ЛИСТ ИЗ НЕТЕКСТУРИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ С ПРЕВОСХОДНЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Российский патент 2017 года по МПК C22C38/02 C22C38/04 C21D8/12 H01F1/16 H01F1/147 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к листу из нетекстурированной электротехнической стали с превосходными магнитными свойствами и более конкретно к листу из нетекстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока.

Известный уровень техники

В последнее время в связи с увеличением спроса на энергосбережение используются высокопроизводительные асинхронные двигатели. Для того чтобы улучшить эффективность этого двигателя, увеличивают толщину сердечника или улучшают степень заполнения намотки проводов. Кроме того, материал листа из электротехнической стали, используемый в сердечнике, способствует замене обычного низкосортного материала на высокосортный материал с низкими потерями в железе.

Стальной лист, используемый в качестве основного материала асинхронного двигателя, должен иметь не только низкие потери в железе, но и низкий эффективный ток возбуждения при заданной плотности магнитного потока с точки зрения снижения потерь в меди. Для того чтобы уменьшить ток возбуждения, эффективным является повышение плотности магнитного материала сердечника.

Кроме того, в приводных двигателях, используемых в гибридных автомобилях и электромобилях, которые быстро становятся популярными, необходимо иметь высокий крутящий момент при запуске или в момент ускорения, так что желательно дополнительно улучшить плотность магнитного потока.

В качестве листа электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока патентный документ 1, например, раскрывает лист из нетекстурированной электротехнической стали, в котором 0,1-5% масс. Со добавляют в сталь, содержащую. Si≤4% масс.

Документы известного уровня техники

Патентные документы

Патентный документ 1: JP-A-2000-129410

Краткое изложение существа изобретения

Задача, решаемая изобретением

Однако в связи с высокой стоимостью Со при применении материала, описанного в патентном документе 1, в материале сердечника двигателя возникает проблема заметного повышения стоимости производства. Таким образом, предпочтительно разработать лист из нетекстурированной электротехнической стали с улучшенной плотностью магнитного потока без увеличения стоимости производства.

В листе из нетекстурированной электротехнической стали, используемом в двигателе, в связи с тем, что направление возбуждения вращается в плоскости листа во время вращения двигателя, магнитные свойства не только в направлении прокатки (L-направление), но и в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С-направление), влияют на характеристики двигателя. Таким образом, весьма желательно, чтобы лист из нетекстурированной электротехнической стали имел отличные магнитные свойства в L-направлении и С-направлении и обладал незначительной разностью магнитных свойств между L-направлением и С-направлением или анизотропией.

Настоящее изобретение создано с учетом вышеуказанных проблем известного уровня техники и его цель состоит в создании листа из нетекстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока без увеличения затрат на производство.

Решение задачи

Авторы изобретения провели различные исследования для решения поставленной задачи. В результате было установлено, что высокая плотность магнитного потока может быть достигнута без необходимости в добавлении определенных элементов путем добавления Р к стали с пониженным содержанием Al (сталь без Al) и снижением содержания в ней As, что позволило создать изобретение.

Настоящее изобретение представляет собой лист из нетекстурированной электротехнической стали химического состава, включающего С: не более 0,01% масс, Si: 1-4% масс., Mn: 0,05-3% масс., Р: 0,03-0,2% масс., S: не более 0,01% масс., Al: не более 0,004% масс., N: не более 0,005% масс., As: не более 0,003% масс. и остальное Fe и неизбежные примеси.

Лист из нетекстурированной электротехнической стали изобретения характеризуется дополнительным содержанием одного или двух элементов из Sb: 0,001-0,1% масс. и Sn: 0,001-0,1% масс. в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

Кроме того, лист из нетекстурированной электротехнической стали изобретения характеризуется дополнительным содержанием одного или двух элементов из Са: 0,001-0,005% масс. и Mg: 0,001-0,005% масс. в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

Кроме того, лист из нетекстурированной электротехнической стали изобретения характеризуется тем, что отношение (B_50L/B_50C) плотности магнитного потока B_50L в направлении прокатки (L-направление) к плотности магнитного потока В_50С в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С-направление), составляет не более 1,05.

Кроме того, лист из нетекстурированной электротехнической стали изобретения характеризуется тем, что толщина листа составляет 0,05-0,30 мм.

Эффект изобретения

В соответствии с изобретением, можно недорого изготовить лист из нетекстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока, так что он может быть предпочтительно использован в качестве основного материала высокоэффективного асинхронного двигателя, приводного двигателя гибридного автомобиля и электромобиля, требующих высокого крутящего момента, высокоэффективного электрического генератора, требующего высокой эффективности генерации и т.д.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет график, показывающий влияние содержания Al и Р на плотность магнитного потока В₅₀.

