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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Elektrostahlblech mit sehr hohem Siliziumgehalt durch
Kaltwalzen, das hervorragende magnetische Eigenschaften für
den Einsatz als weichmagnetisches Material in einem Eisenkern
in elektrischen Maschinen und Vorrichtungen sowie eine
hervorragende Umformbarkeit aufweist. Nach der vorliegenden
Erfindung wird es möglich, ein Elektrostahldünnblech mit extrem
hohem Siliziumgehalt und geringer Dicke herzustellen, das sich
bestens für den Einsatz in einem Eisenkern in elektrischen
Maschinen und Vorrichtungen, besonders in elektrischen
Hochfrequenzmaschinen und -vorrichtungen eignet.
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Ein siliziumhaltiges Stahlblech ist als Eisenkern eines
Leistungstransformators oder einer Rotations- bzw.
Elektromaschine eingesetzt worden. Bei diesem weichmagnetischen
Material verbesserten sich mit zunehmendem Siliziumgehalt die
Eisenverlusteigenschaften, d. h. der Eisenverlustwert
verringerte sich. Insbesondere bei einem Siliziumgehalt von etwa
6,5% ergeben sich gute Eisenverlusteigenschaften, und außerdein
nähert sich die Magnetostriktion dem Wert null, was zu einer
weiteren Verbesserung der magnetischen Permeabilität beiträgt,
so daß man einen Magnetwerkstoff mit einer neuen Funktion
erhält, die mit bekannten Werkstoffen nicht erzielt werden kann.
Bei der Kaltumformung, beispielsweise beim Kaltwalzen, von
Eisen mit einem Siliziumgehalt von 6,5% treten jedoch
verschiedene Probleme auf, weshalb es nicht zum praktischen
Einsatz gebracht worden ist.
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Beispiele für die Probleme, auf die man beim
Kaltumformen von Eisen mit einem Siliziumgehalt von 6,5% stößt, sind
die folgenden.
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1) wegen der geringen Bruchdehnung, die sich aus den
Materialeigenschaften des Eisenkristalls mit hohem
Siliziumgehalt herleitet, ist das Eisen anfällig für einen Blechbruch
beim Kaltwalzen.
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2) Wegen einer dem Eisen mit hohem Siliziumgehalt bzw.
dem hochsilizierten Eisen eigenen geringen Bruchdehnung neigt
das Eisen beim Kaltwalzen zur Rißbildung am Kantenteil eines
Blechs, d. h. zur Kantenrißbildung.
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3) Da das hochsilizierte Eisen eine sehr hohe Härte
aufweist, wird die Walzlast beim Kaltwalzen sehr hoch, wenn
die Enddicke gering ist.
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In letzter Zeit sind hochsilizierte Stahlbleche mit
einem Siliziumgehalt von 6,5% oder annähernd 6,5% von neuem
als energiesparend oder als neuartige Magnetstahlbleche in
Erwägung gezogen worden, die verschiedene Anforderungen an die
magnetischen Eigenschaften für elektrische Maschinen und
Vorrichtungen erfüllen können. Insbesondere wurden große
Anstrengungen unternommen, das Problem des Kaltwalzens zu lösen,
und dies hat zu verschiedenen Vorschlägen geführt. Zum
Beispiel wurde in Verbindung mit dem Problem der hohen
Anfälligkeit des hochsilizierten Eisens für Blechbruch, das im obigen
Punkt 1) beschrieben wurde, von Nakaoka u. a. in der
ungeprüften JP-A-61-166 923 (Kokai) ein Verfahren vorgeschlagen,
wonach bei einem Warmwalzblech, das als Material zum Kaltwalzen
eingesetzt wird, Bedingungen für kontinuierliches
Warmfertigwalzen vorgeschrieben werden, um auf diese Weise eine
Metallstruktur auszubilden, die faserförmig in Walzrichtung
verläuft. In der ungeprüften JP-A-62-103 321 (Kokai) schlugen
Nakaoka u. a. ein Verfahren vor, wonach durch Festlegen einer
Kristallkorngröße eines Materials vor dem kontinuierlichen
Warmfertigwalzen eine in Walzrichtung gestreckte faserförmige
Metallstruktur ausgebildet wird. Bei diesen Verfahren wird die
warmgewalzte Blechstruktur durch Festlegen der Bedingungen des
kontinuierlichen Warmfertigwalzens kontrolliert, und das
Kaltwalzen wird durch den Einsatz des entstehenden Warmwalzblechs
als Ausgangsmaterial ermöglicht.
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Es ist über ein Verfahren berichtet worden, bei dem
durch Legieren eines Eisens mit einem Siliziumgehalt von 6,5%
mit einem dritten Element die Kaltwalzbarkeit verbessert wird.
Zum Beispiel berichteten C. A. Clark u. a. in der IEE 113
(1966), S. 345, über einen Effekt, der durch Zusatz von Nickel
erzielt wird, und K. Narita u. a. berichteten im IEEE Trans.
Mag. MAG-14 (1978), S. 258, über einen durch Manganzusatz
erzielten Effekt.
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Ferner offenbarten Kimura u. a. in der ungeprüften JP-
A-1-299 702 (Kokai) ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Ausführen des Walzens bei einer Temperatur von 350 bis 450ºC.
Beim herkömmlichen Kaltwalzverfahren kann jedoch der oben
angegebene Temperaturbereich nicht erreicht werden.
