ЛИСТ ИЗ НЕТЕКСТУРИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ С ПРЕВОСХОДНЫМИ ПОТЕРЯМИ В ЖЕЛЕЗЕ НА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ Российский патент 2017 года по МПК C22C38/60 C22C38/04 C21D8/12 H01F1/16 H01F1/147 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к листу из нетекстурированной электротехнической стали, имеющему отличные потери в железе на высокой частоте.

Известный уровень техники

Двигатель для гибридных автомобилей и электромобилей работает в высокочастотной области от 400 Гц до 2 кГц для миниатюризации и высокой эффективности. Лист из нетекстурированной электротехнической стали, используемый в материале сердечника такого высокочастотного двигателя, предпочтительно должен иметь низкие потери в железе на высокой частоте.

Эффективным в снижении потерь в железе при высокой частоте является уменьшение толщины листа и увеличение удельного сопротивления. Однако способ уменьшения толщины листа осложняется снижением производительности, потому что не только затруднена обработка материала из-за снижения его жесткости, но также из-за увеличения числа штамповок или заполнения пакета. Напротив, метод повышения удельного сопротивления не имеет вышеуказанного недостатка и он является предпочтительным в качестве способа снижения потерь в железе на высокой частоте.

Добавление Si является эффективным для повышения удельного сопротивления. Однако Si является элементом, обладающим значительной способностью к твердорастворному упрочнению, так что возникает проблема, заключающаяся в том, что материал упрочняется с увеличением добавленного количества Si, что ухудшает способность к прокатке. В качестве контрмеры для решения этой проблемы существует способ добавления Mn вместо Si. Поскольку Mn обладает незначительной способностью к твердорастворному упрочнения по сравнению с Si, потери в железе на высокой частоте могут быть снижены при одновременном ограничении снижения производительности.

Например, в качестве способа, использующего вышеуказанный эффект добавления Mn, патентный документ 1 раскрывает лист из нетекстурированной электротехнической стали, содержащий: Si: 0,5-2,5 мас. %, Mn: 1,0-3,5 мас. % и Al: 1,0-3,0 мас. %. Также патентный документ 2 раскрывает лист из нетекстурированной электротехнической стали, содержащий: Si: не более 3,0 мас. %, Mn: 1,0-4,0 мас. % и Al: 1,0-3,0 мас. %.

Документы известного уровня техники

Патентные документы

Патентный документ 1: JP-A-2002-047542

Патентный документ 2: JP-A-2002-030397

Краткое изложение существа изобретения

Задача, решаемая изобретением

Проблема способов, раскрытых в патентных документах 1 и 2, состоит в том, что потери на гистерезис повышаются с увеличением добавленного количества Mn и, следовательно, не может быть достигнут необходимый эффект снижения потерь в железе.

Изобретение выполнено с учетом вышеуказанной проблемы, сохраняющейся в известном уровне техники, и предлагает лист из нетекстурированной электротехнической стали с подходящими стабильными потерями в железе на высокой частоте, даже если вводится большое количество Mn.

Решение задачи

Изобретатели провели различные исследования примесных ингредиентов, включенных в стальной лист для решения вышеуказанной задачи. В результате было установлено, что ухудшение потерь в железе на высокой частоте стали с добавлением большого количества Mn зависит от присутствия Pb, входящего в качестве примеси, и, следовательно, потери в железе на высокой частоте могут быть стабильно снижены снижением содержания Pb даже при высоком содержании Mn, и таким образом было создано изобретение.

Настоящее изобретение основано на вышеуказанных данных и представляет собой лист из нетекстурированной электротехнической стали химического состава, включающего С: не более 0,005 мас. %, Si: 1,5-4 мас. %, Mn: 1-5 мас. %, Р: не более 0,1 мас. %, S: не более 0,005 мас. %, Al: не более 3 мас. %, N: не более 0,005 мас. %, Pb: не более 0,0010 мас. % и остальное Fe и неизбежные примеси.

Лист из нетекстурированной электротехнической стали согласно изобретению характеризуется тем, что содержит один или два элемента из Са: 0,0005-0,007 мас. % и Mg: 0,0002-0,005 мас. % в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

Также лист из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением характеризуется тем, что содержит один или два элемента из Sb: 0,0005-0,05 мас. % и Sn: 0,0005-0,05 мас. % в дополнение к вышеуказанному химическому составу

Также лист из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением характеризуется тем, что содержит Мо: 0,0005-0,0030 мас. % в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

Также лист из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением характеризуется тем, что содержит Ti: не более 0,002 мас. %.

