Optimierung der Eigenschaften von neuartigem Elektrobandstahl

Wentzky, Leonard Valentin

dc.contributor.advisor	Klein, Helmut PD Dr.
dc.contributor.author	Wentzky, Leonard Valentin
dc.date.accessioned	2023-05-23T09:47:45Z
dc.date.available	2023-05-30T00:50:10Z
dc.date.issued	2023-05-23
dc.identifier.uri	http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/14672
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9899
dc.description.sponsorship	Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH	de
dc.format.extent	XXX Seiten	de
dc.language.iso	deu	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subject.ddc	910	de
dc.subject.ddc	550	de
dc.title	Optimierung der Eigenschaften von neuartigem Elektrobandstahl	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Optimization of the properties of novel electrical steel	de
dc.contributor.referee	Klein, Helmut PD Dr.
dc.date.examination	2022-11-25	de
dc.description.abstractger	In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Legierungselemente Silizium (Si) und insbesondere Aluminium (Al), welches bisher nicht viel angewendet wird, auf die Eigenschaften des Elektroblechs untersucht. Ziel ist es, die Ummagnetisierungsverluste zu senken und damit die Effizienz der Elektromotoren zu verbessern. Dafür wurde die Texturentwicklung mittels Röntgendiffraktometrie analysiert und das Gefüge mittels Lichtmikroskopie untersucht. Zur Untersuchung auf andere auftretende Phasen sowie der Oxidschicht wurden Messungen mittels Synchrotron durchgeführt. Für die Messung der magnetischen Eigenschaften wurden Hysteresemessungen verwendet. Es wurden zwei verschiedene Versuchsreihen hergestellt und mittels einer konventionellen Prozessroute gleich prozessiert. Beide wurden mittels Saugkokille gegossen. Beide Legierungsreihen basieren auf Reineisen (ARMCO), denen die Legierungselemente Al und Si zugesetzt wurden. Die Legierungen der zweiten Versuchsreihe enthielten zusätzlich Mangan (Mn) und Kupfer (Cu). An ausgewählten Legierungen wurde die Prozessierung im Bandgussverfahren untersucht. Für die Untersuchungen waren Elektrobleche mit gemeinsamen Anteilen an Silizium und Aluminium zwischen 1,309 und 10,347 Gew.% vorhanden. Für die magnetischen Messungen wurden Frequenzen zwischen 0,3 Hz und 1000 Hz verwendet. Höhere Legierungsanteile führen dabei zu niedrigeren Gesamtverlusten. Bei 1000 Hz und 1 T Polarisation liegen die Verluste um bis zu 26% unter denen der Referenzprobe, welche ein Standard-Elektroblech der Güte M400-65A ist. Diese Verlustabsenkung ist auf den erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand zurückzuführen, welcher die Wirbelstromverluste senkt. Entgegen den Erwartungen steigt der materialspezifische Faktor für anomale Verluste mit steigendem Anteil an Aluminium. Silizium führt zu einer leichten Absenkung. Durch den höheren Widerstand sind die Absolutwerte der anomalen Verluste bis zu Frequenzen von 750 Hz bei 80% der Sättigungspolarisation, bzw. 1000 Hz bei 1T, niedriger als bei der Referenzprobe. Ab diesen Frequenzen sind die Werte dann gleich. Silizium und Aluminium zeigen keinen direkten Einfluss auf die statischen Verluste. Diese scheinen in den hier untersuchten Proben vor allem von der Korngröße bestimmt zu werden. In Legierungen auf Basis von Reineisen (ARMCO) führt Aluminium zu einer Verringerung, Silizium zu einer Vergrößerung der Korngröße. In Legierungen mit höheren Gehalten an Mn und Cu kann dieser Effekt nicht beobachtet werden. Die Einflüsse der Textur und Korngröße auf die magnetischen Eigenschaften stimmen mit der Literatur überein. Bei der ersten Versuchsreihe wurde im Warmband eine schwache Textur (bis 5 mrd) mit hauptsächlich um 45° in φ1 rotierteWürfellage, sowie geringe Anteile von Theta- Faser festgestellt. Durch das Kaltwalzen wird die um 45° in φ1 rotierte Würfellage verstärkt (bis 10 mrd), wobei von dieser ausgehend auch die Alpha-Faser etwas intensiver wird. Nach der Schlussglühung wurden für die erste und zweite Versuchsreihe unterschiedliche Texturen gemessen. Bei beiden treten Eta- und Theta-Fasern auf. In der zweiten Versuchsreihe ist die Eta-Faser gleichmäßiger belegt und das Maximum der Theta-Faser zu φ1 = 10° verschoben. Der größte Unterschied ist jedoch das Fehlen der Alpha- und Gamma-Fasern in der zweiten Versuchsreihe. In der ersten Versuchsreihe ist Gamma-Faser vorhanden und die Alpha-Faser fast so stark ausgeprägt wie die Theta-Faser. Diese Unterschiede in der Textur sind jedoch nicht abhängig von den Legierungselementen Si und Al. Es ist wahrscheinlich, dass