ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЛИСТ НЕТЕКСТУРИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высокопрочному листу нетекстурированной электротехнической стали для применения в качестве материала железных сердечников в моторах электрических транспортных средств и гибридных транспортных средств, а также моторов электрического оборудования.

Уровень техники

В последние годы повсюду возросла ощутимая потребность в энергетически эффективном электрооборудовании. В результате этого повысились требования к техническим характеристикам в отношении листа нетекстурированной электротехнической стали, используемой в качестве материала железных сердечников в ротационных машинах.

Особенно обращает на себя внимание недавний рост потребности в компактных высокопроизводительных моторах в таких областях, как электрические или гибридные транспортные средства. В ответ на эту потребность создаются конструкции моторов, двигательный момент в которых повышается путем увеличения числа оборотов мотора.

Типичными примерами традиционных высокооборотных моторов являются моторы, используемые в металлорежущих станках и в пылесосах. Упомянутые выше моторы транспортных средств являются более громоздкими по сравнению с этими традиционными моторами и имеют так называемую постояннотоковую бесщеточную структуру, которая включает магниты, заглубленные по периметру ротора. Ширина стального листа мостиков (между крайней периферией ротора и магнитами) по периметру ротора является, таким образом, очень малой - в некоторых местах доходит до 1-2 мм. В связи с этим возникла потребность в листе нетекстурированной электротехнической стали, который бы обладал высокой прочностью.

Прочность стали обычно повышают путем добавления легирующих элементов. В листе нетекстурованной электротехнической стали добавляемые для снижения потерь в сердечнике Si, Al и другие элементы проявляют также дополнительный эффект усиления прочности. Известно также, что высокой прочности можно достичь, уменьшая диаметр зерен стали.

Такого рода приемы использованы, например, в японской патентной публикации (А) S62-256917, в которой сообщается о способе получения стали высокой прочности путем введения наряду с Si также Mn и Ni для упрочнения твердого раствора. В этом способе осуществляется деформирование решетки железа поступающими в твердый раствор матрицы замещающими элементами, имеющими атомные размеры, отличные от размеров атомов железа, в результате чего деформационная стойкость стали повышается. Хотя этот способ и повышает прочность, он одновременно снижает ударную вязкость, в результате чего ухудшаются штампуемость, выход годных изделий и производительность.

В японской патентной публикации (А) Н06-330255 и японской патентной публикации (А) Н10-18005 предлагаются способы достижения высокой твердости стали путем диспергирования карбонитридов Nb, Zr, Ti и V в стали с целью ингибирования роста зерен. Однако диспергированные этими способами карбонитриды могут сами действовать как начальные точки трещин и разрывов. Таким образом, хотя они и могут уменьшать диаметр зерен, карбонитриды скорее понижают, чем повышают ударную вязкость, и создают в результате этого проблемы в отношении растрескивания отштампованного сердечника мотора, растрескивания и поломки в процессе производства стального листа и заметного ухудшения выхода годных изделий и производительности.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение предлагает в качестве материала железного сердечника для высокоскоростных моторов лист нетекстурированной электротехнической стали с превосходной прочностью без ущерба при этом для выхода годных изделий или производительности при штамповке сердечника мотора или в производстве стального листа.

Суть настоящего изобретения, осуществляющего такую способность, заключена в листе нетекстурированной электротехнической стали, который описан ниже.

(1) Лист нетекстурированной электротехнической стали, содержащий (в мас.%): С: от 0,1 до 0,05%, Si: от 2,0 до 4,0%, Mn: от 0,05 до 0,5%, Al: 3,0% или менее, Nb: от 0,01 до 0,05%, остальное - Fe и неизбежные примеси, причем выраженные в мас.% содержания Mn и С удовлетворяют условию Mn≤0,6-10×С, доля площади рекристаллизованной части стального листа равна 50% или более, предел текучести в испытании на растяжение равен 650 МПа или больше, удлинение при разрушении составляет 10% или больше и потери в сердечнике W10/400 составляют 70 вт/кг или менее.

(2) Лист нетекстурированной электротехнической стали согласно (1), дополнительно содержащий (в мас.%) Ni более 0,5% и менее 3,0%.

