DE69032021T2

DE69032021T2 - Thermisches Richten von Elektrostahlhalbzeugen

Info

Publication number: DE69032021T2
Application number: DE69032021T
Authority: DE
Inventors: Dannie S Loudermilk; Jerry W Schoen
Original assignee: Armco Inc
Current assignee: Armco Inc
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2010-12-12
Also published as: KR910012299A; DE69032021D1; EP0432732A2; CA2030705C; EP0432732A3; BR9006266A; KR0169122B1; CA2030705A1; JP2716258B2; EP0432732B1; JPH03226525A; US5096510A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das thermische Einebnen von Siliziumstahlband erforderte viel mehr Überlegungen als nur die Ebenheit. In der Vergangenheit mußte man beim Elektrostahl die Einflüsse der Wärmeeinebnung auf Anlaßtrennmittel, Sekundärüberzüge und magnetische Eigenschaften berücksichtigen. Ein thermisches Einebnen wurde auch mit einem Spannungsfreiglühen als Teil ein und desselben Verfahrens kombiniert. Ein Siliziumstahlband, das im eingeebneten Zustand hergestellt wird, jedoch eine zusätzliche Wärmebehandlung erfordert, wird als Halbzeug bezeichnet, und der Kunde sieht typisch eine Spannungsfreiglühung vor, nachdem das Elektrostahlband zu Laminaten verarbeitet wird, die dann zur elektromagnetischen Einrichtung zusammengesetzt werden.
Bei der Herstellung von Wickelkerntransformatoren wird der Elektrostahl erheblichen mechanischen Belastungen während der Herstellung des Kerns ausgesetzt, der schließlich ausgezeichnete magnetische Eigenschaften besitzen muß. Die magnetischen Eigenschaften werden nach einem Spannungsfreiglühen bei Temperaturen von wenigstens etwa 785 bis 815 ºC (1450 bis 1500 ºF) entwickelt. Kornorientierte Elektrostähle sind zur Verwendung in Transformatoren mit gewickelten Kernen besonders geeignet. Diese Einrichtung erfordert eine ausgezeichnete Ebenheit im Band.
Spannungen werden bei der Siliziumstahlherstellung aus zahlreichen Arbeitsgängen und Bedingungen entwickelt. Wenn die Spannungen nicht entfernt werden, gibt es einen Anstieg des Hystereseverlustes, wenn der Stahl in einer elektrischen Einrichtung verwendet wird, und dies beeinträchtigt seine magnetischen Eigenschaften. Die Spannungen vom Schlitzen, Wickeln und Verarbeiten während der Kemherstellung müssen also beseitigt werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erzielen.
Orientierter Elektrostahl wird thermisch eingeebnet, um Band für Transformatoren oder Generatorlaminate zu erzeugen. Die Einebnung des Bandes sieht die Verwendung von Spannung zur Beseitigung von Unregelmäßigkeiten, wie z.B. verformten Kanten, welligen Kanten und Buckeln, vor. Jedoch führen die Verwendung von Spannung und die dadurch auftretende Dehnung eine Belastung ein, die minimiert werden muß. Temperaturen von etwa 815 ºC (1500 ºF) werden häufig während des Einebnens verwendet, um die durch die Einebnung und vorherige Verarbeitung verursachten Spannungen zu beseitigen.
Die Spannungsbegrenzungen für Elektrostahl bei hohen Temperaturen waren Gegenstand vieler Untersuchungen. Das U.S.- Patent Nr. 2 351 922 beschreibt die Bandspannung von 3,5 bis 14,1 N/mm² (500 bis 2000 Pounds je Square Inch), die unter der elastischen Grenze der Legierung ist. Die Temperaturen während der Spannungseinwirkung waren von 700 ºC bis 825 ºC für Dauern von etwa 1 bis 2 Minuten.
Das U.S.-Patent Nr. 2 412 041 lehrte, daß sich die Zugfestigkeit des Elektrostahls mit der Temperatur ändert und daß eine Spannung, die zum Verhindern eines Durchhängens zwischen den Trägerrollen ausreicht, eine ausgezeichnete Ebenheit im Band erzeugt. Diese Spannung wird vorgesehen, indem man die Ausgangsrollen mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,1 bis 0,5 % höher als die Eingangsrollen antreibt. Die erforderliche Spannungshöhe variiert mit der zusammensetzung und der Abmessung des Materials&sub1; der Temperatur und der Zeitdauer. Das Patent gibt an, daß eine dauernde Dehnung von 0,15 bis 0,3 % normal ist. Es werden so niedrige Temperaturen wie 649 ºC (1200 ºF) erwähnt, doch wurde eine Ebenheitssteuerung nur derart erfordert, daß sie unter der Graphitlöslichkeitstemperatur waren. Wenn der Kohlenstoffgehalt niedrig ist, können viel höhere Temperaturen verwendet werden, und die Grenze wird durch mechanische Faktoren bestimmt. Ein Elektrostahl mit weniger als 4 % Silizium, der entkohlt wurde, kann bei etwa 816 bis 1149 ºC (1500 bis 2100 ºF) unter Spannung angelassen werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften und die gewünschte Ebenheit zu erzeugen. Wenn das Material unter Spannung auf die Erweichungstemperatur gebracht wird, gibt es nicht viel Beschränkung der Haltezeit. Das Band erreicht die gewünschte Temperatur je nach Abmessung innerhalb etwa 1 Minute und wird vorzugsweise langsam abgekühlt. Die Atmosphäre stellt keine Beschränkung bei der Erfindung dar, da sie die Ebenheit nicht beeinträchtigt. Die Atmosphäre wird entsprechend ihrer Wirkung auf Kernverlust, Duktilität oder Glanz ausgewählt.
