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Texturblech aus Silizium-Eisen-Legierungen und
Verfahren zu dessen Herstellung
Es ist bekannt, dass man für verschiedene Zwecke der Elektrotechnik magnetisierbare Werkstoffe verwendet, die bestimmte kristallographische Vorzugsrichtungen haben und bei denen die magnetischen Eigenschaften anisotrop sind, d. h. in verschiedenen kristallographisch bestimmten Richtungen voneinander abweichen. Dabei treten in Richtung und Gegenrichtung bei den hier betrachteten Fällen gleichartige Eigenschaften auf ; im folgenden wird ein solches Paar von Orientierungen stets als eine Richtung bezeichnet.
So ist bekannt, dass Silizium-Eisen-Legierungen mit etwa 2 - 50/0 Silizium, Rest im wesentlichen Eisen, gegebenenfalls neben Beimengungen von weniger als 10/0 anderer Bestandteile, wie Mangan, Mo- lybdän. Chrom od. dgl., eine Richtung leichterMagnetisierbarkeit in Richtung der Kanten der Elementarwürfel der Kristalle aufweisen, eine Richtung schwererer Magnetisierbarkeit in Richtung der Flächendiagonalen der Elementarwürfel und eine Richtung schwerster Magnetisierbarkeit in Richtung der Raumdiagonalen. Das gleiche gilt auch für Aluminium-Eisen-Legierungen mit etwa 2 - 50/0 Aluminium.
Man hat sich deshalb zunächst bemüht, Silizium-Eisen-Legierungen so herzustellen, dass die Mehrzahl der kubischen Elementarwürfel so ausgerichtet ist, dass die Würfelkanten der Elementarwürfel untereinander parallel sind und vier Kanten jedes Elementarwürfels in Richtung des bei der Anwendung der Werkstoffe angelegten Magnetfeldes liegen. Man entwickelte daher ein Verfahren zur Erzeugung der sogenannten Goss-Textur, bei der nach einmaligem oder mehrmaligem Kaltwalzen mit Schlussglühung die Ausrichtung der Elementarwürfel so war, dass vier Würfelkanten jedes Elementarwürfels in Walzrichtung liegen und zwei zueinander parallele Flächendiagonale in der Walzebene. Man erreichte auf diese Weise, dass die Magnetisierbarkeit in Walzrichtung besonders gut war, musste aber in Kauf nehmen, dass senkrecht zur Walzrichtung in der Walzebene die Magnetisierbarkeit schlecht war.
Man hatte also in der Walzebene nur eine Vorzugsrichtung der Magnetisierbarkeit.
Später wurde gefunden, dass man in Silizium-Eisen-Blechen auch Würfeltextur erzeugen kann, d. h. eine Textur, bei der zwei Würfelflächen der Elementarwürfel parallel zur Walzebene liegen und vier Würfelkanten in Walzrichtung. Bei derartigen Werkstoffen ist leichte Magnetisierbarkeit in der Walzebene sowohl in Walzrichtung als auch senkrecht zur Walzrichtung gegeben. Die Erzeugung von Würfeltex-
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Wesentlich ist dabei, dass die Atmosphäre bei der Schlussglühung so sauber gehalten wird, dass etwa auf der Oberfläche der Werkstoffe vorhandene Siliziumoxyde verschwinden bzw. solche nicht gebildet werden.
Es müssen ausserdem die einzelnen Verarbeitungsschritte hinsichtlich des Ausmasses der Kaltverformung, der Art der Zwischenglühungen und der Art der Schlussglühung sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, um die Ausbildung der Würfeltextur zu gewährleisten.
Es wurde nun gefunden, dass für manche Zwecke der Technik an Stelle von Silizium-Eisen-Blechen mit Würfeltextur solche eingesetzt werden können, bei denen eine nachstehend als"Flächentextur"be- zeichnete Gefügeausbildung entwickelt worden ist.
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Unter Flächentextur sei verstanden, dass ebenso wie bei der Würfeltextur zwei Flächen der Elemen- tarwürfel parallel zur Walzebene liegen, dass aber die Würfelkanten entweder regellos orientiert sind, d. h. beliebige Winkel zur Walzrichtung bilden, oder dass die in Ebenen parallel zur Walzebene liegen- den Würfelkanten sich in mindestens vier ausgezeichneten Richtungen häufen, die einen von 00 und 900 abweichenden Winkel mit der Walzrichtung des Bleches bilden. Die Würfelkanten sind also nicht, wie bei der Würfeltextur, parallel und senkrecht zur Walzrichtung ausgerichtet.
