DE102017208146B4 - NO-Elektroband für E-Motoren - Google Patents

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Abstract

Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Polarisation bei einer Feldstärke von 100 A/m Jzu der Polarisation bei einer Feldstärke von 2500 A/m J, jeweils gemessen bei 50 Hz, wenigstens 0,5 beträgt, das Elektroband oder -blech eine Dicke von höchstens 0,35 mm aufweist und der spezifische elektrische Widerstand 0,40 bis 0,70 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C beträgt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, insbesondere für elektrotechnische Anwendungen, ein aus einem solchen Elektroband oder -blech hergestelltes elektrotechnisches Bauteil, ein Verfahren zur Erzeugung eines Elektrobands oder -blechs und die Verwendung eines solchen Elektrobands oder -blechs in Bauteilen für elektrotechnische Anwendungen.
  • Nicht kornorientierte Elektrobänder oder -bleche, in der Fachsprache auch als „N0-Elektroband oder - blech“ oder im englischen Sprachgebrauch auch als „NG0-Electrical Steel“ („NG0“ = Non Grain Oriented) bezeichnet, werden zur Verstärkung des magnetischen Flusses in Eisenkernen von rotierenden elektrischen Maschinen verwendet Typische Verwendungen solcher Bleche sind elektrische Motoren und Generatoren. Elektromotoren, gerade bei der Anwendung in der Elektromobilität, werden bei höheren Drehzahlen, gekoppelt an die damit verbundenen höheren Frequenzen, betrieben. Die bei diesen hohen Frequenzen auftretenden Verluste sind mit den bei 50Hz auftretenden Verlusten nicht vergleichbar.
  • Um die Effizienz solcher Maschinen zu steigern, werden möglichst hohe Drehzahlen oder große Durchmesser der im Betrieb jeweils rotierenden Bauteile angestrebt. In Folge dieses Trends sind die elektrisch relevanten, aus Elektrobändern oder -blechen der hier in Rede stehenden Art gefertigten Bauteile einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt, die von den heute zur Verfügung stehenden NO-Elektrobandsorten oft nicht erfüllt werden kann. Des Weiteren ist es gerade für die Verwendung der Elektrobänder oder -bleche in Elektromotoren, die in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, wichtig und gewünscht, dass bereits bei niedrigen Feldstärken eine hohe Polarisation vorliegt, damit beim Anfahren mit dem Elektrofahrzeug das gefordert hohe Drehmoment gegeben ist. Des Weiteren ist es auch notwendig, dass über den gesamten genutzten Drehzahlbereich des Elektromotors eine hohe Polarisierbarkeit erreicht wird. Weiterhin sollen die Ummagnetisierungsverluste über den gesamten Drehzahlbereich, welcher wiederum frequenzabhängig ist, des Elektromotors möglichst gering sein. Die mechanischen Kennwerte der Elektrobänder und -bleche sollen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Materialien verbessert sein, insbesondere sollen weniger negative Einflüsse auf die weichmagnetischen Eigenschaften aus dem Stanzprozess resultieren.
  • Technischer Hintergrund
  • EP 2 612 942 offenbart ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 1,0 bis 4,5 Gew.-% Si, bis zu 2,0 Gew.-% Al, bis zu 1,0 Gew.-% Mn, bis zu 0,01 Gew.-% C, bis zu 0,01 Gew.-% N, bis zu 0,012 Gew.-% S, 0,1 bis 0,5 Gew.% Ti und 0,1 bis 0,3 Gew.-% P enthält, wobei für das Verhältnis Gehalt Ti/Gehalt P, jeweils in Gew.-%, 1,0 ≤ Gehalt Ti/Gehalt P ≤ 2,0 gilt. Das nicht kornorientierte Elektroband oder -blech und aus einem solchen Blech oder Band gefertigte Bauteile für elektrotechnische Anwendungen zeichnen sich durch erhöhte Festigkeiten und gleichzeitig gute magnetische Eigenschaften aus. Hergestellt wird das NO-Elektroband oder - blech gemäß EP 2 612 942 dadurch, dass ein aus einem Stahl mit der voranstehend genannten Zusammensetzung bestehendes Warmband zu einem Kaltband kaltgewalzt und dieses Kaltband anschließend einer Schlussglühung unterzogen wird. Die Polarisierbarkeit bei niedrigen Frequenzen und die mechanischen Eigenschaften der Elektrobänder bzw. -bleche gemäß der EP 2 612 942 sind noch zu verbessern.
