本申請(qǐng)是2012年12月20日提交的名稱為“具有優(yōu)異加工性和磁性能的高硅鋼板及其生產(chǎn)方法”的201280062641.9發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

本公開內(nèi)容涉及一種具有優(yōu)異加工性和磁性能的高硅鋼板，并且涉及一種制造該鋼板的方法。

背景技術(shù)：

含有硅的鋼板具有良好的磁性能，并因此廣泛用作電鋼板。例如，硅鋼板被用作變壓器芯材料、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和其他電子器件，在這種情況下，要求硅鋼板具有良好的磁性能。特別地，由于目前的環(huán)境和能源問題，要求硅鋼板在降低能量損耗方面是有效的。對(duì)環(huán)境和能源問題的關(guān)注與磁通密度和磁芯損耗相關(guān)。換言之，隨著磁通密度增加，磁芯的尺寸減小，從而使電子器件更小，并且隨著磁芯損耗降低，能量損耗也會(huì)降低。

引起能量損耗的磁芯損耗包括渦流損耗和磁滯損耗。隨著交流電(ac)電流頻率增加，渦流損耗量增加。當(dāng)向磁芯施加磁場(chǎng)時(shí)，渦流損耗以發(fā)熱的形式產(chǎn)生，向磁芯添加硅以降低磁芯的渦流損失。如鋼中的硅含量增加到6.5％，則不會(huì)發(fā)生產(chǎn)生噪音的磁致伸縮(0％)，且鋼的磁導(dǎo)率最大化。此外，在鋼中的硅含量為6.5％的情況下，鋼的磁性能可顯著提高。因此，具有良好磁性能的高硅鋼可用于高價(jià)值電子器件中，所述高價(jià)值電子器件如用于新型可再生能源發(fā)電站的倒相器和電抗器、用于空氣渦輪發(fā)電機(jī)的電感加熱器以及用于持續(xù)電力供應(yīng)的電抗器。

含有6.5％硅含量的高硅鋼板具有優(yōu)異的磁性能。然而，隨著鋼板硅含量的增加，鋼板的脆性增加，韌性顯著降低。因此，已知實(shí)際中不可能采用常規(guī)冷軋方法加工具有3.5％以上硅含量的硅鋼板。換言之，由于冷軋技術(shù)固有的局限性，已知具有良好磁性能的高硅鋼板并非通過冷軋的方法加工。因此，為了克服冷軋法的局限性，長(zhǎng)久以來致力于對(duì)新技術(shù)的研究。

由于難以通過常規(guī)熱軋?zhí)幚砗统Ｒ?guī)冷軋(或溫軋)處理加工具有良好磁性能的高硅鋼板，因而試圖通過其他方法加工高硅鋼板。

目前已知的作為高硅鋼板加工技術(shù)的方法為鑄造法，該方法中通過使用單輥或雙輥的鑄造處理直接制造具有最終厚度的高硅鋼板。專利文獻(xiàn)1中公開了該方法的一個(gè)實(shí)例。然而，在這種方法中，控制鑄造鋼板的形狀是非常困難的。尤其地，如將熔化的鋼直接鑄造成具有最終產(chǎn)品厚度的板材，則該板材的表面會(huì)非常粗糙并易開裂，因此采用這種直接鑄造的方法難以得到具有改進(jìn)磁性能的板材。此外，由于鑄造板材的厚度不均勻，這種直接鑄造方法不適合商業(yè)化批量生產(chǎn)。專利文獻(xiàn)2公開了一種所謂的復(fù)合(clad)法，在該方法中，對(duì)覆蓋有低硅鋼的高硅鋼進(jìn)行軋制。然而，該公開方法還未商業(yè)化。

此外，專利文獻(xiàn)3公開了一種用于制造高硅鋼塊的粉末冶金技術(shù)，所述高硅鋼塊用于替代高硅鋼板。盡管結(jié)合使用了純鐵粉砂芯、高硅鋼粉砂芯和鋁硅鐵粉砂芯，但由于制造砂芯的粉末的特性，這些砂芯具有低于高硅鋼板磁性能的軟磁性能。

