Fe-Si-Al electrical steels for high-efficiency electric machines : a study of ductility and magnetic properties
Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung von Fe-Si-Al-Legierungen mit besonderem Fokus auf der Verbesserung der Duktilität, wobei gleichzeitig die magnetischen Eigenschaften für hocheffiziente Stähle erhalten bleiben sollen. Siliziumhaltige Fe-Si-Legierungen, insbesondere hochsiliziumhaltige Varianten, sind zwar bekannt für ihre verbesserten magnetischen Eigenschaften, weisen jedoch eine verringerte Duktilität auf. Zur Lösung dieses Problems wird in dieser Arbeit Silizium teilweise durch das Legierungselement Aluminium ersetzt. Im Rahmen dieses Projekts, das Versuche vom Labormaßstab bis hin zu Pilotanlagen umfasste, wurde untersucht, welche Fe-Si-Al-Legierungen sich durch welche Verfahren – Saug- bzw. Bandgießen – herstellen lassen. Zur Vermeidung der Randrisse, die bei hochsiliziumhaltigen Stählen häufig auftreten, wurden gezielte prozesstechnische Maßnahmen umgesetzt. So trugen das Warm- und Kaltwalzen sowie eine kontrollierte Glühbehandlung wesentlich dazu bei, das Auftreten von Randrissen zu verhindern. Neben Prozessanpassungen wie dem Trimmen warmgewalzter Bänder oder der Erhöhung der Temperatur beim Kaltwalzen erwiesen sich insbesondere Feinoptimierungen der Bandgießparameter als entscheidend. Zentrale Ergebnisse zeigen, dass die Substitution von Silizium durch Aluminium die Duktilität der Fe-Si-Al-Legierungen deutlich verbessert und die konventionellen Fe-6,5 Gew.-% Si-Werkstoffe übertrifft. Dies konnte durch Biege- und Zugversuche nachgewiesen werden, bei denen eine Absenkung der spröd-duktilen Übergangstemperatur mit steigendem Aluminiumgehalt demonstriert wurde. REM- und EDS-Analysen belegen, dass der Zusammenhang zwischen der verbesserten Duktilität und der Ausbildung von Al-Si-Bindungen besteht, welche die Bildung schädlicher, zur Sprödigkeit beitragender geordneter Phasen unterbrechen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass es zu einer Verringerung der Spannungskonzentrationen und zu einer erleichterten Versetzungsbewegung bei niedrigeren Temperaturen kommt. Die Auswertung des Dämpfungsverhaltens zeigt einen Übergang in den Energieabsorptionsmechanismen bei höheren Temperaturen, wobei dieser Wechsel mit einer erhöhten Versetzungsbeweglichkeit und dem Übergang vom spröden zum duktilen Verhalten korreliert. Während die Zugabe von Aluminium die Duktilität verbessert, geht dies mit einer leichten Einschränkung der magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu hochsiliziumhaltigen Referenzwerkstoffen einher. Dies verdeutlicht das empfindliche Gleichgewicht zwischen mechanischen und magnetischen Eigenschaften. Eine Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den Kernverlusten und der Legierungszusammensetzung unterstreicht die Bedeutung einer sorgfältigen Optimierung der Glühbedingungen zur Minimierung der Verluste. Der Einsatz höherer Aluminium- und Siliziumanteile in der Legierungszusammensetzung führt zu einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit, was bei der Werkstoffauswahl in Kauf genommen werden muss. Die vorliegende Arbeit enthält eine Reihe bedeutender Neuerungen in der Verarbeitungstechnik zur Vermeidung von Randrissen und bestätigt die Eignung des Bandgießverfahrens für die Herstellung von Legierungen mit gewünschten Eigenschaften. Sie zeigt auf, wie durch gezielte Anpassung der Legierungszusammensetzung und der Prozessparameter eine deutliche Verbesserung der Duktilität hochsiliziumhaltiger Elektrostähle erzielt werden kann, ohne die magnetischen Eigenschaften in entscheidendem Maße zu beeinträchtigen. Die präsentierten Ergebnisse liefern wertvolle Hinweise für die Herstellung dünner Bleche für moderne Elektromaschinen und bilden den Auftakt zur weiteren Optimierung von Elektrostählen für industrielle Anwendungen.
This dissertation explores the development of Fe-Si-Al ternary alloys to simultaneously improve ductility and maintain magnetic properties in high-efficiency electrical steels. Traditional high-silicon Fe-Si alloys are known to enhance magnetic performance but at the cost of reduced ductility. To address this issue, this research substitutes Si with Al in the alloy composition. The study involved producing various Fe-Si-Al compositions using suction casting and strip casting methods, advancing from laboratory to pilot plant levels. Rigorous processing techniques, including hot and cold rolling along with controlled annealing, were implemented to avoid edge cracking, a common challenge encountered with high-silicon steels. Modifications such as trimming hot-rolled strips and performing cold rolling at elevated temperatures were essential in optimizing the processing parameters. Key findings reveal that substituting Si with Al significantly enhances the ductility of the Fe-Si-Al alloys, surpassing that of conventional high-silicon Fe-6.5wt%Si materials. This improvement is evident from bending and tensile tests, which show a reduction in the ductile-to-brittle transition temperature as Al content increases. Microstructural analysis, utilizing SEM and EDS, shows that improved ductility is linked to the formation of Al-Si bonds, which disrupt harmful ordered phases that contribute to brittleness. This alteration in microstructure reduces stress concentrations, facilitating easier dislocation movement at lower temperatures. The research also identifies a relationship between annealing conditions, grain size, and coercivity, emphasizing the need for optimal annealing parameters to achieve a balance between mechanical and magnetic properties. Damping behavior analyses indicate a transition in energy dissipation mechanisms around higher temperatures, correlating with increased dislocation mobility and a shift from brittle to ductile behavior. While the addition of Al enhances ductility, there is a slight compromise in magnetic properties compared to high-Si reference materials, highlighting the delicate balance between mechanical and magnetic performance. Establishing relationships between core losses and alloy composition underscores the importance of carefully optimizing annealing conditions to minimize losses. The introduction of higher Al and Si concentrations in the alloys results in decreased thermal conductivity, indicating a trade-off that must be considered in practical applications. Furthermore, the research offers significant advancements in processing techniques capable of mitigating edge cracking, affirming the effectiveness of strip casting in producing the desired alloys. Overall, this dissertation provides a comprehensive understanding of how manipulating alloy composition and processing can lead to significant improvements in the ductility of high-Si electrical steels while retaining acceptable magnetic performance. These findings contribute valuable insights for the manufacturing of thin sheets needed in advanced electric machines and serve as a foundation for further optimization in electrical steel development for industrial application.
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