EP2612942B1 - Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, daraus hergestelltes Bauteil und Verfahren zur Erzeugung eines nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs - Google Patents

Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech, daraus hergestelltes Bauteil und Verfahren zur Erzeugung eines nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs Download PDF

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EP2612942B1 EP12150315.5A EP12150315A EP2612942B1 EP 2612942 B1 EP2612942 B1 EP 2612942B1 EP 12150315 A EP12150315 A EP 12150315A EP 2612942 B1 EP2612942 B1 EP 2612942B1
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Dr. Karl Telger
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech für elektrotechnische Anwendungen, ein aus einem solchen Elektroband oder -blech hergestelltes elektrotechnisches Bauteil sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Elektrobands oder -blechs.
  • Nicht kornorientierte Elektrobänder oder -bleche, in der Fachsprache auch als "NO-Elektroband oder -blech" oder im englischen Sprachgebrauch auch als "NGO-Electrical Steel" ("NGO" = Non Grain Oriented) bezeichnet, werden zur Verstärkung des magnetischen Flusses in Eisenkernen von rotierenden elektrischen Maschinen verwendet. Typische Verwendungen solcher Bleche sind elektrische Motoren und Generatoren.
  • Um die Effizienz solcher Maschinen zu steigern, werden möglichst hohe Drehzahlen oder große Durchmesser der im Betrieb jeweils rotierenden Bauteile angestrebt. In Folge dieses Trends sind die elektrisch relevanten, aus Elektrobändern oder -blechen der hier in Rede stehenden Art gefertigten Bauteile einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt, die von den heute zur Verfügung stehenden NO-Elektrobandsorten oft nicht erfüllt werden können.
  • Aus der US 5,084,112 ist ein NO-Elektroband oder -blech bekannt, das eine Streckgrenze von mindestens 60 kg-f/mm2 (ca. 589 MPa) besitzt und aus einem Stahl hergestellt ist, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) bis zu 0,04 % C, 2,0 - weniger als 4,0 % Si, bis zu 2,0 % Al, bis zu 0,2 % P und mindestens ein Element aus der Gruppe "Mn, Ni" enthält, wobei die Summe der Gehalte an Mn und Ni mindestens 0,3 % und höchstens 10 % beträgt.
  • Um eine Festigkeitssteigerung durch die Bildung von Karbonitriden zu erreichen, enthält der aus der US 5,084,112 bekannte Stahl mindestens ein Element aus der Gruppe "Ti,V,Nb,Zr", wobei im Fall der Anwesenheit von Ti oder V der Ti-Gehalt %Ti und der V-Gehalt %V in Bezug auf den C-Gehalt %C und den jeweils unvermeidbaren N-Gehalt %N des Stahls die Bedingung [0,4x(%Ti+%V)]/[4x(%C+%N)] < 4,0 erfüllen soll. Auch der Anwesenheit von Phosphor in dem Stahl wird dabei eine festigkeitssteigernde Wirkung zugeschrieben. Jedoch wird vor der Anwesenheit höherer Phosphorgehalte gewarnt, weil sie eine Korngrenzversprödung auslösen können. Um diesem als gravierend angesehenen Problem entgegenzuwirken, wird ein zusätzlicher B-Gehalt von 0,001 - 0,007 % vorgeschlagen.
  • Der derart zusammengesetzte Stahl wird gemäß der US 5,084,112 zu Brammen vergossen, die anschließend zu einem Warmband warmgewalzt werden, welches optional geglüht, dann gebeizt und daraufhin zu einem Kaltband mit einer bestimmten Enddicke kaltgewalzt wird. Abschließend wird das erhaltene Kaltband einer rekristallisierenden Glühung unterzogen, bei der es bei einer mindestens 650 °C, jedoch weniger als 900 °C betragenden Glühtemperatur geglüht wird.
  • Im Fall der gleichzeitigen Anwesenheit von wirksamen Gehalten an Ti und P sowie B, N, C, Mn und Ni im Stahl erreichen die gemäß der US 5,084,112 erzeugten NO-Elektrobänder oder -bleche zwar Streckgrenzen von mindestens 70,4 kg-f/mm2 (688 MPa). Gleichzeitig betragen bei einer Blechdicke von 0,5 mm und bei einer Polarisation von 1,5 Tesla und einer Frequenz von 50 Hz die Ummagnetisierungsverluste P1,5 jedoch mindestens 6,94 W/kg. Derart hohe Ummagnetisierungsverluste sind für moderne elektrotechnische Anwendungen nicht mehr akzeptierbar. Weiterhin sind bei vielen solchen Anwendungen die Ummagnetisierungsverluste bei höheren Frequenzen von großer Bedeutung. Auch die US 2009/0202389 offenbart ein NO-Elektroband oder Blech.
  • Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein NO-Elektroband oder -blech und ein aus einem solchen Blech oder Band gefertigtes Bauteil für elektrotechnische Anwendungen anzugeben, das erhöhte Festigkeiten, insbesondere eine höhere Streckgrenze, besitzt und gleichzeitig gute magnetische Eigenschaften, insbesondere einen niedrigen Ummagnetisierungsverlust bei hohen Frequenzen aufweist. Darüber hinaus sollte ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen NO-Elektrobands oder -blechs angegeben werden.
  • In Bezug auf das NO-Elektroband oder -blech ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass das NO-Elektroband oder -blech die in Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung aufweist.
  • Dementsprechend besteht die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe in Bezug auf das Bauteil für elektrotechnische Anwendungen darin, dass ein solches Bauteil aus einem erfindungsgemäßen Elektrostahlblech oder -band hergestellt ist.
