Spôsob výroby izotropných elektrotechnických ocelí s nízkymi wattovými stratami

PRIEMYSELNÉHO VLASTNÍCTVA SLOVENSKEJ REPUBLIKYDátum podania prihlášky 4. 2. 2011 Číslo prioritnej prihláškyDátum podania prioritnej prihlášky Krajina alebo regionálna organizácia priorityDátum zverejnenia prihlášky 6. 8. 2012 Vestník UPV SR č. 8/2012Číslo pôvodnej prihlášky úžitkového vzoru v prípade odbočeniaČíslo podania medzinárodnej prihlášky podľa PCT Číslo zverejnenia medzinárodnej prihláškyČíslo podania európskej patentovej prihláškyMajiteľ Ústav materiálového výskumu Slovenskej akadémie vied, Košice, SKNázov Spôsob výroby izotropných elektrotechnických ocelí s nízkymi Wattovými stratamiPostup je zameraný na finálne deformaČno-tepelné spracovanie izotropných zrnovo neorientovaných elektrotechnických ocelí. Pozostáva zohrevu ocele v stave po primámej rekryštalizácii na teplotu do 450 °C, následného valcovania s nízkym celkovým úberorn v teplotnom rozsahu medzi teplotou okolia ateplotou ohrevu, s cieľom pripraviť taký deformačný stav materiálu, ktorý počas nasledujúceho žíhania materiálu vyvolá deforrnačne indukovaný rast feritových zŕn prednostne s kubickou a Gossovou kryštalografickou orientáciou. Takýto postup umožňuje vyrobit zrnovo neorientovanú elektrotechnickú oceľ s podstatne nižšími Wattovými stratami v porovnaní s konvenčným postupom finálneho žíhania plechu.Vynález patrí do oblasti fyzikálnej metalurgie a týka sa finálneho deformačno tepelného spracovania izotropných elektrotechnických ocelí (IEO).Cieľom vynálezu je dosiahnutie hrubozrnnej feritickej mikroštruktúry IEO so zvýšenou intenzitou kubickej (100)0 vW a Gossovej (110)001 kryštalografickej teXtúrnej zložky na úkor deformačnej (lll)0 vw textúrnej zložky, vo finálnom plechu vykazujúcom nízke wattové straty.Konvenčné elektromagnetické vlastnosti IEO sú definované pomocou Wattových strát, magnetickou indukciou a magnetickou polarizáciou v definovaných podmienkach elektromagnetického poľa. Spomínané vlastnosti sú determinované mikroštruktúrnymi a subštruktúrnymi parametrami, ako je veľkosť a morfológia zrna, hustota kryštalografických porúch, prednostná kryštalografická orientácia zŕn, chemické zloženie tuhého roztoku, prítomnosť sekundárnych. V doterajšom výskume a vývoji poprednými svetovými výrobcami IEO boli stredobodom pozornosti požiadavky metalurgickej čistoty, veľkosti a distribučných parametrov mikroštruktúry a smerovej izotropie vlastností. Spomínané atribúty IEO sú v súčasnosti špičkovými svetovými výrobcami technologicky primerane zvládnuté. Postupný posun v dosahovaných elektromagnetických vlastnostiach v oceliach s vysokou permeabilitou bol zabezpečovaný predovšetkým zvyšovaním obsahu legujúcich prvkov Si a Al. Zvyšovanie obsahu legúr však vedie k znižovaniu koeficienta teplotnej vodivosti. Poprední svetovi výrobcovia izotropných elektrotechnických oceli s vysokou permeabilitou používajú obsahy Si až na úroveň 3 hmotn. a do technológie zaraďujú navyše medziohrev teplých pásov (10 hodín pri 730 °C). Týmto postupom sa znižuje koeficient tepelnej vodivosti a zvyšujú sa energetické náklady. Žíhanie teplého pásu obsahuje postup podľa patentu WO 2014061246 (A 1), týmto postupom sa dosahuje zvýšenie homogenity mikroštruktúry teplého pásu. Postup podľa W 0 2006033286 (A 1) je zameraný na zníženie obsahu nečistôt na báze sírnikov. Postup podľa patentu JP 2007039754 (A) na zlepšenie elektromagnetických vlastností využíva vplyv teploty zvynovania teplého pásu v kombinácii s legúrou Cu na formovanie finálnej mikroštruktúry. Vplyv parametrov valcovania za tepla na výsledné vlastnosti finálneho plechu využíva tiež postup podľa patentu CZ 303205 (B 6).