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Verfahren zur Erzeugung von Würfeltextur in Blechen oder Bändern aus
Eisen-Silizium-Legierungen Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von doppelt kornorientierten Magnetblechen aus Eisen-Silizium-Legierungen. Unter
doppelt kornorientierten Magnetblechen sind solche verstanden, bei denen eine Würfelfläche
(100) der Elementarwürfel der Kristalle in der Walzebene und die Würfelkantenrichtung
[001] in Walzrichtung der Bleche liegen. eine solche Kornorientierung wird auch
mit Würfeltextur oder Würfellage bezeichnet.
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Zweck der Ausbildung der Würfeltextur ist es, Werkstoffe zu erzeugen,
die in zwei zueinander senkrechten Richtungen magnetisch besonders günstige Werte,
z. B. der Permeabilität, aufweisen. Bisher hat man in der Elektrotechnik Eisen-Silizium-Legierungen
verwendet, die entweder ein ungeordnetes Gefüge aufweisen oder die sogenannte Goss-Textur,
bei der in Walzrichtung eine magnetische Vorzugsrichtung liegt, die Magnetisierbarkeit
quer zur Walzrichtung jedoch schwer ist. Derartige Werkstoffe wurden vorwiegend
für Bandringkerne verwendet. Sie waren nicht befriedigend beispielsweise beim Aufbau
von Kernen für Transformatoren, Drosseln u. dgl. aus Stanzteilen. Wenn man derartige
Kerne beispielsweise aus U-förmigen Stanzteilen aus Material mit Goss-Textur aufbaut,
dann liegen nur entweder die Schenkel der U-Bleche in der Vorzugsrichtung, aber
nicht die quer dazu liegenden Jochteile oder umgekehrt. Will man daher auch in diesem
Fall die guten Werte der Vorzugsrichtung ausnutzen, dann muß man zu einem komplizierten
Aufbau der Schichtkerne übergehen mit erheblichen magnetischen Verlusten an den
Stoßstellen der Stanzteile, oder man muß erheblichen Stanzabfall in Kauf nehmen.
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Diese Nachteile werden vermieden, wenn man für den Aufbau von Kernen
Eisen-Silizium-Legierungen mit Würfeltextur zur Verfügung hat.
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Bekannt ist der Vorschlag, Würfeltextur in Eisen-Silizium-Blechen
dadurch zu erzeugen, daß man nach dem Warmwalzen von siliziumhaltigen Eisen-Legierungen
diese einer Reinigungsglühung ohne Nachbehandlung, z. B. ohne Beizen, unterwirft
und anschließend ein- oder mehrmals kaltwalzt und schlußglüht, wobei bei mehrfachem
Kaltwalzen mindestens eine Zwischenglühung eingeschaltet wird.
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über die Schärfe der auf diese Weise ausgebildeten Würfeltextur sind
keine Aussagen gemacht worden. Weiterhin ist es aus der »Zeitschrift für Metallkunde«,
Bd. 48 (1957), S. 344 bis 349, bekannt, Würfeltextur in Eisen-Silizium-Legierungen
durch sekundäre Rekristallisation hervorzurufen. Hierbei wurde von einem heißgewalzten
Material, d. h. einem solchen ohne wesentliche Texturausbildung ausgegangen, das
kaltgewalzt wurde. Diese genannte Literaturstelle sagt aber weder darüber etwas
aus, ob man bei diesem Ausgangsmaterial mit Goss-Textur durch Kaltverformen eine
sekundäre Rekristallisation erhalten kann, noch insbesondere darüber, ob die sekundäre
Rekristallisation in Würfellage erfolgt.
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Ferner ist aus der belgischen Patentschrift 512 625 ein Verfahren
bekanntgeworden, nach dem ein Material mit Goss-Textur kaltverformt und geglüht
wird, um ein Endprodukt zu erhalten, bei dem die Flächen der Elementarwürfel gegenüber
der Goss-Textur um die Walzrichtung als Achse um etwa 20° gedreht sind. Eine Würfeltextur
wird nach diesem Verfahren nicht erzeugt.
