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DE68924000T2 - Process for refining the magnetic areas of electrical steels. - Google Patents

Process for refining the magnetic areas of electrical steels.

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DE68924000T2
DE68924000T2 DE1989624000 DE68924000T DE68924000T2 DE 68924000 T2 DE68924000 T2 DE 68924000T2 DE 1989624000 DE1989624000 DE 1989624000 DE 68924000 T DE68924000 T DE 68924000T DE 68924000 T2 DE68924000 T2 DE 68924000T2
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DE
Germany
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steel
tempering
primer
barrier layer
metallic
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DE1989624000
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Stuart Leslie Ames
Jeffrey Michael Breznak
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Allegheny Ludlum Corp
Original Assignee
Allegheny Ludlum Corp
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Priority claimed from US07/205,711 external-priority patent/US4904313A/en
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Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Kernverlusts durch Verfeinern des magnetischen Domänenwandabstands von Elektrostählen, insbesondere von Elektrostahlblechen oder -bändern.This invention relates to a method for improving the core loss by refining the magnetic domain wall spacing of electrical steels, in particular of electrical steel sheets or strips.

Auf elektrischen Anwendungsgebieten, z.B. Netztransformatoren, Verteilertransformatoren, Generatoren und dgl., wird üblicherweise ein kornorientierter Siliziumstahl eingesetzt. Die wichtigste Eigenschaft (hierbei) ist die Fähigkeit des Stahls, zyklische Umkehrungen des angelegten Magnetfeldes bei lediglich begrenztem Energieverlust zuzulassen. Eine Verminderung dieses Verlusts, die als "Kernverlust" bezeichnet wird, ist erwünscht.In electrical applications, e.g. power transformers, distribution transformers, generators, etc., a grain-oriented silicon steel is usually used. The most important property is the ability of the steel to allow cyclic reversals of the applied magnetic field with only limited energy loss. A reduction in this loss, referred to as "core loss", is desirable.

Bei der Herstellung kornorientierter Siliziumstähle ist es bekannt, daß das Goss'sche Sekundärrekristallisationsgefüge, ausgedrückt in Miller-Indizes (110) [001], im Vergleich zu nicht-orientierten Siliziumstählen zu verbesserten magnetischen Eigenschaften, insbesondere einer verbesserten Permeabilität und einem verbesserten Kernverlust, führt. Das Goss'sche Gefüge bezieht sich auf das raumzentrierte kubische Gitter mit dem in der Würfel-auf-(der)Kante-Stellung orientierten Korn oder Kristall. Die Gefüge- oder Kornorientierung dieses Typs besitzt eine Würfelkante parallel zur Walzrichtung und in der Walzebene, wobei die (110)-Ebene die Blechebene darstellt. Bekanntlich sind derart orientierte Stähle durch eine relativ hohe Permeabilität in Walzrichtung und eine relativ geringe Permeabilität unter einem rechten Winkel zu dieser gekennzeichnet.In the manufacture of grain-oriented silicon steels, it is known that the Goss secondary recrystallization structure, expressed in Miller indices (110) [001], leads to improved magnetic properties, in particular improved permeability and core loss, compared to non-oriented silicon steels. The Goss structure refers to the body-centered cubic lattice with the grain or crystal oriented in the cube-on-edge position. The structure or grain orientation of this type has a cube edge parallel to the rolling direction and in the rolling plane, with the (110) plane representing the sheet plane. It is known that steels oriented in this way are characterized by a relatively high permeability in the rolling direction and a relatively low permeability at a right angle to it.

Bei der Herstellung eines kornorientierten Siliziumstahls sind typische Stufen zum Bereitstellen einer Schmelze einer Siliziumgrößenordnung von 2 bis 4,5%, Gießen der Schmelze, Warmwalzen, Kaltwalzen des Stahls auf ein Endmaß von beispielsweise 7 bis 14 mil (0,178 bis 0,356 mm), in typischer Weise 7 oder 9 mil (0,178 oder 0,229 mm), mit Zwischenglühen bei zwei oder mehreren Kaltwalzvorgängen, Entkohlen des Stahls, Aufbringen einer Grundierung aus einem feuerfesten Oxid, z.B. eines Magnesiumoxidüberzugs, auf den Stahl und endgültiges Gefügeanlassen des Stahls bei erhöhten Temperaturen zur Herbeiführung der gewünschten Sekundärrekristallisation und Durchführung einer Reinigungsbehandlung zur Entfernung von Verunreinigungen, wie Stickstoff und Schwefel. Die Entwicklung der Würfel-auf-(der) Kante-Orientierung hängt vom Mechanismus der Sekundärrekristallisation, wobei während der Rekristallisation vorzugsweise sekundäre Würfel-auf-(der)Kante orientierte Körner auf Kosten primärer Körner anderer und unerwünschter Orientierung wachsen, ab.In the production of a grain-oriented silicon steel are typical steps of providing a melt of silicon magnitude of 2 to 4.5%, pouring the melt, hot rolling, cold rolling the steel to a final gauge of, for example, 7 to 14 mils (0.178 to 0.356 mm), typically 7 or 9 mils (0.178 or 0.229 mm), with intermediate annealing in two or more cold rolling operations, decarburizing the steel, applying a primer of a refractory oxide, e.g. a magnesium oxide coating, to the steel and finally tempering the steel at elevated temperatures to induce the desired secondary recrystallization and performing a purification treatment to remove impurities such as nitrogen and sulfur. The development of the cube-on-edge orientation depends on the mechanism of secondary recrystallization, whereby during recrystallization, secondary cube-on-edge oriented grains preferentially grow at the expense of primary grains of other and undesirable orientation.

Die Ausdrücke "Blech" und "Band" sind hier und im folgenden austauschbar und besitzen - sofern nicht anders angegeben - dieselbe Bedeutung.The terms "sheet" and "strip" are used interchangeably here and in the following and have the same meaning unless otherwise stated.

Es ist ferner bekannt, daß aufgrund der Versuche zahlreicher Forscher bzw. Autoren Würfel-auf-(der) Kante kornorientierte Siliziumstähle im allgemeinen in zwei grundlegende Kategorien fallen, nämlich erstens reguläre oder übliche kornorientierte Siliziumstähle und zweitens eine hohe Permeabilität aufweisende kornorientierte Siliziumstähle. Ein regulärer kornorientierter Siliziumstahl ist im allgemeinen durch Permeabilitäten von weniger als 1850 bei 10 Oersted (796 A/m) bei einem Kernverlust von mehr als 0,400 Watt pro pound (WPP) (0,88 Watt/kg) bei 1,5 Tesla bei 60 Hertz für ein nominal 9 mil (0,229 mm) dickes Material gekennzeichnet. Eine hohe Permeabilität aufweisende kornorientierte Siliziumstähle sind durch höhere Permeabilitäten gekennzeichnet. Letztere können das Ergebnis von Legierungsänderungen alleine oder in Verbindung mit Verfahrensänderungen sein. So können beispielsweise eine hohe Permeabilität aufweisende Siliziumstähle Nitride, Sulfide und/oder Boride, die einen Beitrag zu den Ausfällungen und Einschlüssen des selbst die Eigenschaften des fertigen Stahlprodukts beeinflussenden Hemmsystems leisten, enthalten. Weiterhin erfahren solche eine hohe Permeabilität aufweisende Siliziumstähle im allgemeinen eine Kaltverformung auf ein Endmaß, wobei eine endgültige starke Kaltverformung in der Größenordnung von mehr als 80% durchgeführt wird, um die Kornorientierung zu erleichtern. Obwohl solche Werkstoffe mit höherer Permeabilität angestrebt werden, neigen solche Werkstoffe dazu, größere magnetische Domänen zu produzieren als ein üblicher Werkstoff. Im allgemeinen schaden größere Domänen dem Kernverlust.It is also known that, based on the experiments of numerous researchers or authors, cube-on-edge grain oriented silicon steels generally fall into two basic categories, namely, first, regular or common grain oriented silicon steels and, second, high permeability grain oriented silicon steels. A regular grain oriented silicon steel is generally characterized by permeabilities of less than 1850 at 10 oersteds (796 A/m) with a core loss of more than 0.400 watts per pound (WPP) (0.88 watts/kg) at 1.5 Tesla at 60 Hertz for a nominal 9 mil (0.229 mm) thick material. High permeability grain oriented silicon steels are characterized by higher permeabilities. The latter may be the result of alloy changes alone or in conjunction with with process changes. For example, high permeability silicon steels may contain nitrides, sulfides and/or borides which contribute to the precipitates and inclusions of the inhibition system which itself affects the properties of the finished steel product. Furthermore, such high permeability silicon steels are generally cold worked to a final dimension, with a final severe cold work on the order of more than 80% being carried out to facilitate grain orientation. Although such higher permeability materials are desired, such materials tend to produce larger magnetic domains than a typical material. In general, larger domains are detrimental to core loss.

Es ist bekannt, daß eine der Möglichkeiten zur Verringerung der Domänengröße und dabei des Kernverlustwerts von Elektrostählen darin besteht, den Stahl in irgendeiner Weise dahingehend zu behandeln, daß in die Stahloberfläche lokale Spannungen eingeführt werden. Solche Praktiken können im allgemeinen als "Domänenvergütung durch Anreißen" bezeichnet werden und werden nach der letzten Hochtemperaturanlaßbehandlung durchgeführt. Wird der Stahl nach dem letzten Gefügeanlassen angerissen, wird in den gefügeangelassenen Stahl derart ein lokalisierter Spannungszustand eingeführt, daß der Domänenwandabstand vermindert wird. Bei diesen Störungen handelt es sich in typischer Weise um relativ enge, gerade Linien oder Ritzmarkierungen, die im allgemeinen in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die eingeritzten Linien verlaufen im wesentlichen quer zur Walzrichtung und werden in typischer Weise lediglich auf einer Seite des Stahls angebracht.It is known that one of the ways to reduce the domain size and thereby the core loss value of electrical steels is to treat the steel in some way to introduce local stresses into the steel surface. Such practices may be generally referred to as "domain quenching by scribing" and are carried out after the final high temperature tempering treatment. If the steel is scribed after the final structural tempering, a localized stress state is introduced into the structurally tempered steel such that the domain wall spacing is reduced. These disturbances are typically relatively narrow, straight lines or scribe marks, generally spaced at regular intervals. The scribed lines are essentially transverse to the rolling direction and are typically made on only one side of the steel.

Bei der Verarbeitung dieser Elektrostähle zu Transformatoren krankt der Stahl unvermeidlich an einer gewissen Beeinträchtigung der Kernverlustqualität infolge Schneidens, Biegens und der Konstruktion der Kerne während der Herstellung.When these electrical steels are processed into transformers, the steel inevitably suffers from some deterioration in core loss quality due to cutting, bending and the construction of the cores during manufacture.

Sämtliche derartigen Maßnahmen lassen im Werkstoff unerwünschte Spannungen entstehen. Während der Herstellung bei der Produktion von Stapelkerntransformatoren und insbesondere in den Netztransformatoren der Vereinigten Staaten von Amerika ist die Beeinträchtigung in der Kernverlustqualität infolge des Fabrikationsvorgangs nicht so drastisch, daß zur Wiederherstellung üblicher Eigenschaften ein Entspannungsglühen (SRA) erforderlich wäre. Für solche Endgebrauchszwecke besteht ein Bedarf nach einem flachen, domänenvergüteten Siliziumstahl, der keines Entspannungsglühens bedarf. In anderen Worten gesagt, braucht der für diesen Zweck benutzte, mit Ritzmarkierungen versehene Stahl keine wärmebeständige Domänenvergütung aufzuweisen.All such measures introduce undesirable stresses into the material. During manufacture in the production of stacked core transformers, and particularly in the power transformers of the United States of America, the deterioration in core loss quality due to the fabrication process is not so severe that stress relief annealing (SRA) is required to restore normal properties. For such end-use purposes, there is a need for a flat, domain-annealed silicon steel that does not require stress relief annealing. In other words, the scribed steel used for this purpose need not have a heat-resistant domain temper.

