CN107999762A - 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法 - Google Patents
一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107999762A CN107999762A CN201711369216.5A CN201711369216A CN107999762A CN 107999762 A CN107999762 A CN 107999762A CN 201711369216 A CN201711369216 A CN 201711369216A CN 107999762 A CN107999762 A CN 107999762A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- sintering
- hotforging
- soft magnetic
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000005242 forging Methods 0.000 claims abstract description 38
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 238000009692 water atomization Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 17
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 15
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 claims description 15
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 11
- 238000000280 densification Methods 0.000 claims description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 9
- 229910017082 Fe-Si Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910017133 Fe—Si Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000013001 point bending Methods 0.000 claims description 7
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 6
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 claims description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 5
- 239000003595 mist Substances 0.000 claims description 5
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 3
- XOOUIPVCVHRTMJ-UHFFFAOYSA-L zinc stearate Chemical compound [Zn+2].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O XOOUIPVCVHRTMJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 claims description 2
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 claims description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 18
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 17
- 238000005097 cold rolling Methods 0.000 abstract description 13
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 abstract description 2
- XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N iron silicon Chemical compound [Si].[Fe] XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 238000009766 low-temperature sintering Methods 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 5
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 5
- 239000010721 machine oil Substances 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000027455 binding Effects 0.000 description 2
- 238000009739 binding Methods 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 229910005347 FeSi Inorganic materials 0.000 description 1
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229920000609 methyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001923 methylcellulose Substances 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000009704 powder extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000004801 process automation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000007712 rapid solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/17—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by forging
-
- B22F1/0003—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/10—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/1003—Use of special medium during sintering, e.g. sintering aid
- B22F3/1007—Atmosphere
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/18—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by using pressure rollers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/17—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by forging
- B22F2003/175—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by forging by hot forging, below sintering temperature
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
- B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
一种Fe‑6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，本发明采用水雾化Fe粉，Si含量为70～80％的高纯硅铁粉为原料，形成Fe‑Si混合粉。通过粘接剂和分散剂将高纯硅铁粉粘附到水雾化铁粉表面，通过模压成方形坯，再加热到990～1060℃实现Fe相奥氏体化，多次热锻后终锻温度为890～960℃，将粉末热锻坯在1080～1180℃进行真空或还原气氛保护烧结，后续通过多次冷轧、低温烧结，最后在1280～1350℃高温扩散烧结，实现均质合金化，获得含4.5～6.7％Si的0.1～0.5mm厚，密度≥7.37g/cm3的高硅钢带材。
Description
技术领域
本发明属于金属材料的制备与加工领域，具体涉及高硅钢薄带材的粉末热锻和轧制变形的方法。
技术背景
软磁性材料的剩磁与矫顽磁力都很小，即磁滞回线很窄，它与基本磁化曲线几乎重合，主要用于电感线圈、变压器、继电器和电机的铁心。Fe-Si合金最大磁导率随Si含量发生变化，分别在Si的质量百分比(以下同)为2％和6.5％附近出现了两个最大磁导率的峰值，分别达到10000和25000。Fe-Si合金的最大磁导率在软磁材料中并没有绝对优势，如坡莫合金的最大磁导率可以达到200000。然而Si＜4.5％的Fe-Si合金薄板制造成本低，因此硅钢片又称为电工钢片或硅钢薄片，是一种非常重要的磁性材料。
而Si>4.5％时，Fe-Si合金在540℃温度以下会发生B2有序相的共析分解反应，生成α-Fe无序相和DO3有序相，使得合金变脆而难以变形。
对于Si含量在4.5～6.7％之间的铁硅系合金，一般称为高硅钢，其中硅含量6.5％的高硅钢最为重要。其原因在于Fe-Si合金晶粒沿<100>方向的磁致伸缩系数随Si含量增加而减小，在约6.3％时基本消失，而<111>方向的磁致伸缩系数随Si含量增加而增加，在约6.1％时与<100>方向的磁致伸缩系数相等，使得高硅钢在较高频率工作时表现出优异的低铁损特性。
