DE60021693T2

DE60021693T2 - Heiss gewalztes elektroblech mit hervorragenden magnetischen- und korrosionseigenschaften und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60021693T2
Application number: DE60021693T
Authority: DE
Inventors: Kenji Abiko
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: JP3706765B2; JP2000336464A; WO2000073524A1; DE60021693D1; EP1116798A9; KR20010053532A; US6500278B1; EP1116798A1; CA2338775C; EP1116798B1; KR100413104B1; CA2338775A1

Description

Gebiet der Erfindung
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.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
BESCHREIBUNG DER BESTEN ART, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
Im Weiteren wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Zuerst wird der Grund für die Einschränkung der chemischen Zusammensetzung im elektromagnetischen Stahlblech der Erfindung beschrieben, das auf reinem Eisen beruht.
Fe: nicht weniger als 99,95 Massenprozent.
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.
C + N + S: nicht mehr als 10 Massen-ppm, O: nicht mehr als 50 Massen-ppm.
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.
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.
Im Weiteren werden die Herstellungsbedingungen des auf reinem Eisen beruhenden elektromagnetischen Stahlblechs der Erfindung beschrieben.
Warmwalzen
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.
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.
Abkühlen nach dem Warmwalzen
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.
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.
BEISPIEL
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen konkret beschrieben.
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.
Tabelle 1
Tabelle 2
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.
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.
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.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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.

Claims

Warmgewalztes elektromagnetisches Stahlblech, dadurch gekennzeichnet, dass es 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.
Verfahren zum Herstellen eines warmgewalzten elektromagnetischen Stahlblechs, 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 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 das Stahlblech anschließend mit einer mittleren Abkühlrate von 0,5 – 150°C pro Minute innerhalb eines Temperaturbereichs des Ar₃-300°C-Umwandlungspunkts abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im mindestens einen Durchgang die Umformungsgeschwindigkeit nicht kleiner ist als 150 Sekunde^–1.