DE4293604C2

DE4293604C2 - Weichmagnetisches Stahlmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4293604C2
Application number: DE4293604A
Authority: DE
Inventors: Toshimichi Momori; Haruo Suzuki; Tetsuya Sampei; Masayoshi Nakagawa; Takahiro Kanero; Masayoshi Kurihara
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-10-14
Filing date: 1992-10-13
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2012-10-14
Also published as: WO1993008312A1; DE4293604T1; JP2564994B2; US5411605A

Description

Die Erfindung betrifft ein weichmagnetisches Stahlmaterial mit ausgezeichneten Gleichfeldmagnetisierungs eigenschaften und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Insbesondere soll ein weichmagnetisches Stahlmaterial zur Verfügung gestellt werden, welches hinsichtlich der Koerzitivkraft und der magnetischen Flußdichte und auch bezüglich der Korrosions beständigkeit hervorragend ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Wenn ein weichmagnetisches Stahlmaterial, welches eine Komponente eines magnetischen Kreises bildet, in einem magnetischen Gleichfeld verwendet wird und auch wenn es in einem magnetischen Wechselfeld verwendet wird, dessen Frequenz niedriger als eine kommerziell verfügbare Frequenz ist, sind die Kernverluste, die ein Kriterium für die Beurteilung der Wechselfeldeigenschaften darstellen, von geringer Bedeutung, es ist vielmehr wünschenswert, daß seine Koerzitivkraft, welche eines der Kriterien für die Beurteilung der Gleichfeldmagnetisierungseigenschaften darstellt, klein ist, beispielsweise um die Restmagneti sierung in der Komponente des magnetischen Kreise zu redu zieren und ein lineares Verhalten sicherzustellen. Das Material soll ferner eine hohe magnetische Flußdichte (Magnetisierung) aufweisen, um eine effizient arbeitende Komponente eines magnetischen Kreises zu ergeben.

Maßnahmen zur Lösung dieser Probleme sind beispielsweise aus den japanischen Offenlegungsschriften Hei 3-75314 und Hei 3-20447 bekannt. Sie streben alle eine Verbesserung der Gleichfeldmagnetiserungseigenschaften von weichmagnetischen Stahlmaterialien auf der Basis von reinem Eisen an. Diese Materialien haben wegen der von Natur aus hohen Sättigungs magnetisierung von Eisen einen guten Wert der magnetischen Flußdichte und einige haben auch eine niedrige Koerzitiv feldstärke.

Ein Stahlmaterial mit einer Zusammensetzung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3 ist aus der JP-OS 3-183741 bekannt. Dort werden jedoch keine Maßnahmen offenbart, die Korrosionsbeständigkeit der Materialien gewährleisten. Hieraus folgt, daß, wenn eine auf dem Stand der Technik basierende Komponente eines Magnetkreises für irgendeine Anwendung, bei der Korrosionsbeständigkeit gefordert wird, verwendet wird, es wesentlich ist, ihr eine Oberflächenbehandlung, wie Galvanisieren oder Beschichten, angedeihen zu lassen. Der Zusatz einer großen Menge an Chrom zu Stahl, um ihm eine mit der von nichtrostendem Stahl vergleichbare Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, ist beispielsweise aus den offengelegten japanischen Patent anmeldungen Hei 3-150313 und Hei 2-259047 bekannt. Obwohl es erforderlich ist, teures Chrom in einem Anteil von 5 bis 8 Gewichtsprozent oder sogar mehr zuzusetzen, um dem Stahl Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, zeigt Hei 3-150313 beispielsweise, daß eine ausgezeichnete Koerzitivfeldstärke erreicht werden kann. Bezüglich der magnetischen Flußdichte hat jedoch der Zusatz von Chrom den Nachteil, daß er zu einer niedrigeren Sättigungsmagnetisierung führt, wie es typischerweise in Hei 2-259047 gezeigt wird. Der obige Vorschlag spezifiziert eine minimale magnetische Flußdichte von 11 000 G.

Die Bildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche eines Stahlmaterials ist beispielsweise aus der japanischen Patent anmeldung bekannt, die unter der No. Hei 1-283343 offen gelegt ist. Bei diesem Stand der Technik wird jedoch nicht eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Materials angestrebt, sondern eine Verbesserung der Kernverlust eigenschaften als einem der Aspekte seiner Wechselstrom eigenschaften, oder ein Verhindern der Bildung einer inneren Oxidschicht im Material während des Temperns.

Es ist aus dem obengesagten offensichtlich, daß die bekannten Materialien auf Eisenbasis keine zufriedenstellend niedrige Koerzitivkraft aufweisen, wenn sie auch einen guten Wert der magnetischen Flußdichte zeigen. Außerdem, da kein Stand der Technik entwickelt worden ist, Materialien herzustellen, die von sich aus gegen Korrosion widerstands fähig sind, ist eine Oberflächenbehandlung, wie Galvanisieren oder Beschichten, der Materialien erforderlich, um ihnen Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, was sich zu den Herstellungskosten von Komponenten eines Magnetkreises addiert. Die bekannten Materialien auf der Basis von nicht rostendem Stahl, die eine erheblich verbesserte Korrosions beständigkeit aufweisen, haben den Nachteil, daß sie den Zusatz einer großen Menge von Chrom erfordern, was teuer ist und unvermeidlich die magnetische Flußdichte herabsetzt.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein weich magnetisches Stahlmaterial bzw. ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stahlmaterials anzugeben, das sich einerseits durch gute magnetische Eigenschaften wie insbesondere kleine magnetische Feldstärke oder Koerzitivkraft und hohe magnetische Flußdichte oder Sättigungsmagnetisierung auszeichnet, anderer seits aber auch korrosionsbeständig ist.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Stahlmaterial bzw. durch das im Anspruch 3 gekennzeichnete Ver fahren gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher er läutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die Koerzitivfeldstärke und die magnetische Flußdichte (B₂₅) von Stahlmaterialien in Abhängigkeit vom Gehalt an löslichem Aluminium zeigt;

Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Koerzitivfeldstärke von Stahlmaterialien in Relation zu ihrem Kohlenstoffgehalt zeigt und

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Koerzitivfeldstärke von Stahlmaterialien in Relation zu ihrem Stickstoffgehalt zeigt.

Die Erfindung wird nun im einzelnen einschließlich der Gründe für die zu ihrer Definition verwendeten Einschrän kungen erläutert.

Als erstes werden die Gründe für die Einschränkungen er läutert, welche zur Definition der Zusammensetzung des Materials gemäß der vorliegenden Erfindung dienen.

Al: Aluminium ist ein wesentliches Element für das Material der vorliegenden Erfindung. Es fixiert Stickstoff in fester Lösung und bildet zusammenhängende AlN-Partikel. Es erhöht die Transformationstemperatur und verbreitert den Temperaturbereich, in dem die Ferritphase stabil ist. Der erfindungsgemäße Stahl besteht ausschließlich aus Ferrit, wenn er 1 oder mehr Gew.-% lösliches Aluminium enthält, wenn auch dieser Betrag bis zu einem gewissen Grade von den Mengen der Elemente abhängt, die der Stahl als Verun reinigungen enthält. Eine Vergröberung der Ferritkristalle bewirkt eine niedrigere Koerzitivfeldstärke. Aluminium ist außerdem erforderlich, um zu gewährleisten, daß eine Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln und nicht aus Eisenoxid auf der Stahloberfläche gebildet wird, wenn der Stahl in einer Atmosphäre, welche einen Sauerstoffpartialdruck in einem bestimmten Bereich aufweist, geglüht wird. Es ist daher erforderlich, einen spezifischen Anteil an Aluminium zuzu setzen. Es reicht aus, mindestens 0,5 Gew.-% lösliches Aluminium zuzusetzen, um eine Koerzitivfeldstärke von 0,4 Oe zu erreichen, wie Fig. 1 zeigt, es ist jedoch erforderlich, mindestens 0,8 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 1,0 Gew.-% hiervon zuzusetzen, um eine Schicht aus Aluminiumoxid partikeln zu bilden, die hinsichtlich der Korrosions festigkeit genügend dicht ist. Es wird außerdem vorgezogen, mindestens 1,0 Gew.-% lösliches Aluminium zuzusetzen, um zu gewährleisten, daß der Stahl ausschließlich aus Ferrit besteht und eine gute Koerzitivfeldstärke hat. Der erfindungsgemäße Stahl enthält also auf Gewichtsbasis mindestens 0,8% vorzugsweise mindestens 1,0% lösliches Aluminium.

Der Zusatz einer großen Menge löslichen Aluminiums ist zwar wünschenswert, um eine genügend dichte Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln zu erzeugen, ein zu großer Zusatz hiervon erzeugt jedoch Probleme bei der Herstellung des Stahls (während des Schmelzens und Walzens), was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt und es bringt außerdem eine niedrigere magnetische Flußdichte mit sich, wie es in Fig. 1 dargestellt. Der erfindungsgemäße Stahl enthält daher auf Gewichtsbasis maximal 3,5%, vorzugsweise maximal 2,5% lösliches Aluminium.

C, N: Kohlenstoff und Stickstoff sind für das erfindungsgemäße Material Verunreinigungen. Es ist er forderlich, die Anteile dieser Elemente, die das Material gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, strikt zu begrenzen, da sie einen kritischen Einfluß auf die Eigen schaften des Materials ausüben. Um seine hervorragenden Gleichmagnetisierungseigenschaften zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Kohlenstoff und den Gesamt-Stickstoff so weitgehend wie möglich herabzusetzen, jedoch in einem Ausmaß, der keine Erhöhung der Kosten mit sich bringt. Diese Elemente können beide auf 0,0005 Gew.-% herabgesetzt werden, ohne eine wesentliche Erhöhung der Stahlherstellungskosten zu verursachen. Wenn der Anteil an Kohlenstoff 0,007 Gew.-% ohne eine wesentliche Erhöhung der Stahlherstellungskosten zu verursachen. Wenn der Anteil an Kohlenstoff 0,007 Gew.-% überschreitet, setzt er die Wirkung des Aluminiums hinsicht lich der Vergrößerung des Bereichs, in dem der Ferrit stabil bleibt, stark herab und die Koerzitivfeldstärke des Materials wird entsprechend verschlechtert. Wenn der Anteil an Stickstoff 0,010 Gew.-% überschreitet, verhindert die Zunahme von AlN-Teilchen das Wachstum der Ferritkristalle und man kann keine gute Koerzitivfeldstärke erwarten. Das Material gemäß der Erfindung enthält also 0,0005 bis 0,007 Gew.-% Kohlenstoff und 0,0005 bis 0,010 Gew.-% Gesamt- Stickstoff. Der Einfluß, den der Kohlenstoff und der Gesamt-Stickstoff auf die Koerzitivfeldstärke haben, ist in Fig. 2 bzw. 3 dargestellt.

Si: Silizium hat wie Aluminium die Wirkung, den Bereich, in dem die Ferritphase stabil ist, zu vergrößern. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch das Aluminium für diesen Zweck verwendet, und es ist nicht erforderlich, Silizium zuzusetzen. Die Gegenwart von mehr als 0,5 Gew.-% Silizium bringt nicht nur eine Erhöhung der Kosten mit sich, sondern auch eine Verringerung der magnetischen Flußdichte. Eine extreme Herabsetzung des Siliziumgehaltes verursacht jedoch eine Erhöhung der Kosten. Das Material gemäß der vor liegenden Erfindung enthält also 0,005 bis 0,5 Gew.-% Silizium, um eine gute magnetische Flußdichte und niedrige Herstellungskosten zu erzielen.

Mn: Es ist wünschenswert, den Gehalt an Mangan herabzu setzen, da es ein Element ist, welches die Gleichstrom magnetisierungseigenschaften des Stahls verschlechtert. Außerdem kann MnS die Korrosionsfestigkeit verringern. Es ist in diesem Zusammenhang wünschenswert den Gehalt an Mangan ebenso den an Schwefel herabzusetzen. Da Mangan die Heißversprödung von Stahl verhindert, enthält das Material der vorliegenden Erfindung jedoch Mangan in einer Menge, die nicht kleiner als das Zehnfache seines Schwefelgehaltes und die 0,25 Gew.-% nicht überschreitet. Wenn sein Schwefel gehalt niedriger als 0,001 Gew.-% ist, wird der minimale Anteil an Mangan jedoch nicht unter 0,01 Gew.-% herab gesetzt, da eine weitere Verringerung des Mangangehaltes eine unerwünschte Erhöhung der Kosten mit sich bringt.

P, S, O: Phosphor, Schwefel und Sauerstoff sind für das erfindungsgemäße Material Verunreinigungen. Es ist erforderlich, ihren Anteil bis zu einem Grad herabzusetzen, der noch keine Erhöhung der Kosten verursacht, so daß der Stahl hervorragende Gleichmagnetisierungseigenschaften hat und die Basiseigenschaften Fehlerfreiheit, Zuverlässigkeit und Bearbeitbarkeit behält. Es ist jedoch möglich, Phosphor in einem Ausmaß zuzusetzen, der 0,2 Gew.-% nicht überschreitet, wenn Stahlblech oder Stahlplatten mit guter Stanzbarkeit hergestellt werden sollen. Das Material gemäß der vorliegenden Erfindung enthält also nicht mehr als 0,2 Gew.-% Phosphor, nicht mehr als 0,01 Gew.-% Schwefel und nicht mehr als 0,01 Gew.-% Gesamt-Sauerstoff.

Das Material gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen größeren Anteil an Stickstoff als die oben angegebene obere Grenze enthalten, wenn es etwa 0,001 bis 0,02 Gew.-% eines nitrid- bildenden Elements enthält, wie Titan oder Bor. Es ist auch möglich, daß der erfindungsgemäße Stahl eine größere Menge an Kohlenstoff als die oben angegebene obere Grenze von 0,007 Gew.-% enthält, wenn seine anschließende Wärmebehandlung in einer entkarbonisierenden Atmosphäre durchgeführt wird, wie einer, die Wasserstoff enthält.

Es werden nun die Gründe für die Einschränkungen bei der Definition der Merkmale des Stahlmaterials gemäß der Erfindung erläutert, die sich nicht auf die Material zusammensetzung beziehen.

Das Material gemäß der vorliegenden Erfindung soll eine Dicke oder einen Durchmesser von 0,2 mm oder mehr haben.

Wenn seine Dicke oder sein Durchmesser kleiner als 0,2 mm sind, ist es schwierig, einen mittleren Ferritkristall durchmesser von 0,2 mm oder mehr zu erreichen, wie er für das Material gemäß der vorliegenden Erfindung gefordert wird, wie im folgenden noch genauer erläutert werden soll.

Hinsichtlich der Struktur besteht der Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung ausschließlich aus Ferrit. Er soll einen mittleren Ferritkristalldurchmesser d (mm) aufweisen, wie er unten in Relation zu seiner Dicke oder seinem Durchmesser t (mm) angegeben ist:
d 0,2, wenn t 0,2 mm einschließlich bis weniger als 0,5 mm beträgt,
d t × 0,4, wenn t 0,5 mm einschließlich bis weniger als 1,3 mm oder
d 0,5, wenn t 1,3 mm oder mehr beträgt.