  • Schließlich ist die oben genannte Aufgabe in Bezug auf das Verfahren dadurch gelöst worden, dass bei der Erzeugung eines erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs mindestens die in Anspruch 9 angegebenen Arbeitsschritte durchlaufen werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
  • Ein erfindungsgemäß beschaffenes nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech für elektrotechnische Anwendungen ist somit aus einem Stahl hergestellt, der aus (in Gew.-%) 1,0 - 4,5 % Si, insbesondere 2,4 - 3,4 % Si, bis zu 2,0 % Al, insbesondere bis zu 1,5 % Al, bis zu 1,0 % Mn, bis zu 0,01 % C, insbesondere bis zu 0,006 %, besonders vorteilhafterweise bis zu 0,005 % C, bis zu 0,01 % N, insbesondere bis zu 0,006 % N, bis zu 0,012 % S, insbesondere bis zu 0,006 % S, 0,1 - 0,5 % Ti, und 0,1 - 0,3 % P und als Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1 , 0 ≤ % Ti / % P ≤ 2 , 0.
    Figure imgb0001
  • Die Erfindung nutzt zur Festigkeitssteigerung FeTi-Phosphide (FeTiP). Es wird erfindungsgemäß also ein Siliziumstahl mit Si-Gehalten von 1,0 - 4,5 Gew.-%, bei praxisgerechter Ausführung insbesondere von 2,4 - 3,4 Gew.-%, mit Titanium und Phosphor legiert, um feine FeTiP-Ausscheidungen zu bilden und die Festigkeit von NO Elektroband oder -blech durch Teilchenhärtung zu steigern.
  • Eine besonders praxisgerechte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Legierung eines Elektrobands oder -blechs ergibt sich dabei dann, wenn die Gehalte des Stahls an Si, C, N, S, Ti und P jeweils optional (in Gew.-%) auf 2,4 - 3,4 % Si, bis zu 0,005 % C, bis zu 0,006 % N, bis zu 0,006 % S, bis zu 0,5 % Ti oder bis zu 0,3 % P beschränkt werden. Im erfindungsgemäßen Stahl können zudem bis zu 2,0 % Al und bis zu 1,0 % Mn vorhanden sein.
  • Die Erfindung nutzt zur Festigkeitssteigerung an Stelle der üblicherweise hierzu eingesetzten Karbonitride FeTi-Phosphide. Auf diese Weise kann einerseits die magnetische Alterung vermieden werden, zu der es in Folge hoher C- und/oder N-Gehalte kommen kann. Neben der gleichzeitigen Anwesenheit von jeweils einer ausreichenden absoluten Menge an Ti und P ist dabei entscheidend, dass das Verhältnis des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P die in Anspruch 1 angegebene Bedingung erfüllt, gemäß der das Verhältnis des Titan-Gehalts zum Phosphorgehalt des erfindungsgemäßen Elektrobands oder -blechs jeweils größer oder gleich 1,0 und gleichzeitig kleiner oder gleich 2,0 ist. Erst durch Einhaltung der erfindungsgemäß vorgegebenen engen Fenster der Gehalte an Ti und P und ihres Gehalts-Verhältnisses ist sichergestellt, dass das in erfindungsgemäßer Weise zusammengesetzte Elektrostahlblech oder -band eine ausreichende Zahl und ausreichende Verteilung von FeTiP-Partikeln aufweist, um neben einer ausreichend hohen Festigkeit auch gute elektromagnetische Eigenschaften zu gewährleisten. Durch die erfindungsgemäße Einstellung des Verhältnisses %Ti zu %P wird einerseits ein schädlicher Überschuss an Phosphor vermieden, der im erfindungsgemäßen Elektroband oder -blech zu einer Versprödung führen würde. Andererseits wird durch das erfindungsgemäß vorgegebene Verhältnis auch ein übermäßiger Überschuss an Titan vermieden. Ein solcher Ti-Überschuss könnte zur Bildung von Titannitriden führen, die sich negativ auf die magnetischen Eigenschaften des Elektrobands oder -blechs auswirken würden.
  • Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass ein Maximum der erfindungsgemäß genutzten Wirkung der gleichzeitigen Anwesenheit von Ti und P in einem erfindungsgemäßen nicht kornorientierten Elektroblech oder -band erreicht wird, wenn dessen Gehalte an Ti und P mit möglichst geringen Abweichungen dem stöchiometrischen Verhältnis von 1,55 entsprechen. Eine diese Erkenntnis berücksichtigende und gleichzeitig für die Praxis besonders wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, dass für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1 , 43 ≤ % Ti / % P ≤ 1 , 67.
    Figure imgb0002
  • Die durch die erfindungsgemäße Stahlzusammensetzung ermöglichten FeTiP-Partikel weisen regelmäßig einen Durchmesser auf, der viel kleiner als 0,1 µm ist. Dies berücksichtigt den Effekt, dass die Festigkeit eines Werkstoffes mit der Anzahl der Gitterfehler, wie Fremdatome, Versetzungen, Korngrenzen oder Partikel einer anderen Phase zwar zunimmt, diese Gitterfehler jedoch einen negativen Einfluss auf die magnetischen Kennwerte eines Werkstoffes haben. Der negative Einfluss ist dabei, wie an sich bekannt, am stärksten, wenn die Teilchengröße im Bereich der Blochwanddicke (Übergangsbereich zwischen magnetischen Domänen mit unterschiedlicher Magnetisierung) liegt, d. h. etwa 0,1 µm beträgt. Indem erfindungsgemäß deutlich kleinere Partikel für die Festigkeitssteigerung genutzt werden, tritt dieser negative Einfluss bei einem erfindungsgemäßen Elektrostahlblech allenfalls in stark minimierter Form auf. Dabei können im erfindungsgemäßen Material vereinzelt auch FeTiP-Partikel vorliegen, die deutlich größer als 0,1 µm sind. Diese beeinflussen die Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Produkts jedoch allenfalls in einem vernachlässigbaren Umfang.
