МНОГОСЛОЙНЫЙ ЛИСТ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ Российский патент 2021 года по МПК C22C38/02 C22C38/60 C21D8/12 H01F1/147 H01F1/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к многослойному листу из электротехнической стали и, в частности, к многослойному листу из электротехнической стали, имеющему подходящие низкие высокочастотные потери в железе и высокую плотность магнитного потока.

Известный уровень техники

Двигатели для гибридных электромобилей и очистителей приводятся в действие токами высокой частоты, например от 400 Гц до 2 кГц для уменьшения размера и достижения высокой эффективности. Поэтому для листов из нетекстурированной электротехнической сталиспользуемых для материалов сердечника таких двигателей, требуются листы из электротехнической стали, имеющие низкие высокочастотные потери в железе и высокую плотность магнитного потока.

Для уменьшения высокочастотных потерь в железе эффективным является увеличение удельного сопротивления. Поэтому была разработана сталь с высоким содержанием Si, имеющая повышенное удельное сопротивление за счёт увеличения содержания Si. Однако, поскольку Si является немагнитным элементом, увеличение содержания Si приводит к более низкой намагниченности насыщения.

Поэтому в качестве средства достижения как уменьшения высокочастотных потерь в железе, так и высокой плотности магнитного потока были разработаны магнитные материалы с градиентом содержания Si, имеющие контролируемый градиент концентрации Si в направлении толщины листов электротехнической стали. Например, в JP H11-293422 A (PTL 1) предлагается лист из электротехнической стали, имеющий градиент концентрации Si в направлении толщины, в котором концентрация Si на поверхности стального листа выше, чем у средней части толщины стального листа. В частности, лист из электротехнической стали имеет среднюю часть толщины с концентрацией Si 3,4% или более, при этом на обеих его поверхностях имеются поверхностные слои с концентрацией Si 5 - 8% масс. Кроме того, толщина поверхностных слоёв составляет 10% или более толщины листа.

Список цитированных источников

Патентная литература

PTL 1: JP H11-293422 A

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

Однако, когда обычные магнитные материалы с градиентом содержания Si, предложенные в PTL 1, используют в качестве материалов железного сердечника для электрических приборов, чья максимальная частота составляет несколько кГц, потери на гистерезис высоки, и, таким образом, потери в железе не уменьшаются в достаточной степени.

Таким образом, может быть полезным создание многослойного листа из электротехнической стали, имеющего подходящие низкие высокочастотные потери в железе и высокую плотность магнитного потока.

Решение проблемы

Авторы изобретения провели интенсивные исследования способа решения проблемы и в результате установили, что для уменьшения высокочастотных потерь в железе важно соответствующим образом контролировать разницу в концентрации Si в поверхностных слоях и во внутреннем слоем стального листа, и добавлять, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P, Sn и Sb. Это раскрытие основано на приведённом выше выводе и имеет следующие основные признаки.

1. Многослойный лист из электротехнической стали, включающий внутренний слой и поверхностные слои, расположенные на обеих сторонах внутреннего слоя, в котором каждый из поверхностных слоёв имеет химический состав, содержащий (состоящий из), в % масс.,

Si: 2,5 - 6,0% и

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%, при этом остаток составляет Fe и неизбежные примеси,

внутренний слой имеет химический состав, содержащий (состоящий из), в % масс.,

Si: 1,5 - 5,0% и

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%, при этом остаток составляет Fe и неизбежные примеси, и

многослойный лист из электротехнической стали имеет:

ΔSi равную 0,5 - 4,0% масс., ΔSi определяется как разница между содержанием Si в каждом из поверхностных слоёв [Si]₁ и содержанием Si во внутреннем слое [Si]₀, в виде [Si]₁ - [Si]₀;

ΔAl равную 0,05 % масс. или менее, ΔAl определяется как абсолютное значение разности между содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси в каждом из поверхностных слоёв [Al]₁, и содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси во внутреннем слое [Al]₀, в виде |[Al]₁- [Al]₀|;

отношение t₁ к t, в виде t₁/t, равное 0,10 - 0,70, где t₁ обозначает общую толщину поверхностных слоёв и t обозначает толщину многослойного листа из электротехнической стали;

B₁₀ равную 1,3 Тл или более, где B₁₀ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 1000 А/м;

отношение B₁ к B₁₀, в виде B₁/B₁₀, равное 0,45 или более, где B₁ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 100 А/м; и

потери в железе на частоте 1 кГц и наибольшей плотности магнитного потока 1,0 Тл, в виде W_10/1k в Вт/кг, и толщина листа t в мм удовлетворяют следующей формуле (1):

W_10/1k ≤ 15 + 140 × t (1).

2. Многослойный лист из электротехнической стали по п. 1, в котором химический состав по меньшей мере одного из каждого из поверхностных слоёв или химический состав внутреннего слоя дополнительно содержит, в % масс., Мо: 0,001 - 0,1 %.

