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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein warmgewalztes elektromagnetisches Stahlblech
und insbesondere ein warmgewalztes elektromagnetisches Stahlblech
aus reinem Eisen, das dadurch ausgezeichnete magnetische Eigenschaften
hat, dass die <100>-Achse in einer Richtung
senkrecht zur Blechoberfläche
ausgerichtet wird, und zwar in einem Walzzustand mit hoher Dichte,
und das eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist. Es wird
auch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Stahlblechs bereitgestellt.
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Stand der Technik
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Silicium-Stahlbleche,
die ausgezeichnete elektromagnetische Eigenschaften aufweisen, werden
seit einiger Zeit für
Kerne von Transformatoren oder Generatoren verwendet. Es gibt zwei
Arten solcher Silicium-Stahlbleche, nämlich unidirektionale Silicium-Stahlbleche, in denen
eine sekundäre
Rekristallisation dazu verwendet wird, {110}<001>-gerichtete Körner zu
entwickeln bzw. so genannte Goss-orientierte Körner, und ungerichtete Silicium-Stahlbleche,
in denen Kristallkörner
mit der {100}-Fläche
parallel zur Blechoberfläche entwickelt
werden. Diese ungerichteten Silicium-Stahlbleche weisen besonders
gute Eigenschaften auf, wenn ein Magnetfeld an verschiedene Richtungen
in der Blechoberfläche
angelegt wird, und sie werden häufig
in Generatoren, Elektromotoren usw. verwendet.
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Zum
Herstellen des ungerichteten Silicium-Stahlblechs, das für derartige
Anwendungen eingesetzt wird, war es bisher erforderlich, ein Entkohlungsglühen in einer
kontrollierten Atmosphäre
und ein Schrägwalzen
zum Ändern
der Walzrichtung während
des Kaltwalzens oder ein ähnliches
Verfahren auszuführen,
damit man eine höhere
Dichte der {100}-Fläche
parallel zur Blechoberfläche
erhält.
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Beispielsweise
ist in JP-A-1-108345, das einen Siliciumstahl mit einem Si-Gehalt
von 0,2 – 6,5
Gewichtsprozent betrifft, und in JP-A-4-224624, das einen Stahl
betrifft, der 0,2 – 6,5
Gewichtsprozent Al + Si enthält,
eine Vorgehensweise offenbart, bei der der Stahl kalt gewalzt und
in einer schwach entkohlenden Atmosphäre geglüht wird, beispielsweise bei
einem Unterdruck von nicht mehr als 0,1 Torr, oder in einer Atmosphäre, die
einen Taupunkt von nicht mehr als 0°C hat und aus einem oder mehreren
Gasen ausgewählt
aus N2, He, Ne, Nr, Ar, Xe, Rn und N2 zusammengesetzt ist, damit ein α-Einphasenbereich
in einer Zone gebildet wird, die einer Tiefe von 5 – 50 μm von der
Blechoberfläche
entspricht. Das Blech wird anschließend in einer stark entkohlenden
Atmosphäre
geglüht,
beispielsweise H2 mit einem Taupunkt von
nicht weniger als –20°C, oder einem
Gas, das man dadurch erhält,
dass man ein Inertgas oder CO, CO2 zu H2 zugibt, der einen Taupunkt von nicht weniger
als –20°C hat, und
zwar bei 650 – 900°C für 5 – 20 Minuten,
damit der im Oberflächenschichtbereich
ausgebildete α-Einphasenbereich
in Dickenrichtung ins Innere wächst,
so dass sich die magnetischen Eigenschaften verbessern.
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Es
sind also komplizierte Schritte einschließlich des Entkohlungsglühens zusätzlich zu
den Warmwalz- und Kaltwalzschritten erforderlich, damit man eine
hohe Dichte der {100}-Fläche
parallel zur Blechoberfläche erhält.
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EP-A-609190
offenbart einen warmgewalzten Stahlstreifen mit guten elektromagnetischen
Eigenschaften, bei dem die Bramme im austenitischen Bereich vorgewalzt,
in den ferritischen Bereich abgekühlt und mit geschmierten Walzen
fertig gewalzt wird.