Es ist für den mittleren Ferritkristalldurchmesser d in Abhängigkeit von der Dicke oder dem Durchmesser des Materials erforderlich, daß er genügend groß ist, um eine gute Koerzitivfeldstärke zu erreichen. Wenn er den oben in Bezug auf die Dicke oder den Durchmesser des Materials angegebenen Minimalanforderungen genügt, kann eine gute Koerzitivfeldstärke erreicht werden. Die Nichterfüllung der obigen Bedingung hat eine Koerzitivfeldstärke über 0,4 Oe zur Folge. Der Mindestwert, der für den mittleren Ferrit kristalldurchmesser d erforderlich ist, ändert sich mit der Dicke oder dem Durchmesser des Materials, so daß eine gute Koerzitivfeldstärke erhalten werden kann, ohne daß sie durch die Korngrenzen beeinträchtigt wird. Die Koerzitivfeldstärke wird leichter durch die Korngrenzen beeinflußt, wenn die Dicke oder Durchmesser des Materials zunehmen und der Kristalldurchmesser unverändert bleibt. Es genügt daher ein relativ kleiner mittlerer Ferritkristalldurchmesser, wenn die Dicke oder der Durchmesser des Materials klein sind, wenn jedoch seine Dicke oder sein Durchmesser größer werden, soll der mittlere Ferritkristalldurchmesser erhöht werden, um den Korngrenzeneinfluß herabzusetzen. Ein Stahlmaterial mit einer Dicke oder einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm (jedoch nicht weniger als 0,2 mm) weist eine gute Koerzitivfeldstärke auf, wenn sein mittlerer Ferritkristall durchmesser 0,2 mm oder mehr beträgt. Ein Stahlmaterial mit einer Dicke oder einem Durchmesser von 1,3 mm oder mehr ist einem größeren Einfluß der Korngrenzen ausgesetzt und soll daher einen mittleren Ferritkristalldurchmesser von 0,5 mm oder mehr aufweisen, um den Korngrenzeneinfluß zu verringern. Ein Stahlmaterial mit einer Dicke oder einem Durchmesser von 0,5 mm oder mehr, jedoch weniger als 1,3 mm hat eine gute Koerzitivfeldstärke, wenn sein mittlerer Ferritkristalldurchmesser gleich oder größer als das 0,4fache seiner Dicke oder seines Durchmessers ist.

Um einen mittleren Ferritkristalldurchmesser von 0,2 mm oder mehr zu erreichen, ist es erforderlich, daß 10% oder mehr der Ferritkristalle einen Durchmesser von 0,3 mm oder mehr haben.

Das Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung soll außerdem eine Oberfläche aufweisen, die dicht mit Aluminium oxidpartikeln bedeckt ist, die einen Durchmesser von 0,01 bis 5 µm haben und vorzugsweise eine Schicht mit einer Dichte von 1 × 10¹² bis 1 × 10¹⁶ Partikel pro Quadratmeter bilden.

Das Material gemäß der Erfindung hat eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit, wenn seine Oberfläche dicht mit Aluminiumoxidpartikeln bedeckt ist, die einen Durchmesser von 0,01 bis 5 µm haben, insbesondere wenn diese Partikel eine Schicht mit einer Dichte von 1 × 10¹² bis 1 × 10¹⁶ Partikel pro Quadratmeter bilden. Eine noch höhere Korrosionsbeständigkeit kann erhalten werden, wenn diese Partikel eine Schicht mit einer Dichte von 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁶ Partikel pro Quadratmeter bilden. Im Kontext der vorliegenden Erfindung können die Aluminiumoxidpartikel Eisen enthalten, brauchen es jedoch nicht.

Die Erfindung ist auf beliebige Stahlmaterialien anwendbar, wie Bandstahl (Platten oder Bleche), Stabstahl, Profilstahl oder Draht und ein hieraus hergestelltes Produkt.

Es werden nun die Gründe für die Einschränkungen erläutert, die zur Definition des Verfahrens gemäß der Erfindung dienen.

Das Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung wird hergestellt indem eine abschließende Wärmebehandlung eines Stahlmaterials, das die oben angeführte Zusammensetzung hat (oder eines hieraus hergestellten Produktes) bei einer Temperatur von 850°C bis 1300°C in einer Atmosphäre durch geführt wird, die einen Sauerstoffpartialdruck von 0,1 bis 10³ Pa, vorzugsweise 0,1 bis 100 Pa (10^-6 bis 10^-3 Atmosphären) aufweist. Das Fertigglühen des Materials in einer Atmosphäre mit dem oben angegebenen, spezifisch begrenzten Sauerstoff paterialdruck verleiht ihm einen zufriedenstellenden mitt leren Ferritkristalldurchmesser und damit ausgezeichnete Gleichmagnetisierungseigenschaften und ermöglicht außerdem die Bildung einer dichten Schicht aus Aluminiumoxidteilchen, die hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit wirksam ist, auf seiner Oberfläche.

Es ist nicht ratsam, eine Schicht aus Aluminiumoxidteilchen auf einer Stahloberfläche durch einfaches Beschichten mit Aluminiumoxidteilchen geeigneten, gesteuerten Durchmessers zu bilden, da eine derart hergestellte Schicht leicht ab blättert und auch hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit nicht zufriedenstellend ist. Die Beschichtung bringt außer dem eine nicht unbeträchtliche Erhöhung der Kosten mit sich. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Schicht aus Aluminiumoxidteilchen ohne irgendwelche zusätzliche Kosten zu verursachen, gebildet werden, da sie während der Temperung erzeugt wird, die durchgeführt wird, um dem Material weich magnetische Eigenschaften zu verleihen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Aluminiumoxidteilchen auf der Stahl oberfläche durch die Oxidation eines Teiles des Aluminiums gebildet, welches während der Wärmebehandlung aus einer festen Lösung ausdiffundiert. Sie haften daher sehr fest auf der Stahloberfläche. Außerdem haben sie eine Verteilung mit hoher Dichte und ergeben daher eine hohe Korrosionsfestigkeit.

