DE1181256B

DE1181256B - Verfahren zur Herstellung von orientiertem Siliziumstahl

Info

Publication number: DE1181256B
Application number: DEW26171A
Authority: DE
Inventors: George W Wiener
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1958-10-03
Filing date: 1959-08-10
Publication date: 1964-11-12
Also published as: GB878819A; US2965526A; FR1236962A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES JmTWt PATENTAMT

Internat. KL: C21d

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

Deutsche KL: 18 c-1/78

W 26171VI a/18 c
10. August 1959
12. November 1964

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von orientierten Siliziumstählen, die für elektrische Zwecke gebraucht werden.

Die Verwendung von Eisen-Silizium-Legierungen, die üblich Siliziumstähle genannt werden, für elektrische Zwecke, ist handelsüblich. Ein besonderer Fortschritt betraf die Orientierung der Kristalle und der Körner in Siliziumstahl, um ungewöhnliche magnetische Eigenschaften hervorzurufen, und zwar im wesentlichen von gleicher Art wie bei Einkristallen. Diese Vorteile haben z. B. die Entwicklung von leichteren Transformatoren für eine gegebene Kapazität und von elektrischen Geräten ermöglicht, die wirtschaftlicher betrieben werden können, weil sich die wirksamen Eigenschaften der orientierten (Textur-) Werkstoffe im allgemeinen nicht durch Altern ändern.

Eine wesentliche Schwierigkeit war die Unmöglichkeit, vollständig befriedigendes Material zu erhalten, das für diese Zwecke verwendet werden kann. Es ist üblich, bei der Stahlherstellung eine kleine Probe des heiß gewalzten Siliziumstahles zu prüfen, um zu bestimmen, ob es möglich ist, ihm eine Textur zu verleihen und, wenn dies nicht möglich ist, den Stahl als gewöhnliches heiß gewalztes Band zu disponieren. Bisher ist es nicht erklärbar, warum bisweilen Siliziumstahl einer Charge die hier in Betracht kommende Textur gegeben werden kann und es unmöglich ist, bei einer folgenden Charge dasselbe Ergebnis zu erzielen, die unter gleichen Bedingungen geschmolzen und mit gleichen Schritten wie die andere Charge verarbeitet worden ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von orientiertem Siliziumstahl, der die bevorzugte Orientierung (110) [001] hat, wobei das Verfahren mit vorhandenen Einrichtungen durchgeführt werden kann und keine besondere Übung für seine Durchführung erfordert, und bei dem der Prozentgehalt an Körpern oder Kristallen, die je Stahleinheit die Orientierung aufweisen, ein Maximum erreicht. Das Verfahren erlaubt, ein Produkt herzustellen, dessen magnetische Eigenschaften für hochwertige elektrische Anwendungen befriedigend sind.

Durch die Metallkunde ist bekannt, daß die magnetischen oder mechanischen Eigenschaften irgendeines Metalls oder einer Legierung durch die Zusammensetzung und das Gefüge bestimmt sind. Es ist weiter bekannt, daß die Zusammensetzung oft das Gefüge beeinflußt, so daß man nicht sagen kann, daß beide gegenseitig unabhängig voneinander wären. Deshalb muß jedes Verfahren zur Verbesse-Verfahren zur Herstellung von orientiertem
Siliziumstahl

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Barckhaus, Patentanwalt,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

George W. Wiener, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Oktober 1958
(765 027)

rung eines vorhandenen Werkstoffes sowohl eine Kontrolle der Zusammensetzung als des Gefüges beinhalten.

Durch Beachtung der vorstehenden Grundsätze bei der Herstellung von Siliziumstählen mit der Vorzugsriehtung (110) [001] wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die beschriebene Orientierung ein Maximum aufweist und die erhaltenen orientierten Kristalle rasch wachsen, während die nicht in Vorzugsrichtung orientierten Kristalle ihre Größe nicht wesentlich ändern. So wurden erfindungsgemäß Siliziumstähle, die durch die Vorzugsrichtung (110) [001] charakterisiert sind, durch Kaltwalzen eines heiß gewalzten Streifens aus Siliziumstahl besonderer Zusammensetzung hergestellt, worauf der erzeugte Streifen bei einer erhöhten Temperatur geglüht wurde, nachdem er auf diese Temperatur sehr rasch erhitzt worden war. Der geglühte Streifen wurde nochmals kalt auf Endstärke gewalzt und erneut geglüht, vorzugsweise bei einer höheren Temperatur als bei der zuerst erwähnten Glühung, auf die er wiederum mit einer speziellen Geschwindigkeit erhitzt wurde. Der Streifen kann dann entkohlt und bei einer hohen Temperatur geglüht werden, wobei er verhältnismäßig langsam auf Glühtemperatur erhitzt wird. Die Reihenfolge des Kaltwalzens,

