DE2510039A1

DE2510039A1 - Verfahren zur erzeugung von stahl fuer magnetzwecke

Info

Publication number: DE2510039A1
Application number: DE19752510039
Authority: DE
Inventors: Graham Cary Smith
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel Corp
Priority date: 1974-03-08
Filing date: 1975-03-07
Publication date: 1975-09-11
Also published as: FR2263306B1; IT1030294B; SE7502545L; HU172218B; PL95198B1; CA1047371A; DD117084A5; GB1512632A; FR2263306A1; SE422336B; JPS50125910A; JPS5920744B2; BE826383A; DE2510039C2

Description

British Steel Corporation, 33 Grosvenor Place, London S.W.l

Verfahren zur Erzeugung von Stahl für Magnetzwecke

Die Erfindung befasst sich mit der Erzeugung von Stahl für elektromagnetische Anwendungen, d.h. auf Stahl, der für den Magnetkreis elektrischer Maschinen benötigt wird.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit kornorientierten elektrischen Stählen, die freiwillig mit Silicium geimpft wurden, um die elektrische Leitfähigkeit herabzusetzen, damit Wirbelstromverluste vermindert werden, wenn der Magnetkern erregt wird und um dem Stahl andere erwünschte Eigenschaften zu verleihen. Derartige Siliciumstähle enthalten üblicherweise Silicium in Gewichtsbereichen zwischen 2,0 bis 4,0 % im Gegensatz zu siliciumfreien Stählen, in denen die Siliciumkonzentration allgemein unter 2,0 % liegt.

Üblicherweise werden Stähle für elektromagnetische Anwendungen aus geeignetem Allzweckstahl hergestellt, der durch irgend ein Sauerstoff-Aufblasverfahren oder durch ein Siemens-Martin-Verfahren gefrischt wurde und Kohlenstoff in Konzentrationen bis zu 0,035 % besitzt und Stickstoff bis zu 0,01 %, während der Rest Eisen ist, mit Ausnahme von anderen, zufälligen Verunreinigungen.

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Zur Erzeugung kornorientierter Siliciumstähle wird die Stahlspeize mit Silicium geimpft, um die Konzentration innerhalb des Bereiches zwischen 2,0 und 4,0$ anzuheben und bei einem herkömmlichen Verfahren wird zusätzlich mit Mangan geimpft. Das hinzugefügte Mangan vereinigt sich während der Erstarrung mit Schwefel, der im typischen Falle in Konzentrationen von ungefähr 0,029$ vorhanden ist, wobei Mangansulfid gebildet wird. Dieses Mangansulfid geht während der folgenden Wiedererhitzung eines Blockes,der aus der Schmelze erstarrt ist, in Lösung und wird später als feine Dispersion in heißgewalzten Bandstahl ausgefällt, der aus dem Block hergestellt wurde. Es wird angenommen, daß das Mangansulfid während der folgenden Behandlung ein bevorzugtes Wachstum gewisser Körner im Stahl begünstigt, wodurch große Körner erlangt werden, die vorherrschend (HO) fooij Miller Indizes besitzen, wobei das Wachstum der übrigen Körner gehemmt wird.

Ein Nachteil der aus der Benutzung einer Dispersion ausgefälltem Mangansulfides bei der Hemmung des Kornwachstums resultiert, liegt in der begrenzten Löslichkeit in Stahl, und diese Grenze ergibt eine merkliche Verminderung der Menge der dispergierten Ausfällung und deshalb des Ausmaßes des bevorzugten Kornwachstums, was bei herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung von Siliciumstahlen erlangt wird, die Mangansulfid benutzen. Es sind Versuche unternommen worden, dieses bevorzugte Kornwachstum zu verbessern, indem die Mangansulfidausfällungen durch solche höherer Löslichkeit ersetzt wurden, jedoch hatten diese Versuche nur einen beschränkten Erfolg.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Konzentration von Kornwachstumsverzögerern bei der Erzeugung von Siliciumstahl zu erhöhen, indem statt das Mangansulfid zu ersetzen, zusätzlich zu diesem bereits vorhandenen Mangansulfid weiteres Mangan-