Das U.S.-Patent Nr. 3 130 088 beschreibt den Einfluß des Rollendurchmessers während der Einebnung und den Abstand zwischen den Rollen. Ein Teil des Ofens weist eine Gruppe von Rollen auf, die abwechselnd das Band über und unter den Rollen führen, um die Ebenheit zu steigern. Die besten Ergebnisse wurden unter Verwendung einer bevorzugten Temperatur von 788 bis 816 ºC (1450 ºF bis 1500 ºF) bei einer Bandspannung von 7,7 bis 15,5 N/mm² (1100 bis 2200 psi) erhalten. Das Patent räumt ein, daß es unmöglich ist, die Kombination von Belastungen zu beschreiben, die die Einebnung bei hohen Temperaturen erzeugen. Die Erscheinung von Kriechen und Gefügeinstabilität von Metallen bei hohen Temperaturen machten das Verfahren wegen des Zusammenspiels der vielen Variablen zu kompliziert.
Das U.S.-Patent Nr. 3 161 225 versuchte, das Elektrostahlband ohne Einführung irgendeiner Belastung einzuebnen, um die optimalen magnetischen Eigenschaften zu erreichen. Man fand, daß eine gesteuerte Rückkrümmung des Bandes eine Wikkelverformung während der Einebnung beseitigte und die durch Spannung und Biegen des Bandes verursachte Belastung minimierte Man nahm an, daß eine so geringe plastische Verformung wie mit 0,05 % Dehnung&sub1; die durch Biegen oder Spannung verursacht wurde, zu einem unwiederbringlichen Schaden für die Magneteigenschaften führte. Die Spannung wird auf nicht höher als die begrenzt, die zum Vorrücken des Bandes erforderlich ist. Insbesondere sollte dieses Niveau unter 7 N/mm² (1000 psi) und vorzugsweise etwa 0,7 N/mm² (100 psi) sein.
Somit waren bekannte thermische Einebnungsverf ahren für Elektrostahl bekannt, bei denen es einen weiten Bereich von Bedingungen gibt, die ein flaches Band erzeugen. Jedoch war das Einebnungsverfahren typisch derart, daß es die Belastung minimiert und daher eine niedrige Spannung für eine niedrige Belastung verwendet oder eine hohe Temperatur zum Einebnen verwendet, das Teil eines Spannungsfreiglühens ist. Die bekannten, mit verschiedenen thermischen Einebnungsverfahren durchgeführten Arbeiten ignorierten den Einfluß der Bedingungen auf die überzüge. Man erwartete, daß die überzüge überlebten oder so verändert wurden, daß sie keine besondere Berücksichtigung erforderten.
Die bekannten Praktiken zur thermischen Einebnung kornonentierten Siliziumstahls variierten erheblich. Die Spannung variierte von 0,7 N/mm² (100 psi) bis zur elastischen Grenze des Stahls. Temperaturen von 482 bis 1149 ºC (900 ºF bis 2100 ºF) wurden untersucht. Verschiedene Rollengestaltungen und -durchmesser wurden überprüft. Jedoch berücksichtigten die bekannten Untersuchungen nicht den Einfluß der Einebnungsbedingungen auf das Ansprechen des Materials auf ein Spannungsfreiglühen. Bekannte Verfahren wurden hauptsächlich auf das voll verarbeitete Material gerichtet und fanden nicht die Bedingungen zum Einebnen, die am stärksten auf das Spannungsfreiglühen durch den Kunden nach der Herstellung der Elektrostahlerzeugnisse ansprechen.
Bekannte Praktiken untersuchten nicht, wie sich die Temperaturen und Spannungen auf die Oberflächenüberzüge auswirkten. Die Kombination einer thermischen Einebnung und eines Spannungsfreiglühens von halbverarbeitetem Siliziumstahl ist bei der Herstellung orientierten Siliziumstahls grundsätzlich eher neu.
Dünnere Abmessungen des Elektrostahls haben bei Wickelkernverwendungen beträchtlich mehr Probleme als bekanntes Material größerer Abmessungen, doch die verbesserten magnetischen Eigenschaften rechtfertigen ihre Verwendung. Bei dünnerem Material gibt es eine größere Schwierigkeit bei der Abmessungssteuerung, gibt es weniger Steifheit beim Material, gibt es eine größere Schwierigkeit beim Erhalten der gewünschten Ebenheit und gibt es ein stärkeres Wickel- oder Handhabungsproblem wegen Wickelverformungs- und -gestaltungsproblemen.
GB-A-589 551 offenbart das Anlassen von Elektrostahlband bei z.B. 700 00, wobei das Band unter einer Spannung von z.B. 8,3 N/mm² (1200 psi) gehalten wird, um die Magneteigenschaften zu verbessern. Ein Spannungsfreiglühen eines Bandgegenstandes, der aus dem Band hergestellt ist, wird nicht offenbart.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Praktik zum thermischen Einebnen von Siliziumstahl zu entwickeln, die die magnetische Qualität des Stahls für Wikkelkernverwendungen und andere Halbzeugverwendungen, die ein Spannungsfreiglühen nach der Herstellung erfordern, optimiert. Eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Spannungseinwirkungseigenschaften eines Sekundärüberzugs durch Modifizieren der Bedingungen des thermischen Einebnungsverfahrens zu verbessern.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens, das mäßig niedrige Temperaturen und höhere Spannung verwendet, um eine thermische Einebnung für Wickeltransformatorkern-Verwendungen vorzusehen. Dies hat beträchtliche Vorteile gegenüber anderen Praktiken, wo äußerst niedrige Spannungsniveaus bei diesem Verarbeitungsschritt verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht hohe Spannungsniveaus, die eine Bandförderung im Ofen verbessern. Die vorliegende Erfindung steigert auch die Streckgrenze des Basismetalls während der thermischen Einebnung zur Ermöglichung der Verwendung einer hohen Spannung ohne Schädigung des Basismetalis bei den erhöhten Temperaturen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Verwendung von Öfen zur thermischen Einebnung, die früher wegen der Spannungsbegrenzungen nicht verwendet werden konnten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein halbverarbeitetes Siliziumstahlband vorzusehen, das nach dem thermischen Einebnungsverfahren der Erfindung verbesserte Handhabungseigenschaften während des Wickelns des Kerns und verbesserte magnetische Eigenschaften nach dem Spannungsfreiglühen ergibt.
