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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von
nicht kornorientiertem Elektroblech.
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Die
Elektrobleche, die als nicht kornorientiert bezeichnet werden, d.h.
die isotrope magnetische Eigenschaften aufweisen, sind insbesondere
für den
Aufbau elektromagnetischer Einrichtungen bestimmt, in denen der
Magnetfluss, der durch die elektrischen Wicklungen erzeugt wird,
nicht konstant ist, wie beispielsweise bei elektrischen Maschinen.
Einige Transformatoren, die im Bereich der elektrischen Haushaltsgeräte Anwendung finden,
verwenden diesen Blechtyp aus wirtschaftlichen Gründen.
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Diese
elektromagnetischen Einrichtungen sind aus zugeschnittenen und aneinandergefügten Blechen gebildet.
Die Bleche haben einen Wirkungsgrad, der in Abhängigkeit von zwei Parametern,
nämlich
einerseits der Induktion und andererseits den spezifischen Verlusten,
ermittelt wird.
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Die
Induktion ist durch die Sättigungsmagnetisierung
der Bleche begrenzt, wobei diese Magnetisierung desto stärker ist,
je eisenreicher der Stahl ist. Die Beimengung von Legierungselementen
zu dem Stahl bringt eine Erhöhung
des spezifischen elektrischen Widerstands mit sich, was dazu dient,
die Wirbelstromverluste zu verringern.
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Die
Stahlherstellung unter Vakuum ermöglicht, einerseits die Sauberkeit
und die Reinheit des Stahls zu verbessern und andererseits die Hystereseverluste
zu verringern.
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Außerdem ist
es erforderlich, hinsichtlich der Zusammensetzung einen Kompromiss
zwischen der Magnetisierung und den Verlusten zu finden.
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Aus
dem Patent
EP 0 469 980 ist
ein Verfahren bekannt, das im Bereich der Herstellung von nicht
kornorientierten Magnetblechen verwendet wird, wobei das Verfahren
nach einer Vakuumherstellung eines Stahls nacheinander umfasst:
ein Warmwalzen gefolgt von einem Aufrollen, ein Schnellglühen des
warmgewalzten Blechs im sogenannten Durchlaufbetrieb, ein eventuelles
Kugelstrahlen, ein Beizen, ein Kaltwalzen in einem oder mehreren
Schritten gefolgt von einem Glühen,
wobei das Fertigglühen
unter einer Schutzgasatmosphäre, falls
erforderlich entkohlend, bewerkstelligt wird.
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Die
durch dieses Verfahren erzielten Bleche weisen bei einer Enddicke
von ungefähr
0,50 Millimetern spezifische Verluste von weniger als 6,5 W/kg bei
einer Induktion von 1,5 Tesla und einer Frequenz von 50 Hertz sowie
eine Magnetisierung von über
1,74 Tesla unter der Wirkung eines elektrischen Feldes von 5000 A/m
auf.
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Bei
einer Dicke des Blechs von ungefähr
0,65 Millimetern sind bei einer Induktion von 1,5 Tesla und einer
Frequenz von 50 Hertz die Gesamtummagnetisierungsverluste niedriger
als 7,5 w/kg. Die Magnetisierungsstärke ist unter der Wirkung eines
Feldes von 5000 A/m größer als
1,75 Tesla.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, die magnetischen Kennwerte nicht kornorientierter
Bleche, die mit einem nur sehr wenig Silicium enthaltenden Stahl
hergestellt sind, zu verbessern, d.h. die Magnetisierungsverluste
zu verringern und die Magnetisierungsstärke unter der Wirkung eines
bestimmten elektrischen Feldes zu erhöhen.