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sulfid bis zum Grenzwert der Löslichkeit beigefügt wird. Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß das Kornwachstum wirksam verzögert werden kann, wenn mehr als ein Niederschlag im Stahl vorhanden ist, und daß ein solcher zusätzlicher Niederschlag mit dem Kohlenstoff und/oder dem Stickstoff hergestellt werden kann, der bereits im Stahl vorhanden ist, indem dem Stahl geeignete Kohlenstoff- oder Stickstoffbildner zugesetzt werden. Geeignete Bildner sind jene, die Karbide oder Nitrite erzeugen, die später bei der darauffolgenden Behandlung wieder entfernt werden können, um die magnetischen Eigenschaften nicht zu verschlechtern. Aus demselben Grunde sollte der Bildner selbst so beschaffen sein, daß er im Stahl nach der abschließenden Behandlung keine Verschlechterung der Magneteigenschaften bewirkt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besitzt ein Siliciumstahl zur Erzeugung kornorientierter Bleche oder Bänder für magnetische Anwendungen außer Eisen und zufälligen Verunreinigungen zwischen 0,02 und 0,06 Gewichtsprozent Kohlenstoff, zwischen 0,02$ und 0,035$ Schwefel, bis zu 0,01$ Stickstoff und zwischen 2$ und 4$ Silicium und 0,0β$ bis 0,10$ Mangan, zusammen mit wenigstens einem Karbid- oder Nitridbildner in einer Menge, die ausreicht, eine Verbindung mit wenigstens dem Kohlenstoff oder dem Stickstoff einzugehen, je nachdem was in der Schmelze befindlich ist.

Ein geeigneter Stahl enthält Kohlenstoff in einer Konzentration innerhalb des Bereichs zwischen 0,02 und 0,035 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

Wenn die Menge von Karbiden oder Nitriden unzureichend ist, ein entsprechendes bevorzugtes Kornwachstum zu gewährleisten, kann die Konzentration erhöht werden, indem der Kohlenstoff- und/oder

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Stickstoffgehalt des Stahles zusammen mit der Konzentration von Karbid- oder Nitridbildner erhöht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Bildner ein solcher benutzt, der mit dem Stickstoff des Stahles eine Verbindung eingeht und ideal ist ein Element, das in Gestalt von Nitrit entweder während der nachfolgenden Behandlung leicht entfernt werden kann, oder ein solches, welches die magnetischen Eigenschaften des elektrischen Stahles nicht beeinträchtigt.

Ein geeigneter Nitridbildner ist Vanadium, welches zur Erzeugung einer Konzentration bis zu 0,1 Gewichtsprozent zugesetzt werden kann, obgleich auch andere Elemente, wie beispielsweise Titan oder Titanverbindungen in den Stahl eingebracht werden können, der durch irgend ein herkömmliches Verfahren zu Blech oder zu Bändern verarbeitet wird. Ein geeigneter Karbidbildner ist z.B. Niob oder dgl.

Bei einem herkömmlichen Verfahren wurde ein Stahlblock, der Vanadium in einer Menge enthält, die ausreicht mit verfügbarem Stickstoff zu reagieren, zu einer Platte flachgewalzt, die dann auf eine Temperatur zwischen 1350⁰C und l400°C erhitzt wurde, damit Mangansulfid und Vanadiumnitrid in Lösung gehen konnten. Die Platte wurde dann heiß zu einem Band ausgewalzt, das bei einer Temperatur zwischen 900⁰C und 950⁰C bis zu 4 Minuten geglüht wurde, bevor die primäre Kaltauswalzung erfolgte, wobei das geglühte heiße Band auf etwa die doppelte Enddicke ausgewalzt wurde.

Beim herkömmlichen Herstellungsverfahren wird das primär kaltgewalzte Material einer Zwischenglühung bis zu 4 Minuten bei einer Temperatur von etwa 900°c ausgesetzt, bevor das Kaltendauswalzen auf die Enddicke erfolgt. Dem folgt ein Entkohlungs-

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glühen, um den Kohlenstoffgehalt auf eine Konzentration unter 0,005$ herabzusetzen.