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Das oben unter Punkt 2) beschriebene Problem der
Kantenrißbildung läßt sich durch ein Verfahren lösen, das auch
das im obigen Punkt 1) beschriebene Problem lösen kann. Zur
Verhinderung der Kantenrißbildung ist ferner eine
sorgfältigere Anwendung eines Verfahrens, das im allgemeinen bei
anderen Stahlarten eingesetzt wird, auch für das Kaltwalzen eines
hochsilizierten Stahls brauchbar. Zum Beispiel schlugen Masuda
u. a. in der ungeprüften JP-A-62-127 097 (Kokai) vor, die
Kantenrißbildung durch Steuerung einer Heizbombage am
Walzenendabschnitt zu verhindern.
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Das oben unter Punkt 3) beschriebene Problem einer zu
hohen Walzlast äußert sich darin, daß die Härte (Hv) des
Stahls mit steigendem Siliziumgehalt zunimmt und
beispielsweise einen Wert von 390 erreicht, wenn der Siliziumgehalt
6,5% beträgt, so daß die Kaltwalzlast zu hoch wird. Je dünner
die Walzstärke, desto höher ist die Walzlast, Im allgemeinen
verringert sich mit abnehmendem Walzendurchmesser die
Berührungsbogenlänge zwischen den Walzen und dem Walzgut, wodurch
das Walzen von Blechmaterial unter geringer Last ermöglicht
wird. Aus diesem Grunde ist für das Kaltwalzen eines
kornorientierten Nagnetstahlblechs oder eines nichtorientierten
Magnetstahlblechs mit einem Siliziumgehalt von etwa 3% ein
Sendzimir-Walzwerk eingesetzt worden, das mit Arbeitswalzen
mit einem Durchmesser von höchstens 100 mm ausgestattet war.
Daher ist für das Kaltwalzen eines Materials mit einem
Siliziumgehalt von 6,5%, d. h. eines Materials von viel höherer
Härte als der des Materials mit einem Siliziumgehalt von 3%,
auf eine geringe Dicke offenbar ein Walzvorgang mit einer
Walzmaschine erforderlich, die mit Arbeitswalzen von kleinerem
Durchmesser ausgestattet ist. Beim Kaltwalzen des Materials
mit einem Siliziumgehalt von 6,5% durch eine Walzmaschine, die
mit Arbeitswalzen von kleinem Durchmesser ausgestattet ist,
tritt jedoch ein Bandbruchproblem auf, wie von Takada u. a. in
der ungeprüften JP-A-63-145 716 (Kokai) berichtet wird.
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Aus diesem Grunde wird die Lösung des oben unter Punkt
1) beschriebenen Problems auch für ein Walzen des
hochsilizierten Materials durch eine Walzmaschine mit Arbeitswalzen
von kleinem Durchmesser notwendig.
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Nachstehend werden die magnetischen Eigenschaften eines
hochsilizierten Eisens beschrieben.
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Ein Motiv für die Entwicklung eines hochsilizierten
weichmagnetischen Stahlblechs liegt in der Realisierung sehr
guter Funktionseigenschaften, die durch bekannte Verfahren
nicht erreicht werden, zum Beispiel sehr guter
Eisenverlusteigenschaften und Magnetisierungseigenschaften, wobei
allerdings die Schwierigkeit der Herstellung vom Fachmann voll
erkannt worden ist. Daher muß zwar offensichtlich einer
Erleichterung der Produktion, insbesondere der Erleichterung des
Kaltwalzens, Aufmerksamkeit geschenkt werden, aber bei der
Auslegung des Fertigungsprozesses muß die Herstellung eines
Erzeugnisses mit guten magnetischen Eigenschaften zum
vorrangigen Ziel gemacht werden. In dieser Hinsicht ist beim
Fertigungsprozeß eines hochsilizierten weichmagnetischen
Stahlblechs kein befriedigendes Verfahren eingeführt worden, das
insbesondere einem Material mit einem Siliziumgehalt von 6,5%
optimale magnetische Eigenschaften verleiht, wobei die
Magnetostriktion minimal wird.
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Insbesondere ist eine Verringerung der Eisenverluste in
einem dünnen Erzeugnis wesentlich für ein Material, das sich
in einem Hochfrequenzbereich als vorteilhaft erweist, wie z.
B. für einen Stahl mit einem Siliziumgehalt von 6,5%, und der
Wert dieses Mittels ist bei der Produktion eines Stahls mit
einem Siliziumgehalt von 6,5%, bei der es unmöglich ist, ein
dünnes Erzeugnis zu produzieren, nur halb so groß.
Beispielsweise umgingen Abe u. a. in der ungeprüften JP-A-62-22
703 (Kokai) das Problem des Kaltwalzens durch einen Prozeß,
bei dem das Silizieren in einer SiCl&sub4;-haltigen Atmosphäre
erfolgt, d. h. durch den CVD-Prozeß, und erzeugten ein Produkt
mit einer Dicke von 0,10 mm; siehe NKK Technical Report, Nr.
125, 58 (1989). Beim CVD-Prozeß bleiben jedoch Probleme
bezüglich der Produktivität und der Genauigkeit der Blechdicke
ungelöst, und in der Branche wünscht man die Entwicklung eines
neuartigen Herstellungsprozesses durch Kaltwalzen. Zu beachten
ist: die ungeprüfte JP-A-62-270 723 (Kokai) offenbart ein
Erzeugnis mit einer Dicke von 0,30 mm, und die ungeprüfte JP-A-
61-166 923 (Kokai) offenbart ein Produkt mit einer Dicke von
0,50 mm. Ferner beträgt auch in dem oben angegebenen Bericht,
der die Wirkung der Komponente an sich beschreibt, die Dicke
des offenbarten Erzeugnisses immerhin 0,35 mm. Für den Zweck,
den Vorteil der magnetischen Eigenschaften des Stahls mit
einem Siliziumgehalt von 6,5% ausreichend zur Geltung zu
bringen, ist diese Dicke unbefriedigend.
