一种焊接性能优异的高洁净软磁钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及低合金钢制造
技术领域
，具体涉及一种焊接性能优异的高洁净软磁钢及其生产方法。背景技术
软磁钢主要用于磁悬浮列车侧向导向板、汽车发电机、电磁阀、磁极段或爪级等依靠电磁力实现其功能的关键部件。为了实现关键部件高性能化，对软磁钢材料的性能要求也越来越高，除了要求具有高磁导率、高磁通密度以及低铁损外，还要求软磁钢具有良好的强韧性匹配、钢质纯净度以及优异的焊接性能等，因此，现有的普通软磁钢已不能满足磁悬浮列车等设备的运行安全、可靠和节能环保等需要。
本发明前，专利US Patent4350525对成分范围和生产过程进行了详细阐述，并对磁感性能和0℃冲击韧性提出要求，其磁感性能B3和B40仅有0.60T 和1.58T，而纵横向的0℃冲击韧性分别为58J和32J，可见该软磁钢的磁感性能和冲击韧性并不理想，且对焊接性能不做要求。
专利号为01126937.5的中国发明专利公开了磁悬浮列车用高性能软磁钢，其化学成分及重量百分比为C：0.010～0.070%，Si：1.0～2.0%，Mn：0.30～0.80%，P≤0.02%，S≤0.010%，AlT：0.020～0.090%，Cr：0.60～1.0%，Cu：0.20～0.60%，Ti≤0.0080%，N≤0.01%，Ni≤0.80%，Ca≤100ppm。该发明钢具有高强度和高韧性，又具有高磁感、高电阻率以及优良的抗磁性，但对焊接性能不做要求，且该发明含有较多Cr元素，并采用正火工艺生产，增加了制造成本，且该发明含有较多Al合金元素，易形成粗大Al2O3夹杂物颗粒，从而造成浇注水口堵塞并恶化断裂韧性，引起生产事故。
专利号为94105234.6的中国发明专利公开了一种软磁钢及其制造方法，其化学成分及重量百分比为C≤0.007%，Mn≤0.50%，P≤0.20%，S≤0.010%，N≤0.01%，O≤0.005%，且满足0.5%≤Si+1.4×Al≤3.5%，要求晶粒尺寸至少0.2mm，B25=1.35～1.58T，但该发明需在850～1300℃温度下进行热处理，增加了制造成本，且对冲击韧性和焊接性能不做要求，同时该发明也含有较多Al合金元素，钢质纯净度较差。
专利号为97197182.X的中国发明专利公开了一种可高能焊接的软磁钢及其磁悬浮铁轨部件上的应用，其化学成分及重量百分比为C≤0.15%，Si：＞1.0～2.0%，Mn：0.15～＜0.6%，P≤0.045%，Cu：0.25～0.55%，Cr：0.65～＜1.0%，Als：0.02～0.07%，Ti：0.01～0.02%，N：0.003～0.008%，Ti/N=2.0～4.0。该发明具有高电阻率，良好的抗老化和抗大气腐蚀性。该发明采用热处理工艺生产，Cr合金含量高，易形成含Cr大型夹杂物类型，制造成本较高，且-25℃下焊接热影响区韧性均低于50J，焊接性能较差。
专利号为201510925592.2和201510966905.9中国发明专利分别公开了一种电磁特性优异的软磁钢材、软磁钢部件及其制造方法和锻造性优异的软磁钢材、软磁钢部件及其制造方法，该两种产品均属于线材或者棒材形状，采用热轧或热锻+560～790℃热处理工艺生产，其产品具有良好的电磁特性或低铁损，但该两项发明专利工艺路线复杂，且均对强韧性和焊接性能不做要求。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种焊接性能优异的高洁净软磁钢及其生产方法。本发明无需进行复杂的热处理工序，具有成本低，工序简单，周期短等优点，在各冶金企业均可实施。利用本发明方法生产的钢材具有高洁净度、良好的强韧性以及优异的磁感性能和焊接性能等特点，可用于磁悬浮列车侧向导向板、汽车发电机、电磁阀、磁极段或爪级等依靠电磁力实现其功能的关键部件。
本发明的一种焊接性能优异的高洁净软磁钢，所述软磁钢包含下述质量分数的化学成分：C：0.005～0.020%，Si：1.82～2.05%，Mn：0.26～0.45%，P＜0.0010%，S＜0.0005%，Cr：0.10～0.42%，Ni：0.45～0.65%，Ti：0.006～0.012%，Ca：0.0005～0.0017%，Nb＜0.0010%，V＜0.0010%，Als＜0.0010%，As＜0.0010%，Sn＜0.0010%，[N]：12～15×10-4%，[O]＜10×10-4%，[H]＜0.2×10-4%，余量为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足：（1）Nb+V+Als＜0.0015%，（2）C+Mn/6+Cr/5+Ni/15≤0.18%。