正常运行的变压器会发生持续均匀的“嗡嗡”声，这是由于交流电流经过变压器绕组时，在铁芯中间产生了周期性变化的交变磁通，引起铁芯磁致伸缩而震动发出的声音。大量或者大型的铁芯在震动时发出的声音不但造成了能量的损耗，还造成了噪音污染。特别是在航天器、潜艇和导弹等军事航空领域，Fe-Si系合金扮演着极为重要的角色。20世纪60年代末，Si含量6.5％的合金作为变压器材料出现在阿波罗11号飞船上，完成人类首次登月壮举。可见，高硅钢是一种性能优良的降耗、降噪的环保型软磁材料。
相比于其他合金，高硅钢的研究和开发过程相对比较漫长。20世纪20年代末A.Schulze首次研究发现，硅含量6.5％的铁硅系合金具有磁致伸缩系数几乎为零的特性。20世纪80年代，K.I.Arail教授等发现高硅钢相比于传统Si含量低的合金在交流动态磁场中具有更低铁损以及更高的磁导率。此后数十年间，为了克服高硅钢的脆性，在制备技术方面出现了很多尝试。如包套或控温的特殊轧制方法、快速凝固法、化学气相沉积法(CVD法)、等离子体化学气相沉积法(PCVD法)、热浸渗一扩散退火方法、粉末冶金法、微量合金化改性等各种方法。
其中CVD是比较成功的例子。1988年日本NKK公司采用CVD技术第一次生产出了厚度为0.1～0.5mm，宽度为400mm的无取向6.5％Si钢片。20世纪90年代初期，全球第一条商用能够实现连续渗硅的CVD生产线被研制出来，生产的产品尺寸可以达到0.1～0.3mm×600mm。
CVD的原理为：在特定温度条件下，含硅气体(SiCl4)会与硅钢带发生反应生成Fe-Si化合物，而借助升高的炉温向合金内部扩散，最终使合金达到所需含量。虽然己运用此项技术实现小规模的工业化生产，但其规模和产量都远远无法满足国际软磁材料市场的需求，而且这种制备方法工艺过程十分复杂，能耗和成本高，作业环境及其恶劣，不能满足环保要求。
高硅钢是“钢铁艺术品”，其制备技术时时处处都是最先进的钢铁制造技术,并且是研制和开发的热点。对6.5％Si高硅钢而言,其优异的磁学性能和广阔的应用前景更是吸引着科技工作者进行大量的研究和开发工作。制备工艺的发展和成熟以及能否经济有效地生产,是6.5％Si高硅钢走向商业化广泛应用的关键,也一直是研究工作的重点。一旦摸索出简单、经济、有效、成熟的制备工艺,就将会产生巨大的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，针对Fe-4.5～6.7％Si合金薄带材难以成形的问题，以水雾化Fe粉与微细的单质Si粉均匀混合，添加成形剂后模压成热锻生坯，再采用粉末热锻方法制备出一定厚度的板坯，利用粉末热锻的大变形作用使得压坯密度提高、组织细化，并在热扩散作用下实现部分合金化，形成具有塑性变形能力的贫Si的α-Fe晶粒和脆性高Si相的多相组织。后续经过多道次冷轧-烧结后获得薄板，最后采用高温扩散烧结获得均质单相高硅钢带材。
本发明是通过以下技术方案实现的：采用近球形的水雾化Fe粉、微细的Si粉为原料粉末，形成Fe-4.5～6.7％Si混合粉体。通过合适的粘接剂、分散剂将微细的Si粉在混合过程中粘附到水雾化铁粉表面。由于水雾化Fe粉为具有高压缩性的粗大颗粒，在混合粉中占有较大的体积比，添加Si粉后不显著降低其塑性变形能力，可以通过模压成方形坯。再加热到990～1060℃实现Fe相奥氏体化，然后再放入封闭模具热锻，多次锻造后终锻温度为890～960℃，使得压坯接近全致密，约为6.80～7.12g/cm3。然后将粉末热锻坯在1080～1180℃温度范围进行真空或还原气氛保护烧结，使Fe粉颗粒冶金结合，而Si与Fe实现部分合金化，形成致密的、具有塑性变形能力贫Si的α-Fe晶粒和脆性高Si相的多相组织高硅钢坯料。后续通过多次冷轧、低温扩散烧结，板坯的密度升高、板厚度减少，Si的合金化程度也不断提高。最后在1280～1350℃温度范围内真空或还原气氛保护烧结，在热扩散的帮助下实现高硅钢的均质合金化，获得含4.5～6.7％Si的0.1～0.5mm厚，密度≥7.37g/cm3的高硅钢带材。
所述方法具体包括如下步骤：
(1)原材料粉末准备
采用-100目水雾化铁粉，水雾化铁粉中Fe≥99.0％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，粒径≤3μm的单质Si，纯度大于97％，主要含Fe、Al、Ca及其他不可避免的杂质。
水雾化Fe粉是一种广泛使用的工业铁粉，具有近球形形貌，杂质含量低于还原Fe粉，具有更高的可压缩性和流动性，有利于粉末挤压工艺过程粉末的均匀流动。水雾化Fe粉中低的杂质含量对高硅钢的软磁特性有利。
单质Si的性质很脆，很容易通过机械破碎工艺细化。选取粒径＜3μm的单质硅有利于后续均匀化扩散烧结的实现；并且细小的Si在坯料中形成的孔隙、脆性界面也细小，起到组织细化的强韧化作用，有利于提高后续的坯料韧性，在挤压、轧制致密化过程中不易造成开裂。但Si很容易吸附氧，在粉末表面形成SiO2薄膜，因此在Si粉的制备、储存和转移过程中，以及后续混料、加热、粉末热锻过程中应采用惰性气体保护，所使用的工具也必须预先采取脱水、干燥处理。
在控制氧含量的前提下，其他Al、Ca、Mn等杂质对合金磁性能的影响不大，过程中引入其他合金元素的可能性也不大。
(2)粉末混合
按照Fe-4.5～6.7％Si的比例，称取水雾化Fe粉和Si粉；在惰性保护气氛下采用低能量混合机混合，混合速度和时间视混合均匀性而定，应尽量减轻Fe粉在混合过程中发生加工硬化。
(3)粉末热锻
采用模压成型方法制备出方形压坯，获得的压坯密度为6.37～6.54g/cm3；热锻前将模压方坯在氮气保护作用下加热到990～1060℃，保温2～4h，在方形模具中热锻致密化，多次锻造后终锻温度为890～960℃，压坯接近全致密，密度达到6.80～7.12g/cm3。
