專利名稱：一種Fe-6.5Wt%Si軟磁鋼片的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種軟磁板狀材料的制備方法，特別是Fe—6. 5Wt%Si軟磁鋼片的制備方 法，屬冶金材料技術領域。
技術背景硅鋼是指含碳量很低且含硅在0.5 — 6.5%的電工鋼，主要用做各種電機和變壓器鐵 芯、日光燈中鎮(zhèn)流器、磁開關和繼電器、磁屏蔽、互感器及其它電器儀表等，是電力、電 子、軍事工業(yè)中不可缺少的軟磁材料，是一種重要的金屬功能材料。電在傳輸、使用過程中會產(chǎn)生各種損失，由鎮(zhèn)流器、電機和變壓器中電工鋼引起的損 失，稱為鐵損。據(jù)有關資料報道，我國的鐵損占發(fā)電總量高達8.7鄉(xiāng)。鐵損雖然不能完全 避免，但是通過技術手段將鐵損降低到5—6%左右是可行的，僅此一項，每年可帶來的經(jīng) 濟效益就高達數(shù)百億元，還能節(jié)省數(shù)十兆噸的標準煤，由此帶來的環(huán)境效益則更是無法用 數(shù)字來估量的。因此，各國在生產(chǎn)電工鋼時總是千方百計設法降低鐵損并以鐵損作為考核電工鋼質量 的重要指標。高性能、低損耗的鐵芯材料的研制是其中的關鍵任務，也是降低鐵損的重要 途徑之一。目前，常用的變壓器鐵芯材料是含硅為3%左右的硅鋼片，該材料鐵損耗高、 磁致伸縮引起的噪聲大；非晶鐵芯變壓器雖然空載性能好，但非晶鐵芯材料價格比硅鋼片 貴三倍左右，加之非晶變壓器目前容量還不能超過1000KVA。因此，通過現(xiàn)代材料研究方 法提高傳統(tǒng)硅鋼軟磁材料的性能，制備高性能、低價格、大容量變壓器硅鋼鐵芯材料的研 究仍然是非?，F(xiàn)實的課題。自20世紀80年代中期以來，以場控器件為核心、高頻處理技術為主進行電能變換的 技術得到了迅速發(fā)展，70%以上的電能是經(jīng)過變換以后才加以利用的。與傳統(tǒng)的工頻電源 相比高頻電源效率高、體積小、重量輕，并能提高電能的利用效率，降低各種損耗。高頻 電源的變壓器鐵芯材料的良好高頻性能則是其中的關鍵因素之一。隨著電工鋼中硅含量的提高，磁性能指標上升，當硅含量達到6.5%時，各種性能指
標最好，體現(xiàn)在(1)與Fe-3呢Si相比，電阻率約高一倍，鐵損低低頻區(qū)(f《400Hz) 鐵損約為普通電工硅鋼的1/2，高頻(f》400Hz)鐵損比O. lmm厚取向硅鋼薄帶更低，僅 為普通電工硅鋼的1/5 (如W。.5/u^2.4w/kg); (2)最大磁導率高三倍以上，制作相同功率 的器件，體積可以大幅度減小，達到小型化的目的；(3)磁致伸縮率幾乎為零 (入^6.鵬產(chǎn)2)<10—7， AFe_3%Si=5.0Xl(T， A非晶貼=2.7x10-5)，而磁致伸縮是變壓器工作時噪 聲的主要來源，所以用Fe-6.596Si合金制作的器件工作噪音很小，僅30dB左右；(4)有 較高的機械強度，能夠承受超高速條件下的超大離心力的作用，適合作為超高速電機的轉 子；(5)極好的溫度穩(wěn)定性，更適合于溫度變化明顯、對穩(wěn)定性有較高要求的場合。因此， Fe-6.5y。Si合金薄帶在制造高頻高速電機、高頻變壓器、扼流線圈、高頻磁屏蔽材料等器 件的鐵芯材料方面有著十分廣闊的應用前景和巨大的市場需求。雖然Fe-6. 5%Si合金具有上述優(yōu)越的性能，但是，對于Fe-Si體系而言，當硅含量提 高到6.5%時，材料的塑性迅速降低，以至于無法利用常規(guī)的軋制技術生產(chǎn)。多年來，人 們在生產(chǎn)高硅含量的硅鋼片方面進行了大量的探索，研究出許多方法，如特殊軋制法、熔 體快淬法、化學氣相沉積法等。特殊軋制法。1987年，日本鋼管公司報道了利用控溫軋制、包套軋制等方法成功地 生產(chǎn)了 Fe-6. 5%Si無取向成巻帶材。