优选地，所述Cr：0.14～0.38%，Ti：0.007～0.011%，Ca：0.0007～0.0015%。
本发明所述软磁钢的延伸率A≥34.5%，-25℃基材冲击韧性为157～182J；-25℃焊接HAZ冲击韧性为112～127J，B3≥0.89T，B40≥1.60T，B50≥1.69T。
本发明的一种焊接性能优异的高洁净软磁钢的生产方法，包括：铁水脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、全流程保护浇注、铸坯加热、正火轧制、冷却；其中：
（1）采用转炉双渣法冶炼，并进行炉外精炼、真空处理和全流程保护浇注成200～250mm厚铸坯，期间确保[N] 12～15×10-4%，其中：转炉顶底复合吹炼要求来料铁水As＜0.0010%、Sn＜0.0010%、S＜0.0010%以及P＜0.010％，出钢前控制P＜0.0010％；炉外精炼时间45～60min；真空处理时间≥18min，真空度≤0.10kPa，软吹氩时间5～6min；浇注时控制过热度为12～15℃，拉速为0.77～0.78m/min；
（2）铸坯加热温度1280～1300℃，加热速率8～12min/mm，均热温度1230～1250℃，均热时间50～60min；
（3）正火轧制：Ⅰ阶段粗轧终轧温度1100～1120℃；Ⅱ阶段精轧终轧温度(T±5)℃，其中T=(910-2030C1/2+4470Si-1520Ni)℃，式中C、Si及Ni为化学成分重量百分比；
（4）轧制后钢板置于空气中自然冷却至室温，待用。
以下详述本发明中化学成分限定量的理由：
本发明的C含量选择在0.005～0.020%，C通过固溶强化提高强度但损害低温韧性。C扩大奥氏体相区，降低相变温度，不利于磁感性能。但C含量过低，无法确保强度，C含量过高则易形成Fe3C，增加钢中珠光体组织比例，不利于焊接性能和磁感性能，综合考虑性能因素，本发明将C含量限定为0.005～0.020%。
本发明的Si含量选择在1.82～2.05%，Si对磁感性能具有决定性作用，Si提高相变温度，并促进组织长大，提高磁感性能。但Si含量过高，导致低温韧性和焊接性能急剧恶化，故综合考虑，将Si含量限定为1.82～2.05%。
本发明的Mn含量选择在0.26～0.45%，Mn可提高强度，但易与S形成条带状MnS夹杂，阻碍晶粒长大，不利于磁感性能。为确保钢的磁感性能和强度，将Mn含量限定为0.26～0.45%。
本发明的P＜0.0010%、S＜0.0005%， P、S均易偏聚于晶界，阻碍晶界移动，S还易形成条状MnS夹杂，降低钢质洁净度，不利于磁感性能和低温韧性，损害焊接性能，因此P和S是有害杂质元素，应尽可能降低P、S含量。
本发明的Cr含量选择在0.10～0.42%， Cr通过固溶强化提高强度，但过高则易形成含Cr2C3等系列化合物和各种类型的含Cr夹杂物，降低磁感性能和钢质洁净度，也不利于焊接性能，故综合考虑，将Cr含量限定在0.10～0.42%，优选0.14～0.38%。
本发明的Ni含量选择在0.45～0.65%，Ni是铁磁性材料，可提高产品磁感性能、低温韧性和焊接性能，但过高Ni含量增加成本，且易产生表面氧化铁皮，故将Ni含量限定为0.45～0.65%。
本发明的Ti含量选择在0.006～0.012%，Ti与N、C结合形成细小氮化物或碳氮化物质点，具有细化晶粒作用，提高基材强韧性和焊接热影响区韧性，确保钢板具有优异的焊接性能，但Ti含量过高则易形成大量氮化物或碳氮化物质点，阻碍磁畴壁移动，不利于磁感性能，因此，综合考虑产品性能要求，将Ti含量限定在0.006～0.012%，优选0.007～0.011%。
本发明的Ca含量选择在0.0005～0.0017%，本发明Ca可球化变质硫化物夹杂，改善基材冲击韧性和焊接热影响区韧性，但阻碍晶界和磁畴壁移动，不利于磁感性能，且过高的Ca还易形成大型复合夹杂，反而降低基材和热影响区冲击韧性以及磁感性能，致使钢质洁净度较差。因此，结合本发明钢材要求，将Ca限定为0.0005～0.0017%，优选0.0007～0.0015%。