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Sie
hat ein Verfahren zum Herstellen eines nicht kornorientierten Elektroblechs
zum Gegenstand, das folgende Schritte umfasst:
- – Herstellen
unter Vakuum eines Stahls folgender Zusammensetzung:
Kohlenstoff < 0,01 %
Silicium < 0,5 %
Mangan,
von 0,05 bis 0,5 %,
Aluminium < 0,03 %,
Phosphor < 0,20 %,
Schwefel < 0,015 %,
Stickstoff < 0,01 %,
Sauerstoff < 0,01 %,
wobei
es sich bei dem Rest um Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen
handelt,
- – Formen
des Stahls zu einer Bramme,
- – Warmwalzen
der Bramme, wobei die Erhitzungstemperatur niedriger als 1300 °C ist und
die Temperatur am Ende des Warmwalzvorgangs niedriger als 950 °C ist,
- – Aufrollen
des warmgewalzten Bandes bei einer Temperatur von mehr als 550 °C,
- – Haubenglühen des
aufgerollten Bandes bei einer Temperatur zwischen 700 und 1050 °C für mehr als
eine Stunde,
- – eventuelles
Kugelstrahlen des geglühten
Bandes,
- – Beizen
des geglühten
und eventuell kugelgestrahlten Bandes, und anschließendes
- – Kaltwalzen
des gebeizten Bandes in einem einzigen Kaltwalzdurchgang zu einer
Dicke von höchstens
1,5 mm, wobei die Abnahme zwischen 25 und 90 % beträgt, dann
- – Fertigglühen des
kaltgewalzten Bandes im Durchlaufverfahren,
- – nach
dem Fertigglühen
Entspannungsglühen
des zuvor zugeschnittenen Blechs.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind:
- – Das Fertigglühen im Durchlaufverfahren
wird weniger als 10 min lang bei einer Temperatur zwischen 700 und
1050 °C
durchgeführt.
- – Das
Glühen
zur Entspannung kann mehr als 3 min lang bei einer Temperatur von über 650 °C durchgeführt werden.
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Die
folgende Beschreibung, die eine Reihe von Ausführungsbeispielen angibt, wird
die Erfindung gut verständlich
machen.
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Die
einzige Figur zeigt eine Magnetisierungskurve als Funktion des Kaltwalzgrades,
wobei das Kaltwalzen in einem einzigen Arbeitsgang ausgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung
umfasst das Verfahren zum Herstellen eines Stahls für nicht
kornorientiertes Elektroblech das Herstellen unter Vakuum eines
Stahls folgender Zusammensetzung:
Kohlenstoff < 0,01 %
Silicium < 0,5 %
Mangan,
von 0,05 bis 0,5 %,
Aluminium < 0,03 %,
Phosphor < 0,20 %,
Schwefel < 0,015 %,
Stickstoff < 0,01 %,
Sauerstoff < 0,01 %,
wobei
es sich bei dem Rest um Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen
handelt.
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Das
Vorliegen von Silicium und Mangan als Mischkristalle in dem Eisen
erhöht
den spezifischen elektrischen Widerstand außerordentlich und verringert
folglich die Energieverluste, die mit der Veränderung des magnetischen Flusses
einhergehen. Jedoch nimmt die Sättigungspolarisation
in Abhängigkeit
vom Silicium-, Aluminium- und Mangangehalt ab. Daraus resultiert
eine niedrigere magnetische Permeabilität des Stahls am maschinenüblichen
Arbeitspunkt. Es ist folglich erforderlich, den besten Kompromiss
zwischen dem Gehalt an Legierungselementen und den angestrebten
magnetischen Kennwerten zu finden. Daher besitzt der Stahl gemäß der Erfindung
einen Massegehalt an Silicium, der niedriger als 0,5 % ist, und
einen Mangangehalt, der niedriger als 0,5 % ist, um eine hohe Permeabilität zu erzielen.
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Die
spezifische Wärmeleitfähigkeit
ist ein wichtiger Parameter bei der Konstruktion elektrischer Maschinen.
Die Energieverluste durch den Joule-Effekt in den Werkstoffen werden
nämlich über den
Magnetkreis, der aus gestapelten zugeschnittenen Blechen gebildet
ist, nach außen
abgeführt.
