DE19816158A1 - Verfahren zur Herstellung von korn-orientierten anisotropen, elektrotechnischen Stahlblechen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung korn-orientierter anisotroper elektrotechnischer Stahlbleche mit 0,008 bis 0,025% Aluminium, 2,8 bis 3,5% Silizium, 0,1 bis 0,7% Kupfer, 0,005 bis 0,012% Stickstoff, weniger als 0,06% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,3% Mangan und weniger als 0,02% Schwefel mit folgenden Schritten: Aufschmelzen des Rohmaterials und Herstellen von Brammen; Erwärmen der Brammen auf 1230 bis 1300 DEG C; Heißwalzen; zweistufiges Kaltwalzen; Tempern; vorzugsweise Auftragen einer Beschichtung auf Magnesiumoxidbasis; und Hochtemperatur-Glühen. Das Einstellen der Brammen-Erwärmungstemperatur T vor dem Heißwalzen erfolgt in Abhängigkeit vom Al-Gehalt des Stahls gemäß folgender Beziehung: DOLLAR A T( DEG C) = 1230 + ((Al%) - 0,008) * 5300 + 20 DOLLAR A wobei Al% den gewichtsprozentualen Anteil von Aluminium in der Schmelze bezeichnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Eisenmetall­ urgie bzw. Schwarzmetallurgie, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung korn-orientierter anisotroper elektrotechni­ scher Stahlbleche, und insbesondere zur Herstellung korn­ orientierter elektrotechnischer Stahlbleche mit geringer Dicke von typischerweise 0,2 bis 0,4 mm, wie sie bei der Herstellung von Magnetleitungen von Transformatoren verwendet werden.

Gemäß den Anwendungs- bzw. Betriebsbedingungen in einem Trans­ formator sollte ein fertiggestelltes elektrotechnisches Stahl­ blech eine hohe magnetische Flußdichte bzw. Induktion und ge­ ringe Leistungsverluste bei der Ummagnetisierung aufweisen. Weiterhin sollten sie eine beständige Oberflächenisolierung aufweisen, die üblicherweise durch Auftragen einer keramischen Schicht auf die Oberfläche geschaffen wird.

Zur Erreichung der erforderlichen Qualität der magnetischen Ei­ genschaften ist es notwendig, eine perfekte kubische Rippentex­ tur im Stahl vorzusehen. Diese Textur wird in einem langsamen Aufheizverfahren im Hochtemperatur-Glühschritt entwickelt, wo­ bei das normale Kornwachstum durch die sogenannte Inhibitorpha­ se verlangsamt wird. Disperse Teilchen aus Aluminiumnitrid, Mangansulfid, Manganselenid, Bornitrid und ähnliche können die Rolle als Inhibitorphase übernehmen.

Die technologischen Verfahren zur Stahlherstellung sind für verschiedene Inhibitorphasentypen unterschiedlich. Ein Hochtem­ peratur-Brammenerwärmen bei 1400°C (eine Bramme bzw. Platte hat typischerweise eine Dicke von 200 mm) vor dem Heizwalz­ schritt (Walzen auf 2,5 mm) ist das besondere Charakteristikum für Stahl mit einem Sulfid-Inhibitor. Dieses Erwärmen hat zum Ziel, das MnS in Mn und S aufzulösen und ihre folgende Aus­ scheidung beim schnellen Abkühlen im Verlaufe des Heißwalzens.

Der besagte Prozeß ist äußerst untechnologisch, erfordert eine spezielle Ausrüstung, ist arbeitsaufwendig und wird begleitet von Metallverlusten infolge von Oxidation.

