DE3851678T2

DE3851678T2 - Verarbeitung von kornorientiertem "elektrischen" Stahl.

Info

Publication number: DE3851678T2
Application number: DE3851678T
Authority: DE
Inventors: Philip Beckley; David Snell
Original assignee: British Steel PLC
Current assignee: British Steel PLC
Priority date: 1987-08-22
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2008-08-13
Also published as: US4904312A; DE3851678D1; GB2208871B; GB8719872D0; EP0304740B1; ES2060631T3; ATE112330T1; EP0304740A3; EP0304740A2; GB2208871A

Description

Diese Erfindung betrifft kornorientierten "elektrischen" Stahl hoher Permeabilität, d. h. Bandstahl, der für elektromagnetische Anwendungen zum Einsatz kommt, beispielsweise zur Bildung eines Magnetkreises in Elektromaschinen. Die Verarbeitung von derartigem Stahl in bekannter Weise fördert das Wachstum großer Körner innerhalb des Stahles, und die bevorzugte Orientierung dieser Körner führt zu verstärkten magnetischen Eigenschaften.
Ein mit der Herstellung von derartigem kornorientierten Stahl verbundenes Problem liegt darin, daß bei der Erzeugung einer optimalen Kornorientierung gleichzeitig die Tendenz zur Bildung von über der optimalen Größe liegenden Körnern besteht, was insofern nachteilig ist, als dann die Blochwandabstände der magnetischen Domäne innerhalb des Kornes so groß werden, daß während des Einsatzes die schnelle Bewegung der Blochwände (verursacht durch die größere Distanz, über die sie sich in der Zeiteinheit bewegen müssen) zu starken Mikrowirbelströmen führt, die wiederum starke Leistungsverluste verursachen.
Bekanntlich kann dieses Problem durch die Schaffung künstlicher Barrieren überwunden werden, die den Effekt von Korngrenzen im Bandstahl simulieren, den Domänenabstand verringern und damit die Bewegung der Domänenwände reduzieren. Derartige Barrieren werden typischerweise dadurch geschaffen, daß mit Hilfe mechanischer oder Elektroerosionsmittel, wie beispielsweise in unserem UK-Patent Nr. 2,146,567 beschrieben, Linien oder Punkte in die Oberfläche des Bandes eingeritzt werden.
Bei Wickelkernanwendungen ist es häufig vorteilhaft, die in dem vom Bandring abgespaltenen Stahl auftretenden Spannungen durch Glühen bei einer hohen Temperatur von ca. 800ºC abzubauen. Diese Behandlung führt jedoch zu einem Verlust oder einer Abschwächung des Domänenverfeinerungseffektes der durch konventionelle Einritzmethoden erzeugten künstlichen Barrieren.
Bei Versuchen, die zur Überwindung dieses Nachteiles durchgeführt worden sind, wurde eine chemische Ätzung mittels Salpetersäure zumindest an dem Material vorgenommen, an dem Barrieren durch lasererzeugte Punkte, wie beispielsweise im UK-Patent Nr. 2,168,626 beschrieben, oder durch Anwendung anderer starker Säuren, wie beispielsweise im UK-Patent Nr. 2,167,324, geschaffen worden waren. Diese Dokumente beziehen sich auch auf elektrochemisches Ätzen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine glühbeständige Domänenkontrolle ohne den Einsatz aggressiver Säuren zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Methode zur Verstärkung von linearen, in der Oberfläche von kornorientiertem elektrischen Bandstahl ausgebildeten Eindrücken durch elektrolytisches Ätzen der genannten Eindrücke in einem Zitronensäure umfassenden Elektrolyten bereit.
Die Eindrücke können mechanisch im Radeinritzverfahren oder durch Oberflächenerosion, wie beispielsweise durch Funkenerosion oder Laserbehandlung, und dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich in Form von Punkten oder Linien ausgebildet werden. Die Tiefe der Eindrücke kann typischerweise 3 um betragen.