  • Bei einer erfindungsgemäß zusammengesetzten Legierung werden die zur Erhöhung der Festigkeit durch Bildung von Karbonitriden üblicherweise zulegierten Mikrolegierungselemente, wie Nb, Zr oder V, in Verbindung mit hohen Gehalten an Kohlenstoff oder Stickstoff nicht mehr benötigt. Höhere Gehalte an C und N haben einen negativen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des entsprechend zusammengesetzten nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs, da sie eine unerwünschte magnetische Alterung der Werkstoffe während des praktischen Einsatzes mit sich bringen. Erfindungsgemäß wird daher die Festigkeitssteigerung durch Teilchenhärtung erzielt, nämlich durch die Anwesenheit von FeTiP-Ausscheidungen, nicht jedoch mit Hilfe von Kohlenstoff und / oder Stickstoff, deren Anwesenheit zu Alterungseffekten führen würde.
  • Dementsprechend weisen erfindungsgemäß zusammengesetzte Elektrobänder oder -bleche regelmäßig Ummagnetisierungsverluste P1,0/400 bei einer Polarisation von 1,0 Tesla und einer Frequenz von 400 Hz bei einer Dicke des Elektrobands oder -blechs von 0,5 mm von höchstens 65 W/kg und bei einer Dicke von 0,35 mm höchstens 45 W/kg auf. Gleichzeitig erreichen sie gegenüber einer konventionell zusammengesetzten Legierung, die zwar keine wirksamen Gehalte an Ti und P, jedoch im Übrigen mit einer erfindungsgemäßen Legierung übereinstimmende Gehalte an den anderen Legierungselementen aufweisen, regelmäßig eine Steigerung der Streckgrenze von mindestens 60 MPa.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist so angelegt, dass es die betriebssichere Erzeugung eines erfindungsgemäßen nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs ermöglicht.
  • Dazu wird zunächst ein in der voranstehend für das erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektroblech oder -band erläuterten Weise zusammengesetztes Warmband zur Verfügung gestellt, das anschließend kaltgewalzt und als kaltgewalztes Band einer Schlussglühung unterzogen wird. Das nach dem Schlussglühen erhaltene schlussgeglühte Kaltband stellt dann das erfindungsgemäß zusammengesetzte und beschaffene Elektroband oder -blech dar.
  • Die Herstellung des erfindungsgemäß bereitgestellten Warmbands kann weitestgehend konventionell erfolgen. Dazu kann zunächst eine Stahlschmelze mit einer der erfindungsgemäßen Vorgabe entsprechenden Zusammensetzung (Si: 1,0 - 4,5 %, Al: bis zu 2,0 %, Mn: bis zu 1,0 %, C: bis zu 0,01 %, N: bis zu 0,01 %, S: bis zu 0,012 %, Ti: 0,1 - 0,5 %, P: 0,1 - 0,3 %, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, Angaben in Gew.-%, wobei für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1,0 ≤ %Ti/%P ≤ 2,0) erschmolzen und zu einem Vormaterial vergossen werden, bei dem es sich bei konventioneller Fertigung um eine Bramme oder Dünnbramme handeln kann. Da die erfindungsgemäßen Vorgänge der Ausscheidungsbildung erst nach der Erstarrung ablaufen, ist es prinzipiell jedoch auch möglich, die Stahlschmelze zu einem gegossenen Band zu vergießen, welches anschließend zu einem Warmband warmgewalzt wird.
  • Das so erzeugte Vormaterial kann anschließend auf eine 1020 - 1300 °C betragende Vormaterialtemperatur gebracht werden. Dazu wird das Vormaterial erforderlichenfalls wiedererwärmt oder unter Ausnutzung der Gießhitze auf der jeweiligen Zieltemperatur gehalten.
  • Das so erwärmte Vormaterial kann dann zu einem Warmband mit einer Dicke warmgewalzt werden, die typischerweise 1,5 - 4 mm, insbesondere 2 - 3 mm, beträgt. Das Warmwalzen beginnt dabei in an sich bekannter Weise bei einer Warmwalzanfangstemperatur von 1000 - 1150 °C und endet mit einer Warmwalzendtemperatur von 700 - 920 °C, insbesondere 780 - 850 °C.
  • Das erhaltene Warmband kann anschließend auf eine Haspeltemperatur abgekühlt und zu einem Coil gehaspelt werden. Die Haspeltemperatur wird dabei idealerweise so gewählt, dass eine Ausscheidung der Fe-Ti-Phosphide vermieden wird, um Probleme beim anschließend durchgeführten Kaltwalzen zu vermeiden. In der Praxis beträgt die Haspeltemperatur hierzu beispielsweise höchstens 700 °C.
  • Optional kann das Warmband einer Warmbandglühung unterzogen werden.
  • Das bereitgestellte Warmband wird zu einem Kaltband mit einer Dicke kaltgewalzt, die typischerweise im Bereich von 0,15 - 1,1 mm, insbesondere 0,2 - 0,65 mm, liegt.