Eine Reihe von Patenten, z. B. die US-A-3,287,183 empfiehlt als Inhibitorphase die gleichzeitige Verwendung von MnS und AlN (sogenannte Sulfid-Nitrid-Variante). Bei diesem bekannten Ver­ fahren wird ein Heißwalzen der Brammen mit spezifiziertem Ge­ halt an C, Si, säurelöslichem Al (z. B. AlN) und S durchgeführt. Das so erhaltene heißgewalzte Blech wird zur Dickenreduzierung im Bereich zwischen 5 und 40% kaltgewalzt und danach im Tempe­ raturbereich 950-1200°C geglüht, um AlN-Ausscheidungen zu erzeugen. Anschließend findet ein zweites Kaltwalzen zur Dic­ kenreduzierung im Bereich zwischen 81 und 95% statt. Zuletzt werden die üblichen Entkohlungs- und Hochtemperatur-Glüh­ schritte durchgeführt. Dieses bekannte Verfahren wird im fol­ genden als Prototypverfahren bezeichnet.

Mittlerweile ist es bekannt, daß Kupfer ein effektiver Inhibi­ tor ist, der die {554}<225<- und die {110}<001<-Orientierungen in der Textur der primären Rekristallisierung verstärkt. Daher wird in einigen Fällen eine zusätzliche Inhibition durch eine kupferhaltige Phase ausgenutzt. In jedem der obigen Fälle fin­ det eine Erwärmung der Brammen auf hohe Temperatur von typi­ scherweise 1400°C vor dem Heißwalzen statt.

Versuche, die für Stähle mit einem Nitrid-Inhibitor (erhöhter Gehalt an Al und geringer Gehalt an S) durchgeführt wurden, er­ gaben, daß sich der Einfluß von Kupfer auf die Textur und die magnetischen Eigenschaften nicht für Stähle zeigte, die gemäß herkömmlicher Technologie durch Entkohlungslühen in der endgül­ tigen Dicke behandelt wurden.

Die US-A-3,873,388 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung elektrotechnischer Bleche mit hoher magnetischer Permeabilität" empfiehlt für den Stahl mit einem Sulfid-Inhibitor die Hinzufü­ gung von Kupfer in der Größenordnung von 0,24 bis 0,75%.

In dieser Hinsicht sind Stähle mit einem Nitrid-Inhibitor un­ terschiedlich, da sie kein Hochtemperatur-Erwärmen vor dem Heißwalzschritt erfordern. Doch zeigen diese Stähle mit nur ei­ nem Inhibitor (beispielsweise AlN) eine Unstabilität bei der sekundären Rekristallisierung, welche in wesentlichen Unter­ schieden der magnetischen Eigenschaften zwischen verschiedenen Ofengängen und in einer geringeren Ausbeute von Stahl mit hoher Qualität der magnetischen Eigenschaften resultieren. Mit ande­ ren Worten sind die magnetischen Eigenschaften instabil. Wei­ terhin erfolgt die keramische Beschichtung in der Länge und Breite nicht gleichmäßig.

Es wurde herausgefunden, daß eine Verkürzung der Inhibitorphase in diesen Stählen nicht die Erzeugung eines ausreichenden Volu­ mens an {111}<112<-Textur ermöglicht, welche für das erfolgrei­ che Wachstum der Randkörner im Prozeßschritt der folgenden se­ kundären Rekristallisierung notwendig sind.

Für Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurde eine Verbesse­ rung der Textur entweder beim langsamen Erwärmen oder beim Durchwärmen im Bereich der primären Rekristallisierung beobach­ tet, wobei in diesem Zusammenhang die beste Entwicklung der be­ vorzugten {111}<112<- oder {554}<225<- Orientierungen Ausschei­ dungspartikeln mit Größen von 20 bis 30 mm und mit einer Dichte von 3 bis 10 cm^-1 entspricht.

Im Prototypverfahren, von dem die vorliegende Erfindung aus­ geht, wird das Erwärmen während der primären Rekristallisierung vor dem Heißwalzen reduziert. Weiterhin kann der elektrotechni­ sche Stahl mit Zusätzen von Se oder S 0,5 bis 10 Minuten lang bei Temperaturen von 660 bis 650°C vor dem Entkohlungsglühen erwärmt werden.

Jedoch zeigte ein Experiment an Stahl mit AlN als Inhibitor un­ ter Anwendung dieses Verfahrens allein keine wesentliche Ver­ besserung der magnetischen Eigenschaften, allerdings auch keine Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ver­ fahren zur Herstellung elektrotechnischer Stahlbleche mit Alu­ miniumnitridinhibitor anzugeben, welches verbesserte magneti­ sche Eigenschaften und eine stabilere sekundäre Rekristallisie­ rung des Stahls bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 an­ gegebene Verfahren gelöst.

