CN101560687A

CN101560687A - 连续制备高硅硅钢薄带的方法及装置

Info

Publication number: CN101560687A
Application number: CNA2009100520274A
Authority: CN
Inventors: 钟云波; 张永顺; 汪超
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2009-10-21

Abstract

本发明旨在提供一种连续制备高硅硅钢薄带的方法和装置。本方法是采用纳米复合电镀方法，在镀铁溶液中加入10－1000nm硅粉，以连续移动的低硅钢带作为电解阴极，在纳米复合电解液中被连续镀上6－8wt％Si的10－1000μm厚复合镀层，实现连续制备出高硅硅钢薄带。本装置是在传统的电镀装置基础上，设置卷绕机构和输送机构，使低硅硅钢薄带作为连续移动的阴极，往电解液中加入纳米硅粉以实现铁和硅的共沉积，并在电解槽上配备搅拌装置，经由本发明的复合电镀过程，可在低硅钢带镀覆上6－8wt％Si的高硅硅钢镀层，经过热处理即可得到最佳磁性能的高硅硅钢材料。本发明操作简单，能连续操作并且可以制备大尺寸的高硅硅钢材料。

Description

连续制备高硅硅钢薄带的方法及装置

技术领域

本发明旨在提供一种连续制备高硅硅钢薄带的制备方法和装置，属于磁性材料制备、复合电镀技术领域。

背景技术

硅钢因其具有优良的软磁性能而被广泛的应用于电力、电器、通讯及国防工业中，约占磁性材料用量的90％~95％。硅钢片的性能直接影响着国家电力能源的利用效率，因此，开发高性能的硅钢材料一直是冶金、材料工作者追求的目标。硅钢的制造技术和产品质量也是衡量一个国家特殊钢生产和科技发展水平的重要标志之一。

高性能的硅钢片需要满足以下几个要求：

(1)初始导磁率和最大导磁率要高。这样，在给定强度的磁场中就能得到更高的磁通密度(磁感应强度)，电机和变压器的体积和重量才能减少。

(2)铁损小。这必须降低硅钢片在交变磁场中的涡流损失和磁滞损失，前者约占70％~80％。要降低涡流损失，则必须要求硅钢片具有最大的电阻率；

(3)磁致收缩常数小。这是降低变压器噪音的根本。

已有的研究表明，提高硅钢中的硅含量能满足上述要求，特别是当[wt％Si]＝6~8％时呈现最佳的综合性能，磁致伸缩率几乎为零、最大导磁率达到峰值、电阻率达峰值导致涡流损耗低、磁滞损失也最低等，因此成为硅钢材料的最佳成分目标。但事实上，长期以来硅钢的含硅量限于4.5％以下，很难达到4.5％以上。其原因主要是来自加工工艺的限制。一般条件下冷轧成0.3mm的硅钢片也只能允许[wt％Si]＝3％左右，硅含量再高，则由于这类钢板材质较脆而且硬，在生产中特别是冷轧时，除了会发生裂纹、断带等缺陷外，还会造成轧制负荷过大等问题，不能进行大规模生产。目前国外主要通过在普通低硅钢板气相沉积-表面渗硅的方法来制备硅[wt％Si]＝6~8％高硅钢，然后再采用热处理的办法获得高硅层，但由于气相沉积需要高真空条件，不但生产效率无法提高，成本也非常昂贵，因此，开发廉价高效的高硅硅钢制备方法仍然是亟待解决的关键问题。

本发明主要利用复合电镀纯铁和纳米硅粉的技术在硅钢片表面获得高硅镀层，同时经过热处理工艺来获得硅含量达6-8％硅的高性能硅钢。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种连续制备高硅硅钢的方法及装置。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明利用在镀铁溶液中加入纳米硅粉来制备高硅含量硅钢带的方法，其过程和步骤：

1、纳米复合电镀液的配制：复合电镀Fe-Si复合镀层所使用的镀液是在常温氯化物镀铁液中添加硅粉得到，纳米硅粉的粒度范围为10~1000nm，控制纳米硅粉的用量为1~50g/L^-1，电磁搅拌0.1~10小时，超声波振荡0.1~1小时。电镀液的组成如下：氯化亚铁350~400g/L；氯化钠10~20g/L；氯化锰10g/L；稳定剂H₃NO₃10g/L；抗氧化剂0.3g/L；润湿剂2滴/L，并用NaCl溶液作为阳极活化剂，溶液pH值为2~3。