Während der Fabrikation bei der Herstellung der meisten Verteilertransformatoren in den Vereinigten Staaten von Amerika wird jedoch das Stahlband beschnitten und den verschiedensten Biege- und Formvorgängen unterworfen. Letztere lassen in dem Stahl mehr aüf die Bearbeitung zurückzuführende Spannungen entstehen als im Falle von Netztransformatoren. In solchen Fällen ist es für die Hersteller erforderlich und üblich, das Produkt zum Ausgleichen solcher Spannungen einem Entspannungsglühen (SRA) zu unterwerfen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß während des Entspannungsglühens der auf gewisse Ritztechniken, z.B. ein mechanisches und thermisches Anreißen, zurückzuführende wertvolle Effekt auf den Kernverlust verloren geht. Für solche Endgebrauchszwecke ist es erforderlich und erwünscht, daß das Produkt eine wärmebeständige Domänenvergütung (HRDR) erhält, damit die auf das Anreißen bzw. Einritzen zurückzuführenden Verbesserungen in den Kernverlustwerten erhalten bleiben.However, during fabrication in the manufacture of most distribution transformers in the United States, the steel strip is trimmed and subjected to a variety of bending and forming operations. The latter create more machining stresses in the steel than in the case of power transformers. In such cases, it is necessary and common for manufacturers to subject the product to stress relief annealing (SRA) to relieve such stresses. However, it has been found that during stress relief annealing, the valuable effect on core loss due to certain scribing techniques, such as mechanical and thermal scribing, is lost. For such end-use applications, it is necessary and desirable that the product be treated with a heat resistant domain (HRDR) to maintain the improvements in core loss values due to scribing.

In der bekannten Patentliteratur wurde bereits darauf hingewiesen, daß Verunreinigungen oder "Eindringlinge" bei der Vergütung des magnetischen Domänenwandabstandes oder kornorientierten Siliziumstahls wirksam sein könnten. Die US- PS 3 990 923 von Takashina et al. vom 9. November 1976 beschreibt, daß ein primärer rekristallisierter Siliziumstahl zur Steuerung oder Hemmung des Wachstums sekundärer Rekristallisationskörner einer chemischen Behandlung unterworfen werden kann. Aus der GB-Patentanmeldung 2 167 324A ist ein Verfahren zur Unterteilung magnetischer Domänen oder kornorientierter Siliziumstähle zum Überdauern einer (SRA) bekannt. Bei diesem Verfahren erhält das Blech eine Spannung und wird ein "Eindringling" auf dem kornorientierten Blech gebildet. Der "Eindringling" besteht aus einer vom Elektroblech verschiedenen Komponente oder Struktur. Die Bildung des "Eindringlings" erfolgt vor oder nach der Spannungseinführung. Anschließend wird z.B. in einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre angelassen, um die "Eindringlinge" in den Stahlkörper einzuführen. Als Eindringwerkstoff werden zahlreiche Metalle und Nichtmetalle angegeben.It has been suggested in the known patent literature that impurities or "intruders" may be effective in improving magnetic domain wall spacing or grain oriented silicon steel. US Patent No. 3,990,923 to Takashina et al., dated November 9, 1976, describes that a primary recrystallized silicon steel can be subjected to a chemical treatment to control or inhibit the growth of secondary recrystallization grains. From GB patent application 2 167 324A a method for dividing magnetic domains or grain oriented silicon steels to survive a (SRA) is known. In this method, the sheet is subjected to a voltage and an "intruder" is formed on the grain oriented sheet. The "intruder" consists of a component or structure different from the electrical sheet. The "intruder" is formed before or after the voltage is introduced. This is followed by annealing, for example in a reducing hydrogen atmosphere, to introduce the "intruders" into the steel body. Numerous metals and non-metals are specified as the intruder material.

Das japanische Patentdokument 61-133 321A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines orientierten Elektrostahlblechs mit ultraniedrigem Kernverlust, bei welchem ein auf dem Stahlblech befindlicher Oberflächenüberzug zur Freilegung des darunter befindlichen Stahls vollständig oder teilweise entfernt, auf das Blech ein chemischer Überzug appliziert, danach in Intervallen Verformungen gebildet und schließlich das Ganze wärmebehandelt wird, um den chemischen Überzug mit dem freiliegenden Stahl reagieren zu lassen. Hierbei erfolgt eine wärmebeständige Domänenvergütung. Gewünschtenfalls kann dann zum Erhalt eines spannungsfreien Stahls ein Entspannungsglühen durchgeführt werden.Japanese Patent Document 61-133321A describes a method for producing an oriented electrical steel sheet with ultra-low core loss, in which a surface coating on the steel sheet is completely or partially removed to expose the underlying steel, a chemical coating is applied to the sheet, deformations are then formed at intervals, and the whole is heat treated to react the chemical coating with the exposed steel. This involves heat-resistant domain annealing. If desired, stress relief annealing can then be carried out to obtain a stress-free steel.

Das japanische Patentdokument 61-139 679A beschreibt ein Verfahren zum Beschichten eines bis zum Ende gefügeanlassen orientierten magnetischen Stahlblechs in Form von im Abstand angeordneten Linien oder Flecken mit mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe Phosphorsäure, Phosphate, Borsäure, Borate, Sulfate, Nitrate und Silikate. Beim anschließenden Brennen bei 300 bis 1200ºC entsteht unter Vergütung der magnetischen Domänen ein penetrierter bzw. eingedrungener Körper, der sich von demjenigen des Stahls unterscheidet.Japanese Patent Document 61-139 679A describes a method for coating a magnetic steel sheet that has been oriented to the end of its structure in the form of spaced-apart lines or spots with at least one compound selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphates, boric acid, borates, sulfates, nitrates and silicates. During subsequent firing at 300 to 1200ºC, a penetrated or penetrated layer is formed while tempering the magnetic domains. Body that is different from that of steel.

Das japanische Patentdokument 61-284 529A beschreibt ein Verfahren zum Entfernen der Oberflächenüberzüge von zum Ende gefügeangelassenen, magnetischen Stahlblechen in Intervallen, Auftragen von Zink, Zinklegierungen und/oder Zinkatlegierungen in speziellen Auftraggewichten, Auftragen eines oder mehrerer Metalls (Metalle) niedrigeren Dampfdrucks, als ihn Zink aufweist, und Ausbildung imprägnierter Körper, die sich von dem betreffenden Stahl in der Zusammensetzung oder Struktur unterscheiden, in Intervallen durch Wärmebehandlung oder Beschichten mit einer Isolierschicht zur Vergütung der magnetischen Domänen.Japanese Patent Document 61-284529A describes a method of removing the surface coatings of final-annealed magnetic steel sheets at intervals, applying zinc, zinc alloys and/or zincate alloys in specific coating weights, applying one or more metal(s) having a lower vapor pressure than zinc, and forming impregnated bodies different from the steel in composition or structure at intervals by heat treatment or coating with an insulating layer to temper the magnetic domains.

Das japanische Patentdokument 62-512 202 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung des Kernverlusts von Siliziumstahl durch Entfernen des nach dem letzten Fertigglühen gebildeten Forsteritfilms und Anbringen eines anderen Metalls, z.B. von Kupfer, Nickel oder Antimon, durch Erwärmen.Japanese Patent Document 62-512202 describes a method for improving the core loss of silicon steel by removing the forsterite film formed after the final finish annealing and attaching another metal, e.g. copper, nickel or antimony, by heating.

Es besteht nun ein Bedarf nach einem Verfahren zum Vergüten des magnetischen Domänenwandabstandes von kornorientiertem Siliziumstahl mit einer darauf befindlichen wärmebeständigen Grundierung aus beispielsweise Forsterit. Das Verfahren sollte sich mit der üblichen Behandlung regulärer und eine hohe Permeabilität aufweisender Siliziumstähle vertragen und sollte von dem wärmeisolierenden Überzug, beispielsweise der Forsteritgrundierung, auf dem Blech zur Erleichterung der Domänenvergütung Gebrauch machen. Weiterhin sollte das Verfahren bei zahlreichen Techniken einschließlich üblicher Verfahren zur Entfernung der Grundierung in vorgegebenen Mustern durchführbar sein.There is now a need for a process for aging the magnetic domain wall spacing of grain oriented silicon steel having thereon a heat resistant primer such as forsterite. The process should be compatible with the usual treatment of regular and high permeability silicon steels and should make use of the heat insulating coating such as forsterite primer on the sheet to facilitate domain aging. Furthermore, the process should be operable with a variety of techniques including common techniques for removing the primer in predetermined patterns.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren entsprechend der Definition von Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 angegeben.The present invention relates to a method according to the definition of claim 1. Preferred embodiments are specified in the dependent claims 2 to 14.

Allgemein gesagt, wird erfindungsgemäß dem Fachmann ein Verfahren zum Vergüten des magnetischen Domänenwandabstandes eines kornorientierten Siliziumstahlblechs oder -bands mit einer darauf befindlichen isolierenden Grundierung an die Hand gegeben. Das Verfahren umfaßt die Entfernung von Teilen der Grundierung zur Freilegung eines Linienmusters des darunter liegenden Siliziumstahls und die Applikation einer metallischen Verunreinigung auf den Siliziumstahl. Die metallische Verunreinigung kann aus Kupfer, Zinn, Nickel, Zink oder Antimon oder Kombinationen oder Verbindungen derselben bestehen. Der freiliegende Stahl ist frei von thermischen und plastischen Spannungen und für eine wirksame Domänenvergütung von solchen Spannungen unabhängig. Danach werden der Stahl und die darauf befindliche Verunreinigung bei einer Temperatur von 760ºC (1400ºF) oder mehr in einer Schutzatmosphäre zur Diffusion ausreichender und gesteuerter Mengen der Verunreinigung in den freiliegenden Stahl mit dem Ziel einer Produktion von Linien bleibender Poren zur Herbeiführung einer wärmebeständigen Domänenvergütung und eines verminderten Kernverlusts in dem spannungsfreien Stahl geglüht.Generally speaking, the invention provides the person skilled in the art with a A method is provided for annealing the magnetic domain wall spacing of a grain oriented silicon steel sheet or strip having an insulating primer thereon. The method comprises removing portions of the primer to expose a line pattern of the underlying silicon steel and applying a metallic impurity to the silicon steel. The metallic impurity may be copper, tin, nickel, zinc or antimony or combinations or compounds thereof. The exposed steel is free of thermal and plastic stresses and independent of such stresses for effective domain annealing. Thereafter, the steel and the impurity thereon are annealed at a temperature of 760°C (1400°F) or more in a protective atmosphere to diffuse sufficient and controlled amounts of the impurity into the exposed steel with the objective of producing lines of permanent pores to produce a heat resistant domain anneal and reduced core loss in the stress free steel.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird auf das Stahlblech zur Versiegelung der Grundierung vor Applikation der metallischen Verunreinigung eine Sperrschicht aus Phosphor oder Silikat oder Kombinationen oder Verbindungen derselben aufgetragen.According to one embodiment of the invention, a barrier layer of phosphorus or silicate or combinations or compounds of the same is applied to the steel sheet to seal the primer before application of the metallic contamination.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Im einzelnen zeigen:The invention is explained in more detail using the attached figures. In detail:

Fig. 1 eine Mikrophotographie einer mit Kupfer gefüllten Einkerbung in der Siliziumstahl-Grundierung entsprechend der vorliegenden Erfindung;Fig. 1 is a photomicrograph of a copper-filled indentation in the silicon steel primer according to the present invention;

Fig. 2 eine Photographie in 150-facher Vergrößerung einer Röntgenstrahlenkarte von Kupfer gemäß Fig. 1.Fig. 2 is a photograph at 150x magnification of an X-ray map of copper according to Fig. 1.