在冲击力作用下，热锻压坯接近全致密。为了避免合金化而使热锻后板料的塑性下降，热锻前选择了较低的加热温度。热锻后合金组织为高塑性的Fe相和复杂FeSi相组成的复合组织，该组织具备了单质Fe的高塑性特性。
(4)冷轧-烧结
将上述热锻板冷轧-烧结，逐步减薄。
单道次压下量≤8％，经多道次轧制到总压下率达到30～50％后，再在烧结炉中于1080～1180℃保温烧结0.5～2h，多次冷轧-烧结后，板料的厚度达到0.1～0.5mm，随着Si的合金化的逐步完成，带材密度提高，达到7.36～7.50g/cm3。
坯料中存在大量可变形的Fe相，板坯可以承受冷轧变形。但板坯中也存在较多的高Si相，其性能较脆，故每道次的轧下量不能太高，累积总压下率达到30～50％，大约需要8～25道次。
由于存在的硬脆相、冷变形过程会形成一些微裂纹。为了实现孔隙闭合和裂纹的修复，以及一定程度的Si元素均匀化扩散。冷轧变形量积累到一定程度后需要重新烧结1次，从36～54mm热锻板料轧制到0.1～0.5mm，大约需要重新烧结12～20次。
烧结温度过低，不利于Fe粉颗粒的冶金结合和Si元素热扩散；而烧结温度过高则会造成Si元素快速扩散，造成晶粒硬度过高、脆化，后续轧制变形难以实现。
采取还原性、惰性气体保护或者真空烧结。烧结时可采用W、Mo、耐热钢等做为支撑板(或称烧舟)，也可以采用刚玉、氧化锆等陶瓷板，但金属板导热性好，而利于均匀烧结。
烧结后形成含有第二相的粗大晶粒组织。X-射线衍射物相鉴定为非均质Fe(Si)相，体心立方的几个特征峰有明显的分裂现象，说明存在Si固溶度不同的2种Fe相，其中必有一种Fe相中的Si含量低，具有塑性变形能力。
(5)全合金化高温烧结
在1280～1350℃温度范围内真空或还原性保护气氛烧结1～4h，在热扩散的作用下，实现Si全合金化，形成单相合金，获得均质高硅钢，致密化烧结后板料的厚度几乎不变，为0.1～0.5mm，密度达到7.37～7.51g/cm3。
粒径≤3μm的硅粉由高能球磨或冲旋法获取。
所述的低能量混合机是锥形混料机、V形混料机或滚筒式混料机。
步骤(3)中制备出的方形压坯，长、宽分别为100～300mm，高度为40～60mm，采用表面压力为400～600MPa的压力压制。热锻后坯料的厚度为36～54mm，三点弯曲试验表现出塑性，弯曲强度达到137～220MPa。
步骤(2)混合时添纤维素、石蜡微粉或硬酯酸锌非水溶性做为成形剂，成形剂的添加量总量不超过混合粉末总质量的0.8％，同时添加油脂和无水乙醇做钝化剂，起钝化Si粉、粘接Fe-Si粉、增强粉末流动性和压坯强度的作用，钝化剂的添加量总量不超过混合粉末总质量的2％。
步骤(4)所述的支撑板采用钼板、W板、耐热钢、刚玉或氧化锆陶瓷板。
步骤(6)所述的高温烧结时，叠合放置烧结板料，层间铺设MgO粉，板料平铺放置，在板料上放置平板重物，防止烧结过程中变形。
高硅钢的磁性性能除了Si含量以外，晶粒度、晶粒取向、C等元素的含量等也会有较大的影响，后续可通过湿氢退火、常化处理等技术手段加以控制。
本发明实质是通过在具有良好塑性的大体积比例的水雾化Fe粉中添加了一定体积比例的单质微细Si粉，形成Fe-4.5～6.7％Si合金基础粉末。采用粉末热锻成板坯，获得高的压坯密度。由于热锻组织为不完全合金化组织，组织中除了少部分富Si相外，主要组成物为易变形的Fe相，因此后续可以通过多道次冷轧和烧结，提高组织均匀性和致密性，再高温扩散工艺，实现Si的均匀化，从而获得高质量的单相高硅钢带材。该方法通过工艺和装备设计，实现工艺过程自动化、连续化生产，可大批量生产0.1～0.5mm厚，密度≥7.37g/cm3的高硅钢带材。
附图说明
图1为本发明实施例1的粉末热锻后坯料的三点弯曲曲线图。
图2为本发明实施例2的粉末热锻-冷轧-烧结后金相组织图；
图3为本发明实施例2的粉末热锻-冷轧-烧结后XRD衍射曲线图；
图4为本发明实施例4的粉末热锻-冷轧-高温烧结后XRD衍射曲线图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
将-100目的水雾化Fe粉与粒径≤3μm的单质Si粉按照93.3:6.7的比例混合，形成Fe-6.7％Si的混合粉末。混合时添加原料总量0.6％的石蜡微粉，0.1％的机油。无水乙醇按照200ml/吨的量添加。采用V形混料机将上述粉末混合4h。
采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯尺寸为100×100×40mm，表面压力600MPa，压坯密度为6.37g/cm3。
模压方坯在氮气保护作用下加热到990℃，保温4h。采用粉末锻造机，在方形模具中热锻致密化，多次锻造后终锻温度为890℃，坯料的厚度约为36mm，密度达到6.80g/cm3。三点弯曲试验表现出塑性，见图1，弯曲强度达到137MPa。
将上述热锻板冷轧-烧结，逐步减薄。具体压下-退火制度为：36mm→24mm→17mm→12mm→9.5mm→7.2mm→5mm→3.5mm→2.4mm→1.6mm→1.02mm→1.02mm→0.71mm→0.49mm，即经13次冷轧和12次烧结。
多道次冷轧轧制到30～50％后，再在真空烧结炉中于1080℃保温烧结2h，板材厚度减薄到0.49mm，密度达到7.36g/cm3。
在1350℃温度真空烧结1h，实现Si全合金化，形成单相合金，厚度0.5mm，密度达到7.37g/cm3，Si含量为6.7％。
实施例2