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Die
herkömmlichen
elektromagnetischen Stahlbleche, die 3 Prozent Silicium enthalten,
weisen eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf. Deshalb wird
eine Isolierschicht mit einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit
auf das Endprodukt aufgebracht. Dies ist ein Faktor, der die Produktkosten
erhöht.
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Neuerdings
werden jedoch mit der größeren Verbreitung
elektrischer Waren hohe Leistungen bei geringeren Kosten gefordert.
Dies ist mit der genannten herkömmlichen
Technologie nicht machbar. Zum Erfüllen der obigen Forderungen
wird auch in Betracht gezogen, die Herstellungsschritte zu vereinfachen.
Bei der herkömmlichen
Vorgehensweise ist es jedoch schwierig, das Ansammeln der {100}-Orientierung
parallel zur Blechoberfläche
beim Warmwalzen zu verbessern.
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Man
wünscht
daher, ein warmgewalztes elektromagnetisches Stahlblech bereitzustellen,
das verbesserte magnetische Eigenschaften und eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit
aufweist, indem man die {100}-Orientierung parallel zur Blechoberfläche beim
Vollenden des Warmwalzens sammelt, sowie ein Verfahren zum Produzieren
dieses Stahlblechs.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfinder haben verschiedene Untersuchungen vorgenommen, um die genannten
Probleme bei warmgewalzten elektromagnetischen Stahlblechen zu lösen. Es
hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung der {100}-Orientierung
parallel zur Blechoberfläche,
d. h. die <100>//ND-Orientierung des
Stahlblechs (Richtung senkrecht zur Blechoberfläche) durch das hochgradige
Reinigen von Stahl gefördert
wird, damit eine auf reinem Eisen beruhende Komponentenzusammensetzung
gebildet wird, und durch vernünftige
Warmwalzbedingungen (insbesondere die Querschnittsverminderung in
einem gegebenen Temperaturbereich und der Reibungskoeffizient) und
eine Abkühlrate
im α-Bereich
nach dem Warmwalzen. Anhand der Ergebnisse wurde die Erfindung gestaltet.
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Die
Erfindung ist ein warmgewalztes elektromagnetisches Stahlblech,
das aus einem besonders hochreinen Eisen besteht, das enthält: nicht
weniger als 99,95 Massenprozent Fe, nicht mehr als 10 Massen-ppm C
+ N + S, nicht mehr als 50 Massen-ppm O, wobei der Rest aus unvermeidbaren
Verunreinigungen besteht und das Stahlblech ausgezeichnete magnetische
Eigenschaften und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
aufweist, und das Röntgenstrahlen-Brechungsverhältnis I100/I0 des Stahlblechs
nicht kleiner ist als 21.
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Als
Verfahren zum Herstellen des genannten warmgewalzten elektromagnetischen
Stahlblechs schlägt
die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines warmgewalzten elektromagnetischen
Stahlblechs vor, das ausgezeichnete magnetische Eigenschaften und
eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass das Röntgenstrahlen-Brechungsverhältnis I100/I0 des Stahlblechs
nicht kleiner ist als 21 und das Stahlblech aus einem besonders
hochreinen Eisen besteht, das enthält: nicht weniger als 99,95
Massenprozent Fe, nicht mehr als 10 Massen-ppm C + N + S, nicht
mehr als 50 Massen-ppm O, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen
besteht, und dass das Stahlblech in den γ-Bereich aufgeheizt wird und
in diesem γ-Bereich
warmgewalzt wird, und zwar mit einer Gesamtwalzreduktion von nicht weniger
als 50 Prozent und unter der Bedingung, dass mindestens ein Durchgang
einen Reibungskoeffizient zwischen der Walze und dem gewalzten Material
von nicht mehr als 0,3 aufweist, und dass das Stahlblech anschließend mit
einer mittleren Abkühlrate
von 0,5 – 150°C pro Minute
innerhalb eines Temperaturbereichs des Ar3-300°C-Umwandlungspunkts
abgekühlt
wird.
