CZ303205B6

CZ303205B6 - Magnetická ocel, zpusob výroby plechu a plech z magnetické oceli

Info

Publication number: CZ303205B6
Application number: CZ20031798A
Authority: CZ
Inventors: Hernandez@Jacques; Amelot@Pascal
Original assignee: Usinor
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2012-05-23
Also published as: FR2818664B1; EA004912B1; FR2818664A1; ES2223961T3; EP1346069A1; EP1346069B1; EA200300729A1; DE60103933T2; ATE269421T1; TR200401448T4; CZ20031798A3; WO2002052048A1; DE60103933D1

Abstract

Je navržena magnetická ocel, jejíž složení obsahuje, v procentech hmotnosti: C .<=. 0,005, 1,2 .<=. Si .<=. 1,4, 0,18 .<=. Al .<=. 0,22, 0,25 .<=. Mn .<=. 0,35, 0,10 .<=. P .<=. 0,14, 0,09 .<=. Sn .<=. 0,12, 0,005 .<=. S .<=. 0,015, N .<=. 0,01, O .<=. 0,01, pricemž zbytek složení je tvoren železem a necistotami vyplývajícími z výroby. Pri zpusobu výroby plechu z výše uvedené oceli se odlije plochý predlitek z oceli uvedeného složení, plochý predlitek se válcuje za tepla pro získání plechu, pricemž válcování se zakoncuje na teplote ležící mezi teplotou bodu Ar3 sníženou o 80 .degree.C a teplotou bodu Ar3, plech se navíjí pri teplote vyšší než 680 .degree.C, a plech se válcuje za studena a poté se provádí tepelné zpracování plechu. Rešení se dále týká plechu z magnetické oceli s neorientovanými zrny s výše uvedeným složením, jakož i plechu získaného uvedeným zpusobem.

Description

Vynález se týká nového složení magnetické oceli s neorientovanými zrny, mající zlepšené magnetické, mechanické a tepelné vlastnosti.

io Dosavadní stav techniky

Tento typ ocelí se zejména používá pro výrobu součástek pro elektrotechniku, jejichž funkcí je spojovat různé elektrické obvody pro umožňování přenosu elektromagnetické energie mezi těmito obvody. Tento přenos energie předpokládá zejména, že hustota magnetického toku (také nazývaná indukce), získaná když se materiál vystavuje působení pole, je co možná nejvyšší. Jinou charakteristickou vlastností těchto ocelí je jejich celková úroveň magnetických ztrát, které vyplývají jednak ze ztrát hysterezí ajednak ze ztrát Foucaultovým proudem. Tyto ztráty musí být co možná nejmenší.

2ϋ K tomuto účelu jsou známy dvě velké skupiny magnetických ocelí s neorientovanými zrny. První je tvořena silně legovanými ocelemi, u nichž úroveň magnetických ztrát v podstatě závisí na chemickém složení. Tyto oceli obsahují 1,4 až 3,3 % hmotn. křemíku, jakož i hliník v množství 0,1 až 1,0% hmotn. Vyznačují se nevýhodou v tom, že mají nízkou tepelnou vodivost a příliš velkou tvrdost, která má za následek nadměrné opotřebení nástrojů na řezání výrobků. Jejich velký obsah legujících složek je kromě toho činí nákladné.

Druhá skupina magnetických ocelí s neorientovanými zrny je tvořena slabě legovanými ocelemi, které obsahují obecně pouze křemík s obsahem řádově 0, 5 % hmotn. Tyto oceli se nazývají ocel se zlepšenou magnetickou permeabilitou, které dovolují dosáhnout vysoké úrovně indukce pro přiložená pole řádově 5000 A/m, a to pri zachování středních úrovní ztrát. Mají také dobrou tepelnou vodivost, ale špatné mechanické vlastnosti, zejména nízkou mez kluzu a nízkou tvrdost. Proto je v praxi možno použít této skupiny ocelí pouze pro statické stroje nebo dynamické stroje s malými rychlostmi. Kromě toho přináší s těmito vlastnostmi výroba předmětů problémy, protože se pozorují Časté deformace při jejich vystřihování, což vyvolává ztráty materiálu a produkti35 vity.

V současné době tedy neexistuje žádný magnetický kovový materiál, který by měl současně dobrou tepelnou vodivost, dobré mechanické vlastnosti a nízké magnetické ztráty.