Преимущественный эффект

Согласно заявленному изобретению можно создать многослойный лист из электротехнической стали, имеющий низкие высокочастотные потери в железе и высокую плотность магнитного потока.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых чертежах:

Фиг. 1 является схематической диаграммой, иллюстрирующей структуру многослойного листа из электротехнической стали согласно одному из осуществлений этого раскрытия;

Фиг. 2А и 2В являются схематическими диаграммами, иллюстрирующими примеры профиля содержания Si в направлении толщины многослойного листа из электротехнической стали;

Фиг. 3 является графиком, иллюстрирующим корреляцию между разницей в содержании Si в поверхностных слоях и во внутреннем слое (ΔSi) и общими потерями в железе (W_10/1k);

Фиг. 4 является графиком, иллюстрирующим корреляцию между разницей в содержании Si в поверхностных слоях и во внутреннем слое (ΔSi) и отношением плотностей магнитного потока (B₁/B₁₀); и

Фиг. 5 является графиком, иллюстрирующим корреляцию между многослойным отношением, определённым как отношение общей толщины поверхностных слоёв t₁ к толщине листа многослойного листа из электротехнической стали t, и общих потерь в железе (W_10/1k).

Осуществление изобретения

Подробное описание приведено ниже. Последующее описание просто представляет примеры предпочтительных осуществлений этого раскрытия, и это раскрытие не ограничивается этими осуществлениями.

Многослойный лист из электротехнической стали

Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей структуру многослойного листа из электротехнической стали согласно одному из осуществлений этого раскрытия. Кроме того, фиг. 2А и 2В являются схематическими диаграммами, иллюстрирующими примеры профиля содержания Si в направлении толщины многослойного листа из электротехнической стали. На фиг. На фиг. 2А и 2В вертикальная ось указывает положение в направлении толщины, 0 обозначает одну поверхность многослойного листа из электротехнической стали, а t обозначает другую поверхность многослойного листа из электротехнической стали.

Как показано на фиг. 1, многослойный лист из электротехнической стали 1 этого раскрытия (в дальнейшем также называемый просто «стальной лист») имеет внутренний слой 10 и поверхностные слои 20, расположенные на обеих сторонах внутреннего слоя 10, внутренний слой 10, и поверхностные слои 20 имеют различное содержание Si. Содержание Si может изменяться непрерывно (фиг. 2A) или ступенчато (фиг. 2B) в направлении толщины стального листа. Когда содержание Si изменяется ступенчато, оно может меняться в два или более этапов. В последующем описании «поверхностные слои» обозначают поверхностные слои, расположенные на поверхностях с обеих сторон многослойного листа из электротехнической стали. Поэтому в этом раскрытии и первый поверхностный слой, расположенный на одной поверхности многослойного листа из электротехнической стали, и второй поверхностный слой, расположенный на другой поверхности многослойного листа из электротехнической стали, удовлетворяют условиям, описанным ниже.

Часть, имеющая более высокое содержание Si, чем среднее содержание Si по всей толщине стального листа, определяется как «поверхностный слой», а часть, имеющая более низкое содержание Si, чем среднее, определяется как "внутренний слой". Как описано ниже, когда многослойный лист из электротехнической стали изготавливается путём плакирования двух типов стальных материалов, имеющих различное содержание Si (материал с высоким содержанием Si и материал с низким содержанием Si), обычно часть, изготовленная из материала с высоким содержанием Si, представляет собой поверхностный слой и часть, изготовленная из материала с низким содержанием Si, является внутренним слоем. В этом случае содержание Si в каждом из поверхностных слоёв является по существу постоянным, и содержание Si во внутреннем слое также является по существу постоянным.

Химический состав

Сначала описаны химические составы каждого из поверхностных слоёв и внутреннего слоя. Когда содержание компонентов выражено в «%», это относится к "% масс.", если не указано иное.

Химический состав поверхностного слоя

Сначала будет описан химический состав каждого из поверхностных слоёв. В этом раскрытии как первый поверхностный слой, расположенный на одной поверхности многослойного листа из электротехнической стали, так и второй поверхностный слой, расположенный на другой поверхности многослойного листа из электротехнической стали, имеют химический состав, описанный ниже. Химический состав первого поверхностного слоя и химический состав второго поверхностного слоя обычно могут быть одинаковыми, но могут отличаться друг от друга. Кроме того, содержание элемента в каждом из поверхностных слоёв указывает среднее содержание элемента в каждом поверхностном слое.

