Die Erfindung betrifft ein Elektroblech mit einer die elektrische Isolation verbessernden Schicht.
Solche Elektrobleche werden gemäß dem Stand der Technik zum Beispiel bei elektrischen Antrieben beim Aufbau von Statoren verwendet. Die verwendeten Werkstoffe sind durch die Norm EN 10106 (von 1995) reglementiert. Die in dieser Norm genannten Werkstoffe ergeben ein weit gefächertes Produktsortiment, damit die Ansprüche unterschiedlicher Anwendungen befriedigt werden können. Die einsetzbaren Werkstoffe reichen von niedrig legiertem Stahl mit ausgezeichneter magnetischer Permeabilität, guter Wärmeleitfähigkeit und Stanzbarkeit bis hin zu höher legierten Stählen mit sehr geringen Ummagnetisierungsverlusten auch bei höheren Frequenzen. Die Legierungen der Norm enthalten als Legierungsbestandteile Kupfer (<= 0,02 %) Mangan (<= 1,2 %), Silizium (0,1 - 4,4 %), Aluminium (0,1 - 4,4 %), wobei die aus dem Siliziumgehalt und dem Doppelten des Aluminiumgehaltes gebildete Summe < 5 % ist, Phosphor (<= 0,15 %), Zinn (<= 0,2 %) und Antimon (<= 0,2 %). Die Basis der Legierung bildet Eisen.
Zur Verbesserung der Eigenschaften der Elektrobleche wurden Beschichtungen entwickelt, welche die Isolation zwischen den einzelnen Blechlagen und die Bearbeitbarkeit verbessern. Die spezifischen Eigenschaften des verwendeten Materials müssen Einflussgrößen wie Korrosionsschutz, elektrische Isolation, Einfluss auf die Stanzbarkeit, Hitzebeständigkeit oder Schweißbarkeit berücksichtigen. Beschichtungen für Elektrobleche lassen sich der Norm EN 10342 (von 2005) entnehmen.
Die in den oben genannten Normen verfügbaren Elektrobleche und deren Beschichtungen sind, wie sich gezeigt hat, jedoch nicht allen Einsatzbereichen gewachsen. Insbesondere, wenn die Elektrobleche stark korrosiven Medien wie z. B. Sauergas (hoher Schwefelwasserstoffgehalt) ausgesetzt werden, sind diese Elektrobleche stark korrosionsgefährdet.
Gemäß der
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Elektroblech anzugeben, welches auch für den Einsatz unter starken korrosiven Bedingungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Elektroblech erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schicht aus einem Metalloxid, enthaltend hauptsächlich Titanoxid oder Tantaloxid, besteht und dass das Elektroblech eine Diffusionszone aufweist, in die das Metall des Metalloxids in den Werkstoff des Elektrobleches eindiffundiert ist und die an die Schicht angrenzt. Dadurch, dass die Oxidschicht an eine Diffusionsschicht angrenzt, wird vorteilhaft die Haftung der Oxidschicht stark verbessert. Die Verwendung der Metalle, Titan oder Tantal führt dazu, dass die spontan an der Oberfläche des Elektroblechs ausbildende Oxidschicht sehr beständig gegen korrosive Medien ist. Dadurch wird auch ein Einsatz unter extremen korrosiven Bedingungen wie z. B. Sauergas möglich. Es können beispielsweise Motorpumpen betrieben werden, welche für die Förderung von Erdgas im Unterseebereich verwendet werden. Hierdurch ergibt sich eine neue Anwendung der Elektrobleche, die einen Einsatz der elektrischen Maschinen unter vorteilhaft günstigen Wartungsbedingungen erlauben. Falls die sich spontan an Luftsauerstoff ausbildenden Oxidschichten zum wirksamen Korrosionsschutz nicht ausreichen, kann die Oxidschicht auch durch eine elektrochemische Behandlung der Oberfläche hergestellt werden (hierzu im Folgenden mehr).
