DE3009234A1 - Weichmagnetischer stahl - Google Patents
Weichmagnetischer stahlInfo
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Description
Thyssen Aktiengesellschaft
vorm. August Thyssen-Hütte
4100 Duisburg
vorm. August Thyssen-Hütte
4100 Duisburg
Weichmagnetischer Stahl
Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Stahl mit hoher magnetischer Induktion und hohem spezifischen elektrischen
Widerstand, magnetischer Alterungsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit und guter Schweißbarkeit.
Für magnetisch wirksame Teile elektrischer Maschinen werden üblicherweise Dynamo- oder Siliziumstähle verwendet.
Diese können bis 0,10 % Kohlenstoff, bis 4 % Silizium, bis 0,5 % Mangan, weniger als 0,8 % Aluminium, Rest Eisen enthalten
(DE-OS 26 22 353). Die bekannten Dynamostähle besitzen zwar hohe magnetische Induktion und hohen elektrischen
Widerstand, sind jedoch schlecht schweißbar und besitzen keine ausreichende Witterungsbeständigkeit, was für geschweißte
Bauteile, die im Freien stehen oder sich bewegen, jedoch unerläßlich ist.
130038/0428
Stähle, deren Legierungsgehalt mit Vorzug auf Korrosionsbeständigkeit
abgestimmt ist, weisen zwar einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf, ihre magnetische
Induktion ist aber infolge des hohen Legierungsgehaltes nicht ausreichend. Der hohe Gehalt an verhältnismäßig
teuren Legierungselementen, insbesondere Chrom in der Größenordnung von 5 bis 20 %, macht zudem den Einsatz
dieser Stähle für Konstruktionen mit hohem Materialverbrauch aus Kostengründen unmöglich.
Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Magnetschwebebahnen ist versuchsweise als Werkstoff für Trag- und
Führungselemente der Baustahl St 37 zum Einsatz gekommen. Die schlechten Werte des elektrischen Widerstandes dieses
Stahls führen aber zu nicht vertretbaren Energieverlusten. Zudem ergibt sich wegen der fehlenden Witterungsbeständigkeit
dieses Stahls die Notwendigkeit, einen Schutzanstrich aufzubringen. Schutzanstriche zur Erzielung von Witterungsbeständigkeit
sind aber bei allen Trag- und Führungsteilen von Magnetschwebebahnen nachteilig. Bei Notbremsungen der
Bahn kommen Bremsbacken an diese Teile zur Anlage. Ein Schutzanstrich würde dabei zerstört, verringert die Bremsleistung
und ist im übrigen wartungsintensiv.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl vorzuschlagen, der neben hoher magnetischer
Induktion und hohem spezifischen elektrischen Widerstand auch magnetische Alterungsbeständigkeit,
Witterungsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Stahl folgender Zusammensetzung vorgeschlagen:
O bis 0,15 % Kohlenstoff
O bis 0,045 % Phosphor
0 bis 0,008 % Stickstoff
0,75 bis 2,0 % Silizium
0,15 bis 1,00 % Mangan
0,02 bis 0,07 % Aluminium,.. Ί. ,
loslxcn
0,25 bis 0,55 % Kupfer 0,65 bis 1,00 % Chrom
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
Bevorzugt wird ein Stahl folgender Zusammensetzung:
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0,05 bis 0,08 % Kohlenstoff
0,005 bis 0,02 % Phosphor
0,006 bis 0,008 % Stickstoff
1,60 bis 1,80 % Silizium
0,30 bis 0,40 % Mangan
0,040 bis 0,07 % Aluminiumlöslich
0,25 bis 0,35 % Kupfer
0,75 bis 0,85 % Chrom.
Besonders eignet sich der erfindungsgemäße Stahl als Werkstoff für Trag- und Führungsteile von Magnetschwebebahnen,
insbesondere für deren Seitenführungsschienen, denn er erfüllt die an einen Werkstoff für solche Teile gestellten
scharfen Anforderungen hinsichtlich der eingangs genannten Eigenschaften:
hohe magnetische Flußdichte, vor allem im Bereich höherer Feldstärken, ist erforderlich, um die magnetischen Felder
in der notwendigen Stärke aufzubauen. Gefordert wird z.B. eine Induktion von mindestens 1,5 T bei einer Feldstärke
von 4000 A/m,
hoher spezifischer Widerstand von mindestens 0,3 Si. mm /m
bei Raumtemperatur soll einen niedrigen Energieverbrauch
- 7
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durch geringe Wirbelstromverluste sicherstellen,
gute Witterungsbeständigkeit wird benötigt, um die Konstanz der Luftspalte zwischen Schiene und Fahrzeugmagneten
aufrechtzuerhalten,
gute Schweißbarkeit, die eine für geschweißte Bauteile unerläßliche Voraussetzung ist.
Diesen Anforderungen genügt der erfindungsgemäße Stahl.
Der Kohlenstoffgehalt des erfindungsgemäßen Stahls wurde
auf 0,15 % begrenzt, um die erforderliche magnetische Flußdichte sicherzustellen.
Aus demselben Grund wird der Mangangehalt auf maximal 1,0 % begrenzt. Ein Mindestgehalt an Mangan ist erforderlich,
um die Forderung hinsichtlich des elektrischen Widerstands zu erfüllen.
Unter demselben Gesichtspunkt ist ein Mindest-Siliziumgehalt von 0,75 % notwendig. Um das magnetische Verhalten
jedoch nicht unzulässig zu beeinträchtigen, muß der SiIigehalt
auf maximal 2,0 % begrenzt werden.