die Unterschiede in der Textur zwischen den beiden Reihen aus einer unterschiedlichen Struktur und Textur im Guss oder dem Warmband zustande kommen. Ob dies auf Grund der Zugabe von Mn und Cu oder durch unterschiedliche Gussbedingungen kommt, ist nicht bekannt. Innerhalb der einzelnen Versuchsreihen ist keine Abhängigkeit von Aluminium und nur in fraglichem Umfang von Silizium zu erkennen. Proben aus dem Bandguss zeigen in denWalzschritten einen ähnlichen Texturverlauf wie bei der konventionellen Prozessierung, jedoch mit höheren Texturintensitäten. Es kommen also hauptsächlich die um 45° in φ1 rotierte Würfellage und Alpha-Faser vor. Bei der Schlussglühung entsteht aber eine andere Textur mit Beta-Faser. Diese Textur in bandgegossenen siliziumreichen Proben wird in der Literatur erwähnt. In Glühversuchen mit variablen Glühzeiten bei 1050°C entstand diese Lage, zusammen mit Gosslage und Theta-Faser zu Beginn der Glühung beim Abbau der Alpha-Faser. Im Zuge des Kornwachstums wurde die Beta-Faser dann deutlich intensiver, sodass sie am Ende der Glühung die dominante Texturfaser war. Bei den Glühversuchen führte vermutlich ein geringerer Anteil an Kohlenstoff zu einem stärkeren Kornwachstum und damit auch zu einer ausgeprägteren Beta-Lage. Bei den Synchrotronmessungen der konventionell prozessierten Proben wurden in einigen Proben einzelne Fayalitkristalle gefunden. Auch andere Phasen konnten in einzelnen Proben detektiert werden. Nur in den bandgegossenen Proben wurde eine feinkörnige Ausscheidungsphase, FeSi, festgestellt. Andere Phasen, welche durch eine größere Anzahl an Ausscheidungen die Eigenschaften beeinflussen könnten, wurden nicht detektiert. Durch den Unterschied zwischen Proben bei denen die Oxidschicht entfernt wurde und unbehandelten Proben, wurde als einzige Phase der Oxidschicht Hämatit, Fe2O3, festgestellt. Zusammenfassend haben die Ergebnisse dieser Arbeit gezeigt, dass die magnetischen Verluste bei Frequenzen ab 200 Hz durch einen möglichst hohen Anteil an Al und Si deutlich gesenkt werden können. Dies kann zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz von Elektromotoren beitragen. Dabei zeigt Al keinen Einfluss auf die Textur, sodass bestehende Optimierungsstrategien der Textur weiterverwendet werden können.	de
dc.description.abstracteng	In the present work, the influence of silicon (Si) and particularly aluminium (Al) on the properties of electrical steel is studied. The aim is to decrease magnetization losses and therefore increase the efficiency of electric motors. For that purpose different properties of the material are studied. The texture development during processing is studied by x-ray diffraction and the microstructure is analyzed by light microscopy. Synchrotron measurements were performed to detect precipitates and characterize the oxide layer on top of the steel sheets. Finally the magnetic properties were obtained by measuring the hysteresis of the materials. Two sample series were prepared and similarly processed in a conventional way. Both series were based on pure iron (ARMCO) and alloyed with Si and Al. The second alloy series also contained manganese (Mn) and copper (Cu). Processing by strip casting was investigated for selected alloying compositions. The measured samples contained a combined amount of Si and Al between 1.309 and 10.347 wt.%. Hysteresis measurements were performed at frequencies between 0.3 Hz and 1000 Hz. Higher alloying contents lead to a decrease in magnetic losses. At 1000 Hz and at a polarisation of 1 T, losses were up to 26% lower than in the reference probe, a standard silicon steel of grade M400-65A. This decrease in losses is due to the higher specific electrical resistivity, which leads to a reduction in eddy current losses. Contrary to initial assumptions, the material specific loss factor for anomalous losses increased with higher Al content while Si lead to a reduction. Because of the higher specific electrical resistivity of the material, anomalous losses at low frequencies are still lower compared to the reference probe. At frequencies of 1000 Hz at 1 T polarisation or 750 Hz at 80% of saturation polarisation, anomalous losses were similar across all samples. Silicon and aluminium were shown to have no direct influence on the static losses. These are dependent on the grain size of the sample, which can be influenced by the alloying elements. In alloying compositions based on pure iron (ARMCO), Al leads to a decrease, Si to an increase in grain size. In alloys containing