NL9101722A - Ijzer- en siliciumhoudende plaat voor elektrische toepassingen en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

IJZER- EN SILICIUMHOUDENDE PLAAT VOOR ELEKTRISCHE TOEPASSINGEN EN WERKWIJZE VOOR HET VERVAARDIGEN DAARVAN

Door aanvraagster wordt als uitvinder genoemd:

Dr. Ir. Huibert Willem DEN HARTOG te NOORDWIJKERHOUT

De uitvinding heeft betrekking op een ijzer- en siliciumhoudende plaat voor elektrische toepassingen. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een ijzer- en siliciumhoudende plaat voor elektrische toepassingen.

Het is uit de praktijk bekend om staalplaat voor elektrische toepassingen te legeren met silicium om de vermogensverliezen bij wisselstroom te verminderen. Deze verliezen bestaan uit twee componenten namelijk de verliezen als gevolg van wervelstromen (eddy currents) en de hysteresisverliezen. De wervelstroomverliezen nemen bij toenemend siliciumgehalte in het staal sterk af; de hysteresisverliezen zijn afhankelijk van verontreinigingen in het staal en onregelmatigheden in de kristalstructuur van het staal en nemen door legeren met silicium wat toe.

De staalplaat wordt, eveneens om de vermogensverliezen te verminderen, veelal toegepast in de vorm van vlakke of cilindrische plaatpakketten. Bij kleinere dikte van de staalplaat nemen de wervelstroomverliezen sterk af.

Het huidige optimum in siliciumgehalte en dikte van de staalplaat wordt echter niet alleen bepaald door de vermogensverliezen maar hierbij spelen ook andere factoren een rol. Bij de bekende staalplaat voor elektrische toepassingen wordt de' dikte door walsen verkregen, dat wil zeggen het is een walsprodukt.

Bij een siliciumgehalte van meer dan 3h a 4% wordt het staal zeer moeilijk koudwalsbaar; het kan dan alleen nog warmgewalst worden. Tevens wordt het staal bros en daardoor moeilijk verwerkbaar bijvoorbeeld bij het stansen van lamellen.

Bij kleinere diktes lopen de walskosten op waardoor de dikte mede door economische factoren wordt bepaald.

Bij bepaalde toepassingen zijn er grenzen aan de dikte van de toe te passen staalplaat in verband met de stapelbaarheid van de pakketten en de gewenste structurele stijfheid daarvan.

In de praktijk wordt er onder de bovengenoemde omstandigheden geen staalplaat voor elektrische toepassingen met een siliciumgehalte van meer dan 3h a 4% en met een dikte van minder dan 0,15 mm op industriële schaal vervaardigd.

De uitvinding heeft ten doel deze situatie te doorbreken en een plaat te verschaffen met een hoog siliciumgehalte en/of een kleine dikte, die op economische wijze op industriële schaal vervaardigd kan worden en die bij elektrische toepassingen een laag vermogensverlies geeft.

Dit wordt bij de uitvinding bereikt doordat de plaat bestaat uit materiaal met de volgende samenstelling: 0,1 - 8% metallisch silicium rest ijzer en verontreinigingen, waaronder waterstof.

In deze kenmerkende samenstelling van de plaat volgens de uitvinding ontbreken opvallend de voor staalbereiding kenmerkende elementen zoals C, Mn, Al, P en S, terwijl als verontreiniging als gevolg van het bij de vervaardiging toegepaste proces kenmerkend waterstof aanwezig is. Het voordeel van deze samenstelling is dat de plaat zeer zuiver is waardoor de hysteresisverliezen laag zijn.

Bij voorkeur is de dikte van de plaat volgens de uitvinding kleiner dan 0,5 mm en meer bij voorkeur kleiner dan 150 μπι. Kleine diktes zijn volgens de uitvinding gemakkelijk te maken en lenen zich bij de uitvinding beter voor het verkrijgen van het siliciumgehalte.

De werkwijze voor het vervaardigen van de ijzer- en siliciumhoudende plaat omvat in combinatie de stappen van het vervaardigen van ijzerfolie door middel van elektrodepositie en van het aanbrengen van een siliciumgehalte in de ijzerfolie door diffusie van silicium in de ijzerfolie bij hoge temperatuur. Met andere woorden de dikte van de plaat wordt niet door middel van een wals-proces maar door een elektrodepositieproces verkregen. Hierdoor wordt de bij door walsen verkregen staalplaat voor elektrische toepassingen bestaande technische en economische beperking tot grotere diktes doorbroken. De door elektrodepositie verkregen oppervlakte van de plaat is zeer geschikt voor stapeling.

Het gewenste siliciumgehalte in de plaat wordt verkregen door diffusie van silicium in de ijzerfolie bij hoge temperatuur. Op grond van de diffusiesnelheid van silicium in ijzer kan worden berekend dat de temperatuur bij het gloeien voor de diffusie voor het verkrijgen van aanvaardbare procestijden groter dan 1000 °C dient te zijn. Bij de diffusie vindt echter ook initieel diffusie langs de korrelgrenzen in de ijzerfolie plaats. Deze diffusie is bij een lagere temperatuur sneller dan de diffusie van silicium in ijzer.