Die {111}<112<-Orientierung im Stahl mit einem Aluminiumnitrid­ inhibitor (ohne Kupfer oder mit einem Zusatz von 0,4 bis 0,7% Kupfer) vor der sekundären Rekristallisierung verstärkt. Zur Erzeugung einer hinreichenden Menge von phasenbildenden Verun­ reinigungen aus Al und N in der festen Lösung wird die Tempera­ tur T des Brammenerwärmens abhängig vom Al-Gehalt gemäß folgen­ der Gleichung (1) eingestellt:

T(°C) = 1230 + ((Al%)-0,008).5300 + 20 (1)

wobei Al% den gewichtsprozentualen Anteil von Aluminium in der Schmelze bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft Stahlbleche hervorragen­ der magnetischer Eigenschaften und stabiler sekundärer Rekri­ stallisation im Stahl mit Nitridinhibition ohne Kupfer oder mit einem Zusatz von 0,4 bis 0,7% Kupfer.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Grad der Auflösung von Aluminiumnitrid (AlN) hauptsächlich durch die Konzentration des Aluminiums, durch die Erwärmungstemperatur und durch die Erwärmungszeit der Brammen bestimmt wird. Außer­ dem spielt das Verhältis zwischen den Austenit- und den Fer­ ritstrukturen im Verlaufe des Abstehenlassens der Brammen eine Rolle. Alle diese Parameter müssen so gewählt sein, daß die Ni­ tridauflösung bei Temperaturen erfolgt, bei denen eine Oxidati­ on und ein Schmelzen der Brammenoberflächen nicht stattfindet.

Da aber eine Temperatur von mehr als 1300°C ein Verschmelzen der Oberfläche des Metalls zur Folge hat und da die sich dabei bildende flüssige Phase die Arbeitsbedingungen des Glühofens verschlechtert, muß die Konzentration von Aluminium so gewählt werden, daß die Auflösung von Nitriden bei niedrigeren Tempera­ turen gewährleistet ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch er­ reicht, daß die Brammen-Erwärmungstemperatur in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt eingestellt wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Heißwalzen ein Aufspulen des Stahlblechs bei Temperaturen von 520 bis 570°C durchgeführt. Wie Experimente ergeben haben, kann man durch den Zusatz von Nitriden nicht nur das Wachstum der Körner vor der sekundären Rekristallisierung nicht nur verhindern, sondern auch den gesamten Prozeß der primären Rekristallisation steu­ ern, indem man die für die Texturbildung günstigen Orientierun­ gen in der Matrix verstärkt. Dazu muß ein Teil des Stickstoffs in der festen Lösung bleiben. Dies wird dadurch erreicht, daß die Temperatur nach dem Heißwalzen beim Aufwickeln der Bänder auf 540 bis 570°C gesenkt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein langsa­ mes Erwärmen zum Hochtemperaturglühen bei einer Erwärmungsrate von 5 bis 15°C/Stunde im Temperaturbereich von 400 bis 700°C durchgeführt. Disperse Stickstoff-Ausscheidungen, welche für die Bildung der {111}<112<-Textur verantwortlich sind, treten in der endgültigen Dicke des kaltgewalzten Materials am Beginn der primären Rekristallisierung auf (Polygonisation), wenn ein langsames Erwärmen (5-15°C/Stunde) im Temperaturbereich von 400-700°C während des Hochtemperatur-Glühens stattfindet oder während einer speziellen Wärmebehandlung (Alterung) statt­ findet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein Entkoh­ lungsglühen im Schritt einer Vakuumbehandlung des nicht-desoxi­ dierten flüssigen Stahls oder in einem Schritt der Wärmebehand­ lung des Stahlblechs mit der anfänglichen, intermediären oder endgültigen Dicke durchgeführt. Die Entkohlung kann vorteilhaf­ terweise alternativ durch eine Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl oder durch eine Wärmebehandlung von gewalzten Bändern in der anfänglichen (nach Heißwalzen typischerweise 2,5 mm), in­ termediären (nach erstem Kaltwalzen typischerweise 0,7 mm) oder endgültigen Dicke (nach zweitem Kaltwalzen typischerweise 0,3 mm) durchgeführt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden dem Stahl 0,4 bis 0,7% Kupfer hinzugefügt. Dies schafft eine effektive Kombination von Aluminium- und Kupfernitriden, die aus der übersättigten festen Lösung im gleichen Temperaturbereich aus­ geschieden werden. Hier spielt Kupfer eine ganz andere Rolle als beim oben erwähnten Patent US-A-3,873,388.

