CN101122022A

CN101122022A - 一种Fe-6.5Wt%Si软磁钢片的制备方法

Info

Publication number: CN101122022A
Application number: CNA2007101394015A
Authority: CN
Inventors: 李运刚; 梁精龙; 蔡宗英; 李魁猛; 李慧
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology; Hebei Polytechnic University
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2008-02-13

Abstract

一种Fe－6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，属冶金材料技术领域，用于解决现有方法制备Fe－6.5Wt％Si软磁钢片工艺困难的问题。它以小于3.5％Si的硅钢片为基体，经熔盐配制、在硅钢片上电沉积渗硅、均匀化扩散退火等步骤组成。本发明方法的主要特点如下：(1)整个制备过程不存在压力加工或其它塑性变形过程，可以从根本上避免任何由于Fe－6.5％Si的低塑性而导致的加工困难；(2)Si的沉积速度和扩散速度可以通过调节沉积的电流密度和温度参数使其基本相等，避免表面硅化物的大量形成；(3)对基体的原结构影响小；(4)该法使用的药剂廉价，易获得，且消耗少。

Description

一种Fe-6.5Wt%Si软磁钢片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种软磁板状材料的制备方法，特别是Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，属冶金材料技术领域。

背景技术

硅钢是指含碳量很低且含硅在0.5-6.5％的电工钢，主要用做各种电机和变压器铁芯、日光灯中镇流器、磁开关和继电器、磁屏蔽、互感器及其它电器仪表等，是电力、电子、军事工业中不可缺少的软磁材料，是一种重要的金属功能材料。

电在传输、使用过程中会产生各种损失，由镇流器、电机和变压器中电工钢引起的损失，称为铁损。据有关资料报道，我国的铁损占发电总量高达8.78％。铁损虽然不能完全避免，但是通过技术手段将铁损降低到5-6％左右是可行的，仅此一项，每年可带来的经济效益就高达数百亿元，还能节省数十兆吨的标准煤，由此带来的环境效益则更是无法用数字来估量的。

因此，各国在生产电工钢时总是千方百计设法降低铁损并以铁损作为考核电工钢质量的重要指标。高性能、低损耗的铁芯材料的研制是其中的关键任务，也是降低铁损的重要途径之一。目前，常用的变压器铁芯材料是含硅为3％左右的硅钢片，该材料铁损耗高、磁致伸缩引起的噪声大；非晶铁芯变压器虽然空载性能好，但非晶铁芯材料价格比硅钢片贵三倍左右，加之非晶变压器目前容量还不能超过1000KVA。因此，通过现代材料研究方法提高传统硅钢软磁材料的性能，制备高性能、低价格、大容量变压器硅钢铁芯材料的研究仍然是非常现实的课题。

自20世纪80年代中期以来，以场控器件为核心、高频处理技术为主进行电能变换的技术得到了迅速发展，70％以上的电能是经过变换以后才加以利用的。与传统的工频电源相比高频电源效率高、体积小、重量轻，并能提高电能的利用效率，降低各种损耗。高频电源的变压器铁芯材料的良好高频性能则是其中的关键因素之一。

随着电工钢中硅含量的提高，磁性能指标上升，当硅含量达到6.5％时，各种性能指标最好，体现在：(1)与Fe-3％Si相比，电阻率约高一倍，铁损低：低频区(f≤400Hz)铁损约为普通电工硅钢的1/2，高频(f≥400Hz)铁损比0.1mm厚取向硅钢薄带更低，仅为普通电工硅钢的1/5(如W_0.5/10k＝2.4w/kg)；(2)最大磁导率高三倍以上，制作相同功率的器件，体积可以大幅度减小，达到小型化的目的；(3)磁致伸缩率几乎为零(λ_Fe-6.5％Si＝2×10^-7，λ_Fe-3％Si＝5.0×10^-6，λ_非晶铁芯＝2.7×10^-5)，而磁致伸缩是变压器工作时噪声的主要来源，所以用Fe-6.5％Si合金制作的器件工作噪音很小，仅30dB左右；(4)有较高的机械强度，能够承受超高速条件下的超大离心力的作用，适合作为超高速电机的转子；(5)极好的温度稳定性，更适合于温度变化明显、对稳定性有较高要求的场合。因此，Fe-6.5％Si合金薄带在制造高频高速电机、高频变压器、扼流线圈、高频磁屏蔽材料等器件的铁芯材料方面有着十分广阔的应用前景和巨大的市场需求。

虽然Fe-6.5％Si合金具有上述优越的性能，但是，对于Fe-Si体系而言，当硅含量提高到6.5％时，材料的塑性迅速降低，以至于无法利用常规的轧制技术生产。多年来，人们在生产高硅含量的硅钢片方面进行了大量的探索，研究出许多方法，如特殊轧制法、熔体快淬法、化学气相沉积法等。