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Glühens, des nochmaligen Kaltwalzens, gefolgt von ist es bei der Herstellung von Material mit Vorzugs-

der zweiten Glühung, muß in der beschriebenen lage gemäß der Erfindung entscheidend wichtig, auf Weise erfolgen. Der Entkohlungsschritt und die die Glühtemperatur von etwa 850 bis 1050° C so Glühung bei hoher Temperatur können, wenn sie rasch zu erhitzen, daß während des Aufheizens auf

angewendet werden, miteinander vertauscht werden. 5 die Temperatur kein merkbares Erweichen: eintritt.

Auf diese Weise konnten Siliziumstähle mit einem Andererseits ist das Kristallwachstum sowohl eine

Maximum an Kristallen mit der bevorzugten Orien- Funktion der Temperatur als der Glühdauer. Um die

tierung (110) [001] hergestellt und die so Vorzugs- Vorteile der Erfindung zu erhalten, ist es notwendig,

weise orientierten Kristalle im wesentlichen bis zum ein unzulässiges Kristallwachstum während dieser

Ausschluß oder mindestens weitgehendem Ausschluß ίο Zwischenglühung oder Rekristallisationsglühung zu

des Wachstums anderer vorhandener Kristalle vermeiden. Die Glühtemperatur muß infolgedessen

wachsen gelassen werden. Wichtig ist es, daß diese für eine genügende Zeit beibehalten werden, um

günstigen Ergebnisse vollständig reproduzierbar und Rekristallisation zu bewirken. Sie soll aber etwa

nicht eine Geratewohlangelegenheit wie vielfach 1 Minute nicht übersteigen, denn es wurde gefunden,

bisher sind. Die so erzeugten Werkstoffe können in 15 daß die gewünschte Rekristallisation innerhalb dieser

der gleichen Weise gebraucht werden wie orientierte Zeitgrenze eintritt und bei der speziellen Temperatur

Siliziumstähle bisher, aber mit vergrößerter Wirk- ohne schädliches Kornwachstum,

samkeit und anderen Vorteilen, die die besonderen Nachdem die Rekrstallisationsglühung beendet ist,

Eigenschaften dieser Werkstoffe begleiten und die wird der Streifen nochmals kalt gewalzt. Es wird

bisher nicht allgemein bekannt waren. 20 eine Verringerung der Dicke von 50 bis 60% vor-

Die Notwendigkeit des Kaltwalzens, Glühens, genommen und der Streifen dann erneut in neutraler nochmals auf Endstärke Kaltwalzens, gefolgt von oder reduzierender Atmosphäre geglüht. Die Temeiner zweiten Glühung, um einen orientierten Silizium- peraturbedingungen dieser zweiten Glühung sind die stahl zu entwickeln, war bekannt. So war es z. B. gleichen wie diejenigen der ersten Rekristallisationsbekannt, Siliziumstähle mit Siliziumgehalten von 1 bis 25 glühung, d. h., es wird eine Temperatur von minde-3,4% Silizium nach dem Heißwalzen auf Tem- stens 850° C und höchstens etwa 1050° C angeperaturen von 800 bis 925° C zu erhitzen, sie dann wendet, und diese wird mit einer Erhitzungsgeschwin-52 bis 64% kalt zu walzen, bei 825 bis 925° C zu digkeit von etwa 1600 bis 2000° C/min erreicht, glühen, sie nochmals 58 bis 69% kalt zu verformen Um ein unerwünschtes Kristallwachstum zu vermei- und sie dann einer Schlußwärmebehandlung bei 900 3° den, aber ein möglichst weitgehendes Wachsen der bis 1100° C zu unterwerfen. Kristalle mit Vorzugslage zu bewirken, ist es ent-

Im Gegensatz zur bisherigen Arbeitsweise ist es scheidend wichtig, daß die Glühtemperatur rasch

gemäß der Erfindung wesentlich, daß bestimmte erreicht wird, um diejenige Temperatur zu erlangen,

verfahrensmäßige Beschränkungen im Hinblick auf bei der die bevorzugten Kristalle wachsen und bei

jeden Schritt scharf eingehalten werden, wenn die 35 denjenigen mittleren Temperaturen, bei denen die

Vorteile der Erfindung erhalten werden sollen. anderen Kristalle wachsen, nur für eine möglichst

