DE2856794A1

DE2856794A1 - Verfahren zur herstellung eines duennen bands aus hochsiliziertem stahl sowie danach hergestelltes band und eisenkern fuer elektrische vorrichtungen

Info

Publication number: DE2856794A1
Application number: DE19782856794
Authority: DE
Inventors: Kenichi Arai; Noboru Tsuya
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-09-19
Filing date: 1978-12-29
Publication date: 1980-03-27
Also published as: GB2031021A; FR2436638A1; FR2436638B1; IT7831413A0; SE448381B; SE460854B; SE7813260L; IT1101693B; GB2031021B; SE8604054L; DE2856794C2; US4265682A; SE8604054D0

Description

before the European Patent Office

20. December 1ογΜ

Noboru Tsuya, nffii??»³! on

·* D-8000 München

Sendai City, Japan

TeL: 0 89/98 20 85 87 Telex: 052.9802 hnklri Telegramme: ellipsoid

53-114.847

Verfahren zur Herstellung eines dünnen Bands avis hochsiliziertem Stahl sowie danach hergestelltes Band und Eisenkern für elektrische Vorrichtungen

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf dünne Bänder aus hochsiliziertem Stahl mit 4 - 10 % Silizium und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung solcher Bänder.

Siliziumstahlblech mit einem Siliziumgehalb von etwa 3 % wird verbreitet als Eisenkernmaterial für elektrische Vorrichtungen, wie Transformatoren, verwendet. Derartige Siliziumstahlbleche lassen sich allgemein in nicht-orientierte Siliziumstahlbleche, bei denen die Richtung der Kristallachse der Kristallkörner wahllos verteilt ist, und in orientierte Siliziumstahlbleche einteilen, bei denen die Achse [100] des Kristallkorns in Walzrichtung orientiert ist. Das erstgenannte Blech wird hauptsächlich als Eisenkernmaterial für Rotationsmaschinen und Generatoren benutzt, bei denen der Magnetfluß in verschiedenen Richtungen einwirkt, während die zweitgenannte Blechart für Transformatoren und dgl. eingesetzt wird, bei denen der

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Magnetfluß nur in einer Richtung wirkt. In diesen Anwendungsfällen besteht das größte Erfordernis in erster Linie in der möglichst weitgehenden Verringerung der Eisenverluste des Materials. Im Hinblick auf die steigenden Energiekosten kann vorausgesetzt werden, daß dieses Erfordernis in Zukunft noch größere Bedeutung erlangen wird. Zum zweiten muß der Geräusch- oder Rauschpegel (noise) der Vorrichtung aufgrund von Magnetostriktion so niedrig wie möglich liegen; auch dieses Erfordernis wird sich in Zukunft wohl verschärfen. Um diesen Erfordernissen zu genügen, wurden beim nicht-orientierten Siliziumstahl effektiv die unvermeidlich zurückbleibenden, den Eisenverlust beeinträchtigenden Restverunreinigungen, wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und dgl., möglichst (wenig) reduziert und die [100]-Achse in der Oberflächenebene des Blechs orientiert. Im Fall des orientierten Siliziumstahls wurden andererseits in jüngster Zeit einige technische Entwicklungen erreicht, beispielsweise stärkere Ausrichtung der [100]-Achse in Walzrichtung und Anlegung einer Zugspannung an den Stahl durch Beschichtung, woraus sich eine Verringerung des Eisenverlusts und der scheinbaren Magnetostriktion ergibt.

Die bisherigen Verfahren zur Herstellung von Siliziumstahlblech sind jedoch derart verbessert worden, daß die magnetischen und magnetostriktiven Eigenschaften der derzeit erhältlichen Produkte den Sättigungspunkt erreicht zu haben scheinen. Aus diesem Grund wird angenommen, daß selbst erhebliche Bemühungen nur zu einer geringfügigen weiteren Verbesserung der magnetischen Eigenschaften führen können.

Es ist seit den Jahren nach 1950 bekannt, daß hochsilizierter Stahl mit etwa 6,5 % Si, obgleich seine Sättigungsmagnetflußdichte bei nur 1,8 T liegt, eine vernachlässigbare Magnetostriktion und eine im Vergleich zu üblichem

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3 %-Si-Stahl auf die Hälfte reduzierte magnetische Anisotropie besitzt, und daß ein solcher hochsilizierter Stahl im Vergleich zum 3 %-Si-Stahl einen vorteilhafteren weichen Magnetismus (hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivkraft) besitzt. Wenn ein Transformator aus diesem Material hergestellt wird, kann bei der entsprechenden (proper) Erregungs-Magnetflußdichte auch ein niedriger Eisenverlust erwartet werden, während die Geräuschentwicklung ebenfalls wesentlich geringer ist. Ein solcher Werkstoff ist daher fürdie praktische Anwendung sehr attraktiv. Wenn der Si-Gehalt jedoch etwa 4 % übersteigt, wird das Material aufgrund der Härtung des Siliziums selbst und infolge der Bildung geordneter Gitter (Fe₃Si) sehr spröde. Hierdurch wird nicht nur die industrielle Fertigung infolge des außerordentlich schwierigen Auswalzens nahezu unmöglich, vielmehr wird auch ein Abscheren und Stanzen des Produkts undurchführbar. Aus diesem Grund sind derartige Stähle nie auf kommerzieller Basis hergestellt worden, und zwar ungeachtet der Tatsache, daß hochsilizierte Stähle mit mehr als 4 % Si, vorzugsweise etwa 6,5 % Si, ausgezeichnete magnetische Eigenschaften besitzen.