特殊轧制法。1987年，日本钢管公司报道了利用控温轧制、包套轧制等方法成功地生产了Fe-6.5％Si无取向成卷带材。这些方法的工序与通常钢板的生产工序基本相同。但是，为了解决Fe-6.5％Si硅钢脆性大，不能常规轧制的问题，日本钢管公司开发了以下两个重要新技术：(1)热轧板卷结晶最佳化技术；(2)脆性材料轧制技术。并在世界上率先生产出Fe-6.5％Si硅钢带。但由于工艺的轧制温度较高，晶粒的取向性不好，而且整个工艺十分复杂，其应用前景很不明朗。

熔体快淬法，又称急冷凝固法，由Duwez于1960年首先创立的。其特点是设法将熔体分成尺寸很小的部分，并减小熔体体积与冷却介质接触的散热面积之比，从而使冷却介质迅速冷却而凝固。快凝法生产硅钢薄带的方法有平面流铸造、单辊法和双辊法，生成的薄带，经热处理表面平整，具有良好的磁性能和机械性能。目前，用该方法可以生产宽5-25mm，厚20-150μm的薄带，由于这种方法生产的钢带宽、厚受到很大程度的限制而未得到广泛应用。

化学气相沉积(CVD)法是以加工性能良好的2～3％Si-Fe合金带为基体，在非氧化气氛(N₂或Ar)的CVD炉中通入SiCl₄，借助如下反应来提高基体的含硅量：

SiCl₄(g)+5Fe(s)→Fe₃Si(s)+2FeCl₂(g)

这种方法容易导致晶粒的异常长大而影响材料的表面质量和磁性能。且生成的FeCl₂很容易在CVD系统管道中凝结，腐蚀设备。因此，该法尚处于研究阶段。

发明内容

本发明用于解决上述已有技术之缺陷而提供一种以小于3.5％Si的硅钢片为基体，经沉积硅和在硅钢片基体上渗硅同步进行，再经均匀化扩散退火得到高硅钢片的Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法。

本发明所称问题是通过以下技术方案解决的：

一种Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，其特别之处是，它由下述步骤组成：

a.熔盐配制：选取分析纯试剂NaCl、KCl、NaF为介质，其中三组元的摩尔比NaCl∶KCl∶NaF为1∶1∶3，加入占上述熔盐介质质量百分数的8％～15％的粉状SiO₂，将上述四种物质混均，盛入坩锅，放入电炉内升温至750℃～900℃，恒温时间10～20min；

b.在硅钢片上电沉积渗硅：以无取向硅钢片为基体放入坩锅，在温度750℃～900℃、脉冲电流给电且平均电流密为600A·cm^-2～850A·cm^-2的条件下，电沉积40min～52min，得到平均含硅为6.5Wt％的无取向硅钢片；或以取向硅钢片为基体放入坩锅内，在温度750℃～850℃、脉冲电流给电且平均电流密为600A·cm^-2～750A·cm^-2的条件下，电沉积45min～52min，得到平均含硅为6.5Wt％的取向硅钢片；

c.均匀化扩散退火：将上述步骤得到的平均含硅约为6.5Wt％的取向或无取向硅钢片试样取出后立即放入通氩气保护的卧式管状电炉中，并控制温度1050℃～1150℃，恒温120min～140min，然后在氩气保护下使试样按10℃/min～20℃/min的冷却速度冷却至室温，取出试样，得到平均硅含量为6.5Wt％且分布均匀的取向或无取向硅钢片。

上述Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，所述基体无取向硅钢片或取向硅钢片Si含量小于3.5Wt％。

上述Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，所述盛熔盐的坩锅为阳极，阳极材质为高纯石墨。

本发明以小于3.5％Si的硅钢为基体，在较高的温度下，采用熔盐电沉积出的硅作为基体渗硅的硅源，在脉冲电场、浓度梯度的双重因素作用下，使沉积硅和在3.5％Si的硅钢基体上渗硅同步进行，再经过均匀化扩散退火步骤，进而制备Fe-6.5Wt％Si钢片。其主要特点如下：(1)整个制备过程不存在压力加工或其它塑性变形过程，可以从根本上避免任何由于Fe-6.5％Si的低塑性而导致的加工困难；(2)Si的沉积速度和扩散速度可以通过调节沉积的电流密度和温度参数使其基本相等，避免表面硅化物的大量形成；(3)对基体的原结构影响小；(4)该法使用的药剂廉价，易获得，且消耗少。