将-100目的水雾化Fe粉与粒径≤3μm的单质Si粉按照95.5:4.5的比例混合，形成Fe-4.5％Si的混合粉末。混合时添加原料总量0.7％的硬脂酸锌，0.1％的机油。无水乙醇按照400ml/吨的量添加。采用滚筒式混料机将上述粉末混合6h。
采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯尺寸为300×300×60mm，表面压力600MPa，压坯密度为6.54g/cm3。
模压方坯在氮气保护作用下加热到1060℃，保温2h。采用粉末锻造机，在方形模具中热锻致密化，多次锻造后终锻温度为960℃，坯料的厚度约为54mm，密度达到7.12g/cm3。三点弯曲试验表现出塑性，弯曲强度达到220MPa。
将上述热锻板冷轧-烧结，逐步减薄。具体压下-退火制度为：54mm→36mm→36mm→24mm→17mm→12mm→9.5mm→7.2mm→5mm→3.5mm→2.4mm→1.6mm→1.02mm→1.02mm→0.71mm→0.49mm→0.39mm→0.25mm→0.17mm→0.13mm→0.10mm，即经20次冷轧和19次烧结。
多道次冷轧轧制到30～50％总压下率后，再在氢气保护烧结炉中于1180℃保温烧结0.5h，板材厚度减薄到0.10mm，密度达到7.50g/cm3。
烧结后形成含有第二相的粗大晶粒组织，见图2。X-射线衍射物相鉴定为非均质Fe(Si)相，如图3所见，体心立方的几个特征峰有明显的分裂现象，说明存在Si固溶度不同的2种Fe相，其中必有一种Fe相中的Si含量低，具有塑性变形能力。
在1270℃温度真空烧结4h，实现Si全合金化，形成单相合金，厚度0.1mm，密度达到7.51g/cm3，Si含量为4.5％。
实施例3
将-100目的水雾化Fe粉与粒径≤3μm的单质Si粉按照93.5:6.5的比例混合，形成Fe-6.5％Si的混合粉末。混合时添加原料总量0.4％的石蜡微粉，0.2％的甲基纤维素，0.1％的机油。无水乙醇按照400ml/吨的量添加。采用滚筒式混料机将上述粉末混合6h。
采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯尺寸为200×200×50mm，表面压力500MPa，压坯密度为6.39g/cm3。
模压方坯在氮气保护作用下加热到1000℃，保温2h。采用粉末锻造机，在方形模具中热锻致密化，多次锻造后终锻温度为900℃，坯料的厚度约为46mm，密度达到6.82g/cm3。三点弯曲试验表现出塑性，弯曲强度达到140MPa。
将上述热锻板冷轧-烧结，逐步减薄。具体压下-退火制度为：46mm→36mm→24mm→17mm→12mm→9.5mm→7.2mm→5mm→3.5mm→2.4mm→1.6mm→1.02mm→1.02mm→0.71mm→0.49mm→0.39mm→0.27mm，即经16次冷轧和15次烧结。
多道次冷轧轧制到30～50％总变形量后，再在氮气保护烧结炉中于1120℃保温烧结1h，板材厚度减薄到0.27mm，密度达到7.37g/cm3。
在1300℃温度真空烧结2h，实现Si全合金化，形成单相合金，厚度0.27mm，密度达到7.38g/cm3，Si含量为6.5％，
实施例4
将-100目的水雾化Fe粉与粒径≤3μm的单质Si粉按照94.2:5.8的比例混合，形成Fe-5.8％Si的混合粉末。混合时添加原料总量0.6％的石蜡微粉，0.2％的机油。无水乙醇按照400ml/吨的量添加。采用滚筒式混料机将上述粉末混合3h。
采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯尺寸为220×220×55mm，表面压力450MPa，压坯密度为6.45g/cm3。
模压方坯在氮气保护作用下加热到1020℃，保温2h。采用粉末锻造机，在方形模具中热锻致密化，多次锻造后终锻温度为920℃，坯料的厚度约为52mm，密度达到6.86g/cm3。三点弯曲试验表现出塑性，弯曲强度达到163MPa。
将上述热锻板冷轧-烧结，逐步减薄。具体压下-退火制度为：52mm→39mm→26mm→18mm→13mm→10.5mm→8.2mm→5mm→3.2mm→2.4mm→2.0mm→1.3mm→0.90mm→0.63→0.43mm→0.32mm→0.21mm。即经17次冷轧和16次烧结。
多道次冷轧轧制到30～50％总变形量后，再在氢气保护烧结炉中于1150℃保温烧结1h，板材厚度减薄到0.21mm，密度达到7.42g/cm3。
在1300℃温度真空烧结2h，实现Si全合金化，形成单相合金，厚度0.21mm，密度达到7.43g/cm3，Si含量为5.8％，其最终板材的XRD分析图见图4，为单相均质高硅钢。
Claims (7)
1.一种Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)原材料粉末准备
采用-100目水雾化铁粉，水雾化铁粉中Fe≥99.0％，其余为Si、Mn、P、S及其他不可避免的杂质，粒径≤3μm的单质Si，纯度大于97％，主要含Fe、Al、Ca及其他不可避免的杂质；
(2)粉末混合
按照Fe-4.5～6.7％Si的比例，称取水雾化Fe粉和Si粉；在惰性保护气氛下采用低能量混合机混合；
(3)粉末热锻
采用模压成型方法制备出方形压坯，压坯密度为6.37～6.54g/cm3；热锻前将模压方坯在氮气保护作用下加热到990～1060℃，保温2～4h，多次锻造后终锻温度为890～960℃，压坯接近全致密，密度达到6.80～7.12g/cm3；
