一种高温烧结与热等静压制备Fe‑6.5%Si薄带材的方法技术

一种高温烧结与热等静压制备Fe‑6.5％Si薄带材的方法，选取还原Fe粉与水雾化Fe粉，按照4:6～6:4的比例混合，再添加Si含量为50～70％的高纯硅铁粉，形成Fe‑Si混合粉。添加粘接剂和分散剂混合均匀，采用软铁包套，在1050～1150℃内，100～200MPa的热等静压下，获得均匀致密的压坯，由贫Si的α‑Fe晶粒和脆性高Si相组成，具有塑性变形能力，密度达6.78～7.02g/cm

A method for preparing Fe 6.5%Si thin strip by high temperature sintering and hot isostatic pressing

A method of preparing Fe 6.5%Si thin strip with high temperature sintering and hot isostatic pressure was used to select the reduced Fe powder and water atomized Fe powder, and to mix the 4:6 to 6:4, and then add the high purity silicon iron powder with the Si content of 50 ~ 70%, and formed the Fe Si mixed powder. With the addition of adhesive and dispersant, a homogeneous and compact blank is obtained under the thermal isostatic pressure of 100 ~ 200MPa at 1050~1150 C with a soft iron cladding, which consists of a poor Si Fe grain and a brittle high Si phase, with a plastic deformation capacity of 6.78 to 7.02g/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种高温烧结与热等静压制备Fe-6.5％Si薄带材的方法
本专利技术主要属于金属材料的制备与加工领域，具体涉及高硅钢薄带材的粉末热等静压和轧制变形的方法。技术背景软磁性材料的剩磁与矫顽磁力都很小，即磁滞回线很窄，它与基本磁化曲线几乎重合，主要用于电感线圈、变压器、继电器和电机的铁心。Fe-Si合金最大磁导率随Si含量发生变化，分别在Si的质量百分比(以下同)为2％和6.5％附近出现了两个最大磁导率的峰值，分别达到10000和25000。Fe-Si合金的最大磁导率在软磁材料中并没有绝对优势，如坡莫合金的最大磁导率可以达到200000。然而Si＜4.5％的Fe-Si合金薄板制造成本低，因此硅钢片又称为电工钢片或硅钢薄片，是一种非常重要的磁性材料。而Si>4.5％时，Fe-Si合金在540℃温度以下会发生B2有序相的共析分解反应，生成α-Fe无序相和DO3有序相，使得合金变脆而难以变形。对于Si含量在4.5～6.7％之间的铁硅系合金，一般称为高硅钢，其中硅含量6.5％的高硅钢最为重要。其原因在于Fe-Si合金晶粒沿<100>方向的磁致伸缩系数随Si含量增加而减小，在约6.3％时基本消失，而<111>方向的磁致伸缩系数随Si含量增加而增加，在约6.1％时与<100>方向的磁致伸缩系数相等，使得高硅钢在较高频率工作时表现出优异的低铁损特性。正常运行的变压器会发生持续均匀的“嗡嗡”声，这是由于交流电流经过变压器绕组时，在铁芯中间产生了周期性变化的交变磁通，引起铁芯磁致伸缩而震动发出的声音。大量或者大型的铁芯在震动时发出的声音不但造成了能量的损耗，还造成了噪音污染。特别是在航天器、潜艇和导弹等军事航空领域，Fe-Si系合金扮演着极为重要的角色。20世纪60年代末，Si含量6.5％的合金作为变压器材料出现在阿波罗11号飞船上，完成人类首次登月壮举。可见，高硅钢是一种性能优良的降耗、降噪的环保型软磁材料。相比于其他合金，高硅钢的研究和开发过程相对比较漫长。