Die Verwendung von Zitronensäure ist vorteilhaft, weil diese Säure nicht schädlich oder agrressiv ist und problemlos über normale Abwasserkanäle entsorgt werden kann.
Gemäß vorliegender Erfindung können daher die anfänglich erzeugten leichten Eindrücke im Stahl, die durch mechanische Radeinritz- oder Funkenerosionsmethoden entstanden sind, problemlos durch Anwendung der elektrolytischen Ätzmethode verstärkt werden, um ein Material herzustellen, das Leistungsverlustwerte (reduziert gegenüber dem ursprünglichen Verlustwert des ungeritzten Materials) aufweist, die im wesentlichen glühbeständig sind. Im Vergleich zeigt konventionell geritztes Material, was die Verlustreduzierung anbetrifft, keine Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturglühen.
Zum vollen Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nunmehr einige Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Reihe von Probenbehandlungen beschrieben.
Eine erste Gruppe von phosphatbeschichteten Epstein-Proben aus 3%-igem siliziumkornorientierten Stahl bekannter (hoher) Permeabilität und bekanntem Leistungsverlust wurden bei einem Linienabstand von 5 mm mit Hilfe eines mechanischen Radsystems leicht geritzt, während eine andere Gruppe mittels Funkenerosion behandelt wurde; jede Gruppe wurde unterteilt, wobei ein Satz Proben einer chemischen Ätzung mittels Salpetersäure und ein anderer Satz einer elektrolytischen Ätzung mittels Elektrolyt auf der Basis schwacher Zitronensäure unterzogen wurde.
Dieser Elektrolyt wies insbesondere folgende Zusammensetzung auf:
Trinatriumcitrat 98 g/l
Zitronensäure 35 g/l
Natriumchlorid 10 g/l
Der pH-Wert wies eine Größenordnung von 4,7 auf.
Die Werte des Leistungsverlustes (bei B = 1,7 T, 50 Hz) und der Permeabilität (B1kA/m) wurden für die Proben ermittelt. Dann wurden die Proben erneut beschichtet, um die Ritze abzudecken und für eine unversehrte Isolierung zu sorgen, anschließend ließ man die Beschichtung aushärten, und dann wurden die Proben bei 800ºC geglüht. Die Leistungsverlust- und Permeabilitätswerte wurden danach erneut gemessen.
Die Ergebnisse wurden speziell in den nachstehenden Tabellen zusammengefaßt, wobei:
Tabelle I sich auf Leistungsverlustmessungen an nach der Radeinritzmethode behandelten Proben bezieht, die mittels Salpetersäure geätzt wurden;
Tabelle 2 sich auf Leistungsverlustmessungen an nach der Funkenerosionsmethode behandelten Proben bezieht, die mittels Salpetersäure geätzt wurden;
Tabelle 3 sich auf Permeabilitätsmessungen an den in den Tabellen 1 und 2 identifizierten und entsprechend behandelten Proben bezieht (Daten, die sich auf die verbliebene Verlustverringerung beziehen, sind zu Vergleichszwecken ebenfalls angegeben);
Tabelle 4 sich auf Leistungsverlustmessungen an nach der Radeinritzmethode behandelten Proben bezieht, die elektrolytisch in einer Natriumcitrat/Zitronensäure- Lösung mit einem pH-Wert von 4,7 geätzt wurden;
Tabelle 5 sich auf Leistungsverlustmessungen an nach der Funkenerosionsmethode behandelten Proben bezieht, die elektrolytisch geätzt wurden; und
Tabelle 6 sich auf Permeabilitätsmessungen an den in den Tabellen 4 und 5 identifizierten und entsprechend behandelten Proben bezieht.
In den vorstehenden Beispielen betrug die Tiefe des Anfangseinschnittes oder -loches (am nach der Funkenerosionsmethode behandelten Material) etwa 3 um.

