WO2018019602A1 - Stahlband zur herstellung eines nichtkornorientierten elektroblechs und verfahren zur herstellung eines solchen stahlbandes - Google Patents

Stahlband zur herstellung eines nichtkornorientierten elektroblechs und verfahren zur herstellung eines solchen stahlbandes Download PDF

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steel
strip
hot
rolling
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Zacharias Georgeou
Frank Klose
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Salzgitter Flachstahl Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a steel strip for producing a non-grain oriented electrical steel sheet and a method for producing such a steel strip.
  • Materials for electrical sheets are z. B. from DE 101 53 234 A1 or DE 601 08 980 T2. They usually consist of an iron-silicon or iron-silicon-aluminum alloy, whereby a distinction is made between grain-oriented (KO) and non-grain-oriented (NO) electrical sheets and these are used for different applications.
  • KO grain-oriented
  • NO non-grain-oriented
  • aluminum and silicon are added to increase the strength and density, and in particular to increase the electrical resistance with as little magnetic change as possible
  • non-grain oriented electrical steel This is mainly used in generators, electric motors, contactors, relays and small transformers.
  • the ideal structure (microstructure) for a non-oriented (NO) electrical steel strip is a polycrystalline microstructure with particle sizes between 20 ⁇ m and 200 ⁇ m, the crystallites being aligned randomly in the plane of the sheet with the surface (100).
  • the magnetic properties of real non-oriented electrical steel in the sheet plane are slightly dependent on the magnetization direction.
  • the loss differences between the longitudinal and transverse directions are max. 10%.
  • Characteristics of non-oriented electrical steel are significantly influenced by the design of the hot forming, cold forming and
  • the magnetic properties of the electrical steel are essentially due to a high degree of purity, the content of silicon and aluminum (up to about 4% by mass) and targeted addition of others Alloy elements, such.
  • Alloy elements such as manganese, sulfur and nitrogen, and by
  • Hot rolling, cold rolling and annealing processes determined.
  • the common sheet thicknesses are in the range well below 1 mm, z. B. at 0.18 or 0.35 mm.
  • the material known from published patent application DE 101 53 234 A1 for a non-grain-oriented electrical steel sheet has an alloy composition in% by weight with C ⁇ 0.02%, Mn ⁇ 1.2%, Si 0.1-4.4% and Al 0.1 -4.4%.
  • By subsequent cold rolling a strip with a thickness of up to 0.2 mm can be achieved.
  • the patent DE 603 06 365 T2 discloses a material for a
  • Non-grain oriented electrical steel in wt% consisting of up to about 6.5% silicon, 5% chromium, 0.05% carbon, 3% aluminum, 3% manganese, balance iron and residues.
  • the steel strip is produced by a vertical strip casting process in which the liquid steel is fed into the casting gap of two counter-rotating, internally cooled casting rolls. The cast strip can then be hot and cold rolled to achieve strip thicknesses below 1 mm.
  • WO 2013/1 17184 A1 discloses a hot strip for producing a non-grain-oriented or grain-oriented electrical sheet, the hot strip consisting of the following alloy composition in% by weight: C: 0.001 to 0.08, Al: 4.8 to 20, Si: 0.05 to 10, B: up to 0.1, Zr: up to 0.1, Cr: 0.1 to 4, remainder iron and impurities caused by melting.
  • the hot strip is produced in such a way that the melt is first flow-smoothed in a horizontal strip casting plant and cast without bending to a preliminary strip in the range between 6 and 30 mm and then rolled to hot strip with a degree of deformation of at least 50%.
  • the hot strip can then be cold rolled to a thickness of up to 0.150 mm.
  • the known alloys for a non-grain-oriented electrical steel have the disadvantage that the magnetic properties, in particular the
  • Magnetizing current are dependent. In particular, rising at high frequencies and higher amplitudes hysteresis losses significantly, which adversely affects just in high-speed engines.
  • the object of the invention is to provide a steel strip for producing a non-grain-oriented electrical steel sheet which has significantly improved frequency-independent magnetic properties, in particular significantly reduced hysteresis losses, in comparison with known electrical steel sheets. Another object is to provide a manufacturing method for such a steel strip.
  • the steel strip according to the invention for producing a non-grain-oriented electrical steel sheet has the following alloy composition in% by weight:
  • Residual iron and impurities resulting from melting with optional addition of one or more elements of Cr, Mo, Zn and Sn,
  • the steel strip has an insulating layer consisting essentially of Al2O3 and / or S1O2 with a thickness in the range of 10 ⁇ to 100 ⁇ .
  • composition of the insulating layer essentially means that at least 50% of the insulating layer consist of Al2O3 or S1O2 or the sum of the two aforementioned components.
  • the thickness of the insulating layer in the range of 20 ⁇ to 100 ⁇ and particularly preferably in the range of 20 ⁇ to ⁇ .
  • the steel strip with the alloy composition according to the invention is characterized by significantly reduced hysteresis losses as well as a substantial amount
  • the with max. 12% high AI content causes a significant increase in electrical resistance and a corresponding reduction in the
  • the hot strip according to claim 16 is hot rolled at temperatures above 1000 ° C or higher, a very high degree of anti-scaling protection is present. Due to the exceptionally high levels of Al of up to 12% by weight or Si of up to 3.5% by weight, a dense, intrinsically formed insulating layer consisting essentially of Al 2 O 3 and / or forms on the surface of the heated sheet S1O2, which effectively reduces or even completely inhibits scaling of the iron in the steel. The thickness of the layer may also be advantageous by the temperature and the time of annealing, in particular the
  • the thickness of the layer increases with increasing temperature and time of annealing.
  • a layer thickness of at least ⁇ ⁇ , preferably of at least 20 ⁇ " ⁇ is achieved
  • this scale layer should not exceed a thickness of 100 ⁇ m, better ⁇ , thus the layer due to the brittleness, which also increases with increasing thickness, does not adversely affect the rolling ability due to flaking scale.
