CN102658367B - 稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅硅钢片的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稳恒磁场下粉末烧结法制备硅钢片的方法及其装置。具体过程由混合Fe-Si粉末、轧制成板坯、以及稳恒磁场下烧结Fe-6.5wt%Si压坯三个步骤组成，利用磁场对Fe-6.5wt%Si粉末压坯的烧结致密化和取向过程的影响，获得致密度高的6.5wt%Si高硅钢，并使其易磁化轴沿磁场方向取向。稳恒磁场下气氛/真空烧结装置由控温装置、排气管、热电偶、加热元件、刚玉坩埚、耐火纤维、支撑块、隔热挡块、水冷套管、稳恒磁场发生装置、密封刚玉管、惰性气体进气阀门、真空抽气阀门、Fe-6.5wt%Si压坯、薄刚玉板隔层、固定钼丝组成。本发明方法制得的6.5%Si硅钢片具有可近终成型、磁性能优异、取向度高等优点，具有显著的工业应用前景。

Description

稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅硅钢片的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅硅钢片的方法及其装置，属于硅钢制备工艺技术领域。

背景技术

硅钢是电力和电讯工业用以制造发电机、电动机、变压器、互感器、继电器以及其它电器仪表的重要磁性材料^、，含硅量为6.5 %的高硅钢磁致伸缩系数趋于零、磁导率最大、电阻率大，涡轮损耗小，是制作低噪音、低铁损的理想铁芯材料。然而由于硅含量的提高，硅钢片的脆性增大，传统的轧制方法难以加工，因此目前大批量生产的硅钢片的硅含量大都在4 %以内。在能源日益紧张的今天，尤其在高频信息领域，高硅硅钢片被重新考虑为普通硅钢片的替代材料，6.5 %Si高硅硅钢片制备工艺的研究对于节能减排具有十分深远的意义。

目前制备高硅硅钢片的方法主要有传统轧制法、快速凝固法和CVD法。自60年代以来，人们尝试改进传统轧制法制备高硅钢片，俄罗斯研制出一种把热轧、温轧、冷轧和相应的热处理相结合的三轧法工艺，这种工艺过程复杂、能量消耗大且成材率低，很难应用于工业成产。快速凝固法是指利用急冷工艺生产出高硅钢薄带，但在尺寸和工艺可控性方面存在很大问题。CVD法以普通硅钢片为基底，在钢板表面与硅化物发生高温化学反应使Si富集在硅钢片上，再通过热处理使Si扩散到整个硅钢板中从而制得高硅硅钢，目前这是唯一能够实现工业规模化生产高硅钢的制备方法，由日本NKK公司研制成功并投入生产。但是CVD法成本高、能耗高，采用的SiCl₄气体是高腐蚀性气体，存在严重的环保隐患，因此该技术受到很大的制约。

粉末烧结法制备高硅硅钢片与传统轧制法、CVD法相比，有易控制成分、可近终成型、耗能较低且工艺过程简单等优点。然而目前的粉末烧结工艺制得的硅钢，其致密度偏低，磁性能远远低于应用要求，这也是目前粉末烧结法制备高硅硅钢片未能广泛应用于工业生产的原因。如果能从粉末烧结的关键工艺上突破，在不显著提高其成本的情况下有效提高硅钢致密度，即能发挥粉末烧结工艺的优势，制备出致密度高、磁性能达到应用要求的高硅硅钢片。

取向硅钢与无取向硅钢相比，其磁性具有强烈的方向性，在易磁化方向上具有高磁导率与低损耗特性，主要应用于变压器的制造。根据我国电力系统统计的数据，每年全国电力损耗占总发电量的6-10%，而变压器中硅钢片的铁损损耗占输配电系统总损耗的40%以上，因此提高变压器用硅钢片的磁性能对于节约能源意义重大。如果能通过一定工艺使得高硅硅钢片具有一定取向度，则可以进一步提高产品磁性能，而目前尚未有工艺制备出具有高取向度的6.5%高硅硅钢片。 

发明内容

本发明的目的是提供一种粉末烧结工艺制备高致密度、高磁性能的含硅量6.5%高硅硅钢片的方法，并且制得的硅钢片具有一定取向度。

为达到上述要求，本发明构思如下：

粉末烧结法制备高硅钢片的主要问题在于硅钢致密度无法达到应用要求，而磁场经常被用于材料加工的过程中以提高材料性能，作为一种洁净的物理场，它既可以明显影响材料加工过程的热力学和动力学过程，同时又不会对材料引入污染。本发明在烧结过程中加入外加的稳恒磁场，利用磁场对Fe-Si粉末压坯的烧结致密化过程的促进作用，获得致密度高的6.5%Si高硅钢。

同时硅钢是一种铁磁性材料，在其烧结过程中加入稳恒磁场可以影响材料的晶粒生长取向。<100>晶向是硅钢的易磁化轴方向，此方向上的磁各向异性能最低，如果在烧结过程中加入稳恒磁场，<100>晶向与磁场方向平行的晶粒有较低的磁各向异性能作为额外的晶界迁移驱动力，促使该取向晶粒的总面积增加。硅钢片在平行于烧结磁场方向上的<100>取向度的提高，导致硅钢片在该方向上的磁化能比其它方向低，从而使得在这一方向上的磁性能得到提高，因此制得具有一定取向度的硅钢。