  • Die abschließende Schlussglühung trägt entscheidend zur Bildung der erfindungsgemäß zur Festigkeitssteigung genutzten FeTiP-Partikel bei. Dabei ist es durch Variation der Glühbedingungen der Schlussglühung möglich, die Werkstoffeigenschaften wahlweise zu Gunsten einer höheren Festigkeit oder eines geringeren Ummagnetisierungsverlustes zu optimieren.
  • Erfindungsgemäße nicht kornorientierte Elektrobleche oder -bänder mit Streckgrenzen, die im Bereich von 390 - 550 MPa liegen, und Ummagnetisierungsverlusten P1,0/400, die bei einer Banddicke von 0,35 mm kleiner 27 W/kg und bei einer Banddicke von 0,5 mm kleiner 47 W/kg, lassen sich gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders betriebssicher dadurch erzielen, dass das Kaltband im Zuge der Schlussglühung eine im Durchlaufofen absolvierte zweistufige Kurzzeitglühung durchläuft, bei der das Kaltband in der ersten Glühstufe d.1) zunächst über eine Glühdauer von 1 - 100 s bei einer Glühtemperatur von mindestens 900 °C und höchstens 1150 °C und anschließend in einer zweiten Glühstufe d.2) über eine Glühdauer von 30 - 120 s bei einer Glühtemperatur von 500 - 850 °C geglüht wird. Bei dieser Variante werden in der ersten Glühstufe d.1) die ggf. bereits vorhandenen FeTiP-Ausscheidungen aufgelöst und eine vollständige Rekristallisation des Gefüges erzielt. In der zweiten Glühstufe d.2) erfolgt dann die gezielte Ausscheidung der FeTiP-Teilchen.
  • Um eine weitere Verbesserung des Festigkeitsniveaus des nach der voranstehend erläuterten zweistufigen Kurzzeitglühung erhaltenen nicht kornorientierten Elektroblechs oder -bands zu erzielen, kann auf die zweistufige Kurzzeitglühung optional eine im Haubenofen durchgeführte Langzeitglühung folgen, bei der das Kaltband bei Temperaturen von 550 - 660 °C über eine Glühdauer von 0,5 - 20 h geglüht wird. Die durch diese zusätzliche Langzeitglühung erzielbare Steigerung der Streckgrenze beträgt regelmäßig mindestens 50 MPa.
  • Nicht kornorientierte Elektrobleche oder -bänder mit Streckgrenzen von 500 - 800 MPa und Ummagnetisierungsverlusten P1,0/400 von weniger als 45 W/kg für 0,35 mm dicke Elektrobleche oder -bänder können gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dadurch erzeugt werden, dass die Schlussglühung als Kurzzeitglühung durchgeführt wird, bei der das Kaltband im Durchlaufofen für eine Glühdauer von 20 - 250 sec bei einer Glühtemperatur von 750 - 900 °C geglüht wird. Aufgrund der geringeren Glühtemperatur wird hierbei keine vollständige Rekristallisation des Gefüges erreicht. Es bilden sich jedoch die gewünschten festigkeitssteigernden FeTiP-Ausscheidungen.
  • Eine alternative Möglichkeit der Erzeugung von erfindungsgemäßen nicht kornorientierten Elektroblechen mit Streckgrenzen, die im Bereich von 500 - 800 MPa liegen, und Ummagnetisierungsverlusten P1,0/400 von weniger als 45 W/kg für 0,35 mm dicke Elektrobleche oder -bänder können gemäß einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dadurch erhalten werden, dass das Schlussglühen als eine Langzeitglühung im Haubenofen durchgeführt wird, bei der das Kaltband über eine 0,5 - 20 h dauernde Glühdauer bei einer Glühtemperatur von 600 - 850 °C geglüht wird. In dieser Variante kommt es nicht zu einem vollständig rekristallisierten Gefüge. Es bilden sich jedoch FeTiP-Ausscheidungen, die feiner sind als die FeTiP-Ausscheidungen, die bei den gemäß der voranstehend erläuterten ersten Variante erzeugten erfindungsgemäßen nicht kornorientierten Elektroblechen oder -bändern vorhanden sind. Dabei lassen sich durch die hier erläuterte dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zur voranstehend erläuterten zweiten Variante Verbesserungen der Ummagnetisierungsverluste erzielen.
  • Optional kann bei der dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Langzeitglühung auch noch eine Kurzzeitglühung im Durchlaufofen durchgeführt werden, bei der das jeweilige Kaltband bei 750 °C - 900 °C über einer Glühdauer von 20 - 250 sec geglüht wird. Durch diese zusätzliche Kurzzeitglühung lässt sich der Rekristallisationsgrad des Gefüges verbessern. Damit einhergehend ist eine Verbesserung des Ummagnetisierungsverlusts zu erwarten.
  • Um durch eine Erhöhung der Versetzungsdichte eine kritische Energie einzubringen, so dass bei der nachfolgenden Kurzzeitglühung die Rekristallisation initiiert wird, kann das Kaltband im Zuge der dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen der Langzeitglühung und der Kurzzeitglühung optional einer Umformung mit einem Verformungsgrad von mindestens 0,5 % und höchstens 12 % unterzogen werden. Ein solcher üblicherweise als zusätzlicher Kaltwalzschritt durchgeführter Umformschritt trägt darüber hinaus zur Verbesserung der Planlage des am Ende dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariante erhaltenen nicht kornorientierten Elektroblechs oder -bands bei. Besonders sicher können die mit der optional zusätzlich durchgeführten Kaltverformung erzielten Effekte dann erreicht werden, wenn die Verformungsgrade der Kaltverformung 1 - 8 % betragen.