Ein geeignetes Entkohlungsglühen kann durch Erhitzen des Bandes auf eine Temperatur zwischen 800 und 850⁰C bewirkt werden, und zwar in einer Atmosphäre feuchten Wasserstoffs. Es können jedoch auch andere reduzierende Atmosphären benutzt werden, beispielsweise eine feuchte Stickstoff/Wasserstoffmischung und dergleichen. Das entkohlte Band wird mit Magnesia überzogen und aufgewickelt, damit es bei 1150⁰C bis 1200⁰C etwa 24 Stunden lang geglüht werden kann, damit das erforderliche bevorzugte Kornwachsturn und die gewünschten Magneteigenschaften entstehen.

Es hat sich gezeigt, daß durch Zufügung von Vanadium oder anderen Karbid- und Nitridbildnern die Möglichkeit geschaffen wird, das Primarkaltauswalzen und das folgende Zwischenglühen herkömmlicher Verfahren wegzulassen, wobei wenigstens die magnetischen Eigenschaften des so erzeugten Stahlbandes erhalten bleiben.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Verfahren zur Erzeugung eines kornorientierten elektrischen Bleches oder Streifens in der Weise durchgeführt, daß eine Platte erzeugt wird, die außer Eisen und zufälligen Verunreinigungen zwischen 0,02$ und 0,06 Gewichtsprozent Kohlenstoff, zwischen 0,02$ und 0,035 Gewichtsprozent Schefel, bis zu 0,01$ Stickstoff sowie zwischen 2,0$ und 4,0$ hinzugefügten Siliciums und 0,06$ bis 0,10$ Mangan zusammen mit einem Kohlenstoff- oder Nitridbildner in einer Menge enthält, die ausreicht eine Verbindung mit wenigstens dem Kohlenstoff oder dem Stickstoff im Stahl einzugehen, wobei die Platte dann auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches zwischen 1350⁰C und l400°C erhitzt wird, bevor die

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Heißauswalzung bei Temperaturen zwischen lj5OO°C und 9OO C erfolgt und wobei das heiße Band bei einer Temperatur zwischen 900⁰C und 95O⁰C geglüht und abschließend auf die Enddicke kalt ausgewalzt.wird, bevor ein Entkohlungsglühen des kalt ausgewalzten Streifens erfolgt.

Zweckmäßigerweise wird die Platte zu einem Heißband ausgewalzt, dessen Dicke in einem Bereich zwischen 1,5 und 3,0 mm liegt.

Für Nitridausfällungen sollte das Entkohlungsglühen den Kohlenstoffgehalt auf 0,005$ oder weniger vermindern, obgleich auch höhere Kohlenstoffgehalte während dieser Verfahrensstufe zulässig sind, vorausgesetzt daß jeder Überschuß über 0,005/£ während der nachfolgenden Behandlung entfernt wird. Bei Karbidausfällungen sollte die Entfernung von Kohlenstoff während dieser Verfahrensstufe gesteuert werden, so daß genügend Karbid erhalten bleibt, um als Kornwachstumshemmer zusätzlich zu dem vorhandenen Mangansulfid zu wirken. Kohlenstoff sollte abschließend auf weniger als 0,005^ vermindert werden. Wie bei herkömmlichen Verfahren wird das entkohlte geglühte Band mit Magnesia überzogen, bevor es aufgewickelt wird und bevor ein Glühen im Kastenglühofen bei 120O⁰C während 24 Stunden erfolgt.

Bei dem Einstuf en verfahr en gemäß der Erfindung wird das Entkohlung? glühen zweckmäßigerweise bei einer Temperatur vorgenommen, die über der normalerweise beim Zweistufenverfahren bekannter Art benutzten Temperatur liegt. Geeignete Entkohlungsglühtemperaturen liegen im Bereich zwischen 95O°C und 1050⁰C, jedoch hat sich auch eine Temperatur von etwa 85O⁰C als annehmbar erwiesen. Vor dem Entkohlungsglühen wird nach dem Heißwalzen ein Kaltauswalzen auf die Enddicke vorgenommen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die nunmehr im einzelnen beschrieben wird, wird Stahl, der nach dem Siemens-Martin-

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Verfahren hergestellt wurde, in imberuhigter Form vom Ofen in eine Gußpfanne abgelassen. In diesem Zustand wird der Stahl, der eine typische Zusammensetzung von 0,03$ Kohlenstoff, 0,029$ Schwefel und 0,0065$ Stickstoff besitzt, mit Mangan und mit Silicium geimpft, um die Konzentration dieser Elemente auf 0,085$ bzw. 3,19$ anzuheben. Silicium und Mangan können in einer späteren Verfahrensstufe entweder in Elementform oder in Form einer geeigneten Legierung, z.B. als Ferrosilicium zugesetzt werden.