Fig. 3 eine Mikrophotographie in 3000-facher Vergrößerung eines Siliziumstahls nach dem Diffusionsanlassen, in der die erfindungsgemäß erzielbare Porosität sichtbar ist;Fig. 3 is a microphotograph at 3000x magnification of a silicon steel after diffusion tempering, in which the porosity achievable according to the invention is visible;

Fig. 4 eine Mikrophotographie in 30-facher Vergrößerung von Antimonknollen auf einer Stahloberfläche;Fig. 4 a photomicrograph at 30x magnification of antimony nodules on a steel surface;

Fig. 5 und 6 Mikrophotographien von Ni-Sn-Streifen im Querschnitt undFig. 5 and 6 Micrographs of Ni-Sn strips in cross section and

Fig. 7 bis 10 Photographien in 3000-facher Vergrößerung von Röntgenstrahlenkarten von Nickel, Zinn, Phosphor und Eisen in dem Ni-Sn-Streifen im Stahl.Fig. 7 to 10 Photographs at 3000x magnification of X-ray maps of nickel, tin, phosphorus and iron in the Ni-Sn stripe in the steel.

Breit ausgedrückt, besteht das erfindungsgemäße Verfahren in einem Verfahren zur Vergütung der Domänenstruktur eines kornorientierten Siliziumstahlblechs relativ großer Korngrößen durch gesteuerte chemische Oberflächenverunreinigung. Das Verfahren geht von einem endtexturierten, angelassenen Siliziumstahl als Blechrohmaterial mit einer bereits aufgebrachten, elektrisch und thermisch isolierenden Grundierung aus. Danach wird nach einer der zahlreichen Techniken die Grundierung zur Freilegung des blanken Metalls lokal entfernt. Das Metall bedarf keiner plastischen Beanspruchungen oder Spannungen irgendwelcher Art. Danach wird das freiliegende blanke Metall auf den Flächen des freiliegenden Metallmusters durch andere Werkstoffe verunreinigt. Schließlich wird der Stahl zur Diffusion oder Legierung des Verunreinigungsmittels in das Eisen-Silizium-Stahlblechprodukt angelassen. Die dabei erreichte Domänenvergütung ist wärmebeständig, da sie ein Entspannungsglühen überdauert.Broadly stated, the inventive method consists in a method for enhancing the domain structure of a grain-oriented silicon steel sheet of relatively large grain sizes by controlled chemical surface contamination. The method starts from a final-textured, tempered silicon steel as the sheet raw material with an electrically and thermally insulating primer already applied. The primer is then locally removed using one of a number of techniques to expose the bare metal. The metal does not require any plastic strains or stresses of any kind. The exposed bare metal is then contaminated by other materials on the surfaces of the exposed metal pattern. Finally, the steel is annealed to diffuse or alloy the contaminant into the iron-silicon steel sheet product. The domain enhancing achieved is heat-resistant because it survives stress relief annealing.

Das Ausgangsmaterial für das chemische Linierverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist der bis zum Endgefüge angelassene kornorientierte Siliziumstahl mit einem bereits darauf befindlichen isolierenden Überzug. Bei einem solchen isolierenden Überzug kann es sich um die übliche, auch als Forsterit oder Walzglasüberzug bezeichnete Grundierung handeln. Vorzugsweise können die eben gewaschenen, bis zum Endgefüge angelassenen, kornorientierten Siliziumstähle verwendet werden. Bei solchen Stählen kann es sich um die regulären oder üblichen kornorientierten Siliziumstähle oder um eine hohe Permeabilität aufweisende kornorientierte Siliziumstähle handeln. Die speziellen Zusammensetzungen solcher Stähle sind für die vorliegende Erfindung nicht kritisch, es kann sich vielmehr um übliche Zusammensetzungen handeln. Im vorliegenden Falle verwendbare Stahlschmelzen besitzen zunächst folgende nominale Zusammensetzung: Stahl RestThe starting material for the chemical lining process according to the present invention is the grain-oriented silicon steel tempered to the final structure with an insulating coating already applied thereon. Such an insulating coating can be the usual primer, also known as forsterite or rolled glass coating. Preferably, the just washed, grain-oriented silicon steels tempered to the final structure can be used. Such steels can be the regular or usual grain-oriented silicon steels or grain-oriented silicon steels with a high permeability. The special compositions of such Steels are not critical for the present invention, but rather they can be of conventional compositions. Steel melts that can be used in the present case initially have the following nominal composition: Steel Rest

Stahl 1 ist ein eine hohe Permeabilität aufweisender, kornorientierter Siliziumstahl. Stahl 2 ist ein üblicher kornorientierter Siliziumstahl. Stahl 3 ist ein modifizierter üblicher kornorientierter Siliziumstahl. Im vorliegenden Falle sind sämtliche Angaben bezüglich der Zusammensetzung - sofern nicht anders angegeben - als Gewichtsprozente angegeben.Steel 1 is a high permeability grain-oriented silicon steel. Steel 2 is a conventional grain-oriented silicon steel. Steel 3 is a modified conventional grain-oriented silicon steel. In this case, all information regarding composition is given as weight percentages unless otherwise stated.

Die Stähle 1, 2 und 3 wurden durch Gießen, Warmwalzen, Normalisieren, Kaltwalzen auf ein Endmaß mit zwischengeschaltetem Anlassen bei Durchführung von 2 oder mehrere Kaltwalzstufen, Entkohlen, Beschichten mit MgO und Endgefügeanlassen zur Gewährleistung der gewünschten Sekundärrekristallisation einer Würfel-auf-der-Kante-Orientierung hergestellt. Nach dem Entkohlen des Stahls wird vor dem Endgefügeglühen bei erhöhter Temperatur ein hauptsächlich Magnesiumoxid enthaltender Feuerfestoxidüberzug aufgebracht. Bei letzterem Anlassen oder Glühen erfolgt auf der Stahloberfläche eine Reaktion unter Bildung einer Forsteritgrundierung. Obwohl die Stahlschmelzen der Stähle 1, 2 und 3 zunächst die zuvor angegebene Nominalzusammensetzung aufwiesen, waren C, N und S nach dem Fein - oder Endgefügeglühen auf Spurenmengen von weniger als etwa 0,001 Gew.-% reduziert.Steels 1, 2 and 3 were manufactured by casting, hot rolling, normalizing, cold rolling to a final gauge with intermediate tempering using 2 or more cold rolling steps, decarburizing, coating with MgO and final structure annealing to ensure the desired secondary recrystallization of a cube-on-edge orientation. After decarburizing the steel, a refractory oxide coating containing mainly magnesium oxide is applied prior to final structure annealing at elevated temperature. During the latter tempering or annealing, a reaction occurs on the steel surface to form a forsterite primer. Although the steel melts of steels 1, 2 and 3 initially had the nominal composition previously stated, C, N and S were reduced to trace amounts of less than about 0.001 wt.% after fine or final structure annealing.

Erfindungsgemäß ist es wichtig, daß Teile des Überzugs bzw. der Grundierung zur Freilegung eines Linien- oder Streifenmusters in dem darunter liegenden Siliziumstahl entfernt werden. Wie der Überzug bzw. die Grundierung entfernt wird, ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Im Gegensatz zum Stand der Technik braucht hierbei jedoch der darunter liegende Stahl als Ergebnis der Entfernung des Überzugs bzw. der Grundierung keinerlei mechanischen, thermischen oder sonstigen Belastungen und Spannungen ausgesetzt zu werden. In anderen Worten gesagt, muß der freiliegende Stahl vor Durchführung irgendwelcher folgender Stufen zur Applikation der metallischen Verunreinigung von irgendwelchen thermischen und plastischen Spannungen frei sein. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man sich zur Entfernung gewählter Teile der Grundierung der verschiedensten Techniken bedienen kann. So kann beispielsweise zur Bildung eines gesteuerten Musters von Markierungen auf der Bandoberfläche mechanisch oder mit Hilfe eines Lasers angerissen bzw. geritzt werden. Das für die entfernte Grundierung gewählte Linien - oder Streifenmuster kann aus irgendeinem üblichen, bei bekannten Ritztechniken verwendeten Muster bestehen. Vorzugsweise kann die Mustergebung in einer Entfernung der Grundierung bzw. des Überzugs in im allgemeinen parallelen Linien praktisch quer zur Walzrichtung des Stahls mit üblicher Linienbreite und üblichem Linienabstand bestehen. Je nachdem, ob der kornorientierte Siliziumstahl von Würfel-auf-(der)- Kante, Würfel-auf-(der)-Fläche oder sonstiger Orientierung ist, eignen sich auch andere Muster.According to the invention, it is important that parts of the coating or primer are removed to expose a line or stripe pattern in the underlying silicon steel How the coating or primer is removed is not critical to the present invention. However, unlike the prior art, the underlying steel need not be subjected to any mechanical, thermal or other stresses as a result of the removal of the coating or primer. In other words, the exposed steel must be free of any thermal and plastic stresses before any subsequent steps of applying the metallic contamination are carried out. An advantage of the present invention is that a variety of techniques can be used to remove selected portions of the primer. For example, mechanical or laser scribing can be used to form a controlled pattern of markings on the strip surface. The line or stripe pattern selected for the removed primer can be any conventional pattern used in known scribing techniques. Preferably, the patterning can consist of removal of the primer or coating in generally parallel lines substantially transverse to the rolling direction of the steel with conventional line widths and line spacing. Depending on whether the grain-oriented silicon steel is cube-on-edge, cube-on-face or other orientation, other patterns are also suitable.

Erfindungsgemäß wird der freiliegende Siliziumstahl mit ausgewählten Metallen oder Metallegierungen plattiert oder beschichtet. Vorzugsweise werden die Metalle derart gewählt, daß ihre Diffusionsrate niedriger bzw. ihre Diffusionsgeschwindigkeit langsamer ist als diejenige von Eisen in Siliziumstählen. Die erfindungsgemäß geeigneten Metalle und Metallegierungen werden als "Verunreinigungsmittel" oder "Diffusionswerkstoffe" bezeichnet. Der Ausdruck "Verunreinigungsmittel" bezeichnet hier und im folgenden bestimmte geeignete Metalle und Metallegierungen zur erfindungsgemäßen selektiven Applikation auf die freiliegenden Flächen des Stahlblechs. Es hat sich gezeigt, daß die verschiedensten metallischen Verunreinigungsmittel, ausgewählt aus Kupfer, Zinn, Nickel, Zink oder Antimon oder Kombination oder Verbindungen hiervon verwendet werden können. Die metallischen Verunreinigungsmittel können mit Hilfe der verschiedensten üblichen Maßnahmen, z.B. durch stromloses Ablagern oder elektrolytisches Plattieren, als Überzug auf den Siliziumstahl aufgebracht werden. Wegen der isolierenden Natur der Grundierung kann die metallische Verunreinigung bzw. das metallische Verunreinigungsmittel lediglich an den gewählten Linienmustern oder Streifen, die dem Muster der Grundierungsentfernung entsprechen, aufgebracht werden. Hierbei ist es wichtig, daß die isolierende Glasgrundierung auf dem Siliziumstahl eine selektive Ablagerung des metallischen Verunreinigungsmittel in dem vorgegebenen oder vorgewählten Muster ermöglicht.According to the invention, the exposed silicon steel is plated or coated with selected metals or metal alloys. The metals are preferably selected such that their diffusion rate is lower or their diffusion speed is slower than that of iron in silicon steels. The metals and metal alloys suitable for the invention are referred to as "contaminants" or "diffusion materials". The term "contaminants" here and below refers to certain suitable metals and metal alloys for the inventive selective application to the exposed surfaces of the steel sheet. It has been found that a variety of metallic contaminants selected from copper, tin, nickel, zinc or antimony or combinations or compounds thereof can be used. The metallic contaminants can be applied as a coating to the silicon steel by a variety of conventional means, e.g. by electroless deposition or electrolytic plating. Because of the insulating nature of the primer, the metallic contaminant or metallic contaminant can only be applied to the selected line patterns or stripes which correspond to the pattern of primer removal. It is important that the insulating glass primer on the silicon steel allows selective deposition of the metallic contaminant in the predetermined or preselected pattern.