  • EP 2 840 157 offenbart ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, insbesondere für elektrotechnische Anwendungen, hergestellt aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 2,0 bis 4,5 Gew.-% Si, 0,03 bis 0,3 Gew.-% Si, bis zu 2,0 Gew.-% Al, bis zu 1,0 Gew.-% Mn, bis zu 0,01 Gew.-.% C, bis zu 0,01 Gew.-% N, bis zu 0,001 Gew.% S und bis zu 0,015 Gew.-% P, enthält, wobei im Gefüge des Elektrobands oder -blechs ternäre Fe-Si-Zr-Ausscheidungen vorliegen. EP 2 840 157 offenbartauch ein Verfahren zum Herstellen solcher Elektrobänder und -bleche, welches ein Schlussglühen beinhaltet. Die Polarisierbarkeit bei niedrigen Feldstärken und die mechanischen Eigenschaften des Elektrobands gemäß EP 2 840 157 sind noch zu verbessern.
  • WO 00/65103 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von nicht kornorientiertem Elektroblech, bei dem ein Stahlvormaterial, das weniger als 0,06 Gew.-% C, 0,03 bis 2,5 Gew.-% Si, weniger als 0,4 Gew.-% Al, 0,05 bis 1 Gew.-% Mn und weniger als 0,02 Gew.-% S enthält, zu einem Warmband mit einer Dicke von kleiner 3,5 mm warmgewalzt wird, anschließend gebeizt und nach dem Beizen zu einem Kaltband mit einer Dicke von 0,2 bis 1 mm gewalzt wird. Die mechanischen und die magnetischen Eigenschaften des Elektroblechs gemäß WO 00/65103 A2 können ebenfalls noch verbessert werden.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, Elektrobänder und -bleche bereitzustellen, die bei der Verwendung in Elektromotoren, die bevorzugt in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können, bereits bei niedrigen Feldstärken eine hohe Polarisation ermöglichen, so dass schon beim Anfahren mit dem Elektrofahrzeug und bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment gefordert wird. Des Weiteren ist es auch notwendig, dass über den gesamten genutzten Drehzahlbereich des Elektromotors eine hohe Polarisation sowohl im unteren als auch im höheren Feldstärkebereich erreicht wird. Weiterhin sollen die Ummagnetisierungsverluste bei Änderung der Drehzahl des Elektromotors möglichst gering sein. Die mechanischen Kennwerte der Elektrobänder und -bleche sollen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Materialien verbessert sein, insbesondere sollen weniger negative Einflüsse auf die weichmagnetischen Eigenschaften aus dem Stanzprozess resultieren.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, insbesondere für elektrotechnische Anwendungen, wobei das Verhältnis der Polarisation bei einer Feldstärke von 100 A/m J100 zu der Polarisation bei einer Feldstärke von 2500 A/m J2500, jeweils gemessen bei 50 Hz, wenigstens 0,5 beträgt, das Elektroband oder -blech eine Dicke von höchstens 0,35 mm aufweist und der spezifische elektrische Widerstand 0,40 bis 0,70 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C beträgt, durch ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech herstellbar, bevorzugt hergestellt, in einem Verfahren umfassend eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s, wobei die Härte Hv5 einen Wert von 140 bis 240 aufweist, durch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen, nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs, umfassend mindestens die folgenden Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Warmbands, dass aus einem Stahl besteht, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen 2,3 bis 3,40 Gew.-% Si, 0,3 bis 1,1 Gew.-% Al, 0,07 bis 0,250 Gew.-% Mn und bis zu 0,030 Gew.- % P enthält, sowie einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,40 bis 0,70 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C, das Kaltwalzen des Warmbands zu einem Kaltband, und Schlussglühen des Kaltbands, wobei die Schlussglühung bei einerTemperaturvon 950 bis 1100 °C für maximal 90 s erfolgt, durch ein Bauteil für elektrotechnische Anwendungen, hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Elektroband oder -blech und durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs in Bauteilen für elektrotechnische Anwendungen.
  • Ein erfindungsgemäß beschaffenes nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, insbesondere für elektrotechnische Anwendungen, ist bevorzugt aus einem Stahl hergestellt, der 2,30 bis 3,40 Gew.-%, bevorzugt 3,00 bis 3,40 Gew.-%, Si, 0,30 bis 1,10 Gew.-%, bevorzugt 0,60 bis 1,10 Gew.-%, Al, 0,07 bis 0,25 Gew.-%, bevorzugt 0,07 bis 0,17 Gew.-%, Mn, bis zu 0,030 Gew.-%, P, und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält mit einem sich hieraus bevorzugt ergebenden spezifischen elektrischen Widerstand von 0,40 bis 0,70 µΩm, besonders bevorzugt 0,42 bis 0,65 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C. Die Mengen der einzelnen in dem erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten Stahl enthaltenen Elemente werden durch dem Fachmann bekannte Verfahren bestimmt, beispielsweise durch eine chemische Analyse nach DIN EN 10351: 2011-05 „Chemische Analyse von Eisenwerkstoffen - Analyse von unlegierten und niedrig legierten Stählen mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma“. Erfindungsgemäß liegt P in einer Menge von bis zu 0,030 Gew.-% vor, bevorzugt liegt P mindestens in einer Menge von wenigstens 0,005 Gew.-% vor.