2、纳米复合电镀工艺配备：将纳米硅粉颗粒加入合金电镀液中；将分散好的复合镀液倒入电解池中进行电镀，阳极材料为纯铁板，阴极材料为0.1-0.3mm厚的低硅(3wt％Si)硅钢片，采用酸性洗涤剂对低硅硅钢片表面进行预处理，以获得清洁的阴极表面。预处理后，还必须用去离子水清洗，然后烘干。阴极插入电镀槽前进行1～5分钟的活化处理。

3、纳米复合电镀操作：为在低硅硅钢带双层表面上同时获得高硅镀层，采用低硅硅钢带作为阴极，而正对阴极的前后表面设置纯铁阳极，浸没在含有纳米硅粉的悬浮液中，保持阴极和阳极距离为10-20mm，使低硅硅钢带连续通过两个纯铁阳极的中间，在低硅硅钢带引出端设置导电轧辊，然后将低硅硅钢带和阳极与电沉积电源连接，通入合适的电流密度的电解电流，低硅硅钢带也以一定的速度连续通过电解液中，则由于复合电镀的作用，纳米硅粉将复合进入低硅硅钢带的表面镀层中，且控制电镀的各工艺参数，就可以在低硅硅钢带的前后表面上镀覆含纳米硅大约为[wt％Si]＝6~8％的高硅镀层，然后将上述硅钢带进行热处理，即可获得高硅表面镀层的硅钢带，由于交流磁场的磁性转换主要集中在硅钢表层的高硅区域，因此上述镀覆有高硅镀层的硅钢钢带即具有最佳的电磁性能。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种连续制备高硅硅钢薄带的制备方法，其特征在于采用纳米复合电镀方法，在镀铁溶液中加入纳米硅粉，以连续移动的低硅钢带作为电解阴极，在纳米复合电解液中被连续镀上6-8wt％Si的10-1000μm厚镀层，实现连续制备出高硅硅钢薄带。

上述方法的具体操作步骤如下：

(1)配制纳米复合电镀液；

(2)纳米复合电镀工艺配备；

(3)纳米复合电镀操作。

上述步骤(1)配制纳米复合电镀液的方法是：

①配制镀铁溶液，其组成为：氯化亚铁350~400g/L；氯化钠10~20g/L；氯化锰10±1g/L；稳定剂H3NO310±1g/L；抗氧化剂0.3±0.5g/L；润湿剂2滴/L，用NaCl溶液作为阳极活化剂，溶液pH值为2~3；

②配制纳米复合电镀液：将纳米硅粉颗粒加入配制好的镀铁溶液中，控制纳米硅粉的用量为1~50g/L，地磁搅拌0.1~10小时，超声波振荡0.1~10小时。

上述步骤(2)纳米复合电镀工艺制备为：

①将配制好的纳米复合电镀液倒入电解池中；

②以纯铁板为阳极材料；

③以0.1~0.3mm厚度的0.1-5wt％Si低硅硅钢带作为移动的阴极材料，并作一下处理：

采用酸性洗涤剂对低硅硅钢片进行预处理，以获得清洁的阴极表面，预处理后，还须用去离子水清洗烘干，在插入电镀槽前进行1~5分钟的活化处理。

上述步骤(3)纳米复合电镀操作方法：

保持阳极和阴极的距离为10~20mm，采用自动稳流稳压直流电源，使阴极电流密度为1~10A/dm²，控制温度在20~80℃范围，控制阴极移动速度，并经EDS检测，使镀层的硅含量可以控制在[wt％Si]＝6~8，镀层厚度在10~1000μm范围。

一种连续制备高硅硅钢薄带的制备装置，应用于根据权利要求1所述的连续制备高硅硅钢薄带的方法，包括耐酸电解槽5、设置于电解槽外围的加热元件13和控温热电偶4、通过导线连接的一个温度控制仪21和一个保温套18、与阴极9和阳极7及17连接的电源20，其特征在于：

1、两个阳极呈平行固定排列，两个阳极7和17通过阳极支架6固定于电解槽中，通过阳极接头接至电源20的阳极；

2、作为阴极9的低硅硅钢薄带从所述两个阳极间距的中心穿过，其一端经过一个阴极夹辊2后系连于一个卷绕机构1上，另一端经过一个导向辊15后系连于一个输送机构19上，所述阴极9通过所述阴极夹辊2连接电源20的阴极；