Wenn die für die Wärmebehandlung verwendete Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck aufweist, der niedriger als 0,1 Pa ist, kann sie keine ausreichend große Menge an Sauerstoff für die Oxidation des Aluminiums liefern und macht sie es unmöglich, eine zufriedenstellend dichte und korrosionsfeste Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln zu bilden. Wenn der Sauerstoffpartialdruck 100 Pa überschreitet, insbesondere 1000 Pa, resultiert die alleinige Bildung von vielen Eisenoxidpartikeln vor der Bildung von Aluminiumoxidteilchen in einer Oxidschicht, die leicht abblättert und hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit nicht zufriedenstellend ist.

Ein Sauerstoffpaterialdruck von 1 bis 100 Pa wird bevorzugt, um ein Stahlmaterial zu erhalten, das mit einer Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln überzogen ist, welche eine Dichte von 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁶ Partikel pro Quadratmeter aufweist.

Die Steuerung des Sauerstoffpaterialdrucks ist leicht zu bewirken, beispielsweise indem man eine Mischung eines Inertgases, wie reinen Argons, und Sauerstoff oder noch einfacher feuchtes Wasserstoffgas mit einem auf etwa -50°C oder darüber gesteuerten Taupunkt oder eine Vakuumatmosphäre mit einem Druck von 0,133 bis 133 Pa (10^-3 bis 1 Torr) verwendet.

Die Wärmebehandlung muß bei einer Temperatur von mindestens 850°C durchgeführt werden, um das Erreichen von ausgezeich neten Gleichmagnetisierungseigenschaften und die Bildung der gewünschten Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln zu erreichen. Eine Wärmebehandlungstemperatur von mindesten 900°C wird bevorzugt, um zuverlässig eine gute Korrosionsfestigkeit und eine gute Koerzitivkraft zu erreichen. Hinsichtlich der Durchwärmzeit bei Verwendung einer Wärmebehandlungstemperatur von mindestens 900°C ist es ausreichend, das Material für mindestens 10 Minuten auf dieser Temperatur zu halten, um die angestrebten Ergebnisse der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Wenn eine Wärmebehandlungstemperatur von min destens 850°C, jedoch unter 900°C verwendet wird, ist es wünschenswert, das Material für mindestens 30 Minuten auf dieser Temperatur zu halten. Eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur über 1300°C ist unerwünscht, da sie eine Ver formung des Materials (eines Stahlmaterials oder eines hieraus hergestellten Erzeugnisses) verursacht oder eine Erhöhung der Kosten mit sich bringt.

Die oben beschriebene abschließende Wärmebehandlung kann mit einem heiß- oder kaltgewalzten Material (oder einem hieraus hergestellten Erzeugnis) durchgeführt werden.

Die Erfindung ermöglicht es, mit geringen Kosten ein weich magnetisches Stahlmaterial herzustellen, das ausgezeichnete Gleichmagnetisierungseigenschaften und eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit hat.

Beispiele

Die Tabellen 1 bis 3 zeigen die chemische Zusammensetzung von Bandstahl, der als Proben für die vorliegende Erfindung und Vergleichsproben verwendet wurde.

Es wurden Stähle mit den in den Tabellen 1 bis 3 aufge führten Zusammensetzungen erschmolzen, in Blöcke gegossen und die Blöcke wurden zu Blechen mit einer Dicke von 5 oder 2 mm heißgewalzt. Stahlbleche mit einer Dicke von weniger als 2 mm wurden durch Kaltwalzen der 2 mm oder mehr dicken heißgewalzten Stahlbleche hergestellt. Testproben in Form eines Ringes mit einem Außendurchmesser von 45 mm und einem Innendurchmesser von 33 mm wurden aus diesen Blechen durch Fräsen oder Stanzen hergestellt, unter den in den Tabellen 4 bis 8 angegebenen Bedingungen wärmebehandelt (geglüht) und auf ihren mittleren Ferritkristalldurchmesser, die Schicht aus Aluminiumoxidteilchen und die Gleichfeld magnetisierungseigenschaften untersucht.

Testproben mit einer Abmessung von 70 mm mal 150 mm wurden für die Korrosionsbeständigkeitsprüfungen durch Zuschneiden der heißgewalzten Stahlbleche nach ihrer Oberflächen bearbeitung oder aus kaltgewalzten Stahlblechen im gewalzten Zustand hergestellt. Nachdem die Proben unter den gleichen Bedingungen wie sie oben erwähnt wurden, wärmebehandelt worden waren, wurden drei Arten von Korrosionsbeständig keitsprüfungen durchgeführt:

(1) Ein zweistündiger Salzspraytest wurde durchgeführt, um als Maß für die Korrosionsfestigkeit festzustellen, ob der flächenmäßige Prozentsatz des gerosteten Oberflächen teils weniger als 10% beträgt oder nicht;
(2) Ein 32stündiger Salzspraytest wurde durchgeführt, um den flächenmäßigen Prozentsatz des gerosteten Ober flächenteils festzustellen und
(3) Ein 500stündiger Feuchtigkeitseinwirkungstest wurde bei 60°C und 90% relativer Feuchte durchgeführt, um den prozentualen Flächenanteil des gerosteten Oberflächen teiles festzustellen.

Der mittlere Ferritkristalldurchmesser und die Dichte der Aluminiumoxidpartikel, die ermittelt wurden, sind in den Tabellen 4 bis 8 angegeben und die Gleichmagnetisierungs eigenschaften sowie die Ergebnisse der Korrosionsbeständig keitstests in den Tabellen 9 bis 13.