  • an additional insulation layer between the laminations of the plate pack can optionally be saved or significantly reduced. As a result, otherwise necessary insulation material can be saved, which reduces costs and the weight of the component.
  • An addition of Si causes an increase in the electrical resistance. In order to achieve an effect, a minimum content of 0.3 wt .-% is required according to the invention. At contents of more than 3.5% by weight of Si, the amount decreases
  • contents of from 1.0 to 3.0% by weight and preferably from 1.5 to 2.5% by weight are advantageously set.
  • the addition of Si and Al thereby provides an optimum in the selected alloy element contents
  • the content of carbon should be kept as low as possible in order to prevent magnetic aging caused by carbide precipitations in the finished steel strip. Low carbon contents lead to an improvement of the magnetic properties, since there are fewer defects in the material caused, for example, by the carbon atoms and carbides. Carbon contents of not more than 0.03% by weight have proven favorable.
  • manganese is contained in an amount of more than 0.25 to 10% by weight. Manganese increases the volume resistivity. In order to produce a corresponding effect, more than 0.25% by weight of manganese should be contained in the steel. To ensure easy further processing by hot and cold rolling, the manganese content should not exceed 10 wt .-% because of the formation of brittle phases. In this case, a negative effect of Mn on the rollability complex depends on the sum of the elements Al, Si and Mn.
  • a sum content of Mn + Al + Si of less than or equal to 20% by weight should be the upper limit for the rollability.
  • the Cu content should be more than 0.05 wt .-%. Not more than 3% by weight of Cu should be alloyed to the steel, otherwise the coagulation on the grain boundaries will deteriorate the workability and may cause solder cracking during hot rolling.
  • the addition of nickel has a positive effect in terms of reducing the
  • the minimum content should be above 0.01% by weight, but since nickel is a very expensive element, for economic reasons a maximum value of 5.0% by weight should not be exceeded.
  • the content of nickel is between 0.01 and 3.0 wt .-%.
  • the specific Volume resistance of the material can be influenced.
  • alloy variants Taking account of good hot and cold rollability, the following alloy variants have been found to be particularly favorable (% by weight): Al: 1 to 6
  • the mechanical properties can be inventively through the
  • Steel strips according to the invention have a strength Rm of 450 to 690 MPa, a yield strength Rp0.2 of 310 to 550 MPa and an elongation A80 of 5 to 30%.
  • Steel strip includes the steps:
  • Annealing temperature 550 to 800 ° C
  • Annealing time 20 to 80 min, followed by cooling in air
  • Annealing temperature 900 to 1080 ° C
  • annealing time 10 to 60 seconds with subsequent cooling in air to set an insulating layer consisting essentially of Al2O3 and / or S1O2 on the steel strip with a thickness in the range of 10 ⁇ to ⁇ ⁇ , preferably in the range of 20 ⁇ to ⁇ ⁇ , particularly preferably in the range 20 ⁇ to ⁇ , thereby.
  • Alloy composition has been used in steel making difficult to manufacture alloy variants, especially at elevated
  • the high degree of reduction is also necessary to destroy the microstructure, especially in high-Al alloys and thus to reduce the grains (grain refining).
  • higher Al contents therefore require correspondingly higher reduction rates.
  • the advantage of the proposed method is also to be seen in the fact that when using a horizontal strip casting Macroseiger Heidelberg and voids can be largely avoided due to very homogeneous cooling conditions in the horizontal strip casting.
  • receiving casting belt is supported on a plurality of adjacent rollers.
  • the support is reinforced in such a way that in the region of the casting belt, a negative pressure is generated, so that the casting belt is pressed firmly on the rollers.
  • the Al-rich or Si-rich melt solidifies in an almost oxygen-free casting atmosphere.
  • the length of the conveyor belt is chosen so that at the end of the
  • Conveyor belt before the deflection of the Vorband is largely solidified.
  • a homogenization zone which is used for temperature compensation and possible stress relief.
  • Rolling of the pre-strip to hot strip can be done either in-line or separately off-line.
  • the pre-strip Before off-line rolling, the pre-strip may be either directly hot-rolled or sliced into sheets after manufacture prior to cooling. The strip or sheet material is then reheated after eventual cooling and unwound for off-line rolling or reheated and rolled as a sheet.
  • the rolling of the hot strip to final thickness can by means of classical cold rolling at room temperature or according to the invention particularly advantageous at elevated Temperature be performed well above the room temperature.
  • finishing rolling is used below when a
  • Hot strip is finish rolled at elevated temperature with the required final thickness.
  • An advantage of finish rolling at elevated temperature is that it can significantly reduce the potential for edge cracking during rolling. Furthermore, this makes it possible to influence the electromagnetic properties in a wide field, for example via the grain size,
  • FIG. 1 shows three advantageous production paths.
  • THR hot rolling at temperatures between 1000 and 1 150 ° C
  • T 2C , T 3C final annealing for all route (900 to 1080 ° C, 10-60 s, air cooling), T 2A , T 2B , T 3A , T 3B : intermediate annealing for route 2 and 3 (550 to 800 ° C, 20 to 80 min), TR: finish rolling for route 3 at elevated temperatures of 350 to 570 ° C
  • the hot strip is at room temperature to the required
  • two-stage cold rolling in Route 2 can be used by first rolling to the desired final thickness with a thickness reduction of up to 60% at room temperature, then in a temperature range of 550 outsourced to 650 ° C for 40 to 60 min, and then the remaining 40% of the desired final thickness is again achieved by cold rolling.
  • a material, in particular with an increased Al content greater than 6% by weight or Al + Si in total greater than 6% by weight, which has edge cracks after the first cold rolling, can be produced according to Route 3 by finish rolling at elevated temperature. After heating in a temperature range of 350 to 600 ° C, preferably 350 to 520 ° C, is rolled, and then iteratively reheated in the aforementioned
  • alloys according to the invention Some results of alloys according to the invention will be described below. Alloys were tested according to Table 1, whereby only the essential elements were determined. The alloys 13, 17 and 22 are according to the invention and have been investigated in comparison to the non-inventive reference material Ref1.