Si: 2,5 - 6,0%

Si является элементом, обладающим эффектом увеличения электрического сопротивления стального листа и уменьшения потерь на вихревые токи. Когда содержание Si в каждом из поверхностных слоёв ([Si]₁) составляет менее 2,5%, потери на вихревые токи не могут быть эффективно уменьшены. Поэтому содержание Si в каждом из поверхностных слоёв составляет 2,5% или более, предпочтительно 3,0% или более и более предпочтительно более 3,5%. С другой стороны, когда содержание Si в каждом из поверхностных слоёв составляет более 6,0%, плотность магнитного потока уменьшается из-за меньшей намагниченности насыщения. Поэтому содержание Si в каждом из поверхностных слоёв составляет 6,0% или менее, предпочтительно менее 5,5% и более предпочтительно 5,0% или менее. Как описано выше, содержание Si 2,5 - 6,0% в каждом из поверхностных слоёв означает, что среднее содержание Si в первом поверхностном слое составляет 2,5 - 6,0%, и среднее содержание Si во втором поверхностном слое составляет 2,5 - 6,0%. Среднее содержание Si в первом поверхностном слое может быть таким же или отличаться от среднего содержания Si во втором поверхностном слое. Это же определение относится и к другим элементам.

Химический состав в каждом из поверхностных слоёв дополнительно содержит, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%.

P: 0,01 - 0,1%

Добавление Р значительно улучшает текстуру, что позволяет улучшить плотность магнитного потока и снизить потери на гистерезис. При добавлении P для достижения этого эффекта содержание P составляет 0,01% или более. С другой стороны, содержание P, превышающее 0,1%, вызывает эффект насыщения и, кроме того, снижает технологичность и увеличивает стоимость. Поэтому содержание Р составляет 0,1% или менее.

Sn: 0,001 - 0,1%

Как и в случае P, добавление Sn значительно улучшает текстуру, что позволяет улучшить плотность магнитного потока и снизить потери на гистерезис. При добавлении Sn для достижения этого эффекта содержание Sn составляет 0,001% или более. С другой стороны, содержание Sn, превышающее 0,1%, вызывает эффект насыщения и, кроме того, снижает технологичность и увеличивает стоимость. Поэтому содержание Sn составляет 0,1% или менее.

Sb: 0,001% - 0,1%

Как и в случае P и Sn, добавление Sb значительно улучшает текстуру, что позволяет улучшить плотность магнитного потока и снизить потери на гистерезис. При добавлении Sb для достижения этого эффекта содержание Sb составляет 0,001% или более. С другой стороны, содержание Sb, превышающее 0,1%, вызывает эффект насыщения и, кроме того, снижает технологичность и увеличивает стоимость. Поэтому, содержание Sb составляет, 0,1% или менее.

В одном осуществлении этого раскрытия каждый из поверхностных слоёв имеет химический состав, содержащий вышеуказанные элементы, с остатком, являющимся Fe и неизбежными примесями.

Примеры элементов, которые могут содержаться в качестве неизбежных примесей в многослойном листе из электротехнической стали, включают Al. Когда содержание Al ограничено 0,1% или менее, плотность магнитного потока может быть дополнительно улучшена. Поэтому содержание Al предпочтительно ограничено 0,1% или менее.

Кроме того, в другом осуществлении этого раскрытия химический состав каждого из поверхностных слоёв может дополнительно содержать Мо в количестве, описанном ниже.

Мо: 0,001% - 0,1%

Мо является элементом, обладающим эффектом подавления окисления поверхностных слоёв стального листа, тем самым дополнительно снижая потери в железе. При добавлении Мо для достижения этого эффекта содержание Мо составляет 0,001% или более. С другой стороны, когда содержание Мо превышает 0,1%, образуются карбиды, что приводит к увеличению потерь в железе. Поэтому содержание Мо составляет 0,1% или менее.

Каждый из поверхностных слоёв в соответствии с одним осуществлением этого раскрытия может иметь химический состав, содержащий в % масс.,

Si: 2,5 - 6,0%,

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%, и

необязательно, Мо: 0,001 - 0,1%, причём остаток составляет Fe и неизбежные примеси.

Кроме того, каждый из поверхностных слоёв в соответствии с другим осуществлением этого раскрытия может иметь химический состав, содержащий, в % масс.,

Si: 2,5 - 6,0%,

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%, и

необязательно, Мо: 0,001 - 0,1%, причём остаток составляет Fe и неизбежные примеси.

Химический состав внутреннего слоя

Далее будет описан химический состав внутреннего слоя. Содержание элемента во внутреннем слое представляет среднее содержание элемента во внутреннем слое.

Si: 1,5 - 5,0%

Содержание Si во внутреннем слое ([Si]₀) менее 1,5% вызывает увеличение высокочастотных потерь в железе. Поэтому содержание Si во внутреннем слое составляет 1,5% или более. С другой стороны, содержание Si во внутреннем слое более 5,0% вызывает образование трещин в сердечнике двигателя при вырубке сердечника. Поэтому содержание Si во внутреннем слое составляет 5,0% или менее. Содержание Si во внутреннем слое предпочтительно составляет 4,0% или менее и более предпочтительно 2,8% или менее.

Химический состав во внутреннем слое дополнительно содержит, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%.

P: 0,01 - 0,1%

Добавление Р значительно улучшает текстуру, что позволяет улучшить плотность магнитного потока и снизить потери на гистерезис. При добавлении P для достижения этого эффекта содержание P составляет 0,01% или более. С другой стороны, содержание P, превышающее 0,1%, вызывает эффект насыщения и, кроме того, снижает технологичность и увеличивает стоимость. Поэтому содержание Р составляет 0,1% или менее.

