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Verfahren zur Herstellung eines aus Siliziumeisen bestehenden magnetischen Bandes oder Bleches mit Goss- oder Würfeltextur
Die Erfindung betrifft die Herstellung eines eisen-und siliziumhältigen Streifenmaterials, welches eine Kornorientierung mit stark ausgeprägter Gefügeausbildung mit mindestens einer Richtung leichter Magnetisierbarkeit aufweist.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um Bleche aus ferromagnetischem Material mit orientiertem Korn herzustellen, in welchen die Kristallkörner so ausgerichtet sind, dass die Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit in bezug auf die Körner mit der Magnetisierungsrichtung des Blechmaterials zusammenfällt. Es wurde gefunden, dass wegen der bedeutenden Verbesserung der magnetischen Eigenschaften solcher Materialien die Grösse, das Gewicht und die Herstellungskosten von Transformatoren, Induktionsreglern, dynamoelektrischen Maschinen u. a. elektrischen Vorrichtungen, bei welchen die magnetischen Leiter einen intensiven magnetischen Fluss aufnehmen müssen, merklich herabgesetzt werden können.
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Blech mit bevorzugter Orientierung wird eisensiliziumhältiges Blechmaterial während der Endstufen der Behandlung zur Verringerung der Dicke in einem oder mehreren vorbestimmten Zyklen entspannt und geglüht, um eine Kaltverformungsstruktur zu erzielen, die nach der Rekristallisation ein Material mit einem wohl ausgeprägten faserartigen Gefügezustand mit grossen Körnern erhalten, die eine der Kristallform (110) l001J entsprechende Orientierung aufweisen. Ein so ausgerichtetes Material ist anisotrop und hat optimale magnetische Eigenschaften in der [001] Richtung, parallel zur Walzrichtung, während die Eigenschaften quer zur Walzrichtung schlechter sind.
In letzter Zeit wurden orientierte Blechmaterialien mit guten magnetischen Eigenschaften sowohl quer als auch parallel zur Walzrichtung entwickelt. Bei einer derartigen Orientierung sind die raumzentrierten kubischen Kristallgitter der meisten Körner so orientiert, dass vier Würfelflächen im wesentlichen parallel zur Walzrichtung liegen, wobei zwei dieser Flächen auch im wesentlichen parallel zur Blechebene verlaufen, während die beiden andern im wesentlichen senkrecht zur Blechebene verlaufen und die beiden restlichen Würfelflächen im wesentlichen senkrecht zur Walzrichtung und zur Blechebene liegen.
Diese Lage wird durch (100) [001] definiert.
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säulenförmige Kornstruktur besitzen. Durch geeignetes Heiss-, Warm- oder Kaltwalzen von derartigen, im Gusszustand befindlichen Platten einer Dicke bis zu etwa 2,54 cm oder von Platten derselben Dicke, die von einem grösseren Gussstück (Ingot) durch Abschneiden erhalten wurden, sowie bei Einhaltung der Richtung der Längsachsen der stäbchenförmigen Körner zu den Walzrichtungen und Walzebenen, erhält man ein Produkt mit einer Kaltwalzstruktur, die durch Rekristallisation beim Glühen zu einem Blechoder Streifenmaterial mit der gewünschten (100) [001] Orientierung führt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein neues Verfahren zur Herstellung eines magneti- schen Blechmaterials mit orientiertem Korn zu schaffen, bei welchem die Type der zu erzielenden Korn-
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orientierung eingestellt und zuverlässig reproduziert werden kann.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird zunächst eine magnetische Legierung auf Eisenbasis hergestellt, welche nicht weniger als 92 Gew.-% Eisen und nicht mehr als etwa 0,2 Gew. -0/0 Verunreinigungen enthält, diese Legierung auf eine Dicke bis zu etwa 0,38 cm ausgewalzt und schliesslich das beim Walzen erhaltene Band oder Blech bei einer Temperatur von nicht weniger als 1000 C zur Gefügeentwicklung geglüht.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen aus. 2 bis 6 Gew. -0/0 Silizium, bis zu8 Gew. -%Aluminium, bis zu5 Gew.-'% Molybdän, höchstens etwa 0,2 Gew. -0/0 ungewollte Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Eisen, bestehenden Bandes oder Bleches, dessen Kristallkörner der Hauptsache nach in einer bevorzugten Richtung entsprechend den Kristallformen (110) [001] (Goss-Textur) oder (100) [Op1] (Würfeltextur) orientiert sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass während der die Gefügeausbildung bewirkenden Glühbehandlung die in der Oberfläche des Bandes oder Bleches vorhandene Sauerstoffmenge auf höchstens 6 Teile je 1 Million Teile vermindert wird, um die Goss-Textur zu erhalten, oder auf mehr als 6 Teile je 1 Million Teile eingestellt wird,
um die Würfeltextur zu erhalten.
Für das erfindungsgemässe Verfahren geeignete magnetische Legierungen sind solche, die 2 - 60/0 Silizium, bis zu 8% Aluminium und bis zu 5% Molybdän oder eine Kombination dieser Metalle, und nicht weniger als etwa 92 Gew.-% Eisen enthalten. Die vorliegende Erfindung betrifft zwar in erster Linie Silizium-Eisen-Legierungen, doch kann das Silizium nach wohlbekannten Verfahrensweisen teilweise oder zur Gänze durch Aluminium und bzw. oder Molybdän ersetzt werden.
