CN116426810B

CN116426810B - 一种新能源汽车驱动电机用高频低铁损无取向硅钢的制备方法

Info

Publication number: CN116426810B
Application number: CN202310130637.1A
Authority: CN
Inventors: 戴惠磊; 刘伟
Original assignee: Hunan Hongwang New Material Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Hongwang New Material Technology Co ltd
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2024-07-09
Anticipated expiration: 2043-02-17
Also published as: CN116426810A

Abstract

本发明公开一种新能源汽车驱动电机用高频低铁损无取向硅钢的制造方法，(1)按比例将合金和铁水在冶炼炉中冶炼，得到钢水；(2)钢水经转炉冶炼、连铸，将铸坯加热到1100‑1220℃；(3)经常规热轧至2.0mm厚度的热轧板后，进行常化退火，温度900‑1200℃，常化时间100s‑240s；(4)然后进行冷轧至成品厚度，得到0.25±0.005mm的无取向硅钢板；(5)最后进行再结晶退火；退火升温速度为70‑100℃/s；再结晶退火过程的均热段退火气氛采用分压比为P(H₂O)/P(H₂)＝0.0002‑0.0005的非氧化性气氛；(6)再结晶退火后再冷却降温,冷却速度在7‑10℃/s；(8)最后涂布绝缘涂层，在300‑550℃下烘干。本发明通过控制再结晶退火工序，制得的无取向硅钢能满足新能源汽车驱动电机用无取向硅钢材料高频低铁损的要求。

Description

一种新能源汽车驱动电机用高频低铁损无取向硅钢的制备方法

技术领域

本发明属于钢制品生产领域，特别涉及一种新能源汽车驱动电机用高频低铁损无取向硅钢的制备方法。

背景技术

新能源汽车是未来汽车发展的必然趋势。驱动电机是新能源汽车的心脏，其性能决定了汽车行驶的主要性能指标，在新能源汽车电力消耗中占比最大，决定了新能源汽车的高效节能。而无取向硅钢作为驱动电机的核心原材料，其性能在新能源汽车的未来产业发展中起着决定性作用。

由于新能源汽车驱动电机最大转速由每分钟几千转提高到几万转甚至高达20万转，工作频率由50Hz提高为数百数千赫兹，因而要求无取向硅钢材料在高频下必须具有低铁损。伴随电机做功时铁损减少，在使用同样电量的电池条件下，有利于提高车辆的续航里程。传统0.5mm厚度高牌号无取向硅钢在磁通密度为1.5T、频率为50Hz的条件下铁损还不到3.5W/kg，但当频率增加到400Hz时，铁损已经超过80W/kg。因此目前传统高牌号无取向硅钢达不到高频低铁损的要求，给新能源汽车驱动电机无取向硅钢材料的生产提出了挑战。

专利CN114196887A公开了一种新能源驱动电机用无取向硅钢及其生产方法，炼钢时不添加Cu、Cr、Ni、Nb、V、Ti，并满足Si+2Al:4.6％-4.9％，Al/N≥200，同时控制再结晶晶粒尺寸为50μm-80μm，常化温度为840℃-860℃并保温180s-200s。该方法主要通过成分设计提高无取向硅钢的性能，虽提升了无取向硅钢的强度，但400Hz时的铁损仍较高，超过了30W/kg，不满足新能源驱动电机用无取向硅钢高频低铁损的要求。

专利CN112322972A公开了一种常化处理提高高强度无取向高硅钢综合性能的方法，仅采用硅作为固溶强化元素，不添加其它合金元素，通过在800-1200℃下保温0.5-60min，空冷，使热轧板显微组织全部由粗大的等轴晶构成，常化热轧板晶粒大小为100-1500μm。该方法主要通过提高硅元素含量，采用硅元素作为固溶强化元素，并结合位错强化能有效地提高电工钢的强度，并且有效地提高钢的电阻率，降低铁损。然而由于该方法硅元素含量过高，获得的常化热轧板晶粒尺寸过大，后续冷轧过程易断带，不利于无取向硅钢的连续生产。

专利CN114606445A公开了一种无取向硅钢的生产方法，连铸坯的化学成分以质量百分比计包括：C≤0.003％，Si：3.5-4.5％，Al：0.8-1.2％，Mn：0.25-0.80％，Ni：0.5-0.98％，P≤0.02％，S≤0.0020％，N≤0.0020％，Nb≤0.0020％，V≤0.0020％，Ti≤0.0020％，其余为Fe以及不可避免的杂质；Ni与Si/Al含量的添加关系为Ni＝2*(Si-2.5)/5+(Al-0.3)/5；常化退火均热温度＝850+120*x，均热时间为120-150s；常化退火均热温度单位℃，x为Ni的添加量，单位％，常化后平均晶粒尺为90±20μm。均热段的均热温度为950-1050℃，均热时间为50-70s；最终退火过程升温段的升温速率30-40℃/s，升温段和均热段单位张力控制在3.5-4.5N/mm²，冷却段的冷却速率≤5℃/s；退火过程中采用纯N₂保护，露点控制在-20--30℃。该方法是针对高硅含量的无取向硅钢产品，通过添加微合金元素Ni，提高了高硅钢材料韧性，获得具有高强度的无取向硅钢产品，该方法一方面增加了炼钢成本，另一方面Si含量过高易造成冷轧过程断带，增加了无取向硅钢的生产难度，无法实现新能源驱动电机用无取向硅钢的批量生产。