這些方法的工序與通常鋼板的生產(chǎn)工序基本相同。但 是，為了解決Fe-6.5。/。Si硅鋼脆性大，不能常規(guī)軋制的問題，日本鋼管公司開發(fā)了以下兩 個重要新技術(1)熱軋板巻結晶最佳化技術；(2)脆性材料軋制技術。并在世界上率先 生產(chǎn)出Fe-6.5WSi硅鋼帶。但由于工藝的軋制溫度較高，晶粒的取向性不好，而且整個工 藝十分復雜，其應用前景很不明朗。熔體快淬法，又稱急冷凝固法，由Duwez于1960年首先創(chuàng)立的。其特點是設法將熔 體分成尺寸很小的部分，并減小熔體體積與冷卻介質接觸的散熱面積之比，從而使冷卻介 質迅速冷卻而凝固?？炷ㄉa(chǎn)硅鋼薄帶的方法有平面流鑄造、單輥法和雙輥法，生成的 薄帶，經(jīng)熱處理表面平整，具有良好的磁性能和機械性能。目前，用該方法可以生產(chǎn)寬 5-25mm，厚20-150 u m的薄帶，由于這種方法生產(chǎn)的鋼帶寬、厚受到很大程度的限制而未 得到廣泛應用?；瘜W氣相沉積(CVD)法是以加工性能良好的2 3%Si-Fe合金帶為基體，在非氧化氣 氛(N2或Ar)的CVD爐中通入SiCl4，借助如下反應來提高基體的含硅量SiCl"g) + 5Fe(s) — Fe3Si(s) + 2FeCl2(g) 這種方法容易導致晶粒的異常長大而影響材料的表面質量和磁性能。且生成的FeCl2 很容易在CVD系統(tǒng)管道中凝結，腐蝕設備。因此，該法尚處于研究階段。 發(fā)明內容本發(fā)明用于解決上述已有技術之缺陷而提供一種以小于3.5WSi的硅鋼片為基體，經(jīng) 沉積硅和在硅鋼片基體上滲硅同步進行，再經(jīng)均勻化擴散退火得到高硅鋼片的Fe—6.5Wt %Si軟磁鋼片的制備方法。本發(fā)明所稱問題是通過以下技術方案解決的-一種Fe—6.5Wt^Si軟磁鋼片的制備方法，其特別之處是，它由下述步驟組成-a. 熔鹽配制選取分析純試劑NaCI、 KC1、 NaF為介質，其中三組元的摩爾比 NaCl:KCl:NaF為1:1:3，加入占上述熔鹽介質質量百分數(shù)的8% 15%的粉狀Si02，將 上述四種物質混均，盛入坩鍋，放入電爐內升溫至75(TC 90(rC，恒溫時間10 20min;b. 在硅鋼片上電沉積滲硅以無取向硅鋼片為基體放入坩鍋，在溫度750°C~900 。C、脈沖電流給電且平均電流密為600A'cni_2 850A*crir2的條件下，電沉積40min 52min，得到平均含硅為6.5WtM的無取向硅鋼片；或以取向硅鋼片為基體放入坩鍋內， 在溫度75(TC 850'C、脈沖電流給電且平均電流密為600A'cm—2 750A'cm—2的條件下，電沉積45min 52min，得到平均含硅為6.5"Wt。/。的取向硅鋼片；c. 均勻化擴散退火將上述步驟得到的平均含硅約為6.5Wt^的取向或無取向硅鋼片試樣取出后立即放入通氬氣保護的臥式管狀電爐中，并控制溫度105(TC 115(TC，恒 溫120min 140min，然后在氬氣保護下使試樣按10°C/min 20°C/min的冷卻速度冷卻至 室溫，取出試樣，得到平均硅含量為6.5WtX且分布均勻的取向或無取向硅鋼片。上述Fe—6.5Wt%Si軟磁鋼片的制備方法，所述基體無取向硅鋼片或取向硅鋼片Si 含量小于3.5Wt^。上述Fe—6.5WtXSi軟磁鋼片的制備方法，所述盛熔鹽的坩鍋為陽極，陽極材質為高 純石墨。本發(fā)明以小于3.5。/。Si的硅鋼為基體，在較高的溫度下，采用熔鹽電沉積出的硅作為 基體滲硅的硅源，在脈沖電場、濃度梯度的雙重因素作用下，使沉積硅和在3. 5%Si的硅 鋼基體上滲硅同步進行，再經(jīng)過均勻化擴散退火步驟，進而制備Fe—6.5Wt^Si鋼片。其 主要特點如下(l)整個制備過程不存在壓力加工或其它塑性變形過程，可以從根本上避 免任何由于Fe-6。5%Si的低塑性而導致的加工困難；(2) Si的沉積速度和擴散速度可以 通過調節(jié)沉積的電流密度和溫度參數(shù)使其基本相等，避免表面硅化物的大量形成；(3)對 基體的原結構影響小；(4)該法使用的藥劑廉價，易獲得，且消耗少。