Erfindungsgemäß hat es sich nun herausgestellt, daß dünne Bänder, die durch überschnelles Abkühlen von geschmolzenem Siliziumstahl mit 4 - 10 % Si erhalten wurden, ein sehr feines Kristallkorngefüge ohne geordnetes Gitter besitzen und dabei eine zufriedenstellende Flexibilität bzw. Biegsamkeit und Verarbeitbarkeit sowie ausgezeichnete magnetische Eigenschaften zeigen. Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von hochsilizierten Stahlbändern mit den angegebenen vorteilhaften Eigenschaften.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B und 1C, 1D Schuffbilder der Oberfläche und des Querschnitts von dünnem 6,4 %-Si-Stahlband nach überschnellem Abkühlen bzw. nach dem Anlassen,

Fig. 2A und 2B ein um einen Stab mit einem Durchmesser von 4 mm herumgewickeltes dünnes Band bzw. ein zickzackförmig geknicktes Band,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Koerzitivkraft (Hc) der dünnen Siliziumstahlbänder, bestehend aus 3-11 % Si, Rest im wesentlichen Eisen, hergestellt durch überschnelles Abkühlen mit einer

3 4 Abschreckgeschwindigkeit von 10 -10 °C/s (Kurve A), im Vergleich zu einem auf bisher übliche Weise hergestellten hochsilizierten Stahl (Kurve B),

Fig. 4A bis 4D schematische Darstellungen von Anordnungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Si-Stahlbänder,

Fig. 5 und 6 jeweils eine Stirnansicht und eine Seitenansicht von Mehrloch-Strangpreßdüsen zur Herstellung der erfindungsgemäßen dünnen Siliziumstahlbänder,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer (anderen) Anordnung zur Herstellung von dünnem Si-Stahlband,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Ergebnisse bei 2 min langem Glühen bzw. Anlassen eines dünnen Bands (A) aus 6,5 % Si-Fe mit einem mittleren Korndurchmesser von 5 um und einer Dicke von 80 μπι

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sowie eines dünnen Bands (B) derselben Zusammensetzung, jedoch mit einem mittleren Korndurchmesser von 15 um bei einer Dicke von 80 μπι, und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Wärmebehandlungstemperatur, -zeit und Koerzitivkraft (Hc) der erfindungsgemäßen dünnen Si-Stahlbänder.

Die Fig. 1A und 1B sind Schliffbilder eines 6,5 %-Si, Rest Fe, enthaltenden Siliziumstahlbands gemäß der Erfindung. Fig. 1A veranschaulicht die durch überschnelles Abkühlen (cooling super rapidly) erhaltene Oberfläche des dünnen Bands, während Fig. IB seinen Querschnitt zeigt. Aus diesen Darstellungen geht hervor, daß die Kristallkörner mit einem Durchmesser von etwa 5 -,10 um senkrecht zur Bandoberfläche orientiert sind. Fig. 2 veranschaulicht die Biegsamkeit bzw. Formbarkeit desselben dünnen Stahlbands, wobei Fig. 2A das um einen Stab mit einem Durchmesser von 4 mm herumgewickelte dünne Band veranschaulicht und Fig. 2B seinen Biegungs- oder Knickzustand zeigt. Aus den Fig. 2A und 2B geht hervor, daß sich dieses dünne Band in einem bisher nicht für möglich gehaltenen Ausmaß biegen läßt.

Fig. 3 veranschaulicht einen Vergleich der Koerzitivkräfte (Hc) (Kurve A) für den Fall, daß durch überschnelles Abschrecken von Stahlschmelzen, die verschiedene Si-Gehalte von 3 - 11 % und im Rest Fe enthalten, mit einer Geschwindigkeit von 10-10 °C/s erhaltene dünne Stahlbänder bis zu 10KG magnetisiert sind, sowie für den Fall eines nach einem bisherigen Verfahren hergestellten hochsilizierten Stahls (Kurve B). Gemäß Fig. 3 nimmt beim erfindungsgemassen dünnen Band die Koerzitivkraft (Hc) im Bereich hohen Siliziumgehalts und in der Nähe von 6,5 % Si, wie beim bisherigen hochsilizierten Stahl, allmählich ab, wobei sie dieselbe Größe besitzt wie beim üblichen 3 %-Siliziumstahl.

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Obgleich das aus dem Schmelzzustand überschnell abgekühlte dünne Stahlband einen größeren Hc-Wert besitzt als der übliche Siliziumstahl, können die Hc-Werte auf noch zu erläuternde Weise durch Glühen bzw. Anlassen auf den betreffenden Wert des bisherigen hochsilizierten Stahls verbessert werden.

Die gute Formbarkeit des erfindungsgemäßen, hochsilizierten Stahls beruht auf dem feinen Kristallkorngefüge gemäß den Fig. 1A und 1B sowie dem Fehlen eines geordneten Gitters. Wenn der Durchmesser der Kristallkörner im überschnell abgekühlten Zustand 100 um übersteigt, wird hierdurch die Formbarkeit verschlechtert. Eine solche Korngröße ist daher vom industriellen Standpunkt aus unerwünscht. Wenn andererseits das Material auf eine Korngröße von weniger als 1 μπι eingestellt wird, wird praktisch keine weitere Verbesserung der Formbarkeit erreicht, während hierfür eine übermäßig hohe Abkühlung bzw. Abschreckung erforderlich ist, durch welche die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt wird.

Wenn das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte dünne Siliziumstahlband wärmebehandelt wird, wird das Kristallkorn grob, und die magnetischen Eigenschaften (Hc) werden merklich verbessert. Dieser Fall ist im folgenden anhand der Schnittbilder gemäß Fig. 1C und 1D näher erläutert.