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Das Walzen eines Materials von schlechter Umformbarkeit
bei erhöhter Walztemperatur, d. h. das Warmwalzen, ist dem
Fachmann bekannt. Bei dem Stahl, der ebenfalls einen
Siliziumgehalt von 6,5% aufweist, ist das Warmwalzen weniger anfällig
für Rißbildung, d. h. effektiver als das Walzen bei
Raumtemperatur. Beim Warmwalzen treten jedoch Probleme auf, wie z. B.
die Hitzebeständigkeit von Walzgleitmitteln, die Notwendigkeit
der Bereitstellung neuer Ausrüstungen, um die Walztemperatur
sicherzustellen, und die Schwierigkeit der Regulierung der
Blechdicke, die mit der Veränderung der Blechtemperatur in
Quer- und Längsrichtung des Blechs verbunden ist. Daher kann
das Warmwalzen als solches nicht übernommen werden. Zum
Beispiel offenbart die ungeprüfte JP-A-1-299 702 (Kokai) ein
Verfahren und eine Einrichtung zum Ausführen des Walzens bei
einer Temperatur von 350 bis 400ºC. Bei diesem Verfahren wird
ein Material auf eine Dicke von 0,2 bis 0,4 mm gewalzt. Die
ungeprüfte JP-A-63-36 906 (Kokai) offenbart das Walzen eines
Materials bei 350ºC auf eine Dicke von 0,35 mm. Auf dem Gebiet
der Produktion eines kornorientierten Elektrostahlblechs mit
einem Siliziumgehalt von etwa 3% offenbart die geprüfte JP-A-
54-13 846 (Kokoku), daß die magnetischen Eigenschaften
verbessert werden, indem das Material zwischen den Walzstichen eine
Minute oder länger auf einer Temperatur von 50 bis 350ºC
gehalten wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine
Rückwärtswalzung bei erhöhter Blechtemperatur ausgeführt. Im
allgemeinen
erfolgt das Walzen vielfach bei einer Blechtemperatur
von etwa 250ºC, um die oben beschriebenen Probleme zu
vermeiden, wie z. B. Probleme mit der Schmierung und mit einer
ungleichmäßigen Blechtemperatur.
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Unter den oben beschriebenen Umständen haben die
Erfinder die Zusammensetzung eines Stahls mit einem Siliziumgehalt
von 6,5% untersucht, der durch Kaltwalzen auf eine geringe
Blechstärke gebracht werden kann, die nach bekannten Verfahren
durch Walzen bei einer Blechtemperatur, welche die bei der
Herstellung eines kornorientierten Elektrostahlblechs
verwendete Temperatur nicht übersteigt, nicht erreichbar ist, und
die Erfinder haben die Wirkung von Bestandteilen untersucht
und ferner an einer optimalen Kombination aller Bestandteile
viele Probewalzungen ausgeführt und im Ergebnis Grenzwerte
festgelegt, derart daß die Zusammensetzung des
erfindungsgemäßen Stahlmaterials in Gewichtsanteilen nicht mehr als
0,006% Kohlenstoff, 5,0 bis 7,1% Silizium, 0,07 bis 0,30%
Mangan, nicht mehr als 0,007% Schwefel, 0,006 bis 0,038%
säurelösliches Aluminium und einen Gesamtstickstoffgehalt von 8
bis 30 ppm aufweist, wobei der Rest aus Eisen und
unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Das Stahlmaterial wird
behandelt, wie in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 offenbart.
Ein nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6 herstellbares
Blech ist in Anspruch 7 definiert.
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Das Stahlblech mit der oben beschriebenen
Zusammensetzung wird wahlweise bei einer Temperatur von 750 bis 1020ºC
geglüht, bei einer Blechtemperatur von 120 bis 350ºC
kaltgewalzt und zur Rekristallisation und zum Kornwachstum bei einer
Temperatur von 800 bis 1020ºC geglüht, um ein
Elektrostahlblech herzustellen.
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Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung eines Elektrostahldünnblechs mit
extrem hohem Siliziumgehalt, welches ermöglicht, daß ein
Dünnblecherzeugnis hervorragende magnetische Eigenschaften, die
dem Stahl mit einem Siliziumgehalt von 6,5% oder annähernd
6,5% eigen sind, in Kombination mit weiter erniedrigten
Eisenverlustwerten, besonders in einem Hochfrequenzbereich,
aufweist und nach dem herkömmlichen Kaltwalzverfahren
herzustellen ist.
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Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Bruch von Stahlblechen
mit unterschiedlichem Gesamtstickstoffgehalt und
unterschiedlichem Gehalt an säurelöslichem Aluminium im Stahl beim
Kaltwalzen darstellt;
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Fig. 2 ist eine elektronenmikrofotografische Aufnahme
einer Metallstruktur, die den Zustand von
AusscheidungspartikeIn bei warmgewalzten Blechen mit unterschiedlichem
Gesamtstickstoffgehalt und Gehalt an säurelöslichem Aluminium im
Stahl darstellt;
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Fig. 3 ist eine Fotografie einer Metallstruktur, die
ein Muster eines an der Oberfläche eines kaltgewalzten Blechs
erzeugten "Rippeldefekts" darstellt;
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Fig. 4 ist eine Fotografie einer Metallstruktur im
Längsschnitt (in Dickenrichtung des Blechs) des in Fig. 3
dargestellten Kaltwalzblechs;
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Fig. 5 ist eine vergrößerte Metallstruktur-Fotografie
eines Abschnitts, der in Dickenrichtung des Blechmaterials
einen Riß aufweist; und
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Bruch beim Kaltwalzen und der Glühtemperatur des warmgewalzten
Blechs in bezug auf kaltgewalzte Stahlbleche verschiedener
Dicke darstellt.