Sn: 0,001 - 0,1%

Как и в случае P, добавление Sn значительно улучшает текстуру, что позволяет улучшить плотность магнитного потока и снизить потери на гистерезис. При добавлении Sn для достижения этого эффекта содержание Sn составляет 0,001% или более. С другой стороны, содержание Sn, превышающее 0,1%, вызывает эффект насыщения и, кроме того, снижает технологичность и увеличивает стоимость. Поэтому содержание Sn установлено на уровне 0,1% или менее.

Sb: 0,001 - 0,1%

Как и в случае P и Sn, добавление Sb значительно улучшает текстуру, что позволяет улучшить плотность магнитного потока и снизить потери на гистерезис. При добавлении Sb для достижения этого эффекта содержание Sb составляет 0,001% или более. С другой стороны, содержание Sb, превышающее 0,1%, вызывает эффект насыщения и, кроме того, снижает технологичность и увеличивает стоимость. Поэтому содержание Sb составляет 0,1% или менее.

В одном осуществлении этого раскрытия внутренний слой имеет химический состав, содержащий вышеуказанные элементы, остальное составляет Fe и неизбежные примеси.

Примеры элементов, которые могут содержаться в качестве неизбежных примесей в многослойном листе из электротехнической стали, включают Al. Когда содержание Al ограничено 0,1% или менее, плотность магнитного потока может быть дополнительно улучшена. Поэтому содержание Al предпочтительно ограничено 0,1% или менее.

Кроме того, в другом осуществлении этого раскрытия химический состав внутреннего слоя может дополнительно содержать Мо в количестве, описанном ниже.

Мо: 0,001 - 0,1%

Как описано выше, Мо является элементом, обладающим эффектом подавления окисления поверхностных слоёв стального листа, тем самым дополнительно снижая потери в железе. Для предотвращения окисления достаточно, чтобы Мо присутствовал в поверхностных слоях стального листа, но Мо может быть добавлен во внутренний слой. Например, когда многослойный лист из электротехнической стали изготавливают силицированием, как описано ниже, для добавления Мо в поверхностные слои достаточно добавить Мо во весь стальной лист, и в этом случае Мо также присутствует во внутреннем слое. Кроме того, даже многослойный лист из электротехнической стали изготавливают способом, отличным от силицирования, Мо может быть добавлен во внутренний слой. С точки зрения изготовления, когда Мо добавляется во внутренний слой, содержание Мо во внутреннем слое составляет 0,001% или более, как содержание Мо в каждом из поверхностных слоёв. С другой стороны, когда содержание Мо превышает 0,1%, образуются карбиды, что приводит к увеличению потерь в железе. Поэтому содержание Мо составляет 0,1% или менее.

Химический состав внутреннего слоя в соответствии с одним осуществлением этого раскрытия может содержать, в % масс.,

Si: 1,5 - 5,0%,

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%, и

необязательно, Мо: 0,001 - 0,1%, причём остаток составляет Fe и неизбежные примеси.

Кроме того, химический состав внутреннего слоя в соответствии с другим осуществлением этого раскрытия может содержать, в% масс.,

Si: 1,5 - 5,0%,

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01 - 0,1%, Sn: 0,001 - 0,1% и Sb: 0,001 - 0,1%, и

необязательно, Мо: 0,001 - 0,1%, причём остаток составляет Fe и неизбежные примеси.

Разница в содержании Si

Чтобы исследовать влияние разницы в содержании Si (ΔSi) в поверхностных слоях и во внутреннем слое на магнитные свойства, многослойные листы из электротехнической стали, имеющие различные ΔSi, готовят следующими способами и оценивают магнитные свойства.

Сначала сталь для поверхностных слоёв прикрепляют к обеим поверхностям стали для внутреннего слоя таким образом, чтобы отношение толщины поверхностных слоёв к толщине листа (общей толщине) многослойного листа из электротехнической стали составляло 0,30 и подвергают горячей прокатке для получения горячекатаного стального листа. Каждую сталь для поверхностных слоёв и сталь для внутреннего слоя выплавляют так, чтобы получить искомый химический состав для приготовления слитка. Содержание Si во внутреннем слое [Si]₀ составляет 2,0%, а содержание Si в каждом из поверхностных слоёв [Si]₁ изменялось в диапазоне 2,1 - 6,5%. Содержание Al составляет 0,001% и содержание Sn составляет 0,04% и в поверхностных слоях, и во внутреннем слое. Остальное в химическом составе каждого из поверхностных слоёв и внутреннего слоя составляет Fe и неизбежные примеси. Поверхностные слои на обеих поверхностях имеют одинаковый химический состав.

После горячей прокатки горячекатаный стальной лист подвергают отжигу горячекатаного листа при 950°C × 30 с с последующей холодной прокаткой для получения холоднокатаного стального листа толщиной 0,20 мм. Затем холоднокатаный стальной лист подвергают окончательному отжигу при 1000°С × 30 с для получения многослойного листа из электротехнической стали.