(3) Лист нетекстурированной электротехнической стали согласно (2), где средний диаметр зерен, видимых в поперечном сечении стального листа, равен 40 µм или меньше.

(4) Лист нетекстурированной электротехнической стали согласно (2), который получают из горячекатаного листа, температура перехода которого в испытании на удар равна 70°С или ниже, путем проведения последующих операций отжига, травления, холодной прокатки и окончательного отжига горячекатаного листа.

(5) Лист нетекстурированной электротехнической стали согласно (2), который получают из горячекатаного листа, температура перехода которого в испытании на удар равна 70°С или ниже, путем проведения последующих операций, травления, холодной прокатки и окончательного отжига горячекатаного листа, причем отжиг из последующих операций исключен.

Определенное выше настоящее изобретение может обеспечить по низкой цене лист нетекстурированной электротехнической стали с превосходной прочностью без ущерба при этом для выхода годных изделий или производительности при производстве сердечников моторов или стальных листов.

Детальное описание изобретения

Авторы изобретения провели исследование, касающееся способов применения добавления упрочняющих сталь элементов, не только с той целью, чтобы повысить магнитные свойства и прочность, но также и для того, чтобы улучшить выход годных изделий и производительность при производстве сердечников моторов и стальных листов.

Улучшение производительности, как это подразумевается в заявке, означает предотвращение растрескивания и разрывов, происходящих в процессе штамповки сердечников моторов и производства стальных листов. Высокопрочные стальные листы отличаются, прежде всего, тем, что они являются хрупкими, по причине чего в процессе штамповки сердечников моторов по краям стальных листов образуются трещины, а при операциях производства стальных листов, таких как травление и холодная прокатка, появляется растрескивание или поломки, в результате чего существенно ухудшаются выход годных изделий и производительность.

В связи с этим авторы изобретения провели углубленное исследование, касающееся ударной вязкости листа после проведения окончательной горячей прокатки (ниже иногда называемого «готовым листом») и горячекатаного листа. Ими было установлено, что выход годных изделий и производительность в процессе производства стального листа и в процессе штамповки сердечников моторов существенным образом улучшаются путем установления пределов (в числе прочего) содержания Mn и С, удлинения при разрыве готового листа и ударных характеристик горячекатаного листа. Настоящее изобретение выполнено на основе полученных авторами данных.

Выполненное таким образом изобретение обстоятельно описано ниже.

Прежде всего, будет дано обоснование установления пределов состава листа нетекстурированной электротехнической стали настоящего изобретения. Если не оговорено иначе, используемый в отношении содержания элементов символ % означает мас.%.

С необходим для образования карбидов. Мелкие карбиды увеличивают число центров кристаллизации в процессе рекристаллизации и способствуют также измельчению зерен в результате ингибирования роста зерен рекристаллизации, способствуя, тем самым, достижению высокой прочности стали. Для полной реализации этих эффектов необходимо содержание С 0,01% или больше. Если содержание С превышает 0,05%, эффекты добавления С насыщаются и характеристики потерь в сердечнике ухудшаются. По этой причине верхний предел содержания С устанавливается равным 0,05%.

Si повышает удельное сопротивление стали и эффективен также в отношении упрочнения твердого раствора. Устанавливается верхний предел добавления, равный 4,0%, поскольку избыточное добавление существенным образом ухудшает способность к холодной прокатке. Нижний предел устанавливается равным 2,0% из соображений упрочнения твердого раствора и низких потерь в сердечнике.

Al, подобно Si, повышает удельное сопротивление, но при добавлении более 3,0% ухудшает литейные характеристики. Таким образом, принимая в расчет производительность, верхний предел содержания Al устанавливают равным 3,0%. Хотя нижний предел особым образом не определен, в случае раскисления алюминием, с точки зрения стабильного раскисления (предотвращения в процессе разливки забивки выпускного отверстия), предпочтительно содержание 0,02% или более. В случае раскисления кремнием предпочтительно содержание Al менее 0,01%.

Nb необходим для образования карбидов и уменьшения диаметра зерен. При содержании Nb менее 0,01% достаточного осаждения карбидов не наблюдается. Поэтому нижний предел содержания Nb установлен равным 0,01%. Если же Nb добавляют в количестве более 0,05%, эффект насыщается. По этой причине верхний предел содержания Nb установлен равным 0,05%.