专利CN110205462A公开了一种高速电机用无取向硅钢生产方法，将热轧板经常化、酸洗后冷轧至临界厚度，然后再结晶退火后采用X％的临界压下量冷轧至目标成品厚度，进行涂层获得铁损P_1.0/400≤30W/kg、屈服强度R_p0.2≥500MPa、硬度HV₅≤280的成品A；2)去除步骤1)成品A后的剩余热轧板进行消除应力退火得到铁损P_1.0/400≤20W/kg、磁感B₅₀₀₀≥1.64T的成品B。该发明虽然避免了合金元素添加带来的生产加工问题，但采用中间退火的二次冷轧工艺，增加了生产成本，并且产品在高频下的铁损仍较高，需要进一步通过去应力退火降低铁损。

CN112501407A公开了一种高效变频压缩机用无取向硅钢板及其生产方法，采用洁净钢的冶炼方法进行冶炼，并连铸成坯，铸坯成分2.8％≤(Si+Als+Mn)％≤4.0％，(V+Nb+Ti+N+S+C)％≤0.012％；将连铸坯加热保温后进行热轧，卷取；进行常化并保温，随后进行冷却，冷却速度V满足：V≤105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％；经酸洗后进行一次冷轧到0.25mm以及0.25mm以上的厚度；采用连续退火炉进行再结晶退火并保温，炉内钢带张力F满足：30×(Si+Als+Mn)％≤F≤15×d；涂层，即得所述的高效变频压缩机用无取向硅钢板。该发明没有考虑再结晶退火温度对磁性的影响，产品磁性易不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种新能源汽车驱动电机用无取向硅钢的制造方法，满足新能源汽车驱动电机用无取向硅钢材料高频低铁损的要求。

本发明的技术方案是：

一种新能源汽车驱动电机用高频低铁损无取向硅钢的制造方法：

(1)按比例将合金和铁水在冶炼炉中冶炼，得到钢水，钢水的组分及重量百分比含量为：C≤0.003％、Si：2.8％-3.2％、Al：1.0-1.5％、Mn：0.15-0.35％、P：0.01-0.015％、S≤0.0020％、N≤0.0015％、V+Ti+Nb≤0.0020％，其余为Fe以及不可避免的杂质；

(2)钢水经转炉冶炼、连铸，将铸坯加热到1100-1220℃；

(3)经常规热轧至2.0mm厚度的热轧板后，进行常化退火，温度900-1200℃，常化时间100s-240s；

(4)然后进行冷轧至成品厚度，得到0.25±0.005mm的无取向硅钢板；

(5)最后进行再结晶退火；再结晶退火处理过程包括退火过程的升温，均热过程，冷却过程；

再结晶退火过程的升温速度为70-100℃/s；

再结晶退火过程的均热段退火气氛采用分压比为P(H₂O)/P(H₂)＝0.0002-0.0005的非氧化性气氛；

再结晶退火后再冷却降温；

(6)最后涂布绝缘涂层，在300-550℃下烘干。

其中，所述步骤(5)的再结晶退火均热温度满足以下关系式：

230×([Si]+[Al]-[Mn])-20≤T≤240×([Si]+[Al]-[Mn])(1)

式中T为退火均热温度，单位℃；[Si]为Si的添加量，单位％；[Al]为Al的添加量，单位％；[Mn]为Mn的添加量，单位％。

其中，所述步骤(5)的再结晶退火过程的均热时间为5-20s。

其中，所述步骤(5)中均热段退火气氛的非氧化性气氛的分压比为P(H₂O)/P(H₂)＝0.0002-0.0005。

其中，所述步骤(5)的冷却降温，控制冷却速度在7-10℃/s。

本发明所适用钢水的组分及重量百分比含量为：C≤0.003％、Si：2.8％-3.2％、Al：1.0-1.5％、Mn：0.15-0.35％、P：0.01-0.03％、S≤0.0020％、N≤0.0015％、V+Ti+Nb≤0.0020％，其余为Fe以及不可避免的杂质。

