專利名稱：一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅鋼表面涂層的制備，特別涉及一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法。
背景技術(shù)：
硅鋼是電力生產(chǎn)與消費(fèi)的所有電工設(shè)備中最重要的功能材料，是世界上用量最大的功能 材料，也是冶金企業(yè)采用先進(jìn)技術(shù)最多、生產(chǎn)難度最大的品種，是所有鋼鐵材料中的"藝術(shù) 品"，其產(chǎn)量和質(zhì)量是一個(gè)國(guó)家冶金工業(yè)是否強(qiáng)大的重要象征，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有
十分重要的地位。
然而硅鋼在使用過(guò)程中由于鐵損等損耗造成能源的巨大浪費(fèi)。世界各國(guó)的材料與冶金工 作者長(zhǎng)期致力于降低電工鋼鐵損的研究，在冶金技術(shù)和物理冶金等方面不斷取得新進(jìn)展。為 滿足日益增長(zhǎng)的需求，不斷開發(fā)出新品種。硅鋼中的硅含量對(duì)其磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵損影響很大。 研究表明隨著硅含量的增加，硅鋼的電阻率增大，渦流損失減小，從而在較高頻率下表現(xiàn) 出優(yōu)良的磁性。但是，隨著硅含量的增高，硅鋼的延伸率急劇降低，因脆性大而難以用傳統(tǒng) 軋制方法獲得。高硅鋼材料優(yōu)異的磁學(xué)性能和廣泛的應(yīng)用前景吸引著人們進(jìn)行大量的研究和 開發(fā)工作。
含6.5%Si的高硅鋼是各種特殊用途電工鋼中最為引人入勝的品種之一。它具有最佳的軟
磁特性，與無(wú)取向硅鋼相比，鐵損只有后者的一半，而磁導(dǎo)率為其8倍多，磁致伸縮為其1/10;
若與取向硅鋼比，磁致伸縮只為其1/2，在頻率大于400Hz時(shí)鐵損更低。在低頻區(qū)有效地利 用其低磁致伸縮特性可實(shí)現(xiàn)低噪音化，在高頻區(qū)有效地利用其低鐵損特性可實(shí)現(xiàn)低發(fā)熱和小 型化。 .
隨著Si含量的增高，電工鋼的延伸率急劇降低。6.5c/。Si高硅鋼雖具有優(yōu)異電磁性能，卻 因脆性大而難以用傳統(tǒng)軋制法獲得。通過(guò)特殊軋制法、鑄軋法、噴沉軋制法、快速凝固法等 新技術(shù)，有效地改善了其可加工性，成為制備高硅鋼的可行途徑，但不能完全避免脆性的限 制因素。
化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)擴(kuò)滲法是制備高硅鋼最為成功并取得 批量生產(chǎn)應(yīng)用的有效方法。它突破傳統(tǒng)的思維方式，通過(guò)先軋后滲的技術(shù)路線，巧妙地回避 了脆性限制環(huán)節(jié)。滲硅過(guò)程中所采用的硅源為SiCU，與Fe基體反應(yīng)后生成氣態(tài)的FeCl2， 一 方面造成Fe的流失，.同時(shí)產(chǎn)生空穴效應(yīng)，影響材料表面質(zhì)量。
其它的滲硅法，諸如固態(tài)滲硅法和液態(tài)滲硅法，可以很顯著地改善鐵基和有色金屬材料的耐磨、耐蝕和抗氧化性，在機(jī)械、化工和航空航天等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但這些方法固有的 滲硅效率低和滲層表面質(zhì)量惡劣等缺點(diǎn)決定了其不適用于制備薄規(guī)格化的高硅鋼。
等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)擴(kuò) 滲法比CVD法的沉積溫度低、時(shí)間短。所擴(kuò)滲的0.1mm厚鋼片的鐵損顯著降低，其它磁性 能也大有改善。滲硅過(guò)程中所采用的硅源為SiCU和高純硅垸。沉積和擴(kuò)散退火仍采取了與 CVD法相同的整體反應(yīng)和整體加熱模式，滲硅過(guò)程中，要產(chǎn)生等離子體。如何快速且高效滲 硅是目前高硅鋼制備過(guò)程中急需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提供一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法，目的是利用 激光化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)控制和進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)散退火熱處理在低硅鋼表面制備高 硅涂層。 '