Ďalší potenciál zásadného zvýšenia kvality týchto ocelí je vo využití kubickej kryštalografickej orientácie. V mriežke K 8 smery ľahkej magnetizácie sú 100. Pre IEO by bolo optimálne, aby smery ľahkej magnetizácie boli, čo sa týka intenzity, maximálne a smerovo izotropne zastúpené v rovine plechu. Z hľadiska kryštalografického usporiadania to znamená (100)0 VW prednostnú kryštalografickú orientáciu. Takýto textúrny stav zatiaľ technologicky nie je zvládnutý. J e možné povedať, že maximálne úsilie v oblasti výskumu a vývoja IEO je sústredené na dosiahnutie, resp. aspoň na zvýšenie intenzity zastúpenia kubickej kryštalografickej orientácie v rovine plechu na úkor deformačnej textúry.V súčasnosti výskum prebieha v týchto základných smeroch 1. Využitie povrchovo aktívnych prvkov (Sb, Sn, Se, P,). Tento postup je založený na segregácii povrchovo aktívnych prvkov prednostné na hraniciach zŕn v rovinách (100), pričom pri určitom podiele atómov dochádza k zníženiu energie hraníc. Ako príklad využívania povrchovo aktívnych prvkov Sb a Sn na zvýšenie intenzity kubickej textúrnej zložky uvádzame patent EP 2799573 (A 1). Napriek preukázanému pozitívnemu vplyvu povrchovo aktívnych prvkov na selekciu kubickej kryštalografickej orientácie doterajšie technologické výsledky nie sú výrazné. 2. Surface energy driven secondary recrystalization. Využíva fakt, že medzifázová energia systému kovplyn je najnižšia pre (100) roviny. Zrná feritu s touto orientáciou na povrchu kovu rastú pri vysokoteplotnom žilianí. Podmienkou však je vákuum alebo inertný plyn. Tomida a kolektív v patente W 0 9512691 (A 1). Tento postup zdokonalili využijúc odbúravanie mangánu a oduhličovanie. Dosiahli zvýšenie intenzity kubickej textúry, ale nutnosť žíhania vo vákuu pri teplotách nad 1150 °C počas cca 9 hodín nedáva predpoklady pre masové technické využitie ich postupu. 3. Využívanie krížového valcovania za studena. Pri tejto technológii sú aplikované valcovacie úbery pri valcovaní za studena striedavo v pozdĺžnom a priečnom smere. Napriek značnému zvýšeniu kubickej textúrnej zložky v takto spracovanom materiáli táto technológia je z praktického hľadiska málo reálna. 4. Využívanie asymetrického valcovania. V súčasnosti prenikli informácie, že firma ArcelorMittal laboratórne skúša postupy asymetrického valcovania spočívajúce na využití odlišných obvodových rýchlostí vrchného a spodného valca vo valcovacej stolici. V dôsledku takéhoto deformačného procesu dochádza k podstatnej eliminácii deformačnej textúrnej zložky ł 112 ł 111. Postup krížového valcovania je uplatňovaný v patente JP 2000355716 (A).Zásadným problémom je dodržanie rovinnosti valcovaného plechu a nízka efektivita výrobného procesu.Žiadna z uvedených technológií nie je v súčasnosti priemyselne zvládnutá do takej miery, aby výrazneprispela k zvýšeniu kubickej textúrnej zložky Vo finálnom plechu.Formovanie finálnej mikroštruktúry a textúry V IEO pri súčasných spôsoboch výroby prebieha počas finálneho žíhania plechu, bud krátkodobého (3 - 6 minút) kontinuálnym spôsobom, alebo dlhodobého V poklopových peciach (10 - 30 hodín). V stave po primárnej rekryštalizácii za studena deformovaného plechu je zastúpenie deformačnej textúmej zložky po hrúbke plechu anizotrópne s maximom intenzity V Centrálnej časti hrúbky plechu. Optimálna lcryštalografická orientácia (l 00)0 VW má svoje maximálne zastúpenie V podpovrchovej zóne plechu