Das thermische Einebnungsverfahren der vorliegenden Erfindung liefert weitere Vorteile, die den Fachleuten aus der folgenden Beschreibung klar werden.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung verbesserte die Qualität des kornorientierten Elektrostahls durch Einstellen der Spannungsund Temperaturbedingungen während des thermischen Einebnens. Der Elektrostahl kann über einen kritischen Bereich von Bedingungen eingeebnet werden, wenn die geeigneten Beziehungen aufrechterhalten werden. Die magnetischen Eigenschaften nach dem Spannungsfreiglühen werden verbessert, wenn der thermische Einebnungsvorgang bei einer niedrigeren Temperatur und mit höheren Spannungen zur Erzeugung der gleichen Einebnungsqualität, jedoch ohne die völlige Beseitigung von Belastung durchgeführt wird.
Das Verfahren und die Verwendung des erhaltenen Stahls gemäß der Erfindung werden in den Ansprüchen 1 bzw. 6 definiert. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein thermisches Einebnungsverfahren wird bei der vorliegenden Praktik im Bereich von 540 bis 775 ºC (1000 bis 1425 ºF) mit einer Spannung angewendet, die so eingestellt ist, um ein 0,2 %-Streckgrenzen/Spannungs-Verhältnis von über 5 bis etwa 20 und vorzugsweise etwa 7 bis 13 zu erreichen. Spannungsniveaus von etwa 2,92 bis 29,2 N/mm² (400 bis 4000 psi) wurden verwendet, um ein feineres Verformungssubgefüge im Basismetall zu erzeugen, das geeigneter zum Belastungsabbau beim Spannungsfreiglühen ist. Vorzugsweise wird eine Temperatur von etwa 635 ºC bis 745 ºC (1175 ºF bis 1375 ºF) in Kombination mit einer Spannung von etwa 3,65 bis 18,25 N/mm² (etwa 500 bis etwa 2500 psi) verwendet. Die Streckgrenze ist stark von der Zeitdauer abhängig, während der das Band auf der Spitzentemperatur ist. Es ist nicht beabsichtigt, daß das erhaltene Erzeugnis im thermisch eingeebneten Zustand von niedrigem Belastungsgrad ist, sondern es ist zur Verwendung in Transformatorkernen oder anderen elektromagnetischen Einrichtungen bestimmt, die anschließend einem Spannungsfreiglühen unterworfen werden müssen. Das Verfahren ergibt Elektrostahl, der für diese Verwendung mit ausgezeichneter Ebenheit und verbesserter magnetischer Qualität nach dem Spannungsfreiglühen von 785 bis 925 ºC (1450 bis 1700 ºF) geeignet ist. Vorzugsweise erfolgt das Spannungsfreiglühen von 815 bis 855 ºC (1500 bis 1575 ºF)
Die niedrigere Einebnungstemperatur der vorliegenden Erfindung liefert auch eine höhere Hochtemperaturfestigkeit beim Stahl. Dies ermöglicht die Verwendung einer höheren Spannung im Band zur Entwicklung der gewünschten Ebenheit und ergibt auch höhere Fördereignungen im Ofen. Da die Bandtemperaturen bei der vorliegenden Erfindung gesenkt werden, wird die Produktivität gesteigert, da man weniger Zeit zum Erhitzen des Bandes auf die Temperatur benotigt. Die vorliegende Erfindung erfordert keine besondere Atmosphärensteuerung oder Erhitzungs/Abkühlungs-Geschwindigkeiten zur Entwicklung des eingeebneten Bandes und erfordert kein langes Glühen bei Spitzentemperatur. Die Produktivität kann weiter gesteigert werden, indem man rasche Erhitzungsgeschwindigkeiten, kurze Glühzeiten und rasche Abkühlungsgeschwindigkeiten verwendet. Die 0,2 %-Streckgrenze der Materialien während der Einebnung wird mit der vorliegenden Praktik gesteigert. Die Änderung bei den Festigkeitsniveaus für verschiedene Siliziumgehalte ist sehr gering.
Die Steuerung des Verhältnisses zwischen der Streckgrenze des Stahls während der Einebnung und der Einebnungsspannung im Ofen wurde als ein wirksames Mittel gefunden, die Verbesserungen des Kernverlusts nach dem Spannungsfreiglühen zu steuern. Ein Bereich des Verhältnisses von Streckgrenze zu Einebnungsspannung von über 5 bis etwa 20 und vorzugsweise etwa 7 bis 13 führte zu einer verläßlichen Verbesserung der magnetischen Qualität nach dem Spannungsfreiglühen.
Die höhere magnetische Qualität nach dem Spannungsfreiglühen steht anscheinend in Beziehung zu dem durch die Niedrigtemperatur-Hochspannungs -Einebnungsbedingungen erzeugten Subgefüge. Die vorliegende Erfindung ergibt auch eine verbesserte Spannung von einem Sekundärüberzug, wenn der Überzug durch die vorliegende Erfindung thermisch eingeebnet wird. Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren entwikkelt, bei dem das eingeebnete Band geeigneter für die Bedingungen des Spannungsfreiglühens ist, verbesserte magnetische Eigenschaften nach dem Spannungsfreiglühen hat und das eine ausgezeichnete Ebenheit auf höheren Produktivitätsniveaus erzeugt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUUNGEN

FIG. 1 und 2 sind Diagramme, die die Wirkung der Einebnungsspannung auf den Kernverlust bei 1,5 T (15 kG) im eingeebneten Zustand bzw. nach dem Spannungsfreiglühen bei 830 ºC zeigen.
FIG. 3 ist ein Diagramm, das die Wirkung der Einebnungsspannung auf die Anregungsenergie bei 1,5 T (15 kG) im eingeebneten Zustand zeigt.
FIG. 4 ist ein Diagramm, das die Wirkung der Einebnungsspannung auf den Kernverlust nach einem Spannungsfreiglühen bei 830 ºC (1525 ºF) bei 1,5 T (15 kG) zeigt.
FIG. 5 ist ein Diagramm, das einen logarithmischen Maßstab verwendet, um den Einfluß der Einebnungsspannung/Temperatur bezüglich des 0, 2 %-Streckgrenzen/Spannungs -Verhältnisses zu veranschaulichen.
FIG. 6 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Wärmeeinebnungstemperatur und des 0,2 % -Streckgrenzen/Einebnungsspannungs-Verhältnisses auf die Kernverlusteigenschaften nach einem Spannungsfreiglühen bei 830 ºC (1525 ºF) zeigt.
FIG. 7 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Einebnungstemperatur auf die Bandabbiegung (Spannungseinfluß) und den Kernverlust bei 1,5 T (15 kG) zeigt.