Die Fig. 1C und 1D sind Schnittbilder der Oberflächenstruktur bzw. der Querschnittsstruktur eines Siliziumstahlbands (6,4 % Silizium, Rest Fe), das 40 min lang in einer Argonatmosphäre bei 1200⁰C geglüht bzw. angelassen worden ist. Wie dargestellt, wurde durch das Anlassen das Kristallkorn merklich vergröbert, so daß der Korndurchmesser 150 um übersteigt. Der Kristallkorndurchmesser des dünnen Bands hängt dabei von der Zeit und der Temperatur des Glüh- bzw. Anlaßvorgangs ab. Durch Vergröberung des Kristallkorns des

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dünnen Bands werden die magnetischen Eigenschaften (Koerzitivkraft Hc) deutlich verbessert.

Das dünne Band besitzt jedoch auch nach der beschriebenen Wärmebehandlung eine zufriedenstellende Formbarkeit. Der Grund hierfür läßt sich möglicherweise dein Umstand zuschreiben, daß das Kristallkorn vorzugsweise gemäß dem Schnittbild von Fig. 1D in einer Richtung senkrecht zur Bandoberfläche wächst und daß praktisch kein geordnetes Gitter vorhanden ist.

Im folgenden ist die Zusammensetzung des erfindungsgemässen dünnen Siliziumstahlbands näher erläutert.

Das hochsilizierte dünne Stahlband gemäß der Erfindung enthält im allgemeinen 4 bis 10 % Silizium, während es im Rest im wesentlichen aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

Wenn der Siliziumgehalt unter 4 % liegt, sind die magnetischen Eigenschaften nicht besser als beim bisherigen Produkt, während bei einem Siliziumgehalt von über 10 % das Siliziumstahlband spröde wird und sich die magnetischen Eigenschaften verschlechtern. Bevorzugt wird ein Siliziumgehalt von 5 bis 7 %, weil in diesem Bereich die besten magnetischen Eigenschaften erzielt werden. In Siliziumstahl sind unvermeidbare Verunreinigungen, wie Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Stickstoff, enthalten. Wenn diese Verunreinigungen auch im Endprodukt vorhanden sind, verschlechtern sie die Eisenverluste und machen das dünne Stahlband unter Beeinträchtigung seiner Formbarkeit spröde, weshalb der Anteil an diesen Verunreinigungen vorzugsweise möglichst niedrig gehalten werden sollte. Wenn der Gesamtgehalt an diesen Verunreinigungen 0,1 % übersteigt, werden die Eisenverluste größer als beim bisherigen Siliziumstahl.

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Der Verunreinigungsgehalt muß daher auf 0,1 % begrenzt werden. Bei der üblichen Stahlherstellung ist es möglich, die Gehalte für Sauerstoff unter 50 ppm (Teile pro Millionteile) , für Schwefel unter 80 ppm, für Kohlenstoff unter 100 ppm und für Stickstoff unter 50 ppm zu halten. Vorzugsweise werden die Verunreinigungsanteile daher innerhalb dieser Grenzen gehalten.

Bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bzw. Legierung können weniger als 2 % Al und weniger als 2 % Mn hinzugefügt werden. Da Aluminium ein stärkeres Desoxydationselement darstellt als Silizium, kann durch Zugabe" von Aluminium ein Werkstoff mit niedrigerem Sauerstoffgehalt erzielt werden. Außerdem wird hierdurch der elektrische Widerstand erhöht, und Aluminium ist weiterhin im Hinblick auf die Verringerung von Wirbelstromverlusten vorteilhaft. Andererseits erhöht Aluminium die Magnetostriktion, so daß die Zugabe von mehr als 2 % Aluminium nicht vorteilhaft ist und die obere Grenze auf 2 % Al gesetzt wird. Bei auf herkömmliche Weise hergestelltem Stahl ist Mangan (Mn) in einer Menge von 0,05 % als unvermeidbares Verunreinigungselement enthalten. Im Gegensatz zu Sauerstoff und Schwe fel ist dieses Element bekanntlich für die Walzbarkeit und die magnetischen Eigenschaften ziemlich vorteilhaft. Erfindungsgemäß werden daher durch die Zugabe von weniger als 2 %, vorzugsweise 0,2 bis 1,3 % Mn nicht nur die magnetischen Eigenschaften verbessert, sondern auch ein dünnes Siliziumstahlband mit gutem Aussehen, d.h. ohne Hohlräume und Risse an der Breitseite gewährleistet. Obgleich der eigentliche Grund für diese Erscheinung derzeit noch nicht völlig geklärt ist, wird angenommen, daß Schwefel eine große Ausseigerung von MnS aus dem Festlösungszustand oder dem Peinausseigerungszustand bewirkt, wodurch bessere Walzbarkeit und bessere magnetische Eigenschaften erreicht werden. Falls jedoch der Mn-Gehalt größer ist als 2 %, werden einerseits die magnetischen Eigenschaften erheblich verschlechtert und andererseits das dünne Silizium-

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Stahlband verhärtet, so daß seine Formbarkeit schlecht wird. Der Mangangehalt wird daher auf maximal 2 % begrenzt.

Das erfindungsgemäße dünne Siliziumstahlband besitzt einen hohen Siliziumgehalt. Aus diesem Grund ist es mit dem Mangel behaftet, daß die Sättigungsmagnetflußdichte zwangsläufig niedrig wird. Wenn zur Fe-Si-Legierung Co hinzugefügt wird, wird die Sättigungsmagnetflußdichte erhöht. Erfindungsgemäß kann daher erforderlichenfalls Kobalt (Co) zugesetzt werden, um den genannten Mangel zu kompensieren. Kobalt ist jedoch ein sehr teures Element, so daß der obere Grenzwert für Kobalt erfindungsgemäß auf 1O % eingestellt wird. Durch Nickel (Ni) wird die Zähigkeit der Fe-Si-Legierung erhöht, wobei es sich herausgestellt hat, daß durch Zugabe von weniger als 3 %, vorzugsweise 0,2 bis 1,5 % Nickel ein überschnell abgeschrecktes dünnes Band mit insgesamt guten Eigenschaften gewährleistet werden kann.