Фиг. 2 представляет график, показывающий влияние содержания Al и Р на анизотропию (B_50L/B_50C) плотности магнитного потока.

Фиг. 3 представляет график, показывающий влияние содержания As на плотность магнитного потока В₅₀.

Фиг. 4 представляет график, показывающий влияние содержания As на анизотропию (B_50L/В_50С) плотности магнитного потока.

Осуществления изобретения

Далее будут описаны эксперименты, давшие импульс для создания изобретения. Во-первых, для того, чтобы исследовать влияние Р на потери в железе, стали, полученные добавлением Р в пределах диапазона следы - 0,15% масс. к двум сортам стали (сталь с добавлением Al), содержащая С: 0,0025% масс., Si: 3,05% масс., Mn: 0,25% масс., S: 0,0021% масс., Al: 0,30% масс. и N: 0,0021% масс., и сталь (сталь с меньшим содержанием Al или сталь без алюминия), содержащая С: 0,0022% масс., Si: 3,00% масс., Mn: 0,24% масс., S: 0,0018% масс., Al: 0,002% масс. и N: 0,0020% масс., плавят в лаборатории, чтобы сформировать стальные слитки, которые подвергают горячей прокатке для формирования горячекатаных листов толщиной 1,6 мм. Затем горячекатаные листы подвергают отжигу в зоне горячих состояний при 1000°С в течение 30 секунд, травлению и холодной прокатке до формирования холоднокатаных листов толщиной 0,20 мм, которые затем подвергают окончательному отжигу при 1000°С в атмосфере 20% об. Н₂ - 80% об. N₂ в течение 10 секунд.

Из холоднокатаных и отожженных листов, полученных таким образом, вырезают образцы для испытаний ширина: 30 мм × длина: 280 мм для измерения плотности магнитного потока В₅₀ по методу Эпштейна. Результаты показаны на фиг. 1 как соотношение между содержанием Р и плотностью магнитного потока В₅₀. Здесь плотность магнитного потока В₅₀ означает плотность магнитного потока, измеренную при силе намагничивания 5000 А/м на половине образцов с направлением прокатки в продольном направлении и образцов с направлением прокатки, перпендикулярном продольному направлению. Как видно из фиг. 1, следует понимать, что повышение плотности магнитного потока не допускается даже при добавлении Р в сталь с добавлением Al, тогда как плотность магнитного потока улучшается при добавлении не менее 0,03% масс. Р в сталь без Al.

Причина, по которой эффект улучшения плотности магнитного потока путем добавления Р достигается только в стали без Al, как описано выше, не достаточна ясна, но считается, что Р обладает эффектом улучшения плотности магнитного потока за счет межзеренной сегрегации. Напротив, полагают, что в стали с добавлением Al добавление Al несколько влияет на сегрегацию Р перед холодной прокаткой, подавляя межзеренную сегрегацию Р.

Затем в двух холоднокатаных и отожженных листах стали с добавленным Al и стали без Al, полученных в вышеописанном эксперименте, измеряют плотность магнитного потока B_50L в направлении прокатки (L-направление) и плотность магнитного потока B_50C в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С-направление), чтобы исследовать влияние содержания Р на анизотропию плотности магнитного потока. В изобретении отношение (B_50L/В_50С) между плотностью магнитного потока B_50L в направлении прокатки (L-направление) и плотностью магнитного потока B_50C в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С-направление), используется в качестве индикатора, представляющего анизотропию. Чем ближе значение этого индикатора к 1, тем меньше анизотропия. Таким образом, целью изобретения является отношение (B_50L/В_50С) не более 1,05. Далее отношение (B_50L/B_50C) между плотностью магнитного потока B_50L в направлении прокатки (L-направление) и плотностью магнитного потока B_50C в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С-направление), указывается просто как "анизотропия (B_50L/B_50C)".

На фиг. 2 показано соотношение между содержанием Р и анизотропией (B_50L/B_50C). Как видно из фиг. 2, анизотропия уменьшается при добавлении Р в сталь без Al, и когда количество добавляемого Р составляет не менее 0,03% масс., отношение (B_50L/B_50C) в качестве индикатора анизотропии может быть снижено до не более 1,05, что является поставленной целью.

Причина, почему анизотропия улучшается путем добавления Р в сталь без Al, еще не ясна в настоящее время, но полагают, что некоторые изменения в текстуре вызваны межзеренной сегрегацией Р, снижающей анизотропию плотности магнитного потока.