C≤0.003％：碳低有利于AlN固溶度降低，钢中粗大AlN不易固溶，可防止析出细小AlN，并使最终退火温度提高促进晶粒长大，改善磁性，本发明C含量上限设定为0.003％，C含量过低会给炼钢增加难度。

Si：2.8％-3.2％，硅能有效提高钢板电阻率，降低成品铁损。但硅含量增加后，冷轧可轧制性降低，难以批量稳定生产。

Al：1.0-1.5％，铝对磁性能的作用与硅相似，提高钢板电阻率，使晶粒长大，降低成品铁损。铝可使{100}组分增高和{111}组分减少，有利于磁性提高。在热轧板冷却时会有微细的AlN析出而阻碍晶粒长大使铁损劣化，因此Al含量不能过高，本发明中Al含量限制在1.0-1.5％。

N≤0.0015％：N含量高，铁损升高。因此本发明中N含量上限设定为0.0015％。

P：0.01-0.03％：P元素会沿晶界偏聚，导致硅钢脆性增加，P含量应降低。但P是消除应力退火能确保晶粒成长的有效元素，本发明P含量为0.01-0.03％。

S≤0.0020％：S含量降低，硅钢铁损下降。因此，本发明中S含量上限设定为0.0020％。

Mn：0.25-0.35％：锰与钢中硫元素形成细小的MnS析出物，Mn可使MnS粗化，有利于晶粒长大。Si+Al含量增高，冲片时易产生粘接现象，冲片性变坏，Mn可减轻这种现象，提高冲片性和切削性。钢中S含量降低，Mn含量也应降低。本发明Mn含量设定为0.25-0.35％。

Nb+V+Ti≤0.0020％：加入这种少量的这种碳、氮化合物形成元素可降低铁损和无磁时效。但这些微合金元素会和钢中的C/N原子形成细小的析出物，这些析出物强烈阻碍退火过程中晶粒长大。因此，本发明中Nb+V+Ti微合金元素含量上限设定为0.0020％。

对于高牌号无取向硅钢，[Si]+[Al]含量较高，需要更高的再结晶驱动力，因此退火温度随[Si]+[Al]含量增加而增高，并且Si、Al均有利于促进再结晶晶粒长大，对磁性有利。但Mn会降低相变温度，因此退火温度随[Mn]含量增加而降低。再结晶退火温度不宜过低，过低将不利于成品硅钢板的板形，也不利于铁损降低。再结晶退火温度不宜过高，过高将降低钢板的强度。

当再结晶退火温度满足公式(1)时，最终退火后的成品晶粒尺寸在100-150μm最佳尺寸范围内，有利于获得具有高频低铁损的无取向硅钢片。

再结晶退火均热时间为5-20s。高温短时间退火有利于促进晶粒长大，此外为了确保钢板强度，退火均热时间应尽可能短。

均热段退火气氛采用分压比为P(H₂O)/P(H₂)＝0.0002-0.0005的非氧化性气氛，有利于防止形成内氧化层和内氮化层。如果退火气氛为氧化性气氛，钢板表面会激烈地生成氧化物，阻碍晶粒长大，使铁损升高。

退火后在冷却降温时，控制冷却速度在7-10℃/s，可避免产生较大的内应力，有助于降低铁损。冷却速度过快，易产生较大的内应力，使铁损升高。

与现有技术相比，本发明新能源汽车驱动电机用无取向硅钢的制造方法，通过控制再结晶退火工序，制得的无取向硅钢能满足新能源汽车驱动电机用无取向硅钢材料高频低铁损的要求。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1-8

(1)按比例将合金和铁水在冶炼炉中冶炼，得到钢水，钢水成分如表1所示；

(2)钢水经转炉冶炼、连铸，将铸坯加热到1100-1220℃；

(3)经常规热轧至2.0mm厚度的热轧板后，进行常化退火，温度900-1200℃，常化时间100-240s。

(5)然后按照表2中工艺进行再结晶退火；再结晶退火处理过程包括退火过程的升温，均热过程，冷却过程；

退火均热温度T与钢中Si、Al和Mn含量有如下经验关系式：

230×([Si]+[Al]-[Mn])-20≤T≤240×([Si]+[Al]-[Mn])(1)

再结晶退火过程的升温速度为70-100℃/s，再结晶退火均热时间为5-20s，均热时间如表2所示；

再结晶退火过程的均热段退火气氛采用分压比为P(H₂O)/P(H₂)＝0.0002-0.0005的非氧化性气氛，非氧化性气氛的具体分压比如表2所示；

再结晶退火后再冷却降温时，控制冷却速度在7-10℃/s，冷却速度如表2所示；

(6)最后涂布绝缘涂层，经300-550℃烘干，得到成品无取向硅钢材料。

对比例1-4

(2)钢水经转炉冶炼、连铸，将铸坯加热到1100-1220℃；

退火均热温度T如表2所示；

退火过程的升温速度为70-100℃/s，再结晶退火均热时间如表2所示；

再结晶退火过程的均热段退火气氛采用非氧化性气氛，非氧化性气氛的具体分压比如表2所示；

再结晶退火后再冷却降温时，冷却速度如表2所示；

表1钢水的成分(单位：质量百分比％)