本發(fā)明的方法按以下步驟進(jìn)行
1、 預(yù)處理將熱軋無(wú)取向低硅鋼表面清洗干凈后，噴砂處理至表面粗糙度Ra=5~6pm。
2、 沉積涂層制備
沉積涂層制備分為動(dòng)態(tài)激光制備方法和靜態(tài)激光制備方法，動(dòng)態(tài)激光制備方法為
將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于1(^MPa的條件下，向該真空系統(tǒng) 中持續(xù)通入氬氣和硅垸，氬氣的流量為500 550mL/min，硅烷的流量為2 3mL/min，保持系 統(tǒng)壓力為0.01 0.08MPa;然后在激光聚焦條件下或激光散焦條件下，在熱軋無(wú)取向低硅鋼表 面制備出沉積涂層，激光照射功率400-1000W,照射時(shí)間5s 30min。
靜態(tài)激光制備方法為
將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于10^MPa的條件下，向該真空系統(tǒng) 中持續(xù)通入氬氣和硅垸的至系統(tǒng)壓力為0.01~0.08MPa時(shí)停止，氬氣和硅烷的混合氣體中硅垸 的體積百分比為10~60%;然后在激光聚焦條件下或激光散焦條件下，在熱軋無(wú)取向低硅鋼表 面制備出沉積涂層，激光照射功率400 1000W，照射時(shí)間5s 30min。
上述的動(dòng)態(tài)方法和靜態(tài)方法所述的激光聚焦條件中，激光的離焦量為5 20rnrn，掃描速 度100~500mm/min;所述的激光散焦條件中，激光的光斑直徑為20 30rnrn。
3、 熱處理沉積涂層制備完成后將熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于10—3MPa的 條件下，加熱至700 1100'C，保溫2 6h，在熱軋無(wú)取向低硅鋼表面制備出高硅涂層。
上述方法獲得的熱軋無(wú)取向低硅鋼的高硅涂層厚度為0.01~0.15mm，高硅涂層中硅含量 呈梯度分布，硅含量沿涂層表面向硅鋼基體方向逐漸減少，硅平均重量含量為1~5%。本發(fā)明的方法提高了滲硅效率，實(shí)現(xiàn)了快速滲硅；采用無(wú)氯硅源避免FeCl2的生成造成 鐵的損失并改善材料表面質(zhì)量；對(duì)滲硅過(guò)程進(jìn)行局部化約束來(lái)減少和避免尾氣對(duì)原料氣的稀 釋和污染。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼的高硅涂層微觀形貌圖、EDS能譜分 析圖、Si和Fe線掃描結(jié)果，圖中(a)為涂層微觀形貌圖，(b)為EDS能譜分析圖，(c)為 Si線掃描結(jié)果，(d)為Fe線掃描結(jié)果。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼的高硅涂層微觀形貌圖、Si和Fe線 掃描結(jié)果圖，圖中(a)為涂層微觀形貌圖，(b)為Si線掃描結(jié)果，(c)為Fe線掃描結(jié)果。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼的高硅涂層Si含量分布曲線圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼退火后高硅涂層的微觀組織形貌圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例3中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼退火后表層和心部微觀組織形貌圖和 EDS能譜分析圖，圖中(a)為表層微觀組織形貌圖，(b)為表層EDS能譜分析圖，(c)為 心部微觀組織形貌圖，(d)為心部EDS能譜分析圖。
