本發(fā)明屬于電工鋼制造技術領域，特別涉及一種新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼的制造方法。

背景技術：

新能源汽車具有環(huán)保、節(jié)約、簡單三大優(yōu)勢，是未來汽車發(fā)展的必然趨勢，目前得到開發(fā)使用的新能源汽車包括混合動力汽車（Hybrid EV）和電動汽車（EV），它的工作原理是借助驅動電機將電能轉化成機械能。驅動電機作為新能源汽車的核心部件之一，越來越受到研究學者的廣泛關注。無取向硅鋼是制造驅動電機的關鍵材料，在電機旋轉過程中起著巨大的作用，而旋轉所受的巨大離心力很容易使電機轉子遭受破壞，所以，無取向硅鋼力學性能的好壞直接影響了電機能否平穩(wěn)運轉?；谛履茉雌囼寗与姍C的嚴格要求，無取向硅鋼產(chǎn)品必須保證在具有良好磁性能的同時，力學性能能夠有大的提升，即高磁感、低鐵損、高強度、高韌性。目前中國對新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼的研究尚處于技術不成熟階段。國外的研究以日本的研究學者研究最多。

寶鋼公開了一種較高磁感的高強度無取向電工鋼及其制造方法（CN 102453838 A），該制備方法采用常規(guī)冶煉澆注工藝生產(chǎn)鑄坯，經(jīng)過熱軋、?；?、冷軋、退火的后處理工藝后，得到具有較好磁性能、較高強度的無取向硅鋼產(chǎn)品。該生產(chǎn)方式提供了一些增強高強度無取向硅鋼的特定工藝路線，具有一定的參考價值，但其生產(chǎn)過程復雜，同時要求有?；に嚕瑢Y源的節(jié)約與環(huán)境的發(fā)展不利，從長遠來看，還需要進行工藝改進；日本JFE（JP2005-2272913）公開了一種常規(guī)流程生產(chǎn)高強度無取向硅鋼的專利，主要的應用原理利用單質原子Cu的析出強化機制，在煉鋼時添加析出強化元素Cu（0.6~1.1%），經(jīng)過鋼水冶煉、連鑄、熱軋、?；?、冷軋、退火、時效等后處理工序，控制Cu以細小彌散的ε-Cu金屬相形式析出，保證磁性能的同時提高了強度。該專利的創(chuàng)新點在于添加了析出強化元素Cu，并且很好地控制了Cu在無取向硅鋼生產(chǎn)過程中的析出，強度得到了提升；但是Cu的加入易出現(xiàn)“銅脆”，可能會出現(xiàn)性能不穩(wěn)定的情況，在工業(yè)化生產(chǎn)的實現(xiàn)上還有很長的路要走。

隨著常規(guī)流程生產(chǎn)的硅鋼成本高、污染大等諸多不利因素越來越受到人們的密切關注，雙輥薄帶連鑄技術在硅鋼生產(chǎn)上的應用越來越多，并被認為是21世紀最有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚵鞒碳夹g之一，它是一項綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要技術，必將得到更大的發(fā)展；與傳統(tǒng)的連鑄工藝相比，薄帶連鑄工藝在生產(chǎn)無取向硅鋼的主要優(yōu)勢在于：（1）鑄帶組織與織構具有可控性。調(diào)整薄帶連鑄工藝參數(shù)，可以有效控制鑄帶微觀組織與織構，由于鋼鐵材料加工過程的遺傳作用，成品板能夠呈現(xiàn)更好的組織與織構特征，從而在對力學性能與磁性能的控制上有一定的優(yōu)勢；（2）在亞快速凝固的高速凝固速度下，能夠有效控制夾雜物與析出物，從而有效提升產(chǎn)品質量，降低有害析出物對磁性能的損害，特別是對合金元素加入較多的高強度無取向硅鋼，優(yōu)勢更加明顯；（3）薄帶連鑄技術把鑄與軋聯(lián)系在了一起，省了熱軋粗軋等工序，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)過程綠色節(jié)能?；谝陨媳нB鑄技術在無取向硅鋼制備過程中的有利作用，薄帶連鑄技術必將在無取向硅鋼與其他相近產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得大的發(fā)展；應用薄帶連鑄技術生產(chǎn)的無取向硅鋼鑄帶具有缺陷少、組織分布均勻、{100}取向織構發(fā)達的特點。

