Die Erfindung betrifft ein Transformatorband mit Würfeltextur. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Es ist bekannt, dass das Erscheinen in 1935 von Transformatorbändern mit der sog. Goss-Textur einen bedeutenden Fortschritt in dem Transformatorbau herbeiführte. Solche Bänder sind am leichtesten in der Walzrichtung magnetisierbar. ihre magnetischen Eigenschaften sind in der Längsrichtung der Bänder besonders gut. So beträgt z.B. der Wattverlust Vlo eines Bandes von 0,35 mm Dicke nicht mehr als 0,48 W/ kg. während seine Induktion in einem magnetischen Feld von 25 AW'cm B25 = 18 900 G beträgt. In der Querrichtung, d.h.
senkrecht zur Walzrichtung, sind jedoch die magnetischen Eigenschaften weniger vorteilhaft: der Wattverlust Vlo liegt bei 1,37 W/kg, während B25 nur um etwa 12 200 G liegt.
Zufolge der schlechten magnetischen Eigenschaften in der Querrichtung können aus Transformatorbändern mit Goss Textur nur solche Transformatoren erzeugt werden, bei denen die Richtung der magnetischen Kraftlinien mit der Walzrichtung des Bandes übereinstimmt (z.B. Schnittbandkerne).
Es ist ferner bekannt, dass sowohl bei kaltgewalzten, als auch bei warmgewalzten Transformatorbändern und -blechen mit isotropen magnetischen Eigenschaften die magnetischen Eigenschaften in der Walz- und Querrichtung nur wenig abweichen. doch sind die bei solchen Bändern erzielbaren optimalen magnetischen Eigenschaften wesentlich schlechter, als die entsprechenden Eigenschaften von Bändern mit Goss Textur: der Wattverlust Vio beträgt 0,8-1,5 W/kg, und die Induktion bei 25 AW/cm Feldstärke hat einen Wert von 14 500 G.
Für anspruchsvolle elektrotechnische Verwendungszwecke sind die magnetischen Eigenschaften der isotropen Bänder und Bleche nicht ausreichend; derartige Ansprüche können nur durch Transformatorbänder mit Würfeltextur befriedigt werden. die in zwei Richtungen, und zwar in der Walzrichtung und in der Querrichtung, in der Blechebene am leichtesten magnetisierbar sind.
Transformatorbänder mit Würfeltextur weisen zahlreiche Vorteile auf, von denen die folgenden besonders bedeutend sind: a) Die magnetischen Eigenschaften sind überaus günstig: der Wattverlust Vlo beträgt sowohl in der Längs- als auch in der Querrichtung 0,4-0,6 Wikg, die Anfangspermeabi lität (lvi) beträgt 1500-5000 G/Oe, und die maximale
Permeabilität (ll5) erreicht 25 000-50 000 GiOe.
b) Die günstigen magnetischen Eigenschaften sind in der
Längs- bzw. Querrichtung nahezu gleich, wodurch die
Erzeugung der verschiedenen E-, U- und M-Kerne mit einfachen Methoden ermöglicht wird.
c) Vermittels der kaltgewalzten Transformatorbänder mit
Würfeltextur können magnetische Eigenschaften erzielt werden, die mit jenen der 45%gen Eisen-Nickel-Legie rungen (z.B. Permalloy B) gleichwertig sind, wobei aber die Induktion die mit Eisen-Nickel-Legierungen erzielba ren Werte weitgehend übertrifft.
Zur Herstellung von Bändern und Blechen mit Würfeltextur sind die nachstehend angeführten wichtigsten Verfahren bekannt: a) Eine 2,04,0% Si oder statt eines Teiles der Si-Kompo nente Aluminium enthaltende Legierung, in welche noch 0.05-0,36Xc C?C Mangan und etwas Nickel legiert werden kann, wird bis zu einer Dicke von etwa 3,0 mm warmge walzt, demnach mit 3 bis 5 Zwischenglühungen bis zu
0,04-0,20 mm kaltgewalzt, und schliesslich für längere
Zeit (während mindestens 24 Stunden) bei 1200-1300oC in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre von einem
Taupunkt unterhalb - 500C warmbehandelt.
b) Bekanntlich kann die Würfeltextur verbessert werden, indem man während der letzten Wärmebehandlung in der
Nähe der Bandoberfläche Nickellegierungen oder nickel haltige keramische Stoffe unterbringt.