Der Siliziumstahl mit ausgewählten Teilen an entfernter Grundierung und dem aufgetragenen metallischen Verunreinigungsmittel wird anschließend in einer Schutzatmosphäre eine (geeignete) Zeitlang und bei (geeigneter) Temperatur geglüht, um ausreichende und gesteuerte Menge an dem Verunreinigungsmittel in den freigelegten Stahl zu diffundieren und dabei bleibende Poren zu bilden. Ziel dieser Maßnahme sind eine wärmebeständige Domänenvergütung und ein verminderter Kernverlust. Das Glühen bewirkt ein Diffusionsglühen unter geringfügiger Legierung des metallischen Verunreinigungsmittels mit dem Eisen-Silizium-Stahlblech mit dem Ziel einer wärmebeständigen Domänenvergütung. Die Glühtemperatur reicht von etwa 1400ºF (760ºC) oder mehr bis zu 2100ºF (1150ºC). Vorzugsweise reichen die Temperaturen bis zu 1800ºF (982ºC), insbesondere von etwa 1400 bis 1700ºF (760-927ºC).The silicon steel with selected portions of the primer removed and the metallic contaminant applied is then annealed in a protective atmosphere for a time and temperature to diffuse sufficient and controlled amounts of the contaminant into the exposed steel and thereby form permanent pores. The purpose of this action is to provide a heat-resistant domain temper and reduced core loss. The annealing provides a diffusion annealing with slight alloying of the metallic contaminant with the iron-silicon steel sheet to provide a heat-resistant domain temper. The annealing temperature ranges from about 1400ºF (760ºC) or more to 2100ºF (1150ºC). Preferably, temperatures range up to 1800ºF (982ºC), more preferably from about 1400 to 1700ºF (760-927ºC).

Zweckmäßigerweise sollte die Glühtemperatur zumindest gleich sein wie oder größer sein als die Temperatur, die normalerweise beim Entspannungsglühen benutzt wird, damit die erzielten Eigenschaftseffekte bei irgendwelchen nachgeschalteten Behandlungsmaßnahmen bei niedrigerer Temperatur, z.B. beim Entspannungsglühen (SRA), stabil bleiben. In anderen Worten gesagt, sind die Verbesserungen im Kernverlust das Ergebnis einer wärmebeständigen Domänenvergütung. Die Dauer des Glühens kann bis zu 20 h betragen. Vorzugsweise reicht sie von 30 min bis 5 h bei einer zur Gewährleistung der magnetischen Domänenvergütung ausreichenden Temperatur. Aus praktischen Erwägungen sollte das Diffusionsglühen bei höherer Temperatur stattfinden als ein übliches Entspannungsglühen bei etwa 1425ºF (774ºC), dessen sich Transformatorenhersteller nach der Fabrikation bedienen können. Temperaturen in der Größenordnung von bis zu 1650ºF (899ºC) reichen für die wärmebeständige Domänenvergütung ohne das Erfordernis eines zusätzlichen Trennüberzugs zur Verhinderung eines thermischen Verschweißens benachbarter Spulenwicklungen während des Glühens aus. Niedrigere Glühtemperaturen können ebenfalls mit Erfolg gewählt werden.It is advisable to use an annealing temperature that is at least equal to or higher than the temperature normally used for stress relief annealing, so that the property effects achieved remain stable during any lower temperature downstream treatments, such as stress relief annealing (SRA). In other words, the improvements in core loss are the result of a heat-resistant domain temper. The duration of the annealing may be up to 20 hours. Preferably it is from 30 minutes to 5 hours at a temperature sufficient to ensure the magnetic domain temper. For practical reasons, the diffusion annealing should take place at a higher temperature than a conventional stress relief annealing at about 1425ºF (774ºC) which transformer manufacturers may use after fabrication. Temperatures on the order of up to 1650ºF (899ºC) are sufficient for the heat-resistant domain temper without the need for an additional release coating to prevent thermal welding of adjacent coil windings during annealing. Lower annealing temperatures can also be used successfully.

Bekanntlich ist eine praktisch vollständige Homogenität ein im hohen Maße erwünschter Zustand für weichmagnetische Werkstoffe. Es hat sich gezeigt, daß eine geeignete Zeit und eine geeignete Temperatur die bleibenden Poren entwickeln und stabilisieren und ferner die Verunreinigungen in den Stahl diffundieren, wobei ein praktisch homogenes Stahlblech über die Stahldicke hinweg erhalten wird. Im allgemeinen begünstigt ein Anlassen bei höheren Temperaturen die Homogenität. Bei sämtlichen Anlaß- oder Glühvorgängen entsprechend der vorliegenden Erfindung kann das Band entweder in Wickelform oder als Glühstrang des sich kontinuierlich bewegenden Bandes nach Applikation der metallischen Verunreinigung angelassen werden.As is well known, virtually complete homogeneity is a highly desirable condition for soft magnetic materials. It has been found that a suitable time and temperature will develop and stabilize the permanent pores and also diffuse the impurities into the steel, thereby obtaining a virtually homogeneous steel sheet throughout the steel thickness. In general, tempering at higher temperatures promotes homogeneity. In all tempering or annealing operations according to the present invention, the strip can be annealed either in coil form or as an annealing strand of the continuously moving strip after application of the metallic impurity.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Beispiele präsentiert. Sofern nicht anders angegeben, wurden die in den Beispielen verwendeten metallischen Verunreinigungen bzw. Verunreinigungsmittel aus den in Tabelle I angegebenen Plattierlösungen ausgewählt und elektrolytisch abgeschieden. Tabelle 1 Plattiermetall Lösungen und Bedinungen Zinn Nickel Kupfer Zink Antimon Zinn(II)sulfat Schwefelsäure Raumtemperatur Anoden aus nichtrostendem Stahl bzw. Zinnanoden Nickelsulfat Nickelchlorid Borsäure Temperatur: Nickelanoden Kupfercyanid Natriumcyanid Natriumhydroxid Raumtemperatur Kupferanoden Zinksulfat Ammoniumchlorid nichtrostende Anoden bzw. aus nichtrostendem Stahl Zinn(II)chlorid Nickelchlorid Ammoniumbifluorid Ammoniumhydroxid (Einstellung eines ph-Wertes von 2,5) Antimonoxid Fluorwasserstoffsäure Beta-naphthol 1 Augentropfen/1 Umgebungstemperatur nichtrostende Anoden bzw. aus nichtrostendem Stahl * Die Stromdichte betrifft die gesamte BandflächeFor a better understanding of the present invention, the following examples are presented. Unless otherwise stated, the metallic impurities or contaminants used in the examples were obtained from the The plating solutions given in Table I were selected and electrolytically deposited. Table 1 Plating metal solutions and conditions Tin Nickel Copper Zinc Antimony Tin(II) sulfate Sulfuric acid Room temperature Stainless steel anodes or Tin anodes Nickel sulfate Nickel chloride Boric acid Temperature: Nickel anodes Copper cyanide Sodium cyanide Sodium hydroxide Room temperature Copper anodes Zinc sulfate Ammonium chloride Stainless steel anodes or Tin(II) chloride Nickel chloride Ammonium bifluoride Ammonium hydroxide (adjustment of a pH value of 2.5) Antimony oxide Hydrofluoric acid Beta-naphthol 1 eye drops/1 Ambient temperature Stainless steel Anodes or stainless steel * The current density applies to the entire strip area

Beispiel IExample I

2 Epstein-Pakete eines nominal 8 mil (0,2 mm) dicken, eine hohe Permeabilität aufweisenden, kornorientierten Siliziumstahlblechs der Zusammensetzung von Stahl 1 wurden nach dem Waschen mechanisch geritzt. Beim Ritzen wurden wirksam Teile der Grundierung in einem Muster von praktisch parallel verlaufenden Linien praktisch quer zur Walzrichtung des Stahlbandes entfernt. Jeder Epstein-Paket enthielt zwölf (12) Bänder. Jedes Band war 3 cm breit und wies die Ritzlinien im Abstand von etwa 5 mm auf. Unmittelbar nach dem mechanischen Ritzen wurde 2 h lang bei 1500ºF (816ºC) entspannungsgeglüht. Danach wurden die Prüflinge mit Hilfe der in Tabelle I angegebenen Kupferlösung elektrolytisch plattiert und dann zur Diffusion des metallischen Verunreinigungsmittels in den Siliziumstahlblechkörper in einer Schutzatmosphäre 5 h lang bei 1650ºF (899ºC) angelassen. Die Prozentangaben in Klammern bedeuten eine Änderung im Vergleich zu den Anfangseigenschaften. Die magnetischen Eigenschaften wurden in einer für Epstein-Pakete üblichen Weise bestimmt. Tabelle II Zu Anfang nach dem Waschem Mechanisch geritzt 2h Entspannungsglühen bei 1500ºC (816ºC) Chemisch gestreift (Kupfer) + 1650ºF (899ºC)/5h Anlassen Epstein Paket Permeabilität bei 10H Kernverlust bei 1,5T bei 1,7TTwo Epstein packets of nominally 8 mil (0.2 mm) thick, high permeability, grain oriented silicon steel sheet of composition Steel 1 were mechanically scribed after washing. The scribe effectively removed portions of the primer in a pattern of substantially parallel lines substantially transverse to the rolling direction of the steel sheet. Each Epstein packet contained twelve (12) strips. Each strip was 3 cm wide and had the scribe lines spaced approximately 5 mm apart. Immediately after mechanical scribe, a stress relief annealing was performed at 1500ºF (816ºC) for 2 hours. The specimens were then electroplated using the copper solution shown in Table I and then annealed in a protective atmosphere at 1650ºF (899ºC) for 5 hours to diffuse the metallic contaminant into the silicon steel sheet body. The percentages in parentheses indicate a change compared to the initial properties. The magnetic properties were determined in a manner usual for Epstein packages. Table II Initial after washing Mechanically scratched 2h stress relief annealing at 1500ºF (816ºC) Chemically stripped (copper) + 1650ºF (899ºC)/5h tempering Epstein Package Permeability at 10H Core Loss at 1.5T at 1.7T

Die Ergebnisse der Tabelle II zeigen, daß durch das mechanische Ritzen der Kernverlust erwartungsgemäß aufgrund einer gewissen plastischen Verformungsschädigung des untenliegenden Stahlblechs etwas verbessert war. Diese Verbesserung war jedoch nicht wärmestabil. Nach dem Entspannungsglühen bei 1500ºF (816ºC) waren die plastische Verformung verschwunden und die Eigenschaften im wesentlichen auf die anfänglichen Werte (vor dem Anreißen) des grundierten und bis zum endgültigen Gefüge angelassenen Siliziumstahls zurückgekehrt. Der Stahl zeigte lediglich das Muster des freigelegten untenliegenden Metalls. Die erfindungsgemäße chemische Linierbehandlung (Behandlung zur Streifenbildung) mit Kupfer mit nachgeschaltetem Diffusionsglühen bei 1650ºF (899ºC) zeigt eine signifikante Verbesserung des Kernverlusts von durchschnittlich etwa 6%. Dadurch wird klar und deutlich belegt, daß die chemische Linierbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung unabhängig von irgendwelchen plastischen oder thermischen Spannungen oder einer Verformung des Stahls wirksam sein kann. Nach 2-stündigem anschließendem Entspannungsglühen bei 1450ºF (788ºC) zeigen die Prüflinge eine dauerhafte Kernverlustverbesserung als Anzeichen für eine wärmebeständige Domänenvergütung bei jedem Prüfling. Anhand dieser Prüflinge wird bestätigt, daß eine thermische oder plastische Verformung des freigelegten Siliziumstahls keine Rolle bei der wärmebeständigen Domänenvergütung spielt.The results of Table II show that mechanical scribing improved core loss somewhat, as expected, due to some plastic deformation damage to the underlying steel sheet. However, this improvement was not thermally stable. After stress relief annealing at 1500ºF (816ºC), the plastic deformation disappeared and the properties essentially returned to the initial (pre-scribing) values of the primed and final-structure tempered silicon steel. The steel showed only the pattern of the exposed underlying metal. The chemical copper line treatment of the present invention followed by diffusion annealing at 1650ºF (899ºC) shows a significant improvement in core loss, averaging about 6%. This clearly demonstrates that the chemical lining treatment of the present invention can be effective regardless of any plastic or thermal stresses or deformation of the steel. After subsequent stress relief annealing at 1450ºF (788ºC) for 2 hours, the specimens show permanent core loss improvement indicative of heat resistant domain tempering on each specimen. These specimens confirm that thermal or plastic deformation of the exposed silicon steel plays no role in heat resistant domain tempering.