NÄHERE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSBEISPIELS

Vor dem thermischen Einebnungsverfahren der Erfindung werden Siliziumstahlwickel der Endabmessung bei sehr hohen Temperaturen geglüht, um die gewünschte Korngröße und Kristallausrichtung zu entwickeln. Um ein Verkleben der Windungen während des Hochtemperatur-Schlußglühens zu vermeiden, wird ein Glühtrennüberzug verwendet. Dieser Überzug ist normalerweise ein Magnesiumoxidüberzug, der mit dem Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Stahls unter Bildung von Magnesiumsilikat reagiert. Phosphatüberzüge können nach dem Schlußglühen aufgebracht werden, und man verwendet sie,
um eine Spannungswirkung auf den Stahl zu erzielen und um die Isoliereigenschaften des Stahls zu verbessern. Es können verschiedene Sekundärüberzüge, die Aluminiumphosphate, Magnesiumphosphate oder Kombinationen der beiden enthalten&sub1; mit irgendeinem der gut bekannten Zusätze, wie z.B. kolloidalem Siliziumdioxid, verwendet werden.
In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Raumfaktor" auf einen Prozentsatz des Volumens der festen Masse in einem gestapelten oder gewickelten Kern, durch seine Dichte bestimmt, im Vergleich zum Volumen des Stapels unter einem bestimmten Druck. Der Zwischenlaminatwiderstand ist der in einer zur Ebene des Stapels von Laminatlagen senkrechten Richtung gemessene elektrische Widerstand.
Die Halbzeugverwendungen für das magnetische Bandmaterial, das die Erfindung hauptsächlich betrifft, umfassen gewikkelte Transformatorkerne und Laminate für gestapelte Kerne und andere elektrische Einrichtungen, die nach der Herstellung einem Spannungsfreiglühen unterworfen werden. Das Spannungsfreiglühen beseitigt die während der mechanischen Verformung des Stahls im Lauf der Fertigungsschritte, die ein Wickeln, Schlitzen, Stanzen oder Formen umfassen können, entwickelten Belastungen.
Das Basismetall der vorliegenden Erfindung ist (100) [001]- oder "Goss"-ausgerichteter Elektrostahl mit einem Siliziumgehalt von wenigstens etwa 3 % und kann entweder ein herkömmlicher oder Hochpermeabilitätstyp von kornorientiertem Elektrostahl sein. Der Kohlenstoffgehalt wurde auf ein Niveau unter 0,01 % und normalerweise unter 0,004 % verringert. Die Unterschiede beim Ansprechen des Basismetalls auf die Einebnungsbehandlung sind auf Basis von Zusammensetzungsunterschieden gering.
Die Schlußglühung erzeugt unvermeidbar eine Wickelverformung, die sich aus dem Aufwickeln des Stahls ergibt. Das Band erfordert einen Einebnungsverfahrensschritt. Die Erzeugung eines gewickelten oder laminierten Kerns erzeugt ebenfalls eine beträchtliche Belastung, die einen ungünstigen Einfluß auf die magnetische Güte hat. Indem man das schlußgeglühte Band einer Einebnungsbehandlung unter Verwendung einer Temperatur von 540 bis 775 ºC (1000 bis 1425 ºF) und vorzugsweise etwa 635 bis 745 OC (1175 bis 1375 ºF) aussetzt, wird das Ansprechen auf das Spannungsfreiglühen verbessert, wie sich durch die endgültigen magnetischen Eigenschaften zeigt.
Die 0,2 %-Streckgrenze des Siliziumstahls bei den Einebnungstemperaturen der Erfindung variiert erheblich in Abhängigkeit von der Einebnungstemperatur und -glühdauer. Zum Verwenden des Verhältnisses der 0,2 %-Streckgrenze zur Einebnungsspannung zwecks Entwickelns der Beziehung zwischen über 5 bis 15 und vorzugsweise 7-13 kann die Durchlaufspannung im Ofen leicht berechnet werden. Die erforderliche Spannung zum Einebnen wird erhalten, und die Beziehung wird bestimmt, um das gewünschte Subgefüge und die besten Spannungseinwirkungseigenschaften vom Sekundärüberzug vorzusehen. Die folgende Formel kann verwendet werden, um die auf den Einebnungsbedingungen basierenden Streckgrenzen vorauszusagen:
0,2 %-Streckgrenze 11,6(l/t)0,176 exp[15080,7/RT]
0,2 %-Streckgrenze für 0,2 % Dehnung (psi) erforderliche Belastung
t = Zeit auf Spitzenwert in Sekunden
R = Konstante, 1,987 cal./mol ºK
T = Einebnungstemperatur, ºK
Um zu veranschaulichen, wie diese Beziehung verwendet werden kann, um Streckgrenzen zu berechnen, werden die folgenden Berechnungen für ein Glühen von 30 Sekunden bei Spitzentemperatur gegeben:
Das Verfahren zum thermischen Einebnen eines kornorientierten Siliziumstahlerzeugnisses mit einem Glasfilm oder einem Sekundärüberzug oder beiden wurde in der Vergangenheit nicht völlig verstanden. Weiter führte der Wechsel zu dünneren Abmessungen zu einem ungleichmäßigen Erzeugnis nach thermischer Einebnung für Wickelkernverwendungen.
Die Einebnungsbedingungen der vorliegenden Erfindung tragen einem besseren Verständnis der Glasfilmbedingungen und der Eignung Rechnung, ein Produkt zu erzeugen, das ein verbessertes Ansprechvermögen auf das Spannungsfreiglühverfahren hat.