圖6為本發(fā)明實(shí).施例4中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼的高硅涂層微觀形貌圖、Si和Fe線 掃描結(jié)果圖，圖中(a)為涂層微觀形貌圖，(b)為Si線掃描結(jié)果，(c)為Fe線掃描結(jié)果。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例4中制備的熱軋無(wú)取向低硅鋼退火后表層和心部的微觀組織形貌圖 及EDS能譜分析圖，圖中(a)為表層微觀組織形貌圖；(b)為表層EDS能譜分析圖，(c) 為心部微觀組織形貌圖，(d)為心部EDS能譜分析圖。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中熱軋無(wú)取向低硅鋼退火前后的顯微硬度分布曲線圖，圖中(a) 為退火前顯微硬度分布曲線圖，(b)為退火后顯微硬度分布曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例中采用的熱軋無(wú)取向低硅鋼鋼巻號(hào)53095522，牌號(hào)B50A700，出鋼記號(hào)
IW9222E1，硅的重量.含量為1%，尺寸規(guī)格為15xl3x2.65mm。
本發(fā)明實(shí)施例中釆用的激光器為JK13型C02橫向激勵(lì)連續(xù)大功率激光器。 本發(fā)明實(shí)施例中采用的熱處理設(shè)備為SRJX-8-13型高溫箱式電阻爐。
本發(fā)明實(shí)施例中硬度的測(cè)試方法為利用Wilson Wdpert 401MVD型顯微硬度計(jì)測(cè)量基
體和沉積層顯微硬度，使用載荷為50g，加載時(shí)間為10s。沿試樣橫截面方向測(cè)量沉積區(qū)、結(jié)
合區(qū)、熱影響區(qū)以及基體的顯微硬度分布，測(cè)量三次取平均值。
本發(fā)明實(shí)施例中采用的反應(yīng)系統(tǒng)由光路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、真空反應(yīng)系統(tǒng)組成，光路系統(tǒng)由C02激光器發(fā)出水平光源，通過(guò)鍍金反射鏡和GaAs透射鏡垂直引入真空反應(yīng)室內(nèi)，反應(yīng) 同時(shí)入射鏡用水冷銅套進(jìn)行水冷，防止鏡片因溫度過(guò)高損壞。氣路系統(tǒng)為用購(gòu)置的氣動(dòng)高壓 塑料導(dǎo)氣管將供氣鋼瓶、減壓閥、針閥、流量計(jì)、不銹鋼反應(yīng)設(shè)備和真空泵連接，構(gòu)成整個(gè) 封閉的氣路系統(tǒng)。真空反應(yīng)系統(tǒng)為自制耐熱不銹鋼真空反應(yīng)腔，包括入射窗口、兩路進(jìn)氣不 銹鋼噴嘴、排氣出口和內(nèi)部的樣品架。其中一路進(jìn)氣噴嘴位于入射窗口的下部，通過(guò)載氣的 吹入，減少反應(yīng)發(fā)生時(shí)入射窗口鏡片的污染。真空泵位于整個(gè)氣路末端，可保持反應(yīng)系統(tǒng)的 低真空狀態(tài)。 實(shí)施例1
將熱軋無(wú)取向低硅鋼經(jīng)研磨和清洗至表面干凈后，噴砂處理至表面粗糙度Ra=5nm，去 除氧化皮和雜質(zhì)。
將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于反應(yīng)器中，將反應(yīng)器抽真空至壓力為10—3MPa，向 反應(yīng)器中通入氬氣和硅烷的混合氣體，至反應(yīng)器內(nèi)壓力為0.08MPa時(shí)停止，其中混合氣體中 硅烷的體積百分比為力0%;導(dǎo)入激光，在激光散焦條件下照射熱軋無(wú)取向低硅鋼表面，激光 功率為1000W，激光光斑直徑為20mm，照射時(shí)間30s，在低硅鋼表面制備出沉積涂層。
