DE102019133493A1

DE102019133493A1 - Elektroband oder -blech, Verfahren zur Erzeugung hierzu und daraus hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102019133493A1
Application number: DE102019133493.4A
Authority: DE
Inventors: Zacharias Georgeou; Thomas Evertz
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektroband oder -blech hergestellt aus einem Stahl, bestehend aus (in Masse-%): C: 0,005 bis 0,030, vorzugsweise 0,010 bis 0,020; AI: 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 10; Si: 0,3 bis 3,5, vorzugsweise 0,4 bis 3,0, besonders vorzugsweise 0,5 bis 1,5; Mn: > 0,1 bis 2,0; Cu: > 0,05 bis 3,0; Ni: > 0,01 bis 5,0, vorzugsweise > 0,01 bis 3,0; Nb: von (92,91/12,01) * (C - 0,0040%) + (92,91/14) * N) bis (92,91/12,01) * (C) + (92,91/14) * N) jeweils mit einer Schwankungsbreite von +/- 0,03 Masse-%; Summe aus N, S und P: höchstens 0,05; Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente aus V, Ti, Cr, Mo, Zn und Sn. Auch betrifft die Erfindung ein Bauteil für elektrotechnische Anwendungen aus diesem Elektroband oder -blech und ein Verfahren zum Erzeugen dieses Elektrobands oder - blechs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektroband oder -blech hergestellt aus einem Stahl, ein Bauteil für elektrotechnische Anwendungen hergestellt aus diesem Elektroband oder -blech und ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektrobands oder -blechs.
Für Anwendungen im Elektromaschinenbau, bei denen der magnetische Fluss auf keine bestimmte Richtung festgelegt ist und deshalb gleichgute magnetische Eigenschaften in allen Richtungen verlangt werden, wird üblicherweise ein Elektroband mit möglichst isotropen Eigenschaften erzeugt, welches als nichtkornorientiertes (NO oder NGO) Elektroband bezeichnet wird. Dieses wird schwerpunktmäßig in Generatoren, Elektromotoren, Schützen, Relais und Kleintransformatoren eingesetzt. Die Ausprägung einer hinreichenden Isotropie der magnetischen Eigenschaften bei nichtkornorientiertem Elektroband wird wesentlich durch die Gestaltung des Fertigungsweges Warmumformung, Warmbandglühe (optional), Kaltumformung und Schlussglühung beeinflusst.
Wenn im Elektromaschinenbau ein besonders niedriger Ummagnetisierungsverlust angestrebt wird und besonders hohe Ansprüche an die Permeabilität oder die Polarisation gestellt werden, wie bei Leistungstransformatoren, Verteilungstransformatoren und höherwertigen Kleintransformatoren, wird ein Elektroband mit einheitlicher Orientierung der Kristallite beziehungsweise der kristallografischen Textur erzeugt, das als kornorientiertes (KO oder GO) Elektroband bezeichnet wird. Die einheitliche Orientierung der Kristallite bewirkt ein stark anisotropes Verhalten des Elektrobandes. Bei kornorientiertem Elektroband wird hierzu durch mehrere aufeinander folgende Walz- und Glühbehandlungen eine Kornorientierung eingestellt. Seine Kristallite zeigen mit einer geringen Fehlorientierung im schlussgeglühten Material eine nahezu ideale Textur. Durch diese gezielt eingebrachte Anisotropie im Werkstoff verringern sich bei entsprechender Magnetisierungsrichtung die Ummagnetisierungsverluste und die relative Permeabilitätszahl steigt.
Werkstoffe für sogenannte Elektrobleche sind allgemein bekannt und bestehen zumeist aus einer Eisen-Silizium-Legierung oder einer Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung. Aluminium und Silizium werden hinzugegeben, um Magnetisierungsverluste möglichst gering zu halten. Die magnetischen Eigenschaften beim Elektroband werden im Wesentlichen durch einen hohen Reinheitsgrad, den Gehalt an Silizium und Aluminium, geringe Mengen anderer Legierungselemente, wie beispielsweise Mangan, Schwefel, Phosphor und Stickstoff, sowie durch Warmwalz-, Kaltwalz- und Glühprozesse bestimmt. Die gängigen Blechdicken liegen deutlich unter 1 mm, beispielsweise bei 0,18 oder 0,35 mm.
Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2012 002 642 B4 ist ein Warmband zur Herstellung eines Elektroblechs bekannt, das aus folgender Legierungszusammensetzung in Gewichts-% besteht: C 0,001 bis 0,08; Al: 4,8 bis 20; Si: 0,05 bis 10; Cr: > 0,2 bis 4; B: 0,001 bis 0,1; Zr: 0,05 bis 0,1 sowie Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Die Zugabe von B und Zr soll zur Verbesserung der Warmwalzeigenschaften beitragen, da die sich bildendenden Nitride (BN, ZrN) oder Karbide (ZrC) an die Korngrenzen anlagern und das Gleiten bei Warmwalztemperaturen verbessern. Auch soll eine Heißrissanfälligkeit deutlich reduziert werden. Um das Warmband zu erzeugen, wird eine Schmelze entsprechender chemischer Zusammensetzung in einer horizontalen Bandgießanlage strömungsberuhigt und biegefrei zu einem Vorband mit einer Dicke von 6 bis 30 mm vergossen. Aufgrund homogener Abkühlbedingungen in der horizontalen Bandgießanlage werden Makroseigerungen und Lunker weitgehend vermieden. Zusätzlich erstarrt die Schmelze in einer fast sauerstofffreien Atmosphäre. Da beim Betrieb einer Bandgießanlage kein Gießpulver verwendet wird, wird vermieden, dass beim Vergießen eines ferritischen Stahles mit hohem Al-Gehalt, Gießpulver ab einem Al-Gehalt von etwa 2 % mit dem im Gießpulver gebundenen Sauerstoff interagiert und sich Aluminiumoxide bilden. Die Aluminiumoxide sind extrem hart und spröde, behindern eine Weiterverarbeitung und wirken sich negativ auf die elektromagnetischen Eigenschaften aus. Das Vorband wird anschließend mit einem Umformgrad von mindestens 50 %, vorzugsweise größer als 70 % oder 90 %, zu einem Warmband gewalzt. Das Warmband weist wahlweise ein kornorientiertes oder ein nicht kornorientiertes Gefüge auf. Über den einzuhaltenden Mindestumformgrad wird eine gemischte Struktur aus geordneten und ungeordneten Phasen sowie eine Kornfeinung erreicht. Höhere AI-Gehalte erfordern deshalb entsprechend höhere Mindestumformgrade. Vor dem Warmwalzen kann ein Glühprozess bei 800 bis 1200 °C (Warmbandglühe) notwendig sein. Dabei wird das Warmband in entkohlender Schutzgas-Atmosphäre geglüht und auf eine Dicke von maximal 0,150 mm zu einem Kaltband kaltgewalzt.
Auch ist allgemein bekannt, dass bereits kalt gewalzte Elektrobänder mit einem Masseanteil C > 0,005 % in einer entkohlenden Atmosphäre geglüht werden können, um den Kohlenstoffgehalt in dem Band hauptsächlich in dessen Randbereich zu verringern. Hierdurch werden die magnetischen Eigenschaften verbessert, da weniger durch Kohlenstoffatome verursachte Fehlstellen im Material auftreten. Im Zuge einer weiteren Glühbehandlung zwischen 900 und 1200°C und einer Dauer von bis zu 30 Minuten erhält das Kaltband im Rahmen einer sogenannten Schlussglühung ein nichtkornorientiertes Gefüge und die finalen elektromagnetischen Eigenschaften.
Auch ist bereits in der internationalen Offenlegungsschrift WO 2018/019 602 A1 ein Stahlband zur Herstellung eines Elektrobands mit folgender Legierungszusammensetzung in Gewichts-% beschrieben: C <= 0,03; AI: 1 bis 12; Si: 0,3 bis 3,5; Mn: > 0,25 bis 10; Cu: > 0,05 bis 3,0; Ni: > 0,01 bis 5,0; Summe aus N, S und P höchstens 0,07; sowie Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Das Stahlband hat eine Isolationsschicht aus Aluminium- und Siliziumoxid mit einer Dicke im Bereich von 10 µm bis 100 µm. Der Gehalt an Kohlenstoff sollte so gering wie möglich gehalten werden, um ein magnetisches Altern, welches durch in langen Zeiten ablaufende Karbid-Ausscheidungen in Form von Eisenkarbid oder Zementit verursacht wird, im fertigen Stahlband zu verhindern. Auch sollen niedrige Kohlenstoffgehalte zu einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften führen.
Des Weiteren ist aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 2017 088 968 A ein nichtorientiertes (NO) elektromagnetisches Stahlblech für eine Verwendung als Rotor in einem Elektromotor bekannt. Das Stahlblech besteht aus einer Eisen-Silizium-Aluminiumlegierung mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gewichts-%: C: 0,01 oder weniger; Si: 2,0 bis 4,0; Al: weniger als 1,5; Mn: 0,05 bis 3,0; Al + Si: mehr als 2,5; P: 0,005 bis 0,02; S: 0,04 oder weniger; N: 0,02 oder weniger; mindestens eines der Elemente Nb, Zr und Ti mit Erfüllung von 0 < Nb / 93 + Zr / 91 + Ti / 48 - (C / 12 + N / 14) und 2,0 × 10^-7< [Nb / 93 + Zr / 91 + Ti / 48 - (C /12 + N / 14)] × P / 31 < 2,5 × 10^-5; Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. Für ein bevorzugtes Stahlblech wird für Ni oder Ti ein Gehalt von mehr als 0,02 Gewichts-% angegeben. Im Wesentlichen wird zur Festigkeitssteigerung P zulegiert. Die Mikrolegierungselemente Nb und Ti werden eingesetzt, um deren festigkeitssteigernde und rekristallisationshemmende Wirkung auszunutzen. Untersucht wurde die Bildung von FeNbP und der Einfluss des Abbindens von Nb auf die rekristallisationshemmende Wirkung. Eine Ausscheidung von P mit beispielsweise Nb soll unterdrückt werden, um die rekristallisationshemmende Wirkung der Mikrolegierungselemente nicht zu beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektroband oder -blech, ein Verfahren zur Erzeugung hierzu und ein daraus hergestelltes Bauteil jeweils ausgehend von einem Stahl mit einem höheren Masseanteil an Kohlenstoff mit guten Warmwalzeigenschaften zu schaffen.