Эффект изобретения

В соответствии с изобретением, можно стабильно изготавливать лист из нетекстурированной электротехнической стали с отличными потерями в железе на высокой частоте снижением содержания Pb, входящего в качестве примеси, даже если добавленное количество Mn является высоким.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен график, показывающий влияние содержания Pb на соотношение между содержанием Mn и высокочастотными потерями в железе W_10/400.

Фиг. 2 представляет график, иллюстрирующий соотношение между содержанием Pb и высокочастотными потерями в железе W_10/400.

Осуществления изобретения

Сначала будет описан эксперимент, приведший к созданию изобретения.

Сталь, содержащую С: 0,0012 мас. %, Si: 3,3 мас. %, Р: 0,01 мас. %, S: 0,0005 мас. %, Al: 1,3 мас. % и N: 0,0021 мас. % и с добавлением изменяющихся количеств Mn в диапазоне 0,1-5,5 мас. % плавят в лаборатории и формируют в стальной слиток, который подвергают горячей прокатке, отжигу в зоне горячих состояний при 1000°C в атмосфере 100 об. % N₂ в течение 30 секунд, холодной прокатке для получения холоднокатаного листа толщиной 0,30 мм, и подвергают окончательному отжигу при 1000°C в атмосфере 20 об. % H₂ - 80 об. % N₂ в течение 30 секунд.

Из полученного таким образом холоднокатаного и отожженного листа вырезают образцы для испытаний Эпштейна шириной 30 мм и длиной 280 мм в направлении прокатки и в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, и их потери в железе W_10/400 измеряют в соответствии с JIS С2550.

На фиг. 1 символ × показывает экспериментальные результаты в виде соотношения между количеством добавленного Mn и потерями в железе W_10/400. Как видно из этих результатов, когда содержание Mn составляет менее 1 мас. %, потери в железе снижаются с увеличением количества добавленного Mn, в то время как снижение потерь в железе становится низким с содержанием не менее 1 мас. %, а когда оно превышает 4 мас. %, потери в железе несколько увеличиваются. Для изучения причины этого, стальной лист, содержащий 2 мас. % Mn, наблюдали с помощью ПЭМ, и выяснили, что зернистые соединения Pb находятся в границах зерна. Дополнительный анализ такого листа показал, что содержание Pb составляет 0,0012-0,0016 мас. % в качестве примеси.

Для дальнейшего изучения влияния Pb на магнитные свойства измеряли потери в железе W_10/400 выплавкой в лаборатории стали высокой чистоты, содержащей С: 0,0013 мас. %, Si: 3,1 мас. %, Al: 1,1 мас. %, Р: 0,01 мас. %, S: 0,0005 мас. %, N: 0,0025 мас. % и Pb: 0,0005 мас. % с добавлением Mn в диапазоне 0,1-5,5 мас. %, и затем формованием холодной прокаткой и отжигом листа таким же образом, что и в вышеописанном эксперименте.

Полученные таким образом экспериментальные результаты представлены символом о на фиг. 1. Как видно из этих результатов, потери в железе уменьшаются в холоднокатаном и отожженном листе, изготовленным из стали высокой чистоты, с пониженным содержанием Pb в зависимости от увеличивающегося добавляемого количества Mn по сравнению со стальным листом, представленным символом х. В этом случае, когда стальной лист, содержащий 2 мас. % Mn, анализируют с помощью ПЭМ, зернистое соединение Pb не обнаруживается на границах зерна. Из этого результата предполагают, что увеличение потерь в железе, связанное с увеличением добавленного количества Mn в стальном листе, представленное символом ×, вызвано увеличением потерь на гистерезис за счет выделения мелкодисперсного Pb.

В стальном листе, содержащем Mn менее 1 мас. %, эффект улучшения потерь в железе при снижении содержания Pb также наблюдается, но степень его низка, причина этого не выяснена в достаточной степени. В сталях с более высоким содержанием Mn, как полагают, т.к. движущая сила роста зерна уменьшается примесным торможением Mn, на рост зерна в значительной степени влияет небольшое количество Pb.