Fig. 1 ist eine mit einem Abtastelektronenmikroskop aufgenommene Mikrophotographie einer Einkerbung, d.h. des durch die Grundierung hindurch freigelegten Siliziumstahls, die nach der Verkupferung des Prüflings mit Kupfer gefüllt ist.Fig. 1 is a scanning electron microscope photomicrograph of a notch, i.e. the silicon steel exposed through the primer, which is filled with copper after copper plating of the specimen.

Fig. 2 ist eine 150-fach vergrößerte Photographie einer Röntgenstrahlenkarte, die Kupfer in dem Linienmuster des Siliziumstahlprüflings zeigt.Fig. 2 is a 150x magnification photograph of an X-ray chart showing copper in the line pattern of the silicon steel specimen.

Beispiel IIExample II

Aus einem Einzelband bestehende Epstein-Prüflinge von 8 mil (0,2 mm) Dicke und 3 cm Breite aus der Stahlzusammensetzung von Beispiel I wurden zur Entfernung der gesamten isolierenden Grundierung von den gefügegelühten Bändern in HCl- 1% HF-Säure chemisch gebeizt. An der Stahloberfläche wurde eine Kunststoffanreißschablone mit Schlitzen derart befestigt, daß das Schlitzmuster entsprechend Beispiel I praktisch parallele Linien praktisch quer zur Walzrichtung des Stahlbandes bildete. Jeder Prüfling mit der darauf befindlichen Anreißschablone wurde entsprechend Beispiel I elektrolytisch verkupfert und dann zur Diffusion des metallischen Verunreinigungsmittels in den Siliziumstahlkörper 2 h lang (nach Entfernung der Anreißschablone) bei 1650ºF (899ºC) angelassen. Die Prozentangaben in Klammern bedeuten Änderungen im Vergleich zu den ursprünglichen Eigenschaften. Die magnetischen Eigenschaften wurden in für Einzelbandtests üblicher Weise bestimmt. Tabelle III Chemisch gestreift (Kupfer) + 1650ºF (899ºC)/5h Anlassen Prüfling Nr. Ursprüngliche Permeabilität bei 10H Eigenschaften Kernerverlust bei 1,5T bei 1,7TSingle-strip Epstein specimens 8 mils (0.2 mm) thick and 1 1/2 inch wide of the steel composition of Example I were chemically pickled in HCl-1% HF acid to remove all insulating primer from the annealed strips. A plastic scriber with slots was attached to the steel surface so that the slot pattern formed substantially parallel lines substantially transverse to the rolling direction of the steel strip as in Example I. Each specimen with the scriber thereon was electrolytically copper plated as in Example I and then annealed at 1650ºF (899ºC) for 2 hours (after removal of the scriber) to diffuse the metallic contaminant into the silicon steel body. Percentages in parentheses represent changes from the original properties. Magnetic properties were determined in a manner conventional for single-strip tests. Table III Chemically striped (copper) + 1650ºF (899ºC)/5h tempering Sample No. Initial permeability at 10H Properties Kerner loss at 1.5T at 1.7T

Die Ergebnisse der Tabelle III zeigen, obwohl die Prüflinge zu keinem Zeitpunkt einer plastischen Verformung oder Spannung ausgesetzt waren, deutlich verbesserte Kernverlusteigenschaften nach dem Diffusionsglühen. Die verbesserten Eigenschaften belegen eindeutig, daß eine plastische Verformung keine Rolle bei einer Domänenvergütung durch die erfindungsgemäße chemische Linierung bzw. Streifenbildung spielt.The results in Table III show that, although the test specimens were never subjected to plastic deformation or stress, they had significantly improved core loss properties after diffusion annealing. The improved properties clearly demonstrate that plastic deformation plays no role in domain tempering by the chemical lining or striping according to the invention.

Eine metallographische Untersuchung der verschiedenen Prüflinge in der diffusionsgeglühten Zone zeigte keinen übermäßigen Angriff der Stahlunterlage durch die aufplattierte Ablagerung. Dies ist mit der geringen Menge an abgelagertem Verunreinigungsmittel und den benutzten relativ niedrigen Diffusionstemperaturen folgerichtig. Strukturen bei hoher Vergrößerung neigten zu Änderungen und Komplikationen, wie dies in der Diffusionskopplungsmetallurgie nicht unüblich ist. Die Ergebnisse lassen vermuten, daß die erfindungsgemäße Domänenvergütung von der Entwicklung und/oder Erhaltung feiner Zusammensetzungsgradienten innerhalb des chemisch linierten oder behandelten Bereichs unabhängig ist. Statt dessen scheint es sich bei diesem Effekt um das in der Diffusionskopplungsmetallurgie wohlbekannte Kirkendall-Porositätsphänomen zu handeln. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, scheint der mit dem Kirkendall-Phänomen verwandte Mechanismus nahezulegen, daß Verunreinigungsmittel anderer chemischer Natur erfolgreich als chemische Linierverunreinigungsmittel verwendet werden können und daß der genaue chemische Charakter nicht so wichtig ist, wie die Diffusionsrate in bezug auf den Eisengrundwerkstoff. Weiterhin scheint es - bei Festhalten an die Kirkendall-Diffusionstheorie - so zu sein, daß niedrigere Diffusionstemperaturen dazu neigen, die Kirkendall-Porosität zu übertreiben, und daß vorzugsweise das nachgeschaltete Glühen innerhalb des niedrigeren Bereichs von 1400 bis 1700ºF (760 bis 927ºC) erfolgen sollte.Metallographic examination of the various specimens in the diffusion annealed zone showed no excessive attack of the steel substrate by the plated deposit. This is consistent with the small amount of contaminant deposited and the relatively low diffusion temperatures used. Structures at high magnification tended to change and complicate, as is not uncommon in diffusion coupling metallurgy. The results suggest that the domain annealing of the invention is independent of the development and/or maintenance of subtle composition gradients within the chemically lined or treated region. Instead, this effect appears to be the Kirkendall porosity phenomenon well known in diffusion coupling metallurgy. Without being bound to any particular theory, the mechanism related to the Kirkendall phenomenon seems to suggest that contaminants of other chemical natures can be successfully used as chemical line contaminants and that the precise chemical character is not as important as the diffusion rate with respect to the ferrous base metal. Furthermore, adhering to the Kirkendall diffusion theory, it appears that lower diffusion temperatures tend to exaggerate the Kirkendall porosity and that preferably the post-annealing should be done within the lower range of 1400 to 1700ºF (760 to 927ºC).

Beispiel IIIExample III

Einzelbänder aus einem eine hohe Permeabilität aufweisenden, kornorientierten Siliziumstahl gemäß Beispielen 1 und 2 wurden nach dem Waschen mechanisch oder in einigen Fällen durch elektrische Entladung geritzt. Beim Ritzen bzw. Anreißen wurden wirksam Teile der Grundierung in einem Muster praktisch paralleler Linien praktisch quer zur Walzrichtung des Stahlbandes entfernt. Die Linien waren auf einzelnen bandförmigen 8-mil (0,2 mm) dicken Epstein-Prüflingen etwa 3 mm breit und im Abstand von etwa 5 mm angeordnet. Danach wurden die Prüflinge mit den verschiedensten metallischen Verunreinigungsmitteln aus den in Tabelle I angegebenen Plattierbädern elektrolytisch plattiert. Die Plattierung führte - wie eine mikroskopische Prüfung ergab - zu einer mindestens hälftigen Füllung der Ausnehmungen in der Grundierung mit dem jeweiligen metallischen Verunreinigungsmittel. Nach dem Plattieren wurden die Prüflinge - wie angegeben - in einer im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Atmosphäre diffusionsgeglüht. Tabelle IV Ursprüngliche Eigenschaften Chemisch gestreift Glühen Prüfling Nr. Permeabilität bei 10H Kernerverlust bei 1,5T 1,7T Metall Dauer Temperatur Tabelle IV (Fortsetzung) Ursprüngliche Eigenschaften Chemisch gestreift Glühen Prüfling Nr. Permeabilität bei 10H Kernerverlust bei 1,5T 1,7T Metall Dauer TemperaturIndividual strips of high permeability grain oriented silicon steel according to Examples 1 and 2 were mechanically or in some cases electrically discharge scribed after washing. The scribe effectively removed portions of the primer in a pattern of substantially parallel lines substantially transverse to the rolling direction of the steel strip. The lines were approximately 3 mm wide and spaced approximately 5 mm apart on individual 8-mil (0.2 mm) thick Epstein strip specimens. The specimens were then electrolytically plated with a variety of metallic contaminants from the plating baths shown in Table I. The plating resulted in at least half of the recesses in the primer being filled with the respective metallic contaminant as shown by microscopic examination. After plating, the specimens were diffusion annealed in an atmosphere consisting essentially of hydrogen as indicated. Table IV Original Properties Chemically striped Annealing Sample No. Permeability at 10H Kerner loss at 1.5T 1.7T Metal Duration Temperature Table IV (continued) Original Properties Chemically striped Annealing Sample No. Permeability at 10H Kerner loss at 1.5T 1.7T Metal Duration Temperature

Die in Tabelle IV enthaltenen Ergebnisse zeigen, daß für die mit Hilfe der Tabelle I angegebenen Plattierbäder und Plattierbedingungen bereitgestellten Zinn-, Nickel- und Antimon-Verunreinigungen die Stähle sowohl bei 1,5 als auch bei 1,7 Tesla eine Verbesserung in den Kernverlusteigenschaften bei allenfalls geringfügigem Permeabilitätsverlust zeigten. Da die Prüflinge auf Temperaturen über die typische Entspannungsglühtemperatur von 1425ºF (774ºC) erwärmt wurden, waren die Kernverlustverbesserungen in bezug auf ein Erwärmen auf diese Temperatur dauerhaft. In anderen Worten gesagt, waren die Verbesserungen "wärmefest".The results contained in Table IV show that for the tin, nickel and antimony impurities provided by the plating baths and plating conditions given in Table I, the steels showed an improvement in core loss properties at both 1.5 and 1.7 Tesla with only a slight loss of permeability. Since the specimens were heated to temperatures above the typical stress relief annealing temperature of 1425ºF (774ºC), the core loss improvements were permanent with respect to heating to that temperature. In other words, the improvements were "heat resistant."