Der erste Kaltwalzschritt kann in jeder gewünsch- kurze Dauer zu bleiben. Aus diesem Grunde wird ten Weise ausgeführt werden, solange die Verringe- bei der zweiten Glühung die obenerwähnte Erhitrung der Dicke innerhalb des Bereiches von 60 bis Zungsgeschwindigkeit angewendet. Bei der sich 80 %, vorzugsweise 70 bis 80%, liegt. Ebenso kann 40 ergebenden Glühtemperatur wird der Werkstoff für der zweite Kaltwalzschritt mit einer beliebigen Vor- eine genügend lange Zeitdauer gehalten, um den richtung und bei bisher gebräuchlichen Temperaturen Werkstoff vollständig zu erweichen, aber vorzugsdurchgeführt werden. Die Verringerung der Dicke weise nicht länger als etwa 1 Minute,
bei diesem zweiten Kaltwalzen muß jedoch im Bereich Bei jeder der vorstehend beschriebenen Glühungen von etwa 50 bis 60% der dabei vorliegenden Streifen- 45 wird also der Siliziumstahl sehr rasch auf Glühdicke liegen. Obwohl definitionsgemäß das Kalt- temperatur gebracht. Darüber hinaus wird die Glühwalzen bei irgendeiner Temperatur unterhalb der temperatur für die kurze Dauer, die etwa 1 Minute Rekristallisationstemperatur durchgeführt werden nicht übersteigt, gehalten. Obwohl noch andere kann, hat sich für das Kaltwalzen Raumtemperatur Gesichtspunkte bei der Erfindung zu beachten sind, als besonders geeignet erwiesen. 5° dürften die beschriebene Erhitzungsgeschwindigkeit

Die erste Glühung ist eine Rekristallisationsglühung, und die Glühdauer für die überlegenen Eigenschaften

die also oberhalb der Rekristallisationstemperatur der gemäß der Erfindung hergestellten Werkstoffe

für das herzustellende Material durchgeführt wird, verantwortlich sein.

zweckmäßig oberhalb etwa 850° C. Die obere Tem- Nach der zweiten Glühung kann der Streifen z. B.

peraturgrenze ist durch die Notwendigkeit gegeben, 55 durch Erhitzen in einer Atmosphäre aus feuchtem

die Kristallgröße zu dieser Zeit klein zu halten; eine Wasserstoff auf etwa 600 bis 800° C entkohlt wer-

obere Grenze von etwa 1050° C ist für diesen Zweck den. Dann kann er eine Schlußglühung bei etwa

wirksam. Die Glühung wird in einer neutralen oder 1000 bis 1300° C erfahren, wobei er auf diese Tem-

reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Das zu peratur verhältnismäßig langsam, z.B. größenord-

glühende Material wird auf die Glühtemperatur mit ^6o nungsmäßig mit 2 bis 15° C, z. B. 5° C/min, erhitzt

einer Geschwindigkeit von etwa 1600 bis 2000° C/min, wird. Diese Schlußglühung kann auch vor dem Ent-

beispielsweise etwa 1800° C/min, erhitzt, z. B. im kohlungsschritt erfolgen. In diesem Falle wird der

Durchlaufverfahren oder durch induktives Erhitzen. Streifen erst bis unterhalb der Rekristallisations-

Die Orientierung ist eine temperaturabhängige temperatur abgekühlt und dann auf die soeben be-

Variable. Weil die bevorzugte Orientierung oberhalb 65 schriebene Glühtemperatur erhitzt und nach dem

der Rekristallisationstemperatur hervorgebracht wird, Glühen entkohlt. Die gesamte Behandlungsdauer, die

während andere und unerwünschte Eigenschaften oberhalb der Rekristallisationstemperatur bei dieser

sich beim Glühen bei niedrigerer Temperatur ergeben, Schlußglühung erfolgt, soll mindestens für das

Wachstum der bevorzugt orientierten Kristalle'genügen, d. h. mindestens etwa 1 Stunde betragen, aber nicht mehr als etwa 8 Stunden. Eine geeignete Behandlungsweise, die nach dem zweiten Kaltwalzen angewendet werden kann, schließt das Durchlaufen des Streifens durch einen Durchlaufglühofen und das Aufspulen nach seinem Austreten ein, worauf die erhaltene Spule entkohlt und dann langsam einer Kistenglühung unterworfen wird.