  • Table 2 shows the mechanical properties of the alloys and the determined specific gravity of the materials. In addition to different mechanical properties
  • Properties can also be materials with different specific Generate densities, so that a variety of requirements for the materials of the invention can be realized.
  • Table 3 shows the results for measuring the frequency dependence of the magnetic flux density E on steel sheets having a thickness of 0.7 mm of the alloys under investigation. The measurements were carried out at frequencies f of 50, 200, 400, 750 and 1000 Hz. The results impressively demonstrate the extensive frequency independence of the magnetic flux density and thus the hysteresis losses in a periodic alternating field.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stahlband zur Herstellung eines nichtkornorientierten Elektroblechs. Um im Vergleich zu bekannten Elektroblechen deutlich verbesserte frequenzunabhängige magnetische Eigenschaften, insbesondere deutlich verringerte Hystereseverluste, zu erreichen, wird folgende Legierungszusammensetzung in Gew.% vorgeschlagen: C: ≤0,03, Al: 1 bis 12, Si: 0,3 bis 3,5, Mn: >0,25 bis 10, Cu: >0,05 bis 3,0, Ni: > 0,01 bis 5,0, Summe aus N, S und P: höchstens 0,07, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrere Elemente aus Cr, Mo, Zn und Sn, wobei das Stahlband eine Isolationsschicht im Wesentlichen bestehend aus Al2O3 und/oder SiO2 mit einer Dicke im Bereich von 10 µm bis 100 µm aufweist. Auch betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein solches Stahlband.

Description

Stahlband zur Herstellung eines nichtkornorientierten Elektroblechs und Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlbandes
Die Erfindung betrifft ein Stahlband zur Herstellung eines nichtkornorientierten Elektroblechs und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlbandes.
Werkstoffe für Elektrobleche sind z. B. aus der DE 101 53 234 A1 oder DE 601 08 980 T2 bekannt. Sie bestehen meist aus einer Eisen-Silizium- oder Eisen-Silizium- Aluminium-Legierung, wobei nach kornorientierten (KO) und nichtkornorientierten (NO) Elektroblechen unterschieden wird und diese für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Aluminium und Silizium werden insbesondere hinzugegeben, um einen Festigkeitsanstieg und eine Dichtereduktion und insbesondere einen Anstieg des elektrischen Widerstandes bei möglichst unveränderter magnetischer
Sättigungspolarisation zu erhalten.
Für Anwendungen im Elektromaschinenbau, bei denen der magnetische Fluss auf keine bestimmte Richtung festgelegt ist und deshalb gleich gute magnetische
Eigenschaften in allen Richtungen verlangt werden, erzeugt man üblicherweise Elektroband mit möglichst isotropen Eigenschaften, welches als nichtkornorientiertes (NO-) Elektroband bezeichnet wird. Dieses wird schwerpunktmäßig in Generatoren, Elektromotoren, Schützen, Relais und Kleintransformatoren eingesetzt.
Die ideale Struktur (Gefügeaufbau) für ein nichtkornorientiertes (NO-) Elektroband ist ein polykristallines Gefüge mit Korngrößen zwischen 20 μηη und 200 μηη, wobei die Kristallite regellos in der Blechebene mit der Fläche (100) ausgerichtet sind. In der Praxis sind jedoch die magnetischen Eigenschaften von realem nichtkornorientierten Elektroband in der Blechebene in geringem Umfang von der Magnetisierungsrichtung abhängig. So betragen die Verlustunterschiede zwischen Längs- und Querrichtung max. 10 %. Die Ausprägung einer hinreichenden Isotropie der magnetischen
Eigenschaften bei nichtkornorientiertem Elektroband wird wesentlich durch die Gestaltung des Fertigungsweges Warmumformung, Kaltumformung und
Schlussglühung beeinflusst.
Nach dem bekannten Stand der Technik werden die magnetischen Eigenschaften beim Elektroband wesentlich durch einen hohen Reinheitsgrad, den Gehalt an Silizium und Aluminium (bis ca. 4 Massenanteile in %) und gezielter Zugabe anderer Legierungselemente, wie z. B. Mangan, Schwefel und Stickstoff, sowie durch
Warmwalz-, Kaltwalz- und Glühprozesse bestimmt. Die gängigen Blechdicken liegen im Bereich deutlich unter 1 mm, z. B. bei 0,18 oder 0,35 mm. Der aus der Offenlegungsschrift DE 101 53 234 A1 bekannte Werkstoff für ein nichtkornorientiertes Elektroblech, weist eine Legierungszusammensetzung in Gew.- % mit C <0,02%, Mn <1 ,2%, Si 0,1 - 4,4% und AI 0,1 -4,4% auf. Es werden verschiedene Herstellungsverfahren, wie z. B. Dünnbrammen- oder Dünnbandgießen beschrieben, mit denen ein Warmband mit höchstens 1 ,8mm Dicke erzeugt werden kann. Durch anschließendes Kaltwalzen lässt sich ein Band mit einer Dicke von bis zu 0,2 mm erreichen.