Die Silicium-, Mangan- und Aluminiumbeimischung zu dem Eisen kommt
in einer Herabsetzung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit zum Ausdruck.
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So
gesehen sollte der Stahl nicht legiert oder nur sehr schwach legiert
sein, wobei der niedrige Gehalt an Silicium, Mangan und Aluminium,
den der Stahl gemäß der Erfindung
aufweist, ermöglicht,
die Erwärmung von
Motoren, die einer guten Spannungsfestigkeit der Isolierstoffe,
welche die Leiter umhüllen,
abträglich
ist, in Grenzen zu halten. Die bessere Wärmeabführung kann außerdem über die
Zunahme der Induktion ohne Temperaturerhöhung eine Erhöhung des
Leistungsgewichts ermöglichen.
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Anders
ausgedrückt:
Die Zusammensetzung der Erfindung stellt durch die spezifische Wärmeleitfähigkeit,
die sie dem Stahl verleiht, eine Kühlung elektrischer Einrichtungen
durch Wärmeleitung
sicher.
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Nach
seiner Erzeugung wird der Stahl in Brammenform gegossen, dann wird
die Bramme warmgewalzt, wobei die Erhitzungstemperatur niedriger
als 1300 °C
ist und die Temperatur am Ende des Warmwalzens niedriger als 950 °C ist.
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Das
warmgewalzte Blech wird bei einer Temperatur über 550 °C aufgerollt, anschließend mehr
als 1 Stunde lang einem Haubenglühen
bei einer Temperatur zwischen 700 und 1050 °C unterzogen.
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Nach
dem Schritt des Haubenglühens
kann das Band eventuell ein Kugelstrahlen erfahren, bevor es einem
Beizen unterzogen wird.
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Schließlich wird
das gebeizte Band in einem einzigen Kaltwalzdurchgang zu einer Dicke
von höchstens
1,5 mm kaltgewalzt, wobei der Walzgrad zwischen 25 und 90 beträgt, anschließend erfährt es ein
Fertigglühen,
das im Durchlauf durchgeführt
wird. Das Fertigglühen
im Durchlauf wird vorzugsweise in weniger als 10 min bei einer Temperatur
zwischen 700 und 1050 °C
durchgeführt.
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Es
ist bewiesen, dass man die Magnetisierungsverluste bei einer Blechstärke von
0,35 mm auf unter 4,5 W/kg, bei einer Blechstärke von 0,5 mm auf unter 5,30
W/kg, bei einer Blechstärke
von 0,65 mm auf unter 7 W/kg, bei einer Blechstärke von 1 mm auf unter 12,5
W/kg verringern und eine Magnetisierung von mindestens 1,77 Tesla
erhalten kann, indem ein Haubenglühen des warmgewalzten Blechbandes,
verbunden mit einem Kaltwalzen in einem einzigen Arbeitsgang, gefolgt
von einem kontinuierlichen Glühen
im Durchlauf betrieb durchgeführt
wird.
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Die
Beispiele 1 bis 6 veranschaulichen dieses Merkmal.
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Beispiel 1
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Eine
Bramme aus Stahl Nr. 4, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsanteilen
in der Tabelle 1 angegeben ist, wird auf 1173 °C erhitzt und erfährt dann
ein erstes Warmwalzen, wobei der Walzgrad 86 % beträgt, und
ein zweites Warmwalzen, wobei der Walzgrad 93 % beträgt. Die
Temperatur am Ende des Warmwalzens beträgt 843 °C, das Band warmgewalzten Blechs
wird bei einer Temperatur von 738 °C aufgerollt. Das Blech in Form
einer Rolle wird 10 Stunden lang einem Haubenglühen bei einer Temperatur von
800 °C,
unter einer Wasserstoffatmosphäre
oder einer Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre unterzogen. Anschließend wird
das Blech kaltgewalzt, wobei der Walzgrad 80 % beträgt, um ein
Blech mit einer Dicke von 0,50 mm zu erhalten. Das Fertigglühen wird
2 Minuten lang bei 880 °C,
unter einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.