Затем, для того, чтобы исследовать стабильность изготовления стали с добавлением Р, сталь, содержащую С: 0,0020% масс., Si: 3,00% масс., Mn: 0,20% масс., Р: 0,06% масс., S: 0,0012% масс., Al: 0,002% масс. и N: 0,0018% масс., плавят в 10 загрузок и подвергают горячей прокатке для формирования горячекатаного листа толщиной 1,6 мм. Горячекатаный лист подвергают отжигу в зоне горячих состояний при 1000°С в течение 30 секунд, травлению и холодной прокатке для получения холоднокатаного листа 0,35 мм толщиной, который подвергают окончательному отжигу при 1000°С в атмосфере 20% об. Н₂ - 80% об. N₂ в течение 10 секунд.

Когда плотность магнитного потока В₅₀ исследуется на холоднокатаном и отожженном полученным таким образом листе, измеренные результаты В₅₀ в значительной степени колеблются. При анализе состава материала с низкой плотностью магнитного потока находят, что содержание As составляет 0,0020-0,0035% масс. Таким образом, полагают, что межзеренная сегрегация As подавляет межзеренную сегрегацию Р и, следовательно, плотность магнитного потока уменьшается.

В общем As является примесью, попадающей из скрапа. В последнее время, так как не только количество, но и колебания содержания постепенно становятся значительными с увеличением степени использования скрапа, считается, что за счет этого получаются вышеуказанные результаты.

Затем, для того, чтобы исследовать влияние As на плотность магнитного потока были приготовлены стали путем добавления различных количеств As в пределах от следов до 0,008% масс. в два вида стали (сталь с добавлением Al), содержащую С: 0,0015% масс., Si: 3,10% масс., Mn: 0,15% масс., Р: 0,05% масс., S: 0,0009% масс., Al: 0,30% масс. и N: 0,0018% масс., и сталь (сталь без Al), содержащую С: 0,0016% масс., Si: 3,00% масс., Mn: 0,15% масс., Р: 0,05% масс., S: 0,0009% масс., Al: 0,002% масс. и N: 0,0020% масс., стали плавят в лаборатории для формирования стальных слитков, которые подвергают горячей прокатке для формирования горячекатаных листов каждый из которых имеет толщину 1,6 мм. Затем горячекатаные листы подвергают отжигу в зоне горячих состояний при 1000°С в течение 30 секунд, травлению и холодной прокатке для получения холоднокатаных листов, каждый из которых имеет толщину 0,35 мм, которые подвергают окончательному отжигу при 1000°С в атмосфере 20% об. Н₂ - 80% об. N₂ в течение 10 секунд.

Из холоднокатаных и отожженных листов, полученных таким образом, вырезают образцы для испытаний ширина: 30 мм × длина: 280 мм для измерения плотности магнитного потока В₅₀ по методу Эпштейна. Результаты показаны на фиг. 3 в виде отношения между содержанием As и плотностью магнитного потока В₅₀. Как видно из фиг. 3, плотность магнитного потока уменьшается, когда содержание As превышает 0,003% масс.

Затем B_50L и B_50C измеряют с использованием образцов для испытаний, полученных в вышеописанном эксперименте, и представляют на фиг. 4 как отношение между содержанием As и (B_50L/B_50C). Как видно из фиг. 4, когда содержание As составляет не более 0,003% масс., анизотропия плотности магнитного потока становится небольшой, и отношение (B_50L/B_50C) в качестве индикатора анизотропии может быть получено с заданным значением не более 1,05. Причина этого, как полагают, в том, что, когда содержание As снижено, количество As, сегрегирующегося на границе зерна, становится небольшим, и сегрегация Р, который является тем же элементом, способным к межзеренной сегрегации, способствует улучшению текстуры, и, следовательно, эффект уменьшения анизотропии путем добавления Р, как видно из фиг. 2, дополнительно усиливается.

Изобретение разработано на основании вышеуказанных новых данных.

Химический состав листа из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением будет описан ниже.

С: не более 0,01% масс.

При содержании С в конечном листе, превышающем 0,01% масс., происходит магнитное старение, таким образом верхний предел составляет 0,01% масс. Предпочтительно содержание составляет не более 0,005% масс.

Si: 1-4% масс.

Si является элементом, эффективным для повышения удельного сопротивления стали и уменьшения потерь в железе, и добавляется в количестве не менее 1% масс. в изобретении. С другой стороны, когда он добавляется в количестве, превышающем 4% масс, эффективный ток возбуждения чрезмерно возрастает. В изобретении, таким образом, содержание Si находится в диапазоне 1-4% масс. Предпочтительно, нижний предел содержания Si составляет 2,0% масс. и его верхний предел составляет 3,5% масс.