  • Mögliche Verunreinigungen im Sinne dieser Erfindung sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C, S, Ti, N. und Mischungen davon. Die Summe der Mengen der ggf. vorliegenden Verunreinigungen aus der genannten Gruppe soll 100 ppm nicht übersteigen.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Anforderungen an ein Elektroband oder -blech bei einer Frequenz von 50 Hz nicht mit denen bei höheren Frequenzen verglichen werden können. Daher wurden das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech und ein Verfahren zu dessen Herstellung entwickelt, welches speziell für Frequenzbereich von 400 - 1000 Hz Vorteile bringt, um so die erfindungsgemäßen Aufgaben zu lösen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei es sehr niedrige, spezifische Korngrößen aufweist Besonders bevorzugt liegt in dem erfindungsgemäßen Elektroband oder -blech eine Korngröße von 50 bis 130 µm, bevorzugt 70 bis 100 µm, vor. Die Korngröße des erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs kann durch alle dem Fachmann bekannten Verfahren bestimmt werden, beispielsweise durch eine Gefügeuntersuchung mittels Lichtmikroskopie nach ASTM E112 „Standard Test Methodsfor Determining Average Grain Size“.
  • Durch die erfindungsgemäß bevorzugt vorliegenden geringen Korngrößen weist das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech die Eigenschaft auf, dass zum einen bei der Bearbeitung der Bänder oder Bleche durch Stanzen, der Einfluss der Kaltumformung an den Stanzränder geringer ausfällt, so dass für die Verwendung der Bänder oder Bleche keine weiteren Verfahrensschritte zur Bearbeitung der Stanzränder notwendig sind. Des Weiteren weisen die erfindungsgemäßen Bänder oder Bleche aufgrund der niedrigen Korndurchmesser besonders gute weichmagnetische Eigenschaften aus, beispielsweise werden die magnetischen Eigenschaften nur in einem sehr schmalen Streifen direkt an den Stanzrändern gestört. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Elektrobänder oder -bleche ist insbesondere bei sehr schmalen Stegen in Elektromotoren von Vorteil.
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder-blech weist des Weiteren besonders niedrige Ummagnetisierungsverluste P auf. Dabei bedeutet im Rahmen dieser Erfindung die Bezeichnung P1,5/50 beispielsweise den Ummagnetisierungsverlust P bei einer Polarisation von 1,5 T und einer Frequenz von 50 Hz. Die Ummagnetisierungsverluste P können erfindungsgemäß durch alle dem Fachmann bekannten Verfahren bestimmt werden, insbesondere mittels eines Epsteinrahmens, insbesondere gemäß DIN EN 60404-2:2009-01: Magnetische Werkstoffe - Teil 2: Verfahren zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Elektroband und -blech mit Hilfe eines Epsteinrahmens“. Dabei werden entsprechende Elektrobleche in Längs- (L), Quer- (Q) oder Mischausrichtung (M) vermessen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erfindungsgemäßen Elektrobänder oder -bleche die folgenden Ummagnetisierungsverluste auf, jeweils Werte für die Mischausrichtung (M):
  • Bei P1,5/50 2,1 - 2,9 W/kg, besonders bevorzugt 2,3 - 2,6 W/kg, bei P1,0/400 12,0 - 19,0 W/kg, besonders bevorzugt 14,0 - 16W/kg und/oder bei P1,0/2000 110 - 250 W/kg, besonders bevorzugt 170 - 210 W/kg.
  • Erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäßen Elektrobänder oder -bleche sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen besonders niedrige Verluste aufweisen. Dieser erfindungsgemäße Vorteil ist insbesondere bei der Verwendung der Elektrobänder oder -bleche in Elektromotoren für Elektrofahrzeuge von Vorteil, da hier über den gesamten Drehzahlbereich im Fahrbetrieb die Verluste möglichst niedrig sein sollen.
  • Erfindungsgemäß weiter bevorzugt beträgt das Verhältnis P1,0/400 / P1,5/50 5,0 bis 10,0, bevorzugt 5,7 bis 8,0.