Alle in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Anteile der Zusammensetzung stellen Gewichtsprozente dar. Zur Erzielung optimaler Resultate soll der Eisen- und Siliziumgehalt zusammen vorzugsweise mindestens etwa 99, 8% der gesamten Masse ausmachen. Verunreinigungen und zufällig vorhandene Elemente sollen insgesamt etwa 0, 2go nicht überschreiten. Nicht metallische Verunreinigungen, wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff sollen nicht mehr als insgesamt etwa 0, 02% betragen und so niedrig als praktisch erreichbar gehalten werden.
Vorzugsweise sollen dabei die nachfolgend angegebenen Maximalmengen nicht überschritten werden :
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<tb>
<tb> Element <SEP> Maximalgehalt <SEP> in <SEP> 0/0
<tb> S <SEP> 0,003
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 003 <SEP>
<tb> Of <SEP> 0, <SEP> 005
<tb> N2 <SEP> 0, <SEP> 001
<tb>
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Körner entweder die Würfelebenen (100) oder die durch den auf die Kante gestellten Würfel verlaufenden (110)-Ebenen in der Blechfläche selbst liegen bzw. parallel hiezu orientiert sind, dass das Blech eine Dicke von nicht mehr als etwa 0,38 cm und einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als etwa 0,005 Gel.-% (50 Teile auf 1 Million Teile) haben darf.
In Übereinstimmung mit diesen Erfordernissen, die nachstehend im einzelnen besprochen werden, erfolgt die Regulierung des an der Oberfläche des Bleches vorhandenen Sauerstoffes durch entsprechende Einstellung der Zusammensetzung und der zuletzt angewandten Glühatmosphäre, um so eine der beiden bevorzugten Kornorientierungen auszubilden. Wenn es erwünscht ist, dass die Körner so orientiert sind, dass ausser dem gleichen Verlauf der (100) - bzw. (110) -Ebenen in bezug auf die Blechebene auch die Würfelkanten der Einheitswürfel in einer gemeinsamen Richtung verlaufen, muss die Legierung vor dem abschliessenden Glühen mechanisch durch Auswalzen auf die gewünschte Dicke verformt werden.
Wenn die gleiche Ausrichtung der Einheitswürfel nicht notwendig ist und nur der parallele Verlauf der (100) - oder (110) -Ebenen mit der Blechebene erwünscht ist, erübrigt sich die Verformung. Es können daher Bänder oder Bleche von 0, 38 cm Dicke oder weniger unmittelbar durch Guss hergestellt werden.
Beim üblichen Verfahren wird zunächst die Dicke eines Gusskörpers dadurch vermindert, dass man aus demselben ein Metallblech einer nominellen Dicke von nicht weniger als etwa 0,254 cm als Zwischenprodukt bildet. Ein wesentlicher Teil dieser Dickenverminderung wird durch Heissbearbeitung im wesentlichen in einer Richtung und in einem Temperaturbereich von etwa 700 bis 12000C erzielt. Das Zwi-
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schenprodukt wird anschliessend bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 700- 1 200 C, genügend lange geglüht, um die Warmverformungsstruktur zur Rekristallisation zu bringen, beispielsweise durch eine Behandlung von etwa 0, 1 bis 10 h Dauer in einer für Silizium im wesentlichen nicht oxydierenden Atmosphäre, wie trockener Wasserstoff mit einem Taupunkt von höchstens -40oC.
Das geglühte Produkt wird dann einer Kaltverformung um mindestens 250/0 im wesentlichen in der gleichen Richtung (beispielsweise im Bereich von 40% bis zu 99, 50/0) unterworfen. Dabei werden erforderlichenfalls, wenn die Dickenverminderung in mehr als einer Stufe erfolgt, Zwischenglühungen vorgenommen, um auf Dicken bis höchstens etwa 0,38 cm zu kommen. Die Zwischenglühung, die ebenfalls unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, die auf Silizium im wesentlichen nicht oxydierend wirken (z. B. trockener Wasserstoff mit einem Taupunkt nicht über -40oC), kann in einem Temperaturbereich von etwa 7000C bis 12000C während einer genügend langen Zeit, wie z. B. 0, 1 - 10 h erfolgen, um die Rekristallisation herbeizuführen.
Ist die endgültige Dicke erreicht, so wird das kalt bearbeitete Material einer abschliessenden Glühung unterworfen, u. zw. bei erhöhter Temperatur sowie in einem ausgewählten Medium und während einer genügend langen Zeit, um zuerst das kalt verformte Material zu rekristallisieren, und sodann während eines weiteren Zeitabschnittes bei derselben oder einer höheren Temperatur, um eine sekundäre Rekristallisa- tion herbeizuführen. Die Temperatur der letzten Glühbehandlung kann im Bereich von etwa 1000 C bis 13500C liegen und für Dicken bis höchstens etwa 0,38 cm bis zu etwa 16 h dauern, wobei die Glühdauer mit zunehmender Dicke zunimmt und mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Unter gewissen Bedingungen ist die Würfelfläche oder (100)-Ebene diejenige mit der niedrigsten Ober- flächenenergie und die Körner, deren Würfelebene in die Ebene des Blechstreifens fällt, wachsen auf Kosten der umgebenden Körner. Unter Oberflächenenergie ist hier die Energie an der Grenzfläche zwischen dem Metall und dessen Umgebung oder dessen angrenzender Atmosphäre zu verstehen. Unter andern Bedingungen wachsen wieder die Körner, deren (110)-Ebenen parallel zur Ebene des Streifens verlaufen, auf Kosten der umgebenden Körner. Insbesondere wurde gefunden, dass der Gehalt des Materials an Verunreinigungen, genauer gesagt der Sauerstoffgehalt, eine regulierende Wirkung auf das Wachstum und die Orientierung der Körner ausübt, wenn das zur Bearbeitung gelangende Blechmaterial einen verhältnismä- ssig dünnen Querschnitt hat.