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Die
erzielten magnetischen Kennwerte sind in der Tabelle 2 dargestellt.
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Beispiel 2
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Eine
Bramme aus Stahl Nr. 4, dessen Zusammensetzung in Gewichtsanteilen
in der Tabelle 1 angegeben ist, wird auf die gleiche Weise wie der
Stahl im Beispiel 1 behandelt, d.h. dass der Warmwalzgrad und Kaltwalzgrad
gleich sind.
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Die
Erhitzungstemperatur der Bramme beträgt 1185 °C, die Temperatur am Ende des
Warmwalzens 857 °C.
Das warmgewalzte Blechband wird bei einer Temperatur von 636 °C aufgerollt.
Ein Teilstück
der Rolle wird 10 Stunden lang einem Haubenglühen bei einer Temperatur von
800 °C,
unter einer Wasserstoffatmosphäre
oder einer Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre unterzogen. Anschließend wird
das Blech kaltgewalzt, um ein Blech mit einer Dicke von 0,50 mm
zu erlangen. Das Fertigglühen
wird 2 Minuten lang bei einer Temperatur von 880 °C, unter
einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.
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Die
erzielten magnetischen Kennwerte sind in der Tabelle 3 dargestellt.
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Beispiel 3
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Eine
Bramme aus Stahl Nr. 4, dessen Zusammensetzung in Gewichtsanteilen
in der Tabelle 1 angegeben ist, wird auf die gleiche Weise wie der
Stahl im Beispiel 1 behandelt, d.h. dass der Warmwalzgrad und der
Kaltwalzgrad gleich sind.
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Die
Erhitzungstemperatur der Bramme beträgt 1221 °C, die Temperatur am Ende des
Warmwalzens 910 °C.
Das Band warmgewalzten Blechs wird bei einer Temperatur von 785 °C aufgerollt.
Das Blech in Form einer Rolle wird 10 Stunden lang einem Haubenglühen bei
einer Temperatur von 800 °C,
unter einer Wasserstoffatmosphäre
oder einer Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre unterzogen. Anschließend wird
das Blech kaltgewalzt, um ein Blech mit einer Dicke von 0,50 mm
zu erlangen. Das Fertigglühen
wird 2 Minuten lang bei einer Temperatur von 880 °C, unter
einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.
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Die
erzielten magnetischen Kennwerte sind in der Tabelle 4 dargestellt.
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Unter
gleichen Verarbeitungsbedingungen führt der Stahl Nr. 2, dessen
Zusammensetzung in der Tabelle 5 angegeben ist, der in seiner Zusammensetzungen
einen Mangangehalt von 0,87 % hat, zu magnetischen Kennwerten, die
jenen der Tabelle 4 völlig
gleich sind. Der Mangangehalt muss jedoch auf weniger als 0,5 %
beschränkt
werden, um die Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern.
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Bei
einer niedrigeren Temperatur des Haubenglühens muss seine Dauer verlängert werden.
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Beispiel 4
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Ein
Teilstück
der Rolle warmgewalzten Blechs, das unter den im Beispiel 2 beschriebenen
Bedingungen erhalten wurde, wird 40 Stunden lang einem Haubenglühen bei
einer Temperatur von 710 °C,
unter einer Wasserstoffatmosphäre
oder einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre unterzogen.
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Die
erzielten magnetischen Kennwerte sind in der Tabelle 6 dargestellt.
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Beispiel 5
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Eine
Bramme aus Stahl Nr. 4, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsanteilen
in der Tabelle 1 angegeben ist, wird auf die gleiche Weise wie der
Stahl im Beispiel 1 behandelt, d.h. dass der Warmwalzgrad und der
Kaltwalzgrad gleich sind.
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Die
Bramme aus Stahl Nr. 4 wird auf 1188 °C erhitzt, die Temperatur am
Ende des Warmwalzens beträgt
816 °C.