Die sich an die Oxidschicht anschließende Diffusionszone hat zwei Vorteile. Zum einen verbessert die Diffusionszone die Haftung der Oxidschicht, da sich der Übergang zwischen der Oxidschicht und dem Matrixmaterial des Elektroblechs, einer Stahllegierung, kontinuierlich vollzieht, was die Ausbildung von Spannungen vermindert. Außerdem ist es vorteilhaft möglich, dass im Falle von Verletzungen der Oxidschicht das in der Diffusionsschicht befindliche Material an Titan oder Tantal zur Passivierung der Schadstelle herangezogen werden kann. Hierzu diffundiert das betreffende Metall an die Oberfläche, wo eine erneute Passivierung stattfindet. Der Korrosionsschutz bleibt dadurch vorteilhaft erhalten.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht eine Dicke von mindestens 5 und höchstens 10 µm aufweist. Hierbei handelt es sich um Schichtdicken der Oxidschicht, die einen wirksamen Korrosionsschutz ermöglichen und in ihrer Herstellung aufgrund der geringen Dicke vorteilhaft einen geringen Fertigungsaufwand und geringen Materialeinsatz erfordern.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Diffusionszone innerhalb eines Abstandes von 2 µm von der Grenzfläche zur Schicht einen Gehalt an Titan oder Tantal von mehr als 50 Gew-% aufweist. Hierbei handelt es sich um Legierungsgehalte, die einen diffusionsbedingten Transport von Titan bzw. Tantal an Schadstellen (wie bereits beschrieben) vorteilhaft noch ermöglichen. Dabei können direkt unterhalb der Oxidschicht auch Gehalte von bis zu 100 % an Titan oder Tantal auftreten. Mit steigendem Abstand von der Oberfläche des Elektrobleches verringert sich der Gehalt an Titan oder Tantal in der Matrix des Elektrobleches (legierter Stahl) so dass der die Haftung der Oxidschicht verbessernde Effekt ausgenutzt werden kann.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Behandeln eines Elektrobleches, bei dem das Elektroblech mit einer die elektrische Isolation verbessernden Schicht beschichtet wird. Auf den Stand der Technik ist bereits eingegangen worden. Die Aufgabe, die sich davon ausgehend ergibt, liegt darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Behandeln von Elektroblechen möglich ist und welches Produkte erzeugt, die auch unter stark korrosiven Einflüssen einen genügenden Korrosionsschutz gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit dem genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt eine Diffusionszone an der Oberfläche des Elektrobleches hergestellt wird, wobei als Metall Tantal oder Titan in die Oberfläche eindiffundiert, wobei der erste Schritt als PVD-Prozess in einer inerten Gasatmosphäre mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung durchgeführt wird. In einem zweiten Schritt wird das Metall, Tantal oder Titan an der Oberfläche in das zugehörige Metalloxid, Titanoxid oder Tantaloxid umgewandelt, wobei eine Schicht aus dem Metalloxid entsteht und in der Diffusionszone ein Restgehalt an dem Metall des Metalloxids verbleibt. Hierdurch entsteht die bereits oben erläuterte Oxidschicht, die einen hervorragenden Widerstand gegen Korrosion aufweist. In der Diffusionszone verbleibt der Restgehalt an dem Metall des Metalloxides, wodurch, wie bereits erläutert, die Haftung der Oxidschicht verbessert wird. Außerdem entsteht durch die Diffusionszone ein Depot an dem entsprechenden Material, welches bei Verletzungen der Oxidschicht zum Ausheilen der Verletzung durch spontanes Passivieren zur Verfügung steht.
Das genannte Verfahren wird so durchgeführt, dass der erste Schritt als PVD-Prozess mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung durchgeführt wird. PVD-Prozesse sind vorteilhaft leicht zu handhaben. Sowohl Titan als auch Tantal lassen sich durch Verwendung geeigneter Targetmaterialien auf Stahl abscheiden. Titan wird beispielsweise zur Herstellung von Werkzeugbeschichtungen in vielfacher Weise durch PVD-Verfahren abgeschieden, wobei dies normalerweise in einer reaktiven Stickstoffatmoshäre erfolgt, um Titannitrid herstellen zu können. Wird stattdessen eine inerte Gasatmosphäre gewählt, so wird reines Titan abgeschieden. Auch Tantal lässt sich ohne weiteres auf Stahl abscheiden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Diffusionszone vor der Ausbildung der Schicht innerhalb eines Abstandes von 5 µm von der Grenzfläche zur Schicht einen Gehalt an Titan oder Tantal von mehr als 50 Gew-% aufweist. Es ist selbstverständlich, dass die Diffusionszone vor der Ausbildung der Schicht einen größeren Bereich mit einer hohen Titan- oder Tantal-Konzentration aufweisen muss, da durch Oxidation des Titans oder Tantals ein Teil der vorher ausgebildeten Diffusionsschicht in die Oxidschicht umgewandelt wird. Um nach diesem Oxidationsvorgang noch genügend Material für ein Reparieren der Oxidschicht in der Matrix des Elektrobleches zur Verfügung zu haben, muss daher der Anteil an Titan oder Tantal genügend hoch sein.
Für den Fall, dass eine spontan sich ausbildende Passivierungsschicht auf dem Titan oder dem Tantal für einen wirksamen Korrosionsschutz nicht ausreicht, sondern die Passivierungsschicht elektrochemisch hergestellt werden soll, ist es vorteilhaft, eine sich spontan ausbildende Passivierungsschicht vorher zu entfernen. Auf diese Weise kann vorteilhaft die elektrochemisch unterstützte Ausbildung der Passivierungsschicht ungestört erfolgen. Die Wärmebehandlung findet dann vorteilhaft in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre statt, wobei bevorzugt der Sauerstoff im Vergleich zur atmosphärischen Bedingungen auch angereichert sein kann, um den Oxidationsvorgang zu beschleunigen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektrobleches im Querschnitt. Zu erkennen ist in der Figur ein Elektroblech 11, dessen Oberseite 12 und Unterseite 13 jeweils mit einer Schicht 14 aus Tantaloxid versehen ist. Dieser Schicht 14 schließt sich eine Diffusionszone 15 an, die eine gemeinsame Grenzfläche 16 mit der Schicht 12 des Tantaloxids aufweist. Hinter der Grenzfläche liegt die Konzentration an Tantal in der Diffusionszone weit über 50 %. Diese fällt zum Inneren des Elektrobleches 11 immer weiter ab, bis die Konzentration 0 Gew-% beträgt. An sich lässt sich daher eine Grenze zwischen dem eigentlichen Elektroblech 11 und der Diffusionszone 15 nicht wirklich darstellen. In der Figur dargestellt ist jedoch derjenige Bereich, in dem die Konzentration an Tantal im Gefüge des Elektrobleches 11 über 50 % liegt.
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