DE60103933T2

DE60103933T2 - Magnetisches stahlblech mit nicht orientierten körnern, verfahren zur herstellung von stahlplatten und dabei erhaltene stahlplatten

Info

Publication number: DE60103933T2
Application number: DE60103933T
Authority: DE
Inventors: Jacques Hernandez; Pascal Amelot
Original assignee: USINOR SA
Current assignee: USINOR SA
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: EP1346069B1; EP1346069A1; ES2223961T3; EA004912B1; CZ20031798A3; ATE269421T1; CZ303205B6; FR2818664B1; FR2818664A1; WO2002052048A1; EA200300729A1; TR200401448T4; DE60103933D1

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Zusammensetzung eines magnetischen Stahls mit nicht gerichteten Körnern, der verbesserte magnetische, mechanische und thermische Eigenschaften aufweist.
Dieser Stahltyp wird insbesondere für die Herstellung von Teilen für die Elektrotechnik verwendet, die die Aufgabe haben, verschiedene Stromkreise zu koppeln, um die Übertragung von elektromagnetischer Energie von den einen auf die anderen zu gestatten.
Diese Energieübertragung setzt insbesondere voraus, dass die Magnetflussdichte (auch Induktion genannt), die erhalten wird, wenn man den Werkstoff einem Feld aussetzt, so hoch wie möglich ist.
Eine andere der charakteristischen Eigenschaften dieser Stähle ist die Höhe ihrer Gesamtmagnetverluste, die sich aus den Verlusten durch Hysterese einerseits und den Verlusten durch Wirbelstrom andererseits ergeben. Diese Verluste müssen so klein wie möglich sein.
Zu diesem Zweck kennt man zwei große Gruppen von magnetischen Stählen mit nicht gerichteten Körnern. Die erste besteht aus stark legierten Stählen, deren Höhe der magnetischen Verluste im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung abhängt. Diese Stähle enthalten 1,4 bis 3,3 Gew.-% Silizium sowie Aluminium auf einer Höhe von 0,1 bis 1,0 Gew.-%. Sie besitzen den Nachteil, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine zu hohe Härte zu besitzen, die einen sehr starken Verschleiß der Werkzeuge zum Schneiden der Werkstücke mit sich bringt. Der starke Legierungsgehalt macht sie außerdem teuer.
Die zweite Familie von magnetischen Stählen mit nicht gerichteten Körnern besteht aus schwach legierten Stählen, die im Allgemeinen nur Silizium in Gehalten von etwa 0,5 Gew.-% enthalten. Diese Stähle werden Stähle mit verbesserter magnetischer Permeabilität genannt und gestatten es, hohe Induktionswerte bei angelegten Feldern von etwa 5000 A/m zu erreichen und gleichzeitig mittlere Verlustwerte beizubehalten. Sie besitzen auch eine gute Wärmeleitfähigkeit, haben jedoch schlechte mechanische Eigenschaften, und zwar insbesondere eine niedrige Elastizitätsgrenze und eine geringe Härte. Aus diesem Grund kann man diese Familie von Stählen in der Praxis nur für statische oder dynamische Maschinen mit geringen Geschwindigkeiten verwenden. Die Herstellung von Werkstücken aus diesen Sorten stellt ebenfalls ein Problem dar, da man häufig beim Schneiden Verformungen beobachtet, was Verluste an Material und Produktivität mit sich bringt.
Es gibt also gegenwärtig keinen magnetischen Metallwerkstoff, der gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit, gute mechanische Eigenschaften und geringe Magnetverluste besitzt.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, einen solchen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der einen größeren Anwendungsbereich als die Werkstoffe des Stands der Technik besitzt und der insbesondere die Erhöhung der Leistungskonstante ohne Gefahr einer starken Erhitzung der vorhandenen elektrischen Isolatoren gestattet.
Zu diesem Zweck besteht ein erster Gegenstand der Erfindung aus einem magnetischen Stahl, dessen Zusammensetzung, ausgedrückt in Gew.-%, umfasst: C ≤ 0,005 1,20 ≤ Si ≤ 1,40 0,18 ≤ Al ≤ 0,22 0,25 ≤ Mn ≤ 0,35 0,10 ≤ P ≤ 0,14 0,09 ≤ Sn ≤ 0,12 0,005 ≤ S ≤ 0,015 N ≤ 0,01 O ≤ 0,01wobei der Rest der Zusammensetzung aus Eisen und von der Herstellung stammenden Verunreinigungen besteht.
Die Erfinder haben nämlich entdeckt, dass die Kombination der beanspruchten Gehalte an Aluminium, Zinn und Phosphor die magnetischen, mechanischen und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften der Stahlsorte auf überraschende Weise verbessert.