Das Band warmgewalzten Blechs wird bei einer Temperatur von 702 °C aufgerollt.
Ein Teilstück des
Blechs in Form einer Rolle wird 10 Stunden lang einem Haubenglühen bei
einer Temperatur von 1000 °C, unter
einer Wasserstoffatmosphäre
oder einer Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre unterzogen. Anschließend wird
das Blech kaltgewalzt, um ein Blech mit einer Dicke von 0,50 mm
zu erlangen. Das Fertigglühen wird
2 Minuten lang bei einer Temperatur von 880 °C, unter einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Die
erzielten magnetischen Kennwerte sind in der Tabelle 7 dargestellt.
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Beispiel 6
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Ein
Teilstück
der Rolle warmgewalzten Blechs, das unter den im Beispiel 2 beschriebenen
Bedingungen erhalten wurde, wird 40 Stunden lang einem Haubenglühen bei einer
Temperatur von 740 °C,
unter einer Wasserstoffatmosphäre
oder einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre unterzogen. Nach dem Glühen wird das
Teilstück
in vier Teile geteilt, die kaltgewalzt werden, wobei der Walzgrad
60 %, 74 %, 80 % bzw. 86 % beträgt,
um Blech mit einer Dicke von 1 mm, 0,65 mm, 0,50 mm bzw. 0,35 mm
zu erhalten.
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Das
0,5 mm dicke Blech und das 0,35 mm dicke Blech werden 2 min lang
bei einer Temperatur von 880 °C
geglüht.
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Das
0,65 mm dicke Blech wird 2 min 30 s lang bei einer Temperatur von
880 °C geglüht.
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Das
1 mm dicke Blech wird 3 min 40 s lang bei einer Temperatur von 880 °C geglüht.
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Das
Fertigglühen
wird unter einer Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Die
erzielten magnetischen Kennwerte sind in der Tabelle 8 dargestellt.
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Die
einzige Figur zeigt, dass der Kaltwalzgrad kleiner als 90 % sein
muss, um eine Magnetisierung von mindestens 1,77 Tesla zu erhalten,
wenn nach dem Kaltwalzen ein Haubenglühen durchgeführt wird.
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In
dem Fall, in dem das Blech mit einem Haubenglühen nach dem Warmwalzen hergestellt
wird, ist festgestellt worden, dass ein Glühen, das an den Magnetkernen
durchgeführt
wird, die durch Zuschneiden bzw. Stanzen und Stapeln des Blechs
gemäß der Erfindung
hergestellt worden sind, eine Verringerung der Verluste bewirkt,
ohne die Magnetisierung zu verschlechtern, wobei das Glühen vorgesehen
ist, um die inneren Spannungen, die durch das Zuschneiden bzw. Stanzen
hervorgerufen werden, zu beseitigen. Auf diese Weise lassen sich
Bleche mit einer Enddicke von 0,35 mm herstellen, die nach einem
auf das Zuschneiden bzw. Stanzen folgenden Glühen Magnetisierungsverluste,
die niedriger als 4,0 W/kg sind, bei einer Magnetisierung von mindestens
1,77 Tesla aufweisen. So lassen sich Bleche mit einer Enddicke von
0,50 mm herstellen, die nach einem auf das Zuschneiden bzw. Stanzen
folgenden Glühen
spezifische Verluste von weniger als 4,70 W/kg bei einer Magnetisierung
von mindestens 1,77 Tesla aufweisen. Unter bestimmten Bedingungen
ist es möglich, Bleche
herzustellen, die bei einer Magnetisierung von über 1,80 Tesla Verluste aufweisen,
die niedriger als 4 W/kg sind. Diese Kennwerte sind im Wesentlichen
darauf zurückzuführen, dass
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
das Blech vor dem Kaltwalzen einem Haubenglühen unterzogen wird.