Образец для испытаний, имеющий ширину 30 мм и длину 180 мм, отбирают из полученного многослойного листа из электротехнической стали и подвергают испытанию по Эпштейну для оценки магнитных свойств. В испытании по Эпштейну испытательные образцы в направлении L отобранные так, чтобы направление длины испытательного образца было параллельно направлению прокатки (направление L), и испытательные образцы в направлении C отобранные так, чтобы направление длины испытательного образца было параллельным направлению, ортогональным направлению прокатки (направление C), используют в равных количествах для измерения средних значений магнитных свойств в направлении L и направлении C.

Фиг. 3 показывает корреляцию между ΔSi (% масс.) и общими потерями в железе при 1,0 Тл и 1 кГц в виде W_10/1k (Вт/кг), причём ΔSi определяется как разница в содержании Si в каждом из поверхностных слоёв и во внутреннем слое ([Si]₁- [Si]₀). Кроме того, фиг. 4 показывает корреляцию между ΔSi и отношением плотности магнитного потока. «Отношение плотности магнитного потока» представляет отношение B₁ к B₁₀, в форме B₁/B₁₀, где B₁ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 100 А/м, а B₁₀ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 1000 А/м.

Как видно из результатов, показанных на фиг. 3, когда ΔSi составляет 0,5% масс. или более и 4,0% масс. или менее, потери в железе может быть уменьшены до низкого уровня. Кроме того, как видно из результатов, показанных на фиг. 4, когда ΔSi превышает 4,0% масс., отношение плотности магнитного потока резко уменьшается. Считается, что это происходит по следующим причинам. В частности, когда содержание Si в каждом из поверхностных слоёв выше, чем во внутреннем слое, магнитная проницаемость каждого из поверхностных слоёв выше, чем у внутреннего слоя. В результате магнитные потоки концентрируются в поверхностном слое, снижая потери на вихревые токи. Однако, когда ΔSi чрезмерно велика, разница в постоянной решётки и разница в магнитострикции между каждым из поверхностных слоёв и внутренним слоем становятся большими. В результате, поскольку напряжение, приложенное во время намагничивания стального листа, увеличивается, потери на гистерезис увеличиваются, и плотность магнитного потока уменьшается в диапазонах низкой и средней напряжённости магнитного поля.

По вышеуказанным причинам в этом раскрытии ΔSi, определяемая как разность между содержанием Si в каждом из поверхностных слоёв и содержанием Si во внутреннем слое ([Si]₁- [Si]₀), составляет 0,5 - 4,0% масс.

Разница в содержании Al

Хотя магнитострикция в поверхностных слоях и внутреннем слое сильно зависит от содержания Si, на неё также влияет текстура. Например, поскольку формирование текстуры сильно варьируется во время окончательного отжига, когда количество примесей различается между поверхностными слоями и внутренним слоем, разница в магнитострикции между поверхностными слоями и внутренним слоем становится большой. В частности, Al является элементом, который сильно влияет на формирование текстуры. Поэтому ΔAl составляет 0,05% масс. или менее, где ΔAl определяется как абсолютное значение разности между содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси в каждом из поверхностных слоёв [Al]₁, и содержанием Al, присутствующего как неизбежная примесь во внутреннем слое [Al]₀ (|[Al]₁-[Al]₀|). С другой стороны, для ΔAl не установлен нижний предел, но ΔAl может быть равна 0.

Отношение многослойности

Далее, чтобы изучить влияние отношения общей толщины поверхностных слоёв t₁ к общей толщине многослойного листа из электротехнической стали t (t₁/t) (в дальнейшем также называемого «отношением многослойности») на магнитные свойства, многослойные листы из электротехнической стали, имеющие различные отношения многослойности, готовят следующими способами и оценивают магнитные свойства. «Общая толщина поверхностных слоёв» представляет сумму толщин поверхностных слоёв, находящихся с обеих сторон.

Сначала сталь для поверхностных слоёв и сталь для внутреннего слоя соединяют друг с другом, чтобы получить соотношение многослойности 0,02 - 0,80, и подвергают горячей прокатке, чтобы получить горячекатаный стальной лист. Каждую сталь для поверхностных слоёв и сталь для внутреннего слоя выплавляют так, чтобы получить искомый химический состав для приготовления слитка. Содержание Si в каждом из поверхностных слоёв [Si]₀ составляет 4,5%, и содержание Si во внутреннем слое [Si]₁ составляет 2,0%. Кроме того, в каждом из поверхностных слоёв и во внутреннем слое содержание P составляет 0,05%, содержание Sn составляет 0,05%, и содержание Sb и содержание Al, присутствующего качестве неизбежной примеси, составляет 0,001% каждого. Остаток является Fe и неизбежными примесями. Поверхностные слои на обеих поверхностях имеют одинаковый химический состав.