Das thermische Einebnungsverfahren der vorliegenden Erfindung stützt sich auf die Eignung des glasbeschichteten Stahls, auf ein Niedrigtemperatur-Hochspannungs-Verfahren anzusprechen, das optimale Eigenschaften nach einem Spannungsfreiglühen entwickelt. Die thermische Einebnung wird erhalten, indem man das Band auf eine Temperatur von etwa 540 bis 780 ºC (1000 bis 1435 ºF) und vorzugsweise etwa 635 bis 745 ºC (1175 bis 1375 ºF) erhitzt. Die Temperatur ist nur in Kombination mit einer Spannung von etwa 3,5 bis 8,8 N/mm² (500 bis 1250 psi) und vorzugsweise etwa 4,6 bis 6,7 N/mm² (650 bis 950 psi) wirksam. Es ist diese Kombination von Bedingungen, die die gewünschte Streckgrenze bei der Temperatur erzeugt, um die Verwendung einer hohen Durchlauf spannung zu ermöglichen. Dies läßt eine verbesserte Förderung des Bandes im Ofen zu, da bekannte Verfahren mit niedriger Spannung ausgelegt wurden, eine niedrige Belastung beim Abschluß des thermischen Einebnungsverfahrens vorzusehen. Der durch die Niedrigtemperatureinebnung erzeugte Glasfilm zeigt eine erhebliche Verbesserung der Qualität, da die Temperaturen stark verringert sind. Typisch benötigt man lediglich ein Glühen von weniger als 30 Sekunden, sobald die Temperatur erreicht ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verringerte erheblich die früheren Hantierungsprobleme in Verbindung mit den Materialien dünnerer Abmessung und verbesserte sehr deutlich die Form des Bandes nach dem Spannungsfreiglühen. Wie vorher erwähnt, geht es beim Verfahren und Material der vorliegenden Erfindung nicht um ein Niedrigbelastungserzeugnis, bis es dem Spannungsfreiglühen unterworfen wurde. Das thermisch eingeebnete, glasüberzogene Band ist daher nicht für gestapelte Kernlaminate bestimmt, die keinem Spannungsfreiglühen unterworfen werden.
Man fand, daß der Einfluß der Bedingungen auf den Glasfilm, der einen Sekundärüberzug enthalten kann, eine merkliche Verbesserung der Gesamtgualitätsverbesserung darstellt. Die Senkung der Temperatur verringerte das Ausmaß innerer Oxidation, die sich vermutlich aus einem porösen Glasfilm infolge der thermischen Einebnungstemperaturen ergaben, die im Hinblick auf die Einebnung und nicht auf die Glasfilmgüte ausgewählt wurden. Um die Vorteile dieses Niedrigtemperatur-Hochspannungs-Verfahrens zu zeigen, wurden verschiedene Versuche durchgeführt.
Der erste Versuch prüfte Wickel von 0,18 mm (7 mil) regulärem kornorientiertem Siliziumstahl mit einem Glasfilm. Ein kontinuierliches Glühen bei 745 ºC (1375 ºF) wurde mit Bandspannungsbedingungen bei 1,4 N/mm² (200 psi), 3,52 N/mm² (500 psi), 7,03 N/mm² (1000 psi) und 14,06 N/mm² (2000 psi) verwendet, um den Einfluß der Einebnungsbedingungen auf die magnetischen Eigenschaften auszuwerten. Die 0,2 %-Streckgrenze der Stähle bei dieser Temperatur wurde mit etwa 49,73 N/mm² (7075 psi) berechnet. Die berechnete 0,2 %-Streckgrenze bei 790 ºC (1450 ºF) war 37,08 N/mm² (5275 psi) und wurde zum Vergleich der neuen thermischen Einebnungsbedingungen mit einer früheren Praktik verwendet. Die Proben wurden mit etwa 30 ºC/Sekunde (etwa 50 ºF/Sekunde) in Stickstoff erhitzt und für etwa 15 Sekunden Glühen bei 745 ºC (1375 ºF) gehalten. Die Proben wurden zu 30,5 cm- (12 Inch)-Längen geschnitten und im eingeebneten Zustand und im spannungsfreigeglühten Zustand (830 ºC/ 1525 ºF; 95 -% N&sub2;-5 % H&sub2;) geprüft. Die in der Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse zeigen klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Kernverlustwerte nach einem Spannungsfreiglühen von orientiertem Material mit einem Forsterit- oder "Fabrikglas"-Überzug verbessert. Da die ausgewerteten Spannungsniveaus die Streckgrenze des Materials bei der Temperatur nicht überschritten, gab es keine Änderung der Bandbreite, wie zu erwarten war. Die Ergebnisse zeigen, daß die Praktik keinen guten Kernverlust im eingeebneten Zustand erzeugt und das Material ein Belastungsniveau über etwa 10 % hat. Eine Steigerung der Spannung verbessert offenbar die Ebenheit, doch ist der zusätzliche Vorteil über 7,03 N/mm² (1000 psi) geringfügig. Dieses Spannungsniveau scheint ausreichend zu sein, um eine Wickelverformung zu beseitigen. Bei einer Temperatur von 745 ºC (1375 ºF) und mit Spannungen von etwa 7,03 N/mm² (1000 psi) stellte man fest, daß das eingeebnete Band leichter als kastengeglühtes Material zu handhaben war. Die FIG. 1 und 2 zeigen die Wirkung der Einebnungsspannung auf den 15 kG-Kernverlust im eingeebneten Zustand und nach dem Spannungsfreiglühen bei 830 ºC (1525 ºF) TABELLE 1 MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN NACH THERMISCHER EINEBNUNG BEI 746 ºC (1375 ºF) UND NACH EINEM SPANNNNGSFREIGLÜHEN BEI 830 ºC (1525 ºF)