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech weist des Weiteren einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand auf. Verfahren zur Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstands sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise anhand einer Vierpunktmessung nach DIN EN 60404-13 : 2008-05 „Magnetische Werkstoffe - Teil 13: Prüfung zur Messung der Dichte, des spezifischen Widerstandes und des Stapelfaktors von Elektroblech und -band“.
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech weist einen spezifischen elektrischen Widerstand bei 0,40 bis 0,70 µΩm, bevorzugt 0,52 bis 0,67 µΩm, jeweils bei einer Temperatur von 50 °C, auf.
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, insbesondere für elektrotechnische Anwendungen, zeichnet sich dadurch aus, dass das Verhältnis der Polarisation bei einer Feldstärke von 100 A/m J100 zu der Polarisation bei einer Feldstärke von 2500 A/m J2500, jeweils gemessen bei 50 Hz, wenigstens 0,50, bevorzugt wenigstens 0,53, besonders bevorzugt wenigstens 0,55, beträgt Dieses Verhältnis beschreibt, dass die Polarisation bereits bei einer niedrigen Feldstärke von 100 A/m mindestens 50%, bevorzugt mindestens 53%, besonders bevorzugt mindestens 55%, der Polarisation bei einer hohen Feldstärke von 2500 A/m beträgt Verfahren zur Bestimmung von Polarisation und Feldstärke sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise mittels eines Epsteinrahmens zur Bestimmung der Polarisation, insbesondere gemäß DIN EN 60404-2:2009-01: Magnetische Werkstoffe - Teil 2: Verfahren zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Elektroband und -blech mit Hilfe eines Epsteinrahmens“.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren bevorzugt das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei das Verhältnis der Polarisation bei einer Feldstärke von 100 A/m J100 zu der Polarisation bei einer Feldstärke von 200 A/m J200, jeweils gemessen bei 50 Hz, 0,59 bis 1,0 beträgt. Dieses Verhältnis bedeutet, dass das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech schon bei einer Feldstärke von 100 A/m 59 bis 100% der Polarisation aufweist, die es bei einer Feldstärke von 200 A/m aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech liegt in einer Dicke von höchstens 0,35 mm vor. Bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei es eine Dicke von 0,24 bis 0,33 mm, besonders bevorzugt 0,25 bis 0,32 mm, ganz besonders bevorzugt 0,26 bis 0,31 mm, jeweils mit einer Abweichung von bis zu 8%, aufweist Erfindungsgemäß bevorzugt liegt das Elektroband oder -blech in besonders niedrigen Dicken vor, da bei diesen niedrigen Dicken die Magnetisierungsverluste niedriger sind als bei höheren Dicken.
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech weist bevorzugt eine Zugfestigkeit von > 480 N/mm2, bevorzugt > 530 N/mm2, auf. Die Prüfung erfolgt in Längsrichtung des Materials, d.h. in Walzrichtung des Elektrobandes, hierbei handelt es sich im Allgemeinen um die schlechtere Richtung für die Zugfestigkeit aufgrund von ggf. vorhandenen Anisotropie im Material. Die Zugfestigkeit wird erfindungsgemäß nach dem Fachmann bekannten Verfahren, beispielsweise Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1: 2017-02 „Metallische Werkstoffe - Zugversuche - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“, bestimmt.
  • Besonders bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband- oder blech, wobei die Zugfestigkeit Rm 450 bis 600 N/mm2 beträgt.
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech weist bevorzugt eine Streckgrenze von > 350 N/mm2, bevorzugt > 400 N/mm2 auf. Die Streckgrenze wird erfindungsgemäß nach dem Fachmann bekannten Verfahren, beispielsweise Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 : 2017-02 „Metallische Werkstoffe - Zugversuche - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“, bestimmt.
  • Besonders bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei die Streckgrenze Rp0,2 330 bis 480 N/mm2 beträgt.
  • Weiter bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei die Bruchdehnung A80 einen Wert von 10 bis 30 aufweist.
  • Weiter bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei die Härte Hv5 einen Wert von 140 bis 240 aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Elektroband oder-blech erhält seine positiven Eigenschaften bevorzugt durch die eingesetzte oben genannte Stahlsorte. Des Weiteren erhält das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech die vorteilhaften Eigenschaften bevorzugt durch das spezielle erfindungsgemäße Herstellverfahren, insbesondere durch die erfindungsgemäße Schlussglühung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter „Schlussglühung“ die Glühung des erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs am Ende des Herstellverfahrens, d.h. als letzter Verfahrensschritt bei der Herstellung, verstanden. Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass ein besonders vorteilhaftes Elektroband oder -blech erhalten wird, wenn es in einem Verfahren umfassend eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s hergestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch das nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, herstellbar, bevorzugt hergestellt, in einem Verfahren umfassend eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s, wobei die Härte Hv5 einen Wert von 140 bis 240 aufweist.
