一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法

摘要

一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢及其制造方法，该钢的化学成分质量百分比为：C：0.05～0.09％，Mn：0.75～1.15％，P≤0.025％，S≤0.01％，Al：0.015～0.05％，N≤0.01％，Nb：0.005～0.02％，Ti：0.05～0.09％，其余为Fe和不可避免的杂质，且须满足：Ti≥0.03％+3.43*N。本发明钢的化学成分简单，且添加廉价的Ti，大大降低了成本，并采用连续退火方式，显著提高了产品性能的均匀性，制造出的磁极钢的下屈服强度ReL≥450MPa，磁感应强度B50≥1.6T，钢板强度和磁感应强度配合良好，产品具有更加优良的综合性能。

说明书

技术领域

本发明涉及冷轧磁极钢，具体涉及一种屈服强度450MPa级高磁感低 成本冷轧磁极钢及其制造方法。

背景技术

磁极是水轮发电机转子的关键部件，为保证机组高速运行的平衡和稳定， 要求磁极尺寸精度高和具有足够的强度，为了使机组减少涡流损失，磁极钢 板又必须具有优良的磁感。随着水电机组的发展，对磁极材料的强度、塑性、 精度、耐磨性以及工艺性能等方面提出更为严格的技术要求。目前，世界上 只有少数发达国家如日本、德国、美国等能够生产优质磁极板，中国在“八五” 之前，磁极板100％依赖进口。

中国专利CN200610019773.X公开了一种450MPa级冷轧磁极钢的生产 方法，该方法采用罩式炉退火，生产时间长、成本较高；添加较多昂贵的Nb 合金元素；材料磁性能有待进一步提高。中国专利CN200910049782.7公开了 一种屈服强度为500MPa级冷轧磁极钢的连续退火方法，为满足高屈服强度 要求其采用高C、Mn、Nb、Ti和V合金，制造成本高，且Si的添加不利于 热轧带钢的表面质量控制，易产生“红铁皮”缺陷，同时屈服强度500MPa 级冷轧磁极钢的磁性能远低于450MPa级磁极钢的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种屈服强度450MPa级高磁感低成 本冷轧磁极钢及其制造方法，该冷轧磁极钢的下屈服强度R_eL≥450MPa，磁感 应强度B₅₀≥1.6T，钢板强度和磁感应强度配合良好。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢，其化学成分质量百 分比为：C：0.05～0.09％，Mn：0.75～1.15％，P≤0.025％，S≤0.01％，Al： 0.015～0.05％，N≤0.01％，Nb：0.005～0.02％，Ti：0.05～0.09％，其余为Fe和 不可避免的杂质，且上述成分含量必须同时满足如下关系：Ti≥ 0.03％+3.43*N。

进一步，本发明所述冷轧磁极钢的化学成分还含有：0＜Si≤0.15％，以质 量百分比计。

本发明所述冷轧磁极钢的微观组织为：铁素体+以碳化铌、碳化钛为主的 析出物。

再，所述冷轧磁极钢的下屈服强度R_eL≥450MPa，磁感应强度B₅₀≥1.6T。

在本发明钢板的成分设计中：

C：本发明控制C含量主要是为了保证冷轧磁极钢的强度，但对磁极钢 板而言，钢中的C无论以固溶体形式还是渗碳体形式存在都会使铁损和磁时 效增加，损害钢板的磁性能。另一方面，高的C含量会使热轧钢卷的强度相 应提高，冷轧轧机负荷增加。因此，本发明控制C含量为0.05～0.09％。

Si：随着Si含量增高，钢板的强度升高，电阻率ρ增加，钢带的铁损降 低，但同时磁感也降低。由于Si含量的增高，同时也会带来加工脆性增强， 造成冷轧困难，热轧表面易形成红色氧化铁皮，酸洗难以去除。因此，本发 明控制Si含量在0.15％以下。