(4)冷轧-烧结
将上述热锻板冷轧-烧结，逐步减薄，单道次压下量≤8％，经多道次轧制到总压下率达到30～50％后，再在烧结炉中于1080～1180℃保温烧结0.5～2h，多次冷轧-烧结后，板料的厚度达到0.1～0.5mm，Si的合金化完成后，带材密度提高到7.36～7.50g/cm3；
(5)全合金化高温烧结
在1280～1350℃温度范围内真空或还原性保护气氛烧结1～4h，在热扩散的作用下，实现Si全合金化，形成单相合金，获得均质高硅钢，致密化烧结后板料的厚度为0.1～0.5mm，密度达到7.37～7.51g/cm3。
2.如权利要求1所述的Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于：粒径≤3μm的单质Si粉由高能球磨或冲旋法获取。
3.如权利要求1所述的Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于所述的低能量混合机是锥形混料机、V形混料机或滚筒式混料机。
4.如权利要求1所述的Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于：步骤(3)中制备出的方形压坯，长、宽分别为100～300mm，高度为40～60mm，采用表面压力为400～600MPa的压力压制。热锻后坯料的厚度为36～54mm，三点弯曲试验表现出塑性，弯曲强度达到137～220MPa。
5.如权利要求1所述的Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于：步骤(2)混合时添纤维素、石蜡微粉或硬酯酸锌非水溶性成形剂，成形剂的添加量总量不超过混合粉末总质量的0.8％，同时添加油脂和无水乙醇做钝化剂，起钝化Si粉、粘接Fe-Si粉、增强粉末流动性和压坯强度的作用，钝化剂的添加量总量不超过混合粉末总质量的2％。
6.如权利要求1所述的Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的支撑板采用钼板、W板、耐热钢、刚玉或氧化锆陶瓷板。
7.如权利要求1所述的Fe-6.5％Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法，其特征在于：步骤(6)所述的高温烧结时，叠合放置烧结板料，层间铺设MgO粉，板料平铺放置，在板料上放置平板重物，防止烧结过程中变形。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711369216.5A CN107999762A (zh) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711369216.5A CN107999762A (zh) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107999762A true CN107999762A (zh) | 2018-05-08 |
Family
ID=62059742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711369216.5A Withdrawn CN107999762A (zh) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107999762A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000192186A (ja) * | 1998-12-25 | 2000-07-11 | Daido Steel Co Ltd | 軟磁性合金シ―トの製造方法およびこのシ―トから得た磁心部材 |
| CN1273611A (zh) * | 1998-05-29 | 2000-11-15 | 住友特殊金属株式会社 | 高硅钢的制造方法和硅钢 |
| CN1528921A (zh) * | 2003-09-25 | 2004-09-15 | 武汉理工大学 | 一种高硅硅钢板材的热处理和多次冷轧加工方法 |
| CN102658367A (zh) * | 2012-05-16 | 2012-09-12 | 上海大学 | 稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅硅钢片的方法及其装置 |
| CN106808159A (zh) * | 2015-11-27 | 2017-06-09 | 安徽中龙节能科技有限公司 | 一种高硅硅钢片的制作方法 |
-
2017
- 2017-12-18 CN CN201711369216.5A patent/CN107999762A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1273611A (zh) * | 1998-05-29 | 2000-11-15 | 住友特殊金属株式会社 | 高硅钢的制造方法和硅钢 |
| JP2000192186A (ja) * | 1998-12-25 | 2000-07-11 | Daido Steel Co Ltd | 軟磁性合金シ―トの製造方法およびこのシ―トから得た磁心部材 |
| CN1528921A (zh) * | 2003-09-25 | 2004-09-15 | 武汉理工大学 | 一种高硅硅钢板材的热处理和多次冷轧加工方法 |