Beispiel IVExample IV

Weitere Prüflinge wurden zur Bestimmung der Wärmestabilität der magnetischen Eigenschaften der erfindungsgemäß behandelten Prüflinge getestet. Wenn die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften das Ergebnis einer Kirkendall-Porosität ist, dann sollten diese Verbesserungen außerordentlich stabil sein. Bei sämtlichen Prüflingen handelte es sich um 8 oder 12 bandförmige Epstein-Pakete. Jedes Band eines nominal 8-mil (0,2 mm) dicken Stahls der Zusammensetzung von Beispiel 1 wurde durch schwaches mechanisches Kratzen durch die dünne Glasgrundierung zur Freilegung des blanken Stahls und Elektroplattieren mit den in Tabelle V angegebenen Metallen mit etwa 0,25 mm breiten und im Abstand von etwa 5 mm angeordneten Linien versehen. Danach wurden die Bänder gestapelt und 5 h zur Diffusion bei 1650ºF (899ºC) geglüht. Eine erhebliche Verbesserung der Kernverlusteigenschaften war augenscheinlich. Die Epstein-Pakete wurden dann - wie angegeben - 2 h bzw. 10 h bei 2100ºF (1150ºC) weitergeglüht. Die Prozentangaben in Klammern bedeuten eine Änderung im Vergleich zu den Anfangseigenschaften. Tabelle V Ursprüngliche Eigenschaften Chemisch gestreift + 1650ºF (899ºC)/5h Glühen Nach dem Weiterglühen bei 2100ºF (1149ºC) Prüfling Nr. Permeabilität bei 10H Kernerverlust bei 1,5T bei 1,7T Zinkstreifen Nickel-Zinn-Streifen Kupfer-Streifen ** Der Prüfling wurde 10 h bei 2100ºF (1149º) geglüht Tabelle V (Fortsetzung) Ursprüngliche Eigenschaften Chemisch gestreift + 1650ºF (899ºC)/5h Glühen Nach dem Weiterglühen bei 2100ºF (1149ºC) Prüfling Nr. Permeabilität bei 10H Kernerverlust bei 1,5T bei 1,7T * Der Prüfling wurde 2 h bei 2100ºF (1149º) geglühtAdditional samples were tested to determine the thermal stability of the magnetic properties of the samples treated in accordance with the invention. If the improvement in magnetic properties is the result of Kirkendall porosity, then these improvements should be extremely stable. All samples were 8 or 12 Epstein ribbon packages. Each ribbon of nominally 8-mil (0.2 mm) thick steel of the composition of Example 1 was given lines approximately 0.25 mm wide and spaced approximately 5 mm apart by lightly mechanically scratching through the thin glass primer to expose the bare steel and electroplating with the metals shown in Table V. The ribbons were then stacked and diffusion annealed at 1650°F (899°C) for 5 hours. A significant improvement in core loss properties was evident. The Epstein packages were then further annealed at 2100ºF (1150ºC) for 2 hours and 10 hours as indicated. The percentages in parentheses indicate a change from the initial properties. Table V Initial Properties Chemically stripped + 1650ºF (899ºC)/5h anneal After further annealing at 2100ºF (1149ºC) Sample No. Permeability at 10H Kerner Loss at 1.5T at 1.7T Zinc Strip Nickel-Tin Strip Copper Strip ** Sample was annealed for 10 hours at 2100ºF (1149º) Table V (continued) Initial Properties Chemically Stripped + 1650ºF (899ºC)/5h Anneal After Further Annealing at 2100ºF (1149ºC) Sample No. Permeability at 10H Kerner Loss at 1.5T at 1.7T * Sample was annealed for 2 hours at 2100ºF (1149º)

Die Daten und Ergebnisse der Tabelle V belegen, daß die Kernverlustverbesserung bis zu 2100ºF (1150ºC) anhielt. Dies belegt die einzigartige und außergewöhnliche Stabilität der erfindungsgemäßen Domänenvergütung. Weiterhin zeigten eine mit einem Abtastelektronenmikroskop (SEM) durchgeführte Analyse und eine chemische Analyse mittels Röntgenstrahlen, daß die zuvor chemisch linierten Bereiche nunmehr dieselbe Zusammensetzung aufwiesen wie der Matrixstahl. In anderen Worten gesagt, hatte die hohe Temperatur das Band homogenisiert. Die Verunreinigungen waren nicht länger lokalisiert, sondern bildeten einen Teil der gesamten Restverunreinigung in der Hauptmasse des Prüflings. Die Homogenität und ein geringer Spannungszustand des weichmagnetischen Materials sind ein gewünschtes Ergebnis.The data and results in Table V demonstrate that the core loss improvement was sustained up to 2100ºF (1150ºC). This demonstrates the unique and exceptional stability of the domain temper of the invention. Furthermore, a scanning electron microscope (SEM) analysis and a chemical analysis using X-rays showed that the previously chemically ruled areas now had the same composition as the matrix steel. In other words, the high temperature had homogenized the strip. The contaminants were no longer localized, but formed part of the total residual contamination in the bulk of the specimen. The homogeneity and low stress state of the soft magnetic material is a desired result.

Im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Erkenntnisse ist zu vermuten, daß die gewählten Metallverunreinigungen die erwartete Leistung erbringen, wenn (deren) Diffusionsraten niedriger sind als die Eigendiffusionsrate des Eisens in der Legierung auf Eisenbasis. Weiterhin dürfte mit geringerer Diffusionsrate durch das Eisen das Metall als Verunreinigungsmittel zur Gewährleistung der dauerhaften Porosität um so geeigneter sein. So ist beispielsweise die Diffusion von Kupfer durch Eisen in der Größenordnung von 4-mal langsamer als diejenige von Eisen. Nickel diffundiert in der Größenordnung von 500 x langsamer. Solche metallischen Elemente mit langsameren Diffusionsgeschwindigkeiten in Eisen sollten zu dem Kirkendall-Porositätsphänomen und den erfindungsgemäßen Vorteilen führen.In view of the findings of the invention, it is expected that the metal impurities chosen will perform as expected if their diffusion rates are lower than the inherent diffusion rate of the iron in the iron-based alloy. Furthermore, the lower the diffusion rate through the iron, the more suitable the metal is as a contaminant to provide permanent porosity. For example, the diffusion of copper through iron is on the order of 4 times slower than that of iron. Nickel diffuses on the order of 500 times slower. Such metallic elements with slower diffusion rates in iron should result in the Kirkendall porosity phenomenon and the advantages of the invention.

Obwohl die metallischen Verunreinigungen für eine wärmebeständige Domänenvergütung als Ergebnis einer Domänenvergütung von spannungsfreien, kornorientierten Silizium-Eisen (-Legierungen) mit einer darauf befindlichen guten Grundierung sorgen können, war die Reproduzierbarkeit in Fällen, in denen die Grundierung ungeeignet war, schlecht. Offensichtlich ermöglicht die das Ergebnis des Fertiggefügeglühens bildende, natürlich vorkommende Forsterit-Grundierung manchmal eine unerwünschte Plattierung des metallischen Verunreinigungsmittels durch die Poren und Risse im Forsterit. Dies war dann evident, wenn direkt aus Poren in der Forsterit-Grundierung in Bereichen, die von dem freiliegenden, unten befindlichen Siliziumstahl entfernt waren und zwischen den praktisch parallelen Linien lagen, Antimonknollen austraten und -wuchsen (Fig. 4).Although the metallic impurities can provide a heat-resistant domain temper as a result of domain tempering of stress-relieved, grain-oriented silicon-iron (alloys) with a good primer thereon, the reproducibility was poor in cases where the primer was unsuitable. Apparently, the final structure annealing result, Naturally occurring forsterite primer sometimes allows unwanted plating of the metallic contaminant through the pores and cracks in the forsterite. This was evident when antimony nodules oozed and grew directly from pores in the forsterite primer in areas remote from the exposed silicon steel below and between the virtually parallel lines (Fig. 4).

Es hat sich gezeigt, daß gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Verwendung eines zusätzlichen Versiegelungsüberzugs bzw. einer zusätzlichen Sperrschicht auf dem Forsterit vor Applikation des metallischen Verunreinigungsmittels auf die freiliegenden Siliziumstahlbänder zu einer deutlichen Verbesserung der Konsistenz und Reproduzierbarkeit einer wärmebeständigen Domänenvergütung führt. Der Hauptzweck der Einführung der Sperrschicht in das Verfahren besteht in einer Versiegelung der Poren und Risse im Forsteritüberzug. Die Tabelle VI identifiziert mehrere Überzüge, die sich vermutlich als erfindungsgemäße Sperrschicht eignen. Die Ähnlichkeit zwischen sämtlichen dieser Überzüge besteht darin, daß sie alle wasserlösliche sind und bei relativ niedrigen Temperaturen aushärten. Weiterhin enthalten diese Sperrschichten Phosphor oder Silikate oder Kombinationen oder Verbindungen derselben als Hauptbestandteil des Überzugs. Vorzugsweise besteht der Überzugshauptbestandteil aus einem Metallphosphat oder Metallsilikat. Insbesondere sollte es sich bei dem Überzug um einen solchen handeln, der sich nach dem Härten im wesentlich als Magnesiumphosphatschicht absetzt. Tabelle VI Bezeichnung Sperrschicht und Bedingungen Konzentration Phosphorsäure (85%ig) Magnesiumoxid Nalcoaq (1050) eingetragenes Warenzeichen Chromtrioxid Wasser Gehärtet: 1000ºF (538ºC) - 1 min (Luft) Natriumsilikat (40-42 Be) Wasser Gehärtet: 800ºF (427ºC) - 1 min (Luft) Phosphorsäure (85%ig) Magnesiumoxid Kasil #1 eingetragenes Warenzeichen Ammoniumhydroxid (58%ig) Chromtrioxid Dupanol eingetragenes Warenzeichen (2%) Wasser Gehärtet: 800ºF (427ºC) - 1 min (Luft) Phosphorsäure (85%ig) Magnesiumoxid Ammoniumhydroxid (58%ig) Chromtrioxid Dupanol eingetragenes Warenzeichen (2%) Wasser Gehärtet: 800ºF (427ºC) - 1 min (Luft) RestIt has been found that, in accordance with one embodiment of the invention, the use of an additional sealing coating or barrier layer on the forsterite prior to application of the metallic contaminant to the exposed silicon steel strips results in a significant improvement in the consistency and reproducibility of a heat resistant domain coating. The primary purpose of introducing the barrier layer into the process is to seal the pores and cracks in the forsterite coating. Table VI identifies several coatings believed to be suitable as the barrier layer of the invention. The similarity between all of these coatings is that they are all water soluble and cure at relatively low temperatures. Furthermore, these barrier layers contain phosphorus or silicates or combinations or compounds thereof as the major component of the coating. Preferably, the major component of the coating is a metal phosphate or metal silicate. In particular, the coating should be one which, after curing, deposits substantially as a magnesium phosphate layer. Table VI Name Barrier and Conditions Concentration Phosphoric Acid (85%) Magnesium Oxide Nalcoaq (1050) Registered Trademark Chromium Trioxide Water Hardened: 1000ºF (538ºC) - 1 min (air) Sodium Silicate (40-42 Be) Water Hardened: 800ºF (427ºC) - 1 min (air) Phosphoric Acid (85%) Magnesium Oxide Kasil #1 Registered Trademark Ammonium Hydroxide (58%) Chromium Trioxide Dupanol Registered Trademark (2%) Water Hardened: 800ºF (427ºC) - 1 min (air) Phosphoric Acid (85%) Magnesium Oxide Ammonium Hydroxide (58%) Chromium Trioxide Dupanol Registered Trademark (2%) Water Hardened: 800ºF (427ºC) - 1 min (air) Balance