根據(jù)目前用于制造具有6.5％硅含量的高硅鋼板的批量技術(shù)，一種化學(xué)蒸汽沉積(cvd)方法用于在(擴(kuò)散)退火處理過程中使sicl4擴(kuò)散到具有3％硅含量的鋼板中。已知例如專利文獻(xiàn)4中公開了許多該技術(shù)的實(shí)例。然而，根據(jù)該技術(shù)，使用了有毒性的sicl4，且需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間實(shí)施擴(kuò)散退火處理。

此外，已嘗試在實(shí)驗(yàn)室中通過一種所謂的溫軋方法制造薄高硅鋼板，該方法提高了軋制處理溫度。如果通過常規(guī)連續(xù)鑄造過程加工鋼坯，鋼坯熱軋前在再加熱爐中加熱幾個(gè)小時(shí)加熱到1100℃以上，那么，此時(shí)，鋼坯由于其表面溫度和中心溫度的溫度差而可能開裂。此外，當(dāng)鋼坯從再加熱爐取出并熱軋時(shí)，鋼坯可能斷裂。例如，圖1示出6.5％-si鋼，所述6.5％-si鋼在50-kg真空電感熔爐中融化、通過混煉(milling)形成200-mm的鋼坯，在氬(ar)氣氛下加熱一個(gè)半小時(shí)達(dá)到1100℃，并立即熱軋。鋼坯在熱軋過程中斷裂。這一升高軋制溫度的技術(shù)可改進(jìn)鋼的軋制特性，但在熱軋過程中產(chǎn)生許多其他問題。

(專利文獻(xiàn)1)日本專利申請(qǐng)公開第s56-003625號(hào)

(專利文獻(xiàn)2)日本專利申請(qǐng)公開第h5-171281號(hào)

(專利文獻(xiàn)3)韓國(guó)專利第0374292號(hào)

(專利文獻(xiàn)4)日本專利申請(qǐng)公開第s62-227078號(hào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

本公開內(nèi)容的幾個(gè)方面提供一種具有優(yōu)異加工性和磁性能的高硅鋼板，并且提供一種制造該鋼板的方法。

技術(shù)方案

根據(jù)本公開內(nèi)容的一方面，一種具有優(yōu)異加工性和磁性能的高硅鋼板包含以重量％計(jì)的c：0.05％以下(不包括0％)，n：0.05％以下(不包括0％)，si：4％至7％，al：0.5％至3％，si+al：4.5％至8％，且余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

根據(jù)本公開內(nèi)容的另一方面，一種制造具有優(yōu)異加工性和磁性能的高硅鋼板的方法包括：將熔化的金屬鑄造成具有5mm以下厚度的帶材，所述熔化的金屬包括以重量％計(jì)的c：0.05％以下(不包括0％)，n：0.05％以下(不包括0％)，si：4％至7％，al：0.5％至3％，si+al：4.5％至8％，且余量為fe和不可避免的雜質(zhì)；在800℃以上的溫度下熱軋所述鑄造帶材；在900℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)將所述熱軋后的帶材退火；冷卻所述退火的帶材；在300℃至700℃的溫度范圍內(nèi)溫軋所述冷卻的帶材；最后將所述溫軋后的帶材在800℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)退火。

本公開的上述方面不包括本發(fā)明公開的所有方面和特點(diǎn)。從以下實(shí)施方案闡述中將清晰理解本公開的其他方面或特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和效果。

有益效果

根據(jù)本公開，可通過對(duì)具有5重量％以上的硅含量的鋼結(jié)合實(shí)施帶材鑄造、熱軋、熱軋帶材退火、冷卻、溫軋和退火過程，可提供一種具有良好磁性能的高硅鋼板。此外，通過控制硅(si)和鋁(al)彼此的相對(duì)含量，可提供一種具有改進(jìn)軋制特性的高硅鋼板。