Die erfindungsgemäß erreichte Wirkung wird auch dann nicht beeinträchtigt, wenn andere als die vorher genannten Elemente, wie Cr, Mo, W, Va, Ti, Sn und dergleichen in einer Gesamtmenge von unter etwa 0,1 % als Verunreinigungen vorhanden sind.

Bei der Herstellung des bisherigen Siliziumstahlblechs wird eine Bramme bzw.Stranggießplatine heißgewalzt, um ein Heißwalzband mit einer Dicke von 1,5 bis 4 mm herzustellen, das dann durch eine entsprechende Kombination von Kaltwalzen und Wärmebehandlungen zu einem End-produkt mit einer Dicke von 0,28 bis 0,50 mm verarbeitet wird. Erfindungsgemäß wird andererseits die Siliziumstahlschmelze mit der angegebenen Zusammensetzung unmittelbar einer überschnellen Abkühlung bzw. Abschreckung unterworfen und unmittelbar darauf zu einem dünnen Band bzw. Feinblech einer bestimmten Dicke verarbeitet. Dies bedeutet, daß das Endprodukt oder das Halbprodukt unmittelbar aus der Siliziumstahlschmelze

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hergestellt wird , so daß die beim bisherigen Verfahren unbedingt unbedingt erforderlichen Heiß- und Kaltwalz^schritte völlig entfallen. Das Verfahren zur Herstellung des dünnen Bands durch überschnelles Abschrecken der Stahlschmelze kann auf beliebige Weise durchgeführt werden, vorausgesetzt, daß nach diesem Verfahren ein dünnes Band geeigneter Breite und bestimmter gleichmäßiger Dicke kontinuierlich in Rollen- bzw. Coilforin erhalten werden kann. Gemäß den Fig. 4 und 5 wird die Stahlschmelze 4 typischerweise über eine oder mehrere Bohrungen einer geeigneten Form kontinuierlich auf ein sich kontinuierlich bewegendes Substrat ausgestoßen bzw. extrudiert und dabei einer überschnellen Abschreckung und Erstarrung unterworfen, um auf diese Weise ein die vorgegebene, angestrebte Dicke besitzendes Band in Coilform herzustellen.

Fig. 4A veranschaulicht schematisch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines dünnen Bands 3, bei welcher eine Stahlschmelze 4 über eine Düse 1 auf die Innenfläche eines napfförmigen Rotors ausgestoßen wird.

Die Fig. 4B und 4C veranschaulichen schematisch ähnliche Vorrichtungen, bei denen die Siliziumstahlschmelze 4 kontinuierlich über eine Düse auf eine einzige umlaufende Walze oder zwischen zwei nebeneinander befindliche Walzen 5' und 5¹¹ gespritzt wird, die zwischen sich einaiDurchlaufspalt festlegen und die nicht unbedingt denselben Durchmesser zu besitzen brauchen.

Fig. 4D veranschaulicht schematisch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung des dünnen Bands, bei welcher die Siliziumstahlschmelze 4 zwischen ein endloses Metallförderband 7 und eine umlaufende Walze 5 ausgetragen wird. Dabei ist eine Vorrichtung 8 zur Kühlung des Förderbands 7 vorgesehen.

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Bei der Herstellung des dünnen Siliziumstahlbandes mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist es wesentlich, daß die Schmelze mit ausreichend hoher Geschwindigkeit abgekühlt bzw. abgeschreckt und zum Erstarren gebracht wird. Wenn nämlich die Zeit vom Strangpressen bis zur Berührung der Schmelze mit dem sich bewegenden Substrat lang ist, sind der Fluß der ausgepreßten Schmelze und die Erstarrung voneinander verschieden, so daß möglicherweise Bänder erhalten werden, die Löcher und Lunker und zeitweilig auch stellenweise ungleichmäßige Dicke besitzen. In diesem Fall ist das dünne Band insbesondere in Luftatmosphäre einer Oxydation oder Nitrogenierung unterworfen r so daß sich kein Band mit einwandfreier Form herstellen läßt; selbst wenn ein solches einwandfreies Band erhalten werden kann, enthält dieses dabei Sauerstoff oder Stickstoff, wodurch seine magnetischen Eigenschaften verschlechtert werden. Wenn dem Band andererseits eine lange Zeitspanne von der Erstarrung bis zur Abkühlung auf 400⁰C zur Verfügung steht, bei welcher Temperatur kein Kristallkornwachstum und keine Bildung von geordneten Gittern mehr auftreten, besitzt das erhaltene dünne Stahlband ein teilweise geordnetes Gitter und ein grobes Kristallkorn, so daß es sich anschließend gegebenenfalls schwierig schneiden und stanzen oder, falls erforderlich, walzen läßt. Verschiedene Versuche, bei denen die Drehzahl des Rotors und der Spritzdruck der Schmelze variiert wurden, haben gezeigt, daß sich das angestrebte dünne Stahlband nicht herstellen läßt, wenn die durchschnittliche Abkühlgeschwindigkeit vom Strangpressen der Schmelze bis zum Abkühlen des erstarrten dünnen Bands auf eine Temperatur

von 400⁰C weniger als 10 °C/s beträgt. Bei einer Herstellung mit einer unter dieser kritischen Abkühlgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit tritt eine Oxydation auf, so daß

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sich kein durchgehend gut geformtes Stahlband erzielen läßt, während das Stahlband, wenn es doch auf diese Weise hergestellt werden kann, sehr spröde ist. Für die wirtschaftliche Fertigung ist es in der Praxis vorteilhaft, das Abkühlen der Schmelze auf 400⁰C mit einer Kühigeschwindigkeit von 10 -10 °C/s durchzuführen, um dabei ein dünnes Stahlband zu erhalten, das ein zufriedenstellend feines Kristallkorn und praktisch (kein) geordnetes Gitter besitzt.