c) Die Bildung der Würfeltextur kann auch derart gefördert werden, dass die letzten zwei Zwischenglühungen bei
Temperaturen zwischen 1100oC und 1300ob durchgeführt werden.
d) Die Würfeltextur kann man vorteilhaft beeinflussen, indem man unter Einhaltung gewisser Bedingungen der
Gasatmosphäre im Laufe der letzten Wärmebehandlung eine geringe Menge von Schwefelwasserstoff zuführt.
e) Bekanntlich können von mit entsprechenden Methoden gerichtet kristallisiertem Stahlingot ausgehend, nach zweckmässig gewähltem Warmwalzen, darauffolgender
Wärmebehandlung und mit Zwischenbehandlungen durchgeführtem Kaltwalzen Transformatorbänder mit
Würfeltextur hergestellt werden, wenn während der letzten Wärmebehandlung eine trockene Wasserstoff
Atmosphäre oder Vakuum angewendet wird.
f) Zur Erzeugung eines Bandes mit Würfeltextur kann man ein fertiges, Goss-texturiertes Band mit Zwischenglühung in zwei Stufen weiterwalzen, wonach die unter a) beschriebene letzte Wärmebehandlung anzuwenden ist.
g) Schliesslich ist es bekannt, Silizium-Eisen-Bänder mit
Würfeltextur mittels der ursprünglichen Walzrichtung gegenüber 45igem oder 90o-igem Walzen in der Blech ebene zu erzeugen.
All diese bekannten Verfahren sind mit dem gemeinsamen Nachteil behaftet, dass sie ein sehr genaues Einhalten der Herstellungstechnologie erfordern. Schon ein geringes Abweichen im Walzsystem (Zahl der Verformungen, Ausmass der einzelnen Verformungen) oder in den Zwischenglühungen, oder geringfügige Änderungen im Gehalt an Verunreinigungen der Legierung beeinflussen das Entstehen der Würfeltextur weitgehend. Auch der Umstand, dass bei gleicher Kornorientierung abweichende magnetische Eigenschaften entstehen können, gehört zu den Nachteilen der bekannten Verfahren.
Eben aus diesen Gründen ist es sehr schwer, Transformatorbänder mit Würfeltextur in industriellem Masstab herzustellen.
Zweck der Erfindung ist, unter Vermeiden der bedeutendsten der oben genannten Nachteile ein Transformatorband zu schaffen, das einfach, billig und in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Dieser Zweck wird erfindungsgemäss erreicht durch einen Gehalt von höchstens 4 Gew.% Silizium, 0,0001-0,20 Gew.% Gallium.
Das Verfahren zur Herstellung von Transformatorband nach Patentanspruch I durch Mikrolegieren des Eisen-Silizium-Grundstoffes, Warmformung, Entzundern, Kaltwalzen, Zwischenglühen, Fertigwalzen und abschliessend Wärmebehandeln, ist dadurch gekennzeichnet, dass man einen höchstens 4 Gew. % Silizium enthaltenden Stahl mit 0,0001 0,20 Gew. Uc Gallium mikrolegiert.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen:
1. Falls man dem höchstens 4 Ges. wo Si enthaltenden Stahl eine gewisse Menge von Gallium zusetzt, ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Eisen-Silizium-Legierungen äusserst vorteilhaft, die Würfeltextur-Bildung wird stark erhöht, wobei aber das Material gegenüber der Abweichungen der Walz- und Wärmebehandlungstechnologien weniger empfindlich wird.
Von den zahlreichen günstigen Effekten des Legierens mit Gallium seien folgende erwähnt: a) Die Temperatur der primären Rekristallisation wird verändert.
b) Die Anzahl der im Laufe der primären Rekristallisation entstandenen Körner in Würfeltextur-Lage wird erhöht, so dass die sekundäre Rekristallisation demzufolge bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden kann, wodurch die Korngrösse gleichmässiger wird. All dies wirkt günstig auf die magnetischen Eigenschaften, und die Menge der würfeltextur-orientierten Körner erreicht
80-90%.
c) Zufolge der Gegenwart der im Metall gelösten Gallium
Spuren werden im Laufe der letzten Wärmebehandlung die Kristalloberfläche- und Kristallgrenze-Energien erheblich geändert, bzw. werden diese Werte in einer hinsichtlich der Würfeltexturbildung günstigen Richtung beeinflusst.
d) Zufolge der Änderung der Zeitdauer der letzten Wärme behandlung und gegebenenfalls Anwendung eines magnetischen Feldes während der Abkühlung wird die
Einstellung des Verhältnisses der Anfangs- und Maximal permeabilität der Bänder mit Würfeltextur innerhalb weiter Grenzen ermöglicht.