  • An die Schlussglühung kann sich ein in konventioneller Weise durchgeführter Glättstich anschließen.
  • Des Weiteren kann das erhaltene, nicht kornorientierte Elektroband oder -blechmaterial abschließend einer konventionellen Entspannungsglühung unterzogen werden. Abhängig von den Verarbeitungsabläufen beim Endverarbeiter kann diese Entspannungsglühung noch beim Hersteller des erfindungsgemäßen NO-Elektrobands oder -blechs im Coil durchgeführt werden, oder es können zunächst die beim Endverarbeiter verarbeiteten Zuschnitte von dem in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Elektroband oder -blech abgeteilt werden, die dann der Entspannungsglühung unterzogen werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Die nachfolgend erläuterten Versuche wurden jeweils unter Laborbedingungen durchgeführt. Dabei sind zunächst eine erfindungsgemäß zusammengesetzte Stahlschmelze TiP und eine Referenzschmelze Ref erschmolzen und zu Brammen vergossen worden. Die Zusammensetzungen der Schmelze TiP und Ref sind in Tabelle 1 angegeben. Mit Ausnahme der ihr fehlenden wirksamen Gehalte an Ti und P stimmen bei der Referenzschmelze Ref nicht nur die Legierungselemente, sondern im Rahmen der üblichen Toleranzen auch deren Gehalte mit der erfindungsgemäßen Schmelze TiP überein.
  • Die Brammen wurden auf eine 1250 °C betragende Temperatur gebracht und mit einer Warmwalzanfangstemperatur von 1020 °C und einer Warmwalzendtemperatur von 840 °C zu einem 2 mm dicken Warmband warmgewalzt. Das jeweilige Warmband ist auf eine Haspeltemperatur THaspel abgekühlt worden. Anschließend ist eine typische Abkühlung im Coil simuliert worden.
  • Drei Proben der aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung TiP bestehenden Warmbänder und eine Probe der aus dem Referenzstahl Ref bestehenden Warmbänder sind anschließend über eine Dauer von 2 h bei einer Temperatur von 740 °C einer Warmbandglühung unterzogen worden und daraufhin zu einem Kaltband mit einer Enddicke von 0,5 mm bzw. 0,35 mm kaltgewalzt worden.
  • Zwei weitere Proben der aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung TiP bestehenden Warmbänder und eine weitere Probe der aus dem Referenzstahl Ref bestehenden Warmbänder sind dagegen jeweils ohne Glühung zu einem 0,5 mm dicken Kaltband kaltgewalzt worden.
  • Anschließend erfolgte jeweils eine zweistufige Schlussglühung. In der ersten Glühstufe wurden die Proben auf 1100 °C erwärmt und dort für 15 s gehalten, so dass das in ihnen enthaltene Ti und P großteils in Lösung war. Daran schloss sich die zweite Glühstufe an, bei der bei einer Temperatur Tlow geglüht wurde, die deutlich unterhalb der Ausscheidungstemperatur TAus von FeTiP liegt. Auf diese Weise bildeten sich die gewünschten feinen, im Mittel 0,01 - 0,1 µm großen FeTi-Phosphid-Ausscheidungen.
  • In Tabelle 2 sind für die auf eine Dicke von 0,5 mm kaltgewalzten Proben und in Tabelle 3 für die auf eine Dicke von 0,35 mm kaltgewalzten Proben jeweils die Haspeltemperatur THaspel und die Temperatur Tlow angegeben. Zusätzlich sind in den Tabellen 2 und 3 jeweils gemessen in Quer- und Längsrichtung der Probe für jede der Proben die obere Streckgrenze ReH, die untere Streckgrenze ReL, die Zugfestigkeit Rm, die jeweils bei 50 Hz ermittelten Ummagnetisierungsverluste P1,0 (Ummagnetisierungsverlust bei einer Polarisation von 1,0 T), P1,5 (Ummagnetisierungsverlust bei einer Polarisation von 1,5 T) sowie die Polarisation J2500 (Polarisation bei einer magnetischen Feldstärke von 2500 A/m) und J5000 (Polarisation bei einer magnetischen Feldstärke von 5000 A/m), sowie die bei einer Frequenz von 400 Hz bzw. 1 kHz jeweils ermittelten Ummagnetisierungsverluste P1,0 (Ummagnetisierungsverlust bei einer Polarisation von 1,0 T) angegeben.
  • Es zeigt sich, dass die untere Streckgrenze ReL bei den aus dem erfindungsgemäß zusammengesetzten und verarbeiteten Proben im Vergleich zu den aus dem Referenzstahl Ref erzeugten Proben um jeweils 60 - 100 MPa höher ist. Zwischen den mit und ohne Warmbandglühung erzeugten Proben besteht dagegen kein signifikanter Unterschied. Auch eine Variation der Haspeltemperatur oder der Temperatur Tlow hat keinen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften.
  • Bei einer Frequenz von 50 Hz weisen die aus dem erfindungsgemäßen Stahl erzeugten Proben mit 3,9 - 4,8 W/kg für 0,5 mm dicke Bleche und mit weniger als 3,7 W/kg für 0,35 mm dicke Bleche etwas höhere Ummagnetisierungsverluste P1,5 auf als die aus dem Referenzstahl erzeugten Proben. Auch hier hat die Haspeltemperatur keinen signifikanten Einfluss.