沉積涂層制備完成后將熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于1(^MPa的條件下，加熱 至1100。C，保溫6h;在熱軋無(wú)取向低硅鋼表面制備出厚度0.01mm的高硅涂層，高硅涂層中 硅含量呈梯度分布，硅含量沿涂層表面向硅鋼基體方向逐漸減少，硅平均重量含量1.47%, 高硅涂層的顯微硬度值為150 200HV，比基體硬度稍高。
熱軋無(wú)取向低硅鋼的微觀形貌圖、EDS能譜分析圖、Si和Fe線掃描結(jié)果如圖1所示， 設(shè)定硅元素和鐵元素含量之和為涂層總質(zhì)量的100%，由圖可知涂層中硅含量高于基體中硅的 含量。由圖l (d)可見從涂層表面至基體Fe含量逐漸增多。 實(shí)施例2
將熱軋無(wú)取向低硅鋼經(jīng)研磨和清洗至表面干凈后，噴砂處理至表面粗糙度Ra=6pm，去 除氧化皮和雜質(zhì)。
將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于反應(yīng)器中，將反應(yīng)器抽真空至壓力為10—3MPa，向 反應(yīng)器中通入氬氣和硅垸的混合氣體，至反應(yīng)器內(nèi)壓力為0.01MPa時(shí)停止，其中混合氣體中 硅垸的體積百分比為10%;導(dǎo)入激光，在聚焦條件下照射熱軋無(wú)取向低硅鋼表面，激光功率 為400W,激光的離焦量為20mm，掃描速度500mm/min，照射時(shí)間5s，在低硅鋼表面制備 出沉積涂層，沉積涂層厚度40iam。
沉積涂層制備完成后將熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于1(^MPa的條件下，加熱
6至70(TC，保溫2h;在熱軋無(wú)取向低硅鋼表面制備出厚度0.1mm的高硅涂層，高磚涂層中硅 含量呈梯度分布，平均硅重量含量為3%。高硅涂層的顯微硬度值為450~500HV，是基體硬 度的3 4倍，涂層和基體結(jié)合好。退火前后的顯微硬度分布曲線如圖8所示。
熱軋無(wú)取向低硅鋼微觀組織如圖2 (a)所示，Si和Fe線掃描結(jié)果分別如圖2 (b)和圖 2 (c)所示，涂層組織細(xì)小致密，組織均勻，無(wú)裂紋。高硅涂層中硅含量最高處達(dá)95wt%， 隨著距表面距離的增加，Si含量逐漸減少，最終減少到與基體相同的lwt.%，可以看出沉積 層至基體的Si含量是呈梯度變化的，而且過(guò)渡比較平緩。 實(shí)施例3
將熱軋無(wú)取向低磁鋼經(jīng)研磨和清洗至表面干凈后，噴砂處理至表面粗糙度Ra=5.6pm， 去除氧化皮和雜質(zhì)。. .
將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于反應(yīng)器中，將反應(yīng)器抽真空至壓力為10—3MPa，向 反應(yīng)器中通入氬氣和硅垸，并控制反應(yīng)系統(tǒng)壓力為0.08MPa，其中氬氣的體積流量為 550mL/min，硅烷的體積流量為3mL/min;導(dǎo)入激光，在激光散焦條件下照射熱軋無(wú)取向低 硅鋼表面，激光功率為IOOOW，激光光斑直徑為30mm，照射時(shí)間30min，在低硅鋼表面制 備出沉積涂層。沉積涂層硅含量最高處為10wt%，沉積涂層與基體結(jié)合處硅含量為3wt%。
沉積涂層制備完成后將熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于10—3MPa的條件下，加熱 至110(TC，保溫6h;在熱軋無(wú)取向低硅鋼表面制備出厚度0.15mm的高硅涂層，高硅涂層中 硅含量呈梯度分布，^含量沿涂層表面向硅鋼基體方向逐漸減少，平均硅含量為4wtM。高硅 涂層顯微硬度值最高達(dá)到250~300HV，涂層與基體結(jié)合好。
熱軋無(wú)取向低硅鋼的表層和心部微觀組織和EDS能譜分析如圖5所示。 實(shí)施例4
將熱軋無(wú)取向低硅鋼經(jīng)研磨和清洗至表面干凈后，噴砂處理至表面粗糙度Ra=5.6pm， 去除氧化皮和雜質(zhì)。
