于S0，由于其具有200Hv的高硬度，因此其极脆，由此降低了生产率。对于S1和S2，其晶粒生长比S0差，因此使铁耗增加。相比而言，对于S3——其具有增加的Mn和P量，其晶粒生长情况良好，因此其晶体取向和铁耗与S0的类似。因此，可以看到，需要使Mn和P进行最佳结合，来改进无取向电工钢板的晶粒生长。

[0022] 现将对选择Mn和P的最佳范围的原因进行说明。

[0023] 为考查Mn和P的最佳范围，对于S3，将Al和Si的量分别设定为2.5重量％和0.8重量％，并改变Mn和P的添加量。以该方式得到的产物由S3-1、S3-2、S3-3、S3-4和S3-5表示，并且其结果在下表2中给出。

[0024] 表2

[0025]

[0026]

[0027] 在除比较例S3-1之外的本发明实施例(S3-2、S3-3、S3-4和S3-5)中，铁耗较低，并且晶粒生长良好。因此，可以看到，Mn和P的最佳范围为Mn：0.6～1.2重量％，P：0.05～0.2重量％，Mn/P的比例为4～16。当该最佳范围示于图1中时，其对应图1中粗线的内部。即，在该范围内，晶粒生长是最好的，但是，当超过该最佳范围时，硬度过度增加，由此使脆性增加。

[0028] 接着，将对选择Al和Si的最佳范围的原因进行说明。

[0029] 为考查Al和Si的最佳范围，将体现晶粒生长的Mn和P的量分别设定为0.8重量％和0.08重量％，并在56μΩ·cm的电阻率条件下改变Al/Si的比例。其中Al/Si的比例分别为1.5、1.0和0.65的实施例分别由T1、T2和T3表示，且比较例(S0)也在下表3中给出。

[0030] 表3

[0031]

[0032] 从表3中可以看到，本发明的各实施例比比较例S0具有更低的硬度和更好的磁性。因此，可以看出，Al/Si的最佳比为0.65～3.1。此外，考虑到Mn和P，可以看到，Al和Si——满足电阻率为50～60μΩ·cm——的组成比在Al＝1.3～2.5％并且Si＝0.8～2.0％的条件下为Al+Si＝2.5～3.8重量％。当该最佳范围示于图2中时，其对应图2中粗线的内部。

[0033] 随后，将对选择Al、Si、Mn和P的最佳组合比的原因进行说明。

[0034] 在满足电阻率为50～60μΩ·cm的Al、Si、Mn和P的最佳组合比中，当Al+Si的量为3.8重量％时，必须使满足电阻率为60μΩ·cm的Mn和P的量最小化，因此Mn的量为0.6重量％，并且P的量为0.05重量％。相反地，当Al+Si的量为2.5重量％时，必须使满足电阻率为50μΩ·cm的Mn和P的量最大化，因此Mn的量为1.2重量％，并且P的量为0.2重量％。因此，Al、Si、Mn和P的最佳组合比为3.9～4.45％。

[0035] 我们现将对限制杂质的量的原因进行说明。即，由于C引起磁时效(magnetic aging)因而其量在0.004％以下，优选0.003％或更少；S的量可为0.004％或更少，优选0.002％或更少，因为其会与Mn键合形成MnS从而阻止晶粒生长；N的量可为0.004％或更少，优选0.002％或更少，因为其会与Al键合形成AlN从而阻止晶粒生长。此外，Ti的量可为0.004％或更少，优选0.002％或更少，因为其会加速[111]的生长，[111]为一种不利于无取向电工钢板的晶体取向。

[0036] 我们现将对限制晶粒尺寸和磁性的原因进行说明。如表1中所示，铁耗和晶粒尺寸之间的相关性极强。为制备电阻率为50～60μΩ·cm的高级钢，铁耗必须低，并且平均晶粒尺寸必须为100μm或更大。在本发明的组成范围内，钢板的厚度为0.35mm时，其平均晶粒尺寸为100μm或更大。此外，考虑到频率和晶粒尺寸之间的相关性，在50～60Hz的常用频率下，优选具有100～200μm的大晶粒尺寸，并且在400Hz或更大的高频带下，优选具有70～100μm的小晶粒尺寸。因此，当本发明的组成范围内钢板的厚度为0.30～0.15mm时，优选将其晶粒尺寸限制在70～130μm范围内。

[0037] 下文中，将参照以下本发明的实施例对本发明进行更详细的描述。

[0038] 将Fe-Si系的S0作为比较例，制造Fe-Al-Si-Mn-P系的S3、T1、T2、T3、T4、T5，且在表4中给出。

[0039] 表4

[0040]

[0041] 使用以上各组成制备钢锭。随后，将该钢锭加热至1150℃，然后在850℃热轧，从而制造出厚度为2.0mm的热板。随后，将该热板在950℃退火4分钟，酸洗，然后进行冷轧，从而得到厚度为0.35～0.15mm的钢板。然后，将钢板在1150℃进行最终退火38秒。其结果在下表5中给出。

[0042] 表5

[0043]

[0044] 硬度和Si含量之间的相关性较强。即，比较例Fe-Si系的S0的硬度为Hv 204，该值极高，但是，本发明的实施例Fe-Al-Si-Mn-P系的S3、T1、T2、T3、T4、T5的硬度为Hv 183或更小，该值较低，且具有良好的冷可加工性。

[0045] 磁通量密度(B50)随着其厚度的降低而降低。将比较例S0的磁通量密度与本发明的实施例的磁通量密度进行比较，本发明实施例即使厚度变薄磁通量密度也不会减少到S0程度。其原因在于，本发明的情况受冷厚度压下比(cold thickness reduction ratio)的影响轻。因此，对热板的厚度可进行广泛选择。

[0046] 高频铁耗(W10/400，W5/1000)与钢板厚度的关系是清楚的。钢板的高频铁耗随其厚度的降低而改进。在W10/400的情况下，基于厚度为0.35mm的钢板的铁耗计，其在0.30mm时的铁耗为约88％，其在0.25mm时的铁耗为约75％，其在0.20mm时的铁耗为约65％，并且其在0.15mm时的铁耗为约60％。在W5/1000的情况下，其在0.15mm时的铁耗降至0.35mm时铁耗的约50％。因此，可以看到，钢板的高频铁耗可通过使钢板变薄而最有效地改进。