  • Dagegen liegen bei höheren Frequenzen von 400 Hz und 1 kHz die Ummagnetisierungsverluste P1,0 für die erfindungsgemäßen und die Referenzproben sehr nah beieinander. Die Proben mit der höheren Temperatur Tlow von 700 °C zeigen hier im Fall der 0,5 mm dicken Bleche mit weniger als 39 W/kg bei 400 Hz und weniger als 180 W/kg bei 1 kHz geringere Ummagnetisierungsverluste P1,0 als das Referenzmaterial. Bei den 0,35 mm dicken Blechen werden jeweils gleiche Ummagnetisierungsverluste erzielt wie beim Referenzmaterial.
  • In einer weiteren Versuchsreihe ist ein Stahl TiP2 erschmolzen und zu Brammen vergossen worden, deren Zusammensetzung in Tabelle 4 angegeben ist. Das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P beträgt beim Stahl TiP2 %Ti/%P = 1,51.
  • Die Brammen sind auf 1250 °C wiedererwärmt und anschließend zu Warmbändern mit einer Warmbanddicke von 2,1 mm bzw. 2,4 mm warmgewalzt worden. Die Warmwalzanfangstemperatur betrug dabei jeweils 1020 °C, während die Warmwalzendtemperatur jeweils bei 840 °C lag. Die erhaltenen Warmbänder sind dann bei einer Haspeltemperatur von 620 °C gehaspelt worden.
  • Anschließend sind die so erhaltenen Warmbänder ohne vorhergehende Warmbandglühung zu 0,35 mm dickem Kaltband kaltgewalzt worden.
  • Proben der so erhaltenen Kaltbänder sind unterschiedlichen Varianten von Schlussglühungen unterzogen worden.
  • Bei der ersten Variante ist eine zweistufige Kurzzeitglühung im Durchlaufofen absolviert worden. In der ersten Stufe der Kurzzeitglühung sind jeweils die in Tabelle 5 angegebenen Glühzeiten tG1 eingehalten und die dort ebenso genannten jeweiligen maximalen Glühtemperaturen Tmax1 erreicht worden, während die zweite Stufe jeweils in den ebenfalls in Tabelle 5 angegebenen Glühzeiten tG2 bei den dort ebenso genannten maximalen Glühtemperaturen Tmax2 absolviert worden ist. Die an den so erhaltenen schlussgeglühten NO-Elektroblechproben in Querrichtung Q und Längsrichtung L ermittelten mechanischen und magnetischen Eigenschaften sind ebenfalls in Tabelle 5 verzeichnet.
  • Eine Probe der gemäß der ersten Variante schlussgeglühten Proben ist anschließend einer zusätzlichen Langzeitglühung in einem Haubenofen unterzogen worden. Die dabei eingehaltenen Glühzeiten tGH und maximalen Glühtemperaturen TmaxH sind in Tabelle 6 angegeben. Die an dem zusätzlich langzeitgeglühten NO-Elektroblech in Querrichtung Q und Längsrichtung L ermittelten mechanischen und magnetischen Eigenschaften sind ebenfalls in Tabelle 6 verzeichnet. Es zeigt sich, dass durch die ergänzende Langzeitglühung eine deutliche Steigerung der Streckgrenze Re und der Zugfestigkeit Rm erzielt werden konnte, während sich die magnetischen Eigenschaften nicht wesentlich verschlechtert haben.
  • In einer zweiten Variante der Schlussglühung sind Proben der Kaltbänder bei verschiedenen Temperaturen TmaxH im Haubenofen über eine Glühdauer tGH einer Langzeitglühung unterzogen worden. Die betreffenden Temperaturen TmaxH und die jeweilige Glühdauer tGH sind in Tabelle 7 aufgeführt. Ebenfalls sind in Tabelle 7 die an den so erhaltenen langzeitgeglühten NO-Elektroblechproben in Querrichtung Q und Längsrichtung L ermittelten mechanischen und magnetischen Eigenschaften verzeichnet.
  • In einer dritten Variante der Schlussglühung sind Proben der Kaltbänder bei verschiedenen Temperaturen TmaxD im Durchlaufofen über eine Glühdauer tGD einer einstufigen Kurzzeitglühung unterzogen worden. Die betreffenden Temperaturen TmaxD und die jeweilige Glühdauer tGD sind in Tabelle 8 aufgeführt. In Tabelle 8 sind darüber hinaus die an den so erhaltenen langzeitgeglühten NO-Elektroblechproben in Querrichtung Q und Längsrichtung L ermittelten mechanischen und magnetischen Eigenschaften verzeichnet.