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Als
bevorzugtes Verfahren schlägt
die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines warmgewalzten elektromagnetischen
Stahlblechs vor, das ausgezeichnete magnetische Eigenschaften und
eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass das Röntgenstrahlen-Brechungsverhältnis I100/I0 des Stahlblechs
nicht kleiner ist als 21 und das Stahlblech aus einem besonders
hochreinen Eisen besteht, das enthält: nicht weniger als 99,95
Massenprozent Fe, nicht mehr als 10 Massen-ppm C + N + S, nicht mehr als 50 Massen-ppm
O, wobei der Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und
dass das Stahlblech in den γ-Bereich
aufgeheizt wird und in diesem γ-Bereich
warmgewalzt wird, und zwar mit einer Gesamtwalzreduktion von nicht
weniger als 50 Prozent und unter der Bedingung, dass mindestens
ein Durchgang einen Reibungskoeffizienten zwischen der Walze und
dem gewalzten Material von nicht mehr als 0,3 aufweist, und eine
Umformungsgeschwindigkeit von nicht weniger als 150 1/Sekunde, und
dass das Stahlblech anschließend
mit einer mittleren Abkühlrate
von 0,5 – 150°C pro Minute
innerhalb eines Temperaturbereichs des Ar3-300°C-Umwandlungspunkts
abgekühlt
wird.
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BESCHREIBUNG DER BESTEN
ART, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
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Im
Weiteren wird eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Zuerst
wird der Grund für
die Einschränkung
der chemischen Zusammensetzung im elektromagnetischen Stahlblech
der Erfindung beschrieben, das auf reinem Eisen beruht.
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Fe:
nicht weniger als 99,95 Massenprozent.
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Ein
Rohmaterial aus hochreinem Fe wird im γ-Bereich warmgewalzt und anschließend in
den α-Bereich
abgekühlt,
wobei während
der Abkühlung <100>//ND-orientierte Körner wachsen.
Die Reinheit des Eisens ist in der Erfindung besonders wichtig.
Liegt die Reinheit unter 99,95 Massenprozent, so wachsen beim Abkühlen kaum <100>//ND-orientierte Körner. Daher
beträgt
der Eisenanteil nicht weniger als 99,95 Massenprozent, bevorzugt
nicht weniger als 99,98 Massenprozent.
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C
+ N + S: nicht mehr als 10 Massen-ppm, O: nicht mehr als 50 Massen-ppm.
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Diese
Gaskomponenten im reinen Eisen bilden Carbide, Oxide usw. mit metallischen
Elementen (Al, Ti, Nb, Mn usw.), die in äußerst geringen Mengen von einigen
bis zu einigen zehn Massen-ppm im reinen Eisen enthalten sind und
das Auftreten und Wachsen von Kernen für <100>//ND-orientierte
Körner
behindern. Die Korrosion eines auf Reineisen beruhenden Materials
wird hauptsächlich
dadurch verursacht, dass sie bei C, N und S beginnt, die in einer
Korngrenze abgeschieden sind oder bei Oxiden, die in Korngrenzen
oder in den Körnern
vorhanden sind, so dass Rost entsteht.
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Solche
nachteiligen Einflüsse
von C, N, S und O treten bereits dann auf, wenn C + N + S 10 Massen-ppm überschreiten
oder dann wenn O 50 Massen-ppm überschreitet.
Damit müssen
die Bedingungen eingehalten werden: C + N + S: nicht mehr als 10
Massen-ppm, O: nicht mehr als 50 Massen-ppm. Die bevorzugten Gehaltsbereiche
sind: C + N + S: nicht mehr als 5 Massen-ppm, O: nicht mehr als
20 Massen-ppm.
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Im
Weiteren werden die Herstellungsbedingungen des auf reinem Eisen
beruhenden elektromagnetischen Stahlblechs der Erfindung beschrieben.