In een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het te diffunderen silicium verschaft door deeltjes silicium, die in gedispergeerde toestand aanwezig zijn in een elektrolyt dat wordt gebruikt bij het door elektrodepositie vervaardigen van de ijzerfolie en die gelijktijdig met de elektrodepositie van het ijzer bij het vervaardigen van de ijzerfolie worden ingebed in de ijzerfolie. Het voordeel hiervan is dat het silicium voor de diffusie reeds tot op zekere hoogte homogeen verdeeld in de plaat aanwezig is, zodat ten opzichte van de hierna te bespreken uitvoeringsvormen van de uitvinding de diffusie in kortere tijd kan plaatsvinden en derhalve de gloeiduur korter kan zijn.

In een tweede uitvoeringsvorm wordt het te diffunderen silicium in een CVD (Chemical Vapour Deposition) proces verkregen uit een siliciumhoudende damp waar doorheen de ijzerfolie wordt gevoerd. Opgemerkt wordt dat het uit JP 62-227035 (A) bekend is het silicium-gehalte in staalplaat door diffusie tot 6¾% te verhogen. Hierbij wordt echter uitgegaan van 3% siliciumhoudende gewalste staalplaat.

In een derde uitvoeringsvorm wordt het te diffunderen silicium verkregen uit een laag siliciumhoudend materiaal, die met PVD (Physical Vapor Deposition) op het oppervlak van de ijzerfolie is aangebracht.

In een vierde uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het te diffunderen silicium in de ijzerfolie verschaft door silicium dat door sputteren/implanteren in een laag onder het oppervlak van de ijzerfolie wordt gebracht.

Bij voorkeur vindt de diffusie van het silicium aan de rol plaats door stolpgloeien. Dit geeft een homogeen produkt van constante kwaliteit.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening.

Fig. 1 toont een blokschema van de werkwijze voor het vervaardigen van ijzerhoudende plaat voor elektrische toepassingen volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont een inrichting voor het vervaardigen van ij zerfolie.

De werkwijze voor het vervaardigen van ijzerhoudende plaat voor elektrische toepassingen volgens de uitvinding omvat zoals getoond in fig. 1 twee stappen namelijk stap I het vervaardigen van ijzerfolie door middel van elektrodepositie; stap II het vervaardigen van de ijzer silicium legering door diffusie van silicium in de ijzerfolie.

Een inrichting voor het uitvoeren van stap I is getoond in fig. 2. In deze figuur is 3 een met stroombron 5 verbonden en als kathode geschakelde trommel die over een deel van zijn omtrek door de eveneens met stroombron 5 verbonden anode 4 wordt omvat. Tussen kathode en anode is er een spleet die bij de aangegeven draairichting van trommel 3 aan zijn uittree-einde wordt gevuld met elektrolyt uit nozzle 6. In de spleet vindt elektrodepositie van ijzer uit het elektrolyt op trommel 3 plaats. Het op trommel 3 neergeslagen ijzer wordt in de vorm van een folie 1 van de trommel 3 afgenomen en afgevoerd. Verbruikt elektrolyt wordt in bak 7 opgevangen en bij 8 afgevoerd. Op deze wijze kan een ijzerfolie worden verkregen met een dikte vanaf ongeveer 10 pm met een zeer goede handvorm.

De bovengenoemde stappen I en II worden na elkaar uitgevoerd. Stap II valt eigenlijk uiteen in twee deelstapppen namelijk stap Ha het aanbrengen van een siliciumvoorraad in de ijzerfolie of op het oppervlak van de ijzerfolie en stap Ilb het vervaardigen van de ijzer silicium legering door diffusie van de siliciumvoorraad in de ijzerfolie.

Stap Ilb wordt bij een zodanige temperatuur en gedurende een zodanige tijd uitgevoerd dat er een verdeling van het silicium in het ijzerfolie wordt verkregen. Bij het gloeien worden temperaturen van ten minste 1000 °C toegepast.

i

Claims (9)

1. IJzer- en siliciumhoudende plaat voor elektrische toepassingen bestaande uit materiaal met de volgende samenstelling: 0,1 - 8% metallisch silicium rest ijzer en verontreinigingen, waaronder waterstof.

2. Plaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de dikte < 0,5 mm.

3. Plaat volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de dikte < 150 μια.

4. Werkwijze voor het vervaardigen van de ijzer- en siliciumhoudende plaat voor elektrische toepassingen volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat hij in combinatie omvat de stappen van het door middel van elektrodepositie vervaardigen van ijzerfolie en van het aanbrengen van een siliciumgehalte in de ijzerfolie door diffusie van silicium in de ijzerfolie bij hoge temperatuur.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het te diffunderen silicium wordt verschaft door deeltjes silicium, die in gedispergeerde toestand aanwezig zijn in een elektrolyt dat wordt gebruikt bij het door elektrodepositie vervaardigen van de ijzerfolie en die gelijktijdig met de elektrodepositie van het ijzer bij het vervaardigen van de ijzerfolie worden ingebed in de ijzerfolie.

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het te diffunderen silicium wordt verkregen uit een siliciumhoudende damp waar doorheen de ijzerfolie wordt gevoerd (CVD-proces).

7. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het te diffunderen silicium wordt verschaft door een laag silicium-houdend materiaal, die op het oppervlak van de ijzerfolie wordt aangebracht (PVD-proces).

8. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het te diffunderen silicium in de ijzerfolie wordt verschaft door silicium dat door sputteren/implanteren in een laag onder het oppvervlak van de ijzerfolie wordt gebracht.

9. Werkwijze volgens conclusies 5-8, met het kenmerk, dat de diffusie van silicium aan de rol plaatsvindt door stolpgloeien.