Der Zinngehalt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung muss zwischen 0,09 und 0,12 Gew.-% betragen. Unter diesem Bereich stellt man nämlich keine ausreichende Verringerung des Magnetverlustes fest. Wenn dagegen der Zinngehalt 0,12 Gew.-% überschreitet, hat der Stahl eine zu geringe Duktilität.
Der Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung muss unter 0,005 Gew.-% liegen, da jedes Überschreiten dieses Werts eine Tendenz zum magnetischen Altern mit sich bringt, die unzulässig ist, da durch sie die Verwendungsdauer der Werkstücke stark eingeschränkt wird.
Der Siliziumgehalt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung muss zwischen 1,2 und 1,4 Gew.-% liegen. Je mehr man den Siliziumgehalt erhöht, um so mehr nimmt die Wärmeleitfähigkeit des Stahls ab, gleichzeitig aber nehmen die Magnetverluste um so mehr ab, was die Wahl des beanspruchten Bereichs begründet.
Der Aluminiumgehalt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung muss zwischen 0,18 und 0,22 Gew.-% liegen. Das Aluminium verbessert die magnetischen Eigenschaften des Stahls, darf jedoch nicht in zu großer Menge vorliegen, da es für die Duktilität des Stahls schädlich ist und seine Wärmeleitfähigkeit verringert. Man begrenzt seinen Gehalt auch, um das Ausfällen von zu feinen Aluminiumnitriden zu vermeiden, die die Bewegungen der magnetischen Domänen blockieren würden.
Der Stickstoffgehalt der Zusammensetzung muss kleiner als 0,01 Gew.-% sein, um auch hier die Ausfällung von Aluminiumnitriden zu begrenzen.
Der Mangangehalt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung muss zwischen 0,25 und 0,35 Gew.-% betragen. Das Mangan verbessert die mechanischen Eigenschaften des Stahls, indem es seinen Bruch während des Warmwalzens verhindert. Unter 0,25 Gew.-% verbessert es diese mechanischen Eigenschaften nicht ausreichend, während es über 0,35 Gew.-% die magnetischen Eigenschaften der Sorte beeinträchtigt und die Wärmeleitfähigkeit des Stahls verringert.
Phosphor liegt in dem erfindungsgemäßen Stahl in einem Gehalt von 0,10 bis 0,14 Gew.-% vor. Er gestattet die Härtung des Stahls und gleichzeitig eine beträchtliche Erhöhung seiner Elastizitätsgrenze. Sein Gehalt ist auf 0,14 Gew.-% begrenzt, da er die Wärmeleitfähigkeit des Stahls verringert. Er erhöht die Resistivität der Legierung, was die Verringerung der Verluste durch Wirbelströme gestattet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt sein Gehalt zwischen 0,11 und 0,13 Gew.-%.
Der Schwefelgehalt liegt unter 0,015 Gew.-%, da dieses Element für die Merkmale des Stahls schädlich ist, er liegt jedoch auch über 0,005 Gew.-%, da ein geringerer Gehalt einen zusätzlichen Entschwefelungsschritt erfordern würde, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht gerechtfertigt ist.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann auf herkömmliche Weise und mit Hilfe jedes geeigneten Verfahrens, das einen Entkohlungsschritt umfasst, hergestellt werden, da der zu erreichende Kohlenstoffwert sehr niedrig ist.
Nach der Herstellung kann der Stahl in Form einer Bramme gegossen werden, die man auf eine Temperatur über etwa 1150°C erhitzt, um sie warmzuwalzen, bis eine Dicke von beispielsweise etwa 2 mm erreicht wird. Man kann dann das auf diese Weise hergestellte Blech wickeln und dann kühlen.
Das warmgewalzte Blech wird dann gebeizt und kaltgewalzt und zwar vorzugsweise bis zur gewünschten Enddicke, um einer letzten Wärmebe handlung unterzogen zu werden, die vorzugsweise ein Glühen unter nicht oxidierender Atmosphäre ist. Wenn der Kohlenstoffgehalt des Blechs in diesem Stadium noch zu hoch ist, nimmt man während des Glühens eine Entkohlung vor.
Die Erfinder haben jedoch entdeckt, dass es unter Anwendung von besonderen Bedingungen während des Arbeitsgangs der Warmwalzung und des Wickelns möglich ist, die Induktion des erhaltenen Blechs beträchtlich zu verbessern, indem man gleichzeitig einen Schritt des herkömmlichen Verfahrens spart.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung eines Blechs mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung, umfassend:

– die Herstellung des Stahls und das Gießen der Bramme,
– ein Warmwalzen dieser Bramme, um ein Blech zu erhalten, wobei diese Walzung bei einer Temperatur endet, die zwischen der des Ar3-Punkts minus 80°C und der des Ar3-Punkts liegt,
– ein Wickeln des Blechs bei einer Temperatur über 680°C,
– ein Kaltwalzen und dann eine Wärmebehandlung des Blechs.

Dieses Verfahren besitzt den großen Vorteil, die magnetischen Eigenschaften des Blechs zu optimieren, da die Erfinder festgestellt haben, dass sein Induktionswert beträchtlich erhöht wird, während die Magnetverluste durch Hysterese verringert werden.
Die Temperatur am Ende der Walzung ist nämlich so beschaffen, dass diese im ferritischen Bereich endet. Dieses Merkmal, kombiniert mit der Steuerung einer relativ hohen Wickeltemperatur, gestattet die Rekristallisierung und die Vergrößerung der Körner des Blechs in der Wärme durch eine Selbstglüh-Erscheinung.
Die wesentliche Verbesserung der Induktion ist wahrscheinlich auf die Bildung von Komponenten mit Goss-Textur zurückzuführen, wie man sie in Stählen mit gerichteten Körnern finden kann, jedoch auch mit planarer Textur. Die ungünstige Komponente {111} wird in dem Verfahren ebenfalls dank des Vorhandenseins des Zinns verringert, das, indem es sich an den Körnerfugen absondert, die Keimung und das Wachsen von Texturkörnern {111} während der Rekristallisierung verhindert, was das Wachstum der Körner bei dem abschließenden Glühen nach Kaltwalzung begünstigt.
Das Selbstglühen, das während dieses Verfahrens stattfindet, gestattet ferner, den herkömmlichen Schritt des Glühens des gewalzten Blechs wegzulassen, der nun gegenstandslos ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wickeltemperatur über 700°C, insbesondere über 720°C, was noch eine Verbesserung der magnetischen Leistungen der Werkstoffe gestattet.
Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass es möglich ist, die Magnetverluste noch zu verringern, indem die Bedingungen der thermischen Behandlung, die auf die Kaltwalzung folgt, optimiert werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform führt man auf diese Weise eine Wärmebehandlung aus, die die Form eines bei einer Temperatur von über 900°C durchgeführten Glühens annimmt, und bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform nimmt man sie kontinuierlich in einem Ofen vor, in dem das Blech eine Verweilzeit von weniger oder gleich 50 s hat.
Ein dritter Gegenstand der Erfindung ist Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und Blech, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinen verschiedenen Varianten erhalten wird.
Man bevorzugt Bleche, die bei einer Dicke von 0,50 mm Gesamtmagnetverluste von weniger als 4 W/kg, insbesondere weniger als 3,5 W/kg und noch bevorzugter weniger als 3,3 W/kg, sowie eine Induktion über 1,72 T besitzen, wenn man ein Feld von 5000 A/m anlegt.
Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Bleche besitzen insbesondere den Vorteil, dass sie nach dem Schneiden der Werkstücke keiner zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden müssen, um den magnetischen Eigenschaften zu gestatten, vollständig zum Ausdruck zu kommen. Eine solche Behandlung wäre nämlich nicht nur kostspielig, sondern auch für das spätere mechanische Verhalten der Werkstücke schädlich. Die gemäß der Erfindung hergestellten Bleche sind also direkt für die Verwendung bereit, und man kann sie außerdem auf jeder Seite mit einer isolierenden Beschichtung versehen, wenn die Anwendung dies erfordert.
Diese Bleche können insbesondere zur Herstellung von Teilen von rotierenden Maschinen, Motoren, Transformatoren dienen, können jedoch auch in der Haushaltselektrik und in der Elektrotechnik allgemein verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgenden Ausführungen und Beispiele illustriert, wobei die nachstehende Tabelle die chemische Zusammensetzung der verschiedenen getesteten Stähle angibt, von denen die Güsse 2 und 4 gemäß der vorliegenden Erfindung sind, während die Güsse 1 und 3 zum Vergleich herangezogen sind.
Sofern nicht anderes angegeben wird, haben die den verschiedenen Tests unterzogenen Bleche eine Dicke von 0,50 mm, um die erhaltenen Ergebnisse vergleichen zu können, da die Magnetverluste von dieser Dicke abhängig sind. Verwendete Abkürzungen