Aus wirtschaftlichen Gründen muß erfindungsgemäß ein hochsiliziertes Stahlband mit zufriedenstellend großer Breite hergestellt werden. Im allgemeinen kann hierfür eine schlitzförmige Düse mit der erforderlichen Breite benutzt werden, doch wird zur Gewährleistung eines dünnen Stahlbands mit über die Gesamtbreite hinweg gleichmäßiger Dicke vorzugsweise eine Düse 1 gemäß den Fig. 5 und 6 verwendet, bei welcher zwei oder mehr Strangpreß- bzw. Spritzschlitze 10 auf einerdie Gesamtbreite des Bands einschließenden Linie nebeneinander liegen. Wenn hierbei zusätzliche bzw. Hilfsspritzschlitze 10' am Endabschnitt der Düse vorhanden sind, wird der Fluß 9 der ausgespritzten Schmelze über die Breite hinweg flacher. Auf diese Weise kann dann ein dünnes Stahlband mit gleichmäßiger Dicke gefertigt werden.

Für die industrielle Fertigung eines hochsilizierten dünnen Stahlbands auf kontinuierlicher Basis muß die Schmelze über einen langen Zeitraum hinweg aus der Düse ausgespritzt werden. Dabei ist die Düse einem erheblichen Verschleiß unterworfen. Die Düse besteht im allgemeinen aus einem feuerfesten Material mit hohem Schmelzpunkt, wie einem Bornitrid-Keramikmaterial. Die Betriebslebensdauer der Düse kann beträchtlich verlängert werden, wenn ihre Außenflächen bzw. ihre Umgebung kontinuierlich mit Wasser, Flüssigmetall oder Gas zur Verringerung des Verschleißes gekühlt werden.

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Um außerdem die Oxydation und die Nitrogenierung zufriedenstellend zu verhindern und ein dünnes Stahlband mit geringem Verunreinigungsgehalt zu erreichen, wird die gesamte Herstellungsvorrichtung unter einer Schutzgasatmosphäre oder einem Vakuum bzw. Unterdruck in eine in Fig. 7 dargestellte Kammer eingesetzt. Dabei wird vorzugsweise zusätzlich Argongas, Heliumgas oder CO- als Schutzgas in die Nähe der Düse geblasen.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung zur Herstellung des erfindungsgemäßen dünnen Siliziumstahlbands unter Vakuum ist eine umlaufende Kühlwalze 5 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer, in der Vakuumkammer 11 angeordnet und für ihren Antrieb mit einem Motor verbunden. Unmittelbar über der Walze 5 ist eine Düse 1 zum Austragen der hochsilizierten Stahlschmelze so angeordnet,

Das Ausgangsmaterial für die daß sie aufwärts und abwärts bewegbar ist. ν hochsilizierte Siliziunistahlschmelze wird dabei über ein Rohr 12 zur Düse 1 zugeführt, über eine Leitung 13 wird ein Gas unter Druck in das Rohr 12 eingeleitet, um auf diese Weise die Schmelze aus der Düse 1 herauszupressen. Mittels eines Zylinders 14 kann die Düse 1 zur Einstellung des Abstands zwischen ihr und der umlaufenden Walze 5 aufwärts und abwärts verfahren werden. Ein Vakuurabalgen 15, der sich in Abhängigkeit von der Aufwärts- und Abwärtsverschiebung der Düse 1 frei auszudehnen und zusammenzuziehen vermag, stellt eine Abdichtung zwischen der Vakuumkammer 11 und der Düse 1 her. Um die Spitze der Düse 1 herum ist ein Heizelement 16 angeordnet, welches die Düse 1 auf eine Temperatur von z.B. 1400 bis 1600⁰C erwärmt, um das in die Düse 1 eingeführte Ausgangsmaterial für den hochsilizierten Stahl zu schmelzen. Ein Auslaßrohr 17 der Vakuumkammer 11 ist an eine Vakuumanlage angeschlossen. Die Vakuumkammer ist weiterhin mit einem Rohrstutzen 18 für die Aufnahme des hergestellten dünnen Siliziumstahlbands versehen.

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Wenn die hochsilizierte Stahlschmelze über die Düse 1 ausgespritzt und auf der sich drehenden Oberfläche der Walze 5 überschnell abgekühlt wird, kann das Innere der Vakuumkammer 11 auch unter einer Naturatmosphäre oder einer Schutzgasatmosphäre, etwa aus Ar, N2 und dergleichen, gehalten werden-

Bei den Vorrichtungen gemäß den Fig. 4 bis 7 ist es wesentlich, den Werkstoff des sich drehenden Abkühlsubstrats unter Berücksichtigung der Benetzbarkeit zwischen diesem Substrat und dem Siliziumstahl zu wählen. Wenn die Temperatur der Siliziumstahlschmelze um 300⁰C über dem Schmelzpunkt liegt, wird ihre Viskosität niedrig. Hierbei ergibt sich zeitweilig die Schwierigkeit, daß während der Erwärmung Schmelze aus der Düse heraustropft oder der Strahl der ausgespritzten Schmelze in Form eines Nebels breit über die Oberfläche des umlaufenden Abkühlsubstrats divergiert, so daß ein zu dünnes oder lamellenartiges (rattan blind-like strip) Band entsteht.