a ďalšia výhodná komponentu (1 10) 001 má maximálnu intenzitu svojho zastúpenia cca V 1/3 polhrúbky plechu. Pri súčasných technologických postupoch počas tepelne aktivovaného rastu primárne zrekryštalizovaného zrna dochádza k jeho hrubnutiu rovnomerne po celej hrúbke plechu. Pri raste zrna sa V prevažnej miere zachováva pomer intenzít jednotlivých kryštalografických orientácií V rovine plechu,resp. môže dochádzať aj k zosilneniu nežiaducej intenzity (1 1 1)0 vw.Možnosť zásadného zvýšenia kvality týchto ocelí spôsobom podľa predloženého vynálezu spočíva vo zvýšení intenzity zastúpenia kubickej kryštalografickej orientácie V rovine plechu a V eliminácii deforrnačnej textúrnej zložky (1 1 1)0 vw.Originalita predloženého vynálezu pristupuje založená na Využití deformačne indukovaného pohybu hraníc zŕn feritu. Pri deformačne indukovanom pohybe hraníc zŕn je hnacou silou procesu gradient deformačnej energie medzi susednými zrnami. Počas termickej aktivácie sa hranica pohybuje smerom k vyššej intenzite deformačnej energie. Rastie zrno s nižšou intenzitou na úkor zrna s vyššou intenzitou deformačnej energie. Postup podľa vynálezu vytvára gradient intenzity plastickej deformácie s rastom od povrchu smerom do centra hrúbky. Je to dôsledok anizotrópie teplotného poľa po hrúbke plechu, ked V centre hrúbky počas valcovania je vyššia teplota ako V podpovrchovej oblasti. Rozdiel V lokálnej hodnote dosiahnutého deformačného spevnenia po valcovaní môže byť až 20 MPa. Pri konvenčnom spôsobe valcovania nízkymi úbermi za studena (tzv. temper rolling) sa dosahuje Vyššia intenzita deformačného spevnenia V podpovrchovej oblasti plechu. Z hľadiska hodnoty celkovej deformácie sa jedná o úroveň pod sc, (kritická hodnota deformácie) vyvolávajúcu štart primárnej rekryštalizácie.Druhým predpokladom, ktorý využíva postup podľa vynálezu, je závislosť šírenia plastickej deformácie vo feritovom zrne od jeho kryštalografickej orientácie V rovine plechu. Pri špecifických technologických podmienkach valcovacieho procesu lokálny deformačný odpor V zrne s orientáciou (lll)OVw je Výrazne nižší ako deformačný odpor zŕn s orientáciou (l 00)0 VW, resp. aj (1 10)001. V dôsledku tohto javu je intenzita plastickej deformácie Vyššia V zrnách s kryštalografickou orientáciou (1 1 1)0 vw. Čo sa odrazí vo vyššej hustote dislokácií.Pri postupe podľa vynálezu počas po valcovacom procese materiál vykazuje zvýšenú intenzitu V centre hrúbky plechu V porovnaní s podpovrchovou oblasťou a tiež zrná s kryštalografickou orientáciou (1 1 1)0 vw vykazujú štatisticky vyššiu intenzitu plastickej deformácie na zrná s orientáciou (l 00)0 VW, resp. aj(ll 0)00 l. Takto pripravený deformačný stav ocele počas následného krátkodobého ohrevu pri teplotách V rozsahu od 750 °C do 1050 °C vyvolá deformačne indukovaný rast feritových zŕn, pričom prednostne rastú zrná V smere do centra hrúbky a tiež prednostne rastú zrná s kubickou a Gossovou kryštalografickou orientáciou, čím sa prenáša zvýšená intenzita kubickej a Gossovej textúrnej zložky smerom do centra hrúbky na úkor zŕn s deformačnou (lll)OVw orientáciou. Takáto mikroštmktúra sa prejaví výrazným spôsobom na znížení koercitívnej sily plechu a teda aj jeho wattových strát. Rýchlosť ohrevu V musí byť Vyššia ako kritická hodnota V. Pri rýchlosti ohrevu V VC, by počas ohrevu dochádzalo k výraznému odburávaniu deformačnej energie cestou zotavovacích procesov, čím by sa znížila veľkosť hnacej sily pohybu hraníc zŕn.Postup podľa vynálezu je zvlášť vhodný pre vákuované izotropné elektrotechnické