3、在所述电解槽5内设有一个搅拌装置12和14。

上述作为阴极的钢带的硅含量0.1~5wt％Si的硅钢带或纯铁带。

上述搅拌装置是一个设置于电解槽5下方的磁力搅拌机12，在电解槽5的内底部配置一个磁力搅拌子14，或者具有搅拌性质的一个机械搅拌机，其搅拌头插入电解槽5中，或者搅拌装置是一个惰性气体搅拌装置，其吹气头向电解槽5内吹惰性气体进行搅拌。

上述电源为自动稳流稳压直流电源，也可以是脉冲频率在0.01-10000Hz的自动稳流稳压稳频的脉冲电源。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本方法采用纳米复合电镀方法，连续移动的低硅硅钢带作为电解阴极，在纳米复合电解液中被连续镀上6-8wt％Si的10-1000μm厚镀层，再经过热处理工艺即可获得6-8wt％Si的高性能硅钢。本装置是在传统的电镀装置基础上，设置卷绕机构和输送机构，使低硅钢薄带作为连续移动的阴极，并在电解槽上配备搅拌装置。本装置可用于制备6-8wt％Si的硅钢带，也可制备0.1-5wt％Si的低硅硅钢带。本发明操作简单，能连续操作亦可制备大尺寸的高硅硅钢材料。

附图说明

图1为连续制备高硅硅钢薄带的装置结构示意图。

具体实施方式

现将本发明的优选实施例结合附图叙述于后。

本发明连续制备高硅硅钢薄带的方法：采用纳米复合电镀方法，在镀铁溶液中加入纳米硅粉，硅粉粒径为10-1000nm，以连续移动的低硅钢带作为电解阴极，在纳米复合电解液中被连续镀上6-8wt％Si的10-1000μm厚镀层，实现连续制备出高硅硅钢薄带。

具体操作步骤如下：

(1)配制纳米复合电镀液；

(2)纳米复合电镀工艺配备；

(3)纳米复合电镀操作。

本连续制备高硅硅钢薄带的装置，包括一个耐酸电解槽5、设置于电解槽外围的加热元件13和控温热电偶4、通过导线连接的一个温度控制仪21和一个保温套18、与阴极9和阳极7及17连接的电源20，其特征在于：

(1)两个阳极呈平行固定排列，两个阳极7和17通过阳极支架6固定于电解槽中，通过阳极接头接至电源20的阳极；

(2)作为阴极9的低硅硅钢薄带从所述两个阳极间距的中心穿过，其一端经过一个阴极夹辗2后系连于一个卷绕机构1上，另一端经过一个导向辗15后系连与一个输送机构19上，所述阴极9通过所述阴极夹辗2连接电源20的阴极；

(3)在所述电解槽5内设有一个搅拌装置12。

当复合电镀过程开启一定时间后，高硅硅钢带卷绕机构1启动，以一定的速度逐步提升，由于复合电镀液16中含有10-1000纳米的硅颗粒11，由于复合电镀效应，则在后续的低硅硅钢带9的前后表面将复合镀覆有大约30-50微米厚的含硅6-8wt％的硅钢镀层10。该硅钢镀层10经过后续的热处理，即可用于变压器、电器元件中达到最佳的导磁效果。

在本实施例中，阳极7和17由纯铁板材质，阴极9由3wt％Si的硅钢带制成，厚度为0.2-0.3mm，采用磁力搅拌器对复合电镀液进行搅拌，使电解液浓度和温度均匀，有利于复合电镀过程的进行。

本发明实施例使用的复合电镀液16组成为：氯化亚铁350~400g/L；氯化钠10~20g/L；氯化锰10g/L；稳定剂H₃NO₃10g/L；抗氧化剂0.3g/L；润湿剂2滴/L，并用NaCl溶液作为阳极活化剂，溶液pH值控制在2-3。电镀用直流电源20为自动稳流稳压电源，阴极电流密度为1～10A/dm²；控温装置21可以将复合电镀液16的温度控制在20～80℃范围。

本实施例复合电沉积装置制备的高硅镀层，经EDS检测，镀层的硅含量可以控制在[wt％Si]＝6~8，镀层厚度在10-1000um范围内连续可调。本发明由于采用采用纳米硅-铁复合电沉积方法，可以在低硅硅钢上镀覆高硅铁镀层，形成高硅硅钢结构，可以连续镀覆，操作简单，从而避免其他方法制备高硅硅钢技术的不足，为变压器、电器等领域的节能降耗提供优质的软磁材料。