Erfindungsgemäß werden bei einem Elektroband oder -blech, hergestellt aus einem Stahl bestehend aus (in Masse-%): C: 0,005 bis 0,030, vorzugsweise 0,010 bis 0,020; AI: 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 10; Si: 0,3 bis 3,5, vorzugsweise 0,4 bis 3,0, besonders vorzugsweise 0,5 bis 1,5; Mn: > 0,1 bis 2,0; Cu: > 0,05 bis 3,0; Ni: > 0,01 bis 5,0, vorzugsweise > 0,01 bis 3,0; Nb: von (92,91/12,01) * (C - 0,0040%) + (92,91/14) * N) bis (92,91/12,01) * (C) + (92,91/14) * N) jeweils mit einer Schwankungsbreite von +/- 0,03 Masse-%, Summe aus N, S und P: höchstens 0,05; Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente aus V, Ti, Cr, Mo, Zn und Sn, so dass trotz eines höheren Masseanteils an Kohlenstoff gute Warm- und Kaltwalzeigenschaften erreicht werden. Durch eine Zulegierung des Mikrolegierungselementes Nb und bedarfsweise zusätzlich hierzu die Mikrolegierungselemente Ti und/oder V kann der Anteil des gelösten Kohlenstoffs verringert und nahezu auf 0% C (interstitial free) abgesenkt werden. Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, den sich negativ auf die magnetischen Eigenschaften des Elektrobands oder -blechs auswirkenden Kohlenstoff auch in höheren Masseanteilen von über 0,004 Masse-% zu tolerieren, indem die zunächst freien, interstitiell gelösten C-Atome Kohlenstoff mit Nb und bedarfsweise mit weiteren kohlenstoffaffinen Elementen, wie V oder Ti, zu Karbiden, Nitriden oder Karbonitriden abgebunden werden.
Die Bildung der Karbide, Nitride oder Karbonitride wird gezielt bereits bei einer schmelzmetallurgischen Erzeugung, einem Warmwalzen, einem thermomechanischen Walzen oder einem Glühen vorgenommen.
Insbesondere das Mikrolegierungselement Nb mit einem minimalen Masseanteil von (92,91/12,01) * (C - 0,0040%) + (92,91/14) * N) und einem maximalen Masseanteil von (92,91/12,01) * (C) + (92,91/14) * N) hat sich aufgrund der thermischen Stabilität der Karbide im stabil ferritischen Stahl bewährt. Beide über die jeweiligen Formeln ermittelten Masseanteile von Nb unterliegen einer gewählten Schwankungsbreite von +/- 0,03 Masse-%.
Unterstützt wird das Abbinden von Kohlenstoff optional durch die Bildung von Titan- oder Vanadiumkarbiden in einem für die Bildung von Niobkarbiden abweichenden Temperaturintervall.
Im Zusammenhang mit der Angabe von Anteilen in Masse-%, wie beispielsweise AI: 1 bis 12 Masse-%, sind die jeweiligen Randwerte wie hier 1 und 12 als jeweils von dem Bereich miteingeschlossen anzusehen.
Die erfindungsgemäße Zugabe von Niob erfolgt näherungsweise stöchiometrisch bis gering überstöchiometrisch. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich in Gegenwart von N eine Ausscheidung von Nb mit C und N bildet, wobei die Masseanteile der beiden nicht paritätisch sind, sondern vielmehr C im Verhältnis von 0,8: 0,2 mit einer Schwankungsbreite von ca. 0,1 vorliegt, also beispielsweise Nb (C 0,7; N 0,3). Der erfindungsgemäße Masseanteil von Nb wird somit im Sinne einer Obergrenze wie folgt definiert: Nb = (92,91/12,01) * (C) + (92,91/14 * N) mit einer Spanne von +/- 0,03 Masse-% Nb (C und N sind jeweils in Masse-% einzusetzen). Der berechnete Masseanteil an Nb entspricht dem für ein stöchiometrisches Abbinden der Masseanteile von C und N. Da ein Anteil von 0,0040 Masse-% C oder weniger als unschädlich, insbesondere in Hinblick auf ein magnetisches Altern, angesehen werden kann, wird eine Untergrenze für die Zugabe von Nb wie folgt definiert: (92,91/12,01) * (C - 0,0040%) + (92,91/14) * N).
Die Wirkungsweise von V und Ti entspricht der des Nb.
Ti max = (47,87/12,01) * (C) + (47,87/14 * N) mit einer Spanne von +/- 0,03 Masse-%
Ti min = (47,87/12,01) * (C - 0,0040%) + (47,87/14) * N) mit einer Spanne von +/- 0,03 Masse-%
V max = (50,94/12,01) * (C) + (50,94/14 * N) mit einer Spanne von +/- 0,03 Masse-%
V min = (50,94/12,01) * (C - 0,0040%) + (50,94/14) * N) mit einer Spanne von +/- 0,03 Masse-%
Bevorzugt werden V und/oder Ti mit einem Gehalt von 0,01 bis 0,25 Masse-% optional zulegiert.
Vorteilhaft kann optional neben Nb auch V und/oder Ti zulegiert werden. Dann ist in Bezug auf die Gehalte der beiden Mikrolegierungselemente Niob und Vanadium oder der Mikrolegierungselemente aus Nb, Ti, V die folgende Bedingung zu erfüllen:
0 < (Nb / 92,21 + V / 50,94 + Ti / 47,87) - (C /12,01 + N / 14) < 0,10
Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei einer Zulegierung von V und/oder Ti der Anteil von Nb gegenüber dem Anteil beziehungsweise den Anteilen von V und/oder Ti größer als 50 %, vorzugsweise größer als 75% und besonders vorzugsweise größer als 90 %, ist. Hierdurch überwiegt die gewünschte Wirkung von Nb.