Die besonders bevorzugten Merkmale der vorliegenden Erfindung sind also:

• 1. die spezifizierte Temperatur des Brammenerwärmens vor dem Heißwalzschritt abhängig vom Al-Gehalt des Stahls;
• 2. die niedrige Aufspultemperatur (520-570°C);
• 3. das langsame Erwärmen (5-15°C/Stunde) des kaltgewalz­ ten Stahls der endgültigen Dicke im Temperaturbereich von 400-700°C in der Hochtemperatur-Glühphase oder in einer speziellen Wärmebehandlung zur Ausscheidung disperser AlN- Partikel vor der primären Rekristallisierung;
• 4. die Entkohlung des Stahls im flüssigen Zustand oder in Form gewalzter Bänder mit der anfänglichen, intermediären oder endgültigen Dicke; und
• 5. die Hinzuführung von 0,3 bis 0,7% Kupfer zum Stahl.

Die Erfindung ist insbesondere für Stähle mit folgender Zusam­ mensetzung anwendbar: 2,8 bis 3,5% Si, 0,030 bis 0,045% C, 0,10 bis 0,30% Mn, 0,003 bis 0,020% S, 0,008-0,025% Al, 0,4-0,7% Cu.

Sinkt die Aluminiumkonzentration unter 0,008%, ist eine aus­ reichende Strukturstabilisierung durch die Aluminiumnitride nicht möglich, da ein Großteil des Stickstoffs in Siliziumni­ tride eingebunden ist. Beim Ansteigen der Aluminiumkonzentrati­ on über 0,025% lösen sich die Nitride im hohen Temperaturbe­ reich auf (über 1320°C), wobei die Brammenoberflächen schmel­ zen und ein zweckmäßiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfah­ rens verlorengeht.

Die Temperatur der Brammenerwärmung sollte daher bei 1230 bis 1300°C liegen, vorzugsweise 1250 bis 1270°C, liegen. Dadurch wird das Schmelzen der Oberfläche ausgeschlossen und der Ener­ gieverbrauch für die Erwärmung auf ein Minimum reduziert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er­ findung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Verteilung der magnetischen Flußdichte W800 (T) für 0,3 mm dicken Stahl, der nach dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren hergestellt wurde (Kurve 1) und der nach dem üblichen Verfahren mit Sulfidinhibition (Kurve 2); und

Fig. 2 die Verteilung der spezifischen Verluste PI 7/50 (W/kg) für das Beispiel nach Fig. 1.

Zwei Ofengänge in Konvertern mit einem Fassungsvolumen von 350 Tonen der nachstehend aufgeführten chemischen Zusammensetzungen wurden zum Testen des vorgeschlagenen Verfahrens durchgeführt:

In einem Stück gegossene Brammen wurden in Öfen mit Hubbalken auf eine Temperatur T erwärmt, welche gemäß obiger Gleichung (1) anhand des Al-Gehalts ermittelt wurde.

Sie wurden für 1,5 bis 2 Stunden bei obiger Temperatur abstehen gelassen und dann zu Bändern mit einer Dicke von 2,5 mm heißge­ walzt und bei einer Aufspultemperatur im Bereich von 520 bis 570°C aufgewickelt.