Das vorstehend angegebene Verfahren kaiin auf Siliziumstähle angewendet werden, die heiß zu Streifen mit einer Dicke von der Größenordnung 1,9 bis 3 mm gewalzt sind, vorzugsweise heiß gewalzt und gespult bei einer Temperatur nicht unterhalb 800° C. Es ist wünschenswert, daß ein solcher heiß gewalzter Siliziumstahl eine Korngröße von 1 bis 3 mm hat. Um eine solche Korngröße sicher zu erhalten, ist es vorteilhaft, das heiß gewalzte Material vor dem Kaltwalzen bei etwa 1050 bis 1150° C für eine Zeitdauer zu glühen, die ausreicht, um diese Korngröße hervorzurufen.

Die Zusammensetzung der herzustellenden orientierten Siliziumstähle beträgt in Gewichtsprozenten etwa 2,2 bis 5,25% Silizium, 0,001 bis 0,05 «/ο mindestens eines Stoffes aus der Gruppe Metalloxyde, Metallsulfide und Metallnitride, höchstens etwa 0,02% Kohlenstoff, Rest Eisen und zufällige Bestandteile, die die gewünschten Ergebnisse nicht nachteilig beeinflussen. _

Ohne die Erfindung theoretisch einschränken zu wollen, scheint es, um das Wachstum der bevorzugt orientierten Kristalle reproduzierbar sicherzustellen und das Wachstum der anderen vorhandenen Kristalle auf ein Minimum zu beschränken, notwendig zu sein, daß ein Metallsulfid, -nitrid oder -oxyd in den angegebenen Mengen in dem zu behandelnden Stahl anwesend ist. Solche beigefügten Stoffe müssen wahrscheinlich solche sein, die bei der Glühtemperatur entweder zersetzt oder reduziert werden können oder bei Glühtemperatur in feste Lösung gehen. Typische solche Stoffe sind Kupfersulfid, Mangansulfid, Tonerde, Aluminiumnitrid und Siliziumdioxyd. Stähle dieser Zusammensetzung können auf beliebige, bei der Herstellung von Elektrostählen übliche Weise hergestellt werden. Es wird jedoch bevorzugt, sie nach dem Heißwalzen auf die gewünschte Stärke bei einer Temperatur nicht unterhalb 800° C aufzuspulen.

Die Erfindung wird an Hand eines Beispiels beschrieben.

Ein heiß gewalzter Siliziumstahl von 2,5 mm Dicke und einer Zusammensetzung innerhalb des speziellen Bereiches wird auf 1100° C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten, bis die mittlere Korngröße 1 bis 3 mm beträgt. Der Streifen wird dann kalt auf einem üblichen Walzwerk bei Raumtemperatur auf eine Dicke von 0,76 mm heruntergewalzt. Der gewalzte Streifen läuft durch einen Durchlaufofen mit einer trockenen Wasserstoffatmosphäre, die auf einer Temperatur von 950° C gehalten wird, mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um sicherzustellen, daß der Streifen in dem Ofen für eine Zeitdauer von einer Minute bleibt. Der Streifen wird dann erneut kalt bis auf eine Dicke von 0,35 mm bei Raumtemperatur gewalzt, worauf der erhaltene Streifen nochmals im Durchlauf in trockenem Wasserstoff bei 950° C für 1 Minute oder die gerade eben benötigte Zeit zum Erweichen des Materials geglüht wircL'Wenn der Streifen den drlühofen verläßt, wird er aufgespult und in einen Ofen gebracht, durch den,feuchter Wasserstoff kontinuierlieh durchgeleitef wird. Die Temperatur im Ofen wird

- 5 unterhalb 800° C gehalten. Nach einer halben-Stunde in dem Entkohlungsofen wird' der aufgewickelte Streifen erneut in einem Kistenofen geglüht, und zwar durch Erhitzen auf 1200° C mit einem Temperaturanstieg von 5° -C/min. Während dieser letzten

^ttö Glühung wird die Atmosphäre neutral gehalten, und die Glühung wird für 4 Stunden durchgeführt. Nachstehende Prüfungen dieses Materials, nämlich Jtöntgenstrahlenanalyse, Bestimmung von Drehmomentkurven und magnetischem Verhalten und; kristallo-

¹S graphische Untersuchungen zeigen, daß der Stahl die bevorzugte Orientierung (110) [001] hat und daß die

^s° orientierten Kristalle sich im wesentlichen durch das ganze Material erstrecken.

