CN112846118B - 一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法 - Google Patents

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Abstract

一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法，属于合金材料领域。本发明以硅钢(Fe‑(3‑6.5)wt.％Si)块体为母合金，并添加一定量的硅铁合金及磷铁合金，放置于中频感应炉中，熔融后经快速凝固‑甩带、冷轧、热处理工艺，得到具有优异性能的含磷硅钢薄带。对于硅钢而言，P元素的少量加入能够有效的提升电阻率从而显著降低铁损，且具备优化软磁性能的作用。而采用甩带法能够充分利用其快速凝固的特征，从根本上避免了P元素在传统熔炼冷却过程中严重偏析的缺陷，极佳地保证了产品的组织优势与软磁性能。本发明具有操作简单、生产效率高、产品精度高、工艺流程短、无污染与夹杂、性能优异等优点。

Description

一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，涉及一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法。
背景技术
硅钢是电力、电子和电讯工业用以制造发电机、电动机、变压器、继电器、互感器以及其它电器仪表的重要磁性材料，是产量最大的金属功能材料之一。硅钢的性能比铁优越，具有电阻率高(是电工纯铁的几倍)、涡流损耗低、饱和磁感应强度高、价格便宜且稳定性好等优点，而且易于批量生产，是目前应用量最大的软磁材料。硅钢的磁性能与其Si含量呈正相关，随着Si含量的增加，硅钢的电阻率显著提高、涡流损耗下降、相对磁导率提高。然而含硅量增加会使饱和磁化强度和和居里温度降低，同时又会使材料变硬变脆，导热性与韧性下降，对散热和机械加工不利。
磷在硅钢中具有和硅相似的优点，而且对强磁场下的磁感应强度影响不大。在Si含量相同的情况下,随着P含量的提高,电阻率增加，矫顽力降低，具有降低涡流损和磁滞损耗的作用。同时，P对提高磁导率也有意义。二十世纪八九十年代，我国已对低硅钢中加入少量磷元素有了一定的研究，虽然取得了一定的成果，但是绝大部分均处于实验室研究阶段，且由于采用传统制备方法成材率低、性能也不稳定的缘故并未得到推广和使用。
在传统熔铸法中，P作为冷却过程极易偏析的元素极难有效的均匀加入。而甩带法具有快速凝固的典型特征，可以在一些合金体系中生成新的亚稳相、扩大固溶体的固溶度和消除成分偏析等，能极大地改善某些材料的组织和性能，因此得到了迅速发展。快速凝固技术制备高磁性能硅钢具有短流程、高效率、节能环保等特点，因此，研究和开发简单、经济、有效、成熟且具备高的综合磁性能的硅钢薄带工艺路线是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法。在硅钢体系的基础上加入一定量的P元素，能够实现优化体系及综合磁性能的双重目标。传统熔炼方法中，P元素在凝固过程的极易偏析问题使其无法有效的加入钢中，在制备和性能上具有难以逾越的障碍。为此，本发明创新性地采用快速凝固-甩带法在硅钢体系中加入磷元素，很好地解决了P在钢中偏析的缺陷，使P元素均匀分布在硅钢体系中，充分发挥了P元素提升电阻率、显著降低铁损的作用，有效地改善了硅钢的软磁性能参数。本发明极具针对性且有着其不可替代的优势，具有操作简单、生产效率高、产品精度高、无污染与夹杂，保证了硅钢薄带优良的软磁性能。
一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法，其特征在于：在硅钢体系中加入一定量的磷元素，通过甩带法的工艺手段实现高磁性能硅钢薄带的高效率制备，具体步骤如下：
(1)原料：取熔铸制备或粉末冶金法制备的硅钢(Fe-(3-6.5)wt.％Si)块体作为母基合金，以及硅铁合金块、磷铁合金块作为添加合金；
(2)中频熔炼：将母基合金和添加合金进行质量配比，成分范围控制在Fe-(3-6.5)wt.％Si-(0.1-2)wt.％P，装入石英坩埚后在氩气保护下，中频感应加热至1580-1630℃；
(3)甩带：待合金完全熔化成金属液体后，用惰性气体将熔融液体通过喷嘴喷铸于旋转的铜辊上进行甩带，急冷后获得厚度为35-60μm的硅钢薄带；
(4)冷轧：将急冷的硅钢薄带喂入冷轧辊中进行1-3次冷轧，消除快速凝固过程中因冷速不均产生的少量孔隙缺陷；
(5)真空热处理：将冷轧后的薄带于900-1100℃真空退火2-5h，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的硅钢薄带。。
进一步地，步骤(1)中所述的硅铁合金是Fe-(50-85)wt.％Si合金。
进一步地，步骤(1)中所述的磷铁合金是Fe-(20-45)wt.％P合金。
进一步地，步骤(3)所述的惰性气体为氩气，且喷射压力为0.05-0.15MPa。
进一步地，步骤(3)所述的喷嘴缝隙尺寸为0.5-0.8mm，喷嘴到铜辊的间距为0.1-0.3mm，且铜辊的转速为15-40m/s。
进一步地，步骤(4)中所述的冷轧目的为消除缺陷，而对进一步减薄效果并不显著。
本发明技术关键点在于：(1)打破了P作为凝固偏析元素对传统熔炼钢中的固有危害，充分利用甩带快速凝固的特征将P元素均匀加入硅钢体系中，并通过适配的冷轧压力和道次来充分消除孔隙缺陷。(2)以磷铁合金的形式引入P元素，避免了高温熔炼过程中低沸点P元素挥发，同时为了避免冷却过程中P元素在基体中直接偏析，采用快速凝固-甩带工艺直接采用熔融金属液快速冷却并甩带成薄带。(3)含磷硅钢薄带体系成分为Fe-(3-6.5)wt.％Si-(0.1-2)wt.％P，硅、磷元素的含量经过大量实验验证匹配获得。
本发明的优点：
(1)硅钢体系中加入少量P后能够有效提高电阻率从而降低铁损，并可以提升磁导率；
(2)相较于传统熔铸方法，采用甩带法在硅钢中加入一定量的P元素不会产生偏析，P元素分布均匀，且成材率极高；
(3)省去了传统熔铸、粉末冶金等工艺制备硅钢薄带繁复的热轧、冷轧步骤，工艺简单、流程短；
(4)以磷铁合金的形式在熔炼过程中在硅钢体系中加入P元素，避免了直接加入低沸点的磷单质带来的P元素挥发；
(5)步骤精简、高制备效率、高产品精度、无污染与夹杂、磁性能优异。
具体实施方式
实施案例1：
(1)取熔铸法制备的硅钢(Fe-5wt.％Si)块体作为母基合金，以及硅铁合金(Fe-75wt.％Si)块和磷铁合金(Fe-22wt.％P)块作为添加合金；
(2)将母基合金和添加合金进行质量配比，使其最终成分Fe-5wt.％Si-0.3wt.％P，装入石英坩埚后在氩气气氛保护下，中频感应加热至1600℃；
(3)到达温度并充分搅拌均匀后，用氩气以0.08MPa的喷射压力将熔融液体通过喷嘴喷铸于旋转的铜辊上，喷嘴缝隙尺寸为0.7mm，喷嘴到铜辊的间距为0.15mm，且铜辊的转速为30m/s，急冷后获得厚度为40μm的硅钢薄带；
(4)冷轧：将急冷的硅钢薄带喂入冷轧辊中进行1次冷轧，消除快速凝固过程因冷速不均产生的少量孔隙缺陷；
(5)真空热处理：将冷轧后的薄带于1040℃真空退火3h，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的硅钢薄带。
实施案例2：
(1)取粉末冶金法制备的硅钢(Fe-6wt.％Si)块体作为母基合金，以及硅铁合金(Fe-60wt.％Si)块和磷铁合金(Fe-25wt.％P)块作为添加合金；
(2)将母基合金和添加合金进行质量配比为Fe-6wt.％Si-0.8wt.％P成分，装入石英坩埚后在氩气气氛保护下，中频感应加热至1580℃；
(3)到达温度并充分搅拌均匀后，用氩气以0.12MPa的喷射压力将熔融液体通过喷嘴喷铸于单个旋转的铜辊上，喷嘴缝隙尺寸为0.6mm，喷嘴到铜辊的间距为0.1mm，且铜辊的转速为35m/s，急冷后获得厚度为36μm的硅钢薄带；
(4)冷轧：将急冷的硅钢薄带喂入冷轧辊中进行2次冷轧，消除快速凝固过程因冷速不均产生的少量孔隙缺陷；
(5)真空热处理：将冷轧后的薄带于960℃真空退火4h，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的硅钢薄带。