Vynález si proto klade za úkol přinést takový materiál, u něhož by rozsah použití mohl být širší než u materiálů podle dosavadního stavu techniky, a který by umožnil zejména zvýšit hmotnostní výkon bez rizika značného ohřátí přítomných elektrických izolantů.

Podstata vynálezu

Vynález přináší magnetickou ocel, jejíž složení obsahuje, v procentech hmotnostních:

C < 0,005,

1,2 < Si < 1,4,

0,18 < Al < 0,22,

0,25 < Mn á 0,35,

0,10 <P< 0,14,

-1 CZ 303205 B6

0,09 < Sn < OJ 2,

0,005 < S < 0,015,

N<0,01 a O <0,01, přičemž zbytek složení je tvořen železem a nečistotami vyplývajícími z výroby.

Původci zjistili, že kombinace obsahů hliníku, cínu a fosforu, uvedených výše, překvapivě zlepšuje magnetické a mechanické vlastnosti a tepelnou vodivost u této oceli.

Obsah cínu složení podle vynálezu musí být v rozmezí od 0,09 do 0,12 % hmotn. Je-li totiž nižší než je toto rozmezí, nepozoruje se dostatečné snížení magnetických ztrát. Přesáhne-li naproti tomu obsah cínu 0,12 % hmotn., má ocel příliš nízkou tažnost.

Obsah uhlíku ve složení podle vynálezu musí být nižší než 0,005 % hmotn., neboť překročení této hodnoty vyvolává nepřijatelný sklon k magnetickému stárnutí, protože vážně omezuje dobu použitelnosti výrobků.

Obsah křemíku složení podle vynálezu musí být od 1,2 do 1,4 % hmotn. Čím více se zvyšuje obsah křemíku, tím se snižuje tepelná vodivost oceli, ale současně se zmenšují magnetické ztráty, z čehož vyplývá volba nárokovaného rozsahu.

Obsah hliníku ve složení podle vynálezu musí být od 0,18 do 0,22 % hmotn. Hliník zlepšuje magnetické vlastnosti oceli, ale nesmí být přítomný ve velkém množství, neboť je škodlivý pro tažnost oceli a zmenšuje její tepelnou vodivost. Jeho obsah se omezuje rovněž pro zabránění precipitace příliš jemných nitridů hliníku, které by blokovaly pohyby magnetických oblastí.

Obsah dusíku ve složení musí být nižší než 0,01 % hmotn., a to rovněž pro omezování precipitace nitridů hliníku.

Obsah manganu ve sloučenině podle vynálezu musí být v rozmezí od 0,25 do 0,35 % hmotn. Mangan zlepšuje mechanické vlastnosti oceli zabraňováním jejího trháni během válcování za tepla. Pod 0,25 % hmotn. dostatečně nezlepšuje její mechanické vlastnosti, zatímco nad 0,35 % hmotn. zhoršuje magnetické vlastnosti a snižuje tepelnou vodivost oceli.

Fosfor je přítomný v oceli podle vynálezu v množství 0,10 až 0,14 % hmotn. Dovoluje vytvrzování oceli při podstatném zvyšování její meze kluzu. Jeho obsah je omezen na 0,14 % hmotn., neboť snižuje tepelnou vodivost oceli. Zvyšuje rezistivitu oceli, což dovoluje zmenšovat ztráty vyplývající z Foucaultových proudů. V přednostním provedení je jeho obsah od 0,11 do 0,13 % hmotn.

Obsah síry je nižší než 0,015 % hmotn., neboť tento prvek je škodlivý pro vlastnosti oceli, aleje také vyšší než 0,005 % hmotn., neboť nižší obsah by potřeboval přídavnou fázi odsiřování, která není v rámci vynálezu odůvodněná.

Složení podle vynálezu může být vytvořeno klasickým způsobem a jakýmkoli uzpůsobeným postupem, obsahujícím oduhličovací pochod, neboť obsah uhlíku, kterého se má dosáhnout, je velmi nízký.

Na výstupu z výroby se ocel může odlévat ve tvaru plochého předlitku (bramového ingotu), který se ohřívá na teplotu vyšší než přibližné 1150 °C pro válcování za tepla, až se dosáhne například tloušťky přibližné 2 mm. Je poté možné provádět navíjení takto vyrobeného plechu a poté jeho žíhání.