  • Verfahren zur Herstellung eines nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs sind dem Fachmann an sich bekannt. Erfindungsgemäß erfolgt eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C, bevorzugt 980 bis 1070 °C, weiter bevorzugt 980 bis 1050 °C, beispielsweise 980 °C oder 1050 °C. Erfindungsgemäß können die genannten Temperaturen während des Schlussglühens um bis zu 20 °C nach oben und um bis 15 °C nach unten schwanken.
  • Die erfindungsgemäße Schlussglühung wird für maximal 90 s durchgeführt, bevorzugt für maximal 80 s, besonders bevorzugt für maximal 70 s. Die minimale Dauer des Schlussglühens beträgt dabei mindestens 10 s
  • Im Allgemeinen kann das Schlussglühen auf alle Arten erfolgen, die dem Fachmann bekannt sind. Bevorzugt erfolgt das Schlussglühen erfindungsgemäß in einem kontinuierlich betriebenen und von dem Elektroband oder -blech zu durchfahrenden Ofen, insbesondere in einem horizontalen Durchlaufofen.
  • Der Fachmann weiß, dass auf das Elektroband oder -blech während es Schlussglühens durch eingesetzte Bandzüge entsprechende Kräfte auf das Elektroband oder -blech einwirken. Erfindungsgemäß sollen diese Kräfte aber möglichst gering sein. Erfindungsgemäß sollen die Kräfte die Kriechfestigkeit nicht überschreiten.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die beschriebene Schlussglühung einstufig, aber nicht zweistufig erfolgt Die vorliegende Erfindung betrifft daher bevorzugt das nicht kornorientierte Elektroband oder -blech, wobei es durch eine einstufige Schlussglühung hergestellt wird. Vorteil der einstufigen Schlussglühung gegenüber einer zweistufigen Schlussglühung ist beispielsweise, dass eine Glühung bei niedrigeren Temperaturen möglich ist d.h. das Band weist weniger Oxidationen auf.
  • Ein erfindungsgemäß besonders bevorzugtes Elektroband wird dadurch erhalten, dass die oben genannte besonders bevorzugte Stahlsorte mit den genannten bevorzugten Legierungselementen eingesetzt wird, und die so hergestellten Elektrobänder oder -bleche mit der beschriebenen Schlussglühung behandelt werden. Durch diese erfindungsgemäß besonders bevorzugte Kombination der bevorzugten erfindungsgemäßen Merkmale wird ein Elektroband oder -blech erhalten, welches besonders vorteilhaft ist, insbesondere bezüglich der Weiterverarbeitung im Stanzprozess. Durch die günstige Struktur, insbesondere bezüglich der Korngröße, wird eine geringe Verschlechterung der magnetischen und mechanischen Kennwerte erzielt.
  • Die Herstellung des erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs erfolgt bevorzugt gemäß dem nachfolgend beschriebenen Verfahren.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs, umfassend mindestens die folgenden Verfahrensschritte:
    • - Bereitstellen eines Warmbands, dass aus einem Stahl besteht, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen
    • - Si: 2,30 bis 3,40 Gew.- %,
    • - Al: 0,30 bis 1,10 Gew.-%,
    • - Mn: 0,07 bis 0,25 Gew.-%,
    • - P: bis zu 0,030 Gew.- %,
    enthält,
    • - Kaltwalzen des Warmbands zu einem Kaltband, und
    • - Schlussglühen des Kaltbands,
    wobei die Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s erfolgt
  • Dazu wird zunächst ein in der voranstehend für das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech erläuterten Weise zusammengesetztes Warmband zur Verfügung gestellt, das anschließend kaltgewalzt und als kaltgewalztes Band einer Schlussglühung unterzogen wird. Das nach der Schlussglühung erhaltene schlussgeglühte Kaltband stellt dann das erfindungsgemäß zusammengesetzte und beschaffene Elektroband oder -blech dar, dessen mechanische und magnetische Eigenschaften entscheidend gegenüber konventionellen NO-Elektrobändern oder -blechen verbessert sind und welches daher besonders für die Herstellung von elektrischen Bauteilen und Aggregaten geeignet ist, die im praktischen Einsatz hohen dynamischen Belastungen und wechselnden Stromfrequenzen und Motordrehzahlen ausgesetzt sind.
  • Die Herstellung des erfindungsgemäß bereitgestellten Warmbands kann weitestgehend konventionell erfolgen. Dazu kann zunächst eine Stahlschmelze mit einer der erfindungsgemäßen Vorgabe entsprechenden Zusammensetzung erschmolzen und zu einem Vormaterial vergossen werden, bei dem es sich bei konventioneller Fertigung um eine Bramme oder Dünnbramme handeln kann.