20世纪20年代末A.Schulze首次研究发现，硅含量6.5％的铁硅系合金具有磁致伸缩系数几乎为零的特性。20世纪80年代，K.I.Arail教授等发现高硅钢相比于传统Si含量低的合金在交流动态磁场中具有更低铁损以及更高的磁导率。此后数十年间，为了克服高硅钢的脆性，在制备技术方面出现了很多尝试。如包套或控温的特殊轧制方法、快速凝固法、化学气相沉积法(CVD法)、等离子体化学气相沉积法(PCVD法)、热浸渗一扩散退火方法、粉末冶金法、微量合金化改性等各种方法。其中CVD是比较成功的例子。1988年日本NKK公司采用CVD技术第一次生产出了厚度为0.1～0.5mm，宽度为400mm的无取向6.5％Si钢片。20世纪90年代初期，全球第一条商用能够实现连续渗硅的CVD生产线被研制出来，生产的产品尺寸可以达到0.1～0.3mm×600mm。CVD的原理为：在特定温度条件下，含硅气体(SiCl4)会与硅钢带发生反应生成Fe-Si化合物，而借助升高的炉温向合金内部扩散，最终使合金达到所需含量。虽然己运用此项技术实现小规模的工业化生产，但其规模和产量都远远无法满足国际软磁材料市场的需求，而且这种制备方法工艺过程十分复杂，能耗和成本高，作业环境及其恶劣，不能满足环保要求。高硅钢是“钢铁艺术品”，其制备技术时时处处都是最先进的钢铁制造技术,并且是研制和开发的热点。对6.5％Si高硅钢而言,其优异的磁学性能和广阔的应用前景更是吸引着科技工作者进行大量的研究和开发工作。制备工艺的发展和成熟以及能否经济有效地生产,是6.5％Si高硅钢走向商业化广泛应用的关键,也一直是研究工作的重点。一旦摸索出简单、经济、有效、成熟的制备工艺,就将会产生巨大的经济效益和社会效益。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种粉末热等静压与高温扩散烧结制备Fe-6.5％Si薄带材的方法，针对Fe-4.5～6.7％Si合金薄带材难以成形的问题，以工业纯Fe粉与Si含量为50～70％的高纯硅铁粉为原料，利用热等静压的高温软化作用和压力均匀的特点，制备出高密度的均匀性板坯，并在热扩散作用下实现部分合金化，形成具有塑性变形能力的贫Si的α-Fe晶粒和脆性高Si相的多相组织。后续经过多道次冷轧-烧结后进一步减薄，最后采用高温扩散烧结获得均质单相高硅钢带材。本专利技术是通过以下技术方案实现的：选取还原Fe粉与水雾化Fe粉两种工业铁粉，按照4:6～6:4的比例混合，形成工业纯Fe粉基础原料，再添加微细的Si含量为50～70％的高纯硅铁粉为原料，形成Fe-4.5～6.7％Si混合粉体。添加少量粘接剂、分散剂后混合均匀，然后采用软铁包套，在1050～1150℃温度范围内，100～200MPa的热等静压作用下，获得均匀、致密的压坯。压坯密度达到6.78～7.02g/cm3。在热等静压的热作用和压力作用下，Fe粉颗粒获得了冶金结合，并且Si元素发生了不完全的扩散，形成致密的、具有塑性变形能力贫Si的α-Fe晶粒和脆性高Si相的多相组织。后续通过多次冷轧、低温扩散烧结，板坯的密度升高、板厚度减少，Si的合金化程度也不断提高。最后在1250～1320℃温度范围内真空或还原气氛保护烧结，在热扩散的帮助下实现高硅钢的均质合金化，获得含4.5～6.7％Si的0.1～0.5mm厚，密度≥7.31g/cm3的高硅钢带材。本专利技术方法具体包括如下步骤：(1)原材料粉末准备采用-100目还原铁粉，还原Fe粉中Fe≥98.5％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，采用-100目水雾化铁粉，水雾化Fe粉中Fe≥99.0％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，将还原Fe粉和水雾化Fe粉按照4:6～6:4的比例配制，采用锥形混料机、V形混料机或滚筒式混料机混合形成工业纯Fe粉基础原料，混合时间为2～6h。采用Si含量为50～70％的高纯硅铁粉，粒径≤6μm，这种硅铁粉除了含有50～70％Si以外，主要杂质为～0.24％Al、～0.07％Ca和～0.02％C,其余为Fe。还原铁粉是一种广泛使用的工业铁粉，具有不规则的多孔形貌，利于储藏、粘附微细硅粉，也容易实现粉末的相互咬合而提高压坯的强度。水雾化Fe粉也是一种广泛使用的工业铁粉，具有近球形形貌，杂质含量低于还原Fe粉，具有更高的可压缩性和流动性，水雾化Fe粉中低的杂质含量对高硅钢的软磁特性有利。