元素	C	Si	Al	Mn	P	S	N	V+Ti+Nb
									实施例1	0.003	2.8	1.0	0.35	0.01	0.002	0.0015	0.002
实施例2	0.0028	3.2	1.5	0.15	0.03	0.0018	0.0014	0.001
									实施例3	0.0029	2.9	1	0.15	0.02	0.0019	0.0013	0.0019
实施例4	0.0027	3	1.2	0.2	0.01	0.002	0.0014	0.0018
									实施例5	0.003	3.1	1.3	0.25	0.02	0.0019	0.0015	0.001
实施例6	0.0029	2.8	1.5	0.3	0.01	0.002	0.0013	0.002
									实施例7	0.0028	3.2	1	0.35	0.03	0.0018	0.0014	0.0015
实施例8	0.003	3	1.4	0.22	0.015	0.0017	0.0014	0.0016
									对比例1	0.003	2.8	1.5	0.18	0.03	0.002	0.0015	0.001
对比例2	0.0029	3.2	1.4	0.3	0.01	0.002	0.0014	0.0015
									对比例3	0.0028	3	1	0.2	0.02	0.0018	0.0015	0.002
对比例4	0.0028	2.9	1.2	0.25	0.02	0.0018	0.0015	0.002

表2本发明各实施例及对比例主要工艺参数

对实施例1-8和对比例1-4制得的钢板进行磁性测量，测试标准为GB/T 3655-2008，结果见表3。

从表3可以看出再结晶退火工艺满足本发明技术方案的范围时，可获得磁性优良的高牌号无取向硅钢产品，B₅₀₀₀为1.712T，P_1.0/400为13.2w/kg。

表3钢制品的性能

从对比例和实施例的实验结果可以看出：

对比例1中，退火均热温度为910℃，不满足本发明提出的公式(1)，再结晶退火温度过低，造成硅钢板的板形差，钢板磁性差，B₅₀₀₀为1.571T，P_1.0/400为35.8w/kg。

对比例2中，均热段P(H₂O)/P(H₂)分压比为0.0006，分压比过高，钢板表面易生成氧化物，阻碍晶粒长大，钢板铁损升高，B₅₀₀₀为1.576T，P_1.0/400为35.7w/kg。

对比例3中，退火后冷却速度为11℃/s，冷却速度过快，钢板内产生较大的内应力，使钢板磁性变差，B₅₀₀₀为1.578T，P_1.0/400为35.9w/kg。

对比例4中，退火时升温速度为65℃/s，不满足本发明提出的退火升温速度，升温速度过慢，不利于再结晶晶粒长大,钢板磁性差，B₅₀₀₀为1.578T，P_1.0/400为35.9w/kg。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。将这些实施例的进行多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种新能源汽车驱动电机用高频低铁损无取向硅钢的制造方法，其特征在于：

（1）按比例将合金和铁水在冶炼炉中冶炼，得到钢水，钢水的组分及重量百分比含量为：C≤0.003％、Si：2.8％-3.2%、Al：1.0-1.5％、Mn：0.15-0.35％、P：0.01-0.015％、S≤0.0020％、N≤0.0015％、V+Ti+Nb≤0.0020％，其余为Fe以及不可避免的杂质；

（2）钢水经转炉冶炼、连铸，将铸坯加热到1100-1220℃；

（3）经常规热轧至2.0mm厚度的热轧板后，进行常化退火，温度900-1200℃，常化时间100s-240s；

（4）然后进行冷轧至成品厚度，得到0.25±0.005mm的无取向硅钢板；

（5）最后进行再结晶退火；再结晶退火处理过程包括退火过程的升温，均热过程，冷却过程；

再结晶退火过程的升温速度为70-100℃/s；

再结晶退火过程的均热段退火气氛采用分压比为P(H₂O)/P(H₂)=0.0002-0.0005的非氧化性气氛；

再结晶退火后再冷却降温；

（6）最后涂布绝缘涂层，在300-550℃下烘干；

所述步骤（5）的再结晶退火均热温度满足以下关系式：

230×([Si]+[Al]-[Mn])-20≤T≤240×([Si]+[Al]-[Mn])（1）

式中T为再结晶退火均热温度，单位℃；[Si]为Si的添加量，单位%；[Al]为Al的添加量，单位%；[Mn]为Mn的添加量，单位%；

所述步骤（5）的再结晶退火过程的均热时间为5-20s；

所述步骤（5）的冷却降温，控制冷却速度在7-10℃/s。