Zusätzlich zu Mangan wird der Schmelze außerdem Vanadium zugesetzt, um dessen Konzentration im Gußblock auf 0,0ö5$ zu erhöhen, jedoch können auch Konzentrationen bis zu 0,1$ benutzt Vi er den.

Bei der Herstellung von Blech oder Bandstahl werden Platten, die aus Blöcken ausgewalzt sind, und sowohl Mangan als auch Vanadium als potentielle Kornwachstumshemmer besitzen, auf l400°C wiedererhitzt, um ein Heißwalzen durchzuführen, wodurch sich ein heißes Band mit einer Austragstemperatur von 950 C ergibt und einer Dicke von etwa 200 mm. Das heiße Band, das nunmehr einen dispergierten Niederschlag von Mangansulfid wie auch Vanadiumnitrid als Kornwachstumshemmer besitzt, wird bei 9l0°C etwa 2 Minuten geglüht und dann in einer einzigen Stufe kalt auf die Endabmessung gewalzt, und dies ist im typischen Fall eine Dicke von 0,35 mm.

Nach dem Kaltwalzen wird das Band einer Entkohlungsglühung in einer Atmosphäre feuchten Wasserstoffs 4 Minuten lang bei Temperaturen von etwa 1050⁰C unterworfen, bevor ein Überzug aufgebracht wird, und ein Glühen in herkömmlicher Weise bewirkt wird.

Ein typischer elektrischer Stahl,· der durch das erfindungsge-

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mäße Verfahren erzeugt wird, besitzt Wirbelstromverluste von 1,12 Watt pro Kilogramm bei 1,5 Tesla und 50 Herz Erregung. Eine typische magnetische Permeabilität bei einem IcA pro Meter beträgt 1,79 Tesla und diese Werte stellen gute Vergleichswerte mit Silicium-Elektrostählen dar, die durch längere und kostspieligere Verfahren erzeugt wurden, bei denen ein Zweistufenkaltwalzen benutzt wurde.

Gemäß einer abgewandelten Ausführung der Erfindung wurde eine Platte aus Stahl ähnlicher Zusammensetzung erzeugt, jedoch mit einem Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,05$. Unter ähnlichen Behandlungsbedingungen wie vorstehend beschrieben, ergab sich ein Bandmaterial mit etwa den gleichen magnetischen Eigenschaften.

Patentansprüche:

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumstahles zur Benutzung als Magnetkern, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Siemens-Martin-Ofen oder im Stahlaufblasverfahren erzeugte Stahlschmelze mit Mangan zusammen mit wenigstens einem Karbid- oder Nitridbildner geimpft " wird, wobei die Menge des zugefügten Bildners so gewählt wird, daß während der nachfolgenden Behandlung des aus der Schmelze entstehenden Stahles die Karbide oder Nitride Niederschläge bilden, die wirksam sind, ein bevorzugtes Wachstum einiger Körner innerhalb des Stahles zu bewirken·

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzei chn. et, daß der aus der Schmelze gewonnene Stahl außer Eisen und zufälligen Verunreinigungen zwischen 0,02$ und 0,0β$ (Gewichtsprozent) Kohlenstoff, zwischen 0,02$ und 0,035$ Schwefel, bis zu 0,01$ Stickstoff, zwischen 2,0$ und 4,0$ Silicium und zwischen 0,06$ und 0,10$ Mangan enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffkonzentration des Stahls innerhalb des Bereiches zwischen 0,02$ und 0,035$ liegt.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis J5> dadurch gekennzei chne't, daß die Schmelze mit einem Bildner in einer solchen Menge geimpft wird, daß eine Verbindung mit dem verfügbaren Kohlenstoff oder Stickstoff erfolgt.

5» Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Niederschlags im Stahl dadurch angehoben wird, daß die Kohlenstoffkonzentration bzw. die Stickstoffkonzentration zusammen mit der Menge des zugesetzten Bildners erhöht wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Bildner so ausgewählt wird, daß er vorherrschend mit Stickstoff reagiert.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildner Titan oder eine Titanlegierung benutzt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichn et, daß der Bildner Vanadium ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Vanadium in einer Menge eingeimpft wird, die eine Konzentration bis zu 0,1$ ergibt.

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-πιο. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Vanadium in einer solchen Menge zugesetzt wird, daß eine Konzentration von 0,065$ erhalten wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß der Bildner so ausgewählt wird, daß er vorherrschend mit Kohlenstoff reagiert.

12» Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildner Vanadium ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahlplatte auf eine Temperatur erhitzt wird, die es dem Mangan als Sulfid und den Karbiden oder Nitriden möglich macht in Lösung zu gehen, bevor ein Warmwalzen erfolgt, wobei das heiße Band geglüht und dann kaltgewalzt wird, bis die Enddicke erreicht ist, wonach ein Entkohlungsglühen erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13* dadurch gekennzeichnet, daß die Platte auf eine Temperatur zwischen 1350⁰C und UOO⁰C erwärmt wird.

15· Verfahren nach Anspruch I3 oder 14,

dadurch gekennzeichnet, daß das Warmwalzen bei einer Temperatur zwischen 900° und 1395⁰C durchgeführt wird.

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16. Verfahren nach den Ansprüchen 13 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des heißgewalzten Bandes zwischen 1,5 nun und 3*0 mm liegt.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Band bei einer Temperatur zwischen 90O⁰C und 95O°C geglüht wird.

18. Verfahren nach den Ansprüchen I3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkohlungsglühen den Kohlenstoffgehalt auf einen Wert von unter 0,005/£ herabsetzt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkohlungsglühen bei einer Temperatur zwischi
durchgeführt wird,

Temperatur zwischen 950⁰C und 1050⁰C

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis I9, dadurch gekennzeichnet, daß das h'eiße Band auf die Enddicke in einem einzigen Walzvorgang kaltgewalzt wird.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlplatte auf eine Temperatur erhöht wird, die wirksam ist, das Mangan als Sulfid und das Karbid oder Nitrid in die Lösung eintreten zu lassen, wobei die Platte heiß zu

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einem Band ausgewalzt wird, welches geglüht wird, bevor der Primärkaltwalzvorgang einsetzt, welcher das Band noch nicht auf die Enddicke bringt, und daß der primär kaltgewalzte Bandstreifen einer weiteren Glühbehandlung unterworfen wird, bevor das Band auf die Enddicke kalt ausgewalzt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte auf eine Temperatur zwischen 1350⁰C und l400°G erwärmt wird.

23. Verfahren nach den Ansprüchen 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Band bei einer Temperatur zwischen 900⁰C und 950⁰C geglüht wird,

24. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 2j5> dadurch gekennzeichnet, daß durch das Primärkaltauswalzen etwa die doppelte Enddicke erhalten wird.

25. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Glühvorgang bei einer Temperatur von ungefähr 900⁰C stattfindet,

2β. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 25*

dadurch gekennzeichnet, daß das Band in seiner Enddicke einem Entkohlungsglühen unterworfen wird, um den Kohlenstoffgehalt auf Werte unterhalb von 0,005$ zu vermindern.

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27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennz ei c h η e t, daß das Entkohlungsglühen bei einer Temperatur zwischen 800 und 85O⁰C durchgeführt wird.

28. Verfahren nach den Ansprüchen 13 bis 27* dadurch gekennzeichnet, daß das Entkohlungsglühen in einer Atmosphäre von feuchtem Wasserstoff durchgeführt wird.

29. Verfahren nach den Ansprüchen 13 bis ZJ, dadurch gekennzeichnet, daß das Entkohlungsglühen in einer feuchten Stickstoff-Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt wird.

30. Verfahren nach den Ansprüchen 13 bis 29> dadurch gekennzeichnet, daß das entkohlte Band bei einer Tamperatur zwischen 115O⁰C und 1200⁰C geglüht wird, um ein bevorzugtes Kornwachstum zuzulassen.

31. Verfahren nach Anspruch 30,

dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit Magnesia überzogen wird, und dann in einem Kastenofen 24 Stunden lang geglüht wird.

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