Mn: 0,05-3% масс.

Mn необходимо добавлять в количестве не менее 0,05% масс. для предотвращения горячеломкости во время горячей прокатки. Когда его содержание превышает 3% масс., насыщение плотности магнитного потока понижается, что уменьшает плотность магнитного потока. Таким образом, содержание Mn находится в диапазоне 0,05-3% масс. Предпочтительно нижний предел содержания Mn составляет 0,05% масс., и его верхний предел составляет 2,0% масс.

Р: 0,03-0,2% масс.

Р является одним из важных элементов изобретения и имеет эффект увеличения плотности магнитного потока при добавлении в количестве не менее 0,03% масс. в стали с содержанием Al, сниженным до не более 0,004% масс., как видно из фиг. 1. Однако когда его добавляют в количестве, превышающем 0,2% масс., сталь упрочняется и затруднено выполнение холодной прокатки, так что верхний предел установлен до 0,2% масс. Предпочтительно, нижний предел содержания Р составляет 0,05% масс. и его верхний предел составляет 0,10% масс.

S: не более 0,01% масс.

S является вредным элементом, образующим сульфид, такой как MnS или т.п., препятствующий росту зерна и повышающий потери в железе, так что верхний предел установлен 0,01% масс. Кроме того, поскольку S также является элементом типа, способного к межзеренной сегрегации, когда S содержание становится большим, межзеренная сегрегация Р подавляется, так что предпочтительно оно составляет не более 0,0009% масс. с точки зрения усиления межзеренной сегрегации Р.

Al: не более 0,004% масс.

Al является одним из важных элементов в изобретении. Когда его добавляют в количестве, превышающем 0,004% масс., эффект улучшения плотности магнитного потока добавлением Р, как упоминалось выше, не может быть получен, так что верхний предел установлен до 0,004% масс. Предпочтительно он составляет не более 0,002% масс.

N: не более 0,005% масс.

N является вредным элементом образующим нитрид, ингибирующий рост зерна и повышающий потери в железе, таким образом верхний предел установлен до 0,005% масс. Предпочтительно он составляет не более 0,003% масс.

As: не более 0,003% масс.

As, один из важных элементов в изобретении, но является вредным элементом, способным к межзеренной сегрегации, подавляющим межзеренную сегрегацию Р и уменьшающим плотность магнитного потока стали без Al с добавлением Р, как уже упоминалось ранее. В изобретении, таким образом, содержание As ограничено до не более 0,003% масс. Предпочтительно оно составляет не более 0,002% масс., более предпочтительно не более 0,001% масс.

Лист из нетекстурированной электротехнической стали согласно изобретению может содержать один или два элемента из Sb и Sn в следующем диапазоне в дополнение к вышеуказанным ингредиентам.

Sb: 0,001-0,1% масс, Sn: 0,001-0,1% масс.

Sb является элементом, способным к межзеренной сегрегации, и улучшает плотность магнитного потока, и может быть добавлена в диапазоне 0,001-0,1% масс., так как влияние на сегрегацию Р незначительно.

С другой стороны Sn является элементом, способным к межзеренной сегрегации, и незначительно влияет на сегрегацию Р и ускоряет формирование зоны деформации внутри зерна, улучшающее плотность магнитного потока, и может быть добавлено в диапазоне 0,001-0,1% масс. Более предпочтительно нижний предел содержания Sb и Sn составляет 0,005% масс. и его верхний предел 0,05% масс.

Лист из нетекстурированной электротехнической стали согласно изобретению может содержать один или два элемента из Са и Mg в следующем диапазоне в дополнение к вышеуказанным ингредиентам.

Са: 0,001-0,005% масс, Mg: 0,001-0,005% масс.

Са и Mg укрупняют сульфид, усиливающий рост зерна и снижающий потери в железе, и могут быть добавлены в диапазоне 0,001-0,005% масс. соответственно. Более предпочтительно нижний предел содержания Са и Mg составляет 0,0015% масс. и его верхний предел составляет 0,003% масс.

Остальное, кроме вышеуказанных ингредиентов, в листе из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением составляет Fe и неизбежные примеси. Однако другие элементы не должны быть исключены, если они содержатся в интервале, не влияющем на функциональный эффект изобретения.

Способ изготовления листа из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением будет описан ниже.