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Die vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren zur Erzeugung
von Würfeltextur in Blechen oder Bändern aus Eisen-Silizium-Legierungen mit 2 bis
6% Silizium, weniger als 0,01% Kohlenstoff, Rest Eisen, gegebenenfalls mit Gehalten
an Mangan bis zu 0,5% und zufälligen Verunreinigungen von nicht mehr als 2%, wobei
diese Legierungen in ihrem Querschnitt um 60 bis 95% kaltverformt und bei Temperaturen
von 1100 bis 1400° C schlußgeglüht werden, mit dem Kennzeichen, daß das Ausgangsmaterial
mit vorherrschender (110) [001]-und/oder (1l1) [112]-Textur benutzt wird, das frei
von anhaftenden oxydischen überzügen ist und die Schlußglühung in einer Atmosphäre
durchgeführt wird, die frei von Sauerstoff, Feuchtigkeit und oxydierenden
Mitteln
ist, derart, daß bei der Glühtemperatur Siliziumdioxyd zu Silizium reduziert wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren braucht nicht immer von Eisen-Silizium-Legierungen
hoher Reinheit ausgegangen zu werden, sondern es können auch handelsübliche, offen
geschmolzene Eisen-Silizium-Legierungen verwendet werden. Die Glühatmosphäre der
Schlußglühung soll im übrigen keine aufkohlende Wirkung ausüben. Die Schlußglühung
wird so lange fortgesetzt, bis in den Gegenständen oder Magnetkernen eine im wesentlichen
vollständige sekundäre Rekristallisation in Würfellage erfolgt ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen.
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A b b. 1 gibt eine perspektivische Darstellung von verschiedenen Kornorientierungen;
A b b. 2 stellt einen ringförmigen Stanzteil dar, A b b. 3 die Ansicht eines Blechstreifens
mit ausgestanzten Stanzteilen; A b b. 4 zeigt einen L-Stanzteil; A b b. 5 stellt
einen E-Stanzteil dar; A b b. 6 zeigt eine (100)-Polfigur der Kornorientierung eines
gemäß der Erfindung hergestellten Eisen-Silizium-Bleches.
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In A b b. 1 ist ein Blech dargestellt, in welchem schematisch die
Lage eines mit A bezeichneten Elementarwürfels der Kristalle eingetragen ist, der
eine einfache Kornorientierung (110) [001] illustriert. Weiter ist in A b b. 1 ein
Würfel B gezeichnet, der die Würfellage (100) [001] veranschaulicht.
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Der Würfel A steht mit einer Kante auf der Walzebene, vier Kanten
des Würfels A liegen parallel zur Walzrichtung. Die Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit
der Eisen-Silizium-Legierung zeigt in Richtung der Würfelkante, d. h. in [001]-Richtung.
Wenn in der Eisen-Silizium-Legierung die Textur vorherrschend so ist, wie sie durch
die Lage des Würfels A gekennzeichnet wird, liegt die Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit
des Bleches im wesentlichen in der Walzrichtung. Die Magnetisierbarkeit quer zur
Walzrichtung erfolgt in Richtung [110], d. h. in einer Diagonalrichtung der Würfelfläche.
Es ist bekannt, daß in dieser [110]-Richtung die Magnetisierbarkeit viel geringer
ist.
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Der Würfel B ist so orientiert, daß parallel zur Walzebene vier Würfelkanten
in Walzrichtung liegen und vier Würfelkanten parallel zur Walzebene senkrecht zur
Walzrichtung. Diese beiden Richtungen stellen Richtungen leichtester Magnetisierbarkeit
dar Bei der praktischen Durchführung der Erfindung geht man von Eisen-Silizium-Legierungen
mit einer einfachen Kornorientierung aus. Diese Ausgangsmaterialien haben insbesondere
eine Textur (110) [001] oder (111) [112]. Die Dicke der Magnetbleche beträgt zweckmäßigerweise
0,1 bis 1,3 mm.
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Bei der Kaltverformung können die Bleche bis auf etwa 400° C erhitzt
werden. Es ist erforderlich, daß die kaltgewalzten Bleche frei von jedem Oberflächenfilm
oder anhaftenden überzügen sind, jedoch können kleine Mengen von Siliziumoxyden
als nicht zusammenhängende Einschlüsse oder Teilchen vorhanden sein.
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Die kaltgewalzten Bleche werden einem kritischer Glühverfahren unterworfen.