  • Das so erzeugte Vormaterial kann anschließend auf eine 1020 bis 1300 °C betragende Vormaterialtemperatur gebracht werden. Dazu wird das Vormaterial erforderlichenfalls wiedererwärmt oder unter Ausnutzung der Gießhitze auf der jeweiligen Zieltemperatur gehalten.
  • Das so erwärmte Vormaterial kann dann zu einem Warmband mit einer Dicke warmgewalzt werden, die typischerweise 1,5 bis 4 mm, insbesondere 2 bis 3 mm, beträgt. Das Warmwalzen beginnt dabei in an sich bekannter Weise bei einer Warmwalzanfangstemperatur in der Fertigstaffel von 1000 bis 1150 °C und endet mit einer Warmwalzendtemperaturvon 700 bis 920 °C, insbesondere 780 bis 850 °C.
  • Das erhaltene Warmband kann anschließend auf eine Haspeltemperatur abgekühlt und zu einem Coil gehaspelt werden. Die Haspeltemperaturwird dabei idealerweise so gewählt, dass Probleme beim anschließend durchgeführten Kaltwalzen vermieden werden. In der Praxis beträgt die Haspeltemperatur hierzu beispielsweise höchstens 700 °C.
  • Das bereitgestellte Warmband wird zu einem Kaltband mit einer Dicke kaltgewalzt, die typischerweise der Dicke des erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs, d.h. höchstens 0,35 mm, bevorzugt 0,24 bis 0,33 mm, besonders bevorzugt 0,25 bis 0,32 mm, ganz besonders bevorzugt 0,26 bis 0,31 mm, jeweils mit einer Abweichung von bis zu 8%, entspricht.
  • Die abschließende Schlussglühung trägt entscheidend zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften, beispielsweise zu Gunsten einer höheren Festigkeit oder eines geringeren Ummagnetisierungsverlusts, bei.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter „Schlussglühung“ die Glühung des erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs am Ende des Herstellverfahrens, d.h. als letzter Verfahrensschritt bei der Herstellung, verstanden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass ein besonders vorteilhaftes Elektroband oder-blech erhalten wird, wenn es in einem Verfahren umfassend eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s hergestellt wird.
  • Erfindungsgemäß erfolgt eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C, bevorzugt 980 bis 1070 °C, weiter bevorzugt 980 bis 1050 °C, beispielsweise 980 °C oder 1050 °C. Erfindungsgemäß können die genannten Temperaturen während der Schlussglühung um bis zu 20 °C nach oben und um bis 15 °C nach unten schwanken.
  • Die erfindungsgemäße Schlussglühung wird für maximal 90 s durchgeführt, bevorzugt für maximal 80 s, besonders bevorzugt für maximal 70 s. Die minimale Dauer des Schlussglühens beträgt dabei mindestens 10 s.
  • Im Allgemeinen kann das Schlussglühen auf alle Arten erfolgen, die dem Fachmann bekannt sind. Bevorzugt erfolgt das Schlussglühen erfindungsgemäß in einem kontinuierlich betriebenen und von dem Elektroband oder -blech zu durchfahrenden Ofen, insbesondere in einem horizontalen Durchlaufofen.
  • Der Fachmann weiß, dass auf das Elektroband oder -blech während der Schlussglühung durch eingesetzte Bandzüge entsprechende Kräfte auf das Elektroband oder -blech einwirken. Erfindungsgemäß sollen diese Kräfte aber möglichst gering sein.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Bauteil für elektrotechnische Anwendungen, hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Elektroband oder -blech, bevorzugt mit einer theoretischen Dichte von 7,55 bis 7,67 kg/cm3. Beispiele für Bauteile für elektrotechnische Anwendungen sind Elektromotoren, Generatoren oder Transformatoren, insbesondere Rotoren oder Statoren, welche bevorzugt Grundkomponenten einer elektrischen Maschine darstellen, mit denen man eine Energieumwandlung, insbesondere elektrische Energie in mechanische, mechanische Energie in elektrische oder elektrische Energie in elektrische, vornehmen kann.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs in Bauteilen für elektrotechnische Anwendungen, insbesondere in Elektromotoren, Generatoren oder Transformatoren, insbesondere Rotoren oder Statoren, welche bevorzugt Grundkomponenten einer elektrischen Maschine darstellen, mit denen man eine Energieumwandlung, insbesondere elektrische Energie in mechanische, mechanische Energie in elektrische oder elektrische Energie in elektrische, vornehmen kann.