Diese Wirkung hängt von den Oberflächenenergien ab, welche je nach vorhandener Sauerstoffmenge das Wachstum eines Gefüges mit solcher Kristallorientierung hervorrufen, bei welcher die Würfel entweder auf der Kante oder auf ihrer Fläche stehen.
Es wurde eine Reihe von Versuchen angestellt, bei welchen unterschiedliche Sauerstoffmengen an der Oberfläche eines dünnen, u. zw. weniger als etwa 0,38 cm dicken Streifenmaterials vorhanden waren.
Dabei wurde beobachtet, dass die Oberflächenenergie der (110)-Ebene niedriger als die Oberflächenenergie der (100)-Ebene war, so dass bei einem weniger als etwa 6 Teile Sauerstoff auf 1 Million Teile enthaltenden Material die Ausbildung einer Kristallorientierung mit auf der Kante stehenden Würfeln bewirkt wird. Anderseits führt ein Material, das mehr als 6 Teile Sauerstoff auf 1 Million Teile enthält, zur Entwicklung einer kubischen Struktur bzw. Orientierung mit auf der Würfelfläche stehenden Kristallen als sekundäre Rekristallisationsstruktur. Es ist leicht einzusehen, dass die kritische Sauerstoffmenge, welche eben mit 6 Teilen Sauerstoff je Million Teile angegeben wurde, in der Praxis von diesem Wert etwas abweichen kann.
Das erste Problem, das bei der Feststellung der genauen kritischen Sauerstoffmenge auftaucht, ist die Bestimmung des im untersuchten Material tatsächlich vorhanden gewesenen Prozentgehaltes. Die chemische Analyse von Metallen zur Bestimmung dieser sehr geringen Sauerstoffgehalte ist äusserst schwierig und lässt Analysenfehler nicht vermeiden. Ausserdem kann bei Behandlung von Blechen mit äusserst dünnem Querschnitt, beispielsweise in der Grössenordnung von 0,051 bis 0,076 mm, ein etwas höherer Sauerstoffgehalt vorhanden sein, da die Geschwindigkeit, mit welcher der Sauerstoff aus dem Material entfernt werden kann, im Vergleich zur Geschwindigkeit, mit welcher er aus einem Band oder Blech von beispielsweise 0,33 mm Querschnitt entfernt werden kann, verschieden ist.
So ist es manchmal möglich, ein handelsübliches Walzmaterial von ziemlich hoher Reinheit zu verwenden, ohne dass es notwendig wäre, ein unter Vakuum geschmolzenes Material heranzuziehen, um mit Sicherheit einen genügend niedrigen Gehalt an Verunreinigungen zu erzielen. Bei Verwendung einer reinigenden Atmosphäre, wodurch Sauerstoff aus dem Band oder Blech entfernt wurde, ergab sich als sekundäre Rekristallisationsstruktur ein Gefüge mit Kristallorientierung mit auf der Würfelfläche stehenden Kristallen. Fortgesetztes Erhitzen führte dann zur Entwicklung einer tertiären Rekristallisationsstruktur mit Kristallorientierung mit den auf der Kante stehenden Würfeln.
Die Art'des schliesslich im Material entwickelten Gefüges hängt daher von der Sauerstoffmenge ab, die auf der Oberfläche des Körpers während der letzten Glühbehandlung vorhanden ist. Es leuchtet ein,
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dass die Einstellung der Sauerstoffmenge auf verschiedene Weise durchgeführt werden kann. Insbesondere kann der Sauerstoffgehalt der Ausgangslegierung von vornherein in geeigneter Höhe gewählt werden, so dass die gewünschte Orientierung mit der geringsten Schwierigkeit entwickelt werden kann.
Wünscht man also ein Gefüge mit einer Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln, so muss der Sauerstoffgehalt des Materials und der Atmosphäre auf einer möglichst niedrigen Höhe gehalten werden, da zur vollständigen Gefügeentwicklung mit einer Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln die Entfernung des Sauerstoffes notwendig ist. Wird jedoch anderseits ein Gefüge mit einer Kristallorientierung entsprechend den auf der Fläche stehenden Würfeln, also eine Würfeltextur angestrebt, so kann die erforderliche Sauerstoffmenge an der Oberfläche dadurch bereitgestellt werden, dass entweder schon in der Ausgangslegierung eine ausreichende Sauerstoffmenge vorhanden ist, oder indem man den notwendigen Sauerstoff aus der umgebenden Atmosphäre zuführt.
Auf alle Fälle ist jedoch die beim letzten Glühen verwendete Umgebung für die im Körper entwickelte Gefügeart bestimmend.