Obwohl auch ein einzelnes Magnetblech geglüht werden kann, erfordert die Praxis,
daß gleichzeitig eine größere Zahl von Magnetblechen entweder in Form von zu Ringen
gewickelten oder aus Stanzteilen geschichteten Magnetkernen geglüht werden.
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Hierbei ist es erforderlich, zwischen die einzelnen Magnetbleche oder
zwischen die einzelnen Lagen der Magnetkerne ein inertes, anorganisches, feuerfestes
Material zu bringen, das ein Verschweißen der Bleche verhindert, das Entweichen
von Gasen aus dem Metall erlaubt und das der besonderen Glühatmosphäre gestattet,
an die Oberfläche der Bleche zu gelangen. Das inerte, anorganische, feuerfeste Material
kann als feines Pulver auf die Oberfläche der Bleche gestreut oder in anderer geeigneter
Weise auf die Bleche aufgebracht werden. Feinverteiltes Pulver, z. B. Aluminiumoxyd
oder Zirkoniumoxyd von höherer Reinheit oder wasserfreie Magnesia, haben gute Ergebnisse
gezeitigt. Das feuerfeste Material ist in geeigneter Weise zu behandeln, z. B. durch
Kalzinieren bei höherer Temperatur, so daß während der Glühung der Magnetbleche
keinerlei Feuchtigkeit, Sauerstoff oder andere oxydierende Substanzen, wie Kohlendioxyd,
frei werden. Günstige Ergebnisse wurden erzielt durch Verwendung eines feinkörnigen
Aluminiumoxydes mit einer Teilchengröße von etwa 0,04 bis 0,074 mm, das bei 1000
bis 1400° C kalziniert und in einem verschlossenen Behälter bis zum Gebrauch aufbewahrt
wurde.
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Bei der Durchführung des Glühverfahrens wird eine Mehrzahl von kaltgewalzten
Magnetblechen in einem Glühofen einer nicht aufkohlenden Atmosphäre ausgesetzt,
die im wesentlichen frei von Wasser, Sauerstoff oder anderen oxydierenden Komponenten
sein soll. In der Praxis wird der Glühofen während des Betriebes von einem Strom
sehr trockenen hochgereinigten Wasserstoffes kontinuierlich durchströmt. Es ist
wichtig, daß der Wasserstoff einen Taupunkt besitzt, der unter -50° C liegt. Gute
Ergebnisse sind auch mit Helium, Stickstoff oder Argon, die frei von Feuchtigkeit
und Sauerstoff waren, erzielt worden.
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Die Magnetbleche können aber auch im Hochvakuum von mindestens 10-s
mm Hg geglüht werden. Mischungen von Gasen, z. B. von Wasserstoff und Stickstoff,
können ebenfalls verwendet werden. Ein unbedingtes Erfordernis ist es jedoch, daß
die Atmosphäre so gehalten wird, daß bei Glühtemperatur Siliziumdioxyd zu Silizium
reduziert wird. Wenn diese Bedingungen eingehalten werden, kommen die geglühten
Bleche mit einer blanken metallischen Oberfläche aus dem Ofen.
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Das Glühen der Bleche erfolgt bei einer Temperatur von 1100 bis 1400°
C, vorzugsweise bei 1200 bis 1350° C. Die Zeitdauer der Glühung soll genügend groß
und die Temperatur genügend hoch sein, um eine im wesentlichen vollständige sekundäre
Rekristallisation zu erzeugen. Es ist bekannt, daß bei 1000° C eine primäre Rekristallisation
in einigen Minuten stattfindet. Eine sekundäre Rekristallisation erfordert aber
eine weit längere Zeit und eine höhere Temperatur. Geeignete Glühzeiten zur vollständigen
sekundären Rekristallisation sind etwa 4 Stunden bei 1225° C und etwa 1/z Stunde
bei 1400° C. Unterhalb 1200° C sind die Glühzeiten für eine vollständige sekundäre
Rekristallisation zu lang. Während der Glühdauer muß die Temperatur nicht unbedingt
konstant sein, sondern kann in einem gewissen Ausmaß variieren.