Die Nummern 1 bis 9, 66 und 67 sind Proben dieser Erfindung und Vergleichsproben, die für die Tests von Unterschieden verwendet wurden, die bei den Gleichmagnetisierungs eigenschaften und der Korrosionsfestigkeit der Materialien, die unter den in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallenden Bedingungen wärmebehandelt wurden und die sich voneinander hauptsächlich in ihrem Gehalt an löslichem Aluminium unterscheiden, auftreten. Fig. 1 zeigt die Gleichmagnetisierungseingenschaften der Proben Nr. 1 bis 9 und Nr. 22 (Vergleich) in Relation zu ihren Gehalten an löslichem Aluminium. Es ist hieraus ersichtlich, daß Materialien, die etwa 0,5 Gew.-% oder mehr mehr lösliches Aluminium enthalten, eine Koerzitivfeldstärke, die 0,4 Oe nicht überschreitet, aufweisen, während die Materialien, die mehr als 3,5 Gew.-% lösliches Aluminium enthalten, einen B₂₅-Wert unter 15 000 G aufweisen. Hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit konnte kein zufriedenstellendes Resultat mit einem Material, das 0,73 Gew.-% Aluminium enthält, wie Probe Nr. 2, erhalten werden, eine gute Korrosionsbeständigkeit wurde jedoch mit einem Material erreicht, das 0,8 Gew.-% oder mehr hiervon enthielt, wie Nr. 66, und eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit mit einem Material, das bezogen auf das Gewicht 0,99% (1,0%) hiervon enthielt, wie Nr. 3.

Die Proben Nr. 2 und 67 wiesen einen mittleren Ferrit kristalldurchmesser von 3 mm auf, der genügend groß war, da diese Stähle jedoch weniger als 1,0 Gew.-% lösliches Aluminium enthielten, wiesen sie keine vollständig stabilisierte Ferritphase auf, sondern enthielten viele Teilkörner mit einem Durchmesser von etwa 0,3 mm, welche während des Temperns bei einer Temperatur von 1100°C gebildet worden waren, die höher als die Transformationstemperatur ist. Sie waren daher hinsichtlich der Koerzitivfeldstärke den anderen erfindungsgemäßen Proben, wie Nr. 3, etwas unterlegen.

Die Probe Nr. 66 bestand aus dem gleichen Material wie Nr. 67, sie wies jedoch eine gute Koerzitivfeldstärke auf, da sie bei einer Temperatur von 1000°C, die nicht über der Transformationstemperatur liegt, getempert worden war.

Die Proben Nr. 10, 18 und 19 sind Proben gemäß der Erfindung, die etwa 1 Gew.-% lösliches Aluminium und verschiedene Mengen an Silizium enthalten. Alle diese Proben wiesen gute Gleichmagnetisierungseigenschaften und eine gute Korrosions beständigkeit auf, wenn auch der höhere Siliziumgehalt einen niedrigeren B₂₅ Wert zur Folge hatte.

Die Proben Nr. 11 und Nr. 13 sind eine Probe gemäß der Erfindung und eine Vergleichsprobe, die auf der Probe Nr. 4 basieren, jedoch unterschiedliche Mengen von Kohlenstoff enthalten. Nr. 14 bis Nr. 17 sind Proben gemäß der Erfindung und eine Vergleichsprobe, die auf Nr. 4 basieren, jedoch unterschiedliche Mengen an Stickstoff enthalten. Die Proben Nr. 13 und Nr. 17 haben Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalte, die aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen und eine unerwünschte hohe Koerzitivkraft aufweisen, wenn auch die Korrosionsbeständigkeit zufriedenstellend ist.

Die Probe Nr. 20 ist eine Probe gemäß der Erfindung, die 0,16 Gew.-% Mangan enthält.

Nr. 35 und Nr. 37 sind Proben gemäß der Erfindung, die bestätigen, daß die Gegenwart von bis zu 0,2 Gew.-% Phosphor keinen nachteiligen Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit oder die Gleichmagnetisierungseigenschaften haben.

Nr. 21 und Nr. 22 sind Proben zur Untersuchung der Folgen eines Zusatzes von sowohl Aluminium als auch Silizium. Die Probe Nr. 21, die in den Rahmen der Erfindung fällt, hatte einen B₂₅-Wert, der höher als 15 000 G war. Die Probe Nr. 22, die aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt, hatte andererseits einen B₂₅-Wert, der niedriger als 15 000 G war. Beide waren jedoch wegen des Zusatzes genügender Mengen von Aluminium und ihrer Temperung unter den richtigen Bedin gungen zufriedenstellend hinsichtlich der Korrosionsbe ständigkeit.

Nr. 23 ist eine Vergleichsprobe, die dazu diente, die Eigenschaften von industriellem Reineisen zu untersuchen, wie es allgemein als weichmagnetisches Material für Gleich-
Magnetfelder verwendet wird. Es war vergleichbar mit oder sogar besser als die Proben der Erfindung hinsichtlich des B₂₅-Wertes jedoch unterlegen hinsichtlich der Koerzitiv feldstärke und der Korrosionsbeständigkeit.