在無取向硅鋼的制造過程中，硅元素的添加量增加鐵損與磁感降低，同時強度提高，但硅是一種脆性元素，鋼中硅元素含量越多，越難進行后續(xù)加工；根據(jù)無取向硅鋼中制造過程中硅含量的添加特性，研究高強度無取向硅鋼時使用質量分數(shù)3%Si無取向硅鋼，在該硅含量下生產(chǎn)的無取向硅鋼具有相對較好的磁性能與力學性能，目前現(xiàn)有的技術仍很難達到新能源汽車用驅動電機對無取向硅鋼的性能要求，如何兼顧磁性能并有效提高強度與韌性，是目前高強度硅鋼研究中必須克服的難題。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有無取向硅鋼制造技術上存在的以上難題，本發(fā)明提供了一種新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼的制造方法，采用雙輥薄帶連鑄技術，添加析出強化元素Nb，采用超低碳煉鋼技術冶煉鋼水，結合后續(xù)的軋制和熱處理工藝，有效控制成品組織、織構與析出物特征，制造性能優(yōu)良的高強度無取向硅鋼，提高新能源汽車驅動電機的使用效率。

本發(fā)明的方法包括以下步驟：

（1）冶煉鋼水，控制鋼水的成分重量百分比為：C 0.002~0.005%，Si 2.8~3.5%，Mn 0.2~1%，Al 0.5~2%，Ni 0.5~2%，Cr 0.5~3%，O ≤0.005%，S ≤0.005%，N ≤0.005%，P ≤0.005%，并且Nb的重量百分比按公式0<Nb/93-（C/12+N/14）<5×10^-3，其中Nb、C和N為各自元素的重量百分數(shù)，其余為Fe和不可避免的夾雜；

（2）將鋼水引入中間包并通過布流式水口澆入雙輥薄帶連鑄設備進行連鑄，鋼水出爐溫度1530~1570℃，中間包預熱溫度1100~1200℃，薄帶連鑄機雙輥轉速30~70m/min，獲得厚度2.5~2.7mm的鑄帶；

（3）鑄帶出鑄軋輥后空冷至開軋溫度1100~1170℃，然后進行熱軋，終軋溫度≥900℃，總壓下量20~35%，熱軋后噴水冷卻至≤600℃并卷取，獲得熱軋板；

（4）將熱軋板酸洗去除表面氧化鐵皮，后于單機架軋機進行4~6道次冷軋，冷軋至獲得厚度0.35mm的冷軋板；

（5）將冷軋板在Ar₂氣氛條件下進行退火處理，退火溫度680~850℃，時間1~15min，退火結束后涂絕緣涂層，最后卷取獲得新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼成品板。

上述的新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼成品板的{111}織構組分5~25%，平均再結晶晶粒尺寸2~15μm，NbC析出物平均尺寸3~20nm。

上述的新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼成品板的磁感應強度B₅₀為1.65~1.70T，鐵損值P_15/50為5.0~7.8W/kg，P_10/400為28.0~38.2W/kg，屈服強度R_p0.2為600~780MPa，抗拉強度R_m為695~862MPa，延伸率A為17~24%。

在本發(fā)明的成分設計中，主要元素的作用及要求如下：

C，易與Nb、Zr、V、Ti結合并在基體上析出，降低固溶的Nb、Zr、V、Ti元素含量，影響材料的組織狀態(tài)，對力學性能與磁性能的影響非常強烈，所以必須合理的控制；本發(fā)明控制C的含量0.002~0.005%；

Si，硅是鋼中有益元素，能夠增大鋼液的流動性，且易溶于鐵素體并使鐵素體強化。硅含量在3.5%以下時，Si元素增多會使鋼的屈服強度提高，韌性下降但不明顯。但在3.5%以上時，鋼的韌性迅速下降。同時Si的增多能提高鋼的電阻，降低鐵損；本發(fā)明要求硅含量控制在2.8~3.5%；

Ni，鋼中有益元素，可大量加入，添加在鋼中能起到固溶強化的作用，隨Ni含量的增多，鋼的強度增大，且磁感應強度降低不明顯。但Ni屬于貴金屬，加入量大后提高成本，所以不宜加入過多；本發(fā)明控制Ni的含量在0.5~2%；

Cr，鋼中有益元素，添加在鋼中能起到固溶強化的作用，有效的提高鋼的強度，降低鐵損，同時Cr的存在使得鋼的耐腐蝕性能增強；本發(fā)明控制0.5~3%Cr；

Mn，鋼中有益元素，在低含量范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性，同時改善鋼的低溫韌性，易在凝固過程中與S形成MnS化合物，釘扎在晶界不利于晶粒的長大；本發(fā)明控制0.2~1%Mn；