RADEINRITZMETHODE

TABELLE 1

(Legende)

1) Behandlung mit Salpetersäure, 20 Vol.-% Temp. (ºC)
Zeit (s)
2) Einschnittiefe (um)
3) Verlustverringerung (%)
Anfangswert
Nach dem Glühen
4) Verbliebene Verlustverringerung (%)

FUNKENEROSIONSMETHODE

TABELLE 2

(Legende)

1) Behandlung mit Salpetersäure, 20 Vol.-% Temp. (ºC)
Zeit (s)
2) Lochtiefe (um)
3) Verlustverringerung (%)
(Mittel von 5 Proben)
Anfangswert
Nach dem Glühen
4) Verbliebene Verlustverringerung (%)

TABELLE 3

(Legende)

1) Behandlung mit Salpetersäure Temp. (ºC)
Zeit (s)
2) B1kA/m, (T)
Anfangswert
Endwert
Veränderung
(-VE)
Veränderung (%)
Anfangswert/Endwert
(-VE)
3) Einschnitt- oder Lochtiefe (um)
Verbliebene Verlustverringerung (%)
4) Radeinritzmethode
5) Funkenerosionsmethode

RADEINRITZMETHODE

TABELLE 4

(Legende)

1) Elektrolytische Behandlung (pH 4,7)
Strom (A)
Zeit (s)
2) Einschnittiefe (um)
3) Verlustverringerung (%)
(Mittel von 5 Proben)
Anfangswert
Nach dem Glühen
4) Verbliebene Verlustverringerung (%)

FUNKENEROSIONSMETHODE

TABELLE 5

(Legende)

1) Elektrolytische Behandlung (pH 4,7)
Strom (A)
Zeit (s)
2) Lochtiefe (um)
3) Verlustverringerung (%)
(Mittel von 5 Proben)
Anfangswert
Nach dem Glühen
4) Verbliebene Verlustverringerung (%)

TABELLE 6

(Legende)