Wenn die Temperatur der Schmelze zu niedrig ist, kann der Strahl der ausgespritzten Schmelze aufgrund ihrer zu hohen Viskosität nicht genau der Oberfläche des umlaufenden Abkühlsubstrats folgen, wobei die Schmelze nicht sehr schnell abgekühlt werden kann. In diesen Fällen wird auch das Ziel der Erfindung nicht erreicht.

Wenn weiterhin der Strangpreß- bzw. Spritzdruck an der aus der Düse austretenden Schmelze zu hoch ist, spritzt der Strahl der ausgetretenden Schmelze in Form feiner Teilchen unregelmäßiger Konfiguration (von der Substratoberfläche) hinweg.

Infolgedessen ist es erforderlich, die Viskosität der Schmelze einwandfrei so festzulegen, daß die ausgestoßene Schmel-

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ze unter einem Kontaktwinkel von 10 bis 170°, vorzugsweise praktisch 90°, gegenüber der Substratoberfläche auf die Oberfläche des umlaufenden Abkühlsubstrats aufgebracht wird. Zu diesem Zweck sollte die Temperatur der Schmelze vorzugsweise um 100 bis 150⁰C über dem Schmelzpunkt des Siliziumstahls liegen.

Erfindungsgemäß sollte die Schmelze mit einem Druck im Bereich von 0,01 bis 1,5 bar aus der Düse ausgestoßen werden. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn der auf die Schmelze ausgeübte Spritzdruck zu hoch ist, verteilt sich die ausgetragene Schmelze in Form eines Nebels oder in Form feiner Teilchen, wobei sie je nach ihrer Viskosität eine lamellen- bzw. streifenförmige Konfiguration annimmt.

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten vermieden werden können, wenn das Verspritzen bzw. Strangpressen der Schmelze unter Vakuum erfolgt. Da in diesem Fall die Schmelze nicht auf Luft trifft, können die Entstehung eines lamellenartigen Streifens, die Bildung feiner Risse oder Schlitze im Randbereich des hergestellten Streifens sowie die Entstehung eines porösen Bands vermieden werden.

Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird also das hochsilizierte dünne Stahlband unmittelbar aus der Schmelze hergestellt und zu einer Coilform gewickelt. Das auf diese Weise hergestellte dünne Band besitzt ein sehr feines Kristallkorm mit einem Durchmesser üblicherweise im Bereich von 1 bis 100 μπι.

Ein solches dünnes Band besitzt bereits eine einwandfreie Form und gute magnetische Eigenschaften, so daß es unmittelbar als Endprodukt benutzt werden kann. Zur Gewährleistung besserer magnetischer Eigenschaften wird das dünne Band sodann während einer kurzen Zeit bei 400 bis 1300⁰C

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und vorzugsweise 800 bis 1250°C geglüht bzw. angelassen, um innere Spannungen aufzuheben und gleichzeitig,den

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Kristallkorndurchmesser auf bis zu 0,05 bis 10 mm zu vergrößern. Durch diese Behandlung wird beispielsweise die Koerzitivkraft außerordentlich stark verbessert. Falls jedoch die Anlaßtemperatur 1300°C übersteigt, wird das dünne Band spröde, so daß es nicht mehr brauchbar ist. Mit einer Temperatur von unter 400⁰C ist es andererseits unmöglich, die inneren Spannungen aufzuheben. Die Wärmebehandlung kann nach einem beliebigen Verfahren erfolgen, doch wird sie vorzugsweise durch etwa 60 s langes Anlassen in einem Durchlaufglühofen, gefolgt von einem möglichst schnellen Abkühlen, durchgeführt.

Figur 8 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Koerzitivkraft und der Glüh- bzw. Anlaßtemperatur für den Fall, daß ein dünnes Band A (6,5 % Si, Rest Fe) mit einem mittleren Korndurchmesser von 5 um und einer Dicke von 80 um sowie ein dünnes Band B (gleiche Zusammensetzung wie Band A) mit einem mittleren Korndurchmesser von 15 um und einer Dikkevon 80 um 2 min lang bei verschiedenen Temperaturen geglüht bzw. angelassen werden. Als Ergebnis des Anlassens bei einer Temperatur von über 400⁰C wird mit abnehmender Temperatur eine Verringerung der Koerzitivkraft Hc festgestellt, wobei diese Abnahme bei einer Temperatur von 1300⁰C beendet ist.

Bei einer praktisch verwendbaren Konstruktion eines Eisenkerns für ein elektrisches Gerät ist es im allgemeinen erforderlich, den Raumfaktor des Eisenkerns so weit wie möglich zu verringern. Zu diesem Zweck muß die Oberfläche des dünnen Bands außerordentlich glatt bzw. eben sein. Das erfindungsgemäße, überschnell gekühlte und erstarrte dünne Band besitzt eine zufriedenstellend glatte Oberfläche, sofern einwandfreie Fertigungsbedingungen eingehalten werden» Wenn eine noch höhere Oberflächenglätte erforderlich

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ist, wird dieses dünne Band erforderlichenfalls einer Wärmebehandlung unterworfen und sodann mit einer Reduktion von mehr als 5 % ausgewalzt, um schließlich unter den vorstehend geschilderten Bedingungen geglüht bzw. angelassen zu werden. Das Auswalzen kann vorteilhaft auf einer gewöhnlichen Kaltwalzmaschine erfolgen, doch wenn der Siliziumgehalt in der Größenordnung von 7 bis 10 % liegt und daher die Gefahr für das Auftreten von Rissen beim Auswalzen besteht, empfiehlt es sich, das Band bei einer Temperatur von 100 bis 500⁰C auszuwalzen. Durch zweckmässiges Auswalzen und Anlassen werden außerdem die magnetischen Eigenschaften verbessert. Obgleich der Grund hierfür noch nicht voll geklärt wird, wird angenommen, daß dies darauf zurückzuführen ist, daß das Bandgefüge durch die Auswalz- und Wärmebehandlung verändert wird.