附圖說明

圖1為熱軋鋼板在熱軋過程中斷裂的照片。

圖2a和圖2b為si-fe相圖和示出b2有序結(jié)構(gòu)和do3有序結(jié)構(gòu)中的原子排列的示意圖。

圖3為示出高硅鋼板的伸長(zhǎng)率與溫度相對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖。

圖4為示出帶材鑄造過程中發(fā)生si-偏析的照片。

具體實(shí)施方式

發(fā)明人已對(duì)防止鋼板在熱軋過程中斷裂和改善鋼板冷軋?zhí)幚泶嘈缘募夹g(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過合理調(diào)節(jié)鋼的成分，經(jīng)由帶材鑄造過程直接加工薄的鋼板，并隨后溫軋?jiān)摫′摪?，可大量生產(chǎn)避免熱軋過程中斷裂并在冷軋?zhí)幚泶嘈苑矫娴玫礁纳频母吖桎摪濉?/p>

本下文中，將根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案詳細(xì)闡述一種高硅鋼板。

本公開的一個(gè)實(shí)施方案提供一種具有優(yōu)異加工性和磁性能的高硅鋼板。所述高硅鋼板包括以重量％計(jì)的c：0.05％以下(不包括0％)，n：0.05％以下(不包括0％)，si：4％至7％，al：0.5％至3％，si+al：4.5％至8％，且余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。

碳(c)：0.05重量％以下(不包括0％)

由于鋼中的碳(c)以細(xì)化析出并阻礙軋制過程中的位錯(cuò)移動(dòng)，如鋼板中的碳(c)含量高，則鋼板的軋制性能會(huì)變差。此外，如碳(c)未從最終成品中去除，則殘留的碳(c)會(huì)阻礙ac磁場(chǎng)中磁疇的移動(dòng)，并因此使最終產(chǎn)品的磁性能變差。如鋼板中的碳(c)含量大于0.05％，則鋼板的脆性會(huì)上升，并因此使鋼板的軋制性能變差。

氮(n)：0.05重量％以下(不包括0％)

氮(n)是一種間隙元素，并且像碳(c)一樣阻礙軋制過程中的位錯(cuò)移動(dòng)。因此，如鋼板中加入大量的氮，則鋼的軋制性能會(huì)降低。此外，如最終成品中含有大量的氮(n)，則會(huì)阻礙磁疇在ac磁場(chǎng)中的移動(dòng)，并因此使最終產(chǎn)品的磁性能變差。因此，氮(n)含量的上限優(yōu)選為0.05重量％。

硅(si)：4重量％至7重量％

硅(si)提高鋼板的比電阻并因此降低磁芯損耗。如硅(si)含量小于4重量％，則無法獲得本公開實(shí)施案例中預(yù)期的鋼板的磁性能。另一方面，如硅(si)含量大于7重量％，則難以機(jī)械加工該鋼板。因而，硅(si)含量?jī)?yōu)選在4重量％至重量7％范圍內(nèi)。

鋁(al)：0.5重量％至3重量％

鋁(al)在提高鋼板的比電阻方面為僅次于硅(si)的最有效的元素。如以鋁(al)替代硅(si)，則與采用硅(si)的情況相比，提高比電阻的效果會(huì)相對(duì)較低。然而，鋼板的軋制性能會(huì)提高。如鋁(al)含量小于0.5重量％，則無法獲得改進(jìn)軋制性能的效果，如鋁(al)含量大于3重量％，則無法獲得提高磁性能的效果。因而，鋁(al)含量?jī)?yōu)選在0.5重量％至3重量％范圍內(nèi)。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，通過調(diào)節(jié)熱軋?zhí)幚砗屠滠執(zhí)幚淼膕i+al的含量，能夠控制硅(si)含量和鋁(al)含量。換言之，例如，通過控制硅(si)和鋁(al)彼此的相對(duì)含量，能夠提高鋼板的比電阻以降低磁芯損耗。如鋼板中的si+al含量小于4.5％，則會(huì)影響鋼板的高頻率特性，如si+al含量大于8％，則難以機(jī)械加工該鋼板。因而，si+al含量?jī)?yōu)選在4.5％到8％范圍內(nèi)。