Ni эффективно способствует сильному упрочнению стального листа, не придавая ему большой хрупкости. Однако поскольку он является дорогостоящим элементом, добавляемое количество его подбирают на основе требуемой прочности. В случае его введения, чтобы он мог полностью проявить свой эффект, его преимущественно добавляют до содержания 0,5% или больше. Верхний предел содержания Ni устанавливают равным 3,0% из соображений стоимости.

Mn, подобно Si, повышает удельное сопротивление и является эффективным элементом в отношении упрочнения твердого раствора. Однако, как будет объяснено ниже, в случае стального листа изобретения, в котором используются карбиды, количество добавления Mn существенным образом влияет на ударную вязкость стального листа. По этой причине содержание Mn должно быть ограничено.

Недавно авторами изобретения было обнаружено, что для улучшения выхода годной продукции и производительности при штамповке сердечников моторов и в производстве стального листа зависимость между Mn и С является важной и что в зависимости от содержания С содержание Mn должно быть равным или меньшим (0,6-10×С).

Хотя причина этого полностью и неясна, изобретатели пришли к следующему заключению.

Когда содержание Mn высоко, MnS является крупным, поскольку он осаждается при высокой температуре. Когда же содержание Mn низко, MnS является мелким, поскольку он осаждается при низкой температуре. Так как NbC часто образует композиционный осадок с MnS, последний сильно влияет на характер осаждения NbC. Когда содержание Mn высоко, NbC является крупным и грубо диспергированным, но когда содержание Mn низко, NbC является мелким и плотно диспергированным. По мере уменьшения диаметра зерен стального листа улучшается его ударная вязкость. Однако грубо диспергированные карбиды вероятно обладают слабой способностью ингибировать рост зерен, в результате чего рост зерен протекает легко, понижая ударную вязкость стального листа. Вероятно также и то, что при ударе присутствие крупных осадков понижает ударную вязкость по причине концентрирования напряжения вокруг осадков. Кроме того, содержание С оказывает влияние на размер и распределение карбида. Когда содержание С высоко, карбиды являются крупными, потому что они осаждаются при высокой температуре, и когда содержание С низкое, карбиды являются мелкими и плотно распределенными, потому что они осаждаются при низкой температуре.

На основе полученных выше данных авторы изобретения выяснили, что ударная вязкость стального листа может быть выражена в виде взаимозависимости между содержанием Mn, который влияет на природу осаждения MnS, и содержанием С, который влияет на природу осаждения своих собственных карбидов, и что эта взаимозависимость может быть записана в виде Mn≤0,6-10×С (в мас.%).

Таким образом, на основе указанного выше нижнего предела содержания С и выражения, определяющего взаимозависимость между содержаниями Mn и С, верхний предел содержания Mn определен как 0,5%. Однако с точки зрения ударной вязкости стального листа более предпочтительно содержание Mn 0,2% или менее. С учетом стоимости удаления Mn (деманганации) нижний предел содержания Mn определен как 0,05%.

Ниже дается обоснование для численных пределов, определенных для листа нетекстурированной электротехнической стали.

Доля площади рекристаллизованной части готового листа определена равной 50% или более с точки зрения получения устойчивой прочности. Хотя высокая прочность может быть достигнута путем выбора низкой температуры окончательной горячей прокатки или короткого времени окончательного отжига с целью уменьшения доли площади рекристаллизованной части до менее 50% и, таким образом, сохранения восстановительной структуры из структуры после холодной прокатки, такой путь не подходит для обеспечения заданной прочности, поскольку даже небольшие отклонения температуры или времени окончательного отжига приводят к большим изменениям прочности.

Предел текучести готового листа в испытании на растяжение установлен равным 650 МПа или выше с учетом предела прочности на разрыв высокооборотного мотора. Более предпочтительно, чтобы предел текучести составлял 700 МПа или выше. Установленное в заявке напряжение пластического течения представляет собой высшее значение предела текучести. Образец для испытания на растяжения берется в направлении прокатки, имея форму, рекомендуемую японским промышленным стандартом (JIS).