具体实施方式

本发明方法以Fe-6.5％Si板为基体，熔盐电沉积出的硅作为渗硅的硅源，电沉积硅和硅在Fe-6.5％Si板中的扩散同时进行；盛熔盐的坩锅为阳极，材质为高纯石墨，阴极材质为厚度为0.5mm的Fe-6.5％Si板，在温度750℃～850℃、脉冲电流给电且平均电流密为600 A·cm^-2～850A·cm^-2的条件下，电沉积时间40min～52min，得到平均含硅约为6.5Wt％的取向或无取向硅钢片。上述试样放入通氩气保护的卧式管状电炉中，并控制温度1050℃，恒温120min，然后在氩气保护下使试样按10℃/min的冷却速度冷却至室温，取出试样，得到硅含量为6.5Wt％，且分布均匀的取向或无取向硅钢片。其制备机理如下：由于高温、电场以及硅浓度梯度的作用，在Fe-6.5％Si板上沉积Si的同时，Fe、Si也在进行着固态互扩散，从而形成沿表面向内部Si含量呈逐渐降低、Fe含量呈逐渐升高的梯度变化规律。由于Fe、Si扩散的时间较短和Si含量的升高，使得基体板断面Fe、Si含量分布不均和脆性增加，因此，再经单独的均匀化扩散退火过程处理。研究表明，在1050℃时，Si在Fe基体中的扩散系数达0.432μm²/s，扩散速度较快，均匀化所需时间不长。

以下给出具体的实施例：

实施例1

按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO₂的加入量占熔盐介质质量百分数的8％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至750℃，恒温时间10min，放入厚度为0.5mm的Fe-3.5％Si无取向硅钢片或取向硅钢片阴极，脉冲给电且平均电流密度为600A·cm^-2的条件下，沉积52min后，取出硅钢片阴极，进行均匀化扩散退火过程处理。处理条件为：温度1050℃；氩气保护；时间140min；试样冷却速度为10℃/min，得到Fe-6.5％Si薄板。经对试样的断面的Si含量分布、显微组织、表面形貌分析表明：得到的无取向Fe-6.5％Si薄板Si含量沿断面的变化在6.47％～6.51％Si；其晶粒比原基体晶粒平均增加11％左右；得到的有取向Fe-6.5％Si薄板Si含量沿断面的变化在6.47％～6.51％Si；其晶粒取向度略有降低。

实施例2

按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO₂的加入量占熔盐介质质量百分数的11％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至800℃，恒温时间15min，放入厚度为0.5mm的Fe-3.5％Si无取向硅钢片或取向硅钢片阴极，脉冲给电且平均电流密度为700A·cm^-2的条件下，沉积48min后，取出硅钢片阴极，进行均匀化扩散退火过程处理。处理条件为：温度1100℃；氩气保护；时间130min；试样冷却速度为15℃/min，得到Fe-6.5％Si薄板。经对试样的断面的Si含量分布、显微组织、表面形貌分析表明：得到的无取向Fe-6.5％Si薄板Si含量沿断面的变化在6.45％～6.49％Si；其晶粒比原基体晶粒平均增加12％左右；得到的有取向Fe-6.5％Si薄板Si含量沿断面的变化在6.45％～6.49％Si；其晶粒取向度略有降低。

实施例3

按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO₂的加入量占熔盐介质质量百分数的15％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至900℃，恒温时间18min，放入厚度为0.5mm的Fe-3.5％Si无取向硅钢片阴极，脉冲给电且平均电流密度为850A·cm^-2的条件下，沉积40min后，取出无取向硅钢片阴极，进行均匀化扩散退火过程处理。处理条件为：温度1150℃；氩气保护；时间120min；试样冷却速度为20℃/min，得到Fe-6.5％Si薄板。经对试样的断面的Si含量分布、显微组织、表面形貌分析表明：得到的无取向Fe-6.5％Si薄板Si含量沿断面的变化在6.48％～6.53％Si；其晶粒比原基体晶粒平均增加14％左右。

实施例4

按照NaCl∶KCl∶NaF摩尔配比为1∶1∶3称取熔盐作为介质，粉状SiO₂的加入量占熔盐介质质量百分数的15％。将上述四种物质混匀，盛入坩埚，放入电炉内升温至850℃，恒温时间20min，放入厚度为0.5mm的Fe-3.5％Si有取向硅钢片阴极，脉冲给电且平均电流密度为750 A·cm^-2的条件下，沉积45min后，取出有取向硅钢片阴极，进行均匀化扩散退火过程处理。处理条件为：温度1150℃；氩气保护；时间120min；试样冷却速度为20℃/min，得到有取向Fe-6.5％Si薄板。经对试样的断面的Si含量分布、显微组织、表面形貌分析表明：有取向Fe-6.5％Si薄板Si含量沿断面的变化在6.47％～6.51％Si；其晶粒取向度略有降低。

Claims

1.一种Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，其特征在于，它由下述步骤组成：

2.根据权利要求1所述的Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，其特征在于：所述基体无取向硅钢片或取向硅钢片Si含量小于3.5Wt％。

3.根据权利要求2所述的Fe-6.5Wt％Si软磁钢片的制备方法，其特征在于：所述盛熔盐的坩锅为阳极，阳极材质为高纯石墨。