Aus einer Legierung mit einem Überschuss an Sauerstoff, also mit einem angenommenen Sauerstoffgehalt von mehr als 0,005 Gew. -0/0, kann eine Würfeltextur (Gefüge mit einer Kristallorientierung mit auf der Fläche stehenden Würfeln) durch entsprechendes Heiss- und Kaltwalzen des Bandes oder Bleches in der bereits früher dargelegten Weise somit einer abschliessenden Glühbehandlung desselben in einem Edelgas wie Argon oder Krypton, das entweder feucht oder trocken sein, d. h., einen höheren oder niedrigeren Taupunkt als -400C haben kann, erzielt werden, oder auch durch Glühen in einer reinigenden Atmosphäre wie Vakuum oder Wasserstoff, u. zw.
genügend lange, um eine Würfeltextur zu entwickeln, aber nicht lange genug, um das Fortschreiten der Kristallisation zum tertiären Gefüge mit auf der Kante stehenden Würfeln zu gestatten.
Anderseits kann in dieser Legierung mit überschüssigem Sauerstoff leicht das (110) [001]-Gefüge e'itwik- kelt werden, indem man das weniger als 0,38 cm dicke gewalzte Blech mit einer Magnesiumoxydschicht überzieht. Diese Magnesiumoxydschicht isoliert das überzogene Metall von der umgebenden Atmosphäre. Das überzogene Material wird hierauf in einer reinigenden Atmosphäre einer Glühbehandlung zur Gefügeentwicklung unterworfen, wozu man insbesondere trockenen Wasserstoff mit einem Taupunkt nicht über -400C oder ein Vakuum entsprechend einem Gehalt von nicht mehr als 1 jn Sauerstoffdruck anwendet.
Die Glühbehandlung wird ausreichend lange Zeit durchgeführt, um die Magnesiumoxydschicht von der Oberfläche zu verdampfen und verstärktes Wachstum jener Körner hervorzurufen, die in der (110) [001]-Stellung orientiert sind. Die Temperatur der abschliessenden Glühbehandlung liegt im allgemeinen im Bereich von 1100 bis 1 3000C bei einer Glühdauer von 4 bis 16 h. Die Funktion des Magnesiumoxydüberzuges liegt offenbar darin, das Wachstum so lange zu verzogern, bis der Sauerstoffgehalt des Metalls zu niedrig geworden ist (etwa 6 Teile auf l Million Teile), um das Wachstum von Körnern mit Würfeltextur zu gestatten.
Der aus dem Blech oder Band entfernte Sauerstoff verbleibt offensichtlich im Magnesiumoxydüberzug. Wenn schliesslich der Magnesiumoxydüberzug von der Oberfläche des Bleches oder Bandes verdampft wird, setzt die Orientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln durch Wachstum der Körner mit (110) [OOlJ-Gefügeein.
Allgemein gilt, dass der Sauerstoffgehalt der verwendeten Reinigungsatmosphäre, nämlich Wasserstoff oder Vakuum, genügend niedrig sein muss, um die Oxydation von Silizium bei den abschliessenden Glühtemperaturen von 1000 bis 13500C zu verhindern. Wenn der Sauerstoffgehalt diese Menge überschreitet, so wird der Sauerstoffgehalt des Metallkörpers nicht genügend herabgesetzt, um eine Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln zu ermöglichen.
Verwendet man also ein Edelgas, so ist die Dauer der abschliessenden Glühbehandlung nicht kritisch, während bei Verwendung einer Reinigungsatmosphäre, wie trockener Wasserstoff oder Vakuum, die Rekristallisation in der Sekundärstufe unterbunden werden muss. Wenn die Textur mit auf der Kante stehenden Würfeln erwünscht ist, kann selbstverständlich die Glühbehandlung genügend lange fortgesetzt werden, um das Wachstum der (110)-Körner auf Kosten der bereits gebildeten (100)-Körner zu ermöglichen.
Ein anderer Faktor, der im Zusammenhang mit dem Sauerstoffgehalt im Metall und seiner Umgebung in Betracht gezogen werden muss, ist die in der Ausgangslegierung vorhandene Siliziummenge. Wenn ein Siliziumgehalt in der Grössenordnung von 2 Gel.-% zur Anwendung gelangt, dann ist eine ausreichende Sauerstoffmenge in der Legierung löslich, was bei entsprechender Regulierung der weiter oben erläuterten Faktoren eine mühelose Entwicklung der Würfeltextur oder der Würfelkantentextur erlaubt, Wenn anderseits eine Legierung mit verhältnismässig hohem Siliziumgehalt, beispielsweise im Bereich von 5 oder 6 Gew.-% verwendet wird, dann können eine Wasserstoffatmosphäre oder Vakuum nicht mit so guter Wirkung wie eine sauerstoffhältige Edelgasatmosphäre zur Ausbildung der Würfeltextur angewendet werden,
wogegen eine Würfelkantentextur bei Anwendung von Wasserstoff, Vakuum oder einer trockenen, sauer-
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stofffreien Edelgasatmosphäre leicht erhalten werden kann. Diese Schwierigkeit beruht auf den unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten von Sauerstoff in den beiden Legierungszusammensetzungen.
Sauerstoff diffundiert nämlich durch eine 5% Silizium enthaltende Legierung viel langsamer als durch eine Legierung mit 21o Silizium. Dazu kommt noch die Tatsache, dass normalerweise in der Legierung mit dem höheren Siliziumgehalt weniger Sauerstoff enthalten ist als in der Legierung mit dem niedrigeren Siliziumgehalt, so dass die gleiche Sauerstoffmenge für die Diffusion vom Inneren des Körpers zur Oberfläche zwecks Erzielung der gewünschten Resultate nicht so leicht zur Verfügung steht.
Zur Erläuterung der Wirkung des Sauerstoffgehaltes und der Einwirkung des umgebenden Mediums während der Glühbehandlung für die Gefügeentwicklung wurde eine Legierung benutzt, die durch Vakuumschmelzung von hoch reinem Elektrolyteisen und von Silizium und Giessen zu Platten hergestellt wurde.