1) Elektrolytische Behandlung
Temp. (ºC)
Zeit (s)
2) B1kA/m(T)
Anfangswert
Endwert
Veränderung
(-VE)
Veränderung (%)
Anfangswert-Endwert
(-VE)
3) Einschnitt- oder Lochtiefe (um)
Verbliebene Verlustverringerung (%)
4) Radeinritzmethode
5) Funkenerosionsmethode
Eine Analyse der Tabellen 1 und 2 zeigt, daß sowohl bei den nach der Radeinritz- als auch bei den nach der Funkenerosionsmethode behandelten Proben mittels Salpetersäure das Verfahren des chemischen Ätzens geeignet ist, ausreichende Einschnitt- und Lochtiefen zu erzeugen, um Leistungsverlustverringerungswerte zu erhalten, die gegenüber einem Glühen bei 800ºC beständig sind. Dies wird bei mittels Rad eingeritzten Linien, verglichen mit nach der Funkenerosionsmethode behandelten Proben, problemloser erreicht, wobei allerdings die mit der letztgenannten Methode erzielten Ergebnisse (Tabelle 2) nicht vollständig optimiert worden sind.
Diese Permeabilitätswerte sind in der Tabelle 3 wiedergegeben; obwohl im allgemeinen mit steigender verbliebener Leistungsverlustverringerung (und zunehmender Einschnittief e) die Permeabilitätswerte in stärkerem Maße zurückgehen, zeigt diese Tabelle, daß die maximale Abnahme der Permeabilität der gewählten Proben, nämlich 2,6%, nicht zur Folge hat, daß der Stahl nicht mehr der Spezifikation entspricht, d. h. B1kA/m < 1,89 T.
In den Tabellen 4 und 5 sind vergleichbare Daten für elektrolytisch geätzte Proben auf gelistet, und diese Daten zeigen, daß die Werte des verbliebenen Leistungsverlustes, die nach dem Glühen für mittels Rad geritztes Material erhalten wurden, denjenigen überlegen sind, die beim Ätzen mittels Salpetersäure erzielt wurden, wobei die für nach der Funkenerosionsmethode behandeltes Material erzielten Ergebnisse sehr ähnlich sind.
Was die Permeabilitätsveränderungen anbetrifft, so zeigt ein Vergleich zwischen den Tabellen 3 und 6, daß im allgemeinen die Verringerung der Permeabilitätswerte für elektrolytisch behandeltes Material derjenigen ähnelt, die für mittels Salpetersäure geätztes Material erzielt wurde. Auch hier kam es in keinem der angegebenen Beispiele dazu, daß die Materialparameter nicht mehr der Spezifikation entsprachen.
Obwohl deutlich erkennbar ist, daß optimale Einschnitt- und Lochtiefen noch präzise ermittelt werden müssen und ein zufriedenstellender Kompromiß zwischen der Verminderung der B1kA/m-Werte und der Glühbeständigkeit gefunden werden muß, kann daher zusammenfassend festgestellt werden, daß elektrolytisches Ätzen mit Hilfe eines auf Zitronensäure basierenden Elektrolyten in vielen Fällen dem Ätzen mittels Salpetersäure überlegen ist und außerdem, wie erwähnt, die Vorteile bietet, die mit der Verwendung einer nichtaggressiven Säure verbunden sind. Während eine derartige elektrolytische Ätzung, wie beschrieben, bei mechanisch geritztem oder nach der Funkenerosionsmethode behandeltem Material angewendet werden kann, läßt sich mechanisch geritztes Material leichter ätzen.
Obwohl die Beschreibung dieser Erfindung auf einem bestimmten Satz von Ergebnissen beruht, versteht es sich, daß diese nur als Beispiele dienen und verschiedene Änderungen an den aufgeführten Faktoren, der Elektrolytzusammensetzung, den Behandlungszeiten und -temperaturen usw., ohne weiteres möglich sind, ohne damit vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. RADEINRITZMETHODE TABELLE 1 Behandlung 20 Vol.-% mit Salpetersäure Temp. Zeit Einschnittiefe Verlustverringerung Anfangswert Nach dem Glühen Verbliebene Verlustverringerung FUNKENEROSIONSMETHODE TABELLE 2 Behandlung 20 Vol.-% mit Salpetersäure Temp. Zeit Lochtiefe Verlustverringerung (Mittel von 5 Proben) Anfangswert Nach dem Glühen Verbliebene Verlustverringerung TABELLE 3 Behandlung mit Salpetersäure Temp. Zeit Anfangswert Endwert Veränderung Einschnitt- oder Lochtiefe Verbliebene Verlustverringerung Radeinritzmethode Funkenerosionsmethode RADEINRITZMETHODE TABELLE 4 Elektrolytische Behandlung (pH 4,7) Strom Zeit Einschnittiefe Verlustverringerung (Mittel von 5 Proben) Anfangswert Nach dem Glühen Verbliebene Verlustverringerung FUNKENEROSIONSMETHODE TABELLE 5 Elektrolytische Behandlung (pH 4,7) Strom Zeit Lochtiefe Verlustverringerung (Mittel von 5 Proben) Anfangswert Nach dem Glühen Verbliebene Verlustverringerung TABELLE 6 Elektrolytische Behandlung Temp. Zeit Anfangswert Endwert Veränderung Anfangswert/Endwert Einschnitt- oder Lochtiefe Verbliebene Verlustverringerung Radeinritzmethode Funkenerosionsmethode

Claims

1. Methode zur Verstärkung von linearen, in der Oberfläche von kornorientiertem elektrischen Bandstahl ausgebildeten Eindrücken durch elektrolytisches Ätzen der genannten Eindrücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrücke mit Hilfe eines Zitronensäure umfassenden Elektrolyten elektrolytisch eingeätzt werden.

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrücke mittels Rad eingeritzt werden.

3. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrücke durch Funkenerosion gebildet werden.

4. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrücke durch Laserbehandlung gebildet werden.

5. Methode nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Eindrücken um kontinuierliche Eindrücke in Form von Punkten oder Linien handelt.

6. Methode nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Eindrücken um diskontinuierliche Eindrücke in Form von Punkten oder Linien handelt.

7. Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindrücke eine Tiefe in der Größenordnung von drei um aufweisen.