После горячей прокатки горячекатаный стальной лист подвергают отжигу горячекатаного листа при 950°C × 30 с с последующей холодной прокаткой, чтобы получить холоднокатаный стальной лист толщиной 0,10 мм. Затем холоднокатаный лист подвергают окончательному отжигу при 1000°С × 30 с, чтобы получить многослойный лист из электротехнической стали.

Фиг. 5 иллюстрирует корреляцию между отношением многослойности (t₁/t) и общими потерями в железе (W_10/1k). В результате установлено, что, когда отношение многослойности составляет 0,10 - 0,70, потери в железе значительно уменьшаются. Считается, что снижение потерь в железе обусловлено следующими причинами. Во-первых, поскольку доля поверхностных слоёв, которые имеют высокое сопротивление, является низкой, когда отношение многослойности составляет менее 0,10, вихревой ток, который концентрируется на поверхностных слоях, не может быть эффективно уменьшен. С другой стороны, поскольку различие в магнитной проницаемости между поверхностными слоями и внутренним слоем является небольшим, когда отношение многослойности составляет более 0,70, магнитный поток проникает к внутренней поверхности, и потери на вихревые токи также возникают на внутренней поверхности. Поэтому потери в железе могут быть уменьшены путём установки отношения многослойности в диапазоне 0,10 - 0,70. По вышеуказанным причинам отношение многослойности (t₁/t) в этом раскрытии составляет 0,10 - 0,70.

Толщина листа

Толщина листа многослойного листа из электротехнической стали t конкретно не ограничена, и t может иметь любое значение. Однако, когда многослойный лист электротехнической стали является чрезмерно тонким, трудно выполнять холодную прокатку и отжиг при изготовлении многослойного листа из электротехнической стали, что может привести к увеличению затрат. Поэтому с точки зрения снижения стоимости изготовления, t предпочтительно составляет 0,03 мм или более. С другой стороны, когда t составляет 0,3 мм или менее, потери на вихревые токи могут быть дополнительно уменьшены, и в результате общие потери в железе могут быть дополнительно снижены. Поэтому t предпочтительно составляет 0,3 мм или менее.

Плотность магнитного потока

B₁₀: 1,3 Тл или более

Многослойный лист из электротехнической стали по данному изобретению имеет высокую плотность магнитного потока. В частности, плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 1000 А/м, представленной В₁₀, составляет 1,3 Тл или более. Увеличение плотности магнитного потока в листе электротехнической стали эффективно для улучшения крутящего момента двигателя, изготовленного с использованием листа из электротехнической стали. Кроме того, при высокой плотности магнитного потока, тот же крутящий момент может быть получен при более низком токе, и в результате потери в меди могут быть уменьшены.

B₁/B₁₀: 0,45 или более

Отношение B₁ к B₁₀, представленное B₁/B₁₀, составляет 0,45 или более, где B₁ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 100 А/м. Увеличивая B₁/B₁₀, можно получить соответствующий рост кривой намагничивания в заданной области плотности магнитного потока, используемой в небольшом двигателе. Так как это уменьшает ток двигателя, необходимый для получения заданного крутящего момента, потери в меди уменьшаются, и, таким образом, эффективность двигателя может быть улучшена.

Потери в железе

В этом раскрытии потери в железе на частоте 1 кГц и наибольшей плотности магнитного потока 1,0 Тл (общие потери в железе) W_10/1k (Вт/кг) и толщина листа t в мм должны удовлетворять следующей формуле (1):

W_10/1k ≤ 15 + 140 × t (1).

Причина заключается в том, что, когда соотношение формулы (1) не выполняется, в сердечниках статора выделяется чрезвычайно большое количество тепла, что значительно снижает КПД двигателя. Поскольку потери в железе зависят от толщины листа, верхний предел потерь в железе определяется в формуле (1) с учётом влияния толщины листа.

В листе из электротехнической стали, когда плотность магнитного потока увеличивается, потери в железе обычно увеличиваются. Поэтому обычные сердечники двигателя спроектированы таким образом, чтобы плотность магнитного потока составляла около 1,0 Тл. С другой стороны, многослойный лист из электротехнической стали по настоящему раскрытию обеспечивает как высокую плотность магнитного потока, так и низкие потери в железе, которые являются взаимно противоположными свойствами благодаря контролю химического состава поверхностных слоёв и внутреннего слоя и многослойного отношения стального листа, как описано выше.

Способ изготовления

Способ изготовления многослойного листа из электротехнической стали по данному раскрытию особо не ограничен и может быть любым способом. Примеры способа изготовления включают способ плакирования стального сырья с различным содержанием Si. Химический состав стального сырья может регулироваться, например, продувкой материалов, имеющих различные составы, в конвертере для получения расплавленной стали и вакуумированием.

