Opis patentowy opublikowano: 15,10.1984 123839 Int. CI.»C21D 1/78 H01F 1/04 Twórcy wynalazku: Pat Aloysius Santoli, Howard Everett Baybrook Uprawniony z patentu: AUegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh (Stany Zjednoczone Ameryki) Sposób obróbki stali krzemowej Przec1miotem wynalazku jest sposób obróbki stali krzemowej.Znane sa z opisów patentowych Stanów Zjednoczo¬ nych Ameryki nr.nr. 2 867 557, 2 599 340, 3 933 024 procesy wytwarzania blach ze stali krzemowej. W pro¬ cesach tych wlewek nagrzewa sie do temperatury od okolo 870° do 1315°C, a nastepnie walcuje sie na goraco na tasme o grubosci od okolo 1,5 mm do 4 mm. Material ten jest czesto nazywany tasma walcowana na goraco, zasjego grubosc jest okreslana jakogrubosc tasmy walco¬ wane) na goraco. Po operacji walcowania na goraco tasma jest poddawana wyzarzaniu, trawieniu, suszeniu, obróbce w oleju oraz nawijaniu. Nastepnie tasma walco¬ wana na goraco jest poddawana okrawaniu krawedzi oraz walcowaniu na zimno powodujacemu dalsze zmniej¬ szenie jej grubosci. Zwykle grubosc tasmy ulega zmniej¬ szeniu do grubosci posredniej okolo 0,5 mm do 1 mm w pierwszej operacji walcowania na zimno.Operacje walcowania na zimno prowadzi sie zwykle w walcowni, takiej jak walcownia majaca od trzech do pieciu walcarek, w pojedynczej walcarce nawrotnej lub w podobnej walcarce. Tasma jest nastepnie walcowana na zimno na grubosc ostateczna w drugiej operacji wal¬ cowania na zimno, która równiez mozna przeprowa¬ dzic w podobnej walcowni. Grubosc ostateczna tasmy ze stali krzemowe) wynosi zwykle od okolo 0,15 do 0,45 mm. Po walcowaniu na grubosc ostateczna tasme zwykle odwegla sie, naklada sie na nia powloke i poddaje ^wyzarzaniu. 10 15 20 25 30 Walcowanie tasmy walcowanej na goraco na grubosc ostateczna jest realizowane w dwóch oddzielnych przej¬ sciach walcowania na zimno poniewaz czynniki takie jak wymagania mocy, rodzaj uzytego mechanizmu napedo¬ wego, srednice walców roboczych i tym podobne unie¬ mozliwiaja walcowanie w jednym przejsciu. Dlatego tez zwykle stosuje sie walcowanie na zimno tasmy walco¬ wanej na goraco na grubosc posrednia oraz dalsze walco¬ wanie na zimno tasmy o grubosci posrednie; na grubosc ostateczna na tej samej lub podobne) walcarce. Tasme poddaje sie obróbce cieplne) pomiedzy operacjami posredniego i ostatecznego walcowania na zimno.Zgodnie z opisem patentowym St. Zjedn. Ameryki nr 3 843 422 posrednia obróbka cieplna obejmuje nagrzewa¬ nie materialu do temperatury okolo 940*C w czasie dostatecznym aby uzyskac rekrystalizacjie struktury ziarnistej. Przyjeto, ze taka obróbka cieplna jest koniecz¬ na w celu usuniecia wysokich naprezen szczatkowych, powstajacych w materiale podczas pierwszej operacji walcowania na zimno.Bez obróbki cieplnej tasma ulegal?by pekaniu lub rozdzieleniu zwlaszcza w kierunku wzdluznym walco¬ wania, pod dzialaniem sil walcowania podczas operacji ostatecznego walcowania na zimno. Operacja wyzarzania posredniego która mozna nazwac obróbka cieplna rekry¬ stalizacja, uwalnia naprezenia powstale