Durch die Zulegierung von karbidbildendem Nb wird der freie, interstitiell gelöste C dauerhaft abgebunden. Das Warmwalzen des Stahls ist durch die erfindungsgemäße Absenkung des nicht an Nb abgebundenen Kohlenstoffanteils im Sinne eines freien Kohlenstoffs ohne Rissbildung möglich. In Versuchen wurde ermittelt, dass hierfür die Masseanteile für den freien Kohlenstoff deutlich unterhalb von 0,010 Masse-% liegen müssen, um eine hinreichende Duktilität für ein rissfreies Warmwalzen zu erhalten.
Die Ausscheidungen sollten kleiner als die Domänenwanddicke sein, um ein Pinning der Domänenwand zu verhindern, d.h. eine feine Dispersion von Ausscheidungen, die sich als nicht erkennbarer Einfluss auf den Magnetisierungsprozess erwiesen hat. Bekannt ist, dass Ausscheidungen entweder sehr klein (< 50 nm) oder sehr groß (> 500 nm) sein sollen, um Blochwände nicht zu behindern.
Wie bereits ausgeführt, ist der Zweck der Erfindung Kohlenstoff auch in höheren Masseanteilen zu tolerieren, indem Kohlenstoff mit einem oder mehreren kohlenstoffaffinen Elementen zu einem Karbid abgebunden wird. Hierdurch ergeben sich Vorteile in Hinblick auf eine wirtschaftlichere Stahlerzeugung. Ein in einem Elektrolichtbogenofen und nachgeschalteter Sekundärmetallurgie erschmolzener Stahl weist in der Regel einen Anteil an C von nicht unter 0,01 bis 0,03 Masse-% auf. Um eine magnetische Alterung von Elektroband zu verhindern, wird allgemein von einem C-Anteil von unter 0,0040 Masse-% im schlussgeglühten Elektroband ausgegangen. Als technische Lösung für eine daher erforderliche Entkohlung steht das sogenannte „entkohlende Glühen“ zur Verfügung, das am Warmband, üblicherweise aber erst im Rahmen einer Zwischenglühung nach einem ersten Kaltwalzen erfolgt. Auch kann das Absenken des C-Anteils auf < 0,010 Masse-% großtechnisch mit einer Vakuumbehandlung der Schmelze erfolgen. Bereits die Warmumformung wird jedoch durch den gelösten Kohlenstoff oder Eisen-Karbid-Ausscheidungen, bevorzugt auf den Korngrenzen, verschlechtert. Der erfindungsgemäße Stahl kann in vorteilhafter Weise ohne das sonst übliche entkohlende Glühen oder die Vakuumbehandlung endverarbeitet werden, da das C in Form von Nb(C,N) feinverteilt in der Matrix ausgeschieden wird.
Wenn das Vorband oder bandgegossenes Material nicht über die Löslichkeitstemperatur des Nb(C,N) wiedererwärmt wird, beispielsweise vor dem Warmwalzen, bei der Warmbandeingangsglühe, beim Zwischenglühen oder bei der Schlussglühung, bleiben die Ausscheidungen Nb(C,N) erhalten. Eine Vergröberung dieser Ausscheidungen findet bei Temperaturen unterhalb 1150 °C kaum statt, zumal die Löslichkeit des auch bei hohen Temperaturen stabilen ferritischen Stahls für Kohlenstoff aus Nb(C,N) gering ist. Eine Alterung, sowohl im Sinne einer mechanischen Alterung, als auch einer elektromagnetischen Alterung, durch C oder N, wird somit unterbunden. Unter Alterung wird eine Diffusion der interstitiell gelösten Atome in Versetzungen verstanden.
Das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech und der zugehörige Stahl wandeln bei der Erwärmung nicht, auch nicht teilweise von einem kubisch raumzentrierten Gitter des Ferrits in ein kubisch flächenzentriertes Gitter des Austenits um. Das Löslichkeitsvermögen des stabilen Ferrits für Kohlenstoff, der aus Nb(C,N) stammt, ist erheblich geringer, als in einem Austenit. Durch die Nb(C, N) Ausscheidungen kann durch pinning-Effekte zudem eine unerwünschte Textur (Gamma-Lage ({111}<112> γ-Faser)) anteilig minimiert werden. Gelöstes Nb, V und Ti bewirken eine erhebliche Verzögerung der Rekristallisation, so dass selbst in einem Warmband nach einer Glühung nur ca. 37% des Gefüges rekristallisiert sind.
Das Elektroband oder -blech mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung zeichnet sich durch deutlich reduzierte Hystereseverluste sowie eine geringere Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Frequenz des Magnetisierungsstroms als für das Legierungssystem Fe-Si-(Al) bekannt aus. Dadurch kann der Einsatzbereich dieses Werkstoffs unter energetischen und wirtschaftlichen Aspekten deutlich vergrößert werden, insbesondere für schnelllaufende Elektromotoren und bei hohen Frequenzen des Magnetisierungsstroms.