  • Die Erfindung betrifft folglich ein nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) Si: 1,0 - 4,5 %, Al: bis zu 2,0 %, Mn: bis zu 1,0 %, C: bis zu 0,01 %, N: bis zu 0,01 %, S: bis zu 0,012 %, Ti: 0,1 - 0,5 %, P: 0,1 - 0,3 % enthält, wobei für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1,0 ≤ %Ti/%P ≤ 2,0. Ein erfindungsgemäßes nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech und aus einem solchen Blech oder Band gefertigte Bauteile für elektrotechnische Anwendungen zeichnen sich durch erhöhte Festigkeiten und gleichzeitig gute magnetische Eigenschaften aus. Hergestellt werden kann das erfindungsgemäße NO-Blech oder -band dadurch, dass ein aus einem Stahl mit der voranstehend genannten Zusammensetzung bestehendes Warmband zu einem Kaltband kaltgewalzt und diese Kaltband einer Schlussglühung unterzogen wird. Zur besonderen Ausprägung bestimmter Eigenschaften des NO-Bands oder -blechs stellt die Erfindung verschiedene Varianten dieser Schlussglühung zur Verfügung. Tabelle 1
    Variante Si Al Mn C N S Ti P
    TiP 2, 99 0,004 0,58 0,006 0,0021 <0,001 0,148 0,100
    Ref 2,96 0,006 0, 64 0,006 0,0021 0,001 0,001 0,004
    Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, Angaben in Gew.-%
    Tabelle 2 (Blechdicke 0,5 mm)
    Stahl Erfindungsgemäß? Warmbandglühung? Probenrichtung THaspel Tlow ReH ReL Rm 50 Hz 400Hz 1kHz
    P1,0 P1,5 J2500 J5000 P1,0 P1,0
    [°C] [°C] [MPa] [MPa] [MPa] [W/kg] [W/kg] [T] [T] [W/kg] [W/kg]
    TiP JA JA L 310 550 409 403 573 2,01 4,47 1,59 1,68 44,4 197
    Q 430 426 593 2,20 4,76 1,57 1,66 46,8 213
    JA L 620 550 403 396 560 2,08 4,43 1,57 1,67 43,3 199
    Q 421 418 582 1,97 4,44 1,55 1, 65 40,3 181
    JA L 620 700 400 395 554 1,76 3,93 1,58 1,67 36,4 164
    Q 431 424 589 1,86 4,17 1,55 1,64 38,9 178
    Ref NEIN JA L 620 - 329 321 472 1,72 3,78 1,61 1,70 43,9 205
    Q 351 340 492 1,63 3,88 1,53 1,63 43,4 207
    TiP JA NEIN L 310 550 407 402 572 2,16 4,50 1,57 1,66 45,1 209
    Q 433 429 591 1,98 4,59 1,54 1, 64 40,2 181
    NEIN L 620 550 402 396 564 2,23 4,65 1,57 1,66 46,4 214
    Q 426 423 586 2,19 4,77 1,53 1,63 46,2 214
    Ref NEIN NEIN L 620 - 365 339 480 1,47 3,34 1,63 1,71 38,0 173
    Q 382 362 500 1,55 3, 68 1,53 1,63 40,4 191
    Tabelle 3 (Blechdicke 0,35 mm)
    Stahl Erfindungsgemäß? Warmbandglühung? Probenrichtung THaspel Tlow ReH ReL Rm 50 Hz 400Hz 1kHz
    P1,0 P1,5 J2500 J5000 P1,0 P1,0
    [°C] [°C] [MPa] [MPa] [MPa] [W/kg] [W/kg] [T] [T] [W/kg] [W/kg]
    TiP JA NEIN L 620 700 430 415 579 1,77 3,74 1,55 1,65 26,4 112
    Q 456 442 603 1,62 3,71 1,52 1,62 23,0 94
    Ref NEIN NEIN L 620 - 350 331 466 1,26 3,06 1,57 1,66 23,6 100
    Q 359 344 453 1,28 3,22 1,54 1,63 23,2 99
    Tabelle 4
    Variante Si Al Mn C N S Ti P
    TiP2 3,05 0,689 0, 155 0,0036 0,0021 0,0008 0,173 0,115
    Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, Angaben in Gew.-%
    Tabelle 5 (Blechdicke 0,35 mm - Kurzzeitglühung - Variante 1)
    Tmax1 tG1 Tmax2 tG2 Probenrichtung ReH Rel oder Rp0,2 Rm 50 Hz 400 Hz 1 kHz
    P1,0 P1,5 J2500 J5000 P1,0 P1,0
    [°C] [S] [°C] [S] [MPa] [MPa] [MPa] [W/kg] [W/kg] [T] [T] [W/kg] [W/kg]
    1070 55 700 50 L 448 442 608 1,60 3,9 1,54 1,63 20,5 79
    Q 474 471 636 2,24 4,81 1,49 1,58 25,3 92
    1100 40 700 50 L 439 582 1,25 3,13 1,54 1,63 18,5 76
    Q 468 600 1,77 3,87 1,48 1,58 22,9 88
    Tabelle 6 (Blechdicke 0,35 mm - Kurzzeitglühung mit anschließender Langzeitglühung)
    TmaxH tGH Probenrichtung ReH Rel oder Rp0,2 Rm 50 Hz 400 Hz 1 kHz
    P1,0 P1,5 J2500 J5000 P1,0 P1,0
    [°C] [h] [MPa] [MPa] [MPa] [W/kg] [W/kg] [T] [T] [W/kg] [W/kg]
    620 5 L 484 478 640 1,68 4,03 1,55 1,65 22,2 86
    Q 513 511 654 2,24 4,91 1,5 1,6 26,6 99
    Tabelle 7 (Blechdicke 0,35 mm - Langzeitglühung - Variante 2)
    TmaxH tGH Probenrichtung ReH Rel oder Rp0,2 Rm 50 Hz 400 Hz 1 kHz
    P1,0 P1,5 J2500 J5000 P1,0 P1,0
    [°C] [h] [MPa] [MPa] [MPa] [W/kg] [W/kg] [T] [T] [W/kg] [W/kg]
    620 5 L 753 724 866 3,83 8,4 1,52 1,62 39,1 128
    Q 814 801 919 4,35 9,45 1,44 1,55 43,6 -
    700 5 L 666 615 781 3,43 7,62 1,54 1,63 36,3 121
    Q 705 668 823 3,87 8,51 1,45 1,55 39,3 131
    740 5 L 614 567 739 3,39 7,63 1,54 1,64 36,2 123
    Q 657 609 777 3,86 8,65 1,47 1,58 40 136
    840 5 L 560 524 686 3,62 7,96 1,55 1,65 38,5 128
    Q 602 560 712 3,97 8,61 1,5 1,6 42,0 -