Das erfindungsgemässe Texturblech aus Silizium-Eisen-Legierungen mit etwa 2-5% Silizium, Rest im wesentlichen Eisen, bei dem zwei Würfelflächen jedes Elementarwürfels in der Walzebene bzw. parallel zur. Walzebene liegen, ist somit dadurch gekennzeichnet, dass sich die in der Walzebene liegenden Kanten der Elementarwürfel um mindestens vier, von 0 und 900 gegenüber der Walzrichtung abweichenden Richtungen häufen, im Grenzfall also Regellosigkeit in der Winkelstellung der Würfelkanten zur Walzrichtung vorliegt.
Die vorstehend angegebene Textur, bei der sich die Würfelkanten um vier ausgezeichnete Richtungen häufen, soll möglichst vollständig vorhanden sein, d. h. es sollen mehr als 80 oder vorzugsweise mehr als 90 oder 95% der Elementarwürfel in der angegebenen Weise geordnet sein. In manchen Fällen kann es jedoch ausreichend sein, wenn nur der überwiegende Teil, d. h. mehr als 50% der Elementarwürfel, in der angegebenen Weise ausgerichtet sind, bisweilen wird es sogar genügen, wenn mehr als 20% die angegebenen Lagen einnehmen. Der Rest kann dann beispielsweise in Würfellage orientiert sein.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung von Blechen aus Silizium-Eisen-Legierun- gen der oben angegebenen Art und besteht darin, dass nach dem Heisswalzen und gegebenenfalls Beizen die Bleche in mehreren Schritten derart kalt verformt werden, dass die Dickenabnahme im zweitletzten Kaltverformungsschritt mehr als 90% und beim letzten Kaltverformungsschritt 30-80% beträgt, und die Bleche dann einer Schlussglühung bei Temperaturen von IIOOOC oder darüber in einer Atmosphäre unterworfen werden, die etwa auf der Oberfläche der Bleche vorhandene Siliziumoxyde verschwinden lässt bzw. solche sich nicht bilden lässt.
Schematisch ist in Fig. l die Anordnung von Elementarwürfeln in einem Blech mit Würfeltextur, von oben gesehen, dargestellt, in Fig. 2 in einem Blech mit Flächentextur. Während es bei der Würfeltextur nur die beiden ausgezeichneten Richtungen a und b gibt, in denen oder dicht um die die Würfelkanten liegen, häufen sich bei der Flächentextur Würfelkanten um die Richtungen c, d, e und f. Wenn a die Walzrichtung des Bleches ist, dann liegen die Würfelkanten bei der in Fig. 2 dargestellten Flächentextur in einem Winkel von : I : 250 bzw. 65 gegen die Walzrichtung.
Bei der Flächentextur ist es möglich, dass neben der in Fig. 2 beispielsweise dargestellten Anordnung der Elementarwürfel noch eine oder mehrere weitere bevorzugte Lagen auftreten, so dass es ausser den in Fig. 2 beispielsweise gezeichneten Vorzugsrichtungen für die Würfelkanten noch weitere solche Vorzugsrichtungen gibt. Es können z. B. noch Würfelkanten sich um Richtungen von 37 und : I : 530 gegen die Walzrichtung häufen. Es liegen dann im ganzen acht bevorzugte Richtungen für die Würfelkanten vor. Je grösser die Zahl der bevorzugten Richrungen wird, desto mehr nähert man sich dem Zustand von regellos orientierten Würfelkanten.
Es hat sich gezeigt, dass Silizium-Eisen-Bleche, bei denen zwei Flächen der Elementarwürfel parallel zur Oberfläche liegen, dem magnetischen Fluss den geringsten magnetischen Widerstand bieten.
Werkstoffe mit Flächentextur können dann mit Nutzen eingesetzt werden, wenn bei der Anwendung der magnetische Fluss nicht geradlinig, sondern mit wechselnder Richtung durch die Werkstücke verläuft, beispielsweise dann, wenn er durch kreisförmig begrenzte Teile geführt wird, d. h. wenn die Magnetisierung zwar in Ebenen parallel zur Blechoberfläche verläuft, aber die Magnetisierungsrichtung sich innerhalb dieser Ebene von Ort zu Ort ändert. Ebenso sind Werkstoffe mit Flächentextur von Nutzen, wenn z. B. bei kompliziert gestalteten Stanzteilen der magnetische Fluss in verschiedenen Abschnitten der Stanzteile in verschiedenen, zueinander nicht senkrechten Richtungen verläuft.
Sie haben z. B. einen Vorteil bei der Anwendung gezahnter Bauteile, wo der Fluss in den radial angebrachten Zähnen so geführt werden soll, dass die Kraftflussdichte möglichst hoch und in den verschiedenen Zähnen gleich gross ist.