greater amounts of Mn and Cu this effect seems to disappear. The influence of grain size and texture on the magnetic properties are in agreement with the literature. In the first alloying series the texture after hot rolling was observed to be weak (up to 5 mrd), containing mostly 45° in φ1 rotated cube orientation and some thetafibre. After cold rolling the 45° in φ1 rotated cube orientation gained intensity (up to 10 mrd), while some intensity is bleeding to higher Φ angles in the alpha-fibre. After the final anneal, some changes in the texture between the first and second alloying series can be observed. The eta-fibre is occupied more evenly in the second series and the maximum intensity on the theta-fibre is shifted from φ1 = 0° to 10°. The biggest difference however is the nonexistence of alpha- and gamma-fibre in the second series. In the first series gamma-fibre is weakly present and alpha-fibre is nearly as intense as the theta-fibre. These differences in texture are not due to differing alloying contents. The most likely explanation for the changes in texture is a difference in texture or microstructure after casting or hot rolling. If this is caused by some changes in the casting conditions or due to increased Mn and Cu content could not be verified. The texture in each alloying series is independent of Al and only weakly dependent on Si. Samples of strip cast electrical steel showed similar texture evolution to the conventional processing, albeit with higher intensities. The main texture components are therefore 45° in φ1 rotated cube orientation and alpha-fibre. During final anneal however a different texture is formed, mainly consisting of beta-fibre. This texture is known for silicon steel strip cast samples. In experiments of the final anneal at 1050°C and varying anneal times, beta-fibre, along with theta- and eta- fibres, was formed, while the alpha-fibre was decreased. During grain growth the beta-fibre gained in intensity and was the dominant texture component in the end. During the final anneal a lower carbon content most likely lead to greater grain growth and therefore a more intense beta-fibre. Synchrotron measurements showed a few fayalite crystallites in some samples. Some other phases were also present in individual samples. The conventionally processed samples only showed singular reflexes of these phases in the diffraction image. In the strip cast samples one phase, FeSi, was present as a fine-grained phase. Other phases that could influence the magnetic properties due to a high count of precipitates could not be detected. A comparison of samples with the oxide layer and with the oxide layer removed, revealed that hematite, Fe2O3, was the only phase making up the oxide layer. In summary this work shows, that magnetic losses at frequencies over 200 Hz can be substantially decreased by using high alloying contents of Al and Si. This can contribute to a higher efficiency of electric motors. Furthermore Al does not influence the final texture. Therefore known texture optimization strategies can still be used.	de
dc.contributor.coReferee	Sowa, Heidrun Dr.
dc.subject.ger	Elektroband	de
dc.subject.ger	Elektroblech	de
dc.subject.ger	Elektrobandstahl	de
dc.subject.ger	Al-Fe-Si	de
dc.subject.ger	Al	de
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dc.subject.ger	Si	de
dc.subject.ger	magnetische Verluste	de
dc.subject.ger	Hysterese	de
dc.subject.ger	magnetische Eigenschaften	de
dc.subject.ger	Korngröße	de
dc.subject.ger	Textur	de
dc.subject.ger	Stahl	de
dc.subject.ger	Ausscheidungen	de
dc.subject.ger	Legierung	de
dc.subject.ger	Legierungskonzept	de
dc.subject.eng	electrical steel	de
dc.subject.eng	steel	de
dc.subject.eng	texture	de
dc.subject.eng	grain size	de
dc.subject.eng	Al-Fe-Si	de
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dc.subject.eng	Fe	de
dc.subject.eng	magnetic properties	de
dc.subject.eng	hysteresis	de
dc.subject.eng	magnetic losses	de
dc.subject.eng	inclusions	de
dc.subject.eng	alloy	de
dc.subject.eng	alloy concept	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-ediss-14672-9
dc.affiliation.institute	Fakultät für Geowissenschaften und Geographie	de
dc.subject.gokfull	Geophysik (PPN623604493)	de
dc.description.embargoed	2023-05-30	de
dc.identifier.ppn	1846177820
dc.notes.confirmationsent	Confirmation sent 2023-05-23T10:15:01	de

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Fakultät für Geowissenschaften und Geographie (inkl. GAUSS) [342]

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