-O CZ 303205 B6

Za tepla válcovaný plech se poté moří a válcuje za studená, s výhodou až k dosažení konečné požadované tloušťky, načež se podrobuje poslednímu tepelnému zpracování, kterým je s výhodou žíhání v oxidační atmosféře. Je-li obsah uhlíku v plechu v tomto stádiu ještě příliš vysoký, provádí se během tohoto žíhání oduhličovánť.

Autoři vynálezu však zjistili, že při použití zvláštních podmínek během válcování za tepla a navíjení je možné značně zlepšit indukci získaného plechu při odstranění jednoho pochodu klasického postupu.

Vynález tedy dále navrhuje způsob výroby plechu z uvedené oceli, při kterém se odlije plochý předlitek (bramový ingot) z oceli složení podle vynálezu, tento plochý předlitek se válcuje za tepla pro získání plechu, přičemž válcování se zakončuje na teplotě ležící mezi teplotou Ar3 sníženou o 80 °C a teplotou Ar3, plech se navíjí při teplotě vyšší než 680 °C a plech se válcuje is za studená a poté se provádí tepelné zpracování plechu.

Tento způsob má značnou výhodu v tom, že optimalizuje magnetické vlastnosti plechu, neboť původci vynálezu konstatovali, že úroveň indukce tohoto plechu je velmi znatelné zvýšená, zatímco magnetické ztráty hysterezí jsou snížené.

Teplota konce válcování je taková, že válcování končí ve feritické oblasti. Tato vlastnost, kombinovaná s ovládáním relativné vysoké teploty navíjení, dovoluje rekrystalizaci a zhrubnutí zm plechu za tepla jevem samočinného žíhání.

Citelné snížení indukce pravděpodobně vyplývá z tvorby složek s Gossovou texturou, jaké je možno najít v ocelích s orientovanými zrny, ale také složek s rovinnou texturou. Při procesu je rovněž zmenšená nepříznivá složka {111}, a to díky přítomnosti cínu, který tím, že se odděluje od spojů zm, brání vzniku a růstu zm textury {111} během rekrystalizace, čímž je tak podporován růst zm při konečném žíhání po válcování za studená.

Kromě toho dovoluje samočinné žíhání, k němuž dochází během tohoto postupu, odstranit klasickou fázi žíhání svinutého plechu, kteráje nadále bezúčelná.

V přednostním provedení je teplota navíjení vyšší než 700 °C, zejména vyšší než 720 °C, což dovoluje ještě zlepšit magnetické vlastnosti materiálů.

Původci, rovněž konstatovali, zeje možné více zmenšit magnetické ztráty optimalizováním podmínek tepelného zpracování, které následuje po válcování za studená.

V přednostním provedení se tak provádí tepelné zpracování mající formu žíhání prováděného při teplotě vyšší než 900 °C, a v jiném výhodném provedení se uskutečňuje kontinuálně v peci, v níž má plech dobu pobytu kratší než 50 sekund nebo rovnou 50 sekund.

Další předmět vynálezu je tvořen plechy z magnetické oceli s neorientovanými zrny podle vyná45 lezu, získanými prováděním způsobu podle vynálezu v jeho různých variantách.

Je dávána přednost plechům majícím při tloušťce 0,50 mm celkové magnetické ztráty nižší než 4 W/Kg, zejména nižší než 3,5 W/kg a s výhodou zejména nižší než 3,3 W/kg, jakož i indukci vyšší 1,72 T, když se přiloží pole 5000 A/m.

Rovněž jsou výhodné plechy, mající při tloušťce 0,65 mm celkové magnetické ztráty nižší než 5,30 W/Kg, zejména nižší než 4,70 W/kg a indukci vyšší než 1,72 T, když se přiloží pole 5000 A/m.

-3CZ 303205 B6

Plechy získané způsobem podle vynálezu mají zejména výhodu v tom, že nemusí být po vystřižení výrobků podrobovány přídavnému tepelnému zpracování, aby se umožnilo úplné vyjádření magnetických vlastností. Takové zpracování by bylo nejen nákladné, ale také škodlivé pro pozdější mechanické chování výrobků. Plechy získané podle vynálezu jsou tedy přímo připraveny pro použití aje možné je kromě toho pokrýt izolačním povlakem po celé ploše, pokud to použití vyžaduje.

Tyto plechy budou zejména moci sloužit pro výrobu výrobků pro točivé stroje, jako motory, transformátory, ale mohou být také používány v oblasti elektrických spotřebičů pro domácnosti a obecně v elektrotechnice.

