一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法技术

一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法，采用不规则形貌的还原Fe粉，微细的Si含量为70～80％的高纯硅铁粉，形成Fe‑4.5～6.7％Si混合粉体。通过模压成方形坯，再加热到950～1050℃实现Fe相奥氏体化，用挤压比为8～16的变形量热挤压成板坯，然后将粉末挤压板坯在1070～1170℃温度范围进行真空或还原气氛保护烧结，后续通过多次冷轧、低温扩散烧结，最后在1275～1335℃温度范围内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≥7.38g/cm

A powder extrusion method for producing high silicon steel thin strip

A method of powder extrusion for high silicon steel thin strip is made by reducing Fe powder with irregular morphologies, with a fine Si content of 70 ~ 80% high pure silicon iron powder, forming a mixed powder of 4.5 ~ 6.7%Si. The Fe phase austenitizing was realized by reheating the square billet and then heated to 950~1050 C. The slab was extruded with the extrusion ratio of 8~16. Then the powder extruded slab was sintered in vacuum or reduction atmosphere at the temperature range of 1070~1170, followed by cold rolling, low temperature diffusion sintering, and finally 1275~1335. Homogeneous sintering of high silicon steel can be achieved by vacuum sintering or reducing atmosphere protection in the temperature range. The thickness of the alloy is 4.5 to 6.7%Si 0.1 to 0.5mm, and the density is more than 7.38g/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法
本专利技术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冶金烧结、热挤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
本专利技术提供一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法，针对4.5～6.7％Si含量的Fe-Si合金薄带材难以成形的问题，以还原铁粉与Si含量为70～80％的高纯硅铁粉为原料，均匀混合，添加成形剂后模压成挤压生坯，再采用粉末热挤压方法制备出一定厚度的板坯，利用热挤压的大变形作用使得挤压坯密度提高、组织细化，并在热扩散作用下实现部分合金化，形成塑性变形能力的贫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-烧结后获得薄板，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：采用不规则形貌的还原Fe粉，微细的Si含量为70～80％的高纯硅铁粉，形成Fe-4.5～6.7％Si混合粉体。通过合适的粘接剂、分散剂将微细的高纯硅铁粉在混合过程中粘附到还原铁粉表面或填充铁粉的孔隙中。由于还原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，添加微细的高纯硅铁粉后不显著降低其塑性变形能力，可以通过模压成方形坯。再加热到950～1050℃实现Fe相奥氏体化，用挤压比为8～16的变形量热挤压成板坯。然后将粉末挤压板坯在1070～1170℃温度范围进行真空或还原气氛保护烧结，使Fe粉颗粒实现冶金结合，而Si与Fe实现部分合金化，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相的多相组织高硅钢坯料。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1275～1335℃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≥7.38g/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，还原铁粉中Fe≥98.5％，其余为Si、Mn、P、S等杂质，中粒径位于75～106μm；采用精炼的Si含量为70～80％的高纯硅铁粉，用粒径≤10μm的硅铁粉，这种硅铁粉除了含有70～80％Si以外，主要杂质为～0.25％Al、～0.08％Ca、～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，并且后续粉末挤压过程中也容易实现粉末的相互咬合而提高压坯的强度。Fe-70～80％Si高纯硅铁在凝固过程中除了初生Si晶粒外，在1207℃时存在共晶反应，形成了具有tP3结构的β-FeSi2和Si相共晶组织，这种组织很脆，很容易通过机械破碎工艺细化。将Fe-70～80％Si高纯硅铁破碎至≤10μm的硅铁粉，其实际组织中的Si相、FeSi2相更细小，有利于后续高温烧结时Si元素的热扩散均匀化，形成均质Fe-6.5％Si单相合金。同时，粉末中存在的20～30％Fe可以有效降低Si的氧化程度，有利于提高高硅钢的产品质量。将Fe-70～80％Si高纯硅铁机械破碎至粒径≤10μm，有利于其粘附在还原Fe粉的表面或填充于还原Fe粉的孔隙中，细小的Si、FeSi2相在坯料中弥散分布，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Fe-70～80％Si高纯硅铁中仍存在较多的Si相，Si很容易吸附氧，在裸露的Si相表面形成SiO2薄膜，因此在Fe-70～80％Si高纯硅铁粉的制备、储存和转移过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法，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，还原铁粉中Fe≥98.5％，其余为Si、Mn、P和S及不可避免的杂质，中粒径位于75～106μm；采用精炼的Si含量为70～80％的高纯硅铁粉，用粒径≤10μm的硅铁粉，高纯硅铁粉的杂质为～0.25％Al、～0.08％Ca、～0.02％C,其余为Fe；(2)粉末混合按照Fe‑4.5～6.7％Si的比例，称取还原Fe粉和微细Fe‑70～80％Si高纯硅铁粉；在惰性保护气氛下采用低能量混合机混合；(3)粉末挤压采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯密度为6.32～6.53g/cm

【技术特征摘要】
1.一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法，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，还原铁粉中Fe≥98.5％，其余为Si、Mn、P和S及不可避免的杂质，中粒径位于75～106μm；采用精炼的Si含量为70～80％的高纯硅铁粉，用粒径≤10μm的硅铁粉，高纯硅铁粉的杂质为～0.25％Al、～0.08％Ca、～0.02％C,其余为Fe；(2)粉末混合按照Fe-4.5～6.7％Si的比例，称取还原Fe粉和微细Fe-70～80％Si高纯硅铁粉；在惰性保护气氛下采用低能量混合机混合；(3)粉末挤压采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯密度为6.32～6.53g/cm3；采用方形挤压筒，挤压比为8～16，采用硬质合金模具，用机油和玻璃粉做润滑剂，挤压前将模压方坯在氮气保护作用下加热到950～1050℃，保温2～4h，挤压筒和挤压模在400～600℃预热保温1～2h，实施热挤压，热挤压后板坯的密度为6.80～7.12g/cm3；(4)烧结将热挤压板放置在表面涂覆了MgO微粉的支撑板，放置到烧结炉中，采用2～5℃/min的升温速度，升温至1070～1170℃保温烧结2～4h，烧结坯密度为7.23～7.35g/cm3；(5)冷轧-烧结致密化将上述烧结板坯逐步冷轧-烧结减薄，单道次压下量≤8％，经多道次轧制到总压下率达到30～45％后，再在烧结炉中于1070～1170℃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，密度达到7.37～7.49g/cm3；(6)均匀化高温烧结最后在1275～1335℃温度范围内...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，温家飞，李益民，廖相巍，梁健俊，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43