Insbesondere der mit maximal 12 Masse-% hohe Al-Gehalt bewirkt eine deutliche Erhöhung des elektrischen Widerstands und eine entsprechende Verringerung der Ummagnetisierungsverluste. Durch die Zugabe von Al von bis zu 12 Masse-%, vorzugsweise 1 bis 10 Masse-%, wird zudem die spezifische Dichte des Stahls verringert, was sich positiv auf die Masse von sich drehenden Motorenteilen und die entstehenden Fliehkräfte gerade bei hohen Drehfrequenzen auswirkt. Um entsprechende Effekte zu erzielen, wird der Mindestgehalt an Al auf 1 Masse-% festgelegt. Höhere Al-Gehalte als 12 Masse-% können jedoch durch die Bildung geordneter Phasen zu Schwierigkeiten beim Kaltwalzen führen. Vorteilhaft sind daher Al-Gehalte von bis zu 10 Masse-% einzuhalten.
Eine Zugabe von Si bewirkt eine Steigerung des elektrischen Widerstandes. Um einen Effekt zu erzielen, ist erfindungsgemäß ein Mindestgehalt von 0,3 Masse-% erforderlich. Bei Gehalten von mehr als 3,5 Masse-% Si verringert sich die Kaltwalzbarkeit, da der Werkstoff zunehmend spröder wird und sich in der Folge vermehrt Kantenrisse am Stahlband zeigen. Vorteilhaft werden daher Gehalte von 0,4 bis 3,0 Masse-% und bevorzugt von 0,5 bis 1,5 Masse-% eingestellt. Die gleichzeitige Zugabe von Si und Al stellt dabei in den ausgewählten Legierungselementgehalten eine optimale Kombination aus der Erhöhung des elektrischen Widerstandes und der Verringerung der magnetischen Sättigungspolarisation dar.
Neben den elektromagnetischen Eigenschaften gewinnt die Festigkeit von Elektroband und -blech gerade für schnelldrehende Motoren an Bedeutung. Silizium, in gelöster Form, steigert die Festigkeit bei der Warmumformung und am fertigen Produkt durch Mischkristallverfestigung. Dieser Effekt kann durch eine Legierung nur mit Al nur in erheblich geringerem Maß genutzt werden. Zur Kompensation sind andere festigkeitssteigernde Mechanismen zu nutzen, die sich nicht negativ auf die elektromagnetischen Eigenschaften von Elektroblech auswirken.
In dem erfindungsgemäßen Elektroband oder -blech ist Mangan in einer Menge von mehr als 0,1 bis zu 2,0 Masse-% enthalten. Mangan erhöht den spezifischen Volumenwiderstand. Um einen entsprechenden Effekt zu erzeugen, sollten mehr als 0,1 Gew.-% Mangan im Stahl enthalten sein. Um eine problemlose Weiterverarbeitung durch Warm- und Kaltwalzen sicherzustellen, sollte der Mangangehalt wegen der Bildung spröder Phasen nicht über 2 Masse-% liegen.
Eine Zugabe von Kupfer erhöht ebenfalls den spezifischen Volumenwiderstand. Um einen entsprechenden Effekt zu erzielen, sollte der Cu-Gehalt mehr als 0,05 Masse-% betragen. Es sollte nicht mehr als 3 Masse-% Cu dem Stahl zulegiert werden, da ansonsten durch sich bildende Ausscheidungen auf den Korngrenzen die Walzbarkeit verschlechtert wird und möglicherweise Lotrissigkeit beim Warmwalzen auftreten kann.
Die Zugabe von Nickel wirkt sich positiv im Hinblick auf eine Reduzierung der Ummagnetisierungsverluste aus. Um einen entsprechenden Effekt zu erreichen, sollte der Mindestgehalt bei oberhalb von 0,01 Masse-% liegen, da Nickel aber ein sehr teures Element ist, sollte aus wirtschaftlichen Gründen ein maximaler Wert von 5,0 Masse-%, vorzugsweise von 3,0 Masse-%, besonders vorzugsweise von 2,5 Masse-%, nicht überschritten werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem Stahl V mit einem Gehalt von 0,01 bis 0,25 Masse-% zulegiert wird. Aufgrund der höheren Affinität von Nb als V zu C geht die Bildung von Nb-Karbiden der Bildung von V-Karbiden voraus, so dass die Bildung von NbC (entweder stöchiometrisch oder überstöchiometrisch) es dem freien V ermöglicht, in eine feste Lösung überzugehen und zu einer Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung beizutragen. Zur Absicherung der Abbindung des C durch Nb kann als ergänzende verbessernde Maßnahme zu V noch Ti zulegiert werden. Noch in Lösung befindliches C kann durch V oder Ti abgebunden werden. Im Gegensatz zu Nb(C,N) wird V(C,N) oder Ti(C) im Prozess durch mehrfaches Wiedererwärmen (vor dem Warmwalzen und zwischen den einzelnen Walzstichen) sowie der Schlussglühung des auf Endabmessung kalt gewalzten Elektrobands mehrfach aufgelöst und wieder ausgeschieden. Die mehrfache Auflösung und die geringe Diffusionsfähigkeit des V führt zu einer zunehmenden, gewünschten Vergröberung der Ausscheidungen. Eine Zielgröße ist hier > 500 nm.