Claims

1、一种连续制备高硅硅钢薄带的方法，其特征在于采用纳米复合电镀方法，在镀铁溶液中加入纳米硅粉，以连续移动的低硅钢带作为电解阴极，在纳米复合电解液中被连续镀上6-8wt％Si的10-1000μm厚镀层，实现连续制备出高硅硅钢薄带。

2、根据权利要求1所述的连续制备高硅硅钢薄带的方法，其特征在于具体操作步骤如下：

(1)配制纳米复合电镀液；

(2)纳米复合电镀工艺配备；

(3)纳米复合电镀操作。

3、根据权利要求2所述的连续制备高硅硅钢薄带的方法，其特征在于所述步骤(1)配制纳米复合电镀液的方法是：

①配制镀铁溶液，其组成为：氯化亚铁350~400g/L；氯化钠10~20g/L；氯化锰10±1g/L；稳定剂H₃NO₃10±1g/L；抗氧化剂0.3±0.5g/L；润湿剂2滴/L，用NaCl溶液作为阳极活化剂，溶液pH值为2~3；

②配制纳米复合电镀液：将纳米硅粉颗粒加入配制好的镀铁溶液中，控制纳米硅粉的用量为1~50g/L，纳米硅粉平均粒径为10-1000nm，电磁或机械搅拌或吹气搅拌0.1~10小时，超声波振荡0.1~10小时。

4、根据权利要求2所述的连续制备高硅硅钢薄带的方法，其特征在于所述步骤(2)纳米复合电镀工艺制备为：

①将配制好的纳米复合电镀液倒入电解池中；

②以纯铁板为阳极材料；

③以0.1~0.3mm厚度的0.1-5wt％Si低硅硅钢带作为移动的阴极材料，并作以下处理：

采用酸性洗涤剂对低硅硅钢片进行预处理，以获得清洁的阴极表面，预处理后，还须用去离子水清洗，然后烘干，在插入电镀槽前进行1~5分钟的活化处理。

5、根据权利要求2所述的连续制备高硅硅钢薄带的方法，其特征在于所述步骤(3)纳米复合电镀操作方法：保持阳极和阴极的距离为10~20mm，采用自动稳流稳压直流电源，使阴极电流密度为1~10A/dm²，控制温度在20~80℃范围，控制阴极移动速度，并经EDS检测，使镀层的硅含量可以控制在[wt％Si]＝6~8％，镀层厚度在10~1000μm范围。

6、一种连续制备高硅硅钢薄带的装置，应用于根据权利要求1所述的连续制备高硅硅钢薄带的方法，包括耐酸电解槽(5)、设置于电解槽外围的加热元件(13)和控温热电偶(4)、通过导线连接的一个温度控制仪(21)和一个保温套(18)、与阴极(9)和阳极(7、17)连接的电源(20)，其特征在于：

(1)两个阳极呈平行固定排列，两个阳极(7、17)通过阳极支架(6)固定于电解槽中，通过阳极接头接至电源(20)的阳极；

(2)作为阴极(9)的低硅硅钢薄带从所述两个阳极间距的中心穿过，其一端经过一个阴极夹辊(2)后系连于一个卷绕机构(1)上，另一端经过一个导向辗(15)后系连与一个输送机构(19)上，所述阴极(9)通过所述阴极夹辊(2)连接电源(20)的阴极；

(3)在所述电解槽(5)内设有一个搅拌装置。

7、根据权利要求6所述的连续制备高硅硅钢薄带的装置，其特征在于所述作为阴极9的钢带的硅含量为0.1~5wt％Si的硅钢带或纯铁带。

8、根据权利要求6所述的连续制备高硅硅钢薄带的装置，其特征在于所述搅拌装置是一种设置于电解槽5下方的磁力搅拌机12，在电解槽5的内底部配置一个磁力搅拌子14，或者具有搅拌性质的一个机械搅拌机，其搅拌头插入电解槽5中，或者搅拌装置是一个惰性气体搅拌装置，其吹气头向电解槽5内吹惰性气体进行搅拌。

9、根据权利要求6所述的连续制备高硅硅钢薄带的装置，其特征在于所述电源20为自动稳流稳压直流电源，也可以是脉冲频率在0.01-10000Hz的自动稳流稳压稳频的脉冲电源。