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Nachstehend wird die Beschaffenheit der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen den
Materialbestandteilen und der Rißbildung beschreibt zunächst die
ungeprüfte JP-A-62-103 321 (Kokai), daß im allgemeinen die
Zusammensetzung vorzugsweise nicht mehr als 0,5% Mangan, nicht mehr
als 0,1% Phosphor, nicht mehr als 0,02% Schwefel, nicht mehr
als 2% Aluminium und nicht mehr als 1% Kohlenstoff aufweist.
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Dies wird auch als allgemeine Tendenz bei gewöhnlichem Stahl
akzeptiert und stellt im besonderen keine neuartige Entdeckung
bei einem Stahl mit einem Siliziumgehalt von 6,5% dar. Ferner
werden damit nur obere Grenzwerte für die Anteile einzelner
Komponenten vorgeschlagen und keine Bedingungen für
Komponenten eines Stahls mit einem Siliziumgehalt von 6,5%
spezifiziert.
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Bekannt ist, daß die Zähigkeit bei einer Verringerung
des Stickstoffgehalts des Stahls zunimmt, aber bei einem
technischen Reinigungs- bzw. Frischverfahren könnte der
Stickstoffgehalt sogar bei einem modernen Frischverfahren, wie es
in der ungeprüften JP-A-62-103 326 (Kokai) offenbart wird,
höchstens auf 8 ppm verringert werden. Der Einfluß von
Stickstoff, der von Hiroshi Kimura im Bulletin of the Japan
Institute of Metals, Bd. 21, Nr. 10, S. 757, beschrieben wird, ist
der Einfluß in dem Fall, wo der Stickstoffgehalt durch eine
Spezialbehandlung auf einige ppm erniedrigt wird. Andererseits
streben die Erfinder nach einem Verfahren, das es ermöglicht,
einen Stahl mit einem Siliziumgehalt von 6,5% unter Verwendung
eines Materials mit einem Stickstoffgehalt von 8 ppm oder
mehr, das durch ein übliches Frischverfahren im technischem
Maßstab gewonnen wird, auf eine geringe Dicke zu walzen.
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Unter den oben beschriebenen Umständen haben die
Erfinder den Einf luß von Stickstoff im Stahl auf die Rißbildung
beim Walzen eines Stahls mit einem Siliziumgehalt von 6,5%
untersucht und im Ergebnis festgestellt, daß ein Aluminiumgehalt
geeignet ist, diese Rißbildung beim Walzen zu vermindern.
Ferner haben sie bemerkt, daß dabei die vor dem Walzen im
Stahlblech enthaltene Form des Stickstoffs im Zusammenhang mit der
Rißbildung steht.
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Zunächst wurde ein 50 kg-Block mit Anteilen von 0,005%
Kohlenstoff, 6,50% Silizium, 0,17% Mangan, 0,007% Phosphor und
0,002% Schwefel und mit einer in Fig. 1 dargestellten
Beziehung zwischen dem Gehalt an säurelöslichem Aluminium und
dem Stickstoffgehalt hergestellt. Der Block wurde auf 1200ºC
erhitzt und einer Warmumformung in 8 Durchgängen bzw. Stichen
mit einer Endtemperatur von etwa 980ºC unterworfen, um ein
Stahlblech mit einer Dicke von 1,7 mm herzustellen, und aus
dem Material jeder Zusammensetzung wurden jeweils 10
Blechtafeln mit Abmessungen von 5 cm Breite x 12 cm Länge
hergestellt. Die Bleche wurden bei einer Blechtemperatur von 180ºC
auf eine Dicke von 0,23 mm kaltgewalzt, und der dabei
verursachte Blechbruchanteil ist in Fig. 1 dargestellt. Wie aus
Fig. 1 ersichtlich, nimmt der Bruchanteil beim Kaltwalzen mit
einer Verringerung des Gesamtstickstoffgehalts ab und steigt
an, wenn der Gehalt an säurelöslichem Aluminium zu hoch oder
zu niedrig ist. Ein gutes Kaltwalzverhalten ergab sich bei
einem Gesamtstickstoffgehalt von 8 ppm bis 30 ppm (unter
normalen Lösungsbedingungen konnte kein Material mit einen
niedrigeren Stickstoffgehalt als 8 ppm gewonnen werden) und bei
einem Gehalt an säurelöslichem Aluminium von 0,006 bis 0,038%.