Ein Summengehalt von Al und Si > 4,5 Masse-%, vorzugsweise > 6 Masse-%, wird als besonders vorteilhaft angesehen. Der elektrische Widerstand (p) für konventionelle Legierungen auf der Basis von 3 Masse-% Si beträgt etwa 45 E-8 Ωm sowie einer Legierung auf der Basis 6,5 Masse-% Si etwa in der Größenordnung um 80 E-8 Ωm. Entsprechendes gilt für niedrig Al-haltige Legierungen. Mit zunehmendem Al-Gehalt steigt der elektrische Widerstand drastisch auf etwa > 90 E-8 Ωm an. Hierdurch werden, insbesondere bei höheren Frequenzen, die Wirbelstromverluste im Vergleich zu niedriger legierten Elektroblechen in Folge des Skin-Effekts verringert. Wirbelstromverluste bei der Ummagnetisierung werden somit maßgeblich durch die Massenanteile Si und Al bestimmt. Das erfindungsgemäße Konzept basiert auf Basis von überwiegend Al, d.h. der Al-Gehalt sollte immer größer als der Si-Gehalt sein.
Weiterhin kann vorteilhaft der spezifische Volumenwiderstand des Werkstoffs positiv beeinflusst werden, durch Zugabe von Cr und Mo in Gehalten von 0,01 bis 0,5 Masse-% in Summe und/oder durch Zugabe von Zn und Sn in Gehalten von 0,01 bis 0,05 Masse-% in Summe.
Ein maximaler Summengehalt von Mn und Al in Höhe von 10 Masse-% ist vorteilhaft als Obergrenze vorgesehen, um die Walzbarkeit des Stahls zu erhalten.
Unter Berücksichtigung einer guten Warm- und Kaltwalzbarkeit hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn der Stahl in Bezug auf einige seiner Elemente folgende Gehalte aufweist (in Masse-%): AI: 1 bis 6; Si: 0,3 bis 1; Mn: > 0,1 bis 1; Cu: > 0,05 bis 2,0; Ni: > 0,01 bis 3,0 oder AI: > 6 bis 10; Si: 0,3 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,5; Mn: > 0,1 bis 2, vorzugsweise >0,5 bis 2; Cu: > 0,01 bis 2,5, vorzugsweise > 0,1 bis 0,5; Ni: > 0,01 bis 2,5.
Vorteilhafterweise weist das Elektroband- oder blech eine spezifische Dichte von 6,40 bis 7,30 g/cm³ auf und erfüllt somit die Anforderungen an ein möglichst geringes spezifisches Gewicht.
Die mechanischen Eigenschaften des Elektrobands oder -blechs lassen sich erfindungsgemäß durch die unterschiedlichen Legierungskonzepte in einem weiten Spektrum variieren. Erfindungsgemäßes Elektroband oder -blech weist eine Festigkeit Rm von 450 bis 700 MPa, eine Streckgrenze Rp0,2 von 310 bis 550 MPa und eine Dehnung A80 von 5 bis 30 % auf.
Vorzugsweise ist das Elektroband oder -blech nicht kornorientiert.
Das erfindungsgemäße Elektroband oder -blech eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen für elektrotechnische Anwendungen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Elektroband oder -blechs umfasst die Schritte, dass eine Schmelze für den Stahl des Elektrobands oder -blechs in einer horizontalen Bandgießanlage zu einem Vorband mit einer Dicke von 5 bis 30 mm vergossen wird, das Vorband mit einem Umformgrad von mindestens 50 % zu einem Warmband warmgewalzt wird und das Warmband anschließend auf eine Dicke von maximal 0,65 mm zu einem Kaltband kaltgewalzt wird. Im Zusammenhang mit dem endabmessungsnahen Bandgießverfahren ist eine geringere Dickenreduzierung durch Walzen erforderlich ist. Legierungsbedingt, mit Si und Al als Ferritstabilisatoren, erfolgt das Warmwalzen für ein ferritisches (kubisch raumzentriertes) Gefüge. Die zahlreichen Gleitsysteme des kubisch raumzentrierten Kristallgitters ermöglichen ein Warmwalzen mit geringen Walzkräften oder hohen Umformgraden. Durch geregeltes Abkühlen des fertig gewalzten Warmbands in einer Kühlstrecke wird das Gefüge für das Kaltwalzen konditioniert. Das Kaltwalzen kann durch die Konditionierung des Gefüges nach dem Warmwalzen ohne vorherige Glühung (Eingangs- oder Warmbandglühe) erfolgen und somit Energie eingespart und die Prozesskette verkürzt werden. Für die Optimierung des Gefüges (Textur) kann dennoch für ein warmgewalztes Band eine Warmbandeingangsglühe mit zum Teil sehr hohen Glühtemperaturen oder sehr langen Glühdauern des Warmbands vor dem Kaltwalzen erforderlich sein.
Wenngleich im Grundsatz alle herkömmlichen Stahlherstellungsverfahren wie beispielsweise Stranggießen, Dünnbrammengießen oder Dünnbandgießen für die Herstellung eines Elektroband oder -blechs aus dem erfindungsgemäßen Stahl geeignet sind, hat sich bei der Stahlherstellung schwieriger herzustellender Legierungsvarianten, insbesondere bei erhöhten Gehalten an Mangan, Aluminium und Silizium, die Erzeugung des Stahlbandes in einer horizontalen Bandgießanlage bewährt. Bei Verwendung einer horizontalen Bandgießanlage werden Makroseigerungen und Lunker aufgrund sehr homogener Abkühlbedingungen in der horizontalen Bandgießanlage weitgehend vermieden. Zusätzlich erstarrt die Al-reiche und Si-reiche Schmelze in einer fast sauerstofffreien Gießatmosphäre. Elektrobänder mit hohen Masseanteilen an Al - über 2,5 Masse-% - und zusätzlich Si sind konventionell mittels Strangguss nicht effizient zu vergießen.