В способе изготовления листа из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением условия не имеют особых ограничений, за исключением того, что необходимо контролировать содержание ингредиентов стали, особенно Al, Р и As в вышеуказанных диапазонах, и изготовление может быть выполнено при тех же условиях, что и обычный лист из нетекстурированной электротехнической стали. Например, стальной лист может быть изготовлен способом, в котором сталь химического состава, подходящего для изобретения, плавят, например, в конвертере, установке рафинирования или т.п., и формуют в виде исходного материала стали (сляб) способом непрерывного литья или прокаткой слитка в обжимной клети, который подвергают горячей прокатке, отжигу в зоне горячих состояний при необходимости и однократной холодной прокатке или двукратной или многократной холодной прокатке с промежуточным отжигом между ними до заданной толщины листа и последующему окончательному отжигу.

Примеры

Сталь химического состава, представленного в таблице 1, плавят в конвертере, проводят дегазацию дутьем и непрерывную разливку на сляб, который повторно нагревают при 1140°С в течение 1 часа, подвергают горячей прокатке при температуре конечной прокатки 800°С и сматывают в рулон при температуре 610°С для получения горячекатаного листа 1,6 мм толщиной. После того горячекатаный лист подвергают отжигу в зоне горячих состояний при 1000°С в атмосфере 100% об. N₂ в течение 30 секунд и холодной прокатке для получения холоднокатаного листа толщиной 0,25 мм, который подвергают окончательному отжигу в условиях, представленных в таблице 1, в атмосфере 20% об. Н₂ - 80% об. N₂ для формирования холоднокатаного и отожженного листа. Из холоднокатаного и отожженного листа, полученного таким образом, образцы для испытания методом Эпштейна ширина: 30 мм × длина: 280 мм вырезают в направлении прокатки (L-направлении) и в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С-направлении), для измерения потерь в железе W_10/400 и плотности магнитного потока В₅₀ и анизотропии (B_50L/B_50C) в соответствии с JIS С2550 соответственно. Эти результаты также показаны в таблице 1.

Как видно из результатов таблицы 1, все листы из нетекстурированной электротехнической стали, изготовленные с контролем содержания компонентов стали, особенно Al, Р и As в пределах диапазона согласно изобретению, имеют отличную плотность магнитного потока В₅₀ не менее 1,68 Тл, а также незначительную анизотропию (B_50L/B_50C) не более 1,05.

Промышленная применимость

Лист из нетекстурированной электротехнической стали согласно изобретению имеет высокую плотность магнитного потока и может быть предпочтительно использован не только в приводным двигателе, используемом в гибридном автомобиле и электромобиле, но и высокочастотном асинхронном двигателе и электродвигателе компрессора кондиционера.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листу из нетекстурированной электротехнической стали, используемому для изготовления сердечников асинхронных двигателей. Лист выполнен из стали следующего химического состава, содержащего, мас.%: С: не более 0,01, Si: 1-4, Mn: 0,05-3, Р: 0,03-0,2, S: не более 0,01, Al: не более 0,004, N: не более 0,005, As: не более 0,003, остальное - Fe и неизбежные примеси. Отношение между плотностью магнитного потока B_50L в направлении прокатки (L направлении) и плотностью магнитного потока В_50С в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С направлении), (B_50L/B_50C) составляет не более 1,05. Обеспечивается высокая плотность магнитного потока и низкая анизотропия. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Стальной лист из нетекстурированной электротехнической стали химического состава, содержащего, мас.%: С: не более 0,01, Si: 1-4, Mn: 0,05-3, Р: 0,03-0,2, S: не более 0,01, Al: не более 0,004, N: не более 0,005, As: не более 0,003 и остальное Fe и неизбежные примеси, у которого отношение (B_50L/B_50C) между плотностью магнитного потока B_50L в направлении прокатки (L направлении) и плотностью магнитного потока В_50С в направлении, перпендикулярном направлению прокатки (С направлении), составляет не более 1,05.

2. Лист из нетекстурированной электротехнической стали по п. 1, дополнительно содержащий один или два элемента из Sb: 0,001-0,1 мас.% и Sn: 0,001-0,1 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

3. Лист из нетекстурированной электротехнической стали по п. 1, дополнительно содержащий один или два элемента из Са: 0,001-0,005 мас.% и Mg: 0,001-0,005 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

4. Лист из нетекстурированной электротехнической стали по п. 2, дополнительно содержащий один или два элемента из Са: 0,001-0,005 мас.% и Mg: 0,001-0,005 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

5. Лист из нетекстурированной электротехнической стали по любому из пп. 1-4, толщина которого составляет 0,05-0,30 мм.