Andere Versuche erstreckten sich auf die Prüfung der gemäß der Erfindung hergestellten Siliziumstähle. Eine Probe mit der Enddicke von 0,30 mm und der Analyse:

2,92% Si,

0,0053% C,
as 0,0007% N,

0 012% O ^:

²'

hatte die folgenden magnetischen Eigenschaften:

so . λ nc

üoerzitivicratt u,Ltt

Maximalpermeabilität 52 000

Remanenz von einer Spitzeninduktion von 15 000 Gauß 12 000
Hystereseverluste in Watt/kg ■

und Zyklus 0,0092

Eine Probe des gleichen Materials wurde auch auf Gesamtverluste je Kilogramm bei 15 000 Gauß bei verschiedenen Frequenzen geprüft. Die Werte sind:

W-60 1,29

W-120 3 65

W 1 sn fi'fifi

W-I0U ,

W-240 10,64

W-320 15,09

W-360 19,60

Aus diesen Werten ist deutlich erkennbar, daß die gemäß dem vorstehend angegebenen Verfahren hergestellten Werkstoffe ungewöhnlich nützlich für verschiedene elektrische Anwendungen sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von orientiertem Siliziumstahl mit 2,2 bis 5,25% Silizium, gegebenenfalls 0,001 bis 0,05% mindestens eines Stoffes aus der Gruppe Metaloxyde, Metallsulfide und Metallnitride, höchstens 0,02% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen (gegebenenfalls neben zufälligen Beimengungen in unschädlichen Mengen) mit (110) [001]-Orientierung durch mehrmaliges Kaltwalzen mit Zwischenglühungen und einer Schlußglühung, dadurch gekennzeichnet, daß ein heiß gewalzter Streifen des

Siliziumstahls den folgenden Verfahrensschritten unterworfen wird:

A. Kaltwalzen um etwa 60 bis 80%,

B. mit einer Geschwindigkeit von etwa 1600 bis 2000° C/min auf eine Temperatur von etwa 850 bis 1050° C erhitzen,

C. bei etwa 850 bis 1050° C für eine Zeitdauer halten, die ausreicht, um Rekristallisation zu bewirken, vorzugsweise nicht langer als etwa 1 Minute,

D. Kaltwalzen um etwa 50 bis 60%,

E. mit einer Geschwindigkeit von etwa 1600 bis 2000° C/min auf eine Temperatur von etwa 850 bis 1050° C erhitzen, ^1S

F. bei etwa 850 bis 1050° C für eine Zeitdauer halten, die gerade ausreicht, um das Material zu erweichen, vorzugsweise nicht langer als etwa 1 Minute,

wobei die vorstehend genannten Glühungen unter C und F in nicht oxydierender Atmosphäre durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekristallisationsglühung C ^a5 als Durchlaufglühung ausgeführt und der Streifen nicht langer als 1 Minute auf der Rekristallisationstemperatur gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verfahrensschritte A bis F eine Entkohlungsbehandhmg und eine Hochtemperaturglühung bei mindestens 1000° C in beliebiger Reihenfolge angeschlossen werden.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der heiß gewalzte Streifen vor dem ersten Kaltwalzen bei etwa 1050 bis 1150° C für eine Zeitdauer geglüht wird, die ausreicht, um die durchschnittliche Korngröße auf etwa 1 bis 3 mm zu bringen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- 4° >: kennzeichnet, daß ein heiß gewalzter Streifen aus bis Siliziumstahl mit 2,2 bis 5,25% Silizium, 0,001 bis 0,05% mindestens eines Stoffes aus der Gruppe Metalloxyde, Metallsulfide und Metallnitride, höchstens 0,02% Kohlenstoff und Rest im wesentlichen Eisen, insbesondere ein solcher mit einer Dicke von etwa 1,9 bis 3,0 mm, den folgenden Verfahrensschritten unterworfen wird:

A. Kaltwalzen um etwa 60 bis 80%,

C. bei etwa 850 bis 1050° C für eine Zeitdauer halten, die ausreicht, um Rekristallisation zu bewirken, aber nicht langer als etwa 1 Minute,

D. Kaltwalzen um etwa 50 bis 60%,

E. mit einer Geschwindigkeit von etwa 1600 bis 2000° C/min auf eine Temperatur von etwa 850° C bis 1050° C erhitzen,

F. bei der Temperatur von etwa 850 bis 1050° C gerade so lange halten, bis Erweichung eintritt, vorzugsweise höchstens 1 Minute,

G. bei einer Temperatur unter etwa 800° C entkohlen,

H. mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 bis 15° C/min auf eine Temperatur von etwa 1000 bis 1300 ⁰C erhitzen,
I. bei 1000 bis 1300° C glühen,

wobei die vorstehend genannten Glühungen F und I in nicht oxydierender Atmosphäre durchgeführt werden, die Entkohlung in schwach oxydierender Atmosphäre.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift für Metallkunde«, 48 (1957), S. 344 349, insbesondere S. 344.