Bleche mit Würfeltextur sind für derartige Anwendungszwecke weniger geeignet als Bleche mit Flächentextur, da bei einem Schnitt aus Würfeltexturblech der Fluss gezwungen ist, in jedem Quadranten eines Kreisringes durch eine über den ganzen Blechquerschnitt ausgedehnte Zone mit einer einheitlichen Kristallorientierung, die einer schlechten Magnetisierbarkeit mit hohem magnetischem Widerstand entspricht, hindurchzutreten. In einem Blechschnitt mit Flächenorientierung existiert dagegen überhaupt keine solche Querschnittszone mit einem derartig hohen magnetischen Widerstand.
Die Anwendung von Flächentexturblech bringt somit einerseits den Vorteil einer Erniedrigung des gesamten magnetischen
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Widerstandes in einem gekrümmten Bauteil, anderseits den Vorzug einer gleichmässigen Flussbelastung in verschiedenen Teilen des magnetischen Kreises.
Die Fig. 3 und 4 sollen erläutern, was bei der Magnetisierung gestanzter Ringe geschieht. In beiden
Figuren ist mit WR die Walzrichtung bezeichnet. In Fig. 3, die sich auf ein Blech mit Würfeltextur be- zieht, ist eine Richtung leichter Magnetisierbarkeit in der Walzrichtung und senkrecht zur Walzrichtung gegeben, was durch jeweils vier Pfeile angedeutet ist. In Richtungen, die 450 von der Walzrichtung ab- weichen, ist die Magnetisierbarkeit in der Blechebene am kleinsten, was dadurch angedeutet ist, dass in dieser Richtung nur ein Pfeil eingezeichnet ist. Das bedeutet, dass in dieser Richtung ein grösserer magne- tischer Widerstand herrscht. Diese Richtung schwerster Magnetisierbarkeit erstreckt sich über den gesam- ten Querschnitt des Bleches, und der magnetische Fluss ist gezwungen, diesen Widerstand zu überwinden.
Fig. 4, die sich auf Material mit Flächentextur, u. zw. eine solche mit regellos orientierten Würfel- kanten, bezieht, zeigt dagegen, dass der magnetische Widerstand nicht richtungsabhängig ist.
Überdies ergibt sich, dass der gesamte Widerstand im Falle der Flächentextur kleiner ist als im Falle der Würfeltextur, da in einem Stanzring mit Flächentextur der Fluss überall Körner mit günstiger Orientierung vorfindet, was in einem gestanzten Ring mit Würfeltextur nicht der Fall ist.
Als weiteren Vorteil zeigen derartige Bleche mit Flächentextur bei Wechselfeldmagnetisierung einen geringeren Wirbelstromverlust als Bleche mit Würfeltextur. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Falle der Flächentextur, insbesondere bei der Flächentextur mit regelloser Kantenorientierung, die Abstände der sogenannten Blochwände, die die magnetischen Elementarbezirke voneinander trennen, kleiner sind als bei Würfeltexturblechen.
Bleche mit Flächentextur haben auch noch den Vorteil gegenüber Blechen mit Würfeltextur, dass sie einfacher und mit grösserer Sicherheit erzeugt werden können als solche mit Würfeltextur.
Beispielsweise konnte Blech aus Silizium-Eisen mit etwa 2, 2 bis 2, 8% Silizium mit Flächentextur auf folgende Weise hergestellt werden :
Die Legierung wurde mit 2, 80/0 Silizium und 0, 14% Mangan im Vakuum geschmolzen, vor dem Heisswalzen auf 12000C erwärmt, heiss gewalzt auf 2,6 mm, gebeizt, kalt gewalzt auf 1,8 mm und 5 h bei 800 C in feuchtem Wasserstoff geglüht, nach weiterem Kaltwalzen auf 0,8 mm erneut 5 h bei 8000C in feuchtem Wasserstoff geglüht.
Die abschliessende Kaltverformung erfolgte von 0,8 mm auf 0,04 mm mit einer Dickenverminderung von 95%. Nach einer 5stündigen Schlusswärmebehandlung bei 1100 C in trockenem Wasserstoff, wobei die Probe mit Chrom-Nickel-Platten abgedeckt war, zeigte das Gefüge eine vollständige und scharfe Rekristallisationstextur mit Orientierung (100) [012] ; über 85% der Kristalle haben eine Würfelkantenabweichung kleiner als 100 von dieser Orientierung, d. h. es lag eine Flächentextur mit Häufungsrichtungen der Würfelkanten bei +250, +650, -250, -650 gegen die Walzrichtung vor.
Durch eine oder mehrere anschliessende Kaltverformungen mit schwächerer Dickenverminderung kann die Zahl der Würfelkantenrichtungen in der Blechebene vergrössert werden, wie folgende Beispiele zeigen :
Eine vakuumgeschmolzene Charge mit 2, 7% Si und 0, 4% Mn wurde nach Vorwärmen auf 12000C auf 2,6 mm heiss gewalzt und nach Beizen mit einer Dickenverminderung von 93% auf 0, 17 mm kalt gewalzt.
Nach einer Schlusswärmebehandlung von 5 h bei 1100 C in trockenem Wasserstoff war das Gefüge in Flächentextur mit Häufungsrichtungen der Würfelkanten bei +250, +65 ,-25 ,-65 orientiert.
Ein Teil des Bandes 0, 17 mm wurde 5 h bei 9000C in trockenem Wasserstoff zwischengeglüht und anschliessend auf 0,08 mm Dicke (53% Verformung) kalt gewalzt. Nach Schlusswärmebehandlung in die- sem Stadium zeigen sich in der Flächentextur mehrere Häufungsrichtungen der Würfelkantenorientierung : bei 00, +120, +780, +900, -120, -780, -900.
Ein Teil des Bandes wurde bei 0, 08 mm abgezweigt, 5 h bei 9000C in trockenem Wasserstoff zwischengeglüht und mit 50% Abwalzung auf 0,04 mm kalt gewalzt und nun 5 h bei 1100 C in trockenem Wasserstoff schlussgeglüht. Das Gefüge rekristallisiert in Flächentextur nun mit regelloser Würfelkantenorientierung.
Ein anderer Teil dieser Schmelze, der nach Heisswalzen mit einer Dickenverminderung von 97% kalt gewalzt wurde, zeigte wieder nach Schlussglühung die oben angeführte Flächentextur mit Orientierung (100) [012]. Wurde aber eine Zwischenglühung von 5 h bei 9000C in trockenem Wasserstoff angewandt und das Band anschliessend mit 50% Verformung kalt gewalzt und dann schlussgeglüht, so wurde eine Flächentextur mit regelloser Würfelkantenorientierung erreicht.
Eine weitere Legierung mit 2, 2% Si, Rest Fe, wurde im Vakuum geschmolzen, vor dem Heisswalzen auf 1200 C erwärmt, heiss gewalzt auf 5 mm, gebeizt und auf 0, 2 mm kalt, d. h. mit 96% Dickenver-
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minderung, gewalzt. Anschliessend wurde im Durchlauf etwa 10 min bei 10000C in trockenem Wasserstoff geglüht. Die Schlussverformung erfolgte von 0, 2 mm auf 0, 12 mm (40% Dickenverminderung). Aus dem so gewonnenen Material wurden Ringe gestanzt und im Vakuum bei 12500C bei etwa 10'* Torr geglüht.
Die Grösse der Kaltverformungsschritte war so gewählt worden, dass nach der Schlussglühung sich eine Flächentextur mit regelloser Kantenorientierung ausbildete.
Zum Vergleich wurden Proben hergestellt, die in vier Schritten mit je 55-70% Dickenverminde- rung kalt auf 0, 12 mm gewalzt wurden mit Zwischenglühungen bei 800 und 1100 C in Wasserstoff. Die Proben wurden der gleichen Schlussglühung wie die zuletzt beschriebenen Proben unterworfen und zeigten dann Würfeltextur. Zirka 85% der Würfelkanten wichen nicht mehr als 100 von der Walzrichtung ab.
Eingehende Versuche haben ergeben, dass die Erzeugung einer Flächentextur besonders leicht durch eine hohe Kaltverformung erreicht werden kann. Wie gezeigt, erhält man eine vierfache-Aufspaltung der Würfelkantenverteilung in-der Blechebene durchAnwendung eines Schlussverformungsgrades von über 90%, vorzugsweise nicht unter 95%. Anderseits gelangt man zur Flächentextur mit regelloser Würfelkantenverteilung in der Blechebene durch Ausführung des zweitletzten Kaltverformungsschrittes mit einer Dickenabnahme grösser als 90% und einem Schlusskaltverformungsgrad zwischen 30 und 80je, vorzugsweise zwischen 40 und 700/o, oder auch z. B. durch Anwendung der Kaltwalzfolge 930/0/530/0/500/0.
Weiterhin lässt sich die Flächentextur auch bei grossen Banddicken leichter erreichen, bei denen die Würfeltextur nicht oder nur unter ganz besonders sorgfältiger Abstimmung aller Verarbeitungsschritte aufeinander entwickelt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Texturblech aus Silizium-Eisen-Legierungen mit etwa 2 - 50/0 Silizium, Rest im wesentlichen Eisen, bei dem zwei Würfelflächen jedes Elementarwürfels in der Walzebene bzw. parallel zur Walzebene liegen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in der Walzebene liegenden Kanten der Elementarwürfel um mindestens vier, von 0 und 900 gegenüber der Walzrichtung abweichenden Richtungen häufen, im Grenzfall also Regellosigkeit in der Winkelstellung der Würfelkanten zur Walzrichtung vorliegt.