Удлинение при разрушении устанавливается равным 10% или более, поскольку, если оно меньше 10%, при штамповке вблизи краев стального листа образуются трещины и продолжается разрушение, обусловленное концентрированием напряжения. Чтобы иметь удлинение при разрушении 10% или более, степень рекристаллизации готового листа должна составлять 50% или выше. Это обусловлено тем, что при степени рекристаллизации ниже 50%, напряженное состояние, сохранившееся в нерекристаллизованной части, сильно уменьшает удлинение при разрушении.

Потери в сердечнике W10/400 (потери в сердечнике при возбуждении до 1,0 Тл при 400 Гц) устанавливают равными 70 вт/кг или меньше, поскольку, если потери в сердечнике W10/400 больше 70 вт/кг, генерируемое ротором тепло велико, в результате чего КПД мотора падает из-за размагничивания заглубленных в ротор магнитов. Более предпочтительно, чтобы потери в сердечнике W10/400 составляли 50 вт/кг или меньше.

Высокий предел текучести и удлинение при разрушении могут быть достигнуты путем уменьшения среднего диаметра зерен, видимых в поперечном сечении стального листа, до 40 µм или менее. Таким образом, средний диаметр зерен определен как 40 µм или менее.

Для дополнительного улучшения производительности предпочтительно использовать в настоящем изобретении в процессе производства листа электротехнической стали горячекатаный лист с температурой перехода при испытании на удар, равной 70°С или ниже.

Полагая, что появление растрескивания и/или разрушения листа электротехнической стали после горячей прокатки в процессе производства или в процессе штамповки сердечников означает, что температура перехода горячекатаного листа была высокой и то, что сам процесс производства после горячей прокатки был в зоне хрупкости, авторы изобретения отрегулировали производственные условия так, чтобы снизить температуру перехода горячекатаного листа с тем, чтобы вести производство после горячей прокатки в зоне пластичности, и обнаружили, что при этом растрескивание и разрушение больше не возникали.

А поскольку в производственных операциях травления, холодной прокатки и заключительного отжига температура стального листа может быть установлена равной 70°С, никаких проблем с растрескиванием или разрушением не возникнет, если температура перехода горячекатаного листа будет ниже указанной температуры. Верхний предел температуры перехода горячекатаного листа определен, таким образом, равным 70°С. Само собой разумеется, что для устойчивости продвижения полосы предпочтительна еще более низкая температура перехода.

Задаваемая в заявке температура перехода является, как это предписывается JIS, температурой, интерполируемой как температура при 50% вязкого разрушения на кривой перехода, представляющей зависимость степени вязкого разрушения от задаваемой температуры. В альтернативном случае эта температура может быть интерполирована как температура при среднем значении поглощенных энергий при степенях вязкого разрушения 0 и 100%.

Хотя испытуемый образец имел в основном размер, предписываемый JIS, его ширину выбирали равной толщине горячекатаного листа. Таким образом, он имел длину в направлении прокатки 55 мм, высоту 10 мм и ширину приблизительно от 1,5 до 3,0 мм в зависимости от толщины горячекатаного листа. При этом во время испытания предпочтительно укладывать один поверх другого ряд испытуемых образцов до 10 мм толщины полноразмерного испытуемого образца.

Лист нетекстурированной электротехнической стали настоящего изобретения может быть изготовлен с помощью традиционных способов сталеварения, горячей прокатки (или горячей прокатки и отжига горячекатаного листа), травления, холодной прокатки и окончательного отжига, причем в процессе производства не требуется никаких специальных условий. Например, достаточно применять такие стандартные условия, как температуру нагрева сляба при горячей прокатке от 1000 до 1200°С, окончательную температуру от 800 до 1000°С и температуру охлаждения 700°С или ниже. В конкретном случае, в котором температура перехода горячекатаной стали в испытании на удар составляет 70°С или ниже, важным является ингибировать рекристаллизацию и осаждение С в горячекатаном листе, по причине чего температуру сматывания следует выбирать равной 600°С или ниже, предпочтительно 550°С или ниже.

Хотя для предотвращения растрескивания и разрушения полосы при проведении операций травления и холодной прокатки благоприятна меньшая толщина горячекатаного листа, толщину следует должным образом подбирать с учетом ударной вязкости, производительности и т.д. горячекатаного листа. Кроме того, вопрос о том, следует или не следует проводить отжиг горячекатаного листа, может быть решен с учетом ударной вязкости горячекатаного листа, роста зерен при окончательном отжиге, физических свойств и электрических свойств.