Способ плакирования особо не ограничен. Однако, например, могут быть изготовлены стальной сляб для поверхностных слоёв и стальной сляб для внутреннего слоя, с химическим составом, описанным выше, и стальной сляб для поверхностных слоёв при такой толщине, чтобы конечное многослойное отношение было искомым значением, может быть прикреплён к обеим поверхностям стального сляба для внутреннего слоя и подвергнут прокатке. Прокатка может быть, например, по меньшей мере одной, выбранной из группы, состоящей из горячей прокатки, тёплой прокатки и холодной прокатки. В общем, предпочтительным является сочетание горячей прокатки и последующей тёплой прокатки или сочетание горячей прокатки и последующей холодной прокатки. После горячей прокатки предпочтительно проводить отжиг горячекатаного листа. Кроме того, тёплая прокатка и холодная прокатка могут выполняться дважды или большее число раз с промежуточным отжигом, выполняемым между ними. Конечная температура прокатки и температура намотки во время горячей прокатки конкретно не ограничены и могут быть определены обычным способом. После прокатки проводится окончательный отжиг. Многослойный лист из электротехнической стали, полученный путем плакирования стальных материалов с различным содержанием Si, имеет профиль содержания Si, как показано, например, на фиг. 2B.

В качестве другого способа изготовления можно использовать силицирование. Когда используется силицирование посредством сицилирования стального листа, имеющего постоянное содержание Si в направлении толщины, содержание Si в поверхностных слоях с обеих сторон стального листа может быть увеличено. Способ силицирования особо не ограничен и может быть любым способом. Например, может быть использован способ, в котором Si осаждается на поверхностях стального листа методом химического осаждения из паровой фазы (метод CVD), и затем выполняется термическая обработка для диффузии Si внутрь стального листа. Содержание Si в поверхностных слоях и внутреннем слое можно контролировать, регулируя количество Si, нанесенного методом CVD, и условия термообработки. Многослойный лист из электротехнической стали, полученный силицированием, имеет профиль содержания Si, как показано, например, на фиг. 2А.

Примеры

Для определения эффекта этого раскрытия листы многослойной электротехнической стали изготавливают в соответствии со следующими способами и оценивают их магнитные свойства.

Во-первых, для каждого многослойного листа из электротехнической стали изготавливают два типа стальных слябов для поверхностного слоя и внутреннего слоя, имеющие химический состав, указанный в таблице 1. Затем стальной сляб для поверхностного слоя прикрепляют с обеих сторон к стальному слябу для внутреннего слоя. Внешняя периферия прикреплённых друг к другу стальных слябов сваривается. Поэтому поверхностные слои с обеих сторон имеют одинаковый химический состав. Химический состав стальных слябов регулируют путём продувки стальных слябов в конвертере и последующей их дегазации. Химический состав сохраняется в полученном многослойном листе электротехнической стали.

Затем скреплённые стальные слябы нагревают при 1130°С в течение 1 часа и затем подвергают горячей прокатке с получением горячекатаного стального листа толщиной 2,0 мм. Температура окончания горячей прокатки при горячей прокатке составляет 800°C. Затем горячекатаный стальной лист наматывают при температуре намотки 610°С и затем подвергают отжигу горячекатаного листа при 940°С × 30 с. Затем горячекатаный стальной лист подвергают травлению и холодной прокатке с последующим отжигом при конечной температуре отжига, указанной в таблице 1, для получения многослойного листа из электротехнической стали. Толщина листа полученного многослойного листа из электротехнической стали t и отношение общей толщины поверхностных слоёв t₁ к t (то есть многослойное отношение) такое, как указано в таблице 2.

Для сравнения листы обычной электротехнической стали без плакировки подвергают такому же испытанию (№ 1 и 2). Эти листы электротехнической стали в качестве сравнительных примеров имеют одинаковый химический состав поверхностных слоёв и внутреннего слоя.

Кроме того, многослойный лист из электротехнической стали № 33 готовят способом силицирования. В частности, холоднокатаный стальной лист с содержанием Si 2,0% и толщиной листа 0,2 мм подвергают силицированию при 1200°C. Рассчитывают среднее содержание Si по всей толщине стального листа. Часть, имеющая более высокую концентрацию Si, чем средняя, определяется как поверхностный слой, а часть, имеющая более низкую концентрацию Si, чем средняя, определяется как внутренний слой. Содержание Si в каждом из поверхностных слоёв является средним содержания Si в поверхностном слое. Кроме того, в качестве измерения магнитострикции поверхностных слоёв и внутреннего слоя указаны измерения магнитострикции стального листа, имеющего такое же содержание Si, что и среднее содержание Si, и тот же химический состав, что и многослойный лист из электротехнической стали №. 33 за исключением содержания Si.

Магнитные свойства

Далее измеряют магнитные свойства каждого из полученных многослойных листов из электротехнической стали. Измерение магнитных свойств проводят с использованием рамки Эпштейна 25 см в соответствии с JIS C 2550-1. В качестве магнитных свойств измеряют потери в железе при 1,0 Тл и 1 кГц в форме W_10/1k (Вт/кг), плотность магнитного потока при напряжённости магнитного поля 1000 А/м в виде B₁₀ и плотность магнитного потока при напряжённости магнитного поля 100 А/м в виде B₁. Результаты измерений приведены в таблице 2.