Die Erfinder zogen in Betracht, daß die oben beschriebenen
Ergebnisse in Beziehung zur Morphologie des Stickstoffs im Stahl
standen, und von den in Fig. 1 gezeigten Materialien (A) bis
(F) wurden stranggepreßte Abdrücke von warmgewalzten Blechen
als Kaltwalzgut hergestellt. Diese Abdrücke wurden unter einem
Elektronenmikroskop beobachtet, und die Ergebnisse sind in
Fig. 2 dargestellt. Die Ausscheidungspartikeln des Material
(B), das keine Kantenrißbildung aufwies, waren verhältnismäßig
groß und homogen verteilt. Im Gegensatz dazu waren die
Ausscheidungspartikeln der Materialien (D), (E) und (F) mit hohem
Gesamtstickstoffgehalt und des Materials (C) mit hohem Gehalt
an säurelöslichem Aluminium sehr groß und traten besonders an
der Korngrenze auf. Die Ausscheidungspartikeln des Materials
(A) mit niedrigem Gesamtstickstoffgehalt und niedrigem Gehalt
an säurelöslichem Aluminium waren klein und in agglomerierter
Form dispergiert. Der Zusammenhang zwischen dem Zustand der
Ausscheidungspartikeln im Stahl und den mechanischen
Eigenschaften ist eingehend untersucht worden, und aufgrund dieses
Zusammenhangs kann man allgemein in Betracht ziehen, daß das
Vorhandensein sehr großer Ausscheidungspartikeln, besonders an
der Korngrenze, im Fall der Materialien (D), (E), (F) und (C)
die Ursache einer Brüchigkeit als Folge der Kerbwirkung ist,
und daß das Vorhandensein feiner Ausscheidungspartikeln im
Fall des Materials (A) zu einer Erhöhung der Festigkeit und
einer Verminderung der Bruchdehnung führt. Wie oben
beschrieben,
haben die Erfinder festgestellt, daß durch die Auswahl
einer geeigneten Kombination des Gesamtstickstoffgehalts mit
dem Gehalt an säurelöslichem Aluminium sogar ein Stahl mit
einem Siliziumgehalt von 6,5% durch Kaltwalzen auf eine
geringe Dicke von 0,23 mm gebracht werden kann. Ferner sind sie
zu der Schlußfolgerung gelangt, daß die Ausscheidungspartikeln
des Materials, das innerhalb des vorgeschriebenen
Zusammensetzungsbereichs liegt, in einem dispergierten Zustand vorliegen,
wodurch die Rißbildung nicht beschleunigt wird.
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Die Erfinder haben festgestellt, daß bei einem weiteren
Kaltwalzen der fehlerfreien Materialien auf eine geringere
Dicke an der Oberfläche des Blechs eine Blasenbildung in
Rißform auftritt, wie in Fig. 3 dargestellt, und zum Bruch führt.
Ein solcher Defekt wird nachstehend als "Rippeldefekt"
bezeichnet. Die Schnittstruktur des Teils mit "Rippeldefekt" in
Dickenrichtung (Längsschnitt des Blechs) ist in Fig. 4
dargestellt. Wie aus Fig. 4 erkennbar, schreitet die Rißbildung zur
Mitte hin fort, wobei die Scheitel der Risse in Abständen von
etwa 1/3 der Blechdicke von der Oberseite bzw. etwa 1/3 der
Blechdicke von der Unterseite auftreten, und wobei sich dieses
Muster wiederholt. Bei der Beobachtung einer beginnenden
Rißbildung ist ferner erkennbar, daß der Ausgangspunkt der
Rißbildung in Abständen von etwa 1/3 der Blechdicke von der
Oberseite bzw. etwa 1/3 der Blechdicke von der Unterseite
liegt. Diese Lage entspricht der Grenze zwischen einachsigen
Kristallkörnern, die vor dem Kaltwalzen in der
Oberflächenschicht des Materials vorhanden sind, und langgestreckten
Körnern, die im Mittelteil des Blechs, gesehen in
Dickenrichtung, faserförmig in Walzrichtung angeordnet sind. Der rissige
Teil wurde geätzt, um die Struktur freizulegen, und eine
vergrößerte fotografische Aufnahme dieses Teils ist in Fig. 5
dargestellt. Wie aus Fig. 5 erkennbar, tritt die Rißbildung an
der Grenze zwischen einachsigen Kristallkörnern, die vor dem
Kaltwalzen in der Oberflächenschicht des Materials vorhanden
sind, und langgestreckten Kristallkörnern auf, die im
Mittelteil des Blechs, gesehen in Dickenrichtung, faserförmig in
Walzrichtung angeordnet sind. Wegen der oben beschriebenen
Beobachtungen glaubt man, daß der "Rippeldefekt" auf die
folgende
Weise entsteht. Die Rißbildung tritt aufgrund des
unterschiedlichen Widerstands gegen Scherkraft auf, die an der
Bruchfläche angreift, welche als Begleiterscheinung des
Kaltwalzens zwischen einachsigen Kristallkörnern, die vor dem
Kaltwalzen in der Oberflächenschicht des Materials vorhanden
sind, und langgestreckten Körnern entsteht, die im Mittelteil
des Blechs, gesehen in Dickenrichtung, faserförmig in
Walzrichtung angeordnet sind, und die Risse breiten sich in
Dickenrichtung des Blechs durch die Mitte hindurch aus. Auf
der Grundlage der oben beschriebenen Kenntnisse haben die
Erfinder festgestellt, daß die Homogenisierung von
Kristallkörnern in Dickenrichtung des Blechs für eine Verbesserung der
Kaltwalzbarkeit am wichtigsten ist, ohne dabei den
"Rippeldefekt" zu verursachen.
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Dementsprechend führten die Erfinder auf der gesamten
Fläche eine Glühung zur Rekristallisation der Kristallkörner
aus, und es wurde ein geeigneter Temperaturbereich für das
Glühen ermittelt.