本发明采用下述技术方案：

一种粉末烧结法制备6.5wt%Si高硅硅钢片的方法，其特征是在烧结过程中加入稳恒磁场，利用磁场对Fe-Si粉末压坯的烧结致密化过程的影响，获得致密度高的6.5wt%Si高硅硅钢片，并使其易磁化轴沿磁场方向的取向度提高。

按照硅含量6.5wt%Si的配比分别称取铁粉和硅粉，将其混合均匀，采用的Fe、Si粉末既可以是微米尺度，也可以是纳米尺度，也可以是不同粒度粉末的混合体。此外，本处采用的铁粉或硅粉，还可以是采用不同浓度或者相同浓度的微米级或纳米级的硅铁合金粉，硅铁合金粉中硅的含量为6.5-99wt%。混合粉末既可以采用V型混料机也可以采用行星式球磨机进行，混料转速为5-1000r/min，混料时间为0.5-240h，混料过程在惰性气体或还原性气体的保护下进行。将混合均匀的Fe-Si粉末压轧成Fe-Si粉末方坯或者板坯。将Fe-Si粉末压坯放入气氛/真空保护烧结设备的炉膛中，放置于磁感应强度可在0.01~20T范围内调整的稳恒磁场发生装置的磁场空间中，在惰性气体或还原性气体保护下高温烧结，惰性气体可以为纯氮气、纯氩气、纯氦气或其混合气体，或者通入还原性的气体如氢气、甲烷、一氧化碳等；还可以是还原性气体与上述惰性气体组成的混合气体。冷却后获得高致密度、高取向度的6.5%Si高硅硅钢片，降温速率为0.1-300℃/min。制得的高取向度高硅硅钢方坯或板坯，采用线切割或者内圆切割或者外圆切割的方式切割成0.05-1mm厚度的薄片，再经现有低硅钢带制备工艺中的绝缘涂层处理，即可获得成品的高硅、高取向硅钢片材。烧结温度为600-1300℃，保温时间为0.5-100h，升温速率为0.1-300℃/min。磁场加入方式既可以在整个烧结过程中加入磁场，也可以只在升温过程、保温过程、降温过程中加入磁场，还可以在升温、降温和保温过程中设定不同的磁感应强度，或者磁感应强度随烧结温度不同而单调变化。施加的稳恒磁场为超导技术或者电阻磁体产生的稳恒磁场，还可以为超导-电阻混合磁体产生的稳恒磁场，其磁感应强度可在0.01-20T范围变化，磁体的室温口径为50mm-800mm；磁力线方向可以与板坯轧向平行或者垂直。 

本发明与现有技术相比具有如下明显特点和优势：

1)      采用粉末烧结法制备高硅硅钢片，具有可近终成型的优点，可以准确控制硅钢中的硅含量； 

2)      与传统粉末烧结法相比，本发明采用的磁场下烧结的方法可得到致密度更高、磁性能更好的硅钢；

3)      通过磁场下粉末烧结的方法，制得具有一定取向度的高硅硅钢片，使硅钢片的某一方向上的磁性能进一步提高；

4)      与传统的磁场取向热处理不同的是，本发明是在铁粉与硅粉的扩散烧结、形成Fe₃Si固溶体的过程中施加恒定磁场，在其晶格重构过程中促使其取向，因此能获得更高的取向度和各向异性；

采用的稳恒磁场是一种洁净的物理场，对环境没有污染，不会对硅钢引入新的污染，能确保其纯净度。

附图说明

图1为本发明方法中稳恒磁场下气氛/真空保护高温烧结装置的结构示意图。

图2为本发明方法制得的高硅钢在平行于磁场方向与垂直于磁场方向的磁滞回线对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例一    

以下是本发明的具体实施例。

本发明的一个优选实施例是：参见附图1。

按照硅重量含量6.5%的配比分别称取微米级铁粉18700g和纳米级纯硅粉1300g，将其放入V型混料机内混合，混料速度为70r/min，混料时间为10h，混料过程中混料机内通氩气保护。混料结束后取出混合均匀的Fe-Si粉末，压轧成多片80mm×80mm×50mm尺寸的Fe-6.5wt%Si粉末板坯。