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Warmwalzen
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Wird
das Rohmaterial des auf reinem Eisen beruhenden Stahls mit der obigen
Komponentenzusammensetzung in einem α-Bereich warmgewalzt, so werden
die Kristallkörner
zerkleinert, und <100>//ND-orientierte Körner wachsen überhaupt
nicht. Deshalb ist es erforderlich, dass das Warmwalzen außerhalb
einer Temperatur des γ-Bereichs
erfolgt. Überschreitet
der Reibungskoeffizient zwischen einer Walze und dem Rohmaterial
den Wert 0,3 beim Walzen im γ-Bereich,
so wird es wahrscheinlich, dass <100>//ND-orientierte Körner leicht
in einer Position nahe an 1/10 der Blechdicke erzeugt werden. Damit
erfolgt das Auftreten und Wachsen der <100>//ND-orientierten
Körner
kontrolliert. Dazu wird das Warmwalzen mit einem Reibungskoeffizient
von nicht mehr als 0,3 und bevorzugt von nicht mehr als 0,2 ausgeführt. Erfolgt
das Walzen unter einer derartigen Bedingung (so genanntes geschmiertes
Walzen) bei mindestens einem Durchgang des Warmwalzens, so entsteht
der Effekt. Insbesondere beim Ausführen im letzten Durchgang wird
ein stärkerer
Effekt bewirkt, da sich die Scherverformung vor der Umformung nicht
in der Oberflächenschicht
des Stahlblechs konzentriert. Wird zudem die Umformungsgeschwindigkeit
des Walzens beim geschmierten Walzen nicht geringer gemacht als 150
1/Sekunde, so wird die Ausbildung von <100>//ND-orientierten
Körnern
gefördert.
Man schreibt diese Tendenz der Tatsache zu, dass die Ausbildung
von Körnern,
die anders als <100>//ND orientiert sind,
beispielsweise <110>//ND, die leicht auf
der Oberflächenschicht
des Stahlblechs oder sonstwo entstehen, kontrolliert wird. Gestaltet
man die Umformungsgeschwindigkeit nicht geringer als 200 1/Sekunde,
so erzielt man eine weitere (stärkere)
Wirkung.
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Beim
angesprochenen Warmwalzen im γ-Bereich
ist zu fordern, dass die Gesamtwalzreduktionsrate nicht weniger
als 50 Prozent beträgt.
Beträgt
die Gesamtwalzreduktionsrate beim Warmwalzen im γ-Bereich nicht weniger als 50
Prozent, so wird die Rekristallisation beim Warmwalzen für kleine γ-Korngrößen gefördert. Die <100>//ND-orientierten Körner wachsen
bevorzugt in einer Richtung der Blechdicke, und zwar im Verlauf der
Kühlung
nach der γ → α Transformation.
Beträgt
die Gesamtwalzreduktionsrate weniger als 50 Prozent, verbleiben
in einem Mittenabschnitt der Blechdicke gleichachsige Kristallkörner, die
eine zufällige
Richtung haben, und verschlechtern die magnetischen Eigenschaften.
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Abkühlen nach dem Warmwalzen
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Die <100>//ND-orientierten Körner im
besonders hochreinen Eisen wachsen von der Oberfläche des Stahlblechs
hin zur Mitte des Blechs in einem α-Bereich nach der γ → α Transformation,
wobei durch die Transformation neu erzeugte α-Körner verbraucht werden. Überschreitet
in diesem Fall die Abkühlrate über Ar3-300°C
den Wert von 150°C/Min,
so folgt die Kornwachstumsrate der Abkühlrate nicht, und im Mittenbereich der
Blechdicke verbleiben gleichachsige Körner. Ist dagegen die Abkühlrate geringer
als 0,5°C/Min,
so werden die <100>//ND-orientierten Körner gröber und
bewirken eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften. Daher
ist es erforderlich, dass die Abkühlrate innerhalb eines Ar3-300°C-Temperaturbereichs
nach dem Walzen zwischen 0,5 und 150°C/Min liegt. Die bevorzugte
Abkühlrate
beträgt
1,0 – 100°C/Min.
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Wie
erwähnt
entsteht der Effekt der Erfindung dadurch, dass zuerst der auf reinem
Eisen basierende Stahl als Ausgangsmaterial verwendet wird und die
Herstellung unter vorgegebenen Bedingungen erfolgt. Wird irgendeine
der Bedingungen nicht erfüllt,
so kann der Ansammlungsgrad der <100>//ND-orientierten Körner nicht
verbessert werden. Zudem wird die Korrosionsbeständigkeit von den Herstellungsbedingungen
nicht wesentlich beeinflusst, sondern hängt von der Komponentenzusammensetzung
ab.