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Von dem in Fig. 1 dargestellten warmgewalzten Blech B
wurden 50 Tafeln mit Abmessungen von 5 cm Breite x 12 cm Länge
hergestellt. Vier Blechgruppen von je 10 Tafeln wurden 90 s
bei 750ºC, 900ºC, 1020ºC bzw. 1080ºC geglüht, und die übrigen
10 Bleche wurden nicht geglüht. Die Bleche wurden dann bei
einer Blechtemperatur von 180ºC auf eine Dicke von 0,23 mm
kaltgewalzt. Die Bleche, die durch das Kaltwalzen nicht
gebrochen waren, wurden weiter auf eine Dicke von 0,20 mm, 0,15
mm und 0,10 mm gewalzt, um den Blechbruchanteil (%) zu
ermitteln, und die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt. Wenn das
warmgewalzte Blech nicht geglüht wurde, nahm der Bruchanteil
mit abnehmender Dicke des kaltgewalzten Blechs zu. Das Glühen
des warmgewalzten Blechs verhinderte das Auftreten von
Brüchen, und selbst bei einer Dicke von 0,10 mm trat kein Bruch
auf. Wenn die Temperatur zu hoch ist, treten jedoch sogar bis
zu einer Dicke von nicht weniger als 0,23 mm Brüche beim
Walzen des Blechs auf. Man glaubt, daß dies darauf zurückzuführen
ist, daß bei einer zu hohen Glühtemperatur die Kristallkörner
so groß werden, daß sich die Zähigkeit verschlechtert.
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Nachstehend wird die Beschränkung bei
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wenn Kohlenstoff als Verunreinigung in einem Endprodukt
verbleibt, verschlechtert er die magnetischen Eigenschaften
des Produkts. Daher wird ein möglichst niedriger
Kohlenstoffgehalt bevorzugt. Besonders wenn der Kohlenstoffgehalt 0,006%
übersteigt, verschlechtern sich die magnetischen Eigenschaften
außerordentlich. Auch vom Standpunkt der Kaltwalzbarkeit aus
werden um so bessere Ergebnisse erzielt, je niedriger der
Kohlenstoffgehalt ist.
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Angesichts der Tatsache, daß die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung darin besteht, ein Verfahren zu schaffen, daß es
ermöglicht, ein dünnes Produkt mit einem Siliziumgehalt von
etwa 6,5%, das die magnetische Dehnung minimieren kann, im
großtechnischen Maßstab zu erzeugen, kann der Siliziumgehalt
innerhalb eines Bereichs mit 6,5% als Mittelpunkt liegen. Der
untere Grenzwert des Siliziumgehalts ist 5,0%, da kein
Material mit einem niedrigeren Siliziumgehalt als 5,0% im Handel
erhältlich ist, und der Wert des Siliziumgehalts liegt
vorzugsweise so dicht wie möglich bei 6,5%. Der obere Grenzwert
des Siliziumgehalts beträgt 7,1%. Wenn der Siliziumgehalt
einen Wert von etwa 6,5% übersteigt, verschlechtert sich die
Kaltumformbarkeit rapide, und es kann keine Verbesserung der
magnetischen Eigenschaften erzielt werden.
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Wenn der Mangangehalt im Bereich von 0,07 bis 0,3%
liegt, ist der Blechbruchanteil beim Kaltwalzen gering, und
insbesondere kann eine wesentliche Wirkung bei einer geringen
Blechdicke von 0,20 mm oder weniger erzielt werden.
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Je niedriger der Schwefelgehalt, desto besser ist die
Kaltumformbarkeit, und desto geringer ist die Anfälligkeit des
Enderzeugnisses für eine Verschlechterung der magnetischen
Eigenschaften, die auf den im Enderzeugnis verbliebenen
Schwefel zurückzuführen ist. Daher ist der Schwefelgehalt
vorzugsweise so niedrig wie möglich. Aus diesem Grunde wird der
Schwefelgehalt auf 0,007% oder weniger begrenzt. Der untere
Grenzwert ist vorzugsweise so niedrig wie möglich, liegt aber
bei Berücksichtigung der Grenzen des derzeit üblichen
industriellen Reinigungsverfahrens bei etwa 0,0008%.
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Bezüglich des säurelöslichen Aluminiums und des
Gesamtstickstoffs ergibt eine Kombination von 0,006 bis 0,038%
säurelöslichem Aluminium mit einem Gesamtstickstoffgehalt von 8
bis 30 ppm eine gute Kaltwalzbarkeit. Man glaubt, daß dies
darauf zurückzuführen ist, daß bei einem säurelöslichen
Aluminiumgehalt bzw. einem Gesamtstickstoffgehalt innerhalb der
oben angegebenen Bereiche der im Stahl enthaltene
Gesamtstickstoff in Ausscheidungsform vorliegt, wodurch sich die
Zähigkeit des Stahls nicht verschlechtert.
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Für andere als die oben beschriebenen Bestandteile gibt
es keine besondere Beschränkung.
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Der geschmolzene Stahl wird dann gegossen und
warmgewalzt. Bei der vorliegenden Erfindung gibt es keine besondere
Beschränkung für die Gießbedingungen, und es kann das
herkömmliche Verfahren angewendet werden. Bei der vorliegenden
Erfindung kann ein Dünnblech verwendet werden, das durch den in den
letzten Jahren als Gießverfahren entwickelten Dünnblechguß
hergestellt wird, d. h. ein Verfahren, das die Ausführung
eines Gusses zur Herstellung eines Blechs mit einer Dicke von
etwa 2,0 mm aufweist und wobei entweder ein Warmwalzschritt
weggelassen wird oder ein so geringer Druck auf das Blech
ausgeübt wird, daß die Form korrigiert werden kann, wodurch
direkt ein Material zum Kaltwalzen hergestellt wird. Das nach
dem Dünnblechgießverfahren hergestellte Stahlblech weist
jedoch wegen der großen Kristallkorngröße eine etwas schlechte
Kaltwalzbarkeit auf.