具體實施方式
本發(fā)明方法以Fe-6。 5%Si板為基體，熔鹽電沉積出的硅作為滲硅的硅源，電沉積硅和 硅在Fe-6。5乂Si板中的擴散同時進行；盛熔鹽的坩鍋為陽極，材質為高純石墨，陰極材質 為厚度為0. 5mm的Fe-6. 5%Si板，在溫度75(TC 85(TC、脈沖電流給電且平均電流密為 600A'cm'2 850A'cm'2的條件下，電沉積時間40min 52min,得到平均含硅約為6.5Wt %的取向或無取向硅鋼片。上述試樣放入通氬氣保護的臥式管狀電爐中，并控制溫度1050 °C，恒溫120min，然后在氬氣保護下使試樣按1(TC/min的冷卻速度冷卻至室溫，取出試 樣，得到硅含量為6.5Wt^，且分布均勻的取向或無取向硅鋼片。其制備機理如下由于 高溫、電場以及硅濃度梯度的作用，在Fe-6。5%Si板上沉積Si的同時，F(xiàn)e、 Si也在進行 著固態(tài)互擴散，從而形成沿表面向內部Si含量呈逐漸降低、Fe含量呈逐漸升高的梯度變 化規(guī)律。由于Fe、 Si擴散的時間較短和Si含量的升高，使得基體板斷面Fe、 Si含量分布 不均和脆性增加，因此，再經(jīng)單獨的均勻化擴散退火過程處理。研究表明，在105(TC時， Si在Fe基體中的擴散系數(shù)達0.432pm2/5，擴散速度較快，均勻化所需時間不長。以下給出具體的實施例.-實施例1按照NaCl:KCl:NaF摩爾配比為1:1:3稱取熔鹽作為介質，粉狀Si02的加入量占熔 鹽介質質量百分數(shù)的8%。將上述四種物質混勻，盛入坩堝，放入電爐內升溫至75(TC， 恒溫時間10min，放入厚度為0. 5mm的Fe-3。 5%Si無取向硅鋼片或取向硅鋼片陰極，脈沖 給電且平均電流密度為600A'cm^的條件下，沉積52min后，取出硅鋼片陰極，進行均 勻化擴散退火過程處理。處理條件為溫度1050'C;氬氣保護；時間140min;試樣冷卻 速度為10°C/min，得到Fe-6。 5%Si薄板。經(jīng)對試樣的斷面的Si含量分布、顯微組織、表 面形貌分析表明得到的無取向Fe-6。 5%Si薄板Si含量沿斷面的變化在6。 47% 6。
實施例2按照NaCl:KCl:NaF摩爾配比為1:1:3稱取熔鹽作為介質，粉狀Si02的加入量占熔 鹽介質質量百分數(shù)的11%。將上述四種物質混勻，盛入坩堝，放入電爐內升溫至80(TC， 恒溫時間15min,放入厚度為0. 5mm的Fe-3。 5%Si無取向硅鋼片或取向硅鋼片陰極，脈沖 給電且平均電流密度為700A'cm—2的條件下，沉積48min后，取出硅鋼片陰極，進行均勻化擴散退火過程處理。處理條件為溫度1100'C;氬氣保護；時間130min;試樣冷卻速度為15r/min，得到Fe-6。5%Si薄板。經(jīng)對試樣的斷面的Si含量分布、顯微組織、表 面形貌分析表明得到的無取向Fe-6。 5%Si薄板Si含量沿斷面的變化在6。 45% 6。 49%Si; 其晶粒比原基體晶粒平均增加12%左右；得到的有取向Fe-6。 5%Si薄板Si含量沿斷面的 變化在6. 45% 6。 49%Si;其晶粒取向度略有降低。 實施例3按照NaCl:KCl:NaF摩爾配比為1:1:3稱取熔鹽作為介質，粉狀Si02的加入量占熔 鹽介質質量百分數(shù)的15%。將上述四種物質混勻，盛入坩堝，放入電爐內升溫至900。C， 恒溫時間18min，放入厚度為0. 5rara的Fe_3。 5%Si無取向硅鋼片陰極，脈沖給電且平均電 流密度為850A'cm—2的條件下，沉積40min后，取出無取向硅鋼片陰極，進行均勻化擴散退火過程處理。處理條件為溫度115(TC;氬氣保護；時間120min;試樣冷卻速度為2(TC/min，得到Fe-6。 