W1,5T: Gesamtmagnetverlust bei 1,5 Tesla und 50 Hz, ausgedrückt in W/kg,

B5000: Magnetflussdichte (oder Induktion) unter einem Feld von 5000 A/ m, ausgedrückt in Tesla,

Hv5: Härte.
Beispiel 1 – Einfluss der chemischen Zusammensetzung
Man stellt zwei Bleche aus dem Guss 1 und aus dem erfindungsgemäßen Guss 2 her, indem man die entsprechenden Brammen warmwalzt, ohne dem erfindungsgemäßen Verfahren zu folgen. Die Wicklung wird bei einer Temperatur von etwa 645°C durchgeführt. Die Bleche werden dann gebeizt und dann kaltgewalzt. Das abschließende Glühen wird kontinuierlich bei 950°C in einem Ofen vorgenommen, in dem die Bleche 25 s verweilen.
Man misst nun die Gesamtmagnetverluste W1,5T und die Induktion B5000 und erhält die folgenden Ergebnisse:
Man sieht, dass die Magnetverluste beträchtlich reduziert wurden und dass die Induktion bezüglich der Zusammensetzung des Stands der Technik verbessert wurde. Diese Verbesserungen sind auf das beanspruchte Gleichgewicht zwischen den Gehalten an Aluminium, Phosphor und Zinn zurückzuführen.
Beispiel 2 – Einfluss des Warmwalz/Wickel-Verfahrens
Man stellt zwei Bleche aus demselben erfindungsgemäßen Guss 2 auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 her, wobei man jedoch die Wicklung bei einem der Bleche bei einer Temperatur von 640°C vornimmt und bei dem anderen bei einer Temperatur von 730°C.
Man misst dann die Gesamtmagnetverluste W1,5T und die Induktion B5000 und erhält die folgenden Ergebnisse:
Man sieht, dass die Magnetverluste reduziert wurden, dass aber vor allem die Induktion dank des erfindungsgemäßen Verfahrens zur thermomechanischen Umwandlung beträchtlich erhöht wurde. Zum Vergleich besitzen stark legierte Stähle des Stands der Technik mit Verlusten von 3,7 W/kg eine Induktion von etwa 1,66 T.
Beispiel 3 – Einfluss des Zinnzusatzes
Man stellt zwei Bleche im erfindungsgemäßen Guss 2 und im Guss 3 ähnlich wie in Beispiel 1 her, wobei man jedoch die Wicklung bei einer Temperatur von 720°C vornimmt.
Man misst nun die Gesamtmagnetverluste W1,5T und die Induktion B5000 und erhält die folgenden Ergebnisse:
Man stellt fest, dass der Zusatz von Zinn in den Mechanismen, die bei den verschiedenen thermomechanischen Umwandlungen, denen man den Stahl unterzieht, eingesetzt werden, eine wichtige Rolle spielt.
Beispiel 4 – Einfluss der Bedingungen des abschließenden Glühens
Man stellt eine Reihe von Brammen im erfindungsgemäßen Guss 4 her, die man unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens warmwalzt. Dann walzt man die Bleche kalt, bis man eine Dicke von 0,50 mm erhält und glüht dann diese Bleche kontinuierlich in einem Ofen, indem man die Glühtemperatur und die Verweilzeit der Bleche in diesem Ofen variiert. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Auf dieselbe Weise geht man mit Blechen vor, die man bis zu einer Dicke von 0,65 mm walzt, und erhält die folgenden Ergebnisse:
Man kann sehen, dass eine zusätzliche Senkung der Höhe der Magnetverluste erhalten werden kann, wenn man die Verweilzeit und die Glühtemperatur erhöht.
Beispiel 5 – Mechanische Eigenschaften und Wärmeleitfähigkeit
Man unterzieht die Bleche von erfindungsgemäßen Güssen einer gewissen Anzahl von Leitfähigkeitsmessungen und stellt fest, dass man Werte über oder gleich 35 W/m·K erhält. Zum Vergleich besitzt ein stark legierter Stahl des Stands der Technik mit 2,9% Silizium eine Leitfähigkeit von 20 W/m·k.
Was die mechanischen Eigenschaften betrifft, so misst man die Elastizitätsgrenze und die Härte dieser Güsse, die über 300 mPa bzw. 145 Hv5 liegen. Diese Werte sind ausreichend, denn sie gewährleisten ein gutes Schnittverhalten des Stahls mit einem geringen Verschleiß der Werkzeuge gegenüber den stark legierten Sorten des Stands der Technik.
Zum Vergleich besitzt eine stark legierte Sorte des Stands der Technik mit 1,4% Silizium eine Elastizitätsgrenze von 250 MPa und eine Härte von 140 Hv5.