Die Patentschrift DE 603 06 365 T2 offenbart einen Werkstoff für ein
nichtkornorientiertes Elektroblech in Gew.-%, bestehend aus bis zu etwa 6,5% Silizium, 5% Chrom, 0,05% Kohlenstoff, 3% Aluminium, 3% Mangan, Rest Eisen und Rückstände. Das Stahlband wird durch ein vertikales Dünnbandgießverfahren erzeugt, bei dem der flüssige Stahl in den Gießspalt zweier gegenläufig rotierender, innengekühlter Gießwalzen gegeben wird. Das gegossene Band kann dann warm- und kaltgewalzt werden, wobei Banddicken von unter 1 mm erreicht werden.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2013/1 17184 A1 ist ein Warmband zur Herstellung eines nichtkornorientierten oder kornorientierten Elektroblechs bekannt, wobei das Warmband aus folgender Legierungszusammensetzung in Gew.-% besteht: C: 0,001 bis 0,08, AI: 4,8 bis 20, Si: 0,05 bis 10, B: bis zu 0,1 , Zr: bis zu 0,1 , Cr: 0,1 bis 4, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Hergestellt wird das Warmband in der Weise, dass die Schmelze zunächst in einer horizontalen Bandgießanlage strömungsberuhigt und biegefrei zu einem Vorband im Bereich zwischen 6 und 30 mm vergossen und anschließend zu Warmband mit einem Umformgrad von mindestens 50 % gewalzt wird. Das Warmband kann anschließend auf eine Dicke von bis zu 0,150 mm kaltgewalzt werden.
Die bekannten Legierungen für ein nichtkornorientiertes Elektroblech weisen den Nachteil auf, dass die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die
Hystereseverluste, stark von der Frequenz und der Amplitude des
Magnetisierungsstroms abhängig sind. Insbesondere steigen bei hohen Frequenzen und höheren Amplituden die Hystereseverluste deutlich an, was sich nachteilig gerade bei schnelllaufenden Motoren auswirkt.
Es besteht deshalb ein Bedarf nach einem Stahlband aus einem nichtkornorientierten Werkstoff mit einem Legierungskonzept, welches die Verluste minimiert und diese auch bei hohen Frequenzen konstant niedrig hält.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Stahlband zur Herstellung eines nichtkornorientierten Elektroblechs anzugeben, welches im Vergleich zu bekannten Elektroblechen deutlich verbesserte frequenzunabhängige magnetische Eigenschaften, insbesondere deutlich verringerte Hystereseverluste aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Herstellungsverfahren für ein solches Stahlband anzugeben.
Das erfindungsgemäße Stahlband zur Herstellung eines nichtkornorientierten Elektroblechs weist folgende Legierungszusammensetzung in Gew.-% auf:
C: < 0,03
AI: 1 bis 12
Si: 0,3 bis 3,5
Mn: >0,25 bis 10
Cu: >0,05 bis 3,0
Ni: > 0,01 bis 5,0
Summe aus N, S und P: höchstens 0,07
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrere Elemente aus Cr, Mo, Zn und Sn,
wobei das Stahlband eine Isolationsschicht im Wesentlichen bestehend aus AI2O3 und/oder S1O2 mit einer Dicke im Bereich von 10μηι bis 100μηι aufweist.
Im Zusammenhang mit der Zusammensetzung der Isolationsschicht bedeutet im Wesentlichen, dass mindestens 50% der Isolationsschicht aus AI2O3 oder S1O2 oder der Summe der beiden vorgenannten Bestandteile bestehen.
Vorzugsweise ist die Dicke der Isolationsschicht im Bereich von 20μηι bis 100μηι und besonders vorzugsweise im Bereich von 20μηι bis δθμηη. Das Stahlband mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung zeichnet sich durch deutlich reduzierte Hystereseverluste sowie eine weitgehende
Unabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Frequenz des
Magnetisierungsstroms. Dadurch kann der Einsatzbereich dieses Werkstoffs unter energetischen und wirtschaftlichen Aspekten deutlich vergrößert werden,
insbesondere für schnelllaufende Elektromotoren und bei hohen Frequenzen des Magnetisierungsstroms.
Insbesondere der mit max. 12% hohe AI-Gehalt bewirkt eine deutliche Erhöhung des elektrischen Widerstands und eine entsprechende Verringerung der
Ummagnetisierungsverluste.
Durch die Zugabe von Aluminium von bis zu 12 Gew.-% wird zudem die spezifische Dichte des Stahls verringert, was sich positiv auf das Gewicht von sich drehenden Motorenteilen und die entstehenden Fliehkräfte gerade bei hohen Drehfrequenzen auswirkt.
Zudem wird durch Al-haltige Ausscheidungen im Stahl die Festigkeit deutlich gesteigert. Um entsprechende Effekte zu erzielen, wird der Mindestgehalt an
Aluminium auf 1 Gew.-% festgelegt. Höhere AI-Gehalte als 12 Gew.-% können jedoch durch Bildung geordneter Phasen zu Schwierigkeiten beim Kaltwalzen führen.
Vorteilhaft sind daher AI-Gehalte von bis zu 10 Gew.-% einzuhalten.
Obwohl das Warmband gemäß Patentanspruch 16 bei Temperaturen oberhalb von 1000°C oder höher warmgewalzt wird, ist ein sehr hoher Verzunderungsschutz vorhanden. Durch die außergewöhnlich hohen Gehalte an AI von bis zu 12 Gew.-% bzw. Si von bis zu 3,5 Gew.-% bildet sich auf der Oberfläche des erwärmten Bleches eine dichte, intrinsisch ausgebildete Isolationsschicht im Wesentlichen bestehend aus AI2O3 und/oder S1O2 aus, die eine Verzunderung des Eisens im Stahl wirksam verringert bzw. sogar vollständig hemmt. Die Dicke der Schicht kann zudem vorteilhaft durch die Temperatur und die Zeitspanne der Glühung, insbesondere der
abschließenden Glühung des Stahlbandes, worunter meist ein Kaltband zu verstehen ist, beeinflusst werden. Dabei nimmt mit zunehmender Temperatur und Zeitspanne der Glühung die Dicke der Schicht zu. In vorteilhafter Weise wird eine Schichtdicke von mindestens Ι Ομηη, bevorzugt von mindestens 20μη"ΐ, erzielt. Allerdings sollte diese Zunderschicht eine Dicke von 100 μηη, besser δθμηη, nicht überschreiten, damit die Schicht wegen der mit zunehmender Dicke ebenfalls zunehmenden Sprödigkeit, die Walzbarkeit durch abplatzenden Zunder nicht negativ beeinflusst.