所述的在稳恒磁场下粉末烧结制备6.5%高硅硅钢片的方法，其烧结过程由稳恒磁场下气氛/真空保护高温烧结装置来实现。参见图1。稳恒磁场下气氛/真空烧结装置由控温装置1、排气管2、热电偶3、加热元件4、刚玉坩埚5、耐火纤维6、支撑块7、隔热挡块8、水冷套管9、稳恒磁场发生装置10、密封刚玉管11、惰性气体进气阀门12、真空抽气阀门13、Fe-6.5wt%Si压坯14、薄刚玉板隔层15、固定钼丝16组成。实施本发明时，将上述制备的多个Fe-6.5wt%Si压坯14用薄刚玉板隔层15间隔叠放，并保持Fe-6.5wt%Si压坯14的轧向与重力场方向平行，用固定钼丝16捆住，放入到稳恒磁场下气氛/真空保护高温烧结装置中的密封刚玉管11中的刚玉坩埚5中，刚玉坩埚5用支撑块7和隔热挡块8支撑固定。打开真空抽气阀门13，采用机械泵将密封刚玉管11中抽成10^-1Pa，关闭真空抽气阀门13，开启惰性气体进气阀门12，往密封刚玉管11中充入高纯氩气至1atm。再次打开真空抽气阀门13，将密封刚玉管11中抽成10^-1Pa，然后再进行充气-抽气循环4次，最后关闭真空抽气阀门，将密封刚玉管11中充入高纯氩气至0.8atm，然后关闭惰性气体进气阀门12。开启稳恒磁场发生装置10，使其中的磁感应强度达到6特斯拉，并保证磁力线17的方向为竖直向上。给水冷套管9中通入冷却水，开启控温装置1，通过加热元件4和耐火纤维6将密封刚玉管11中的温度以10℃/min的速度加热至1200℃，通过热电偶3来监测温度。当温度到达1200℃时，保温50小时，然后通过控温装置1，使密封刚玉管11中的温度以10℃/min的冷却速度冷却至室温，然后关闭控温装置1和稳恒磁场发生装置10，从密封刚玉管11中取出烧结好的Fe-6.5wt%Si压坯14，采用内圆切割的方式进一步将Fe - 6.5 wt % Si压坯14沿平行磁场方向或轧制方向切割成0.2mm厚的薄片，再经清洗和常规的绝缘处理，即可得到高硅、高取向的Fe-6.5wt%Si硅钢片。

采用本发明方法制备的高硅钢沿平行于磁场方向以及垂直于磁场方向上分别测量其磁滞回线，发现高硅钢沿平行于磁场方向的饱和磁化强度明显大于垂直于磁场方向，如附图2所示，说明本发明方法制备的硅钢片已具有明显的择优取向和磁性能的各向异性。此外采用排水法测得本法制备的高硅钢的密度达到理论密度的97%，明显高于无磁场下烧结试样的94%，表明其致密度也显著提高。

Claims (9)

1.稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅钢片的方法，其特征是由混合Fe-Si粉末、轧制成板坯、以及稳恒磁场下烧结Fe-6.5wt%Si压坯三个步骤组成，利用磁场对Fe-6.5wt%Si粉末压坯的烧结致密化和取向过程的影响，获得致密度高的6.5wt%Si高硅钢，并使其易磁化轴沿磁场方向取向。

2.根据权利要求1所述方法，其特征是采用的Fe、Si粉末既可以是微米尺度，也可以是纳米尺度，也可以是不同粒度粉末的混合体。

3.根据权利要求1所述方法，其特征是原料粉末中的铁粉或硅粉，可以采用微米级或者纳米级的纯铁粉和纯硅粉，也可以是采用不同浓度或者相同浓度的微米级或纳米级的硅铁合金粉，硅铁合金粉中硅的含量为6.5-99wt%。

4.根据权利要求1所述方法，其特征是混合粉末的过程既可以采用V型混料机也可以采用行星式球磨机进行，混料转速为5-1000r/min，混料时间为0.5-240h，混料过程在惰性气体或还原性气体的保护下进行。

5.根据权利要求1所述方法，其特征是稳恒磁场为超导技术产生的恒定磁场，也可以是采用电阻磁体或者超导-电阻混合磁体产生的恒定磁场，其磁感应强度可在0.01-20T范围变化，磁体的室温口径为50-800mm；磁力线方向可以与Fe-6.5wt%Si压坯方向平行或者垂直。

6.根据权利要求1所述方法，其特征是密封刚玉管中的烧结温度为600-1300℃，保温时间为0.5-100小时，升温速率和降温速率为0.1-300℃/min。

7.根据权利要求1所述方法，其特征是既可以在整个烧结过程中加入恒定磁场，也可以只在保温过程中或降温过程中加入恒定磁场。

8.根据权利要求1所述方法，其特征是为防止试样在烧结过程中氧化，在密封刚玉管中通入惰性气体或者还原性气体，惰性气体可以为纯氮气、纯氩气、纯氦气或其混合气体，或者通入还原性的气体，该还原性的气体为氢气、甲烷、一氧化碳；还可以是还原性气体与上述惰性气体组成的混合气体。

9.稳恒磁场下粉末烧结法制备高硅钢片的方法的专用装置，其特征是该装置由控温装置(1)、排气管(2)、热电偶(3)、加热元件(4)、刚玉坩埚(5)、耐火纤维(6)、支撑块(7)、隔热挡块(8)、水冷套管(9)、稳恒磁场发生装置(10)、密封刚玉管(11)、惰性气体进气阀门(12)、真空抽气阀门(13)、Fe-6.5wt%Si压坯(14)、薄刚玉板隔层(15)、固定钼丝(16)组成。