[发明专利]具有减少的老化和改进的电气性能的冷轧电机层合电工钢

说明书

背景技术

冷轧电机层压（CRML）电工钢（在本文中理解为包括在电机、变压器、交流发电机、发电机、镇流器或其它电气产品中应用的电工钢）已经得到开发并且占优势地在美国使用了超过50年。这种类型的钢起初为商用品质的钢的改进，即通过添加少量的硅并且在冲压之后对产品进行退火。在二十世纪70年代和80年代期间，这种电工钢在美国的增长由联合钢厂内的相对较低的产品成本驱动，联合钢厂使用相同的设备来生产CRML电工钢，如生产大批量的汽车和商用品质的冷轧钢所使用的设备那样。钢厂的刺激因素为CRML钢为常规的冷轧钢带来了额外收益、具有非常高的生产率以及非常少的与汽车钢板相关的报废或质量问题。在美国，CRML电工钢被认为是半处理的，因为它需要在冲压之后进行退火。在其它国家，电工钢的发展集中于完全处理的电工钢，其能够在已冲压的条件中使用而不需要进一步的退火。这也被其它国家中的较高的能量成本所影响，较高的能量成本对退火的商业利益有影响。

为了对本专利审请进行定义，CRML电工钢表征为用于电气应用的扁平钢材（电机、发电机、交流发电机、变压器、镇流器或使用芯体的其它产品），其中，在钢厂中的最终步骤为退火（箱内退火或连续退火），并且继之以硬化冷轧（有时称为冷轧平整），其中延伸量或伸长量超过2%。因此，CRML钢需要在冲压之后进行进一步的退火，以便开发充分的磁性。相反，完全处理的钢材进行了退火（箱内退火或连续退火），并且不涉及进一步的硬化冷轧步骤。退火在钢厂中完成时，完全处理的钢材已经开发出了电气应用所需要的最终的特性。

CRML电工钢也称作半处理电工钢，因为其需要退火的附加处理以便产生令人满意的磁特性。CRML电工钢在冲压之后的退火需要非常受控制的温度的平衡、温度下的时间以及允许选择性地将碳从钢材中去除而不允许钢材的氧化的脱碳气氛。碳的去除由碳从钢材的本体扩散到表面来控制，在表面处碳与控制的局部压力的氧气反应以形成一氧化碳。对温度以及温度下的时间进行控制允许扩散和反应发生。实现脱碳而并不将钢材氧化的热力学和适当的氧气的局部压力的稳定性是相对较好理解的。然而，除了各种退火炉设计之外，存在有用于控制氧气局部压力的工艺，两者组合起来能够提供不同质量的退火，即使对于相同的钢种。

通过上述介绍和对冶金热化学的理解，能够推断出的是：

钢材中的碳的初始水平或起始水平将对用于脱碳的时间以及最终的碳浓度两者具有很大影响，以及

诸如硅和铝之类的合金元素的添加（减慢了碳在钢材内的扩散）将对扩散所需要的时间和温度两者具有影响。

因此，发展CRML电工钢的策略已经集中于供应超低的碳水平，通常碳小于0.010%，这可以通过连续浇铸之前的液体状态下的钢的真空脱气实现。

在本说明书中表达的所有的元素百分比都是重量百分比。

在二十世纪80年代末和90年代初，另一种策略被开发出（由Inland钢铁公司的Lyudkovsky等人，其它人在不同的国家），由此锑的进一步的少量的添加发生于CRML钢。锑的作用是阻止钢基的任何氧化但仍然允许碳的扩散以进行反应和去除。在这种形式中，锑被认为是钢的表面抑制剂。锑的添加对于具有较高碳水平（0.02%至0.04%的碳）的CRML钢种而言是特别有效的，并因此现在在大多数的CRML钢种中被用作标准实践方式。这包括具有增大的硅水平的更高等级的CRML，其需要更高的退火温度并因此更倾向于氧化。

电工钢的其它特性中的一个（对完全处理的和半处理的而言）是称为老化的现象，由此芯体损失将随着时间的推移增大，其通常因与电机或变压器的操作温度相关联的升高的温度引起。电工钢的老化已经得到了相对较好的研究并且被认为是碳（以及在一些情况下为氮）的亚微扩散以形成群组或区域的结果。这些群组或区域类似于在铝合金中已知的纪尼埃普斯顿区（Guinier-Preston zones）。它们不是沉淀物但确实会导致引起芯体损失的增大的晶格应变。常规的产业知识和经验表明，电工钢应当为碳小于0.005%并且优选地为碳小于0.003%以实现更高的等级，以便最小化老化效应（老化效应无法完全消除）。

如果低等级的CRML钢已经适当地进行退火使碳小于0.003%则不会显示明显的老化。当碳含量小于0.003%时，具有高于2.0%的硅含量的高等级的完全处理的电工钢也不会显示明显的老化。在这种情况下，较高水平的硅限制或抑制了碳的扩散，从而提供了对碳区域或碳群组的形成的限制。较高等级的CRML钢具有介于0.50%与2.5%之间的硅含量，并因此会显示出明显的老化。