Nr. 24 und 28 sind Proben, die alle aus einem Stahlblech D mit einer Dicke von 2 mm bestanden, jedoch bei verschiedenen Temperaturen getempert worden waren. Die Probe Nr. 24 war wegen der Temperungstemperatur von 800°C hinsichtlich der Koerzitivfeldstärke nicht zufriedenstellend und außerdem auch nicht zufriedenstellend hinsichtlich der Korrosions festigkeit, da der Sauerstoff-Partialdruck der Temperungs atmosphäre einen niedrigen Wert hatte, (1 bis 3 × 10^-6 Atmosphären), der zwar in den Bereich der vorliegenden Erfindung fällt, jedoch keine zufriedenstellende Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln zu erzeugen vermochte. Die Proben Nr. 25 und Nr. 28 waren andererseits wegen der Temperungs temperaturen über 850°C sowohl hinsichtlich der Koerzitiv feldstärke als auch der Korrosionsbeständigkeit zufrieden stellend, obwohl sie aus dem gleichen Material wie Nr. 24 waren und in der gleichen Atmosphäre getempert worden waren.

Nr. 38 und 47 sind Proben, die verwendet wurden, um den Einfluß des Sauerstoffpartialdruckes der Temperungs atmosphäre auf die Korrosionsfestigkeit zu bestimmen. Eine Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln, die für eine zufrieden stellende Korrosionsfestigkeit erforderlich ist, wurde in einer Temperatmosphäre gebildet, die einen Sauerstoffpartial druck von 5 × 10^-6 Atmosphären oder mehr hatte, während eine solche Schicht in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoff partialdruck von 8 × 10^-7 Atmosphären nicht gebildet werden konnte.

Nr. 29 bis 34, 52 bis 54, 64 und 65 sind Proben gemäß der Erfindung und eine Vergleichsprobe aus kaltgewalztem Stahl blech D mit einer Dicke von 1; 0,5, 0,35 bzw. 2 mm, die bei in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallenden Temperaturen in verschiedenen Atmosphären getempert wurden. Die Probe Nr. 54 hatte wegen der geringen Dichte der auf ihr gebildeten Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln eine schlechte Korrosionsbeständigkeit, da sie die einzige Probe war, die in einer Atmosphäre geglüht worden war, deren Sauerstoffpartialdruck aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung fiel.

Nr. 55 bis 57, 58 und 29, 60 und 61, und 62 und 63 sind Stahlblechproben H, C, A bzw. Z mit Dicken von 0,5 bzw. 0,7 mm, die bei in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallenden Temperaturen in Atmosphären mit verschiedenen Sauerstoffpartialdrücken getempert wurden. Die Probe Nr. 56 hatte aus dem gleichen Grund, wie er oben für die Probe Nr. 54 aufgeführt worden ist, keine zufriedenstellende Korrosionsfestigkeit. Die Proben Nr. 60 bis 63 waren hin sichtlich der Korrosionsbeständigkeit den Proben gemäß der Erfindung unterlegen, da sie keine zufriedenstellende Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln bildeten, weil die Gehalte der Materialien an löslichem Aluminium niedriger waren als das durch die vorliegende Erfindung geforderte Minimum, obwohl sie in Atmosphären getempert worden waren, deren Sauerstoffpartialdrücke in den erfindungsgemäßen Bereich fielen.

Die Proben Nr. 48 bis 51 sind weichmagnetische hochchrom haltige nichtrostende Stahlbleche wie eines der bekannten Materialien (Vergleichsproben). Die Vergleiche, die bezogen auf das Gewicht 9% oder mehr oder vorzugsweise 12% oder mehr Chrom enthielten, wiesen eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf, die Proben Nr. 49 bis 51 waren jedoch ungenügend hin sichtlich ihrer Koerzitivfeldstärke und/oder ihres B₂₅-Wertes. Außerdem sind diese Vergleichsproben teurer in der Herstellung als die Proben gemäß der Erfindung, da sie eine große Menge an Chrom enthalten, das teuer ist.

Während die Proben Nr. 1 bis 28, 35 bis 37 und 66 aus heiß gewalzten Stahlblechen bestanden, waren die Proben Nr. 1, 13, 17 und 23 aus einer chemischen Zusammensetzung, die aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung fiel und sie versagten daher, einen mittleren Ferritkristalldurchmesser von 0,5 mm oder mehr, wie er durch die vorliegende Erfindung gefordert wird, und eine Koerzitivfeldstärke von nicht mehr als 0,4 Oe, wie es durch die Erfindung angestrebt wird, zu erreichen, obwohl sie unter den richtigen Bedingungen getempert worden waren. Die Probe Nr. 24 versagte hinsicht lich des Erreichens eines mittleren Ferritkristalldurch messers von 0,5 mm oder mehr und einer Koerzitivfeldstärke von nicht mehr als 0,4 Oe, da sie bei einer Temperatur von 800°C getempert worden war, die niedriger als der durch die Erfindung geforderte untere Grenzwert ist. Alle anderen Proben wiesen einen mittleren Ferritkristalldurchmesser von 0,5 mm oder mehr auf, wie er durch die vorliegende Erfindung gefordert wird.

Während die Proben Nr. 29 bis 34, 38 bis 47 und 52 bis 65 aus kaltgewalzten Stahlblechen bestanden, hatten die Vergleichsproben Nr. 60 bis 63 eine chemische Zusammen setzung, die aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung fiel und sie versagten bezüglich des Erreichens eines mittleren Ferritkristalldurchmessers, der in den Rahmen der vorlie genden Erfindung fällt (d. h. 0,2 mm oder mehr wenn die Dicke des Bleches 0,2 mm einschließlich bis weniger als 0,5 mm beträgt oder die Dicke (mm) × 0,4 oder mehr wenn die Dicke 0,5 mm einschließlich bis weniger a,3 mm beträgt) und hinsichtlich des Erreichens einer Koerzitivfeldstärke von höchstens 0,4 Oe, wie es bei der vorliegenden Erfindung angestrebt wird, obwohl sie unter den richtigen Bedingungen getempert worden waren.