2. Der Effekt der Gallium-Legierung kann durch Zusatz gewisser Mengen eines oder mehrerer weiterer Metalle (z.B.
Nickel oder Kupfer) erhöht werden.
Beide Erkenntnisse sind überraschend, da es bisher angenommen war, dass es zweckmässig sei, den Gehalt an Verunreinigungen und Legierungsstoffen der Eisen-Silizium-Legierungen zwecks Herstellung von Transformatorbändern mit Würfeltextur je niedriger zu halten, bzw. wurde die Gegenwart aller Legierungsanteile ausser Mangan, Aluminium und Silizium, als ausgesprochen nachteilig angesehen.
3. Im Falle von Gallium oder einer Legierung von Gallium mit weiteren Metallen kann zum Verhüten eines auftretenden Zusammenklebens der Windungen, sowie der Oxydierung bzw. Verunreinigung der Bandoberfläche bei der Schlusswärmebehandlung, das günstigste Ergebnis durch Zwischenschalten bzw. Einlegen eines Drahtes oder Bandes, bestehend aus einer 0,5-6 Gew.% Aluminium enthaltenden Eisen-Legierung erzielt werden.
Von den Hauptvorteilen des erfindungsgemässen Verfahrens seien die folgenden erwähnt: a) Gegenüber den bekannten Verfahren zur Erzeugung von
Bändern mit Würfeltextur ist das erfindungsgemässe
Verfahren einfacher und lässt sich mit höheren technolo gischen Toleranzen durchführen.
b) Die Anfangs- und Maximalpermeabilität, die koerzitive
Kraft und die Induktion sowie der Wattverlust des Ban des mit Würfeltextur können weitgehend verbessert werden.
c) Etwa 80-90% der Körnchen befinden sich im Endpro dukt in Würfeltextur-Lage.
d) Sowohl Bänder als auch fertige Kerne und Teile können der Schlusswärmebehandlung unterworfen werden.
e) Das Verfahren kann mittels Anwendung der zum Her stellen von Transformatorbändern mit Goss-Textur benutzten bekannten Anlagen verwirklicht werden.
Nachstehend sind einige Beispiele zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens angeführt.
Beispiel 1
In einem Induktions-Vakuumofen wird eine Eisen-Silizium Legierung von einem nominellen Gehalt von 3,2Nc Silizium, 0,05 % Gallium und 0,35% Nickel mit sehr geringem Gehalt an Verunreinigungen aus einem reinen Eiseneinsatz guter Qualität, aus Metallsilizium mit 98,56Xc übertreffendem Siliziumgehalt und mit einem Aluminiumgehalt unterhalb 0,5 cit sowie aus Metallnickel hergestellt. Die Verunreinigungen der Legierung übertreffen nicht die folgenden Werte: 0,05CXc Kohlenstoff, 0,015% Schwefel, 0,03% Chrom, 0,03% Molybdän, 0,03 % Vanadium, 0,03 % Wolfram, 0,01 8 Titan und 0,005 % Sauerstoff.
Der Ingot wird bei einer Ausgangstemperatur von 1100 11500C bis zu einer Dicke von 3 mm warmgewalzt. Vor dem letzten Walzstich wird die Temperatur des Bandes oberhalb 900OC gehalten.
Von dem warmgewalzten Band wird das Zunder mittels einer schwefelsäurehaltigen Beize entfernt, sodann wird das Band bei 800ob während zwei Stunden in einer nassen Wasserstoff-Atmosphäre von einem Taupunkt von + 20 geglüht.
Demnach wird das Band mit mehreren Stichen zu einer Dicke von 0,80 mm kaltgewalzt, und nach Entfetten während 2 Stunden bei einer Temperatur von 850OC in einer Wasserstoff Atmosphäre mit einem Taupunkt von - 30OC Wärme behandelt. Danach wird das Band mit mehreren Stichen bis zu einer Dicke von 0,30 mm kaltgewalzt und nach Entfetten während 2 Stunden bei einer Temperatur von 1000oC in einem Vakuum von 10-3 torr wärmebehandelt.
