[發明專利]一種粉末熱鍛與高溫擴散燒結制備高硅鋼帶材的方法

在審

• 申請號: 201711367239.2
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN107900347A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 羅豐華;吳若晴;張湘葵;賈吉祥;李益民;王生凱
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B22F3/17
• 分類號: B22F3/17;B22F3/18;B22F1/00;C22C33/02;B22F3/10;C22C38/02
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技術領域

本發明屬于金屬材料的制備與加工領域，具體涉及高硅鋼薄帶材的粉末熱鍛和軋制變形的方法。

技術背景

軟磁性材料的剩磁與矯頑磁力都很小，即磁滯回線很窄，它與基本磁化曲線幾乎重合，主要用于電感線圈、變壓器、繼電器和電機的鐵心。Fe-Si合金最大磁導率隨Si含量發生變化，分別在Si的質量百分比(以下同)為2％和6.5％附近出現了兩個最大磁導率的峰值，分別達到10000和25000。Fe-Si合金的最大磁導率在軟磁材料中并沒有絕對優勢，如坡莫合金的最大磁導率可以達到200000。然而Si＜4.5％的Fe-Si合金薄板制造成本低，因此硅鋼片又稱為電工鋼片或硅鋼薄片，是一種非常重要的磁性材料。

而Si>4.5％時，Fe-Si合金在540℃溫度以下會發生B₂有序相的共析分解反應，生成α-Fe無序相和DO₃有序相，使得合金變脆而難以變形。

對于Si含量在4.5～6.7％之間的鐵硅系合金，一般稱為高硅鋼，其中硅含量6.5％的高硅鋼最為重要。其原因在于Fe-Si合金晶粒沿<100>方向的磁致伸縮系數隨Si含量增加而減小，在約6.3％時基本消失，而<111>方向的磁致伸縮系數隨Si含量增加而增加，在約6.1％時與<100>方向的磁致伸縮系數相等，使得高硅鋼在較高頻率工作時表現出優異的低鐵損特性。

正常運行的變壓器會發生持續均勻的“嗡嗡”聲，這是由于交流電流經過變壓器繞組時，在鐵芯中間產生了周期性變化的交變磁通，引起鐵芯磁致伸縮而震動發出的聲音。大量或者大型的鐵芯在震動時發出的聲音不但造成了能量的損耗，還造成了噪音污染。特別是在航天器、潛艇和導彈等軍事航空領域，Fe-Si系合金扮演著極為重要的角色。20世紀60年代末，Si含量6.5％的合金作為變壓器材料出現在阿波羅11號飛船上，完成人類首次登月壯舉。可見，高硅鋼是一種性能優良的降耗、降噪的環保型軟磁材料。

相比于其他合金，高硅鋼的研究和開發過程相對比較漫長。20世紀20年代末A.Schulze首次研究發現，硅含量6.5％的鐵硅系合金具有磁致伸縮系數幾乎為零的特性。20世紀80年代，K.I.Arail教授等發現高硅鋼相比于傳統Si含量低的合金在交流動態磁場中具有更低鐵損以及更高的磁導率。此后數十年間，為了克服高硅鋼的脆性，在制備技術方面出現了很多嘗試。如包套或控溫的特殊軋制方法、快速凝固法、化學氣相沉積法(CVD法)、等離子體化學氣相沉積法(PCVD法)、熱浸滲一擴散退火方法、粉末冶金法、微量合金化改性等各種方法。

其中CVD是比較成功的例子。1988年日本NKK公司采用CVD技術第一次生產出了厚度為0.1～0.5mm，寬度為400mm的無取向6.5％Si鋼片。20世紀90年代初期，全球第一條商用能夠實現連續滲硅的CVD生產線被研制出來，生產的產品尺寸可以達到0.1～0.3mm×600mm。

CVD的原理為：在特定溫度條件下，含硅氣體(SiCl₄)會與硅鋼帶發生反應生成Fe-Si化合物，而借助升高的爐溫向合金內部擴散，最終使合金達到所需含量。雖然己運用此項技術實現小規模的工業化生產，但其規模和產量都遠遠無法滿足國際軟磁材料市場的需求，而且這種制備方法工藝過程十分復雜，能耗和成本高，作業環境及其惡劣，不能滿足環保要求。

高硅鋼是“鋼鐵藝術品”，其制備技術時時處處都是最先進的鋼鐵制造技術,并且是研制和開發的熱點。對6.5％Si高硅鋼而言,其優異的磁學性能和廣闊的應用前景更是吸引著科技工作者進行大量的研究和開發工作。制備工藝的發展和成熟以及能否經濟有效地生產,是6.5％Si高硅鋼走向商業化廣泛應用的關鍵,也一直是研究工作的重點。一旦摸索出簡單、經濟、有效、成熟的制備工藝,就將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

發明內容

本發明的目的是提供一種粉末熱鍛與高溫擴散燒結制備高硅鋼帶材的方法，針對Fe-4.5～6.7％Si合金薄帶材難以成形的問題，以水霧化Fe粉與Si含量為50～70％的高純硅鐵粉為原料，添加成形劑后模壓成熱鍛生坯，再采用粉末熱鍛方法制備出一定厚度的板坯，利用粉末熱鍛的大變形作用使得壓坯密度提高、組織細化，并在熱擴散作用下實現部分合金化，形成具有塑性變形能力的貧Si的α-Fe晶粒和脆性高Si相的多相組織。后續經過多道次冷軋-燒結后獲得薄板，最后采用高溫擴散燒結獲得均質單相高硅鋼帶材。