  • Beispiele
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Beispiel: Proben P1 bis P7
  • Erfindungsgemäße Elektrobänder P1 bis P7 wurden aus entsprechenden Warmbandsorten mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen und den in Tabelle 2 gezeigten Daten hergestellt. Tabelle 1:
    Probe C Mn P S Si Al N Ti
    [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]
    P1 0,0026 0,194 0,015 0,0005 2,44 0,358 0,0018 0,0044
    P2 0,0020 0,154 0,009 0,0009 3,22 0,735 0,0023 0,0018
    P3 0,0030 0,158 0,012 0,0005 3,23 0,783 0,0010 0,0021
    P4 0,0014 0,153 0,009 0,0005 3,20 0,780 0,0011 0,0016
    P5 0,0023 0,143 0,150 0,0013 3,25 0,951 0,0013 0,0027
    P6 0,0020 0,156 0,010 0,0005 3,21 0,733 0,0016 0,0024
    P7 0,0017 0,155 0,012 0,0005 3,23 0,758 0,0014 0,0017
    Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente. Tabelle 2:
    Probe WB-Dicke Kaltband-Dicke SEW bei 50 °C Theo. Dichte
    [mm] [mm] [µΩm] [g/cm3]
    P1 1,80 0,304 0,459 7,67
    P2 2,14 0,298 0,596 7,58
    P3 2,10 0,302 0,604 7,58
    P4 2,00 0,303 0,600 7,58
    P5 2,00 0,293 0,647 7,55
    P6 2,00 0,266 0,595 7,58
    P7 2,00 0,284 0,601 7,58
    WB = Warmband; SEW = Spezifischer Elektrischer Widerstand
    Tabelle 3: Produktionsparameter
    Probe Geschwindigkeit Zeit >950 °C Zeit >980 °C Zeit >1000 °C
    Durchlaufglühung [m/min.] [s] [s] [s]
    P1 40 60 40 -
    P2 50 70 30 20
    P3 45 60 40 20
    P4 45 60 40 20
    P5 40 70 30 20
    P6 45 60 40 20
    P7 35 80 60 40
    Tabelle 4: Magnetische Kennwerte, magnetische Ummagnetisierungsverluste
    Probe P1,0 P1,5 P1,0 P1,5 P1,0 P1,5 P1,0 P1,5
    200Hz 200Hz 400Hz 400Hz 700Hz 700Hz 1000Hz 1000Hz
    [W/kg] [W/kg] [W/kg] [W/kg] [W/kg] [W/kg] [W/kg] [W/kg]
    P1 7,07 17,1 19,1 47,1 46,2 116 80,2 >180
    P2 5,89 13,5 15,5 37,1 44,2 89,5 62,9 162
    P3 5,75 13,3 15,2 36,4 35,4 88,0 62,1 159
    P4 5,86 13,5 15,5 36,8 43,9 88,3 62,6 160
    P5 5,91 13,7 15,1 36,3 34,8 87,0 60,8 157
    P6 5,52 13,2 14,1 35,1 39,6 82,6 55,8 148
    P7 5,51 13,5 14,8 37,8 43,0 91,5 61,2 166
    Tabelle 5: Magnetische Kennwerte, magnetische Polarisation
    Probe J100 50Hz J200 50Hz J2500 50Hz J5000 50Hz J10000 50Hz
    [T] [T] [T] [T] [T]
    P1 0,938 1,23 1,55 1,64 1,77
    P2 0,868 1,21 1,56 1,65 1,77
    P3 0,926 1,24 1,56 1,65 1,77
    P4 0,933 1,24 1,55 1,65 1,77
    P5 0,894 1,22 1,55 1,64 1,76
    P6 0,939 1,23 1,53 1,63 1,75
    P7 0,935 1,20 1,52 1,62 1,76
    Tabelle 6: Mechanische Kennwerte
    Probe Rp0,2 Rm A80 Härte Korndurchmesser Biegezahl
    [N/mm2] [N/mm2] [HV5] [µm]
    P1 350 480 26 160 80 >10
    P2 460 580 19 205 60 >10
    P3 440 570 23 202 80 >10
    P4 445 555 20 200 85 >10
    P5 450 570 21 205 80 >10
    P6 420 545 13 195 80 >10
    P7 420 540 16 190 120 >10
  • Die dargestellten Messwerte wurden durch die folgenden Verfahren bestimmt:
  • Rp0,2:
  • Der Wert Rp0,2 beschreibt die Streckgrenze des Materials und wird nach DIN EN ISO 6892-1 : 2017-02 „Metallische Werkstoffe - Zugversuche - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“ bestimmt.
  • Rm:
  • Der Wert Rm beschreibt die Zugfestigkeit des Materials und wird nach DIN EN ISO 6892-1 : 2017-02 „Metallische Werkstoffe - Zugversuche - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“ bestimmt.