Das Band, dessen Oberfläche metallisch rein ist, wird mit polierten Walzen in mehreren Walzstichen bis zu einer Dicke von 0,10 mm kaltgewalzt. Zwischen die Windungen des entfetteten Bandes wird ein geripptes Band reiner Oberfläche aus einem 1,5% Aluminium enthaltenden Stahl eingelegt. Die derart vorbereitete Bandspule wird in einem Vakuumofen bei einem Vakuum von 10-3 torr derart einer Wärmebehandlung unterworfen, dass das Material während der Erwärmung 2 Stunden lang zwischen 5500C und 7000C warmgehalten wird, sodann wird die Temperatur auf 1100oC erhöht und während 20 Stunden bei diesem Wert gehalten.
Nach Beendigen der Wärmebehandlung wird die Charge mit dem Ofen zusammen bis zu 500,C gekühlt. 85% der Körner des so erzeugten Bandes sind in Würfeltextur-Lage: die Anfangspermeabilität us des Bandes beträgt 4200 G/Oe, die Maximalpermeabilität 45 000 G/Oe.
Beispiel 2
Ein aus einem Stahlingot, dessen Zusammensetzung jener nach Beispiel 1 entspricht, gemäss Beispiel 1 zu 3 mm kaltgewalztes Band wird in einer schwefelsäurehaltigen Beize entzundert und sodann bei 800OC während 2 Stunden in einer nassen Wasserstoff-Atmosphäre mit einem Taupunkt von +200C einer Wärmebehandlung unterworfen. Demnach wird das Band mit mehreren Walzstichen bis zu 1,0 mm kaltgewalzt und nach Entfetten während 2 Stunden bei einer Temperatur von 850OC in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Tau punkt von - 30C wärmebehandelt.
Danach wird das Band mit mehreren Stichen bis zu einer Dicke von 0,45 mm gewalzt und sodann - nach Entfetten - während 2 Stunden in einem Vakuum von 10-3 torr bei einer Temperatur von 1000OC einer Wärmebehandlung unterworfen.
Das Band, dessen Oberfläche metallisch rein ist, wird mit polierten Walzrollen in mehreren Walzstichen bis zu einer Dicke von 0,20 mm kalt fertiggewalzt. Des weiteren geht man nach Beispiel 1 vor.
Die Anfangspermeabilität s des derart erzeugten Bandes beträgt 4100 G/Oe, die Maximalpermeabilität 37 000 G/Oe.
Beispiel 3
Man geht wie im Beispiel 1 beschrieben vor, jedoch wird der Siliziumgehalt der Legierung auf 2,6 Gew. %, der Nickelgehalt auf 0,30 Gew.% und der Galliumgehalt auf 0,05 Gew.% eingestellt.
Die Anfangspermeabilität 5 des so erhaltenen Bandes beträgt 4000 G/Oe, die Maximalpermeabilität 38 000 GiOe.
Beispiel 4
Man geht wie im Beispiel 1 beschrieben vor, jedoch wird die letzte Wärmebehandlung bei 1100oC während 5 Stunden durchgeführt.
Die Anfangspermeabilität s des so erhaltenen Bandes beläuft sich auf 3300 G/Oe, die Maximalpermeabilität auf 24 500 G/Oe.
Beispiel 5
Man geht wie im Beispiel 1 beschrieben vor, jedoch wird die letzte Wärmebehandlung in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt unterhalb - 5( > C) bei 1200'C derart durchgeführt, dass diese Temperatur während 20 Stunden aufrechterhalten wird. Man erhält in dieser Weise ein Band, dessen Anfangspermeabilität 3700 G/Oe und die Maximalpermeabilität 37 000 G/Oe beträgt.
Beispiel 6
Man geht wie im Beispiel 1 beschrieben vor, nur werden aus dem Band vor der letzten Wärmebehandlung die gewünschten
Kernbleche ausgeschnitten und die Wärmebehandlung derart durchgeführt, dass die Kernbleche während der Abkühlung beim Erreichen von 700oC der Einwirkung eines magnetischen
Feldes mit einer Feldstärke von 10-20 Oe ausgesetzt werden.
Die Anfangspermeabilität 5 der so gefertigten Kernbleche beträgt 4000 G/Oe, ihre Maximalpermeabilität 63 000 G/Oe.