Der Gesamtgehalt an Verunreinigungen lag im Bereich von 0,006 Gel.-%. Die Platte wurde auf 11000C erhitzt und auf eine Dicke von 1, 27 cm ausgewalzt, mit Zwischenerhitzungen nach den einzelnen Walzgängen, um die Temperatur auf etwa 11000C zu halten. Hierauf wurde das Material bei 1 0000C auf eine Dicke von 0,63 cm gewalzt und während 1 h in trockenem Wasserstoff (Taupunkt-56, 7 C) bei 1 0000C geglüht.
Anschliessend wurde auf eine Dicke von 0,254 cm kalt gewalzt und hierauf 5 h bei 7000C in trockenem Wasserstoff geglüht. Dann wurde abermals, u. zw. auf eine Dicke von 0,127 cm kalt gewalzt und anschliessend während 1/2 h bei 900 C in trockenem Wasserstoff (Taupunkt -56,'lOG) geglüht, das Blech oder Band auf eine Dicke von 0,063 cm kalt gewalzt und dann während 1/2 h in trockenem Wasserstoff vom Taupunkt -56, 70C auf eine Temperatur von 9000C erhitzt und schliesslich auf eine Dicke von 0, 031 cm kalt gewalzt. In diesem Stadium hatte der kaltgewalzte Körper hauptsächlich eine (111) [112]- Struktur. Ein Teil des Materials wurde hierauf auf eine Dicke von 0,015 cm gewalzt. Alle Proben wurden vor der letzten Glühbehandlung elektropoliert.
Probestücke aus diesem Material wurden hierauf der abschliessenden Glühbehandlung entweder in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von höchstens -40oC oder in einem Vakuum von nicht mehr als 1 p Sauerstoffdruck oder in Argon mit einem Taupunkt von höchstens -40oC unterworfen, wobei, wie nachstehend beschrieben wird, eine Materialsorte mit einem Gehalt vor der Glühung von ungefähr 6 bis 7 Teilen Sauerstoff auf 1 Million Teile und eine zweite Materialsorte mit einem Gehalt vor der letzten Glühung von ungefähr 8 bis 10 Teilen Sauerstoff auf 1 Million Teile verwendet wurde.
Die erste Materialsorte mit 6 - 7 Teilen Sauerstoff auf 1 Million Teile wurde bei 1 2000C verschieden lang in einer etwas Sauerstoff enthaltenden Argonatmosphäre (Taupunkt-56, 7 C) erhitzt. Nach einer Glühdauer von 1/2, 1, 2,4 und 8 h wurden Proben entnommen, um die während des Glühens eintretende Kristallorientierung festzustellen. Nach 1/2 h wies die Probe etwa 15% Körner mit Würfeltextur auf ; nach
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rungsbehälter entnommen war ("tank argon" mit einem Taupunkt von-56, 70C) und daher etwas Sauerstoff zuführte, eine ausreichende Sauerstoffmenge für die Gefügeentwicklung entsprechend einer Kristallorientierung in Würfeltextur, die sich schliesslich über das ganze Probestück erstreckte.
Das Material mit dem höheren Sauerstoffgehalt von 8 bis 10 Teilen auf 1 Million Teile wurde unter Anwendung ähnlicher Verfahrensweisen behandelt. Dabei kam es zur gleichen Gefügeausbildung, doch war eine etwas längere Abschlussglühung notwendig, da die Korngrenzflächen durch Oxydteilchen etwas aneinander haften.
Probestücke aus dem gleichen Material wie beim vorstehenden Beispiel wurden im Vakuum während
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der Sauerstoffgehalt des Materials, das ursprünglich 6 - 7 Teile auf 1 Million Teile enthielt, auf etwa 4 Teile je Million Teile gesunken und betrug nach 6 h etwa 3 Teile auf 1 Million Teile. Da in diesem Fall der anfängliche Sauerstoffgehalt genügend hoch war, um das Wachstum von Würfeltexturen einzuleiten, begannen in den Probestücken zuerst Körner mit Würfeltextur zu wachsen und erst nach etwa 2 h Glühdauer war überwiegend eine Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln bzw. den (110)-Ebenen festzustellen, was dann zur dominierenden und andere Stellungen ersetzenden Orientierung wurde.
Am Ende der 6stündigen Glühbehandlung wiesen schliesslich die Probestücke eine im wesentlichen vollständige Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln auf.
Demgegenüber bestand das Material mit dem höheren Sauerstoffgehalt, das ursprünglich einen Sauerstoffgehalt von 8 bis 10 Teilen Sauerstoff auf 1 Million Teile hatte, nach 2 h Glühdauer im wesentlichen vollständig aus Körnern in Würfeltextur. Erst nach Fortsetzung der Glühbehandlung während eines viel längeren Zeitraumes rekristallisierten die Probestücke vom kubischen Gefüge zu dem Gefüge mit einer Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln.
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oberhalb welcher eine Kristallorientierung in Würfeltextur und unterhalb welcher eine Kristallorientierung in Würfelkantentextur stattfindet, sofern die Bleche oder Bänder in geeignet ausgewählten Medien geglüht werden.
Einige Probestücke wurden auch in Wasserstoff mit einem Taupunkt von-56, 7 C ebensolange geglüht, wie im Vakuum. Es ergab sich dasselbe Wachstumsschema, wobei die Kristallorientierung nach einer Glühdauer von 3 bis 8 h vollendet war.