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Das warmgewalzte Blech oder das gegossene Dünnblech
wird bei einer Blechtemperatur von 120 bis 350ºC kaltgewalzt.
Übersteigt die Blechtemperatur 350ºC, dann verschlechtert sich
die Wirkung des Walzgleitmittels erheblich, so daß das Walzen
sehr schwierig und außerdem die Kontrolle des Blechs erschwert
wird. Beim Walzen kann die Blechtemperatur in dem oben
angegebenen Bereich liegen, und es ist im wesentlichen keine
Verweilzeit erforderlich. Das Glühen bei einer Temperatur im
Bereich von 750 bis 1020ºC zur Rekristallisation über die
gesamte Querschnittsfläche in Richtung der Blechdicke,
ausgeführt als Verfahrensschritt vor dem Kaltwalzen, beseitigt das
Auftreten des "Rippeldefekts" beim Kaltwalzen und vermindert
infolgedessen den Bruchanteil beim Kaltwalzen, so daß das
Walzen auf eine geringere Dicke ausgeführt werden kann. Wenn die
Glühtemperatur unterhalb 750ºC liegt, bleibt im
Mittelabschnitt der Blechdicke ein bestimmter nichtrekristallisierter
Bereich zurück, so daß das Glühen keinen Sinn hat. Wenn
andererseits die Glühtemperatur 1020ºC übersteigt, tritt wegen
einer Vergröberung der Kristallkörner der Bruch vor dem
Auftreten des "Rippeldefekts" auf. Bei einer hohen Glühtemperatur
ist die Glühzeit kurz, während bei einer niedrigen
Glühtemperatur die Glühzeit lang ist. Beispielsweise kann die Glühzeit
10 min oder mehr betragen, wenn die Glühtemperatur 750ºC
beträgt, und sie kann etwa 30 s betragen, wenn die
Glühtemperatur bei 1020ºC liegt.
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Je geringer die Dicke des beim Kaltwalzen erhaltenen
Blechs, desto besser sind die Eisenverlustwerte; bei einer
Verringerung der Blechdicke beim Kaltwalzen nimmt jedoch die
Walzlast zu, wodurch die Ausführung der Walzarbeit erschwert
wird. Aus diesem Grunde besteht ein brauchbares Verfahren in
einer Verkleinerung der Arbeitswalzendurchmesser und einer
mehrstuf igen Ausführung des Walzens, oder ersatzweise wird das
Glühen während des Walzvorgangs zur Rekristallisation von
Kristallkörnern ausgeführt, wodurch das Blech erweicht wird.
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Für die Reduktion beim Kaltwalzen gibt es keine
besonderen Beschränkung. Die Reduktion ist von der
Leistungsfähigkeit einer Warmwalzmaschine oder von der Beziehung zwischen
der Material- oder Ausgangsblechdicke und der
Produktblechdicke abhängig, die durch das Niveau des
Dünnblechgießverfahrens festgelegt wird. Der Reduktionsgrad beim Kaltwalzen
beträgt vorzugsweise etwa 50 bis 80%, da der Magnetfluß des
entstehenden Produkts hoch wird. Wenn jedoch ein
Dünnblecherzeugnis gewünscht wird, sollte man für das Kaltwalzen mit dem
oben angegebenen prozentualen Reduktionsgrad beim Kaltwalzen
ein dünnes Ausgangsblech verwenden. Wenn daher die gewünschte
Produktblechdicke sehr gering ist, dann kann diese Dicke mit
dem herkömmlichen Warmwalzverfahren nicht erreicht werden.
Konkret ausgedrückt, der mit dem existierenden
Warmwalzverfahren erreichbare untere Grenzwert für die Dicke des
warmgewalzten Blechs beträgt etwa 1,4 bis 1,5 mm. Wenn man die
Produktion eines extrem dünnen Blecherzeugnisses in einem
einzigen Kaltwalzdurchgang beabsichtigt, dann kann der innerhalb
des oben angegebenen Bereichs liegende Reduktionsgrad beim
Kaltwalzen nicht erreicht werden, was oft zu einer leichten
Verminderung der magnetischen Flußdichte des Erzeugnisses
führt. Nichtsdestoweniger ist der oben angegebene
Reduktionsgrad beim Kaltwalzen für die vorliegende Erfindung nicht
wesentlich, da die Hauptaufgabe der Erfindung darin besteht, ein
dünnes Magnetstahlblech mit extrem hohen Siliziumgehalt durch
Kaltwalzen herzustellen.
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Das auf eine Enddicke kaltgewalzte Blech wird bei einer
Temperatur im Bereich von 800 bis 1020ºC geglüht und dann
einer Rekristallisation und einem Kornwachstum unterworfen, um
ein Endprodukt herzustellen. Die Glühzeit ist bei niedriger
Glühtemperatur lang und bei hoher Glühtemperatur kurz und
liegt gewöhnlich zwischen etwa 30 s und 3 h.
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Erfindungsgemäß kann ein Stahl mit einem Siliziumgehalt
von etwa 6,5%, der schwer umformbar ist, durch herkömmliches
Kaltwalzen auf eine sehr geringe Dicke gebracht werden, und
das entstehende Blech weist niedrige Eisenverluste auf,
insbesondere einen hervorragenden Eisenverlustwert bei
Hochfreguenz.