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BEISPIEL
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Die
Erfindung wird nun anhand von Beispielen konkret beschrieben.
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Ein
auf reinem Eisen basierender Stahl mit der chemischen Zusammensetzung
gemäß Tabelle
1 wird unter Superhochvakuum (10–8 Torr)
in einem Schmelzofen geschmolzen, der mit einem wassergekühlten Kupferschmelztiegel
versehen ist, so dass ein Barren mit 10 kg entsteht. Der Barren
wird im γ-Bereich
heiß geschmiedet,
damit ein stabförmiges
Rohmaterial mit 25 Millimeter Dicke entsteht. Das stabförmige Rohmaterial wird
auf 1100°C
erwärmt
und auf eine Blechdicke von 1 Millimeter gewalzt (Zwischendicken
von 5 Millimeter und 13 Millimeter). In diesem Fall erfolgt das
Warmwalzen durch das Verändern
des Reibungskoeffizienten zwischen der Walze und dem Rohmaterial
und der Umformungsgeschwindigkeit usw. im letzten Durchlauf. Zudem
kann man die Abkühlrate
nach dem Walzen innerhalb eines breiten Bereichs verändern. Diese
Fertigungsbedingungen sind in Tabelle 2 dargestellt.
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Die
Oberflächenbeschaffenheit
des entstehenden warmgewalzten Stahls wird mit einem Röntgenstrahl
an einer Position gemessen, die einem Viertel der Blechdicke entspricht.
Zudem wird ein Prüfstück von 1,0
Millimeter Dicke aus einem Mittenbereich der Dicke des warmgewalzten
Stahlblechs geschnitten. Anschließend wird eine ringförmige Probe mit einem Innendurchmesser
von 50 Millimeter und einem Außendurchmesser
von 60 Millimeter aus dem Prüfstück geschnitten.
Nun werden eine Primärwicklung
und eine Sekundärwicklung
mit jeweils 100 Windungen auf die Probe gewickelt, um die magnetischen
Eigenschaften zu messen. Als magnetische Eigenschaften werden eine
magnetische Flussdichte (B50) verwendet, wenn ein äußeres Magnetfeld
von 5000 A/m angelegt wird, und ein Eisenverlust (W15/50), wenn
das Eisen mit 1,5 T in einem magnetischen Wechselfeld von 50 Hz
magnetisiert wird.
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Die
Korrosionsbeständigkeit
wird zum Messen der Korrosionsrate durch Eintauchen in Königswasser von
20°C (gemischte
Lösung
von konzentrierter Salpetersäure
und konzentrierter Chlorwasserstoffsäure in einem Volumenverhältnis von
1 : 3) für
eine Dauer von 100 Sekunden bewertet. Man kann davon ausgehen, dass
bei einer Korrosionsrate von nicht mehr als 1,0 g/m2 die
Korrosionsbeständigkeit
in üblichen
Gebrauchsumgebungen zufriedenstellend ist.
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Die
Prüfergebnisse
sind in Tabelle 2 dargestellt. Der Tabelle 2 kann man entnehmen,
dass die Beispiele der Erfindung sowohl hinsichtlich der magnetischen
Eigenschaften als auch der Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet sind.
Im Gegensatz dazu schneiden die Vergleichsbeispiele zumindest entweder
hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften oder der Korrosionsbeständigkeit
vergleichen mit den Beispielen der Erfindung wesentlich schlechter
ab.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Wie
erwähnt
ist es gemäß der Erfindung
möglich,
die {100}-Orientierung parallel zur Blechoberfläche nach dem Abschluss des
Warmwalzens zu erhöhen,
ohne dass komplizierte Schritte durchlaufen werden müssen, etwa
Entkohlungsglühen
nach dem Kaltwalzen usw. Damit ist es möglich, warmgewalzte elektromagnetische
Stahlbleche günstig
bereitzustellen, die ausgezeichnete elektromagnetische Eigenschaften
aufweisen.