本发明的Nb含量选择在＜0.0010%，V含量选择在＜0.0010%。Nb、V与C、N结合形成细小碳氮化物质点，通过细化晶粒明显提高强度和改善低温韧性，但对磁感性能极为不利，因此，综合考虑本发明产品性能要求，将Nb含量限定在＜0.0010% ，V含量限定在＜0.0010%。
本发明的Als选择在＜0.0010%，钢中Als与N结合形成AlN颗粒，阻碍晶粒长大，具有细化晶粒作用，改善冲击韧性，但不利于磁感性能，且过多的Als易形成Al2O3夹杂也不利于磁感性能，降低钢质洁净度，因此为确保产品磁感性能和钢质洁净度，将Als含量限定为＜0.0010%。
本发明的As＜0.0010%，Sn＜0.0010%，钢中As、Sn极易偏聚晶界，含量过高严重恶化钢的低温冲击韧性和焊接性能，且对磁感性能和钢质洁净度产生极为不利影响，因此应尽可能降低钢中As、Sn含量。
本发明的[N] 选择在（12～15）×10-4%，N与Ti、C结合形成细小氮化物或碳氮化物质点，提高基材强韧性和焊接热影响区韧性，但N含量过高则易形成大量TiN或碳氮化物质点，阻碍磁畴壁移动，降低磁感性能，因此，综合考虑产品性能要求，将N含量限定在（12～15）×10-4%。
本发明的[O]＜10×10-4%，钢中可与Ti、Als等元素形成氧化物质点或夹杂，阻碍晶粒长大，损害磁感性能或焊接热影响区韧性，并降低钢质洁净度，因此应尽可能降低钢中O含量。
本发明的[H]＜0.2×10-4%，钢中H含量过高易产生气泡导致裂纹和性能的各项异性，对磁感性能不利，因此钢中H含量应控制在0.2×10-4%以下。
同时上述化学成分还必须满足（1）Nb+V+Als＜0.0015%，（2）C+Mn/6+Cr/5+Ni/15≤0.18%。当Nb+V+Al≥0.0015%时，易形成数量较多的氮化物或碳化物或碳氮化物或夹杂物颗粒，阻碍晶界和磁畴壁移动，降低磁感性能、焊接性能和钢质洁净度；当C+Mn/6+Cr/5+(Cu+Ni)＞0.18%时，不利于冲击韧性和焊接性能，并增加生产成本。因此为确保产品同时具有优良的磁感性能和焊接性能，并确保钢质洁净度，须严格限定Nb+V+Al＜0.0015%以及C+Mn/6+Cr/5+Ni/15≤0.18%。
本发明钢除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的夹杂。
本发明的目的是提供一种焊接性能优异的高洁净软磁钢及其生产方法，其所涉及的钢材成品无需进行复杂的热处理工序，具有成本低，工序简单，周期短等优点，在各冶金企业均可实施，其产品性能的保证还在于工艺参数的精确控制，具体措施如下：
采用转炉双渣法冶炼，并进行炉外精炼、真空处理和全流程保护浇注成铸坯，期间确保[N]为（12～15）×10-4%是为了确保N与Ti、C结合形成细小氮化物或碳氮化物质点，提高基材强韧性和焊接热影响区韧性，同时避免因N含量过高而形成大量TiN或碳氮化物质点，阻碍磁畴壁移动，降低磁感性能；另外采取上述步骤还可以尽可能降低P、S、N、O、H含量，避免因其含量过高形成各种类型的夹杂物，从而降低钢质洁净度，以至于损害磁感性能以及基材和焊接热影响区韧性。
转炉顶底复合吹炼采用双渣法冶炼，要求来料铁水As＜0.0010%、Sn＜0.0010%、S＜0.0010%以及P＜0.010％，以便尽可能降低成品中As、Sn、S和P含量，提高钢质纯净度，同时确保出钢前P＜0.0010％；出钢过程禁止点吹，确保渣厚≤100mm，以避免增氮。控制炉外精炼时间45～60min，以便尽可能脱硫和脱氧，避免因S和O含量高损害磁感性能和冲击韧性，并通过5～6min软吹氩方式促使钢液成分和温度均匀，且期间严禁增氮，并确保成品P≤0.0010%。为促使夹杂物充分上浮，确保钢质具有高的纯净度、低温韧性以及磁感性等性能，必须按本发明要求的真空工艺参数进行控制。为避免钢液与空气接触导致钢水P含量增加以及二次氧化，进一步提高钢质纯净度，须严格执行全流程保护浇注工序，控制过热度12～15℃是为了减轻铸坯中心疏松和偏析等内部缺陷，本发明采用恒拉速且控制较小的拉速波动范围可以避免出现较大组织应力导致的铸坯裂纹，以确保钢板具有优异的磁感性能和低温韧性等性能。
本发明将铸坯加热温度、加热速率、均热温度和均热时间控制在本发明要求的参数范围内，目的是确保铸坯充分奥氏体化和均匀化，减轻中心偏析等铸坯内部缺陷，控制奥氏体晶粒尺寸在适当范围内，防止过热和过烧，确保本发明产品磁感性能和焊接热影响区低温韧性。控制正火轧制Ⅰ阶段粗轧终轧温度、Ⅱ阶段精轧终轧温度以及冷却方式，目的是防止出现混晶，并得到适当晶粒尺寸，以便获得具有优异焊接性能和磁感性能的本发明产品。
值得说明的是，经本发明人反复试验验证，严格采用本发明化学成分、转炉冶炼、炉外精炼、RH真空处理、正火轧制以及冷却工艺参数制造的钢板才能满足本发明钢要求。与现有技术相比，本发明无需进行复杂的热处理工序，具有成本低廉，制造工序简单，生产周期短等优点，在各冶金企业均可规模化实施，利用本发明方法生产的本发明产品具有高洁净度、良好的强韧性以及优异的磁感性能和焊接性能等特点，可用于磁悬浮列车侧向导向板、汽车发电机、电磁阀、磁极段或爪级等依靠电磁力其功能的关键部件。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1为本发明各实施例及对比例化学成分取值列表；
下表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表；
下表3为本发明实施例及对比例的力学性能试验结果。
其中实施例1-8的产品厚度分别为10mm、20mm、20mm、30mm、30mm、40mm、40mm、50mm，对比例的产品厚度分别30mm。
本发明各实施例的一种焊接性能优异的高洁净软磁钢，所述软磁钢包含下述质量分数的化学成分：C：0.005～0.020%，Si：1.82～2.05%，Mn：0.26～0.45%，P＜0.0010%，S＜0.0005%， Cr：0.10～0.42%，Ni：0.45～0.65%，Ti：0.006～0.012%，Ca：0.0005～0.0017%，Nb＜0.0010%，V＜0.0010%，Als＜0.0010%，As＜0.0010%，Sn＜0.0010%，[N]：12～15×10-4%，[O]＜10×10-4%，[H]＜0.2×10-4%，余量为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足：（1）Nb+V+Als＜0.0015%，（2）C+Mn/6+Cr/5+Ni/15≤0.18%。
本发明各实施例的一种焊接性能优异的高洁净软磁钢的生产方法，包括：铁水脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、全流程保护浇注、铸坯加热、正火轧制、冷却；其中：
（1）采用转炉双渣法冶炼，并进行炉外精炼、真空处理和全流程保护浇注成200～250mm厚铸坯，期间确保[N] 12～15×10-4%，其中：转炉顶底复合吹炼要求来料铁水As＜0.0010%、Sn＜0.0010%、S＜0.0010%以及P＜0.010％，出钢前控制P＜0.0010％；炉外精炼时间45～60min；真空处理时间≥18min，真空度≤0.10kPa，软吹氩时间5～6min；浇注时控制过热度为12～15℃，拉速为0.77～0.78m/min；
（2）铸坯加热温度1280～1300℃，加热速率8～12min/mm，均热温度1230～1250℃，均热时间50～60min；
（3）正火轧制：Ⅰ阶段粗轧终轧温度1100～1120℃；Ⅱ阶段精轧终轧温度(T±5)℃，其中T=(910-2030C1/2+4470Si-1520Ni)℃，式中C、Si及Ni为化学成分重量百分比；
（4）轧制后钢板置于空气中自然冷却至室温，待用。
表1 本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表（wt，%）
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表
表3 本发明各实施例及对比例的力学性能试验结果
本发明实施例和对比例常规横向拉伸试验、-25℃基材冲击和焊接HAZ冲击、磁场强度300A/m、4000A/m和5000A/m下磁感特性试验结果显示，按照本发明成分和工艺生产的产品具有高洁净度、良好的强韧性匹配、优异的磁感特性和焊接性能，各项性能远优于对比例。
上述实施例仅仅是本发明为解释本发明而例举的具体实例，并不以任何形式限制本发明，任何人根据上述作内容和形式做出的不偏离本发明权利要求保护范围的非实质性的改变，均应认为落入本发明权利要求的保护范围。本发明不局限于上述具体的实施实例。