Obwohl die Proben Nr. 38, 39, 54 und 56 hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und Temperungstemperatur in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fielen, versagten sie hinsichtlich der Bildung einer zufriedenstellenden Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln (die gebildete Schicht hatte nur eine Dichte von weniger als 10¹² Partikeln pro Quadratmeter) und des Erreichens einer zufriedenstellenden Korrosions beständigkeit, da die Temperungsatmosphäre einen Sauerstoff partialdruck unter 0,1 Pa hatte. Andererseits zeigen die Proben Nr. 4, 8, 10 bis 12, 20, 21, 25 bis 32, 34 bis 36, 40, 41 usw., die in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 0,1 Pa und mehr getempert worden waren, wegen der Bildung einer Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln mit einer Dichte von 10¹² Teilchen pro Quadratmeter oder mehr eine gute Korrosionsbeständigkeit. Die Proben Nr. 3, 5 bis 7, 14 bis 16, 18, 19, 33, 37, 42 bis 47 usw., die in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoff partialdruck von 1 Pa oder mehr getempert worden waren, zeigt eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit, wie durch die Ergebnisse des 32-Stunden-Salzspray- und des 500-Stunden-Feuchtigkeitseinwirkungs-Tests bestätigt wird, da sie eine Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet hatten, die eine Dichte von 10¹³ Partikeln pro Quadratmeter oder mehr hatte.

Das weichmagnetische Stahlmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Herstellung beispielsweise von Komponenten, die einen Magnetkreis bilden brauchbar.

Claims

1. Weichmagnetisches Stahlmaterial mit guten magnetischen Eigenschaften und guter Korrosionsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%)
0,0005 bis 0,007% Kohlenstoff, 0,0005 bis 0,10% Gesamt-Stick stoff, 0,005 bis 0,5% Silizium, 0,01 bis 0,25% Mangan, nicht mehr als 0,2% Phosphor, nicht mehr als 0,01% Schwefel, 0,8 bis 3,5% lösliches Aluminium, nicht mehr als 0,01% Gesamtsauer stoff und Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen als Rest,
mit einem mittleren Ferrit-Kristalldurchmesser von 0,2 mm und einer Koerzitivkraft von 0,4 Oe im nicht belasteten Zustand,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ferrit-Kristalldurchmesser d in Abhängigkeit von der Materialstärke t derart eingestellt ist, daß
d 0,2 mm für 0,2 mm t < 0,5 mm gilt,
d 0,4 × t mm für 0,5 mm t < 1,3 mm gilt und
d 0,5 mm für t 1,3 mm gilt,
wobei die magnetische Flußdichte 15 000 G oder mehr bei einer magnetomotorischen Kraft von 25 Oe beträgt,
und daß das Material auf einer Oberfläche mit einer Schicht aus Aluminiumoxidpartikeln mit einem Durchmesser von 0,01 bis 5 µm bedeckt ist, deren Dichte 10¹² bis 10¹⁶ Partikel/m² beträgt.

2. Stahlmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 1,0 bis 2,5 Gew.-% lösliches Aluminium enthält und die Dichte der Aluminiumoxidpartikel 10¹³ bis 10¹⁶ Partikel/m² beträgt.

3. Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Stahl materials mit guten magnetischen Eigenschaften und guter Korrosionsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%)
0,0005 bis 0,007% Kohlenstoff, 0,0005 bis 0,10% Gesamt-Stick stoff, 0,005 bis 0,5% Silizium, 0,01 bis 0,25% Mangan, nicht mehr als 0,2% Phosphor, nicht mehr als 0,01% Schwefel, 0,8 bis 3,5% lösliches Aluminium, nicht mehr als 0,01% Gesamtsauer stoff und Eisen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen als Rest, mit einem mittleren Ferrit-Kristalldurchmesser von 0,2 mm und einer Koerzitivkraft von < 0,4 Oe im nicht belasteten Zustand,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ferrit-Kristalldurchmesser d in Abhängigkeit von der Materialstärke t derart eingestellt wird, daß
d 0,2 mm für 0,2 mm t < 0,5 mm gilt,
d 0,4 × t mm für 0,5 mm t < 1,3 mm gilt und
d 0,5 mm für t 1,3 mm gilt,
wobei die magnetische Flußdichte 15 000 G oder mehr bei einer magnetomotorischen Kraft von 25 Oe beträgt,
und daß das Material bei einer Temperatur von 850°C bis 1300°C in einer Atmosphäre, die einen Sauerstoffpartialdruck von 0,1 bis 10³ Pa aufweist, wärmebehandelt wird,
wobei eine Oberflächenschicht aus Aluminiumoxidpartikeln mit einem Durchmesser von 0,01 bis 5 µm und einer Dichte von 10¹² bis 10¹⁶ Partikeln/m² erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre erfolgt, deren Sauer stoffpartialdruck 0,1 bis 100 Pa beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material 1,0 bis 2,5 lösliches Aluminium enthält und die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre erfolgt, deren Sauerstoffpartialdruck 1 bis 100 Pa beträgt.