Die folgenden Beispiele dienen zu einem besseren Verständnis dieser Ausführungsform (der Erfindung):The following examples serve to better understand this embodiment (of the invention):

Beispiel VExample V

Es wurden Tests durchgeführt, um den Effekt der Sperrschicht auf eine Verbesserung des Verfahrens zur Herstellung einer wärmebeständigen Domänenvergütung zu belegen. Sämtliche Prüflinge wurden aus verschiedenen Schmelzungen eines Siliziumstahls einer typischen Zusammensetzung entsprechend Stahl 1 hergestellt und besaßen ein Nominalmaß von 8-mil (0,2 mm). Einzelne Streifen des Stahls 1 wurden durch mechanisches Anreißen in den Ritzzustand überführt. Das Anreißen entfernte wirksam Teile der Grundierung in einem Muster praktisch paralleler Linien praktisch quer zur Walzrichtung des Stahlbandes. Die Linien besaßen eine Breite von etwa 0,25 mm und waren im Abstand von etwa 5 mm (voneinander) angeordnet. Jeder Prüfling wurde nach Entfernen der Grundierung mit einer Sperrschicht "P" entsprechend Tabelle VI versehen. Danach wurden sämtliche Prüflinge aus einem Plattierbad gemäß Tabelle I entweder verzinkt oder verkupfert. Die magnetischen Eigenschaften wurden bei einem einzigen Epstein-Band von 30 x 3 cm bestimmt. Nach dem Elektroplattieren wurden sämtliche Prüflinge während der in Tabelle VII angegebenen Zeit bei der in Tabelle VII angegebenen Temperatur diffusionsgeglüht. Die Prozentangaben bedeuten eine Änderung in den Kernverlusteigenschaften im Vergleich zu den ursprünglichen Eigenschaften. Die magnetischen Eigenschaften wurden in für einzelne Bandtests üblicher Weise bestimmt. Tabelle VII Ursprüngliche Eigenschaften Nach 5h/1650ºF (899ºC) Diffusionsglühen Permeabilität bei 10H Kernverlust bei 1,5T bei 1,7T vgl. Änderung Verunreinigung Zink Kupfer Durchschnittliche Verbesserung (sämtliche Bänder)Tests were conducted to demonstrate the effect of the barrier coating on improving the process for producing a heat-resistant domain temper. All specimens were made from various melts of a silicon steel of typical composition corresponding to Steel 1 and were nominally 8-mil (0.2 mm). Individual strips of Steel 1 were mechanically scribed to the scribed condition. Scribing effectively removed portions of the primer in a pattern of substantially parallel lines substantially transverse to the rolling direction of the steel strip. The lines were approximately 0.25 mm wide and spaced approximately 5 mm apart. Each specimen was coated with a barrier coating "P" as shown in Table VI after removal of the primer. All specimens were then either zinc-plated or copper-plated from a plating bath as shown in Table I. Magnetic properties were determined on a single 30 x 3 cm Epstein strip. After electroplating, all specimens were diffusion annealed for the time and temperature specified in Table VII. Percentages represent a change in core loss characteristics compared to the original characteristics. Magnetic properties were determined in a manner customary for individual strip tests. Table VII Original Properties After 5h/1650ºF (899ºC) Diffusion Annealing Permeability at 10H Core Loss at 1.5T at 1.7T See Change Contaminant Zinc Copper Average Improvement (all bands)

Im Vergleich zu den Vergleichsprüflingen, die vor jeglicher Behandlung magnetisch getestet wurden, enthält die Tabelle VII Daten, die belegen, daß die meisten Prüflinge im Durchschnitt in der Größenordnung von 10 bis 12% im Kernverlust besser waren. Zu Vergleichszwecken waren Prüflinge aus denselben Materialchargen nach üblichen mechanischen Anreißtechniken zur Gewährleistung einer 15 bis 20%igen Verbesserung im Kernverlust fähig. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Verbesserung im Kernverlust das Ergebnis einer wärmebeständigen Domänenvergütung sein kann.In comparison to control samples which were magnetically tested prior to any treatment, Table VII contains data demonstrating that most samples were on the order of 10 to 12% better in core loss on average. For comparison purposes, samples from the same batches of material after standard mechanical scribing techniques were capable of providing a 15 to 20% improvement in core loss. Another advantage of the present invention is that the improvement in core loss can be the result of a heat resistant domain temper.

Beispiel 6Example 6

Im Rahmen weiterer Beispiele wurden zusätzliche Tests durchgeführt, um das Domänenvergütungsverfahren anhand verschiedener Siliziumstähle der Zusammensetzungen der Stähle 1, 2 und 3 für Epstein-Testpakete zu belegen. Jeder Prüfling wurde entsprechend dem vorhergehenden Beispiel 5 hergestellt, wobei jedoch Modifikationen durchgeführt wurden, um unterschiedliche kornorientierte Siliziumstähle eines Nennmaßes von 7-mil (0,18 mm) bzw. 8-mil (0,2 mm) herzustellen. Danach wurden die Prüflinge entsprechend dem vorherigen Beispiel unter den in Tabelle VIII angegebenen Versuchsbedingungen mit 5 mm voneinander entfernten parallelen Bändern behandelter Bereiche bearbeitet. Die magnetischen Eigenschaften wurden in für Epstein-Pakete üblicher Weise bestimmt. Tabelle VIII Anfängliche Eigenschaften 1650ºF (899ºC) Diffusionsglühen Stahl Maß (mil) (mm) Verunreinigung Permeabilität bei 10H Kernverlust bei 1,5T bei 1,7T Kupfer ZincIn further examples, additional tests were conducted to demonstrate the domain annealing process using various silicon steels of compositions 1, 2, and 3 for Epstein test packages. Each sample was prepared as in Example 5 above, but with modifications to produce different grain oriented silicon steels of nominal 7-mil (0.18 mm) and 8-mil (0.2 mm) size. The samples were then machined as in the previous example under the test conditions shown in Table VIII with parallel bands of treated areas spaced 5 mm apart. Magnetic properties were determined in a manner conventional for Epstein packages. Table VIII Initial Properties 1650ºF (899ºC) Diffusion Annealed Steel Dimension (mil) (mm) Impurity Permeability at 10H Core Loss at 1.5T at 1.7T Copper Zinc

Die Daten der Tabelle VIII belegen, daß das erfindungsgemäße Domänenvergütungsverfahren den Kernverlust in einem 8- mil (0,2 mm) Maß-Werkstoff entsprechend Stahl 1 im Vergleich zu den ursprünglichen Eigenschaften um bis zu 11% vermindern kann. Die größte Verbesserung erreicht man bei Verwendung von Kupfer als Verunreinigung. Der Kernverlust bei dem 7-mil (0,18 mm)-Werkstoff entsprechend Stahl 2 wurde bei 1,5T um etwa 5%, bei 1,7T um 5% vermindert. Der Kernverlust bei dem 7-mil (0,18 mm)-Werkstoff entsprechend Stahl 3 wurde bei 1,5T um etwa 7%, bei 1,7T um etwa 4% vermindert.The data in Table VIII demonstrate that the domain tempering process of the invention can reduce core loss in an 8-mil (0.2 mm) gauge material corresponding to Steel 1 by as much as 11% compared to the original properties. The greatest improvement is achieved when copper is used as an impurity. The core loss in the 7-mil (0.18 mm) gauge material corresponding to Steel 2 was reduced by about 5% at 1.5T and by 5% at 1.7T. The core loss in the 7-mil (0.18 mm) gauge material corresponding to Steel 3 was reduced by about 7% at 1.5T and by about 4% at 1.7T.

Beispiel 7Example 7

Es wurden weitere Tests durchgeführt, um die Ergebnisse einer Domänenvergütung mit und ohne Sperrschicht auf einem Siliziumstahl der Zusammensetzung von Stahl 1 für einzelne Epstein-Bänder zu vergleichen. Jeder Prüfling wurde entsprechend Beispiel V hergestellt. Die Bänder wurden mechanisch angerissen, um die dünne Grundierung in einem Muster praktisch paralleler Linien quer zur Walzrichtung zu entfernen. Nach Entfernung der Linien der Grundierung wurde bei den derart markierten Prüflingen die Sperrschicht "P" appliziert. Anschließend wurden die Prüflinge entsprechend Tabelle IX mit geeigneten Plattierbädern gemäß Tabelle I vernickelt oder vernickelt-verzinnt. Schließlich wurden die Prüflinge 1 bis 5 h bei 1600 bis 1650ºF (871 bis 899ºC) in Wasserstoff diffusionsgeglüht. Die magnetischen Eigenschaften sind Ergebnisse einzelner Epstein-Bänder eines nominal 8-mil (0,2 mm) dicken Bandes von 30 x 3 cm. Die Prozentangaben in Klammern bedeuten eine Änderung im Vergleich zu den ursprünglichen Eigenschaften. Tabelle IX Ohne Sperrschicht Chemisch venickelte Linien bzw. Streifen Prüfling Nr. Ursprüngliche Eigenschaften Chemische Linierung + Diffusionsglühen Permeabilität Kernerverlust Durchschnitt Tabelle IX (Fortsetzung) Ohne Sperrschicht Chemisch venickelte-verzinnte Streifen bzw. Linien Prüfling Nr. Ursprüngliche Eigenschaften Chemische Linierung + Diffusionsglühen Permeabilität Kernerverlust Durchschnittlich Tabelle IX (Fortsetzung) Mit Sperrschicht Chemisch venickelte Streifen Prüfling Nr. Ursprüngliche Eigenschaften Chemische Linierung + Diffusionsglühen Permeabilität Kernerverlust Durchschnittlich Tabelle IX (Fortsetzung) Mit Sperrschicht Chemisch venickelte-verzinnte Streifen bzw. Linien Prüfling Nr. Ursprüngliche Eigenschaften Chemische Linierung + Diffusionsglühen Permeabilität Kernerverlust DurchschnittlichFurther tests were conducted to compare the results of a domain temper with and without a barrier coating on a silicon steel of the composition of Steel 1 for individual Epstein ribbons. Each specimen was prepared as in Example V. The ribbons were mechanically scribed to remove the thin primer in a pattern of virtually parallel lines transverse to the rolling direction. After the primer lines were removed, the "P" barrier coating was applied to the specimens thus marked. The specimens were then nickel plated or nickel-tin plated as shown in Table IX using suitable plating baths as shown in Table I. Finally, the specimens were diffusion annealed in hydrogen at 1600 to 1650ºF (871 to 899ºC) for 1 to 5 hours. The magnetic properties are results of individual Epstein ribbons of a nominal 8-mil (0.2 mm) thick 30 x 3 cm ribbon. The percentages in parentheses represent a change from the original properties. Table IX Without barrier layer Chemically nickel-plated lines or stripes Sample No. Original properties Chemical lining + diffusion annealing Permeability Kerner loss Average Table IX (continued) Without barrier layer Chemically nickel-tinned strips or lines Sample No. Original properties Chemical lining + diffusion annealing Permeability Kerner loss Average Table IX (continued) Barrier Electroless Nickel Plated Strips Sample No. Original Properties Chemical Lining + Diffusion Annealing Permeability Kerner Loss Average Table IX (continued) With barrier layer Chemically nickel-tinned strips or lines Sample No. Original properties Chemical lining + diffusion annealing Permeability Kerner loss Average

Die Ergebnisse der Tabelle IX belegen klar und deutlich die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile. Für vergleichbare Prüflinge waren bei den mit der Sperrschicht versehenen Prüflingen die Konsistenz und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessert. Sämtliche mit der Sperrschicht versehenen Prüflinge besaßen bessere Kernverlustwerte als vergleichbare Prüflinge ohne derartige Sperrschicht. Weiterhin waren bei keinem der mit der Sperrschicht versehenen Prüflingen irgendwelche Knollen des metallischen Verunreinigungsmittels auf der Prüflingsoberfläche in von dem freiliegenden Linienmuster entfernten Bereichen feststellbar. Dies zeigt, daß die Sperrschicht etwaige Poren oder Risse in der Glasgrundierung, die blankes Metall (das dann mit dem Verunreinigungsmittel plattiert worden wäre) freigelegt haben könnten, blockiert hat.The results of Table IX clearly demonstrate the advantages achievable by the present invention. For comparable samples, the consistency and reproducibility of results were improved for the samples with the barrier coating. All samples with the barrier coating had better core loss values than comparable samples without such a barrier coating. Furthermore, none of the samples with the barrier coating had any nodules of the metallic contaminant on the sample surface in areas remote from the exposed line pattern. This indicates that the barrier coating blocked any pores or cracks in the glass primer that might have exposed bare metal (which would then have been plated with the contaminant).