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Kaltgewalzte Eisen-Silizium-Bleche mit einer Textur (111) [112] erfahren
durch den Glühprozeß
eine im wesentlichen vollständige Rekristallisation
in die Würfellage mit einer Textur (100) [001]. Es wurde gefunden, daß die Körner
fast vollständig so orientiert sind, wie durch den Würfel B in A b b. 1 schematisch
angedeutet ist, d. h., eine Würfelfläche liegt in der Walzebene, und die Würfelkanten
zeigen in Walzrichtung bzw. senkrecht zur Walzrichtung.
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Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele angegeben: Beispiel
1 Eisen-Silizium-Bleche mit 3 % Silizium und einer Dicke von etwa 0,36 mm mit einer
vorherrschenden (110) [001]-Textur wurden als Ausgangsmaterial benutzt. Die 0,36
mm dicken Bleche wurden auf etwa 0,075 mm kaltgewalzt. Die Verformung beträgt nahe
80 0/0. Die kaltgewalzten 0,075 mm dicken Bleche zeigten eine vorwiegende Textur
von (111) [112]. Feines Aluminiumoxyd mit einer Korngröße von 0,074 mm, das vorher
bei l.200° C kalziniert wurde, wurde auf die Oberfläche der 0,075 mm dicken Bleche
gestreut. Die Bleche wurden 4 Stunden lang bei 1225° C in einem Vakuum unter 10-4
mm Hg geglüht. Die geglühten Bleche zeigten eine vollständige sekundäre Rekristallisation
und hatten blanke, reflektierende Oberflächen. In einer Fläche von etwa 25 mm Breite
und etwa 175 mm Länge waren 19 Körner enthalten, die sich durch die Dicke des Bleches
erstreckten. Die Prüfung des Bleches ergab, daß in allen Körnern die Elementarwürfel
der Kristalle mit ihren (100)-Flächen parallel zur Oberfläche des Magnetbleches
lagen und bei 16 von den 19 Körnern die Elementarwürfel mit ihren [001]-Richtungen
weniger als 10° von der Walzrichtung abwichen, während die anderen wenig außerhalb
dieser Richtung lagen. Die Richtung aller Würfelkanten ist aus der Polfigur 6 zu
entnehmen.
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Der magnetische Werkstoff des Beispiels 1 wurde in schmale Streifen
geschnitten und daraus ein Magnetkern gewickelt. Die magnetischen Eigenschaften,
bei Gleichstromerregung des Kernes in der Walzrichtung gemessen, waren folgende:
Die Spitzeninduktion betrug 17 900 Gauß bei einer magnetisierenden Feldstärke von
10 Oersted. Bei einer Spitzeninduktion von 15 000 Gauß betrug die Koerzitivkraft
0,19 Oersted und die Rernanenz 12 600 Gauß.
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Bei einem anderen Versuch wurden die 0,075 mm dicken kaltgewalzten
Bleche des Beispiels 1 in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von -60°
C geglüht. Nach der Glühung zeigten die Bleche eine spiegelblanke Oberfläche, und
die Elementarwürfel der Kristalle waren vorherrschend in Würfellage angeordnet.
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In einem weiteren Versuch wurden 0,36 mm starke Bleche mit einfacher
Kornorientierung auf ungefähr 0,13 mm gewalzt. Der Verformungsgrad betrug etwa 6511/o.
Die Glühung erfolgte 4 Stunden lang bei 1225° C in einem Vakuum von 10-4 mm Hg.
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Die so behandelten Bleche zeigten Würfeltextur. Beispiel 2 Ein einfach
kornorientiertes Magnetblech aus einer Eisen-Silizium-Legierung mit 3,25% Siliziumgehalt
wurde von 0,64 mm kalt auf eine Dicke von etwa 0,2 mm gewalzt. Der Verformungsgrad
betrug hierbei etwa 6811/o. Die 0,2 mm starken kaltgewalzten Bleche wurden 4 Stunden
lang bei 1225°C im Vakuum geglüht, wie im Beispiel 1 angegeben. Nach der Glühung
zeigte ein hoher Prozentsatz der Körner Würfeltextur. In allen Körnern waren die
Elementarwürfel der Kristalle so angeordnet, daß eine Würfelfläche von der Blechebene
nur wenige Grade und die Würfelkanten von der Walzrichtung nicht mehr als 20° abwichen.