Al，添加在鋼中具有脫氧作用，Al易與N結合形成彌散的AlN析出物粒子，保留在固溶體中，能夠提高電阻率且使晶粒粗化，改善硅鋼的磁性能，影響鋼的力學性能。Al含量加入過多會增加煉鋼難度；本發(fā)明選用Al含量為0. 5~2.0%；

Nb，作為鐵基、鎳基和鋯基合金的添加劑，可提高其強度與性能。Nb作為微合金元素加在鋼中，起到細晶強化與析出強化的雙重作用，提高鋼的強度與韌性，同時Nb易與C和N形成化合物析出，對磁性能有一定的影響作用；Nb是貴金屬，加入量過多會增加鋼的成本。本發(fā)明要求Nb的質量百分比按照以下公式添加：0<Nb/93-（C/12+N/14）<5×10^-3；

S，S元素的加入會提高薄帶連鑄過程中熔池與結晶輥的界面張力，但在鋼中易以FeS-Fe共晶體存在于晶粒周界，使鋼的力學性能降低，同時S在鋼中易與Mn結合形成MnS析出物，增加鐵損，本發(fā)明要求S含量在0.005%以下；

N，易與Al，Si等元素化和，形成氮化物析出，降低鋼的塑性和韌性。易對電工鋼的磁性能產(chǎn)生不利影響，本發(fā)明要求N含量在0.005%以下；

P，有害雜質元素，來源于生鐵等煉鋼原料，在合適的條件下能夠提高磁性能，但隨P含量過多易產(chǎn)生冷脆，本發(fā)明要求P含量在0.005%以下；

O，鋼中氧含量增加，鋼的塑性、韌性降低，且氧的存在會降低薄帶連鑄過程中熱傳導，本發(fā)明要求O含量在0.005%以下。

與現(xiàn)有技術對比，本發(fā)明的特點和有益效果是：

（1）采用薄帶連鑄技術生產(chǎn)高強度無取向硅鋼，不僅具有制備工藝簡單易行、節(jié)能環(huán)保的特點，而且能很好地遺傳鑄帶的有利組織與織構，有效控制NbC析出物特征，同時成品板中有害的{111}織構大大減少，開辟了析出強化制備高強度無取向硅鋼的新工藝；

（2）本發(fā)明特別添加了析出強化元素Nb，同時采用超低碳鋼生產(chǎn)技術，有效控制C元素的含量，經(jīng)過合適的軋制工藝與熱處理工藝，控制成品板的組織和織構，改善了薄帶連鑄電工鋼產(chǎn)品的力學強度與韌性，開發(fā)出一種磁性能較好，力學性能優(yōu)良的電工鋼材料；

（3）生產(chǎn)的高強度無取向硅鋼產(chǎn)品性能優(yōu)異，能夠滿足新能源汽車驅動電機對無取向硅鋼的性能要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的新能源汽車驅動電機用高強度無取向硅鋼的制造方法的工藝流程示意圖；圖中：1、真空感應加熱爐，2、中間包，3三角熔池，4、結晶輥，5、鑄帶，6、熱軋機，7、冷卻系統(tǒng)，8、卷取機，9、酸洗機，10、單機架冷軋機，11、連續(xù)式退火爐；

圖2為本發(fā)明實施例1中的鑄帶金相組織圖；

圖3為本發(fā)明實施例1中的成品板金相顯微組織圖。

具體實施方式

本發(fā)明實施例中采用的雙輥薄帶連鑄裝置為中國專利號CN102069167B的技術公開的雙輥薄帶連鑄試驗機。

本發(fā)明實施例中熱軋后噴水冷卻的冷卻速度為200~500℃/s。

本發(fā)明實施例中采用的退火設備為連續(xù)退火爐。

本發(fā)明的方法采用真空感應爐冶煉鋼水，冶煉完成后的鋼水通過中間包澆入結晶輥與側封板形成的三角熔池，隨著兩個通水冷卻輥的逆向旋轉凝固成型，得到2.5~2.7mm厚鑄帶。

本發(fā)明實施例中拉伸試驗采用GB/T 228.1-2010國家標準于室溫進行。

本發(fā)明實施例中磁性能測試采用MATA磁性能自動測試系統(tǒng)V4.3進行數(shù)據(jù)采集，使用MATS-2010硅鋼測試裝置測量無取向硅鋼單片的磁性能。