将还原Fe粉与水雾化Fe粉两种工业铁粉，按照4:6～6:4的比例混合，形成工业纯Fe粉基础原料，有利于发挥两种纯铁粉各自的优势，在工业生产铁基零件也是比较常见的方法。Fe-50～70％Si高纯硅铁在凝固过程存在两个共晶反应，在富Si一侧在1207℃时形成了具有tP3结构的β-FeSi2和Si相共晶组织，在富Fe一侧在1212℃时形成了具有tP3结构的β-FeSi2和cP8结构的FeSi共晶组织；在982℃和937℃还存在β-FeSi2的分解和oC48-FeSi2相的形成两个固态相变过程。因此Fe-50～70％Si在精炼后的凝固过程中就容易脆化，形成细微的Fe-Si或Si多相组织，很容易通过机械破碎工艺细化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温烧结与热等静压制备Fe‑6.5％Si薄带材的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)原材料粉末准备采用‑100目还原铁粉，还原Fe粉中Fe≥98.5％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，采用‑100目水雾化铁粉，水雾化Fe粉中Fe≥99.0％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，将还原Fe粉和水雾化Fe粉按照4:6～6:4的比例配制，采用锥形混料机、V形混料机或滚筒式混料机混合形成工业纯Fe粉基础原料，混合时间为2～6h；采用Si含量为50～70％的高纯硅铁粉，粒径≤6μm，主要杂质为～0.24％Al、～0.07％Ca和～0.02％C,其余为Fe；(2)粉末混合按照Fe‑4.5～6.7％Si的比例，称取Fe粉和Fe‑50～70％Si高纯硅铁粉，在惰性保护气氛下充分混合均匀；(3)粉末热等静压采用软铁包套，在1050～1150℃温度范围内，100～200MPa的热等静压作用下，保压时间为0.5～2h，获得均匀、致密的压坯，压坯密度达到6.78～7.02g/cm

【技术特征摘要】
1.一种高温烧结与热等静压制备Fe-6.5％Si薄带材的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)原材料粉末准备采用-100目还原铁粉，还原Fe粉中Fe≥98.5％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，采用-100目水雾化铁粉，水雾化Fe粉中Fe≥99.0％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，将还原Fe粉和水雾化Fe粉按照4:6～6:4的比例配制，采用锥形混料机、V形混料机或滚筒式混料机混合形成工业纯Fe粉基础原料，混合时间为2～6h；采用Si含量为50～70％的高纯硅铁粉，粒径≤6μm，主要杂质为～0.24％Al、～0.07％Ca和～0.02％C,其余为Fe；(2)粉末混合按照Fe-4.5～6.7％Si的比例，称取Fe粉和Fe-50～70％Si高纯硅铁粉，在惰性保护气氛下充分混合均匀；(3)粉末热等静压采用软铁包套，在1050～1150℃温度范围内，100～200MPa的热等静压作用下，保压时间为0.5～2h，获得均匀、致密的压坯，压坯密度达到6.78～7.02g/cm3；(4)冷轧-烧结将上述热等静压板冷轧-烧结，逐步减薄，单道次压下量≤8％，经多道次轧制到总压下率达到30～50％后，再在烧结炉中于1050～1150℃保温烧结0.5～2h，多次冷轧-烧结后，板料的厚度达到0.1～0.5mm，Si合金化完成后，带材密度提高到7.31～7.43g/cm3；(5)全合金化高温烧结在1250～1320℃温度范围内真空或还原性保护气氛烧结1～4h，在热扩散的作用下，实现Si全合金化，形成单相合金，获得均质高硅钢，致密化烧结后板料的厚度几乎不变，为0.1～0.5mm，密...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁艺，罗丰华，张湘葵，王瀚德，贾吉祥，张红，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43