在本公開的實(shí)施方案中，鋼板的其他組分為鐵(fe)。然而，來自原材料或生產(chǎn)環(huán)境的雜質(zhì)會(huì)不可避免地包含在鋼板中，因此，無法完全從鋼板中去除這種雜質(zhì)。鋼加工制造業(yè)的普通技術(shù)人員熟知這些雜質(zhì)，因此，本公開不再對(duì)上述雜質(zhì)作闡述。

下文中，將根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案詳細(xì)闡述一種制造高硅鋼板的方法。

根據(jù)本公開的實(shí)施方案，制造高硅鋼板的方法包括：將熔化的金屬鑄造成具有5mm以下厚度的帶材，所述熔化的金屬包括以重量％計(jì)的c：0.05％以下(不包括0％)，n：0.05％以下(不包括0％)，si：4％至7％，al：0.5％至3％，si+al：4.5％至8％，且余量為fe和不可避免的雜質(zhì)；在800℃以上的溫度下熱軋所述鑄造帶材；在900℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)將所述熱軋后的帶材退火；冷卻所述退火帶材；在300℃至700℃的溫度范圍內(nèi)溫軋所述冷卻的帶材；最后將所述溫軋的帶材在800℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)退火。

帶材鑄造

采用常規(guī)熱軋方法難以制造高硅鋼板。然而，發(fā)明人現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過將具有上述組成的熔化的金屬鑄造成帶材(帶材鑄造)，可簡(jiǎn)單地制造熱軋帶材(鋼板)。因此，本發(fā)明公開的實(shí)施方案應(yīng)用了一種帶材鑄造方法。

如采用常規(guī)熱軋方法制造高硅鋼板，則由于鋼坯內(nèi)部和外部的溫度差，扁鋼坯會(huì)開裂。此外，如具有高硅含量的鋼坯表面加熱到1200℃以上的溫度，則可能形成具有較低熔點(diǎn)的鐵橄欖石(fe2sio4)，從而導(dǎo)致鋼坯表面(包括側(cè)面)腐蝕，并因此引起開裂，且由于高脆性，鋼坯在熱軋時(shí)可能斷裂。

然而，如按照發(fā)明人提出的方案，將具有上述組成的熔化的金屬鑄造成帶材，可直接制造具有1mm至2mm厚度的高硅鋼板，且所述高硅鋼板不會(huì)開裂，這與采用常規(guī)熱軋方法制造的高硅鋼板不同。此外，如帶材鑄造機(jī)連接至熱軋混煉機(jī)，則可連續(xù)進(jìn)行熱軋以進(jìn)一步減小高硅鋼板的厚度。此外，如圖4所示，硅(si)會(huì)在通過帶材鑄造過程制造的高硅鋼板的中心區(qū)域發(fā)生偏析。硅(si)的偏析可提高高硅鋼板的軋制性能。

本公開內(nèi)容的實(shí)施方案中，可根據(jù)最終產(chǎn)品的厚度來決定帶材的初始鑄造厚度。例如，初始鑄造厚度優(yōu)選設(shè)定為5.0mm以下。初始鑄造厚度更優(yōu)選設(shè)定為1.0mm至5.0mm。如初始鑄造厚度大于5.0mm，則隨后的溫軋過程的負(fù)載將增加，因而使加工性變差。另一方面，如初始鑄造厚度小于1.0mm，則帶材鑄造機(jī)被過度延長(zhǎng)，且通過溫軋來提高帶材的表面質(zhì)量會(huì)受到限制。

此外，在氮?dú)夥蘸蜌鍤夥罩械闹辽僖环N氣氛下實(shí)施帶材鑄造過程。

熱軋

可通過熱軋過程加工上述鑄造帶材。所述熱軋過程可降低隨后的溫軋過程的負(fù)載并破壞帶材的鑄造微觀結(jié)構(gòu)，從而在帶材中形成細(xì)小的晶粒。將熱軋過程的處理溫度優(yōu)選設(shè)定為800℃以上。如處理溫度低于800℃，則如圖2a中所示，帶材中易形成圖2b中所示的b2有序結(jié)構(gòu)，并因此使帶材的韌性降低而引起脆性斷裂?？紤]到提高韌性和經(jīng)濟(jì)方面的因素，熱軋過程處理溫度的上限優(yōu)選為900℃。