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Der verhältnismäßig hohe Siliziumgehalt ermöglicht es ferner, den zur Sicherung der Korrosionsbeständigkeit
vorgesehenen Zusatz an Chrom zugunsten der Magnetisierbarkeit auf maximal 1,00 % ohne Einbuße an Witterungsbeständigkeit
zu beschränken. Höhere Cr-Gehalte verschlechtern die magnetische Induktion merklich.
Aus demselben Grund konnte der für die Witterungsbeständigkeit erforderliche Phosphorgehalt mit maximal
0,045 % vergleichsweise niedrig angesetzt werden, wobei gleichzeitig die gute Schweißbarkeit sichergestellt wird.
Neben dem zur vollständigen Abbindung des Stickstoffs vorgesehenen Aluminiumgehalt, der eine die magnetischen
Eigenschaften beeinträchtigende Eisen-Nitridbildung verhindert, soll ein Überschuß an Aluminium im Stahl vorhanden
sein, um den spezifischen elektrischen Widerstand zu erhöhen, ohne aber die magnetischen Werte zu beeinträchtigen.
Eine vollständige Abbindung des Stickstoffs durch Aluminium ist wesentlich, um eine bei Temperaturbelastung
oder mechanischer Belastung durch nicht an Aluminium gebundenen Stickstoff verursachte Verschlechterung
der magnetischen Eigenschaften (magnetische Alterungsanfälligkeit) zu verhindern. Da der Aluminium-Nitrid-Gehalt
des Stahls die magnetische Induktion des Werkstoffes
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beeinflußt,hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den
Stickstoffgehalt des Stahls auf den Wert von 0,008 % zu begrenzen.
Bei einem Stahl mit den angegebenen Si-Gehalten genügt
bereits ein vergleichsweise geringer Cu-Gehalt, um die Korrosionsbeständigkeit wesentlich zu verbessern. Kupfer
in einer Menge von 0,25 bis 0,55 % ist aber zur Erzielung der Witterungsbeständigkeit erforderlich.
Ein Zusatz von mehr als 0,55 % Cu führt zu einer Verschlechterung
der magnetischen Eigenschaften, wie Induktion und Koerzitivkraft.
Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls, wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, Verformungswerte und
Dauerfestigkeit, entsprechen denen der Güte St 37.
Zur Einstellung optimaler physikalischer und mechanischer Eigenschaften wird der erfindungsgemäße Stahl normalisiert
ggf. spannungsarmgeglüht.
Ausfünrungsbeispiele für den neuen Stahl sind in Tabelle 1 gegeben.
- 10 -
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| A | T A | BEL | LEI | P | Al | Cr | Cu | N | |
| B | C | Si | Mn | (%) | (%) | (%) | (%) | (ppm) | |
| C | (%) | (%) | (%) | .012 | .047 | .78 | .33 | 80 | |
| Schmelze | .05 | 1 .78 | .32 | .006 | .048 | .76 | .29 | 60 | |
| Schmelze | .07 | 1.60 | .40 | .009 | .064 | .80 | .26 | 70 | |
| Schmelze | .07 | 1 .69 | .40 | ||||||
Aus der nachfolgenden Übersicht ergibt sich die Überlegenheite des erfindungsgemäßen Stahls gegenüber einem zum Vergleich
herangezogenen unlegierten Stahl mit 0,07 % Kohlenstoff, 0,25 % Silizium, 0,39 % Mangan, 0,010 % Phosphor,
0,016 % Aluminium, 0,07 % Chrom, 0,06 % Kupfer, Rest Eisen.
| Ά | Vergleichs | Magnetische | spez.elektr. | Witterungs | a | Festig | ν, I |
45o | Bruch | |
| 8 | stahl (St 37: | Plußdichte | Widerstand | beständigkeit | keit | I 48o | deh | |||
| in T-esla bei | bei RT in | Gew.-Verlust | j | nung | ||||||
| Stahl | 4oooA/m | Ω nim^/m | g/m^/Jahr | Rm | A | |||||
| 1,584 | o,4o6 | 88 | 111 | |||||||
| .1,593 | o,393 | 93 | ||||||||
| 1,588 | o,4o5 | 9o | N/mm | * | ||||||
| gemäß | ||||||||||
| Erfindung < | 1,642 | o,175 | 15o | 3o | ||||||
| . | ||||||||||
| 23X) | ||||||||||
| ι) (DIN I7I00) |
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Claims (3)
1. Weichmagnetischer Stahl mit hoher magnetischer Induktion
und hohem spezifischen elektrischen Widerstand, magnetischer Alterungsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit
und guter Schweißbarkeit, dadurch
gekennzeichnet , daß er aus
0 bis 0,15 0 bis 0,045 0 bis 0,008 0,75 bis 2,0 0,15 bis 1,00
0,02 bis 0,07 0,25 bis 0,55 0,65 bis 1,00 Rest
% Kohlenstoff % Phosphor % Stickstoff % Silizium
% Mangan
% Aluminiumlöslich
% Kupfer
% Chrom
Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
besteht.
79/312
W/Ka
W/Ka
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2. Weichmagnetischer Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er
aus
O,05 bis 0,08 % Kohlenstoff
0,005 bis 0,02 % Phosphor
0,006 bis 0,008 % Stickstoff
1,60 bis 1,80 % Silizium
0,30 bis 0,40 % Mangan
0,040 bis 0,07 % Aluminium,.. , . ,
0,25 bis 0,35 % Kupfer
0,75 bis 0,85 % Chrom
besteht.
3. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 oder 2 als
Werkstoff für Teile von Magnetschwebebahnen, die Trag-, Führungs- oder Antriebskräfte aufnehmen, insbesondere
für Seitenführungsschienen.
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