Wie eingangs erwähnt, wird das hergestellte dünne Band als Eisenkern für elektrische Vorrichtungen, wie Transformatoren und Rotatxonsmaschinen verwendet. Wenn in diesem Fall der laminierte Eisenkern als solcher zur Bildung des geordneten Gitters im dünnen Band angelassen wird, wird eine starke Abnahme der Koerzitivkraft Hc festgestellt. Die durch die Bildung des geordneten Gitters hervorgerufene Sprödheit stellt jedoch in der Praxis kein Hindernis dar, weil das Glühen bzw. Anlassen nach dem Laminieren erfolgt.

Figur 9 veranschaulicht die Änderung der Koerzitivkraft Hc des dünnen Bands (6,5 % Si, 0,2 % Mn, Rest Fe), das durch Anlassen des Bands bei 1200⁰C während einer Zeitspanne von 3 min und anschließendes Warmhalten des Bands bei 350 bis 700⁰C über verschiedene Zeitspannen hinweg erhalten wurde. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, werden gute Ergebnisse erreicht, wenn das Anlassen bei 400 bis 650⁰C während einer Zeitspanne von mehr als 30 min erfolgt. Das erwähnte Glühen bzw. Anlassen im Zustand als Eisenkern wird folglich vorzugsweise

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in diesem Temperaturbereich durchgeführt. Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Stahlschmelze mit 6,5 % Silizium, 0,6 % Mangan, 0,3 % Aluminium sowie 0,007 % Kohlenstoff, 0,004 % Stickstoff, 0,003 % Sauerstoff und 0,005 % Schwefel als unvermeidbare Verunreinigungen wurde auf ein aus Kupfer bestehendes, umlaufendes Abkühlsubstrat mit einem Durchmesser von 300 mm gespritzt, das sich mit einer Drehzahl von 800 U/min drehte, wobei ein dünnes Band mit einer Dicke von 80 um geformt wurde. Das dünne Band wurde sodann 3 min lang bei 1200⁰C geglüht bzw. angelassen, zu einer Dicke von 65 \im ausjewalzt und hierauf 3 min lang bei 1000⁰C geglüht bzw. angelassen. Schließlich wurde das angelassene Band zu einer Rolle bzw. einem Coil gewickelt und dann 3 h lang bei 500⁰C angelassen. Die magnetischen Eigenschaften (Hc) und die Formbarkeit dieses dünnen Bands nach den einzelnen, vorstehend beschriebenen Behandlungen sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Dünnes Band	Hc (Oe)	Minde stkrüm- mungsradius (mm)	Schereigen schaft
Nach überschnellem Kühlen	0,70	<1,0	O
Nach dem Anlassen bei 1200⁰C für 3 min	0,15	1,0	O
Nach dem Walzen und Anlassen bei 1000⁰C für 3 min	0,13	1,0	O
Sfach 3-stündigem An lassen bei 500⁰C	0,09	3,0	Δ

Q30Ö13/osn

In obiger Tabelle 1 ist die magnetische Eigenschaft (lic) bei einer Magnetisierung von 1,5 T gemessen. Der "Mindestkrümmungsradius" bezieht sich auf den kleinsten Durchmessers eines Glasstabs, auf den das Band ohne Bruch aufgewickelt werden kann. Die Schereigenschaft bestimmt sich wie folgt:

ο = keine Scherrisse; gute Schereigenschaft des

Bands
Δ = einige Scherrisse vorhanden; das Band läßt

sich jedoch (mittels Schere) schneiden χ = Abscheren des Bands ist schwierig.

Beispiel 2

Eine Siliziumstahlschmelze mit 9,5 % Silizium, 1,5 % Mangan, 2 % Kobalt, 1,0 % Aluminium und 0,7 % Nickel sowie weiterhin 0,004 % Kohlenstoff, 0,0025 % Stickstoff, 0,0023 % Sauerstoff und 0,003 % Schwefel als unvermeidbare Verunreinigungen wurde auf zwei mit einer Drehzahl von 700 ü/min umlaufende Substrate aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 100 mm gespritzt bzw. ausgetragen, wobei ein dünnes Band mit einer Dicke von 100 p.m erhalten wurde. Das dünne Band wurde unmittelbar auf eine Dicke von 50 μπ\ ausgewalzt und dann 2 min lang bei 950°C geglüht bzw. angelassen. Anschließend wurde das angelassene Band 10 h lang bei 420⁰C weiter angelassen. Die magnetische Eigenschaft und die Formbarkeit des dünnen Bands nach den einzelnen, vorstehend beschriebenen Behandlungen gehen aus folgender Tabelle 2 hervor.

030013/OSn

= 24

Tabelle 2

?--;56794

Dünnes Band	Hc (Oe)	Mindeskrüm- mungsradius (mm)	1 Schereigen schaft
Nach überschnellem Kühlen	0,80	ο ,o	j O
Nach Walzen und Anlassen bei 950⁰C für 2 min	0,43	3,0	Δ ι
Nach Anlassen bei 420⁰C für 10 h	0,31	6,0	χ

Die Bedingungen zur Bestimmung der Eigenschaften nach obiger Tabelle 2 sind dieselben wie in Beispiel 1.

Erfindungsgemäß kann also ein sehr duktiles und flexibles, hochsiliziertes dünnes Stahlband kontinuierlich mit hoher Produktionsgeschwindigkeit hergestellt werden, wobei sich dieses erhaltene dünne Stahlband außerdem leicht verarbeiten sowie auswalzen und wärmebehandeln läßt.