Dadurch, dass diese Schicht in der weiteren Prozessierung des Bandes erhalten bleibt und elektrisch isolierend wirkt, kann eine zusätzliche Isolationsschicht zwischen den Blechlamellen des Lamellenpakets ggfs. eingespart oder deutlich verringert werden. Hierdurch kann ansonsten notwendiges Isolationsmaterial eingespart werden, was Kosten und das Bauteilgewicht reduziert. Eine Zugabe von Si bewirkt eine Steigerung des elektrischen Widerstandes. Um einen Effekt zu erzielen, ist erfindungsgemäß ein Mindestgehalt von 0,3 Gew.-% erforderlich. Bei Gehalten von mehr als 3,5 Gew.-% Si verringert sich die
Kaltwalzbarkeit, da der Werkstoff zunehmend spröder wird und sich vermehrt Kantenrisse am Stahlband zeigen. Vorteilhaft werden daher Gehalte von 1 ,0 bis 3,0 Gew.-% und bevorzugt von 1 ,5 bis 2,5 Gew.-% eingestellt. Die Zugabe von Si und AI stellt dabei in den ausgewählten Legierungselementgehalten eine optimale
Kombination aus Erhöhung des elektrischen Widerstandes und Verringerung der magnetischen Sättigungspolarisation dar. Der Gehalt an Kohlenstoff sollte so gering wie möglich gehalten werden, um ein magnetisches Altern, welches durch Carbid-Ausscheidungen verursacht wird, im fertigen Stahlband zu verhindern. Niedrige Kohlenstoffgehalte führen zu einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften, da weniger Fehlstellen im Material auftreten, die beispielsweise durch die Kohlenstoffatome und Karbide verursacht werden. Als günstig haben sich Kohlenstoffgehalte von maximal 0,03 Gew.-% ergeben.
In den erfindungsgemäßen Stählen ist Mangan in einer Menge von mehr als 0,25 bis zu 10 Gew.-% enthalten. Mangan erhöht den spezifischen Volumenwiderstand. Um einen entsprechenden Effekt zu erzeugen, sollten mehr als 0,25 Gew.-% Mangan im Stahl enthalten sein. Um eine problemlose Weiterverarbeitung durch Warm- und Kaltwalzen sicherzustellen, sollte der Mangangehalt wegen der Bildung spröder Phasen nicht über 10 Gew.-% liegen. Dabei hängt eine negative Wirkung von Mn für die Walzbarkeit komplex von der Summe der Elemente AI, Si und Mn ab. Vorteilhaft sollte ein Summengehalt aus Mn+Al+Si von kleiner gleich 20 Gew.-% als Obergrenze für die Walzbarkeit eingehalten werden.
Eine Zugabe von Kupfer erhöht ebenfalls den spezifischen Volumenwiderstand. Um einen entsprechenden Effekt zu erzielen, sollte der Cu-Gehalt mehr als 0,05 Gew.-% betragen. Es sollte nicht mehr als 3 Gew.-% Cu dem Stahl zulegiert werden, da ansonsten durch sich bildende Ausscheidungen auf den Korngrenzen die Walzbarkeit verschlechtert wird und möglicherweise Lotrissigkeit beim Warmwalzen auftreten kann. Die Zugabe von Nickel wirkt sich positiv im Hinblick auf eine Reduzierung der
Ummagnetisierungsverluste aus. Um einen entsprechenden Effekt zu erreichen, sollte der Mindestgehalt bei oberhalb von 0,01 Gew.-% liegen, aber da Nickel ein sehr teures Element ist, sollte aus wirtschaftlichen Gründen ein maximaler Wert von 5,0 Gew.-% nicht überschritten werden. Vorzugsweise liegt der Gehalt an Nickel zwischen 0,01 und 3,0 Gew.-%.
Mit den optionalen Zugaben von Chrom und Molybdän in Gehalten von 0,01 bis 0,5 Gew.-% in Summe bzw. Zugaben von Zink und Zinn von 0,01 bis 0,05 Gew.-% in Summe kann weiterhin vorteilhaft der spezifische Volumenwiderstand des Werkstoffs beeinflusst werden.
Unter Berücksichtigung einer guten Warm- und Kaltwalzbarkeit haben sich die folgenden Legierungsvarianten als besonders günstig herausgestellt (Gew.-%): AI: 1 bis 6
Si: 0,5 bis 1
Mn: >1 ,0 bis 7
Cu: >0,1 bis 2,0
Ni: > 0,1 bis 3,0 oder
AI: >6 bis 10
Si: 0,5 bis 0,8
Mn: >0,5 bis 3 Cu: >0,1 bis 2,5
Ni: > 0,1 bis 2,5 oder
AI: >6 bis 10
Si: 0,3 bis 0,5
Mn: >0,5 bis 2
Cu: >0,1 bis 0,5
Ni: > 0,1 bis 2,5
Erfindungsgemäß lassen sich mit diesen Legierungszusammensetzungen
Stahlbänder mit ähnlichen elektromagnetischen Eigenschaften mit einer spezifischen Dichte von 6,40 bis 7,30 g/cm3 erzeugen, um die Anforderungen an ein möglichst geringes spezifisches Gewicht des Stahlbandes zu erfüllen.