w materiale pod¬ czas pierwszej operacji walcowania na zimno umozliwia* jac dalsze walcowanie na zimno materialu poddanego rekrystalizacji* 123 839123 839 3 Stwierdzono, ze posrednie wyzarzanie jest korzystne dla wiekszosci blach lecz pochlania znaczne ilosci energii potrzebnej do uzyskania temperatury zapewniajacej rekrystalizacje materialu. Chociaz obróbka cieplna umo¬ zliwia dalsze walcowanie na zimno, przez usuniecie na- 5 prezen szczatkowych, uznano za konieczne poddanie rekrystalizacji struktury ziaren materialu podczas tej obróbki w celu utrzymania wlasciwosci magnetycznych gotowej tasmy.W stalach o wysokiej przenikliwosci magnetycznej* nie stosuje sie obróbki cieplnej, rekrystalizujacej na zadnym etapie pomiedzy operacja walcowania na goraco a obFolBEa ostateczna; tasmy. Jednakze przy dwóch lub wiecej'operacjach wakowania, wystepuje czesto pekanie tasmy oraz zmniejszenie |wydajnosci procesu, z uwagi nak^ucl^cjajaterialu. J Z|odnie ze sposobem»Wedlug wynalazku nagrzewa sie tasme pomiedzy operacja posredniego i ostatecznego walcowania na zimno do temperatury od okolo 150°C do 595 °C w czasie od okolo 30 sekund do 60 minut, w atmosferze nieutleniajacej, korzystnie w czasie od okolo 30 sekund do 10 minut.Sposób wedlug wynalazku umozliwia zachowanie wysokich wlasciwosci magnetycznych walcowanej stali krzemowej.Wyzarzanie posrednie tasmy zapewnia uwolnienie wysokich naprezen szczatkowych, powstajacych w czasie operacji posredniego walcowania na zimno. Jednakze wyzarzanie takie prowadzi sie w tak wysokich tempera¬ turach, ze powoduje ono rekrystalizacje tasmy.Sposób wedlug wynalazku przewiduje dwie oddzielne operacje walcowania na zimno. Sposobem tym walcuje sie stale stopowe zelazo-krzemowe takie jak stale krze¬ mowe o zorientowanych ziarnach, majace zawartosc krzemu od 2% do 5%, a korzystnie od 3,0% do 3,50%.Stale krzemowe wykazuje zwiekszona opornosc elek¬ tryczna, oraz wysoka przenikalnosc magnetyczna po wyzarzaniu. Stale te sa uzywane w postaci tasmy na rdzenie transformatorów. Przy uzyciu jako rdzenie trans¬ formatorów materialy wykazuja zmniejszona stratnosc rdzenia. Zachowanie wlasciwosci magnetycznych, takich jak przenikliwosc magnetyczna, mozna osiagnac sto¬ sujac sposób wedlug wynalazku.Proces walcowania na goraco stali na tasme jes* dobrze znany w stanie techniki. Walcowanie na goraco wlewków stalowych, nagrzanych do okolo 870 °C— 1315 °C powoduje gniot materialu na tasme o grubosci od 1,5 do 4,0 mm.Przy wytwarzaniu tasmy, gniot ostateczny uzyskuje sie w procesie walcowania na zimno. Walcowanie na zimno tasmy obejmuje przepuszczenie nieogrzanego materialu przez walce w celu dalszego zmniejszenia grubosci materialu.Gniot na zimno uzyskuje sie w wielu oddzielnych operacjach, przykladowo w wielu przejsciach tasmy przez walcownie posobna. Gniot na zimno wynosi zwykle od okolo 25 do 90% wyjsciowej grubosci tasmy. W szcze¬ gólnosci tasme walcowana na goraco o grubosci od 1,5 do 4,0 mm poddaje sie gniotowi w operacji posredniego walcowania na zimno do grubosci od 0,5 do 1,0 mm, przy czym tasma ulega dalszemu gniotowi od 0,15 do 0,45 mm w operacji ostatecznego walcowania na zimno. 