將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于反應(yīng)器中，將反應(yīng)器抽真空至壓力為10—3MPa，向 反應(yīng)器中通入氬氣和硅烷，并控制反應(yīng)系統(tǒng)壓力為O.OlMPa，其中氬氣的體積流量為 500mL/min，硅垸的體積流量為2mL/min;導(dǎo)入激光，在聚焦條件下照射熱軋無(wú)取向低硅鋼 表面，激光功率為400^，激光的離焦量為5mm，掃描速度為100 mm/min，照射時(shí)間為10min， 在低硅鋼表面制備出沉積涂層，沉積涂層厚度60pm，沉積涂層中硅含量最高處為75wt%，涂 層與基體結(jié)合處硅含量為20wt%。
沉積涂層制備完成后將熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度小于等于l(T3MPa的條件下，加熱說(shuō) 硅鋼表面制備出厚度0.12mm的高硅涂層，高硅涂層中 硅含量呈梯度分布，平均硅含量為5wt%。高硅涂層顯微硬度值最高達(dá)到350~400HV，涂層 與基體結(jié)合好。
熱軋無(wú)取向低硅鋼的微觀形貌、Si和Fe線掃描結(jié)果如圖6所示，退火后表層和心部的微 觀組織形貌及EDS能譜分析如圖7所示。退火后表層的鐵素體晶粒明顯大于原始低硅鋼的鐵 素體晶粒，晶粒多呈柱狀，這部分晶粒富含Si元素。心部硅含量lwt。/。，為低硅鋼基體成分。
權(quán)利要求
1、一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)預(yù)處理將熱軋無(wú)取向低硅鋼表面清洗干凈后，噴砂處理至表面粗糙度Ra＝5～6μm；(2)沉積涂層制備將預(yù)處理后的熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度≤10-3MPa的條件下，向該真空系統(tǒng)中通入氬氣和硅烷，保持系統(tǒng)壓力為0.01～0.08MPa；然后在激光聚焦或激光散焦條件下，采用動(dòng)態(tài)方法或靜態(tài)方法在熱軋無(wú)取向低硅鋼表面制備出沉積涂層，激光照射功率400～1000W，照射時(shí)間5s～30min；(3)沉積涂層制備完成后將熱軋無(wú)取向低硅鋼置于真空度≤10-3MPa的條件下，加熱至700～1100℃，保溫2～6h。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法，其特征在于 激光聚焦條件中，激光的離焦量為5 20mrn，掃描速度100 500mm/min;所述的激光散焦條 件中，激光的光斑直fe為20~30mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法，其特征在于 所述的動(dòng)態(tài)方法是保持硅烷和氬氣持續(xù)通入真空系統(tǒng)，其中硅烷的流量為2~3 mL/min，氬氣 的流量為500-550 mL/min;所述的靜態(tài)方法是通入硅垸和氬氣至系統(tǒng)壓力為0.01~0.08MPa 時(shí)停止，硅垸和氬氣的混合氣體中硅烷的體積百分比為10~60%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法，其特征在于 所述的高硅涂層厚度為0.01~0.15mm，高硅涂層中硅含量沿涂層表面向硅鋼基體方向逐漸減 少，硅平均重量含量為1~5%。
全文摘要
采用激光在硅鋼表面制備高硅涂層的方法，按以下步驟進(jìn)行(1)將熱軋無(wú)取向低硅鋼表面清洗、噴砂處理；(2)將低硅鋼置于真空條件下，然后在氬氣和硅烷的混合氣氛中進(jìn)行激光照射，制備出沉積涂層；(3)置于真空條件下，加熱至700～1100℃，保溫2～6h，制備出高硅涂層。本發(fā)明的方法提高了滲硅效率，實(shí)現(xiàn)了快速滲硅；采用無(wú)氯硅源避免FeCl₂的生成造成鐵的損失并改善材料表面質(zhì)量；對(duì)滲硅過(guò)程進(jìn)行局部化約束來(lái)減少和避免尾氣對(duì)原料氣的稀釋和污染。
文檔編號(hào)C23C16/48GK101597755SQ200910012260
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者劉常升, 國(guó)玉軍, 濱 張, 京 梁, 王恭凱, 陳歲元 申請(qǐng)人:東北大學(xué)