Mikrolegierungselemente, wie Nb, V und Ti weisen eine festigkeitssteigernde Wirkung auf. Die Ausscheidungen werden als Karbid oder Karbonitrid gebildet. Die Größe der Ausscheidungen ist maßgeblich für die Festigkeitssteigerung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die elektromagnetischen Eigenschaften nicht negativ beeinflusst werden. Der mittlere Durchmesser beträgt deshalb < 50 nm, um eine Beeinträchtigung der Blochwände bei der Ummagnetisierung gering zu halten. Gerade endabmessungsnahe Gießverfahren mit den hohen Abkühlraten ermöglichen die Ausscheidung von sehr feinen Karbiden nach der Erstarrung. Die Temperaturen für das Auflösen dieser Karbide liegt bei » 1100 °C. Für das Wiedererwärmen vor dem Warmwalzen besteht grundsätzlich die Möglichkeit, entsprechend der chemischen Zusammensetzung der Karbide, entweder die Ausscheidungen beizubehalten oder aber aufzulösen. Da die Ausscheidungen nach dem Gießen und Erstarren fein vorliegen, ist bevorzugt ein Auflösen der Ausscheidungen für endabmessungsnahe Gießverfahren nicht vorzusehen. Noch gelöster Kohlenstoff kann beim thermomechanischen Walzen in feiner Dispersion mit Niob ausgeschieden werden.
Die ausschließliche Verwendung anderer kohlenstoffaffiner Elemente, wie Titan oder Vanadium ist eingeschränkt, da entweder sehr grobe Ausscheidungen gebildet werden (TiN) oder aber Ausscheidungen aufgrund niedriger Löslichkeitstemperaturen im Prozess einmal oder mehrfach aufgelöst werden (VC).
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Warmband unter Vermeidung eines Entkohlungsprozessschrittes, insbesondere eines entkohlenden Glühens und/oder einer Vakuumbehandlung, kaltgewalzt wird.
Nachfolgend werden in einer Tabelle 1 beispielhaft chemische Zusammensetzungen von erfindungsgemäßen Stählen A bis K gezeigt. Zu diesen Stählen liegt die Festigkeit Rm in MPa zwischen 472 MPa und 690 MPa (Randwerte hier und folgend eingeschlossen), wobei Stähle mit AI: 4 bis 5,5 Masse-%: min. 472 MPa und max. 580 MPa; Stähle mit Al: 5,6 bis 6,5 Masse-%: min. 572 und max. 695 MPa aufweisen, die Koerzitivfeldstärke Hc in A/m bei 50 Hz zwischen 45 bis 145, wobei Stähle mit AI: 4 bis 5,5 Masse-%: min. 79 A/m bei 50 Hz und max. 145 A/m bei 50 Hz; Stähle mit Al: 5,6 bis 6,5 Masse-%, min. 45 A/m bei 50 Hz und max. 122 A/m bei 50 Hz aufweisen, und die Ummagnetisierungsverlustleistung Ps in W/kg bei 50 Hz zwischen für Stähle mit AI: 4 bis 6,5 Masse-%: 1,26 W/kg bei 50 Hz bis 6,62 W/kg bei 50 Hz. Anhand der Werte wurden die guten magnetischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Elektrobandes oder - bleches nachgewiesen. Die Breite der Hysterese entspricht der Koerzitivfeldstärke Hc. Die spezifische, auf die Werkstoffdichte bezogenen Verluste werden als Ummagnetisierungsverlustleistung oder auch als Ummagnetisierungsverlust Ps bezeichnet (siehe beispielsweise Electrical steel sheet and strip; publication 401-E; Stahl-Informations-Zentrum; Düsseldorf).

In der 1 ist ein Diagramm mit einer qualitativen Bewertung der Warmwalzbarkeit in Abhängigkeit vom freien Kohlenstoffanteil dargestellt. Die Warmwalzbarkeit ist auf der y-Achse aufgetragen mit Werten von 0 bis 1, wobei 1 eine gute Warmwalzbarkeit und 0 eine schlechte Warmwalzbarkeit bedeutet. Auf der x-Achse ist der freie C-Anteil eines erfindungsgemäßen Elektrobandes oder -bleches nach Abbinden des Kohlenstoffs durch Nb und Zulegierung von V in den erfindungsgemäßen Bereichen mit Werten zwischen - 0,07 bis 0,05 aufgetragen. Durch die Zulegierung von karbidbildendem Nb wird der freie, interstitiell gelöste C dauerhaft abgebunden. Das Warmwalzen des Stahls ist durch die erfindungsgemäße Absenkung des nicht an Nb abgebundenen Kohlenstoffanteils im Sinne eines freien Kohlenstoffs ohne Rissbildung möglich (Warmwalzbarkeits-Wert ist > 0,5). In Versuchen wurde ermittelt, dass hierfür die Masseanteile für den freien Kohlenstoff deutlich unterhalb von 0,010 Masse-% liegen müssen, um eine hinreichende Duktilität für ein rissfreies Warmwalzen zu erhalten. Tabelle 1- Beispiele chemischer Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Elektrobleches oder- bandes

Stahl	C [Masse-%]	Al [Masse %]	Si [Masse-%]	Mn [Masse-%]	N) [Masse-%]	Cu [Masse-%]	Nb [Masse-%]	V [Masse-%]	Cr [Masse-%]	Mo [Masse-%]	Sn [Masse-%]	Ti [Masse-%]	Summe N. S, P [Masse-%]
A	0,019	6,3	0,77	0,164	0,057	0,101	0,18	0,202	0,066	0,021	0,006	0.007	0,0071