Im Laufe dieser Versuche hat es sich unerwarteterweise gezeigt, daß die Sperrschicht nicht nur die Poren und Risse in der Grundierung des kornorientierten Siliziumstahls versiegelt, sondern auch synergistisch mit dem Hauptverunreinigungsmittel in dem linierten Bereich während des und nach dem Diffusionsglühen(s) zusammenwirkt. Insbesondere ist festzustellen, daß bei Zink oder Nickel-Zinn als Hauptverunreinigung Phosphor in dem im Stahl erzeugten Dauerfehler vorhanden war.In the course of these tests, it was unexpectedly found that the barrier layer not only seals the pores and cracks in the primer of the grain oriented silicon steel, but also acts synergistically with the main contaminant in the ruled area during and after diffusion annealing. In particular, it was found that in the case of zinc or nickel-tin, phosphorus was the main contaminant present in the permanent defect created in the steel.

Eine metallographische Untersuchung der verschiedenen Prüflinge in der diffusionsgeglühten Zone zeigte keinen übermäßigen Angriff des Stahlsubstrats durch die aufplattierte Ablagerung. Dies ist bei der geringen Menge an abgelagerter Verunreinigung und den eingehaltenen relativ niedrigen Diffusionstemperaturen folgerichtig. Die Strukturen bei hoher Vergrößerung neigten zu Änderungen und Komplikationen, was in der Diffusionskopplungsmetallurgie nicht üblich ist. Eine Bestätigung einer wechselseitigen Diffusion zwischen Stahl und Verunreinigung sowie zwischen dem Stahl, der Verunreinigung und dem Phosphor ergibt sich aus Fig. 5 bis 10. In Fig. 5 ist in einem Querschnitt (bei 375-facher Vergrößerung) durch die Ni-Sn-Linie nach 2-stündigem Diffusionsglühen bei 1650ºF (899ºC) das Auftreten von Knollen auf der Stahloberfläche feststellbar. Fig. 6 zeigt denselben Knollen bei 3000-facher Vergrößerung. Die Fig. 7, 8, 9 und 10 zeigen klar und deutlich in einem Abtastelelektronenmikroskop/Röntgenstrahlen- Kartierung den Einschluß von Nickel, Zinn, Phosphor und Eisen in die Diffusionszone.A metallographic examination of the various specimens in the diffusion annealed zone showed no excessive attack of the steel substrate by the plated deposit. This is logical given the small amount of deposited contamination and the relatively low diffusion temperatures maintained. The structures at high magnification tended to change and complicate things, which is not common in diffusion coupling metallurgy. Confirmation of mutual diffusion between steel and contamination as well as between the steel, the contamination and the phosphorus is shown in Fig. 5 to 10. In Fig. 5, a cross section (at 375x magnification) through the Ni-Sn line after diffusion annealing at 1650ºF (899ºC) for 2 hours, the appearance of nodules on the steel surface is evident. Fig. 6 shows the same nodule at 3000X magnification. Figs. 7, 8, 9 and 10 clearly show the inclusion of nickel, tin, phosphorus and iron in the diffusion zone in a scanning electron microscope/X-ray mapping.

Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schaffung einer wärmebeständigen Domänenvergütung für kornorientierte Siliziumstähle zur Verbesserung der Kernverlustwerte zu entwickeln. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Fähigkeit zur Entfernung von Teilen der Grundierung unter Freilegung eines Musters des darunterliegenden Siliziumstahls, z.B. von Linien praktisch quer zur Walzrichtung, mittels üblicher oder bislang noch nicht durchgeführter Maßnahmen, sofern nur der durch die Grundierung hindurch freigelegte Stahl von thermischen und plastischen Spannungen frei ist. Die Sperrschicht verstärkt die Kernverlustverbesserungen und deren Reproduzierbarkeit noch weiter. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß für das nachgeschaltete Anlassen durch den Kunden vor oder nach der Verarbeitung zu Transformatorenkernen ein halbfertiges Blechprodukt mit einer Sperrschicht und einer metallischen Verunreinigung hergestellt werden kann.It was an object of the present invention to develop a process for providing a heat resistant domain temper for grain oriented silicon steels to improve core loss values. Another advantage of the inventive process is the ability to remove portions of the primer to expose a pattern of the underlying silicon steel, e.g. lines substantially transverse to the rolling direction, by conventional or previously unused means, provided that the steel exposed through the primer is free of thermal and plastic stresses. The barrier layer further enhances the core loss improvements and their reproducibility. An advantage of the present invention is that a semi-finished sheet product with a barrier layer and a metallic contamination can be produced for downstream tempering by the customer before or after processing into transformer cores.

Claims (14)

1. Verfahren zum Vergüten des magnetischen Domänenwandabstands von kornorientiertem Siliziumstahlblech oder -band mit einer darauf befindlichen Isolierungsgrundierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren1. A method for tempering the magnetic domain wall spacing of grain-oriented silicon steel sheet or strip with an insulating primer thereon, characterized in that the method die Entfernung von Teilen der Grundierung zur Freilegung eines Linienmusters des darunter liegenden Siliziumstahls;the removal of parts of the primer to expose a line pattern of the underlying silicon steel; die Applikation einer metallischen Verunreinigung auf den freiliegenden Siliziumstahl, wobei die metallische Verunreinigung eine niedrigere Diffusionsrate aufweist als das Eisen in dem Siliziumstahl und der freiliegende Stahl von thermischen und plastischen Spannungen frei ist, undthe application of a metallic impurity to the exposed silicon steel, the metallic impurity having a lower diffusion rate than the iron in the silicon steel and the exposed steel being free of thermal and plastic stresses, and das anschließende Anlassen des Stahls und der darauf befindlichen Verunrelnigung bei einer Temperatur von 760ºC (1400ºF) oder mehr in einer Schutzatmosphäre zur Diffusion ausreichender und gesteuerter Mengen des Verunreinigungsmittels in den freiliegenden Stahl mit dem Ziel einer Produktion von Linien bleibender Poren unter Gewährleistung einer wärmebeständigen Domänenvergütung und eines verminderten Kernverlusts des spannungsfreien Stahlssubsequently tempering the steel and the contaminant thereon at a temperature of 760ºC (1400ºF) or more in a protective atmosphere to diffuse sufficient and controlled amounts of the contaminant into the exposed steel to produce lines of permanent pores while ensuring heat-resistant domain tempering and reduced core loss of the stress-relieved steel umfaßt.includes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufe des Anlassens des Stahls und der darauf befindlichen Verunreinigung Temperaturen bis zu 982ºC (1800ºF) zur Produktion von Linien von bis zu 1149ºC (2100ºF) stabilen bleibenden Poren einschließt.2. The method of claim 1, wherein the step of tempering the steel and the impurity thereon includes temperatures up to 982ºC (1800ºF) to produce lines of up to 1149ºC (2100ºF) stable permanent pores. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stufe des Anlassens des Stahls und der darauf befindlichen Verunreinigung zum Entwickeln und Stabilisieren der bleibenden Poren eine Temperatur von 760ºC bis 927ºC (1400 bis 1700ºF) einschließt.3. A method according to claim 1 or 2, wherein the step of Tempering the steel and the impurity thereon to develop and stabilize the remaining pores at a temperature of 760ºC to 927ºC (1400 to 1700ºF). 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufe des Anlassens des Stahls und der darauf befindlichen Verunreinigung zum weiteren Diffundieren der Verunreinigungen in den Stahl mit dem Ziel einer Bereitstellung eines über die Stahldicke hinweg praktisch homogenen Stahlblechs Temperaturen bis zu 1149ºC (2100ºF) einschließt.4. The method of claim 1, wherein the step of tempering the steel and the impurity thereon includes temperatures up to 1149ºC (2100ºF) to further diffuse the impurities into the steel with the goal of providing a substantially homogeneous steel sheet through the steel thickness. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Verunreinigung auf Kupfer, Zinn, Nickel, Zink oder Antimon oder Kombinationen oder Verbindungen derselben besteht.5. A method according to any one of the preceding claims, wherein the metallic impurity consists of copper, tin, nickel, zinc or antimony or combinations or compounds thereof. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend (vor Applikation der metallischen Verunreinigung) die Applikation einer Sperrschicht mit einem Hauptbestandteil in Form von Phosphor oder Silikat oder Kombinationen oder Verbindungen derselben zum Versiegeln der Grundierungen auf den grundierten Stahl.6. A method according to any preceding claim, additionally comprising (prior to application of the metallic contaminant) the application of a barrier layer having a major component in the form of phosphorus or silicate or combinations or compounds thereof for sealing the primers to the primed steel. 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei nach Applikation der Sperrschicht Teile sowohl der Sperrschicht als auch der Grundierungen entfernt und anschließend die metallische Verunreinigungen appliziert werden.7. The method of claim 6, wherein after application of the barrier layer, parts of both the barrier layer and the primers are removed and then the metallic contaminants are applied. 8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei Teile der Grundierung entfernt werden, bevor die Sperrschicht auf die Grundierung appliziert wird, und die metallische Verunreinigung auf den freiliegenden Stahl appliziert wird, nachdem die Sperrschicht appliziert wurde.8. The method of claim 6, wherein portions of the primer are removed before the barrier layer is applied to the primer and the metallic contaminant is applied to the exposed steel after the barrier layer is applied. 9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei es sich bei der Sperrschicht um eine Schicht auf Metallphosphatbasis mit mindestens 25 Gew.-% Phosphor in der getrockneten Schicht handelt.9. The method of claim 6, 7 or 8, wherein the barrier layer is a metal phosphate based layer containing at least 25% by weight of phosphorus in the dried layer. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sperrschicht aus einer Schicht auf Magnesiumoxidbasis besteht.10. The method of claim 9, wherein the barrier layer consists of a magnesium oxide based layer. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei in der Stufe des Anlassens des Stahls eine reduzierende Atmosphäre aus Wasserstoff oder Stickstoff oder Gemischen derselben benutzt wird.11. A method according to any one of claims 6 to 10, wherein in the step of tempering the steel a reducing atmosphere of hydrogen or nitrogen or mixtures thereof is used. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster im allgemeinen parallele Linien von freiliegendem Stahl, die im wesentlichen quer zur Walzrichtung des Stahls verlaufen, umfaßt.12. A method according to any preceding claim, wherein the pattern comprises generally parallel lines of exposed steel extending substantially transversely to the rolling direction of the steel. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundierung aus Forsterit besteht.13. A method according to any one of the preceding claims, wherein the primer consists of forsterite. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der Anlaßstufe und nach Applikation der metallischen Verunreinigung der Siliziumstahl zu einem Gegenstand verarbeitet wird.14. A method according to any one of the preceding claims, wherein before the tempering step and after application of the metallic impurity, the silicon steel is processed into an article.
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