    Tabelle 8 (Blechdicke 0,35 mm - Kurzzeitglühung - Variante 3)
    TmaxD tGD Probenrichtung ReH Rel oder Rp0,2 Rm 50 Hz 400 Hz 1 kHz
    P1,0 P1,5 J2500 J5000 P1,0 P1,0
    [°C] [s] [MPa] [MPa] [MPa] [W/kg] [W/kg] [T] [T] [W/kg] [W/kg]
    900 60 L 585 541 713 4,06 8,62 1,54 1,63 42,1 143
    Q 627 589 770 4,38 9,36 1,47 1,57 43,8 145
    800 80 L 630 606 790 4,06 8,69 1,52 1,61 41,7 140
    Q 672 667 843 4,39 9,5 1,45 1,55 43,8 142
    700 150 L - 735 878 4,5 9,68 1,51 1,61 44,9 145
    Q - 832 926 5,09 10,98 1,43 1,54 48,7 154

Claims (15)

  1. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech für elektrotechnische Anwendungen, hergestellt aus einem Stahl, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen aus (in Gew.-%)
    Si: 1,0 - 4,5 %,
    Al: bis zu 2,0 %,
    Mn: bis zu 1,0 %,
    C: bis zu 0,01 %,
    N: bis zu 0,01 %,
    S: bis zu 0,012 %,
    Ti: 0,1 - 0,5 %,
    P: 0,1 - 0,3 %
    besteht, wobei für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1 , 0 ≤ % Ti / % P ≤ 2 , 0.
    Figure imgb0003
  2. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1 , 43 ≤ % Ti / % P ≤ 1 , 67.
    Figure imgb0004
  3. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Si-Gehalt 2,4 - 3,4 Gew.-% beträgt.
  4. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein C-Gehalt höchstens 0,006 Gew.-% beträgt.
  5. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein N-Gehalt höchstens 0,006 Gew.-% beträgt.
  6. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein S-Gehalt höchstens 0,006 Gew.-% beträgt.
  7. Nicht kornorientiertes Elektroband oder -blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Ummagnetisierungsverlust P1,0/400 bei einer Polarisation von 1,0 Tesla und einer Frequenz von 400 Hz bei einer Dicke des Elektrobands oder -blechs von 0,5 mm höchstens 65 W/kg und bei einer Dicke von 0,35 mm höchstens 45 W/kg beträgt.
  8. Bauteil für elektrotechnische Anwendungen, hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 beschaffenen Elektroband oder -blech.
  9. Verfahren zum Erzeugen eines nicht kornorientierten Elektrobands oder -blechs, bei dem folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:
    a) Bereitstellen eines Warmbands, das aus einem Stahl besteht, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen aus (in Gew.-%)
    Si: 1,0 - 4,5 %,
    Al: bis zu 2,0 %,
    Mn: bis zu 1,0 %,
    C: bis zu 0,01 %,
    N: bis zu 0,01 %,
    S: bis zu 0,012 %,
    Ti: 0,1 - 0,5 %,
    P: 0,1 - 0,3 %
    besteht, wobei für das Verhältnis %Ti/%P des Ti-Gehalts %Ti zum P-Gehalt %P gilt 1 , 0 ≤ % Ti / % P ≤ 2 , 0 ;
    Figure imgb0005
    b) Kaltwalzen des Warmbands zu einem Kaltband und
    c) Schlussglühen des Kaltbands.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltband beim Schlussglühen eine im Durchlaufofen absolvierte zweistufige Kurzzeitglühung durchläuft, bei der das Kaltband
    d.1) zunächst in einer ersten Glühstufe über eine Glühdauer von 1 - 100 s bei einer Glühtemperatur von mindestens 900 °C und höchstens 1150 °C und anschließend
    d.2) in einer zweiten Glühstufe über eine Glühdauer von 30 - 120 s bei einer Glühtemperatur von 500 - 850 °C geglüht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltband nach der zweiten Stufe der Kurzzeitglühung einer sich über eine Glühdauer von 0,5 - 20 h erstreckenden Langzeitglühung bei einer Glühtemperatur von 550 - 660 °C in einem Haubenofen unterzogen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlussglühung des Kaltbands als Kurzzeitglühung durchgeführt wird, bei der das Kaltband im Durchlaufofen für 20 - 250 sec bei einer Glühtemperatur von 750 - 900 °C geglüht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlussglühen als eine Langzeitglühung durchgeführt wird, bei der das Kaltband im Haubenofen über eine 0,5 - 20 h dauernde Glühdauer bei einer Glühtemperatur von 600 - 850 °C geglüht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlussglühen zusätzlich eine nach der Langzeitglühung durchgeführte Kurzzeitglühung umfasst, bei der das Kaltband über eine Glühdauer von 20 - 250 sec bei einer Glühtemperatur von 750 - 900 °C einen Durchlaufofen durchläuft.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltband zwischen der Langzeitglühung und der Kurzzeitglühung einer Umformung mit einem Verformungsgrad von mindestens 0,5 % und höchstens 12 % unterzogen wird.
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