Wünscht man eine Kristallorientierung in Würfeltextur, bei welcher die [001 ]-Richtung unter einem Winkel von 200 bis 300 auf der einen oder andern Seite der Walzrichtung verläuft, so wird die zur Erzie- lung der gewünschten Dicke erforderliche Kaltbearbeitung von der abschliessenden Glühbehandlung im allgemeinen etwa 70 - 99, 5tao, vorzugsweise mindestens etwa 90% ausmachen. Die Temperatur der letz-. ten Glühbehandlung liegt allgemein im Bereich von etwa 1000 bis 1 350oC, bei einer genügend langen Glühdauer von gewöhnlich bis zu etwa 8 h, um die sekundäre Rekristallisation zu bewirken.
Bei Erzeugung einer Kristallorientierung in Würfeltextur, bei welcher die [001]-Richtung der Kristalle in bezug auf die Walzrichtung regellos verläuft, wird das geglühte Zwischenprodukt um 70 - 950/0 kalt gewalzt, dann im Temperaturbereich von etwa 700 bis 1 2000C gerade so lange geglüht, um zuerst die Kaltwalzstruktur zur primären Rekristallisation zu bringen. Hierauf wird eine Kaltbearbeitung zwecks Verminderung der Dicke um etwa 40 - 70% bis auf Dicken von weniger als 0,38 cm vorgenommen und anschliessend im Temperaturbereich von etwa 1000 bis 13500C ausreichend lange, gewöhnlich 8 hge- glüht, um die sekundäre Rekristallisation zu bewirken.
Wünscht man eine Kristallorientierung in Würfeltextur, bei welcher die [001]-Richtung unter einem Winkel zwischen 50 oder 100 zur Walzrichtung verläuft, so wird das geglühte Zwischenprodukt zunächst Walzvorgängen zur Dickenverminderung um 25-70% und Zwischenglühungen im Temperaturbereich von 700 bis 1 2000C von genügend langer Dauer unterworfen, um die durch Kaltbearbeitung hervorgerufene Struktur zu rekristallisieren. Die Walzvorgänge werden so lange wiederholt, bis man Dicken von weniger als etwa 0,38 cm erhält, wonach das zuletzt erhaltene Material bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 13500C genügend lange, beispielsweise bis zu 8 h, geglüht wird, um die sekundäre Rekristallisation zu bewirken.
Dickenverminderungen um 50% werden bevorzugt, um [001]-Richtungen unter einem Winkel innerhalb von 50 zur Walzrichtung zu erzielen.
Bei der Erzeugung einer Kristallorientierung in Würfeltextur sollen die zur endgültigen Dicke führenden Kaltwalzvorgänge eine Dickenverminderung um 25 - 70% bewirken. Das Glühen des Endproduktes entspricht den genannten Verfahren, wobei man aber, wie vorstehend angegeben, eine andere Atmosphäre und eine andere Glühzeit verwendet.
In den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung an Hand verschiedener Ausführungsformen weiter erläutert.
Beispiel l : Zur Herstellung eines Gussstückes des erwünschten Reinheitsgrades wurde Elektrolyt- eisen unter Vakuum geschmolzen, mit Wasserstoff zur Entfernung von Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff behandelt und hierauf das Eisen zwecks Entfernung des Wasserstoffes erstarren gelassen. Das gereinigte Eisen wurde abermals geschmolzen und Silizium in Form einer Eisen-Silizium-Legierung unter Bildung einer etwa 3, 5% Silizium enthaltenden Legierung zugesetzt. Die Legierung wurde hierauf in eine Graphitform gegossen, wobei eine Platte von 3,18 cm Dicke, 15,2 cm Breite und 30,5 cm Länge erhalten wurde.
Die so erzeugte Eisen-Silizium-Legierung enthielt 3, 31% Silizium, weniger als 0,001% Mangan weniger als 0,001% Aluminium, 0, 003% Schwefel, 0, 003% Kohlenstoff, 0, 0005% Sauerstoff und 0, 0005% Stickstoff.
Die Platte, deren Kristallkörner regellos orientiert waren, wurde in Wasserstoff auf eine Temperatur von etwa 1100 C erhitzt und in Stichen von 0, 127. cm auf eine Dicke von 1, 27 cm ausgewalzt. Nach jedem Walzgang wurde wieder auf die Temperatur von 11000C erhitzt, bis schliesslich die Dicke von
1, 27 cm erreicht war. Die Temperatur wurde hierauf auf 10000C vermindert und die Bearbeitung fortge- setzt, bis man eine 0,63 cm dicke Platte erhielt. Die Platte wurde dann in trockenem Wasserstoff (Tau- punkt-56, 7 C) 1 h lang bei 1 0000C geglüht und anschliessend bei Raumtemperatur auf ein Zwischenpro- dukt von etwa 0,254 cm Dicke gewalzt.
Ein Abschnitt dieses Zwischenproduktes wurde in trockenem Wasserstoff bei 7000C 5 h geglüht, wo- bei das Erhitzen und Abkühlen sehr rasch erfolgte. Ein Teil dieses Abschnittes wurde auf eine Dicke von
0,0305 cm (88% Verminderung), ein anderer Teil auf 0,008 cm (97% Verminderung) gewalzt.