Die mechanischen Eigenschaften lassen sich erfindungsgemäß durch die
unterschiedlichen Legierungskonzepte ebenfalls in einem weiten Spektrum variieren. Erfindungsgemäße Stahlbänder weisen eine Festigkeit Rm von 450 bis 690 MPa, eine Streckgrenze Rp0,2 von 310 bis 550 MPa und eine Dehnung A80 von 5 bis 30 % auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Stahlbandes umfasst die Schritte:
- Erschmelzen einer Stahlschmelze mit einer vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung,
- Vergießen der Stahlschmelze zu einem Vorband mittels eines
endabmessungsnahen horizontalen oder vertikalen Bandgießverfahrens oder Vergießen der Stahlschmelze zu einer Bramme oder Dünnbramme mittels eines horizontalen oder vertikalen Brammen- oder Dünnbrammengießverfahrens,
- Wiedererwärmen der Bramme oder Dünnbramme auf 1050 °C bis 1250 °C und anschließendes Warmwalzen der Bramme oder Dünnbramme zu einem Warmband oder Wiedererwärmen des endabmessungsnah erzeugten Vorbandes auf 1000 °C bis 1 100 °C und anschließendes Warmwalzen des Vorbandes zu einem Warmband oder Warmwalzen des Vorbandes ohne Wiedererwärmen aus der Gießhitze zu einem Warmband mit optionalem Zwischenerwärmen zwischen den einzelnen Walzstichen des Warmwalzens,
- Aufhaspeln des Warmbandes bei einer Haspeltemperatur zwischen 850 °C und Raumtemperatur,
- Optionales Glühen des Warmbandes mit folgenden Parametern:
Glühtemperatur: 550 bis 800°C Glühdauer: 20 bis 80 min, anschließende Abkühlung an Luft
- Ein- oder mehrstufiges Fertigwalzen des Warmbandes oder des
endabmessungsnah erzeugten Vorbandes mit einer Dicke von kleiner 3 mm zu Stahlband mit einer Enddicke von minimal 0,10mm.
- anschließendes Glühen des Stahlbandes mit folgenden Parametern:
Glühtemperatur: 900 bis 1080 °C, Glühdauer: 10 bis 60 Sekunden mit anschließender Abkühlung an Luft zum Einstellen einer Isolationsschicht im Wesentlichen bestehend aus AI2O3 und/oder S1O2 auf dem Stahlband mit einer Dicke im Bereich von 10μηι bis Ι ΟΟμηη, vorzugsweise im Bereich von 20μηι bis Ι ΟΟμηη, besonders vorzugsweise von im Bereich 20μηι bis δθμηη, hierdurch.
Wenngleich im Grundsatz alle herkömmlichen Stahlherstellungsverfahren (zum Beispiel Stranggießen, Dünnbrammengießen oder Dünnbandgießen) für die
Herstellung eines Stahlbandes aus der erfindungsgemäßen
Legierungszusammensetzung geeignet sind, hat sich bei der Stahlherstellung schwieriger herzustellender Legierungsvarianten, insbesondere bei erhöhten
Gehalten an Mangan, Aluminium und Silizium, die Erzeugung des Stahlbandes in einer horizontalen Bandgießanlage bewährt, bei der die Schmelze strömungsberuhigt und biegefrei zu einem Vorband im Bereich zwischen 6 und 30 mm Dicke vergossen und anschließend zu Warmband mit einem Umformungsgrad von mindestens 50% in Dicken von etwa 0,9 bis 6,0 mm gewalzt wird.
Für den einzuhaltenden Mindestdickenreduktionsgrad beim Warmwalzen hat sich gezeigt, dass dieser mit steigendem AI-Gehalt ebenfalls erhöht werden sollte. So sind abhängig von der zu erreichenden Endbanddicke und vom AI-Gehalt
Reduktionsgrade von mehr als 50, 70 oder sogar mehr als 90% einzuhalten, um eine gemischte Struktur aus geordneten und ungeordneten Phasen zu erreichen. Der hohe Reduktionsgrad ist auch notwendig, um die Gefügestruktur besonders bei Hoch-Al- Legierungen zu zerstören und damit die Körner zu verkleinern (Kornfeinung). Höhere AI-Gehalte erfordern deshalb entsprechend höhere Reduktionsgrade.
Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist ebenfalls darin zu sehen, dass bei Verwendung einer horizontalen Bandgießanlage Makroseigerungen und Lunker aufgrund sehr homogener Abkühlbedingungen in der horizontalen Bandgießanlage weitgehend vermieden werden können.
Verfahrenstechnisch wird für den Bandgießprozess vorgeschlagen, die
Strömungsberuhigung dadurch zu erreichen, dass eine ein synchron oder mit optimaler Relativ-geschwindigkeit zum Band mitlaufendes Feld erzeugende mitlaufende elektromagnetische Bremse eingesetzt wird, die dafür sorgt, dass im Idealfall die Geschwindigkeit des Schmelzenzulaufs gleich der Geschwindigkeit des umlaufenden Förderbandes ist. Die als nachteilig angesehene Biegung während der Erstarrung wird dadurch vermieden, dass die Unterseite des die Schmelze
aufnehmenden Gießbandes sich auf einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Rollen abstützt. Verstärkt wird die Abstützung in der Weise, dass im Bereich des Gießbandes ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das Gießband fest auf die Rollen gedrückt wird. Zusätzlich erstarrt die AI-reiche bzw. Si-reiche Schmelze in einer fast sauerstofffreien Gießatmosphäre.
Um diese Bedingungen während der kritischen Phase der Erstarrung aufrecht zu erhalten, wird die Länge des Förderbandes so gewählt, dass am Ende des
Förderbandes vor dessen Umlenkung das Vorband weitestgehend durcherstarrt ist. Am Ende des Förderbandes schließt sich eine Homogenisierungszone an, die für einen Temperaturausgleich und möglichen Spannungsabbau genutzt wird.
Das Walzen des Vorbandes zu Warmband kann entweder in-line oder separat off-line erfolgen. Vor dem off-line-Walzen kann das Vorband nach der Herstellung vor dem Abkühlen entweder direkt warm gehaspelt oder zu Tafeln geschnitten werden. Das Band- oder Tafelmaterial wird dann nach einer eventuellen Abkühlung wiedererwärmt und für das Off-line-Walzen abgewickelt bzw. als Tafel wiedererwärmt und gewalzt.