Mn：板坯中加入Mn，形成置换固溶体，促进钢材下屈服强度和抗拉强 度呈线性增加，然而对于磁性而言，Mn含量在0.15-3.00％时，磁感应强度随 钢中的锰含量增加而降低，因此要控制Mn含量不能太高，以免磁感应强度 下降的过低；同时过高的Mn也会造成热轧钢卷的强度提高，增加冷轧轧机 的负荷。因此，本发明控制Mn含量为0.75～1.15％。

Nb：钢中加入微合金元素Nb，使钢中形成的尺寸较细小的碳化物延迟再 结晶，达到细晶强化和析出强化目的，同时对钢磁性的影响要比固溶碳和渗 碳体的影响要小，这样就使钢板的强度指标得到提高，同时也保证了钢板的 磁感应强度。Nb合金成本较高，本发明在保证钢的强度和磁性能的同时，添 加尽量少的Nb合金，因此本发明控制Nb含量为0.005～0.02％。

Ti：在钢中入Ti的效果与Nb近似，TiC在钢中的析出同样能起到细化 晶粒和阻碍位错滑移的作用。但Ti元素会优先与钢中N元素结合生成TiN， 因此钢中N元素含量过高，会削弱Ti的强化效果。因此，本发明控制Ti含 量为0.05～0.09％。

N：N在钢种为间隙固溶杂质元素，由于N与Ti结合能力强于C与Ti 的结合能力。因此N含量过高会影响Ti元素的强化效果。因此，本发明控制 N含量为N≤0.01％。

Al：在本发明中Al元素的添加主要作为钢的脱氧剂使用，O元素在钢中 会严重影响材料的塑形，使材料延伸率下降。添加Al后可与O形成Al₂O₃随保护渣排除钢水。因此，本发明控制Al含量为0.015～0.05％。

S：S对磁极钢的电磁性能影响很大，S与Mn结合形成MnS等有害杂质， 减弱了钢中Mn元素的强化作用，而且当形成细小的MnS时，可以强烈阻碍 成品退火时的晶粒长大，磁感大幅度下降、铁损大幅度提高。原则上钢中S 含量越低越好，但从炼钢成本和可操作性的角度，钢中的S含量控制在0.01％ 以下，即可满足本发明产品的需求。

P：P对无取向电工钢钢带的脆化作用较大，P沿晶界偏聚加大，导致最 终退火时的晶粒长大受阻，而且在阻碍{110}织构发展的基础上促进了{222} 织构发展，导致磁感降低。因此，在磁极钢板的实际生产中，应控制P元素 ≤0.025％为好。

本发明为保证成品强度及磁性能，化学成分中Ti含量与N含量应满足如 下关系：Ti≥0.03％+3.43*N，公式中Ti、N代表相应元素的质量百分比。Ti 在钢中的固溶度非常低，Ti会优先与N元素结合，但TiC对晶格的畸变作用 要高于TiN，因此较低的Ti含量将不能得到足够体积分数的TiC来有效阻止 晶粒粗化，材料的成品强度和磁性能就难以保证。因此，必须保证成分中Ti 在与N全部结合生成TiN后，仍有过剩Ti与C反应生成足量的TiC。TiN中 Ti/N的理想化学配比是3.43，因此本发明中Ti与N含量要求满足上公式时， 钢种的Ti将以TiC质点形式存在而显著阻止再结晶，起到析出强化的作用。

本发明所述屈服强度450MPa级高磁感低成本冷轧磁极钢的制造方法， 其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按下述化学成分经冶炼、铸造后得板坯；所述化学成分的质量百分比 为：C：0.05～0.09％，Mn：0.75～1.15％，P≤0.025％，S≤0.01％，Al：0.015～0.05％， N≤0.01％，Nb：0.005～0.02％，Ti：0.05～0.09％，其余为Fe和不可避免的 杂质，且上述成分含量必须同时满足如下关系：Ti≥0.03％+3.43*N；