Nach dem Beizen der heißgewalzten Bänder mit 2,5 mm Dicke wur­ den diese auf 0,65 mm Dicke kaltgewalzt, in einer Umgebung mit feuchtem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch getempert und dann auf eine endgültige Dicke von 0,3 mm kaltgewalzt.

Auf die Bänder mit der endgültigen Dicke wurde dann eine Magne­ sium Suspension aufgetragen. Danach fand ein Hochtemperatur- Glühen bei 1150°C statt. Disperse Ausscheidungspartikel aus AlN, das die sekundäre Rekristallisierung bewirkt, wurden im Verfahrensschritt des langsamen Erwärmens (5-25°C/Stunde) des kaltgewalzten Streifens mit der endgültigen Dicke in der Hochtemperatur-Glühphase erzeugt.

Verschiedene Entkohlungsverfahren wurden getestet: im flüssigen Zustand, an gewalzten Bändern mit der anfänglichen und der in­ termediären Dicke.

Die Parameter der Behandlung und die erhaltenen magnetischen Eigenschaften sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt.

Zur Bildung eines Vergleichs wurden die Stähle gemäß dem zu­ grundeliegenden Prototypverfahren behandelt, und ebenfalls wur­ den die Parameter des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfah­ rens leicht variiert.

Wie aus der Tabelle bzw. den Fig. 1 und 2 ersichtlich, erge­ ben sich mittelmäßige magnetische Eigenschaften beim Nachvoll­ ziehen des Prototypverfahrens (Experimente 1 bis 3). Das gleiche gilt für einige Modifikationen bei den Bearbeitungsparametern (Experimente 7, 8).

Nur Stahlbleche, bei denen die wesentlichen Parameter erfin­ dungsgemäß eingestellt wurden (Experimente 4 bis 6), zeigen ei­ ne stabile hohe Qualität der magnetischen Eigenschaften. Eine Abweichung von irgendeinem erfindungsgemäß eingestellten Para­ meter verschlechtert die Stahlqualität. Deutlich zeigt sich auch der positive Einfluß der Kupferlegierung aus dem Vergleich der Eigenschaften der Schmelzen 1 und 2 im Rahmen der Experi­ mente 4 bis 6.

Die vorgenommene Ausführung der Erfindung unter industriellen Bedingungen bestätigte also ihre große Effektivität.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung korn-orientierter anisotroper elektrotechnischer Stahlbleche mit 0,008 bis 0,025% Aluminium, und insbesondere mit 2,8 bis 3,5% Silizium, 0,1 bis 0,7% Kup­ fer, 0,005 bis 0,012% Stickstoff, weniger als 0,06% Kohlen­ stoff, 0,1 bis 0,3% Mangan und weniger als 0,02% Schwefel mit folgenden Schritten:

• a) Aufschmelzen des Rohmaterials und Herstellen von Brammen;
• b) Erwärmen der Brammen auf 1230 bis 1300°C;
• c) Heißwalzen;
• d) zweistufiges Kaltwalzen;
• e) Tempern;
• f) vorzugsweise Auftragen einer Beschichtung auf Magnesium­ oxidbasis; und
• g) Hochtemperatur-Glühen;

dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellen der Brammen-Erwärmungstemperatur T vor dem Heiß­ walzen in Abhängigkeit vom Al-Gehalt des Stahls gemäß folgender Beziehung erfolgt:
T(°C) = 1230 + ((Al%)-0,008).5300 + 20
wobei Al% den gewichtsprozentualen Anteil von Aluminium in der Schmelze bezeichnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Heißwalzen ein Aufspulen des Stahlblechs bei Tempera­ turen von 520 bis 570°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein langsames Erwärmen zum Hochtemperaturglühen bei einer Erwärmungsrate von 5 bis 15°C/Stunde im Temperaturbereich von 400 bis 700°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Entkohlungsglühen im Schritt der Wärmebehandlung des nicht-desoxidierten flüssigen Stahls oder in einem Schritt der Wärmebehandlung des Stahlblechs mit der anfänglichen, in­ termediären oder endgültigen Dicke durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Stahl 0,4 bis 0,7% Kupfer hinzugefügt werden.