4 Tasme poddaje sie posredniej obróbce cieplnej rekrysta¬ lizujacej, lub wyzarzaniu, pomiedzy operacjami posred¬ niego i ostatecznego walcowania na zimno, aby umozli¬ wic ostateczne walcowanie na zimno bez uszkodzen 5 tasmy. Bez posredniej obróbki cieplnej kolejna operacja walcowania na zimno powoduje uszkodzenia tasmy w postaci pekniec i rozwarstwien w kierunku wzdluz¬ nym i/lub poprzecznym walcowania, pod dzialaniem sil kolejnej operacji walcowania na zimno.Zgodnie ze sposobem wedlug wynalazku material jest nagrzewany do temperatury, która wspomaga na¬ wrót struktury po walcowaniu na zimno, oraz uwalnia naprezenia szczatkowe powstale podczas operacji walco¬ wania na zimno. Waznym jest aby temperatura obróbki cieplnej nie byla dostateczna aby umozliwic rekrystali¬ zacje materirlu.Zastosowanie temperatur w zakresie od 150 °C do 595 °C z?pewnia obróbke cieplna, która pozwala na osta¬ teczne walcowanie na zimno materialu bez uszkodzenia t?smy. Znane stale krzemowe o zorientowanych ziar¬ nach ulegaja rekrystalizacji w wyniku wygrzewania w temperaturach powyzej 620 °C, od 30 do 45 sekund.Chociaz temperatura posredniej obróbki cieplnej nie powinna przekraczac 595 °C, przekroczenie tej tempera¬ tury w krótkim czasie mniejszym niz 10% calkowitego czasu obróbki cieplnej, nie pozwala na rekrystalizacje materialu. Czas trwania posredniej obróbki cieplnej wynosi korzystnie od 30 sekund do 60 minut, przy wy¬ maganych temperaturach, zapewniajac uzyskanie nawro¬ tu struktury walcowanej na zimno, oraz uwolnienie stali od naprezen. Czas oraz temperatury zmieniaja sie od¬ wrotnie proporcjonalnie wzgledem siebie.Stwierdzenie czy nawrót oraz uwolnienie naprezen nastapilo w wyniku obróbki cieplnej jest mozliwe po przeprowadzeniu testów na próbkach stali krzemowej.Próby rozciagania wskazuja zwiekszenie calkowitej wy¬ trzymalosci na rozciaganie w wyniku obróbki cieplnej.Próba polega na rozciaganiu jednego konca próbki z pred¬ koscia okolo 250 mm/s, przy odpowiednim ksztalcie próbki. Rozmiary próbki sa nastepujace: calkowita dlugosc 140 mm, szerokosc okolo 32 mm., przy kol¬ nierzach znajdujacych sie na kazdym koncu próbki.Kolnierze lacza sie stozkowo, o promieniu 32 mm, ze srodkowa czescia o zmniejszonej srednicy, o dlugosci 6,4 mm, szerokosci 6,4 mm. Mozna równiez stwierdzic czy nastapil nawrót struktury walcowanej na zimno obserwujac próbke materialu poddanego obróbce ciepl¬ nej pod mikroskopem elektronowym. Powiekszenie okolo 20 000 razy wskazuje zmiany struktury odpowiada¬ jace procesowi nawrotu.Zaobserwowane zmiany powinny obejmowac zmniej¬ szenie gestosci dyslokacji oraz rozmieszczenie dyslokacji w ukladzie geometrycznym w sieci wielokatnej o nie¬ wielkim kacie na granicy ziaren. Katy mniejsze niz 20° wskazuja na nawrót bez rekrystalizacji, zas wysokie katy wskazuja na wysokie temperatury wyzarzania, które po¬ woduja rekrystalizacje.Stwierdzenie czy ziarna materialu ulegly rekrystali¬ zacji jest mozliwe w wyniku obserwacji materialu, pod mikroskopem elektronowym, przy powiekszeniu okolo 10000 razy. Rekrystalizacja niewielkiej ilosci ziaren nie wplywa niekorzystnie na material poddany obróbce^ cieplnej zgodnie z niniejszym wynalazkiem. 