ocele pre široké rozmedzie obsahu Si od 0,1 do 3,5 hmotn. . Výhodou je, že chemické zloženie ocele nie je limitujúcim faktorom pre selektívny rast zŕn s kubickou kryštalografickou orientáciou. Ako hnacia sila rastu týchto zŕn sa Využíva riadený lokálny gradient deformačnej energie medzi jednotlivými zrnarni s rôznou kryštalografickou orientáciou.Oceľ s chemickým zložením V hmotnostných percentách C 0,005 , Si 0,6 , Mn 0,21 , Al 0,026 , Cu 0,014 , S 0,005 , obsah Sb bol menej ako 0,10 , obsah P bol menej ako 0,30 , zvyšok tvorí Fe a znečisťujúce stopové prvky, bola vyrobená konvenčným spôsobom kontinuálneho ñnálneho žíhania ako izotropná elektrotechnická oceľ typu finiš, plech hrúbky 0,65 mm bol tvorený feritickou mikro 10štruktúrou so stredným rozmerom zrna D 45 um, V jednosmernom magnetickom poli Vykazoval koercitívnu silu Hc 75 A/m. Na tú istú oceľ V štruktúrnom stave po primárnej rekryštalizácii bol aplikovaný postup podľa vynálezu, s ohrevom na 250 °C s následným valcovaním úberom pod 10 . Oceľ bola následne ohriata rýchlosťou 15 °C/s na teplotu 950 °C, čas Výdrže na teplote bol pod 200 s. Mikroštruktúra ocele dosiahla stredný rozmer zrna 260 um, oceľ vykazovala V jedno smernom magnetickom poli koercitívnu silu Hc 8 A/ m.Oceľ s chemickým zložením V hmotnostných percentách C 0,003 , Si 2,45 , Mn 0,25 , Al 0,38 , Cu 0,013 , S 0,003 , Sb 0,058 , obsah P bol menej ako 0,30 , zvyšok tvorí Fe a zneČisťujúce stopové prvky, bola vyrobená konvenčným spôsobom kontinuálneho finálneho žíhania ako izotropná elektrotechnická oceľ typu finiš, plech hrúbky 0,50 mm bol tvorený feritickou mikroštruktúrou so stredným rozmerom zrna D 92 um, V jednosmernom magnetickom poli vykazoval koercitívnu silu Hc 46 A/m. Na tú istú oceľ V štruktúrnom stave po primárnej rekryštalizácii bol aplikovaný postup podľa vynálezu,s ohrevom pod 350 °C s následným Valcovaním úberom 8 . Oceľ bola následne ohriata rýchlosťou 17 °C/s na teplotu 960 °C, čas Výdrže na teplote pod 200 s. Mikroštruktúra ocele dosiahla stredný rozmer zrna 310 um,oceľ vykazovala v jednosmernom magnetickom poli koercitívnu silu Hc 15 A/m.V oboch príkladoch je síra prítomná v oceli ako nežiaduci stopový prvok.Vynález je využiteľný pri výrobe zrnovo neorientovaných, tzv. dynamo ocelí. Postup deformačne tepelného spracovania týchto ocelí podľa Vynálezu je možné technologicky realizovať kombináciou valcovania s limitovaným celkovým úberom V teplotnom rozmedzí nad teplotou okolia a pod teplotou nástupu zotavovacích procesov a následným krátkodobým žíhaním na kontinuálnych žihacích linkách.Spôsob výroby zrnovo neorientovaných elektrotechnických ocelí s obsahom základných prvkov v hmotnostných percentách obsah Si od 0,1 do 3,5 , obsah C pod 0,01 , obsah Mn do 0,5 , obsah Cu do 0,8 ,obsah Al do 1 , obsah Sb do 0,10 , obsah P do 0,30 , zostávajúci podiel je tvorený Fe a nežiaducim znečistením stopovými prvkami, ako sú S, O, N, ocele sú kontinuálne odlievané, valcované za tepla, následne valcované za studena, rekryštalizačne žíhané v oduhličovacej alebo suchej atmosfére H 2 N 2, V y z n a č u j ú c i s a t ý m , že oceľ po ohreve na teplotu, V rozmedzí od 20 °C do 450 °C v závislosti od chemického zloženia, je následne Valcovaná s celkovým úberom pod 10 s jednou deformáciou až troma deformáciami, následne je oceľ tepelne spracovaná ohrevom na teplotu, V závislosti od chemického zloženia v rozsahu od 750 do 1050 °C s rýchlosťou ohrevu nad 10 °C/s, čas Výdrže na teplote ohrevu je do 300 s, pracovná atmosféraje H 2 N 2 s rosným bodom pod 30 °C.