2)加热：将板坯加热至1230～1280℃；

3)热轧：终轧温度为830～900℃，卷取温度为530～590℃；

4)酸洗：将热轧钢卷冷却至60～80℃进行酸洗；

5)冷轧：冷轧压下率为41～75％；

6)连续退火：均热段温度为790～830℃，均热段时间为120～200s；

7)平整：采用0.3～0.9％平整延伸率进行平整，制成450MPa级冷轧磁极钢。

进一步，步骤1)中所述化学成分还含有：0＜Si≤0.15％，以质量百分比 计。

本发明所述冷轧磁极钢的下屈服强度R_eL≥450MPa，磁感应强度 B₅₀≥1.6T。

本发明所述冷轧磁极钢的微观组织为：铁素体+以碳化铌、碳化Ti为主 的析出物。

本发明是Nb、Ti复合强化的合金钢，Nb、Ti的析出物在连铸过程中已 部分析出并长大，无法取得最佳的细晶强化和析出强化效果，因此，本发明 采用1230～1280℃的板坯加热制度，使得已析出的Nb、Ti化物重新溶解，并 通过后续工艺的控制，在成品钢中细小、弥散的析出。

同时对于本发明Nb、Ti复合强化的合金钢，终轧温度和卷取温度越高， 热轧板晶粒相对较大，在后期退火中的得到长大，成品得到相对较大的晶粒， 电磁性能相对较好，强度则有所降低。而如果终轧温度和卷取温度过低，在 精轧及卷取过程中会产生大量弥散的析出物，强度会有显著提高，但细小弥 散的析出物会阻碍晶粒的长大，电磁性能会显著下降。本发明控制热轧的终 轧温度为830～900℃，卷取温度为530～590℃，目的为在单相区进行终轧通过 动态再结晶细化晶粒，同时低温卷取控制析出物在热卷中的析出，以便后续 退火过程中析出物在成品弥散析出。

由于在热轧过程中使微合金化元素Nb、Ti化合物重新溶解，其热轧钢带 的强度较适宜冷轧轧制，从而有效减缓对轧机的负荷，因此可适当提高冷轧 压下率，充分积聚变形畸变能，使再结晶后的钢板强度指标达到要求。因此， 本发明控制冷轧磁极钢冷轧压下率为41～75％，从而保证一定的表面质量和力 学性能，板形控制良好。

本发明采用连续退火方式，生产稳定，过程易于控制，使得产品的均匀 性得到很大提升，头尾性能差异减小，而且连续退火生产周期短，成本低， 对批量生产高等级磁极钢十分有利。退火炉均热段温度控制在790～830℃， 均热段保温时间需≥120s，目的是得到细小均匀的完全再结晶组织。如果均 热段温度过高，晶粒尺寸过大，钢板强度降低；而均热段温度过低或均热段 保温时间不足，成分无法完全再结晶，强度偏高塑性下限，影响钢板冲压成 形，在本发明工艺下退火，可以达到控制再结晶晶粒尺寸并给予析出物充分 析出的时间。

本发明平整工艺中平整延伸率的确定与钢的化学成分、冶炼方式、成品 规格和表面粗糙度有关，合适的平整延伸率可以起到稳定产品性能，并可控 制良好板形。本发明采用0.3～0.9％平整延伸率进行平整，可以保证板形质量， 且对提高磁极钢的磁性性能有利，同时对提高钢板的强度有一定作用。

本发明中板坯简洁的C、Si、Mn成分便于生产冶炼，热轧工艺生产操作 简单易于控制，减小了冷轧轧机的负荷，连续退火工艺成熟，易于大批量生 产。另外，由于本发明钢化学成分要求简单，生产工艺简单，因此生产成本 低廉，具有显著的经济效益和强劲的市场竞争力。

本发明生产的产品集高磁感、低成本于一体，适用于制造大型水轮发电 机转子体磁极铁芯，既可以满足水轮发电机转子体磁极在强度上的要求，也 满足了减少机组涡流损失的要求。同时，本发明方法采用连续退火方式，大 大提高了产品的均匀性，降低生产成本，给生产厂家和用户带来了更大的经 济效益和社会效益。