本發(fā)明實施例中采用LeicaQ550IW光學顯微鏡觀察鑄帶與成品板的金相顯微組織。

實施例 1

真空感應爐中冶煉鋼水，其成分按重量百分比含C 0.002%，Si 2.8%，Mn 0.2%，Al 2%，Ni 0.5%，Cr 0.5%，Nb 0.08%，O 0.003%，S 0.004%，N 0.004%，P 0.005%，余量為Fe和不可避免的夾雜；其中Nb/93-（C/12+N/14）=0.08/93-（0.002/12+0.004/14）=0.00086-（0.00017+0.00029）=0.0004；

將鋼水引入中間包并通過布流式水口澆入雙輥薄帶連鑄設備進行連鑄，鋼水出爐溫度1530℃，中間包預熱溫度1110℃，薄帶連鑄機雙輥轉速30m/min，獲得厚度2.7mm的鑄帶；金相組織如圖2所示；

鑄帶空冷至1100℃后在線熱軋，熱軋開軋溫度1100℃，終軋溫度900℃，壓下量為26%，熱軋后噴水冷卻至580℃并卷取，獲得熱軋板；

熱軋板酸洗去除表面氧化鐵皮，后進行6道次冷軋，獲得厚度為0.35mm的冷軋板；

將冷軋板進行退火處理，退火處理是在純Ar₂氣氛的連續(xù)退火爐進行，升溫至680℃，保溫15min，在線涂絕緣涂層，最后卷取獲得高強度無取向硅鋼成品板；金相顯微組織如圖3所示；

成品板的{111}織構組分體積占總的織構組分的11%，平均再結晶晶粒尺寸15μm，NbC析出物平均尺寸20nm；其磁感應強度B₅₀為1.70T，鐵損值P_15/50為5.0W/kg，P_10/400為28.0W/kg，屈服強度R_p0.2為600MPa，抗拉強度R_m為695Mpa，延伸率 A 為24%。

實施例2

真空感應爐中冶煉鋼水，其成分按重量百分比含C 0.003%，Si 3.1%，Mn 1.0%，Al 1.2%，Ni 1.5%，Cr 2.0%，Nb 0.12%，O 0.003%，S 0.004%，N 0.002%，P 0.005%，余量為Fe和不可避免的夾雜；其中Nb/93-（C/12+N/14）=0.12/93-（0.003/12+0.002/14）=0.0013-（0.00025+0.00014）=0.0009；

將鋼水引入中間包并通過布流式水口澆入雙輥薄帶連鑄設備進行連鑄，鋼水出爐溫度1545℃，中間包預熱溫度1130℃，薄帶連鑄機雙輥轉速50m/min，獲得厚度2.6mm的鑄帶；

鑄帶空冷至1120℃后在線熱軋，熱軋開軋溫度1120℃，終軋溫度930℃，壓下量為35%，熱軋后噴水冷卻至550℃并卷取，獲得熱軋板；

熱軋板酸洗去除表面氧化鐵皮，后進行5道次冷軋，獲得厚度為0.35mm的冷軋板；

將冷軋板進行退火處理，退火處理是在純Ar₂氣氛的連續(xù)退火爐進行，升溫至760℃，保溫8min，在線涂絕緣涂層，最后卷取獲得高強度無取向硅鋼成品板；

成品板的{111}織構組分體積占總的織構組分的16%，平均再結晶晶粒尺寸11μm，NbC析出物平均尺寸12nm；其磁感應強度B₅₀為1.68T，鐵損值P_15/50為6.5W/kg，P_10/400為30.7W/kg，屈服強度R_p0.2為701MPa，抗拉強度R_m為783MPa，延伸率A為20.2%。

實施例3

真空感應爐中冶煉鋼水，其成分按重量百分比含C 0.004%，Si 3.5%，Mn 0.5%，Al 0.5%，Ni 1.0%，Cr 3%，Nb 0.15%，O 0.003%，S 0.004%，N 0.003%，P 0.005%，余量為Fe和不可避免的夾雜；其中Nb/93-（C/12+N/14）=0.15/93-（0.004/12+0.003/14）=0.0016-（0.00033+0.00021）=0.0011；

將鋼水引入中間包并通過布流式水口澆入雙輥薄帶連鑄設備進行連鑄，鋼水出爐溫度1570℃，中間包預熱溫度1200℃，薄帶連鑄機雙輥轉速70m/min，獲得厚度2.5mm的鑄帶；