B	0,019	5,8	0,599	0,258-	- 0,065	0,097	0,089	0,095	0,073	0,011	0.007	0,005	0,0087
C	0,013	5,5	0,67	0,136	0,062	0,119	0,076	0,092	0,072	0,028	0.009	0,006	0.0087
D	0,016	5,3	0,704	0,198-	- 0,055	0,094	0,064	0,064	0,07	0,015	0,005	0,005	0,0088
E	0,016	5.7	0,83	0,172	0,103	0,113	0,0002	0,002	0,069	0,018	0,005	0,008	0,0071
F	0,012	6,5	0,693	0,24	0,037	0,082	0,062	0,008	0,06	0,009	0,007	0,007	0.0089
G	0,026	5	0,664	0,165	0,059	0,103	0,07	0,003	0,062	0,015	0,007	0,031	0,0068
F	0,018	4	1	0,239	0,078	0,097	0,057	0,002	0,098-	- 0,018	0.007	0,002	0,0084
H	0,008	6,5	0,5	1,5	0,06	0,01	0,005	0,002	0,01	0,02	0,005	0,004	0,007
1	0,008	5	1,5	0,2	0,06	0,01	0,005	0,002	0,01	0,02	0,005	0,004	0,007
J	0,003	6,5	0,5	1,5-	- 0,06	0,01	0,005	0,002	0,01	0,02	0,005	0,004	0,007
K	0,003	4	2	0,2	0,06	0,01	0,005	0,002	0,01	0,02	0,005	0,004	0.007

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012002642 B4 [0005]
WO 2018/019602 A1 [0007]
JP 2017088968 A [0008]

Claims

Elektroband oder -blech hergestellt aus einem Stahl bestehend aus (in Masse-%): C: 0,005 bis 0,030, vorzugsweise 0,010 bis 0,020 AI: 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 10 Si: 0,3 bis 3,5, vorzugsweise 0,4 bis 3,0, besonders vorzugsweise 0,5 bis 1,5 Mn: > 0,1 bis 2,0 Cu: > 0,05 bis 3,0 Ni: > 0,01 bis 5,0, vorzugsweise > 0,01 bis 3,0 Nb: von (92,91/12,01) (C - 0,0040%) + (92,91/14) * N) bis (92,91/12,01) * (C) + (92,91/14) * N) jeweils mit einer Schwankungsbreite von +/- 0,03 Masse-% Summe aus N, S und P: höchstens 0,05 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Elemente aus V, Ti, Cr, Mo, Zn und Sn.
Elektroband oder -blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der V-Gehalt 0,01 bis 0,25 Masse-% ist.
Elektroband oder -blech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ti-Gehalt 0,01 bis 0,25 Masse-% ist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zulegierung von V und/oder Ti die Bedingung erfüllt ist: (-0,01) < (Nb / 92,21 + V / 50,94 + Ti / 47,87) - (C / 12,01 + N / 14) < 0,05
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zulegierung von V und/oder Ti der Anteil von Nb gegenüber dem Anteil beziehungsweise den Anteilen von V und/oder Ti größer als 50 %, vorzugsweise größer als 75 % und besonders vorzugsweise größer als 90 %, ist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Summengehalt von Al und Si > 4,5 Masse -%, vorzugsweise > 6 Masse -%, ist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Summengehalt von Cr und Mo 0,01 bis 0,5 Masse -% ist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Summengehalt von Zn und Sn 0,01 bis 0,05 Masse -% ist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Summengehalt von Mn und Al 10 Masse -% ist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Bezug auf einige seiner Elemente folgende Gehalte aufweist (in Masse -%): Al: 1 bis 6 Si: 0,3 bis 1 Mn: > 0,1 bis 1 Cu: > 0,05 bis 2,0 Ni: > 0,01 bis 3,0
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Bezug auf einige seiner Elemente folgende Gehalte aufweist (in Masse -%): AI: > 6 bis 10 Si: 0,3 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 Mn: > 0,1 bis 0,5 Cu: > 0,05 bis 2,5, vorzugsweise > 0,1 bis 0,5 Ni: > 0,01 bis 2,5
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroband oder -blech eine spezifische Dichte von 6,40 bis 7,30 g/cm³ aufweist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroband oder -blech eine Festigkeit Rm von 450 bis 690 MPa, eine Streckgrenze Rp0,2 von 310 bis 550 MPa und eine Dehnung A80 von 5 bis 30 % aufweist.
Elektroband oder -blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroband oder -blech nicht kornorientiert ist.
Bauteil für elektrotechnische Anwendungen hergestellt aus einem Elektroband oder - blech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zum Erzeugen eines Elektrobands oder -blechs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelze für den Stahl des Elektrobands oder -blechs in einer horizontalen Bandgießanlage zu einem Vorband mit einer Dicke von 5 bis 30 mm vergossen wird, das Vorband mit einem Umformgrad von mindestens 50 % zu einem Warmband warmgewalzt wird und das Warmband anschließend auf eine Dicke von maximal 0,65 mm zu einem Kaltband kaltgewalzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband unter Vermeidung eines Entkohlungsprozessschrittes, insbesondere eines entkohlenden Glühens und/oder einer Vakuumbehandlung, kaltgewalzt wird.