Alle Proben waren nur mit Forsterit überzogen, und die magnetischen Daten werden auf 0,18 mm (7,2 mils) korrigiert.
Ein zweiter Versuch wurde unter Verwendung eines Niedrigtemperatur-Hochspannungs-Verfahrens mit orientiertem Sihziumstahl durchgeführt, um andere Kombinationen von Bedingungen auszuwerten. Während die Qualität des im zweiten Versuch verwendeten Materials nicht so gut wie beim ersten war, zeigen sich doch die Vorteile aufgrund des Einebnungsverfahrensschritts. Die Bedingungen des Versuchs waren die gleichen wie beim ersten Versuch mit der Ausnahme, daß das Material aus einer unterschiedlichen orientierten Stahlzusammensetzung war. Die Ergebnisse sind in der TABELLE 2 und in den FIG. 3 und 4 gezeigt. Diese Daten scheinen zu zeigen, daß ein Niveau von 8,8 N/mm² (1250 psi) die obere Grenze bei einer Temperatur von 745 ºC (1375 ºF) wären, um eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften nach dem Spannungsfreiglühen zu vermeiden. Anscheinend wurde das Material durch übermäßige Spannung überbeansprucht und geschädigt. Jedoch ist ein Spannungsniveau unter diesem Niveau bei 745 ºC (1375 ºF) eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften nach dem Spannungsfreiglühen. TABELLE II WIRKUNG DER EINEBNUNGSSPANNUNG BEI 746 ºC (1375 ºF) AUF DIE MAGNETISCHE QUALITÄT VON 0,18 mm- (7-MIL-)RGO
FIG. 1 und 2 zeigen die Wirkung des Spannungsniveaus auf den Kernverlust und die Anregungsenergie nach Einebnen bei 1,5 T (15 kG) und 1,7 T (17 kG). Die Kernverlustwerte werden nicht verbessert, bis das Material einem Spannungsfreiglühen unterworfen wird. Es zeigte sich, daß die Ebenheit mit steigender Spannung bis zu einem Niveau von etwa 7 N/mm² (1000 psi) verbessert war und daß es über diesem Niveau wenig Verbesserung gab. Die FIG. 3 und 4 zeigen die tatsächlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung. Erst nach dem Spannungsfreiglühen wird die magnetische Qualität verbessert und die Belastung im wesentlichen beseitigt.
Die Qualität des Glasfilms wird durch Einebnung des Bandes bei einer niedrigeren Temperatur und Vermeidung des durch bekannte Einebnung verursachten Schadens wesentlich verbessert. Die vorliegende Erfindung verringert auch die Wickelverformung aufgrund von früheren Bedingungen, was die Kernwickelbedingungen verbessert und die Ausbeute beim Wickeln verbessert, Die Qualität des glasüberzogenen Stahls kann weiter verbessert werden, indem man einen dünnen, Spannung erzeugenden Sekundärüberzug auf die Glasoberfläche aufbringt. Der Überzug ist weniger als 10 g/m² und vorzugsweise etwa 3-6 g/m².
Die Wirkung des Sekundärüberzuggewichts auf die magnetischen Eigenschaften wurde unter Verwendung des thermischen Einebnungsverfahrens der Erfindung bei 745 ºC (1375 ºF) ausgewertet. Die in der TABELLE 3 aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß weitere Vorteile bei den magnetischen Eigenschaften erh;ltlich sind, wenn eine geringere Überzugsdikke, wie z.B. 3 g/m², mit Niedrigtemperatureinebnung verwendet wird. Die FIG. 5 und 6 veranschaulichen die Wirkung des Überzugsgewichts und zeigen die drastische Verbesserung des Kernverlusts nach dem Spannungsfreiglühen. TABELLE III WIRKUNG DER WÄRMEEINEBNUNG AUF DIE MAGNETISCHE QUALITÄT VON 0,18 mm- (7-MIL-)RGO MIT EINEM SEKUNDÄRÜBERZUG
FIG. 7 zeigt die Wirkung der Einebnungstemperatur auf die Höhe der Spannung, die auf das Band durch den Überzug einwirkt, nach einem Spannungsfreiglühen bei 830 ºC (1525 ºF), wie durch den Betrag der Abbiegung des Bandes beim Entfernen des Überzugs von einer Seite gemessen wurde. Die Abbiegung wurde durch Aufhängen von 20 cm-Proben mit einem Überzug auf einer Seite und Abmessen der durch Krümmung verursachten horizontalen Ablenkung des Endes der Probe gemessen. Die Krümmung wird durch vom Überzug einwirkende Spannung verursacht, so daß größere Abbiegungen höhere Spannungsniveaus anzeigen. FIG. 7 zeigt auch die Wirkung der Einebnungstemperatur auf den 1,5 T- (15 kG-)Kernverlust nach einem Spannungsfreiglühen. Proben mit einem Forsterit- oder Glasfilmüberzug wurden in einem chargenweisen Spannungsfreiglühen bei 830 ºC (1525 ºF) eingeebnet, ein Sekundärüberzug wurde aufgebracht und bei verschiedenen Temperaturen ausgehärtet, und dann wurden die Proben mit dem Sekundärüberzug bei 830 OG (1525 ºF) einem Spannungsfreiglühen unterworfen. Der endgültige Kern wird durch die Verschlechterung der Spannungseinwirkungseigenschaften des Sekundärüberzugs während des Spannungsfreiglühens beeinflußt. Der niedrigste Kernverlust wurde durch Einebnung von 675 bis 785 ºC (1250 bis 1450 ºF) erhalten, was zeigt, daß die durch den Überzug einwirkende Spannung für diesen Temperaturbereich am höchsten war.