Aus dem erfindungsgemäßen dünnen Stahlband läßt sich weiterhin ein laminierter Eisenkern mit verbesserten magnetischen Eigenschaften herstellen, indem das Eisenkernmaterial nach Verarbeitung und Herstellung zur Formung eines geordneten Gitters geglüht bzw. angelassen wird. Die Erfindung bietet daher einen großen industriellen Nutzwert.

0300 1 3/0S7A original

Claims

ν :"ϊ Β 6 7 9 A Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte Registered Representatives bofore the European Patent Office 2'-·. pe:;.O!nher 1 'Vfo Noboru Tsuya, MöhlstraBe 37 Sendai City, Japan DOOOO München — Tel.: 089/982085-07 Tolox: 0529802 hnklf] Telegramme· ellipsoid 53-114.847 Verfahren zur Herstellung eines dünnen Bands aus hochsiliziertem Stahl sowie danach hergestelltes Band und Eisenkern für elektrische Vorrichtungen Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines dünnen Bands aus hochsiliziertem Stahl mit ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften und guter Verarbeitbarke.it bzw. Formbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochsilizierte Stahlschmelze mit 4-10 Gew.-I Silizium, Rest im wesentlichen Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, hergestellt wird und daß die Schmelze auf einem Abkühlsubstrat überschnell abgekühlt und dabei ein dünnes Band mit einem Mikrogefüge hergestellt wird, das ein sehr feines Kristallkorn praktisch ohne geordnetes Gitter besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze auf dem Abkühlsubstrat einer überschnellen Abkühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von mindestens über 10^3oC/s auf 400° unterworfen wird.

ORIGINAL INSPECTED

0 3 0 0 Ϊ 3 / 0 K Ή

2H56794

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze auf dem Abkühlsubstrat einer überschnellen Abkühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10 - 10°C/s unterworfen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze hauptsächlich 4-7 Gew.-% Silizium, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, und mindestem; ein weiteres Element in Form von jeweils weniger als 2 Gew.-% Aluminium, 2 Gew.-% Mangan, 10 Gew.-% Kobalt und 3 Gew.-% Nickel enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das überschnelle Abkühlen der Schmelze durch Aufspritzen bzw. Strangpressen derselben auf eine sich bewegende Fläche des Abkühlsubstrats erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze mittels einer Düse gespritzt bzw. extrudiert wird, die eine Anzahl von in Querrichtung eines dünnen Bands nebeneinander angeordneten Düsenöffnungen aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Vakuum (unter Unterdruck) oder unter einer Schutzgasatmosphäre aus Argon, Stickstoff, Kohlendioxid oder einem Gemisch dieser Stoffe extrudiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Band zur Begünstigung einer Kornwachsturns auf 0,05 - 10 mmVweiterhin 1 min bis 5 h lang bei einer Temperatur von 400 - 1300⁰C geglüht bzw. angelassen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hergestellte Band weiterhin mit einem Reduktionsgrad

OdÖO13/057*

ORIGINAL INSPECTED

2^56794

von mindestens 5 % ausgewalzt und 10 min bis 5h lang bei einer Temperatur von 400 - 1300⁰C geglüht bzw. angelassen wird.

10. Dünnes Band aus hochsiliziertem Stahl mit ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften und guter Formbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus 4 bis 10 Gew.-% Silizium, Rest im wesentlichen Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, besteht und ein Mikrogefüge aus einem sehr feinen Kristallkorn praktisch ohne geordnetes Gitter besitzt.

11. Band nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen sowie 4-10 Gew.-% Silizium als Hauptbestandteile zusätzlich mindestens ein weiteres Element in Form von jeweils weniger als 2 % Aluminium, 2 % Mangan, 10 % Kobalt und 3 % Nickel enthält.

12. Band nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die unvermeidbaren Verunreinigungen insgesamt weniger als 0,1 I an Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel ausmachen.

13. Band nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es 5-7 Gew.-% Silizium, Rest im wesentlichen Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, enthält.

14. Band nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das feine Kristallkorn einen mittleren Korndurchmesser von im wesentlichen 1 - TOO J-wn besitzt.

15. Band nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

das feine Kristallkorn im wesentlichen ein säulenförmiges Korn ist, das senkrecht zur Oberfläche des dünnen Bands orientiert ist.

ORIGINAL INSPECTED

2^56794

16. Dünnes Band aus hochsiliziertexn Stahl mit ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften und guter Formbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus 4-10 Gew.-% Silizium, Rest im wesentlichen Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, besteht und ein Mikrogefüge aus einem Glüh- bzw. Anlaßkristallkorn mit

(Jim) einem mittleren Korndurchmesser von 0,05 - 10 mm besitzt, das durch Glühen bzw. Anlassen eines dünnen Bands mit einem Mikrogefüge mit sehr feinem Korn und praktisch ohne geordnetes Gitter erhalten worden ist.

17. Eisenkern für elektrische Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Laminieren von dünnen, hochsilizierten Stahlblechen bzw. -bändern nach einem der Ansprüche 10 bis 16 hergestellt worden ist, die im wesentlichen 4-10 Gew.-% Silizium, Rest im wesentlichen Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, enthalten und ein Mikrogefüge mit sehr feinem Kristallkorn und praktisch ohne geordnetes Gitter besitzen.

18. Eisenkern nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Formung eines geordneten Gitters des Kristallkorns 10 min bis 5 h lang bei einer Temperatur von 400 bis 650⁰C geglüht bzw. angelassen worden ist.

ORiGIMAL INSPECTED

0SÖÖ13/0674