Příklady provedení vynálezu

Vynález bude nyní objasněn na podkladě pozorování a následujících příkladů, přičemž níže uváděná tabulka udává chemické složení různých zkoušených ocelí, mezi nimiž jsou tavby 2 a 4 podle vynálezu, zatímco tavby 1 a 3 jsou použity jako srovnávací příklady.

Složení	Tavba 1	Tavba 2	Tavba 3	Tavba 4
(hmotn.%)
C	0,003	0,003	0,003	0,003
Si	1,3	1,3	1,3	1,3
Al	0,105	0,180	0,200	0,200
Mn	0,275	0,275	0,275	0,275
P	0,05	0,115	0,120	0,120
Sn	0,03	0,110	-	0,100
s	0,01	0,01	0,01	0,01

Není-li uvedeno jinak, mají plechy podrobené různým zkouškám tloušťku 0,50 mm, aby bylo možné porovnat získané výsledky, neboť mechanické ztráty jsou funkcí této tloušťky.

Použité zkratky znamenají:

W1,5T: celková magnetická ztráta při 1,5 Tesla a 50 Hz, vyjádřená ve W/kg,

B5000: hustota magnetického toku (nebo indukce) při poli 5000 A/n, vyjádřená v Tesla,

Hv5: tvrdost.

Příklad 1 (vliv chemického složení)

Vyrobí se dva plechy z tavby 1 a z tavby 2 podle vynálezu, a to válcováním odpovídajících plochých předlitků za tepla, bez sledování způsobu podle vynálezu. Navíjení se provádí při teplotě přibližně 645 °C. Plechy se poté moří a pak se válcují za studená. Konečné žíhání se provádí kontinuálně při 950 °C v peci, v níž plechy pobývají po dobu 25 sekund.

Změří se nyní celkové magnetické ztráty W1,5T a indukce B5000 a získají se následující výsledky:

-4CZ 303205 B6

		W1,5T	B5000
		(W/kg)	(T)
Tavba	1	4,42	1,69
Tavba	2	3,95	1,71

Je vidět, že magnetické ztráty byly znatelně sníženy a že indukce byla zlepšena vzhledem ke složení dle stavu techniky. Tato zlepšení poskytují požadovanou rovnováhu mezi obsahy hliníku, fosforu a cínu.

Příklad 2 (vliv způsobu válcování za tepla/navíjení)

Vyrobí se dva plechy ze stejné tavby 2 podle vynálezu způsobem analogickým způsobu z příkladu 1 ale při provádění navíjení při teplotě 640 °C projeden z plechů a teplotě 730 °C pro druhý. Naměří se celkové magnetické ztráty W1,5T a indukce B5000 a získají se následující výsledky:

	W1,5T (W/kg)	B5000 (T)
Tavba 2	3,95	1,71
(tepl.navij	.=640 °C)
Tavba 2	3,72	1,74
(tepl.navij	.=730 °C)

Je vidět, že magnetické ztráty byly sníženy, ale hlavně že indukce byla podstatně zvýšena v důsledku způsobu termomechanické transformace podle vynálezu. Pro srovnání mají silně legované oceli podle stavu techniky, mající ztráty 3,7 W/kg, indukci okolo 1,66 T.

Příklad 3 (vliv přidání cínu)

Vyrobí se dva plechy z tavby 2 podle vynálezu a z tavby 3 analogicky jako v příkladě l, ale při provedení navíjení při teplotě 720 °C.

Naměří se celkové magnetické ztráty W1,5T a indukce B5000 a získají se následující výsledky:

	W1,5T (w/kg)	B5000 (T)
Tavba	2	3,72	1,74
Tavba	3	3,87	1,72

Konstatuje se, že přidání cínu hraje skutečně značnou roli v mechanismech uplatňujících se při různých termomechanických transformacích, kterým se vystavuje ocel.

-5 CZ 303205 B6

Přiklad 4 (vliv podmínek konečného žíhání)

Vyrobí se série plochých predlitků (bramových ingotů) z tavby 4 podle vynálezu, které se válcují za tepla při použití způsobu podle vynálezu. Poté se válcují za studená plechy, až se získá tloušťka 0,50 mm a poté se tyto plechy kontinuálně žíhají v peci, přičemž se mění teplota žíhání a doba pobytu plechů v této peci. Výsledky jsou shrnuty v následující tabulce.