Claims

Magnetischer Stahl, dessen Zusammensetzung, ausgedrückt in Gew.-%, umfaßt: C ≤ 0,005 1,20 ≤ Si ≤ 1,40 0,18 ≤ Al ≤ 0,22 0,25 ≤ Mn ≤ 0,35 0,10 ≤ P ≤ 0,14 0,09 ≤ Sn ≤ 0,12 0,005 ≤ S ≤ 0,015 N ≤ 0,01 O ≤ 0,01wobei der Rest der Zusammensetzung aus Eisen und von der Herstellung stammenden Verunreinigungen besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Blechs mit einer Zusammensetzung gemäß dem Anspruch 1, umfassend: – die Herstellung des Stahls und das Gießen der Bramme, – ein Warmwalzen dieser Bramme, um ein Blech zu erhalten, wobei diese Walzung bei einer Temperatur endet, die zwischen der des Ar3-Punkts minus 80°C und der des Ar3-Punkts liegt, – ein Wickeln des Blechs bei einer Temperatur über 680°C, – ein Kaltwalzen und dann eine Wärmebehandlung des Blechs.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickeltemperatur außerdem über 700°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung ein Glühen ist, das bei einer Temperatur über 900°C vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen kontinuierlich in einem Ofen durchgeführt wird, in dem das Blech eine Verweilzeit von 50 s oder weniger hat.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltwalzung durchgeführt wird, bis man die endgültige Dicke des Blechs erreicht, und daß das Glühen ein Fertigglühen ist.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern, das mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6 erhalten wird.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Dicke von 0,50 mm Gesamtmagnetverluste von weniger als 4 W/kg und eine Induktion über 1,72 T aufweist, wenn man ein Feld von 5000 A/m anlegt.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Gesamtmagnetverluste von weniger als 3,5 W/kg aufweist.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Gesamtmagnetverluste von weniger als 3,3 W/kg aufweist.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Dicke von 0,65 mm Gesamtmagnetverluste von weniger als 5,30 W/kg und eine Induktion über 1,72 T aufweist, wenn man ein Feld von 5000 A/m anlegt.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Gesamtmagnetverluste von weniger als 4,70 W/kg aufweist.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Wärmeleitfähigkeit über oder gleich 35 W/m·K und eine Elastizitätsgrenze über oder gleich 300 MPa aufweist.
Blech aus magnetischem Stahl mit nicht gerichteten Körnern nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem auf jeder seiner Seiten einen isolierenden Überzug aufweist.