Claims

1. Verfahren zum thermischen Einebnen und Spannungsfreiglühen von kornorientiertem Siliziumstahl in zwei Schritten, der schlußgeglüht wurde und einen Überzug hat, der aus der aus einem Glasfilm, einem sekundären Überzug und einem sekundären Überzug über einem Glasf ilm bestehenden Guppe gewählt wurde, für Wickelkernverwendungen und andere Halbzeugverwendungen, welches Verfahren die Schritte aufweist:

a) thermische Einebnung durch Erhitzung des Stahls auf eine Temperatur von 540 bis 775 ºC (1000 bis 1425 ºF) und bei dieser Temperatur Einwirkung einer ausreichenden Spannung, um ein 0,2 % -Streckgrenzen/Spannungs-Verhältnis von über 5 und bis zu 20 zu erreichen; und

b) nach Abkühlung des Stahls und Herstellung eines Wickelkerns oder anderen Halbzeuggegenstands, Vornahme einer Spannungsfreiglühung über 785 ºC (1450 ºF), wodurch der Überzug verbesserte Glasfilmeigenschaften hat und der Stahl einen verbesserten Kernverlust hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das im Schritt a) erreichte Streckgrenzen/Spannungs-Verhältnis 7 bis 13 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermische Einebnungstemperatur 635 bis 745 ºC (1175 ibs 1375 ºF) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannungsfreiglühung bei 830 bis 860 ºC (1525 bis 1575 ºF) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der überzug einen sekundären Überzug mit einer Phosphatbasiszusammensetzung enthält, der in einer Menge bis zu 10 g/m² aufgebracht wird.

6. Verwendung von kornorientiertem Siliziumstahl&sub1; der nach irgendeinem der Ansprüche 1-5 erhalten wurde, in einem elektrischen Gerät,.

7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei das thermisch eingeebnete Band eine Dicke von 0,15 bis 0,23 mm (6 bis 9 mils) aufweist.

8. Verwendung nach Anspruch 6, wobei das Band einen Forsteritfilm und einen sekundären Überzug hat, die vor der Einebnungsbehandlung aufgebracht wurden.

9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei der sekundäre Überzug auf Phosphatbasis ist und wenigstens ein aus der aus Aluminium und Magnesium bestehenden Gruppe gewähltes Metall enthält.

10. Verwendung gemäß irgendeinem der Ansprüche 6-9, wobei die Streckgrenze durch Einstellung der Glühdauer auf der Spitzentemperatur während des Einebnungsvorgangs gesteuert wird.