| CN102658367A (zh) * | 2012-05-16 | 2012-09-12 | 上海大学 | 稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅硅钢片的方法及其装置 |
| CN106808159A (zh) * | 2015-11-27 | 2017-06-09 | 安徽中龙节能科技有限公司 | 一种高硅硅钢片的制作方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| 傅祖铸: "《有色金属板带材生产》", 1 April 2009, 中南大学出版社 * |
| 员文杰: "粉末轧制法制备高硅硅钢片的工艺及过程原理的研究", 《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 * |
| 员文杰等: "粉末轧制法制备Fe-6.5%Si硅钢片的研究", 《粉末冶金技术》 * |
| 周勇: "铁、硅复合粉末的轧制成型与后续热处理", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士) 工程科技Ⅰ辑》 * |
| 张翔: "粉末冶金法制备高硅硅钢片的轧制和热处理工艺研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
| 李然: "粉末压延技术制备高硅铁硅合金", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士) 工程科技Ⅰ辑》 * |
| 莱内尔: "《粉末冶金原理和应用》", 30 November 1989, 冶金工业出版社 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107829036A (zh) | 一种高硅钢薄带材的粉末热压烧结制造方法 | |
| CN107900345A (zh) | 一种高硅钢薄带材的粉末热等静压制造方法 | |
| CN108097961A (zh) | 一种高温扩散烧结与粉末热等静压制备高硅钢带材的方法 | |
| CN107999757A (zh) | 一种粉末热压烧结制备单相Fe-6.5%Si硅钢的方法 | |
| CN107900347A (zh) | 一种粉末热锻与高温扩散烧结制备高硅钢带材的方法 | |
| CN107971495A (zh) | 一种粉末热等静压制备Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的方法 | |
| CN107971494A (zh) | 一种粉末热压烧结制备Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的方法 | |
| CN108103390A (zh) | 一种粉末热等静压制备单相Fe-6.5%Si硅钢的方法 | |
| CN108097965A (zh) | 一种高硅钢薄带材的粉末挤压制造方法 | |
| CN107900348A (zh) | 一种粉末热锻制备单相Fe‑6.5%Si硅钢的方法 | |
| CN107900349A (zh) | 一种粉末热锻制备Fe‑6.5%Si软磁材料薄带材的方法 | |
| CN107855532A (zh) | 一种粉末热压烧结制备高硅钢薄带材的方法 | |
| CN107900346A (zh) | 一种粉末热等静压制备高硅钢薄带材的方法 | |
| CN108044107A (zh) | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热等静压制备方法 | |
| CN108044106A (zh) | 一种粉末热等静压与高温扩散烧结制备高硅钢带材的方法 | |
| CN107900354A (zh) | 一种粉末挤压制备高硅钢薄带材的方法 | |
| CN108097966A (zh) | 一种高温扩散烧结与粉末温轧制备高硅钢带材的方法 | |
| CN108080641A (zh) | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末轧制制备方法 | |
| CN107999762A (zh) | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热锻制备方法 | |
| CN107983962A (zh) | 一种粉末轧制制备单相Fe-6.5%Si硅钢的方法 | |
| CN108044100A (zh) | 一种粉末轧制制备Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的方法 | |
| CN108044099A (zh) | 一种高温扩散烧结与粉末热锻制备高硅钢带材的方法 | |
| CN107999758A (zh) | 一种Fe-6.5%Si软磁材料薄带材的粉末热压烧结制备方法 | |
| CN107999761A (zh) | 一种高硅钢薄带材的粉末热锻制造方法 | |
| CN107999763A (zh) | 一种粉末热锻与扩散烧结制备Fe-6.5%Si带材的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180508 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |