具有改善的鎂橄欖石涂層特性的晶粒取向電工鋼的制作方法
【專利說明】具有改善的鎂橄欖石涂層特性的晶粒取向電工鋼
[00011 優先權
[0002] 本申請要求20 13年8月27日提交的題為"Me thod of Produc ing a Hi gh Permeability Grain Oriented Silicon Steel Sheet With Improved Forsterite Coating Characteristics"的美國臨時專利申請序列號61/870,332的優先權，其公開內容 通過引用并入本文。
[0003] 發明背景
[0004] 在制造晶粒取向的娃-鐵電工鋼(electrical steels)的過程中，鎂橄欖石涂層在 高溫退火工藝期間形成。這種鎂橄欖石涂層廣為人知并廣泛用于生產晶粒取向電工鋼的現 有技術方法。這種涂層在本領域中各異地被稱為"玻璃膜"、"乳機玻璃(mill glass)"、"乳 機退火(mi 11 anneal)"涂層或其他類似術語，并由ASTM規范A976定義為C-2型絕緣涂層。
[0005] 鎂橄欖石涂層由在電工鋼帶上形成的氧化物層與退火隔離涂層（annealing separator coating)的化學反應形成，所述退火隔離涂層在高溫退火之前被施加到所述帶 上。退火隔離涂層也是本領域中所公知的，并且通常包含含有其他物質的水基氧化鎂漿料， 以增強其功能。
[0006] 在退火隔離涂層已干燥之后，所述帶通常纏成線圈并在其中經歷高溫退火工藝的 間歇式裝箱退火工藝中退火。在該高溫退火工藝期間，除形成鎂橄欖石涂層外，還在鋼帶中 生長出（develop)邊緣立方(cube-on-edge)晶粒取向并且所述鋼被純化。該工藝步驟有著 在本領域中已經確立的廣泛多樣的程序。在該高溫退火工藝結束后，將鋼冷卻，并通過除去 任何未反應的或過量的退火隔離涂層的公知方法來清潔所述帶的表面。
[0007] 在大多數情況下，然后將額外的涂層施加到鎂橄欖石涂層上。這種額外的涂層在 ASTM規范A976中描述為C-5型涂層，并通常描述為"C-5覆蓋C-2"涂層。除其他外，C-5涂層 (a)在磁芯內的個體鋼板之間提供超高壓電設備所需的額外電絕緣，其防止循環電流和由 此產生的較高磁芯損耗；（b)使鋼帶置于機械張力狀態，這減少鋼板的磁芯損耗并改善鋼板 的磁致伸縮特性，其減少成品電設備中的振動和噪音。C-5型絕緣涂層在本領域中各異地被 稱為"高應力"、"張力效應(tension effect)"、或"二次"涂層。由于它們通常是透明或半透 明的，在晶粒取向電工鋼板上使用的這些公知的C-5覆蓋C-2涂層需要C-2涂層的高度表面 均勾性(cosmetic uniformity)和高度物理粘附。C-5和C-2涂層的組合為成品鋼帶產物提 供高度的張力，改善鋼帶的磁性質。因此，鎂橄欖石涂層和所施加的二次涂層二者的改善在 本領域中有著很尚的興趣。

【發明內容】

[0008] 將鋼基底的鉻含量增加到大于或等于約0.45重量百分比（重量％ )的水平產生了 具有更佳且更均勻的著色、厚度及粘附的極大改善的鎂橄欖石涂層。而且，這樣形成的鎂橄 欖石涂層提供了更大的張力，因此減少了C-5二次涂層的相對重要性。
[0009] 附圖簡要說明
[0010] 圖1描述了在高溫退火以形成鎂橄欖石涂層之前，實驗室生產電工鋼組合物的表 面氧化物顯微圖像和氧含量。
[0011]圖2描述了在高溫退火之前，圖1的電工鋼中的氧分布的輝光放電光譜(GDS)分析 圖。
[0012]圖3描述了在高溫退火之前，圖1的電工鋼中的鉻分布的GDS分析圖。
[0013] 圖4描述了在高溫退火之前，圖1的電工鋼中的硅分布的⑶S分析圖。
[0014] 圖5描述了在高溫退火之后，實驗室生產電工鋼組合物上形成的鎂橄欖石涂層的 顯微圖像。
[0015]圖6描述了在高溫退火之后，圖5的電工鋼中的氧分布的GDS分析圖。
[0016]圖7描述了在高溫退火之后，圖5的電工鋼中的鉻分布的GDS分析圖。
[0017] 圖8描述了具有C-5覆蓋C-2涂層的實驗室生產電工鋼組合物的涂層粘附測試樣品 的圖像。
[0018] 圖9描述了在1.7T下測量的具有C-5覆蓋C-2涂層的電工鋼組合物的相對磁芯損耗 的圖。
[0019] 圖10描述了在1.8T下測量的具有C-5覆蓋C-2涂層的電工鋼組合物的相對磁芯損 耗的圖。
[0020] 圖11描述了在1.7T下測量的具有C-5覆蓋C-2涂層的電工鋼組合物的磁芯損耗相 對改善的圖。
[0021] 圖12描述了在1.8T下測量的具有c-5覆蓋c-2涂層的電工鋼組合物的磁芯損耗相 對改善的圖。
[0022]圖13描述了在高溫退火之前，圖12的乳機生產電工鋼中的氧分布的⑶S分析。
[0023]圖14描述了在高溫退火之前，圖12的乳機生產電工鋼中的鉻分布的⑶S分析圖。 [0024]圖15描述了在高溫退火之后，圖12的乳機生產電工鋼中的氧分布的GDS分析。
[0025]圖16描述了在高溫退火之后，圖12的電工鋼中的鉻分布的⑶S分析圖。
[0026] 詳細說明
[0027] 在晶粒取向電工鋼(electrical steels)的典型工業制造方法中，鋼被恪化成特 定的且通常具有專利的組合物。在大多數情況下，鋼熔化物包含^11、3、36^1、8和1^的少量 合金添加物，以及主要成分Fe與Si。鋼熔化物通常鑄成板坯(slab)。鑄板坯可以在被乳成1-4mm(通常1.5-3mm)帶以進行進一步加工之前，在一個或兩個步驟中經歷板還再加熱和熱 車L。熱乳的帶可以在冷乳至〇. 15-0.50mm(通常0.18-0.30mm)范圍的最終厚度之前被熱條退 火(hot band anneal)。冷乳工藝通常在一個或多個步驟中進行。如果使用超過兩個或更多 個冷乳步驟，則在各個冷乳步驟之間通常有退火步驟。在冷乳結束后，鋼被脫碳退火以（a) 提供足夠低的碳水平以阻止成品中的磁老化;和(b)以足以促進鎂橄欖石涂層形成的程度 來氧化鋼板的表面。
[0028] 脫碳退火的帶被氧化鎂或氧化鎂與其他添加物的混合物涂布，其涂層在該帶纏成 線圈狀之前干燥。氧化鎂涂布的線圈然后在出-犯或出氣氛中在高溫下（1100°C-1200°C)退 火，持續延長的時間。在該高溫退火步驟期間，晶粒取向電工鋼的性質得到生長。邊緣立方 或（110) [001 ]晶粒取向得到生長，隨著元素如S、Se和N被除去，鋼被純化，并形成鎂橄欖石 涂層。在高溫退火完成后，冷卻并解開、清潔線圈以從氧化鎂隔離涂層除去任何殘留物，并 且通常在鎂橄欖石涂層上施加 C-5隔離涂層。
[0029] 鉻添加對于晶粒取向電工鋼的生產的用途被教導于1995年6月6日發布的題為 "Regular Grain Oriented Electrical Steel Production Process" 的美國專利第5， 421,911 號、1997年 12 月30 日發布的題為"Method for Producing Silicon-Chromium Grain Oriented Electrical Steel" 的美國專利第5,702,539號、和2011年2月15 日發布的 題為"High Permeability Grain Oriented Electrical Steel"的美國專利第7,887,645 號中。這些專利的每一篇的教導通過引用并入本文。鉻添加被用于在晶粒取向電工鋼的制 造中提供更高的體積電阻率、增強奧氏體的形成和提供其他有益特性。在商業實踐中，鉻已 經在0.10重量％至0.41重量％，最通常在0.20重量％至0.35重量％的范圍內使用。在這個 商業范圍內，鉻對鎂橄欖石涂層的有益作用不明顯。事實上，其他現有技術已經報告了鉻減 少鎂橄欖石涂層在晶粒取向電工鋼上形成。例如，2013年4月25日公布的題為"Grain Oriented Electrical Steel Sheet and Method for Manufacturing Same" 的美國專利 申請序列號20130098508教導了由形成的鎂橄欖石涂層提供的最佳張力需要不超過0.1重 量％的絡含量。
[0030] 在某些實施方式中，發現在鋼熔化物中含有大于或等于約0.45重量％鉻的電工鋼 組合物在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯 損耗。在又一些實施方式中，發現在鋼熔化物中含有約0.45重量％至約2.0重量％鉻的電工 鋼組合物在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁 芯損耗。在其他實施方式中，發現在鋼熔化物中含有大于或等于約0.7重量％鉻的電工鋼組 合物在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯損 耗。在又一些實施方式中，發現在鋼熔化物中含有約0.7重量％至約2.0重量％鉻的電工鋼 組合物在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯 損耗。在其他實施方式中，發現在鋼熔化物中含有大于或等于約1.2重量％鉻的電工鋼組合 物在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯損耗。 在又一些實施方式中，發現在鋼熔化物中含有約1.2重量％至約2.0重量％鉻的電工鋼組合 物在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯損耗。 在各種情況下，除增加的鉻含量以外，電工鋼組合物是通常工業中使用的那些。
[0031 ] 在某些實施方式中，在高溫退火之前在距離脫碳退火鋼板表面0.5-2.5μπι的深度 處具有大于或等于約0.7重量％的鉻濃度的電工鋼在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具 有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯損耗。在某些實施方式中，在距離脫碳退火鋼板 表面0.5-2.5μπι的深度處具有大于或等于約0.7重量％的鉻濃度和在距離高溫退火鋼板表 面2-3μπι的深度處具有大于或等于約7.0重量％的鎂橄欖石涂布電工鋼板中的氧濃度的電 工鋼在高溫退火之后在成品電工鋼產品中具有改善的鎂橄欖石涂層粘附和較低的磁芯損 耗。在各種情況下，除增加的鉻含量以外，電工鋼組合物是通常工業中使用的那些。