5%Si薄板。經(jīng)對試樣的斷面的Si含量分布、顯微組織、表面形貌 分析表明得到的無取向Fe-6. 5%Si薄板Si含量沿斷面的變化在6。 48% 6。 53°/。Si;其晶 粒比原基體晶粒平均增加14%左右。 實施例4按照NaCl:KCl:NaF摩爾配比為1:1:3稱取熔鹽作為介質，粉狀Si02的加入量占熔 鹽介質質量百分數(shù)的15%。將上述四種物質混勻，盛入塒堝，放入電爐內升溫至85(TC， 恒溫時間20min，放入厚度為0.5mm的Fe-3.5WSi有取向硅鋼片陰極，脈沖給電且平均電 流密度為750Axm-2的條件下，沉積45min后，取出有取向硅鋼片陰極，進行均勻化擴 散退火過程處理。處理條件為溫度1150'C;氬氣保護；時間120miri;試樣冷卻速度為 20'C/min，得到有取向Fe-6。5 ()Si薄板。經(jīng)對試樣的斷面的Si含量分布、顯微組織、表 面形貌分析表明有取向Fe-6。 5%Si薄板Si含量沿斷面的變化在6。 47% 6。 51%Si;其晶 粒取向度略有降低。
權利要求
1. 一種Fe—6.5WtXSi軟磁鋼片的制備方法，其特征在于，它由下述步驟組成.-a. 熔鹽配制選取分析純試劑NaCl、 KC1、 NaF為介質，其中三組元的摩爾比 NaCl:KCl:NaF為1:1:3，加入占上述熔鹽介質質量百分數(shù)的8% 15%的粉狀Si02，將 上述四種物質混均，盛入坩鍋，放入電爐內升溫至75(TC 90(rC，恒溫時間10 20min;b. 在硅鋼片上電沉積滲硅以無取向硅鋼片為基體放入坩鍋，在溫度750°C 900 °C、脈沖電流給電且平均電流密為600A'cm'2 850A'cm'2的條件下，電沉積40min 52min，得到平均含硅為6.5Wt^的無取向硅鋼片；或以取向硅鋼片為基體放入柑鍋內， 在溫度750°C 850°C、脈沖電流給電且平均電流密為600A'cm'2 750A'cm'2的條件下， 電沉積45min 52min，得到平均含硅為6.5Wt^的取向硅鋼片；c. 均勻化擴散退火將上述步驟得到的平均含硅約為6.5Wt^的取向或無取向硅鋼片試樣取出后立即放入通氬氣保護的臥式管狀電爐中，并控制溫度105(TC 115(TC，恒 溫120min 140min，然后在氬氣保護下使試樣按10°C/min 20°C/min的冷卻速度冷卻至 室溫，取出試樣，得到平均硅含量為6.5Wt^且分布均勻的取向或無取向硅鋼片。
2. 根據(jù)權利要求l所述的Fe—6.5Wt^Si軟磁鋼片的制備方法，其特征在于所述 基體無取向硅鋼片或取向硅鋼片Si含量小于3.5Wt%。
3. 根據(jù)權利要求2所述的Fe—6.5Wt^Si軟磁鋼片的制備方法，其特征在于所述 盛熔鹽的坩鍋為陽極，陽極材質為高純石墨。
全文摘要
一種Fe-6.5Wt％Si軟磁鋼片的制備方法，屬冶金材料技術領域，用于解決現(xiàn)有方法制備Fe-6.5Wt％Si軟磁鋼片工藝困難的問題。它以小于3.5％Si的硅鋼片為基體，經(jīng)熔鹽配制、在硅鋼片上電沉積滲硅、均勻化擴散退火等步驟組成。本發(fā)明方法的主要特點如下(1)整個制備過程不存在壓力加工或其它塑性變形過程，可以從根本上避免任何由于Fe-6.5％Si的低塑性而導致的加工困難；(2)Si的沉積速度和擴散速度可以通過調節(jié)沉積的電流密度和溫度參數(shù)使其基本相等，避免表面硅化物的大量形成；(3)對基體的原結構影響??；(4)該法使用的藥劑廉價，易獲得，且消耗少。
文檔編號C23C10/24GK101122022SQ20071013940
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月12日 優(yōu)先權日2007年9月12日
發(fā)明者慧 李, 李運剛, 李魁猛, 梁精龍, 蔡宗英 申請人:河北理工大學