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Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden, um Würfeltextur
in Eisen-Silizium-Blechen mit einer Dicke von etwa 0,002 bis 0,76 mm zu erzeugen.
Die in den Blechen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Würfeltextur ist
so gut, daß bei über 9011/o der Körner die Elementarwürfel der Kristalle mit ihrer
Würfelfläche nur wenige Grade von der Blechebene und fast alle [001]-Richtungen
der Elementarwürfelkanten weniger als 20° von der Walzrichtung abweichen. Ein wesentliches
Merkmal der Erfindung ist die Tatsache, daß keine hochgereinigte oder vakuumgeschmolzene
Eisen-Silzium-Legierung als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren
erforderlich ist. Auch in handelsüblichen Blechen aus Eisen-Silizium-Legierungen
kann durch das Verfahren der Erfindung Würfeltextur erzeugt werden.
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Die nach der Erfindung hergestellten Eisen-Silizium-Bleche mit Würfeltextur
können mit Vorteil in elektrischen Apparaten angewendet werden, z. B. in Motoren,
Generatoren und Transformatoren.
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Wie aus A b b. 2 ersichtlich ist, kann das Statorblech 10 für einen
Motor oder Generator aus Eisen-Silizium-Blechen oder -Streifen mit Würfeltextur
ausgestanzt werden. Das Statorblech 10 umfaßt Nuten 12, in welchen die Wicklung
untergebracht werden kann, und Zähne 14, welche den Magnetfluß führen. Der kreisförmige,
als Joch wirkende Teil 16
des Statorbleches wird während des Betriebes ebenfalls
vom magnetischen Fluß durchflossen. Die Pfeile 18 bezeichnen die beiden Richtungen
der leichtesten Magnetisierbarkeit des Magnetbleches. Die Zähne 14, die direkt über
den Pfeilen 18 liegen, können daher ebenso leicht zu hohen Flußdichten erregt werden
wie der an der Stelle der Pfeile 18
liegende kreisförmige Teil 16, weil in
beiden Blechteilen der magnetische Fluß in Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit
verläuft.
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Wie in A b b. 3 dargestellt, können Magnetsegmente 26 für große Motoren
und Generatoren aus breiten Streifen 20 derart ausgestanzt werden, daß die Zähne
28, zwischen denen die Spulennuten 30 liegen, im wesentlichen parallel zur Walzrichtung
der Bleche und daher fast parallel zu der Richtung 22 der leichtesten Magnetisierbarkeit
liegen, während die Rücken- oder Jochteile 32 im allgemeinen in der anderen Richtung
24 der leichtesten Magnetisierbarkeit liegen. Auf diese Weise können die besonderen
magnetischen Eigenschaften der Bleche mit Würfeltextur bei Anwendung der Magnetsegmente
26 ausgenutzt werden.
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In A b b. 4 sind L-Stanzteile 40 gezeigt, die so aus dem Eisen-Silizium-Blech
ausgestanzt worden sind, daß der eine Schenkel 42 parallel zu der einen Richtung
der leichtesten Magnetisierbarkeit 46 und der andere Schenkel 44 parallel zu der
anderen Richtung der leichtesten Magnetisierbarkeit 48 angeordnet ist. Daher werden
diese L-Stanzteile besonders günstige magnetische Eigenschaften besitzen.
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In A b b. 5 ist ein E-Stanzteil gezeigt. Dieser ist derart aus einem
Eisen-Silizium-Blech mit Würfeltextur
ausgeschnitten worden, daß
der Rücken- oder der Jochteil 52 parallel zu der einen leichtesten Magnetisierungsrichtung
60 und die Schenkel 54, 56 und 58 parallel zu der anderen Richtung der leichtesten
Magnetisierbarkeit 62 liegen.
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Beim Ausstanzen von anderen als den in den A b b. 2 bis 5 gezeigten
Stanzformen aus Blechen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Würfeltextur
erhalten haben, muß so vorgegangen werden, daß immer die Richtungen des magnetischen
Flusses in die Richtungen der leichtesten Magnetisierbarkeit gelegt werden, um eine
maximale Ausnutzung der magnetischen Eigenschaften des Magnetbleches zu ermöglichen.