一种高温扩散烧结与粉末轧制制备高硅钢带材的方法技术

一种高温扩散烧结与粉末轧制制备高硅钢带材的方法，本发明专利技术选取还原Fe粉与水雾化Fe粉，按照4:6～6:4的比例混合，再添加Si粉，形成Fe‑4.5～6.7％Si混合粉体。通过粉末轧制形成多孔板坯，将板坯在1060～1160℃进行真空或还原气氛保护烧结，使Fe粉颗粒实现不完全连接，而Si与Fe实现部分合金化，形成多孔未完全合金化的高硅钢坯料，经多次冷轧、不完全烧结，最后在1260～1320℃真空或还原气氛保护烧结，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7.32～7.48g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种高温扩散烧结与粉末轧制制备高硅钢带材的方法
本专利技术属于功能性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冶金烧结和轧制变形的方法。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高温扩散烧结与粉末轧制制备高硅钢带材的方法，针对4.5～6.7％Si含量的Fe-Si合金薄带材难以成形的问题，以工业纯Fe粉与微细的单质Si粉为原料，添加成形剂后形成具有压缩性粉体混合料，再采用粉末轧制方法制备出一定厚度的板坯，在脱脂、烧结后形成多孔、非均质的坯料，经过多道次冷轧-烧结后获得薄板，最后采用高温扩散烧结获得均质高硅钢带材。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粉为原料粉末，形成Fe-4.5～6.7％Si混合粉体。通过合适的粘接剂、分散剂在混合过程中将微细的Si粉粘附到铁粉表面或填充铁粉的孔隙中。由于工业纯Fe粉为具有高压缩性的粗大颗粒，在混合粉中占有较大的体积比，添加Si粉后不显著降低其变形能力，可以通过粉末轧制形成多孔板坯。将粉末轧制板坯在1060～1160℃温度范围进行真空或还原气氛保护烧结，使Fe粉颗粒实现不完全连接，而Si与Fe实现部分合金化，形成多孔、具有可压缩性的未完全合金化的高硅钢坯料。后续通过多次冷轧、不完全烧结，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1260～1320℃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7.32～7.48g/cm3的高硅钢带材。本专利技术具体包括如下步骤：(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。用粒径≤3μm的单质Si粉，纯度大于97％，主要含Fe、Al和Ca杂质。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，并且后续粉末轧制过程中也容易实现粉末的相互咬合而提高压坯的强度，有利于粉末轧制工艺的稳定。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，有利于粉末轧制工艺过程粉末的均匀流动，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。单质Si的性质很脆，很容易通过机械破碎工艺细化。选取粒径≤3μm的单质硅有利于后续均匀化扩散烧结的实现；并且细小的Si在坯料中形成的孔隙、脆性界面也细小，起到组织细化的强韧化作用，有利于提高后续的坯料韧性，在轧制致密化过程中不易造成开裂。但Si很容易吸附氧，在粉末表面形成SiO2薄膜，因此在Si粉的制备、储存和转移过程中，以及后续混料、轧制过程中应采用惰性气体保护，所使用的工具也必须预先采取脱水、干燥处理。在控制氧含量的前提下，其他Al、Ca、Mn等杂质对合金磁性能的影响不大，过程中引入其他合金元素的可能性也不大。(2)粉末混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温扩散烧结与粉末轧制制备高硅钢带材的方法，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；用粒径≤3μm的单质Si粉，纯度大于97％，主要含Fe、Al和Ca杂质；(2)粉末混合按照Fe‑4.5～6.7％Si的比例，称取预混好的Fe粉和Si粉；在惰性保护气氛下采用低能量混合机混合；(3)粉末轧制采用二辊水平轧机和倾斜喂料槽，利用粉末自重、轧辊与粉末之间的摩擦力喂料，轧制出厚度为1.0～2.5mm，宽度为100～240mm，密度为5.9～6.4g/cm

【技术特征摘要】
1.一种高温扩散烧结与粉末轧制制备高硅钢带材的方法，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；用粒径≤3μm的单质Si粉，纯度大于97％，主要含Fe、Al和Ca杂质；(2)粉末混合按照Fe-4.5～6.7％Si的比例，称取预混好的Fe粉和Si粉；在惰性保护气氛下采用低能量混合机混合；(3)粉末轧制采用二辊水平轧机和倾斜喂料槽，利用粉末自重、轧辊与粉末之间的摩擦力喂料，轧制出厚度为1.0～2.5mm，宽度为100～240mm，密度为5.9～6.4g/cm3的粉末轧坯；(4)脱脂、烧结将粉末轧坯放置在表面涂覆了MgO微粉的支撑板上，放置到真空脱脂、烧结炉中，采用2～5℃/min的升温速度，并在200℃、400℃分别保温2h～4h，然后将升温至1060～1160℃保温烧结2～4h，烧结坯密度为6.0～6.5g/cm3；(5)冷轧-烧结致密化将上述烧结板坯冷轧减薄，单道次压下量≤8％，经多道次轧制到总压下率达到30～45％后，在烧结炉中，于1060～1160℃再烧结0.5～2h，多次冷轧-烧结后，板料的厚度达到0.1～0.5mm，密度达到7.31～7.47g/cm3；(6)均匀化高温烧结在1260～1320℃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的均匀化，形成单相合金，获得均质高硅钢，致密化烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，李丹阳，陈嘉砚，白云波，李益民，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43