熱軋帶材退火

將熱軋帶材退火。將熱軋帶材退火，以消除帶材中的熱軋應(yīng)力。退火溫度優(yōu)選設(shè)定為900℃至1200℃范圍內(nèi)。如退火溫度低于900℃，則帶材的再結(jié)晶無法完成，因此無法獲得預(yù)期的韌性。另一方面，如退火溫度高于1200℃，則通過再結(jié)晶會(huì)得到粗晶粒，并因此降低帶材的強(qiáng)度。因而，退火溫度優(yōu)選在900℃至1200℃的范圍內(nèi)。

可在非氧化性氣氛下對(duì)熱軋帶材進(jìn)行退火處理。所述非氧化性氣氛為氮?dú)夥?、氬氣氛、氫氣與氮?dú)饣旌蠚夥罩械闹辽僖环N氣氛。

此外，退火過程可持續(xù)到再結(jié)晶完成。退火過程優(yōu)選可進(jìn)行10秒至5分鐘。

冷卻

將上述退火帶材冷卻。優(yōu)選在5秒至1分鐘的冷卻時(shí)間段內(nèi)將所述退火帶材冷卻至100℃至室溫的溫度范圍內(nèi)。具體而言，將上述退火帶材冷卻。冷卻速度優(yōu)選在13℃/秒至160℃/秒的范圍內(nèi)。如冷卻速低于13℃/秒，則帶材的邊緣區(qū)域可能形成裂紋，并且由于有序相的生成，通過冷卻過程無法使帶材的軋制性能提高。另一方面，如冷卻速度高于160℃/秒，則無法同時(shí)獲得本公開實(shí)施方案中預(yù)期的軋制性能和經(jīng)濟(jì)效益。

溫軋

將所述冷卻的帶材在300℃至700℃的溫度范圍內(nèi)溫軋。參照?qǐng)D3，由于合理確定了帶材中si+al的含量，因而所述冷卻帶材在300℃處具有一個(gè)臨界點(diǎn)。具體而言，在低于300℃的溫度下，帶材的韌性非常低。如溫軋過程的處理溫度高于700℃，則在隨后的處理如酸洗處理中會(huì)出現(xiàn)問題。因而，溫軋過程的處理溫度優(yōu)選在300℃至700℃的溫度范圍內(nèi)。

此外，在溫軋?zhí)幚碇螅瑤Р木哂?.5mm以下的最終厚度。

最終退火

將溫軋帶材(鋼板)退火。退火溫度優(yōu)選設(shè)定在800℃至1200℃的范圍內(nèi)。如退火溫度低于800℃，則晶粒不充分生長(zhǎng)，且無法獲得預(yù)期的磁芯損耗等級(jí)。另一方面，如退火溫度高于1200℃，則會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益和加工性，并且，即使采用非氧化性氣氛，也會(huì)促使表面形成氧化層。所述表面氧化層會(huì)阻礙磁疇的運(yùn)動(dòng)，并因此妨礙帶材的磁性能。因而，退火溫度優(yōu)選在800℃至1200℃的范圍內(nèi)。

此外，退火過程持續(xù)到再結(jié)晶完成。退火過程優(yōu)選進(jìn)行10秒至5分鐘。

[實(shí)施例]