本发明的有益效果：

1)本发明对钢的化学成分进行了优化，添加适量微合金元素，保证了钢 板的强度和磁感应强度的要求，从而解决了高强度与高磁感应强度之间的矛 盾，钢板强度和磁感应强度配合良好，产品具有更加优良的综合性能。

2)本发明所述制造方法生产周期短，机组产能高。尤其是，与罩式退火 相比(罩式炉退火周期在50～80小时)，本发明采用连续退火具有生产效率 高、生产周期短(退火周期不超过1.1小时)、能耗低及劳动定员少、产品 性能均匀等优点。

3)本发明制造出的磁极钢产品性能均匀，头尾性能差异小，磁感应强度 B₅₀≥1.60T，且由于采用连续退火，磁性能均匀(头尾性能差异小于0.02T)； 产品具有良好的机械性能，其下屈服强度R_el≥450MPa，抗拉强度 Rm≥550MPa，断裂伸长率A₅₀≥18％，钢板的磁感应强度和强度配合良好。

4)本发明制造出的磁极钢产品板形良好，横向厚差小，同板差≤0.02mm， 尺寸精度高；产品表面质量好，综合成材率高。

附图说明

图1为本发明实施例钢的典型微观组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

表1为本发明实施例钢的成分，表2为本发明实施例钢的制造工艺， 表3为本发明实施例钢的力学性能和磁性能。

本发明实施例的制造方法，具体步骤如下：

1)板坯加热，加热温度为1230～1280℃。

2)热轧：终轧温度为830～900℃；变形采用7道次轧制，钢坯由30mm 最终轧成2～4mm规格的薄钢板，轧制后采用喷射式水冷方式冷却至 530～590℃进行卷取。

3)采用空冷方式冷却，将热轧钢卷冷却到60～80℃进行酸洗。

4)冷轧：冷轧压下率为41～75％，冷轧成1～2mm规格的薄钢板。

5)在连续退火炉中以790～830℃的均热段温度进行连续退火，均热段 时间为120～200s。

6)采用0.3～0.9％平整延伸率进行平整，制成450MPa级的冷轧磁极钢。

图1为本发明钢的典型微观组织照片，由图1可知，本发明制造的冷轧 磁极钢的微观组织为：铁素体+析出物，析出物以碳化铌+碳化钛为主。

本发明实施例钢的力学性能和磁性能如表3所示。由表3可知，采用本 发明方法生产的冷轧磁极钢产品的下屈服强度R_el≥450MPa，抗拉强度 R_m≥550MPa，磁感应强度B₅₀≥1.60T，断裂伸长率A₅₀≥18％。

表1单位：质量百分比

C Si Mn P S Al Nb Ti N 实施例1 0.0658 0.061 1.048 0.0121 0.0025 0.0319 0.0126 0.07 0.004 实施例2 0.0639 0.085 1.039 0.0142 0.0019 0.0395 0.0147 0.0727 0.0028 实施例3 0.0616 0.116 1.041 0.0079 0.0021 0.0492 0.0175 0.0785 0.005 实施例4 0.0664 0.096 1.039 0.0097 0.0015 0.0494 0.0124 0.085 0.0027 实施例5 0.0551 0.053 1.021 0.0144 0.0022 0.0444 0.0133 0.0722 0.0023 实施例6 0.0642 0.109 1.022 0.0105 0.003 0.0344 0.015 0.0659 0.0036 实施例7 0.0686 0.104 0.984 0.0132 0.0008 0.0446 0.0131 0.0846 0.0042 实施例8 0.0656 0.07 0.994 0.0086 0.0029 0.0422 0.0133 0.0762 0.0031 实施例9 0.0636 0.082 1.035 0.0094 0.0011 0.05 0.0135 0.0827 0.0035

表2

表3