Das 0,0305 cm dicke Blech wurde hierauf in trockenem Wasserstoff (Taupunkt -56, 70C) 8 h bei 12000C einer Hochtemperaturerhitzung unterworfen. Diese Zeit reichte aus, um primäre und sekundäre
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Rekristallisation (nämlich die erste Stufe der sekundären Rekristallisation) zu bewirken. Die gebildeten Kristalle hatten einen Durchmesser von 1/2 bis zu 1 1/2 cm. Man erhielt verschiedene Würfeltexturen, bei welchen die (100)-Ebenen unter einem Winkel innerhalb von 40 zur Parallelebene zur Walzebene verliefen und die [001]-Richtungen unter einem Winkel zwischen 20 - 300 auf der einen oder andern Seite zur Walzrichtung verliefen, wobei für etwa die Hälfte der Kristalle die [001]-Richtungen links und für die andere Hälfte rechts verliefen.
Bei dem 0,008 cm dicken Blech wurden ähnliche Resultate erhalten. Dieses Blech bildet sekundäre Kristalle, wenn es, vorzugsweise rasch, während 15 min bis zu 1/2 h auf 900-1000 C und dann rasch auf 12000C erhitzt wird und 8 h lang auf dieser Temperatur gehalten wird. In diesem Fall sind die Kristalle kleiner als bei dem dickeren Blech.
Das Mindestmass der durch Kaltbearbeitung hervorgerufenen Dickenverminderung zwecks Erzielung einer sekundären Rekristallisation scheint im Bereich von etwa 90% zu liegen (d. h. ein Walzen von 0,254 cm auf 0,0203 cm). So wurde z. B. bei dem dünnen Blech (Dickenverminderung 970/0) eine vollständige sekundäre Rekristallisation erzielt, während bei dem 0,305 cm dicken Blech (Dickenverminde- rung 88%) die sekundäre Rekristallisation nur ein Ausmass von über 80% erreichte. Beim Erhitzen in Argon mit ähnlichem Taupunkt oder in einem Vakuum von 100 p Quecksilbersäule erhielt man ähnliche Resultate.
Das nach obigem Verfahren hergestellte Material eignet sich in idealer Weise für die Lamellierung der Rotoren und Statoren von Motoren und Generatoren.
Beispiel 2: Bei diesem Beispiel wurde das 0,254 cm dicke Zwischenprodukt wie in Beispiel 1 geglüht und hierauf in Stufen, die jeweils eine Dickenverminderung um 50% bewirkten, auf Dicken von 0, 0305 cm bis 0,00254 cm kalt gewalzt. Das gewalzte Material wurde nach jeder Walzstufe bei 900 C in trockenem Wasserstoff mit einem nicht höher als bei -400C liegenden Taupunkt 30 min lang geglüht.
Das dabei erhaltene Material wurde dann, je nach seiner Dicke, bei 1 2000C in Zeitabschnitten bis zu 8 h Dauer (diese Temperatur wurde mit einem Anstieg von 1000C pro Stunde erreicht) bis zur Vollendung der sekundären Rekristallisation in folgender Weise geglüht :
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<tb>
<tb> Dicke <SEP> (cm) <SEP> Temperatur <SEP> Zeit <SEP> (Stunden)
<tb> 0, <SEP> 00254 <SEP> 1 <SEP> 2000C <SEP> 1/2
<tb> 0, <SEP> 0076 <SEP> 1 <SEP> 2000C <SEP> 2
<tb> 0, <SEP> 0152 <SEP> 1 <SEP> 2000C <SEP> 4
<tb> 0, <SEP> 0305 <SEP> 1 <SEP> 2000C <SEP> 8
<tb>
Bei allen Proben war das Gefüge nach der primären Rekristallisation zu etwa zo ein Gefüge entsprechend den auf der Fläche stehenden Würfeln (Würfeltextur), während nach Vollendung der sekundären Rekristallisation die (100)-Ebenen der meisten Körner unter einem Winkel innerhalb von etwa 4 parallel zur Walzebene verliefen, während die [001]-Richtungen unter einem Winkel von 150 zur Walzrichtung verliefen. Bei dem 0,031 cm dicken Material verliefen bei 65% der Körner die [001]-Richtungen innerhalb von 150 zur Walzrichtung.
Bei dem 0, 015 cm dicken Material hatten 80% der Körner innerhalb eines Bereiches von 100 gleichen Verlauf mit der Walzrichtung, wobei mit noch dünneren Materialien ein noch besserer gemeinsamer Verlauf zu erzielen ist.
Aus den bei Beispiel 1 und 2 erzielten Resultaten geht hervor, dass man mit Hilfe kleiner Änderungen in der Verfahrensweise bei der Herstellung eines hochgradig reinen Bleches unterschiedlicher Dicke mehrere brauchbare Gefügearten erzielen kann. Diese Texturen können als Variationen der Würfeltextur angesehen werden, da sie im allgemeinen durch eine Kristallorientierung entsprechend den im wesentlichen auf der'Fläche stehenden Würfeln gekennzeichnet sind (die (001)-Ebenen verlaufen innerhalb von 4 oder 50 zur Horizontal-oder Walzebene), wobei in einem Fall die [001]-Richtungen innerhalb von 100, möglicherweise innerhalb von 50 zur Walzrichtung verlaufen, oder in einem zweiten Fall innerhalb von 20 oder 30 orientiert, oder in einem weiteren Fall in bezug auf die Walzrichtung regellos gelagert sind.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden diese Variationen der bevorzugten Orientierung allgemein als mit den Würfeln auf der Fläche stehend (cube-on-face) bezeichnet, die auch die ideale Würfeltextur als das gewünschte Produkt einschliessen.