Как видно из результатов таблиц 1 и 2, многослойные листы из электротехнической стали наших примеров, удовлетворяющие условиям этого раскрытия, обладают подходящими свойствами, то есть низкими высокочастотными потерями в железе и высокой плотностью магнитного потока. Поэтому многослойные листы из электротехнической стали согласно этому раскрытию могут быть соответствующим образом использованы в качестве сердечников двигателей гибридных электромобилей, электромобилей, очистителей, высокоскоростных генераторов энергии, воздушных компрессоров, станков и тому подобного, которые приводятся в действие на высоких частотах, и также в качестве материалов сердечника трансформаторов, реакторов и тому подобного.

Список ссылочных позиций

1 многослойный лист из электротехнической стали

10 Внутренний слой

20 Поверхностный слой

Изобретение относится к области металлургии, а именно к многослойному листу из электротехнической стали, используемому в качестве материала для изготовления сердечников двигателей гибридных электромобилей. Лист содержит внутренний слой и поверхностные слои, расположенные с обеих сторон внутреннего слоя. Каждый из поверхностных слоёв имеет химический состав, содержащий, мас.%: Si: 2,5-6,0 и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01-0,1, Sn: 0,001-0,1 и Sb: 0,001-0,1, остальное - Fe и неизбежные примеси. Внутренний слой имеет химический состав, содержащий, мас.%: Si: 1,5-5,0 и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01-0,1, Sn: 0,001-0,1 и Sb: 0,001-0,1, остальное - Fe и неизбежные примеси. Лист имеет разность ΔSi между содержанием Si в каждом из поверхностных слоёв [Si]₁ и содержанием Si во внутреннем слое [Si]₀, в виде [Si]₁-[Si]₀, составляющую 0,5-4,0 мас.%, разность ΔAl между содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси в каждом из поверхностных слоёв [Al]₁, и содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси во внутреннем слое [Al]₀, в виде |[Al]₁-[Al]₀|, составляющую 0,05 мас.% или менее, отношение общей толщины поверхностных слоёв t₁ к толщине многослойного листа из электротехнической стали t, в виде t₁/t, составляющее 0,10-0,70, плотность магнитного потока B₁₀ при напряженности магнитного поля 1000 А/м, составляющую 1,3 Тл или более, отношение B₁/B₁₀ плотности магнитного потока B₁ при напряженности магнитного поля 100 А/м к B₁₀, составляющее 0,45 или более, а потери в железе W_10/1k в Вт/кг на частоте 1 кГц и наибольшей плотности магнитного потока 1,0 Тл и толщина листа t в мм удовлетворяют зависимости: W_10/1k ≤ 15 + 140 × t (1). Лист имеет низкие высокочастотные потери в железе и высокую плотность магнитного потока. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Многослойный лист электротехнической стали, содержащий внутренний слой и поверхностные слои, расположенные с обеих сторон внутреннего слоя, при этом каждый из поверхностных слоёв имеет химический состав, содержащий, мас.%:

Si: 2,5-6,0 и

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01-0,1, Sn: 0,001-0,1 и Sb: 0,001-0,1, остаток составляет Fe и неизбежные примеси,

причем внутренний слой имеет химический состав, содержащий, мас.%:

Si: 1,5-5,0 и

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из P: 0,01-0,1, Sn: 0,001-0,1 и Sb: 0,001-0,1, остаток составляет Fe и неизбежные примеси, и

многослойный лист из электротехнической стали имеет:

ΔSi, составляющая 0,5-4,0 мас.%, причем ΔSi определяется как разница между содержанием Si в каждом из поверхностных слоёв [Si]₁ и содержанием Si во внутреннем слое [Si]₀, в виде [Si]₁-[Si]₀;

ΔAl, составляющая 0,05 мас.% или менее, причем ΔAl определяется как абсолютное значение разности между содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси в каждом из поверхностных слоёв [Al]₁, и содержанием Al, присутствующего в качестве неизбежной примеси во внутреннем слое [Al]₀, в виде |[Al]₁-[Al]₀|;

отношение t₁ к t, в виде t₁/t, составляющее 0,10-0,70, где t₁ обозначает общую толщину поверхностных слоёв и t обозначает толщину многослойного листа из электротехнической стали;

B₁₀, составляющая 1,3 Тл или более, где B₁₀ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 1000 А/м;

отношение B₁ к B₁₀, в виде B₁/B₁₀, составляющее 0,45 или более, где B₁ обозначает плотность магнитного потока при напряженности магнитного поля 100 А/м; и

потери в железе на частоте 1 кГц и наибольшей плотности магнитного потока 1,0 Тл, в виде W_10/1k в Вт/кг, и толщина листа t в мм удовлетворяют следующей формуле (1):

W_10/1k ≤ 15 + 140 × t (1).

2. Лист по п. 1, в котором химический состав по меньшей мере одного из каждого из поверхностных слоёв или химический состав внутреннего слоя дополнительно содержит, мас.%: Мо: 0,001-0,1.