Pb, как правило, является примесью, поступающей из скрапа. В последнее время, так как степень использования скрапа увеличивается, не только количество, но также его распределение увеличивается. Такое увеличение содержания Pb не становится значительной проблемой в листе электротехнической стали с низким содержанием Mn, но стали с высоким содержанием Mn, как полагают, в значительной степени зависят от обнаруживаемого количества Pb, поскольку рост зерна уменьшается за счет примесного торможения Mn.

Для проверки влияния содержания Pb на потери в железе, потери в железе W_10/400 измеряют в лаборатории плавкой стали на основе стали, содержащей С: 0,0020 мас. %, Si: 3,15 мас. %, Mn: 1,8 мас. %, Al: 1,2 мас. %, Р: 0,01 мас. %, S: 0,0006 мас. % и N: 0,0017 мас. % и добавленное количество Pb, изменяющееся в диапазоне среды - 0,0060 мас. % и затем формированием холоднокатаного и отожженного листа 0,30 мм толщиной, таким же образом, что и в вышеописанном эксперименте.

Результаты эксперимента показаны на фиг. 2 как зависимость между добавленным количеством Pb и потерями в железе W_10/400. Как видно из этой фигуры, потери в железе значительно снижаются, когда содержание Pb составляет не более 0,0010 мас. % (не более 10 ч/млн мас.). Это, как полагают, основано на том, что рост зерна улучшается за счет уменьшения содержания Pb. Из этого результата можно видеть, что необходимо уменьшить содержание Pb до не более 0,0010 мас. % для подавления вредного влияния Pb на рост зерна. Изобретение основано на вышеуказанных новых данных.

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

С: не более 0,005 мас. %

С является элементом, образующий карбид с Mn. Когда содержание превышает 0,005 мас. %, увеличивается количество карбида на основе Mn, препятствующее росту зерна, так что верхний предел составляет 0,005 мас. % Предпочтительно оно не более 0,002 мас. %.

Si: 1,5-4 мас. %

Si является элементом, эффективным для повышения удельного сопротивления стали, чтобы уменьшить потери в железе, так что его добавляют в количестве не менее 1,5 мас. %. В то время как, когда его добавляют в количестве, превышающем 4 мас. %, плотность магнитного потока уменьшается, так что верхний предел составляет 4 мас. %. Предпочтительно нижний предел содержания Si составляет 2 мас. %, в то время как его верхний предел составляет 3,5 мас. %.

Mn: 1-5 мас. %

Mn является компонентом, эффективным для повышения удельного сопротивления стали, чтобы уменьшить потери в железе без значительного ухудшения обрабатываемости, и играет важную роль в изобретении так, что его добавляют в количестве не менее 1 мас. %. Для дополнительного усиления эффекта снижения потерь в железе добавление не менее 1,6 мас. % является предпочтительным. В то время как, когда его добавляют в количестве, превышающем 5 мас. %, плотность магнитного потока уменьшается, так что верхний предел составляет 5 мас. %. Предпочтительно нижний предел содержания Mn составляет 1,6 мас. %, тогда как его верхний предел составляет 3 мас. %.

Р: не более 0,1 мас. %

Р является элементом, имеющим значительную способность к твердорастворному упрочнению. Когда он содержится в количестве, превышающем 0,1 мас. %, стальной лист значительно упрочняется, что снижает производительность, так что содержание ограничено не более 0,1 мас. %. Предпочтительно оно составляет не более 0,05 мас. %.

S: не более 0,005 мас. %

S является неизбежной примесью. Когда содержится в количестве, превышающем 0,005 мас. %, затруднен рост зерна выделением MnS, что увеличивает потери в железе, так что верхний предел составляет 0,005 мас. %. Предпочтительно оно составляет не более 0,001 мас. %.

Al: не более 3 мас. %

Al является элементом, эффективным для повышения удельного сопротивления стали, чтобы уменьшить потери в железе подобно Si. При добавлении в количестве, превышающем 3 мас. %, плотность магнитного потока уменьшается, так что верхний предел составляет 3 мас. %. Предпочтительно содержание составляет не более 2 мас. %. Однако когда содержание Al составляет менее 0,1 мас. %, мелкодисперсные выделения AlN препятствуют росту зерна и увеличивают потери в железе, так что нижний предел предпочтительно составляет 0,1 мас. %.