Das Walzen des Warmbandes auf Enddicke kann mittels klassischen Kaltwalzens bei Raumtemperatur oder erfindungsgemäß besonders vorteilhaft bei erhöhter Temperatur deutlich oberhalb der der Raumtemperatur durchgeführt werden.
Da dieses Walzverfahren nicht dem klassischen Kaltwalzen bei Raumtemperatur entspricht, wird nachfolgend der Begriff„Fertigwalzen" verwendet, wenn ein
Warmband bei erhöhter Temperatur mit der geforderten Enddicke fertiggewalzt wird.
Ein Vorteil des Fertigwalzens bei erhöhter Temperatur liegt darin, dass hierdurch eine mögliche Neigung zu Kantenrissen beim Walzen deutlich verringert werden kann. Des Weiteren ist es dadurch möglich, die elektromagnetischen Eigenschaften in einem weiten Feld zu beeinflussen, zum Beispiel über die Korngröße,
Domänengrößenverteilung und Blochwandstabilisierung.
Als günstig hat sich erwiesen, wenn das Warmband auf einen Temperaturbereich von 350 bis 570 °C, bevorzugt 350 bis 520 °C, aufgewärmt und bei dieser Temperatur auf die vorgesehene Enddicke fertiggewalzt wird.
Bei einem mehrstufigen Fertigwalzen hat sich eine Wiedererwärmung zwischen den Walzschritten auf eine Temperatur von 600 bis 800 °C bei einer Haltezeit von 20 min bis 80 min bewährt, wobei anschließend eine Abkühlung auf Fertigwalztemperatur erfolgt.
Abhängig von der konkreten Legierungszusammensetzung haben sich mehrere vorteilhafte Erzeugungswege herausgestellt, um ein erfindungsgemäßes Stahlband zu erzeugen, siehe Figur 1 . In dieser Figur werden drei vorteilhafte Erzeugungswege dargestellt.
Hierin bedeuten:
THR: Warmwalzen bei Temperaturen zwischen 1000 bis 1 150 °C,
CR: Kaltwalzen,
Ti , T2C, T3C: Schlussglühung für alle Route (900 bis 1080 °C, 10-60 s, Luftabkühlen), T2A, T2B, T3A, T3B: Zwischenglühen für Route 2 und 3 (550 bis 800 °C, 20 bis 80 min), TR: Fertigwalzen für Route 3 bei erhöhten Temperaturen von 350 bis 570 °C
Gemäß Route 1 wird das Warmband bei Raumtemperatur auf die geforderte
Enddicke fertiggewalzt. Sollte die Legierung zu fest für ein klassisches Kaltwalzen bei Raumtemperatur sein, kann ein zwei-stufiges Kaltwalzen gemäß Route 2 genutzt werden, indem zunächst mit einem Dickenreduktionsgrad von bis zu 60 % bei Raumtemperatur auf die gewünschte Enddicke gewalzt wird, danach in einem Temperaturbereich von 550 bis 650 °C für 40 bis 60 min ausgelagert, und danach die restlichen 40 % der gewünschten Enddicke wiederum durch Kaltwalzen erreicht wird.
Ein Werkstoff insbesondere mit erhöhtem AI-Gehalt größer 6 Gew.-% oder Al+Si in Summe größer als 6 Gew.-%, der Kantenrisse nach dem ersten Kaltwalzen aufweist, kann gemäß Route 3 durch Fertigwalzen bei erhöhter Temperatur erzeugt werden. Nach Erwärmen in einem Temperaturbereich von 350 bis 600 °C, bevorzugt 350 bis 520 °C, wird gewalzt, und dann iterativ wiedererwärmt im vorgenannten
Temperaturbereich für je 2-5 min zwischen den Walzschritten und fertiggewalzt bis die gewünschte Enddicke erreicht ist.
Nachfolgend werden einige Ergebnisse an erfindungsgemäßen Legierungen beschrieben. Untersucht wurden Legierungen entsprechend Tabelle 1 , wobei nur die wesentlichen Elemente bestimmt wurden. Die Legierungen 13, 17 und 22 sind erfindungsgemäß und wurden im Vergleich zum nicht erfindungsgemäßen Referenzmaterial Ref1 untersucht.
AI Si Mn Cu Ni P S C
Legierung
Gew.- %
13 9,90 0,45 0,97 0,98 0,02 0,003 0,003 0,012
17 7,90 0,53 1,91 0,20 0,02 0,003 0,003 0,024
22 6,10 0,49 2,04 2,10 0,02 0,055 0,003 0,005
Refl 1,90 1,93 - - - 0,004 0,003 0,001
Tabelle 1
Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften der Legierungen und die ermittelte spezifische Dichte der Werkstoffe. Neben unterschiedlichen mechanischen
Eigenschaften lassen sich auch Werkstoffe mit unterschiedlichen spezifischen Dichten erzeugen, sodass vielfältige Anforderungen an die erfindungsgemäßen Werkstoffe realisiert werden können.
Mechanische Eigenschaften; 0,7 mm Dicke
Legierung Rpo,2 Rm A80 Dichte
[N/mm2] [%] [kg/dm3]
13 679 688 2 6,8
17 570 635 6 6,9
22 560 600 1,6 7,1
Refl 500 600 15,0 7,6 Tabelle 2
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse zur Messung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Flussdichte E an Stahlblechen mit einer Dicke von 0,7 mm der untersuchten Legierungen. Die Messungen wurden bei Frequenzen f von 50, 200, 400, 750 und 1000 Hz durchgeführt. Die Ergebnisse belegen eindrucksvoll die weitgehende Frequenzunabhängigkeit der magnetischen Flussdichte und damit die Hystereseverluste in einem periodischen Wechselfeld.