鑄帶空冷至1140℃后在線熱軋，熱軋開軋溫度1140℃，終軋溫度980℃，壓下量為28%，熱軋后噴水冷卻至590℃并卷取，獲得熱軋板；

熱軋板酸洗去除表面氧化鐵皮，后進行4道次冷軋，獲得厚度為0.35mm厚的冷軋板；

將冷軋板進行退火處理，退火處理是在純Ar₂氣氛的連續(xù)退火爐進行，升溫至780℃，保溫2min，在線涂絕緣涂層，最后卷取獲得高強度無取向硅鋼成品板；

成品板的{111}織構組分體積占總的織構組分的25%，平均再結晶晶粒尺寸8μm，NbC析出物平均尺寸11nm；其磁感應強度B₅₀為1.66T，鐵損值P_15/50為7.1W/kg，P_10/400為35.4W/kg，屈服強度R_p0.2為751MPa，抗拉強度R_m為833MPa，延伸率 A 為17.5%。

實施例4

真空感應爐中冶煉鋼水，其成分按重量百分比含C 0.005%，Si 3.2%，Mn 1.0%，Al 1.2%，Ni 2%，Cr 2.0%，Nb 0.19%，O 0.004%，S 0.003%，N 0.002%，P 0.004%，余量為Fe和不可避免的夾雜；其中Nb/93-（C/12+N/14）=0.19/93-（0.005/12+0.002/14）=0.002-（0.00042+0.00014）=0.0015；

將鋼水引入中間包并通過布流式水口澆入雙輥薄帶連鑄設備進行連鑄，鋼水出爐溫度1550℃，中間包預熱溫度1140℃，薄帶連鑄機雙輥轉速45m/min，獲得厚度2.6mm的鑄帶；

鑄帶空冷至1170℃后在線熱軋，熱軋開軋溫度1170℃，終軋溫度990℃，壓下量為23%，熱軋后噴水冷卻至550℃并卷取，獲得熱軋板；

熱軋板酸洗去除表面氧化鐵皮，后進行5道次冷軋，獲得厚度0.35mm的冷軋板；

將冷軋板進行退火處理，退火處理是在純Ar₂氣氛的連續(xù)退火爐進行，升溫至820℃，保溫2min，在線涂絕緣涂層，最后卷取獲得高強度無取向硅鋼成品板；

成品板的{111}織構組分體積占總的織構組分的13%，平均再結晶晶粒尺寸11μm，NbC析出物平均尺寸9nm；其磁感應強度B₅₀為1.68T，鐵損值P_15/50為6.4W/kg，P_10/400為28.7W/kg，屈服強度R_p0.2為671MPa，抗拉強度R_m為773MPa，延伸率A為20.8%。

實施例5

真空感應爐中冶煉鋼水，其成分按重量百分比含C 0.005%，Si 2.8%，Mn 0.2%，Al 2%，Ni 0.5%，Cr 0.5%，Nb 0.5%，O 0.003%，S 0.004%，N 0.005%，P 0.005%，余量為Fe和不可避免的夾雜；其中Nb/93-（C/12+N/14）=0.5/93-（0.005/12+0.005/14）=0.00537-（0.00042+0.00036）=0.00459；

將鋼水引入中間包并通過布流式水口澆入雙輥薄帶連鑄設備進行連鑄，鋼水出爐溫度1530℃，中間包預熱溫度1100℃，薄帶連鑄機雙輥轉速35m/min，獲得厚度2.7mm的鑄帶；

鑄帶空冷至1100℃后在線熱軋，熱軋開軋溫度1100℃，終軋溫度900℃，壓下量為20%，熱軋后噴水冷卻至580℃并卷取，獲得熱軋板；

熱軋板酸洗去除表面氧化鐵皮，后進行6道次冷軋，獲得厚度為0.35mm的冷軋板；

將冷軋板進行退火處理，退火處理是在純Ar₂氣氛的連續(xù)退火爐進行，升溫至850℃，保溫1min，在線涂絕緣涂層，最后卷取獲得高強度無取向硅鋼成品板；

成品板的{111}織構組分體積占總的織構組分的5%，平均再結晶晶粒尺寸2μm，NbC析出物平均尺寸3nm；其磁感應強度B₅₀為1.65T，鐵損值P_15/50為7.8W/kg，P_10/400為38.2W/kg，屈服強度R_p0.2為780MPa，抗拉強度R_m為862Mpa，延伸率 A 為17%。