Поскольку диаметр зерен влияет на физические свойства и потери в сердечнике готового листа, условия окончательного отжига следует отрегулировать должным образом в соответствии с требуемыми свойствами. В частности, для получения среднего размера зерен 40 µм или меньше и доли площади рекристаллизованной части 50% или более, предпочтительно проводить окончательный отжиг в условиях температуры отжига от 790 до 900°С при времени отжига от 10 до 60 сек.

Как уже говорилось выше, в настоящем изобретении лист электротехнической стали имеет химический состав (в мас.%): С: от 0,1 до 0,05%, Si: от 2,0 до 4,0%, Mn: от 0,05 до 0,5%, Al: 3,0% или менее, Nb: от 0,01 до 0,05% и необязательно Ni предпочтительно в количестве от 0,5 до 3,0%, остальное - Fe и неизбежные примеси, причем выраженные в мас.% содержания Mn и С удовлетворяют условию Mn≤0,6-10×С, доля площади рекристаллизованной части стального листа после окончательного отжига составляет 50% или более, предел текучести в испытании на растяжение составляет 650 МПа или более, удлинение при разрушении составляет 10% или более, потери в сердечнике W10/400 составляют 70 вт/кг или менее и средний диаметр зерен, видимых в поперечном сечении стального листа, преимущественно равен 40 µм или меньше, а производство листа электротехнической стали проводят с использованием горячекатаного листа, температура перехода которого в испытании на удар равна 70°С или ниже, в результате чего получают по низкой цене лист нетекстурированной электротехнической стали с превосходной прочностью, без ущерба при этом для выхода годных изделий или производительности при производстве сердечников моторов или стальных листов.

Возможности и эффекты осуществления настоящего изобретения описаны ниже на основе примеров.

Следует отметить, что используемые в примерах условия приведены лишь в целях иллюстрации и ни в коем случае не ограничивают настоящее изобретение. Для достижения целей настоящего изобретения могут быть допущены различные условия, не выходящие за рамки его сути.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

При использовании лабораторной вакуумной плавильной печи изготовлены сутунки, имеющие составы, показанные в таблице 1. Каждую сутунку нагревают в течение 60 мин при 1100°С и сразу же подвергают горячей прокатке до толщины 2,0 мм, после чего горячекатаный лист отжигают в течение 1 мин при 900°С и подвергают за один проход холодной прокатке до толщины 0,35 мм. Полученный таким образом холоднокатаный лист подвергают в течение 30 сек окончательному отжигу при 790°С. Как следует из таблицы 1, образцы А2, А5, А7, А8 и А11, отвечающие условиям настоящего изобретения, обладают великолепными свойствами, в частности они характеризуются пределом текучести 650 МПа или больше и удлинением при разрушении 10% или больше. Кроме того, доля площади рекристаллизованной части этих образцов составляет 50% или больше. Образцы, которые не отвечают условиям изобретения, не соответствуют критериям изобретения. Более конкретно, A1, A4 и А10 имеют предел текучести менее 650 МПа, образец А6 имеет удлинение при разрушении менее 10% и образцы A3 и А12 характеризуются потерями в сердечнике более 70 вт/кг.

Пример 2

Сутунки, содержащие (в мас.%) С: 0,032%, Si: 3,0%, Mn: от 0,12 до 1,00%, Al: 3,0% и Nb: от 0,035%, изготовлены с использованием лабораторной вакуумной плавильной печи. Каждую сутунку нагревают в течение 60 мин при 1100°С и сразу же подвергают горячей прокатке до толщины 2,0 мм, протравляют и подвергают за один проход холодной прокатке до толщины 0,50 мм. Полученный таким образом холоднокатаный лист подвергают в течение 30 сек окончательному отжигу при 800°С. Как следует из таблицы 2, все образцы характеризуются великолепным пределом текучести 650 МПа или больше и потерями в сердечнике 70 вт/кг или менее. Образцы В1-В3, отвечающие условиям изобретения, характеризуются удлинением при разрушении 10% или больше, хорошей стойкостью температуры перехода горячекатаного листа 70°С или ниже и долей площади рекристаллизованной части, равной 50% или больше. Из образцов, не отвечающих условиям изобретения, В4 характеризуется удлинением при разрушении меньшим 10%, в то время как В5-В8 характеризуются не только удлинением при разрушении меньшим 10%, но характеризуются также температурой перехода горячекатаного листа выше 70°С.