N: не более 0,005 мас. %

N является неизбежной примесью, проникающей из воздуха в сталь. Когда содержание является большим, рост зерна ограничен выделением AlN, что увеличивает потери в железе, так что верхний предел ограничен 0,005 мас. %. Предпочтительно оно составляет не более 0,003 мас. %.

Pb: не более 0,0010 мас. %

Pb является важным элементом, содержание которого необходимо контролировать в изобретении, поскольку он плохо влияет на потери в железе на высокой частоте. Как видно из фиг. 2, когда содержание Pb превышает 0,0010 мас. %, потери в железе резко увеличиваются. Таким образом, содержание Pb ограничено не более 0,0010 мас. %. Предпочтительно оно составляет не более 0,0005 мас. %.

Лист из нетекстурированной электротехнической стали согласно изобретению предпочтительно содержит один или два элемента из Са и Mg, в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

Са: 0,0005-0,007 мас. %

Са является элементом, эффективным для формирования сульфида, выделяющегося и укрупняющегося совместно с Pb, для подавления вредного действия Pb и снижения потерь в железе. Для получения такого эффекта предпочтительно добавлять в количестве не менее 0,0005 мас. %. В то время как, когда его добавляют в количестве, превышающем 0,007 мас. %, количество выделений CaS становится слишком большим и значительно повышаются потери в железе, поэтому верхний предел предпочтительно составляет 0,007 мас. %. Более предпочтительно нижний предел содержания Са составляет 0,0010 мас. %, тогда как его верхний предел составляет 0,0040 мас. %.

Mg: 0,0002 - 0,005 мас. %

Mg является элементом, эффективным для формирования оксида, выделяющегося и укрупняющегося совместно с Pb, для подавления вредного действия Pb и снижения потерь в железе. Для получения такого эффекта предпочтительно добавлять в количестве не менее 0,0002 мас. %. В то время как, когда его добавляют в количестве, превышающем 0,005 мас. %, само добавление затруднено, а также излишне повышается стоимость, так что верхний предел предпочтительно составляет 0,005 мас. %. Более предпочтительно нижний предел содержания Mg составляет 0,0005 мас. %, тогда как его верхний предел составляет 0,003 мас. %.

Более того, когда добавляют Са и/или Mg, приемлемое содержание Pb может быть увеличено до 0,0020 мас. % за счет эффекта подавления вредного действия Pb.

Кроме того, лист из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением предпочтительно содержит следующие ингредиенты в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

Sb: 0,0005-0,05 мас. %, Sn: 0,0005-0,05 мас. %

Sb и Sn обладают эффектом улучшения текстуры для увеличения плотности магнитного потока, так что они могут быть добавлены в количестве не менее 0,0005 мас. % по отдельности или в смеси. Более предпочтительно содержание каждого составляет не менее 0,01 мас. %. Однако когда каждый из них добавляется в количестве, превышающем 0,05 мас. %, возникает хрупкость стального листа, так что верхний предел содержания каждого из них предпочтительно составляет 0,05 мас. %.

Мо: 0,0005-0,0030 мас. %

Мо обладает эффектом укрупнения получаемого карбида для снижения потерь в железе, так что предпочтительно его добавляют в количестве не менее 0,0005 мас. %. Однако когда его добавляют в количестве, превышающем 0,0030 мас. %, количество карбида становится слишком большим, и, следовательно, потери в железе увеличиваются, поэтому верхний предел предпочтительно составляет 0,0030 мас. %. Более предпочтительно, нижний предел содержания Мо составляет 0,0010 мас. %, тогда как его верхний предел составляет 0,0020 мас. %.

Ti: не более 0,002 мас. %

Ti является элементом, образующим карбонитрид. Когда содержание велико, количество выделений карбонитрида становится слишком большим, в результате чего ограничен рост зерна, что повышает потери в железе. В изобретении, таким образом, содержание Ti предпочтительно ограничено не более 0,002 мас. %. Более предпочтительно оно составляет не более 0,0010 мас. %.

Остальное, кроме вышеупомянутых ингредиентов, в составе стали листа из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением представляет собой Fe и неизбежные примеси. Однако другие элементы также могут содержаться в стали в пределах, не нарушающих действие и эффект настоящего изобретения.