Beispiele
Beispiel 1
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Es wurde ein 50 kg-Block mit den jeweils in Tabelle 1
angegebenen Kohlenstoff-, Silizium-, Mangan-, Schwefel- und
säurelöslichen Aluminium-Anteilen hergestellt, wobei der Rest
aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen bestand. Der
Block wurde auf 1200ºC erhitzt und einer Warmwalzung in 8
Durchgängen mit einer Endwalztemperatur von etwa 990ºC
unterworfen, um ein Stahlblech mit einer Dicke von 1,8 mm
herzustellen, und aus dem Material jeder Zusammensetzung wurden je
10 Tafeln mit Abmessungen von 5 cm Breite x 12 cm Länge
hergestellt. Die Blechtafeln wurden bei einer Blechtemperatur von
180ºC auf eine Dicke von 0,23 mm kaltgewalzt, und die Bleche
wurden dann 120 s lang bei 850ºC geglüht. Der Blechbruchanteil
nach dem Kaltwalzen zu diesem Zeitpunkt ist in Tabelle 1
angegeben.
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Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, kann das Stahlblech, das
den bei der vorliegenden Erfindung vorgeschriebenen
Bedingungen für die Bestandteile genügt, ohne wesentlichen Bruchanteil
beim Kaltwalzen auf eine Dicke von 0,23 mm gewalzt werden.
Tabelle 1
Komponente (%)
Bruchanteil beim Kaltwalzen (%)
Probe Nr.
Bemerkungen
säure-lösliche Aluminium
Gesamtstickstoff
vorliegende Erfindung
Vergleich
Anmerkung: X: außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
Beispiel 2
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Von der in Beispiel 1 beschriebenen Probe 1 wurden 40
Blechtafeln mit Abmessungen von 5 cm Breite x 12 cm Länge
hergestellt. Davon wurden 10 Blechtafeln nicht geglüht. Die
übrigen drei Blechgruppen von jeweils 10 Tafeln wurden 15 min bei
750ºC, 90 s bei 930ºC bzw. 30 s bei 1050ºC geglüht. Danach
wurden die Bleche bei 220öC auf Dicken von 0,20 mm und 0,15 mm
kaltgewalzt und dann 120 s bei 850ºC geglüht. Die Bruchanteile
beim Kaltwalzen zu diesem Zeitpunkt sind in Tabelle 2
angegeben.
Tabelle 2
Glühen des warmgewalzten Blechs
Bruchanteil beim Kaltwalzen (%)
ohne
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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, ermöglicht das Glühen
bei einer geeigneten Temperatur, daß das Blech ohne Bruch auf
eine geringe Dicke kaltgewalzt werden kann, im Vergleich zu
dem Fall, wo kein Glühen des warmgewalzten Blechs ausgeführt
wurde. Bei einer zu hohen Glühtemperatur tritt sogar bei einer
großen Blechdicke beim Kaltwalzen ein außergewöhnlich hoher
Bruchanteil auf.
Beispiel 3
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Das in Beispiel 2 hergestellte 0,15 mm dicke
kaltgewalzte Blech (Glühtemperatur des warmgewalzten Blechs: 930ºC
über 90 s) wurde 90 s lang bei 900ºC zur Rekristallisation
geglüht, wodurch das Blech erweicht wurde. Das Blech wurde dann
bei Raumtemperatur (etwa 27ºC) mit Hilfe einer Walzmaschine
mit einem Walzendurchmesser von 140 mm ohne Bruch auf eine
Dicke von 0,08 mm kaltgewalzt. Danach wurde es 2 h lang bei
850ºC geglüht. Die magnetischen Eigenschaften des entstandenen
Produkts sind in Tabelle 3 angegeben. Wenn das Blech durch
Glühen während des Kaltwalzens erweicht wird, dann wird es
möglich, wie aus Tabelle 3 ersichtlich, das Kaltwalzen auf
eine sehr geringe Dicke sogar mit Hilfe einer Walzmaschine mit
verhältnismäßig großem Walzendurchmesser auszuführen, und das
entstandene Produkt weist hervorragende magnetische
Eigenschaften auf.
Tabelle 3
Beispiel 4
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Ein 1,8 mm dickes warmgewalztes Blech mit
Gewichtsanteilen von 0,003% Kohlenstoff, 6,48% Silizium, 0,14% Mangan,
0,001% Schwefel, 0,035% säurelöslichem Aluminium und 0,0012%
Gesamtstickstoff, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren
Verunreinigungen bestand, wurde 30 s lang bei 980ºC geglüht,
bei einer Blechtemperatur von 230ºC auf eine Dicke von 0,90 mm
gewalzt (Reduktionsverhältnis beim Kaltwalzen: 89%) und dann
120 s lang bei 850ºC geglüht.
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Die magnetischen Eigenschaften der entstandenen
Produkte sind in Tabelle 4 zusammen mit dem Reduktionsverhältnis
beim Kaltwalzen angegeben.
Tabelle 4
Kaltgewalztes Blech
Magnetflußdichte B&sub8; (T)
Blechdicke
Reduktionsverhältnis beim Kaltwalzen
Kaltwalzrichtung (L)
Normalenrichtung (C)
Mittelwert (L+C)/2
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Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, erreicht die
Magnetflußdichte (der Wert B&sub8;) des Produkts ein Maximum, wenn das
Reduktionsverhältnis beim Kaltwalzen 72 bis 75% beträgt; der B&sub8;-
Wert ist relativ hoch, wenn das Reduktionsverhältnis beim
Kaltwalzen 50 bis 80% beträgt und der B&sub8;-Wert wird niedrig,
wenn das Reduktionsverhältnis beim Kaltwalzen 80% übersteigt.