Claims (3)

1.一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法，其特征在于：在硅钢体系中加入一定量的磷元素，通过甩带法的工艺手段实现高磁性能硅钢薄带的高效率制备，具体步骤如下：
(1)原料：取熔铸制备或粉末冶金法制备的硅钢Fe-(3-6.5)wt.%Si块体作为母基合金，以及硅铁合金块、磷铁合金块作为添加合金；
(2)中频熔炼：将母基合金和添加合金进行质量配比，成分范围控制在Fe-(3-6.5)wt.%Si-(0.1-2)wt.%P，装入石英坩埚后在氩气保护下，中频感应加热至1580-1630℃；
(3)甩带：待合金完全熔化成金属液体后，用惰性气体将熔融液体通过喷嘴喷铸于旋转的铜辊上进行甩带，急冷后获得厚度为35-60μm的硅钢薄带；
(4)冷轧：将急冷的硅钢薄带喂入冷轧辊中进行1-3次冷轧，消除快速凝固过程中因冷速不均产生的少量孔隙缺陷；
(5)真空热处理：将冷轧后的薄带于900-1100℃真空退火2-5h，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的硅钢薄带；
步骤(1)中所述的硅铁合金是Fe-(50-85)wt.%Si合金；
步骤(1)中所述的磷铁合金是Fe-(20-45)wt.%P合金；
步骤(4)中所述的冷轧目的为消除缺陷，而对进一步减薄效果并不显著。
2.按照权利要求1所述一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法，其特征在于：步骤(3)所述的惰性气体为氩气，且喷射压力为0.05-0.15MPa。
3.按照权利要求1所述一种甩带法制备高磁性能含磷硅钢薄带的方法，其特征在于：步骤(3)所述的喷嘴缝隙尺寸为0.5-0.8mm，喷嘴到铜辊的间距为0.1-0.3mm，且铜辊的转速为15-40m/s。
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