Далее будет описан способ изготовления листа из неориентированной электротехнической стали в соответствии с изобретением.

При изготовлении листа из нетекстурированной электротехнической стали в соответствии с изобретением условия, кроме вышеуказанного химического состава стального листа, конкретно не ограничены, так что стальной лист может быть изготовлен при тех же условиях, что и обычный лист из нетекстурированной электротехнической стали, если химический состав находится в пределах диапазона, определенного в настоящем изобретении. Например, он может быть изготовлен плавкой стали с химическим составом, соответствующим изобретению, в конвертере, дегазаторе и т.п., с получением исходного стального материала (сляб) методом непрерывной разливки, изготовлением слитков прокаткой в обжимной клети или т.п., горячей прокаткой, отжигом в зоне горячих состояний при необходимости, однократной холодной прокаткой или двукратной или многократной холодной прокаткой с промежуточным отжигом между ними до заданной толщины листа и проведением окончательного отжига.

Пример

Сталь химического состава, представленного в таблице 1, получают дегазацией расплава стали, продутой в конвертере, и непрерывным литьем получают сляб. Сляб нагревают при 1100°C в течение 1 часа, подвергают горячей прокатке, в которой конечная температура чистовой прокатки составляет 800°C, наматывают в форме рулона при температуре 610°C для получения листа 1,8 мм толщиной. Затем горячекатаный лист подвергают отжигу в зоне горячих состояний в атмосфере 100 об. % N₂ при 1000°C в течение 30 секунд, холодной прокатке для получения холоднокатаного листа 0,35 мм толщиной, который подвергают окончательному отжигу в атмосфере 20 об. % H₂ - 80 об. % N₂ при 1000°C в течение 10 секунд для получения холоднокатаного и отожженного листа.

Из полученного таким образом холоднокатаного и отожженного листа вырезают образцы для испытаний Эпштейна шириной 30 мм и длиной 280 мм в направлении прокатки и в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, для измерения потерь в железе W_10/400 и плотности магнитного потока В₅₀ в соответствии с JIS С2550. Результаты также показаны в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, стальные листы химического состава, определенного в настоящем изобретении, в частности стальные листы с пониженным содержанием Pb, обладают подходящими потерями в железе на высокой частоте независимо от высокого содержания Mn.

Промышленная применимость

Изобретение также может быть применено в двигателе станка, двигателе гибридных EV, высокооборотного генератора и т.д.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листу из нетекстурированной электротехнической стали, используемому в качестве материала сердечника высокочастотных двигателей. Лист выполнен из стали следующего химического состава, включающего в мас.%: C: не более 0,005, Si: 1,5-4, Mn: 1-5, P: не более 0,1, S: не более 0,005, Al: не более 3, N: не более 0,005, Pb: не более 0,001, остальное - Fe и неизбежные примеси. Лист имеет стабильные и требуемые потери в железе на высокой частоте. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 1 пр.

1. Лист из неориентированной электротехнической стали химического состава, включающего, в мас.%: С: не более 0,005, Si: 1,5-4, Μn: 1-5, Р: не более 0,1, S: не более 0,005, Al: не более 3, N: не более 0,005, Pb: не более 0,0010, остальное - Fe и неизбежные примеси.

2. Лист из неориентированной электротехнической стали по п. 1, который содержит один или два элемента из Са: 0,0005-0,007 мас.% и Mg: 0,0002-0,005 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

3. Лист из неориентированной электротехнической стали по п. 1, который содержит один или два элемента из Sb: 0,0005-0,05 мас.% и Sn: 0,0005-0,05 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

4. Лист из неориентированной электротехнической стали по п. 2, который содержит один или два элемента из Sb: 0,0005-0,05 мас.% и Sn: 0,0005-0,05 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

5. Лист из неориентированной электротехнической стали по любому из пп. 1-4, который содержит Mo: 0,0005-0,0030 мас.% в дополнение к вышеуказанному химическому составу.

6. Лист из неориентированной электротехнической стали по любому из пп. 1-4, который содержит Ti: не более 0,002 мас.%.

7. Лист из неориентированной электротехнической стали по п. 5, который содержит Ti: не более 0,002 мас.%.