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In Fällen, wo die Kristallorientierung entsprechend den auf der Kante stehenden Würfeln erwünscht ist, können ähnliche Verfahrensweisen angewendet werden, wobei aber während der die sekundäre Rekristallisation bewirkenden Behandlung ein nicht oxydierendes Medium zur Anwendung gelangt.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern zwei Verfahren, die zur Herstellung dieses Gefügeausbaues verwendet werden können.
Beispiel 3: Das 0,254 cm dicke Zwischenprodukt, das wie bei den vorhergehenden Beispielen geglüht wurde, wurde in Stufen, die eine etwa 50% ige Dickenverminderung bewirkten, auf eine Streifendicke von 0,015 cm kaltgewalzt. Zwischen den einzelnen Walzstufen wurde das Material bei 9000C während 30 min in trockenem Wasserstoff geglüht.
Der Streifen wurde elektropoliert und hierauf in einem Vakuum (etwa 5 x 10-4 mm Quecksilbersäule) bei einer Temperatur von etwa 1 2000C 3 h lang zwecks Vollendung der zweiten Stufe der sekundären Rekristallisation erhitzt. Nach dem Glühen bestand der Streifen zur Gänze aus grossen Körnern in der (110) [001 ]-Orientierung und wies elektrisch bestimmte Torsionswerte der Grössenordnung von etwa IZOOOOerg/cm (Textur etwa 80go) auf, sowie Verhältnisse der Spitzentorsionswerte von etwa 0,35, die aus einem Diagramm der magnetischen Torsion gegen den Winkel zur Walzrichtung abgeleitet wurden. Bei Verwendung von Wasserstoff mit einem Taupunkt von höchstens -400C als Reinigungsmedium wurden ähnliche Resultate erzielt.
Beispiel 4 : Eine Silizium-Eisen-Legierung mit 3% Silizium wurde im Vakuum geschmolzen und in Ingotform gegossen. Dieses Material wies einen Gesamtgehalt an Verunreinigungen in Höhe von 0,006 Gew.-% auf. Der Ingot wurde sodann auf 1000 C erhitzt und ohne abermaliges Erhitzen zwischen den Walzstufen auf eine Banddicke von 0,254 cm heiss gewalzt. Das Band wurde hierauf 5 h in trockenem Wasserstoff bei 7000C geglüht und in Stufen mit einer jeweiligen Dickenverminderung um 50% auf eine Dicke von 0,015 cm kalt gewalzt. Nach jeder Walzstufe wurde das Material 30 min lang in trockenem Wasserstoff bei 9000C geglüht.
Der Streifen wurde hierauf unter Bildung einer glatten Oberfläche auf eine Dicke von 0,013 cm elektropoliert. Das Elektropolieren bewirkte auch eine geringe Senkung des Sauerstoffgehaltes in der Oberfläche des Materials sowie die Entfernung von oxydischen und andern verunreinigenden Teilchen. Um die Wirkung von Magnesiumoxyd zu zeigen, wurde ein Probestück hergestellt und mit einer Schicht Magnesiamilch überzogen, während das andere Probestück ohne jeden Überzug belassen wurde. Dann wurden beide Proben zur Vermeidung von Verunreinigungen auf Platten aus hochreinem Aluminiumoxyd gelegt und mit einer Aufheizungsgeschwindigkeit von 1000C pro Stunde auf 1 2300C erhitzt. Die Proben wurden während eines Zeitraumes von 8 h in trockenem Wasserstoff auf dieser Temperatur gehalten.
Die sekundären Kristalle des nicht überzogenen Probestückes hatten eine kubische oder (100) [001]Kornorientierung, während bei dem überzogenen Probestück, das ebenfalls eine grosse Anzahl sekundärer Kristalle enthielt, die meisten Körner in der (110) [001]-Stellung orientiert waren. Ungefähr 70% der Körner bei dem überzogenen Probestück wiesen eine (110) [001]-Orientierung auf. Ausserdem zeigte die Röntgenuntersuchung von 12 der sekundären Kristalle des überzogenen Probestückes, dass bei allen untersuchten Kristallen eine (110)-Ebenen unter einem Winkel innerhalb von 50 parallel zur Blechebene, sowie eine [OOl]-Richtung unter einem Winkel innerhalb von 50 zur Walzrichtung verläuft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen aus 2-6 Gew.-% Silizium, bis zu 8 Gew.-% Aluminium, bis zu 5 Gel.-% Molybdän, höchstens etwa 0,2 Gew.-% ungewollte Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Eisen, bestehenden Bandes oder Bleches, dessen Kristallkörner der Hauptsache nach in einer bevorzugten Richtung entsprechend den Kristallformen (110) [OOl] (Goss-Textur) oder (100) [001] (Würfeltextur) orientiert sind, wobei aus der Legierung ein Blech oder Band einer Dicke bis zu etwa 0, 38 cm geformt und dasselbe schliesslich bei einer Temperatur von mindestens 1000 C zur Gefügeausbildung geglüht wird, dadurch gekennzeichnet,
dass während der die Gefügeausbildung bewirkenden Glühbehandlung die in der Oberfläche des Körpers vorhandene Sauerstoffmenge auf höchstens 6 Teile je 1 Million Teile vermindert wird, um die Goss-Textur zu erhalten, oder auf mehr als 6 Teile in 1 Million Teile eingestellt wird, um die Würfeltextur zu erhalten.