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60123 839 5 Tabli ca 1 »—' u o ^_l OT U V OT tur OT •"< 8 620/480 620/480 565/440 565/440 565/554 ^^ d 1 8 fc. a cta «co O 41 45,7 34,1 48,7 42,6 34,1 g. a »«o OT <-• OT •9 M «co O Pi o P ? 5 J. 0,60 0,60 0,66 0,66 0,66 •—• U o ?» 6 »«0 OT 4-1 dui 4-1 X* OT s 480 537 398 407 437 Czas trwania obróbki cieplnej 103 sek przy 480°G 20 sek. przy 537 °C 193 sek. przy 480°C 58 sek. przy 370°C 85 sek. przy 370°C 55 sek. przy 426°C 143 sek. przy 370°C 1 10 15 20 6 Wlasciwosci magnetyczne materialu porównano z po¬ dobna tasma, która nie byla poddana obróbce cieplnej w niskiej temperaturze, zgodnie z niniejszym wynalaz¬ kiem. Tablica 2 pokazuje wlasciwosci magnetyczne tasmy wedlug niniejszego wynalazku w porównaniu z wlasciwosciami magnetycznymi tasmy, wedlug stanu techniki, która byla poddawana walcowaniu na zimno bez posredniej obróbki cieplnej.Korzyscia wynikajaca z obróbki cieplnej wedlug wy¬ nalazku jest równiez zmniejszenie ilosci pekniec zwojów tasmy podczas ostatecznego walcowania na zimno. Przy wytwarzaniu tasmy wedlug wynalazku uzyskano 42,8% zwojów bez pekniec. Dla porównania tylko 18,5% zwo¬ jów tasmy walcowanej na zimno bez posredniej obróbki cieplnej nie mialo pekniec.Obróbka cieplna w niskiej temperaturze, zapewni* równiez wieksza plastycznosc krawedzi tasmy, co ulatwia ich okrawanie oraz zebranie scinków. Ponadto obróbka cieplna powoduje, ze tasma lezy bardziej plasko, ulat¬ wiajac obróbke krawedzioraz operacje walcowania, zapew- wniajac zwiekszenie predkosci ostatecznej operacji walcowania.Tablica 2 Wynalazek Stan techniki Wynalazek | Stan techniki Grubosc posrednia [mm] 0,60 0,60 0,66 0,66 Grubosc ostateczna [mm] , 0,28 0,28 0,28 0,28 Rozmiar próbki Ilosc zwojów 12 16 12 14 Wlasciwosci magnetyczne [W/kg] przy 1,7 T dobry koniec 1,58 1,49 1,45 1,46 niedobry koniec 1,64 1,53 1,52 1,58 H/m.10-6 przy 10 H niedobry koniec 2355 2375 2370 2362 Obróbke cieplna wedlug wynalazku nalezy przepro¬ wadzic w atmosferze nieutleniajacej. Korzystnie stosuje sie 100% azotu lub mieszanine wodoru i azotu, lub at¬ mosfere obojetna. Odtluszczanie oraz obróbke czyszczaca mozna przeprowadzic w miare potrzeby przed obróbka cieplna zapewniajaca nawrót oraz uwolnienie od napre¬ zen.Stosujac sposób wedlug wynalazku stal krzemowa o zorientowanych ziarnach, po opeiacji posredniego wal¬ cowania na zimno, poddano obróbce cieplnej w niskiej temperaturze zgodnie z niniejszym wynalazkiem. Obrób¬ ka cieplna zapewniajaca nawrót bez rekrystalizacji, obejmowala kolejne przepuszczenie tasmy przez siedem stref nagrzanych rurami promiennymi, a nastepnie przez jedenascie stref wygrzewania elektrycznego. Tem¬ peratury pieca pokazane w tablicy 1 wskazuja na tempe¬ ratury stref rur promiennych i stref wygrzewania elektrycznego. PL PL