Frequenzabhängigkeit (f = 50-1000 Hz); 0,7mm Dicke
f [Hz] 50 200 400 750 1000
Legierung Bmax [T]
13 1,38 1,39 1,39 1,39 1,39
17 1,44 1,44 1,44 1,44 1,44
22 1,44 1,44 1,45 1,45 1,45 Tabelle 3

Claims

Patentansprüche
1 . Stahlband zur Herstellung eines nichtkornorientierten Elektroblechs bestehend aus folgender Legierungszusammensetzung in Gew.-%:
C: < 0,03
AI: 1 bis 12
Si: 0,3 bis 3,5
Mn: >0,25 bis 10
Cu: >0,05 bis 3,0
Ni: > 0,01 bis 5,0
Summe aus N, S und P: höchstens 0,07
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit optionaler Zugabe eines oder mehrere Elemente aus Cr, Mo, Zn und Sn.,
wobei das Stahlband eine Isolationsschicht im Wesentlichen bestehend aus AI2O3 und/oder S1O2 mit einer Dicke im Bereich von 10μηι bis 100μηι aufweist.
2. Stahlband nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Dicke der Isolationsschicht im Bereich von 20μηι bis Ι ΟΟμηη.
3. Stahlband nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Dicke der Isolationsschicht im Bereich von 20μηι bis δθμηη.
4. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Summengehalt von Cr und Mo von 0,01 bis 0,5 Gew.-%.
5. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Summengehalt von Zn und Sn von 0,01 bis 0,05 Gew.-%.
6. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen AI-Gehalt von max. 10 Gew.-%.
7. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen maximalen Summengehalt von Mn und AI von 20 Gew.-%.
8. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Si-Gehalt von 1 ,0 bis 3,0 Gew.-%.
9. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Si-Gehalt von 1 ,5 bis 2,5 Gew.-%.
10. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Ni-Gehalt von max. 3 Gew.-%.
1 1 . Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung in Gew.-%:
AI: 1 bis 6
Si: 0,5 bis 1
Mn: >1 ,0 bis 7
Cu: >0,1 bis 2,0
Ni: > 0,1 bis 3,0
12. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung in Gew.-%:
AI: >6 bis 10
Si: 0,5 bis 0,8
Mn: >0,5 bis 3
Cu: >0,1 bis 2,5
Ni: > 0,1 bis 2,5
13. Stahlband nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch folgende
Legierungszusammensetzung in Gew.-%:
Si: 0,3 bis 0,5
Mn: >0,5 bis 2
Cu: >0,1 bis 0,5
14. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweisend eine spezifische Dichte von 6,40 bis 7,30 g/cm3.
15. Stahlband nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweisend eine Festigkeit Rm von 450 bis 690 MPa, eine Streckgrenze Rp0,2 von 310 bis 550 MPa und eine Dehnung A80 von 5 bis 30 %.
16. Verfahren zur Herstellung eines Stahlbandes zur Herstellung eines
nichtkornorientierten Elektroblechs, umfassend die Schritte:
- Erschmelzen einer Stahlschmelze enthaltend aus einem Stahl nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 15,
- Vergießen der Stahlschmelze zu einem Vorband mittels eines
endabmessungsnahen horizontalen oder vertikalen Bandgießverfahrens oder Vergießen der Stahlschmelze zu einer Bramme oder Dünnbramme mittels eines horizontalen oder vertikalen Brammen- oder Dünnbrammengießverfahrens,
- Wiedererwärmen der Bramme oder Dünnbramme auf 1050 °C bis 1250 °C und anschließendes Warmwalzen der Bramme oder Dünnbramme zu einem Warmband oder Wiedererwärmen des endabmessungsnah erzeugten Vorbandes auf 1000 °C bis 1 100 °C und anschließendes Warmwalzen des Vorbandes zu einem Warmband oder Warmwalzen des Vorbandes ohne Wiedererwärmen aus der Gießhitze zu einem Warmband mit optionalem Zwischenerwärmen zwischen einzelnen Walzstichen des Warmwalzens,
- Aufhaspeln des Warmbandes bei einer Haspeltemperatur zwischen 850 °C und Raumtemperatur,
- Optionales Glühen des Warmbandes mit folgenden Parametern:
Glühtemperatur: 550 °C bis 800 °C, Glühdauer: 20 bis 80 min, anschließende
Abkühlung an Luft,
- Ein- oder mehrstufiges Fertigwalzen des Warmbandes oder des
endabmessungsnah erzeugten Vorbandes mit einer Dicke von kleiner 3 mm zu Stahlband mit einer Enddicke von minimal 0,10mm.
- anschließendes Glühen des Stahlbandes mit folgenden Parametern:
Glühtemperatur: 900 bis 1080 °C, Glühdauer: 10 bis 60 Sekunden mit anschließender Abkühlung an Luft zum Einstellen einer Isolationsschicht im Wesentlichen bestehend aus AI2O3 und/oder S1O2 auf dem Stahlband mit einer Dicke im Bereich von 10μηι bis Ι ΟΟμηη, vorzugsweise im Bereich von 20μηι bis Ι ΟΟμηη, besonders vorzugsweise von im Bereich 20μηι bis δθμηη.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband vor dem Fertigwalzen auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur aufgewärmt und bei dieser Temperatur auf die vorgesehene Enddicke fertiggewalzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband vor dem Fertigwalzen auf eine Temperatur von 350 bis 570 °C aufgewärmt und bei dieser Temperatur auf die vorgesehene Enddicke fertiggewalzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband vor dem Kaltwalzen auf eine Temperatur von 350 bis 520 °C aufgewärmt und bei dieser Temperatur auf die vorgesehene Enddicke fertiggewalzt wird.
20. Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrstufigen Fertigwalzen zwischen den Walzschritten eine Wiedererwärmung auf eine Temperatur von 600 bis 800 °C erfolgt und anschließend eine Abkühlung auf Walztemperatur erfolgt.
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