Пример 3

Сутунки, содержащие (в мас.%) С: от 0,005 до 0,095%, Si: 2,7%, Mn: 0,24%, Al: 0,6% и Nb: 0,045%, изготовлены с использованием лабораторной вакуумной плавильной печи. Каждую сутунку нагревают в течение 60 мин при 1120°С и сразу же подвергают горячей прокатке до толщины 1,8 мм, протравляют и подвергают за один проход холодной прокатке до толщины 0,35 мм. Полученный таким образом холоднокатаный лист подвергают в течение 30 сек окончательному отжигу при 820°С. Как следует из таблицы 3, все образцы характеризуются великолепным пределом текучести 650 МПа или больше. Образцы С1-С4, отвечающие условиям изобретения, характеризуются удлинением при разрушении 10% или больше и хорошей стойкостью температуры перехода горячекатаного листа 70°С или ниже. При этом доли площади рекристаллизованной части этих образцов равны 50% или больше. Из образцов, не отвечающих условиям изобретения, С4 характеризуется удлинением при разрушении меньшим 10%, в то время как С6-С8 характеризуются не только удлинением при разрушении меньшим 10%, но характеризуются также температурой перехода горячекатаного листа выше 70°С.

Пример 4

Сутунки, содержащие (в мас.%) С: 0,021%, Si: 3,5%, Mn: 0,18%, Al: 0,03%, Nb: 0,025% и Ni: от 0,01 до 2,7%, изготовлены с использованием лабораторной вакуумной плавильной печи. Каждую сутунку нагревают в течение 60 мин при 1120°С и сразу же подвергают горячей прокатке до толщины 1,8 мм, протравляют и подвергают за один проход холодной прокатке до толщины 0,35 мм. Полученный таким образом холоднокатаный лист подвергают в течение 30 сек окончательному отжигу при температуре от 830°С. Как следует из таблицы 4, все образцы характеризуются великолепными пределом текучести 650 МПа или больше, удлинением при разрушении 10% или больше, потерями в сердечнике 70 вт/кг или меньше и температурой перехода горячекатаного листа 70°С или ниже. Доля площади рекристаллизованной части составляет 50% или больше. Образцы D4-D10 с содержанием Ni 0,5% или более имеют очень высокий предел текучести.

Пример 5

Сутунки, содержащие (в мас.%) С: 0,024%, Si: 2,8%, Mn: 0,17%, Al: 0,8% и Nb: 0,028%, изготовлены с использованием лабораторной вакуумной плавильной печи. Каждую сутунку нагревают в течение 60 мин при 1120°С и сразу же подвергают горячей прокатке до толщины 1,8 мм, протравляют и подвергают за один проход холодной прокатке до толщины 0,35 мм. Каждый из полученных таким образом холоднокатаных листов подвергают в течение 30 сек окончательному отжигу при различной температуре от 700 до 900°С. Как следует из таблицы 5, все образцы кроме Е1, который имеет небольшую долю площади рекристаллизованной части, обладают великолепными свойствами, в частности характеризуются пределом текучести 650 МПа или больше, удлинением при разрушении 10% или больше и потерями в сердечнике 70 вт/кг или меньше. Образцы Е2-Е4 со средним диаметром зерен меньше 40 µм и долей площади рекристаллизованной части 50% или больше заслуживают особого внимания благодаря очень высокому напряжению пластического течения и исключительно хорошему удлинению при разрыве.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение предлагает в качестве материала железных сердечников для высокооборотных моторов, используемых на транспортных средствах, в электрооборудовании и т.п., лист превосходной нетекстурированной электротехнической стали с оптимальным пределом текучести без ущерба для выхода годных изделий или производительности при штамповке сердечников моторов или в производстве стального листа. Сам по себе такой лист может найти очень широкое применение в промышленности.