  • Hv5:
  • Der Wert Hv5 beschreibt die Härte und wird nach DIN EN ISO 6507-1 : 2006-03 „Metallische- Werkstoffe - Härteprüfung nach Vickers - Teil 1: Prüfverfahren“ bestimmt.
  • A80:
  • Der Wert A80 beschreibt die Bruchdehnung und wird nach DIN EN ISO 6892-1 : 2017-02 „Metallische Werkstoffe - Zugversuche - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“ bestimmt.
  • Streckgrenzenverhältnis:
  • Der Wert „Streckgrenzenverhältnis“ beschreibt das Verhältnis zwischen Rp0,2/Rm und wird nach DIN EN ISO 6892-1 : 2017-02 „Metallische Werkstoffe - Zugversuche - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“ bestimmt.
  • Korndurchmesser:
  • Der Korndurchmesser wird durch eine Gefügeuntersuchung mittels Lichtmikroskopie nach ASTM E112 „Standard Test Methods for Determining Average Grain Size“ bestimmt.
  • Polarisation:
  • Der Polarisation wird nach DIN EN 60404-2:2009-01: Magnetische Werkstoffe - Teil 2: Verfahren zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Elektroband und -blech mit Hilfe eines Epsteinrahmens“ bestimmt.
  • Verluste P:
  • Der Verlust P wird nach DIN EN 60404-2:2009-01: Magnetische Werkstoffe - Teil 2: Verfahren zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Elektroband und -blech mit Hilfe eines Epsteinrahmens“ bestimmt.
  • Blegezahl:
  • Die Biegezahl wird nach DIN EN ISO 7799 : 200-07 „Metallische Werkstoffe - Blech und Bänder mit einer Dicke unter 3 mm - Hin- und Herbiegeversuch“ bestimmt.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroband oder -blech kann bevorzugt in Elektromotoren, insbesondere für die Verwendung in Elektrofahrzeugen, eingesetzt werden.

Claims (14)

  1. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Polarisation bei einer Feldstärke von 100 A/m J100 zu der Polarisation bei einer Feldstärke von 2500 A/m J2500, jeweils gemessen bei 50 Hz, wenigstens 0,5 beträgt, das Elektroband oder -blech eine Dicke von höchstens 0,35 mm aufweist und der spezifische elektrische Widerstand 0,40 bis 0,70 µΩm bei einer Temperatur von 50 °C beträgt.
  2. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es hergestellt wird aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen Si: 2,30 bis 3,40 Gew.- %, Al: 0,30 bis 1,10 Gew.-%, Mn: 0,07 bis 0,25 Gew.-%, P: bis zu 0,030 Gew.- %, enthält.
  3. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Korngröße von 50 bis 130 µm, bevorzugt 70 bis 100 µm, aufweist.
  4. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Verlustwerte (Mischwerte) bei P1,5/50 < 2,8 W/kg, P1,0/400 < 16 W/kg und P1,0/2000 < 210 W/kg aufweist.
  5. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand bei 0,52 bis 0,67 µΩm liegt.
  6. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Polarisation bei einer Feldstärke von 100 A/m J100 zu der Polarisation bei einer Feldstärke von 200 A/m J200, jeweils gemessen bei 50 Hz, wenigstens 0,59 bis 1,0 beträgt
  7. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Dicke von 0,24 bis 0,33 mm aufweist.
  8. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech herstellbar, bevorzugt hergestellt, in einem Verfahren umfassend eine Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s, wobei die Härte Hv5 einen Wert von 140 bis 240 aufweist.
  9. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckgrenze Rp0,2 330 bis 480 N/mm2 beträgt.
  10. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit Rm 450 bis 600 N/mm2 beträgt.
  11. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung A80 einen Wert von 10 bis 30 aufweist.
  12. Verfahren zur Herstellung des nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend mindestens die folgenden Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Warmbands, dass aus einem Stahl besteht, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen - Si: 2,30 bis 3,40 Gew.- %, - AI: 0,43 bis 1,10 Gew.-%, - Mn: 0,07 bis 0,250 Gew.-%, - P: bis zu 0,030 Gew.- %, enthält, - Kaltwalzen des Warmbands zu einem Kaltband, und - Schlussglühen des Kaltbands, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlussglühung bei einer Temperatur von 950 bis 1100 °C für maximal 90 s erfolgt.
  13. Bauteil für elektrotechnische Anwendungen, hergestellt aus einem Elektroband oder -blech gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
  14. Verwendung eines Elektrobands oder -blechs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in Bauteilen für elektrotechnische Anwendungen.
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