Teplota žíhání (°C)	Doba pobytu (s)	W1,5T (W/kg)	B5000 (T)
1000	25	3,15	1,76
1000	85	3,42	1,75
950	85	4,10	1,75

Postupuje se stejným způsobem s plechy, které se válcují na tloušťku 0,65 mm a získají se násle-

dující výsledky:
Teplota žíhání (°c)	Doba pobytu (s)	W1,5T (W/kg)	B5000 (T)
1000	25	4,2	1,76
950	85	4,6	1,76

Je možno vidět, že přídavné snížení úrovně magnetických ztrát se může získat zvyšováním doby pobytu a teploty žíhání.

Příklad 5 (mechanické vlastnosti a tepelná vodivost)

Plechy z taveb podle vynálezu se podrobí určitému počtu měření vodivosti a konstatuje se, že se získají hodnoty vyšší než 35 W/m. K nebo rovné 35 W/m.K. Jako příklad je možno uvést, že silně legovaná ocel ze stávajícího stavu techniky, obsahující 2,9% křemíku, má vodivost 20 W/m.K.

Pokud jde o mechanické vlastnosti, změří se mez kluzu a tvrdost u těchto taveb, které jsou vyšší než 300 MPa respektive 145 Hv5. Tyto hodnoty jsou uspokojivé, protože zajišťují dobré chování plechu při stříhání, se sníženým zbytkovým opotřebením nástrojů vzhledem k silně legovaným druhům oceli podle stávajícího stavu techniky.

Pro srovnání je možno uvést, že silně legovaná ocel podle stavu techniky, obsahující 1,4% hmotn., má mez kluzu 250 MPa a tvrdost 140 Hv5.

Claims

1. Magnetická ocel, jejíž složení obsahuje, v procentech hmotnostních:

C < 0,005,

1,2 < Si < 1,4,

0,18 < Al < 0,22,

0,25 < Mn < 0,35,

0,10<P<0,14,

0,09 < Sn < 0,12,

0,005 < S < 0,015,

2. Způsob výroby plechu z oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že se odlije plochý predlitek z oceli složení podle nároku 1, plochý předlitek se válcuje za tepla pro získání plechu, přičemž válcování se zakončuje na teplotě ležící mezi teplotou Ar3 sníženou o 80 °C a teplotou Ar3, plech se navíjí při teplotě vyšší než 680 °C, a plech se válcuje za studená a poté se provádí tepelné zpracování plechu.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že teplota navíjení je vyšší než 700 °C.

4. Způsob podle nároku 2 nebo 3, vyznačený tím, že tepelné zpracování je žíhání, které se provádí při teplotě vyšší než 900 °C.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačený tím, že žíhání se provádí kontinuálně v peci, v níž má plech dobu pobytu kratší než 50 sekund nebo rovnou 50 sekund.

6. Způsob podle nároku 4 nebo 5, vyznačený tím, že válcování za studená se provádí až k dosažení definitivní tloušťky plechu, přičemž uvedené žíhání je konečné žíhání.

7. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny, se složením podle nároku 1.

8. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny, získaný použitím způsobu podle kteréhokoli z nároků 2 až 6.

9. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny podle nároku 7 nebo 8, vyznačený tím, že vykazuje při tloušťce 0,50 mm celkové magnetické ztráty nižší než 4 W/kg a indukci vyšší než 1,72 T, když se přikládá pole 5000 A/m.

10. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zmy podle nároku 9, vyznačený tím, že vykazuje celkové magnetické ztráty nižší než 3,5 W/kg.

11. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zmy podle nároku 10, vyznačený tím, že vykazuje celkové magnetické ztráty nižší než 3,3 W/kg.

-7CZ 303205 B6

12. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny podle nároku 7 nebo 8, vyznačený tím, že vykazuje při tloušťce 0,65 mm celkové magnetické ztráty nižší než 5,3 W/kg a indukci vyšší než 1,72 T, když se přiloží pole 5000 A/m.

5

13. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny podle nároku 12, vyznačený tím, že vykazuje celkové magnetické ztráty nižší než 4,7 W/kg.

14. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny podle kteréhokoli z nároků 7 až 13, vyznačený tím, že má tepelnou vodivost vyšší než 35 W/m.K nebo rovnou než io 35 W/m.K a mez kluzu vyšší než 300 MPa nebo rovnou 300 MPa.

15. Plech z magnetické oceli s neorientovanými zrny podle kteréhokoli z nároků 7 až 14, vyznačený tím, že obsahuje dále na každé z lícních ploch povlakovou izolační vrstvu.