將高硅鋼合金通過采用垂直雙軋板材鑄造機(jī)鑄造成具有2.0mm厚度的板材，所述高硅鋼合金每一種均包括以重量％計(jì)的0.005％的碳含量、0.0033％的氮含量以及如表1所示的硅和鋁含量。隨后，通過采用連接至板材鑄造機(jī)的熱軋機(jī)混煉機(jī)熱軋具有2.0mm厚度的鑄造板材，以形成具有1.0mm厚度的高硅鋼板。熱軋過程的起始溫度為1050℃。所述熱軋高硅鋼板在包含20％氫和80％氮的氣氛下于1000℃的溫度下加熱5min并隨后以200℃/秒的冷卻速度驟冷至室溫。隨后，用鹽酸溶液酸洗所述高硅鋼板以去除表面氧化層。經(jīng)熱處理的高硅鋼板的厚度在400℃的溫度下降低至0.1mm。然后，高硅鋼板在包含20％氫和80％氮且露點(diǎn)為-10℃或更低的干燥氣氛下，于1000℃下退火處理10分鐘，從而獲得最終的磁性能。隨后，測(cè)量高硅鋼板的軋制性能和磁性能。

在表1中，b50指磁通密度值，具有高磁通密度值的高硅鋼板評(píng)價(jià)為具有良好的磁性能。此外，w10/400和w10/1000指在商用頻率下測(cè)量的磁芯損耗值，具有低磁芯損耗值的硅鋼板評(píng)價(jià)為具有良好的磁性能。[表1]

*cs:對(duì)比試樣，**is:本發(fā)明試樣

如表1所示，由于根據(jù)本公開的實(shí)施方案控制本發(fā)明試樣1至3中的si和al的含量，因而所述試樣具有優(yōu)異的軋制性能。此外，本發(fā)明試樣1至3的磁通密度值b50高于對(duì)比試樣1至3的磁通密度值，且本發(fā)明試樣1至3的磁芯損耗率值w10/400和w10/1000低于對(duì)比試樣1至3的磁芯損耗率值。即本發(fā)明試樣1至3的磁性能良好。

由于未添加鋁(al)，對(duì)比試樣1具有較差的軋制性能，對(duì)比試樣1的磁性能不佳。

由于鋁(al)含量低，對(duì)比試樣2具有的軋制性能一般。此外，對(duì)比試樣2具有低于本發(fā)明試樣1至3的磁通密度值b50和高于發(fā)明試樣1至3的磁芯損耗率值w10/400和w10/1000。即對(duì)比試樣2的磁性能不佳。

由于3％的高鋁含量，對(duì)比試樣3具有優(yōu)異的軋制性能。然而，對(duì)比試樣3具有高于本發(fā)明試樣1至3的磁芯損耗率值w10/400和w10/1000。即對(duì)比試樣3的磁性能不好。

這些結(jié)果表明控制硅(si)和鋁(al)的含量的效果。

(實(shí)施例2)

將硅鋼合金通過采用垂直雙輥帶材鑄造機(jī)鑄造成具有2.0mm厚度的帶材，所述包括硅鋼合金以重量％計(jì)的6.3％的si、0.3％的al、0.002％的c和0.003％的n。隨后，通過采用連接至帶材鑄造機(jī)的熱軋機(jī)熱軋?jiān)摼哂?.0mm厚度的鑄造帶材，以形成具有1.0mm厚度的高硅鋼板。熱軋過程的起始溫度為1000℃。通過將該熱軋高硅鋼板在包括20％氫和80％氮的氣氛下于1000下溫度下加熱5min然后所述高硅鋼板以不同的冷卻速度冷卻來實(shí)施退火處理。具體而言，所述高硅鋼板分別以100℃/秒和10℃/秒的冷卻速度從800℃冷卻至100℃。采用鹽酸溶液酸洗所述熱處理高硅鋼板(試樣)以去除表面氧化層，然后在400℃下溫軋。隨后，對(duì)試樣進(jìn)行裂紋檢查。以本公開的實(shí)施方案中建議的冷卻速度范圍內(nèi)的100℃/秒的冷卻速度進(jìn)行冷卻的試樣厚度可降低至0.1mm，且觀察不到裂紋。然而，以本公開的實(shí)施方案中建議冷卻速度范圍外的10℃/秒的冷卻速度進(jìn)行冷卻的試樣，當(dāng)其收縮率超過50％時(shí)開始在邊緣區(qū)域開裂。換言之，如冷卻速度低，盡管鋼板在軋制后進(jìn)行了熱處理，仍不能去除鋼板中的有序相，并因此不能提高鋼板的軋制性能。