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Die
Erfindung umfasst die folgenden Schritte: ein Haubenglühen vor
dem Kaltwalzen, ein Kaltwalzen in einem einzigen Arbeitsgang und
ein Fertigglühen
wie in den Beispielen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dargestellt. Nach dem
Zuschnitt der Magnetkreiselemente und dem Stapeln wird an diesen
Magnetkreisen ein Glühen
zur Beseitigung von inneren Spannungen durchgeführt.
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Das
Glühen
zur Beseitigung von durch das Zuschneiden bzw. Stanzen hervorgerufenen
inneren Spannungen ermöglicht,
die Verluste deutlich zu verringern, ohne dass sich die Magnetisierung
des Blechs gemäß der Erfindung
verschlechtert.
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Vorzugsweise
erfährt
das Blech ein Entspannungsglühen
bei einer Temperatur, die höher
als 650 °C ist,
während
eines Zeitraums, der länger
als 3 min ist.
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Das
Beispiel 7 veranschaulicht dies.
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Beispiel 7
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Epstein-Probekörper mit
einer Dicke von 0,35 mm, 0,50 mm, 0,65 mm und 1 mm, die verwendet
wurden, um die magnetischen Kennwerte der in den Beispielen 1, 3,
4 und 5 dargestellten Bleche zu messen, wurden 2 Stunden lang bei
750 °C,
unter einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre geglüht.
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Blech
mit einer Dicke von 0,50 mm, gemäß der Erfindung
geglüht:
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Beispiel 8
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Die
im Beispiel 6 zur Messung der magnetischen Kennwerte verwendeten
Epstein-Probekörper
werden zwei Stunden lang bei 750 °C,
unter Stickstoff- und Sauerstoffatmosphäre geglüht. Die erzielten magnetischen
Kennwerte sind in der Tabelle 9 dargestellt.
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In
dem Fall, in dem das erfindungsgemäße Blech mit einem Haubenglühen nach
dem Warmwalzen hergestellt wird, kann man folglich Bleche mit einer
Enddicke von 0,35 mm, 0,50 mm, 0,65 mm und 1 mm erhalten, die nach
einem auf das Zuschneiden bzw. Stanzen folgenden Glühen spezifische
Verlust aufweisen, die niedriger als 4 W/kg, 4,70 W/kg, 6 W/kg bzw.
11,5 W/kg sind, sowie eine Magnetisierung, die mindestens 1,77 Tesla
beträgt.
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Es
ist gezeigt worden, dass gemäß der Erfindung
mit einem Stahl, der eine bestimmte chemische Zusammensetzung hat,
die Herstellung von Elektroblech erreicht werden kann, das bemerkenswerte
Eigenschaften aufweist, indem ein Langzeit-Haubenglühen des
Blechbandes, das warmgewalzt ist, gefolgt von einem einzigen Kaltwalzen,
durchgeführt
wird.
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Wenn
das Blech gemäß der Erfindung
warmgewalzt und einem Langzeit-Haubenglühen unterzogen wird, worauf
ein einziges Kaltwalzen folgt, weist es bei einer Dicke von 0,50
mm und 0,65 mm eine wesentliche Verringerung der spezifischen Verluste
und eine Verbesserung der Magnetisierungsfähigkeit auf.
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Bei
einer Dicke von 1 mm ermöglicht
das Haubenglühen
vor dem Kaltwalzen, die Magnetisierungsfähigkeit zu erhöhen, jedoch
bei einer Verschlechterung der Verluste.
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Das
mittels des Verfahrens erhaltene Blech kann nach dem Zuschneiden
bzw. Stanzen und dem Zusammenbau von Magnetkreisen einem Entspannungsglühen unterzogen
werden.
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Dieses
Glühen
zur Beseitigung von Spannungen, die auf das Zuschneiden bzw. Stanzen
zurückzuführen sind,
bewirkt eine wesentliche Verringerung der Verluste, ohne die Magnetisierungsfähigkeit
zu verschlechtern, bei einem Haubenglühen des Bandes, das warmgewalzt
und anschließend
in einem einzigen Arbeitsgang kaltgewalzt wurde.