一种高性能高铝硅钢的制备方法

摘要

一种高性能高铝硅钢的制备方法，属于粉末冶金技术领域。本发明以气雾化硅铁粉、铝粉和磷铁粉为原料，经充分球磨混料后得到Fe‑Si‑Al‑P混合粉末，经真空退火后通过粉末轧制的方法形成生坯薄板，经高温烧结使其冶金结合，多道次热轧至一定厚度后再经2‑5次冷轧，最后经高温退火，得到具有优良性能的高铝硅钢薄片。本发明在Fe‑Si体系中引入Al、P元素，既可以有效提高了材料的软磁性能参数，且利用具有良好延展性的Al粉改善了体系的成形性，保证粉末轧制成形，具有操作简单、生产效率高、产品精度高、无污染与夹杂、性能优异等优点。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种高性能高铝硅钢的制备方法。

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。硅钢片中随着含硅量的增加，可使电阻率、磁导率增加，矫顽力、磁致伸缩系数降低，可减少涡流损耗及磁滞损耗等。然而含硅量增加会使材料变硬变脆，导热性与韧性下降，对散热和机械加工不利。

铝在电工钢中的作用与硅是有类似之处的。上世纪五六十年代曾制备出含16％Al的阿尔彼姆合金，并将之轧制到0.15-0.2mm的厚度，900-1000℃退火并在水中于600℃淬火后最大磁导率达到了90000，具有很低的磁滞损耗和涡流损耗。同时，实验证明阿尔彼姆钢由于大量Al的加入会增加其耐腐蚀性。然而，在传统熔铸方法中，由于铝极易被氧化，导致该种钢的表面容易出现缺陷、低倍夹杂、点状偏析等重大质量问题，特别是在冶炼过程中，所以冶炼高铝钢的难度相对较大。而粉末冶金方法中加入纯净度高的气雾化铝粉，无论是成形还是烧结过程均可很好的避免这种问题。

磷在硅钢中也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。

因此，研究和开发可行性高、性能优异、经济有效、成熟稳定的高铝硅钢工艺路线是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能高铝硅钢的制备方法。传统粉末冶金法在制备高纯净度、高性能硅钢薄片上存在着诸多限制。采用纯净度高的气雾化合金硅钢粉会导致其成形性大大下降，掺入粘结剂则势必会影响其纯净度和磁性能参数。本发明充分利用粉末冶金的本征优势，在气雾化硅钢粉末中引入Al元素和P元素，能够很好的提升粉末体系成形性，同时进一步改善了其磁性能。而Al和P在传统熔铸法中会分别由于极易氧化和偏析的缘故难以顺利加入。因此，本发明在解决硅钢生产工艺和提升性能上具有无可比拟的优势，且操作简单、生产效率高、产品精度高、无污染与夹杂、保证了高铝硅钢薄片优良的磁学和力学性能。

一种高性能高铝硅钢的制备方法，其具体步骤为：

(1)原材料准备：准备30-60μm的气雾化硅铁粉，5-30μm的氮气雾化铝粉以及5-30μm磷铁合金粉；

(2)混料：将硅铁粉、铝粉以及磷铁合金粉按照Fe-(3-5)wt.％Si-(3-5)wt.％Al-(0.05-0.2)wt.％P比例进行配料，采用滚动球磨机进行球磨混料，制成混合粉末；

(3)粉末处理：将上述混合粉末在真空烧结炉中进行退火，在300-450℃下加热2-4h，充分去除加工硬化所产生的应力。

(4)粉末轧制：采用30-60°倾斜轧机进行轧制，利用轧辊与粉末间的摩擦力喂料，轧制出生坯薄板；

(5)真空烧结：将步骤(4)中的生坯薄板在1150-1200℃下真空烧结3-5h，实现冶金结合和元素扩散均匀化；

(6)多道次热轧及温轧：将上述烧结板坯加热至800-930℃后进行多道次热轧，热轧至板坯厚度≤2.2mm；然后于340-450℃进行温轧至板坯厚度约≤0.6mm；

(7)冷轧：充分酸洗去除氧化皮后，直接进行2-5次冷轧至板坯厚度0.15-0.25mm；

(8)高温真空退火：将冷轧后的板坯于900-950℃真空退火0.5-2h；随炉冷却后至550℃时保温3-5h，再随炉冷却至室温，得到具有优异组织和性能的高铝硅钢薄片。

进一步地，步骤(1)所述的硅铁粉为Fe-(3-5)wt.％Si的气雾化粉，磷铁合金粉为Fe-(25-50)wt.％P的合金粉。

进一步地，步骤(2)中所述的球磨参数设置为球料比2:1，混合3-5h，使粉末充分混合均匀。

进一步地，步骤(4)所述的生坯薄板厚度为1.4-2.5mm，宽度为60-300mm，密度为6.0-6.5g/cm

进一步地，步骤(6)中所述的多道次热轧中，每道次热轧后需重新充分加热后进行下一道次轧制。

进一步地，步骤(8)中所述的板坯经高温真空退火后，需在550℃进行保温处理，利于其充分生成多种有序相而优化磁性能。

本发明的优点：

(1)硅铁粉和铝粉均选用气雾化粉末，保证了产品的纯净度，极大的减少了夹杂的数量；

(2)相较于传统熔铸法，采用粉末冶金法加入Al不易被氧化，加入P不易产生偏析，产品质量和成品率提高；

(3)粉末体系中加入均匀分布的细Al粉，其良好延展性的特性能够很好的改善粉末体系的成形性，保证了在不加入粘结剂的情况下能够实现粉末轧制成形；

(4)在Fe-Si体系中加入了一定量Al元素，在Si和Al的协同作用下进一步优化了软磁性能，且Al的引入增强了材料的抗氧化性；

(5)在Fe-Si体系中添加一定的P，能够促进烧结，有效降低铁损，提升磁导率；

(6)Al和P的同时引入使磁性能能够媲美高硅钢的同时，其成形性得到了极大的提升，具有很大的性能和工艺的综合性突破；

(7)操作简单、生产效率高、产品精度高、避免了污染与夹杂，有利于实现工业化生产。

具体实施方式

实施案例1：

(1)将30μm气雾化Fe-3.2wt.％Si粉、10μm的气雾化铝和20μm的25wt.％P-Fe合金粉按照Fe-3wt.％Si-4wt.％Al-0.1wt.％P进行配料，采用滚动球磨机进行球磨混料，球料比2:1，混合3.5h，制成混合粉末；

(2)将混合粉末于真空高温炉中进行退火，于350℃下加热2h，充分去除加工硬化所产生的应力。；

(3)采用40°倾斜轧机，利用轧辊与粉末间的摩擦力喂料，轧制出生坯薄板厚度为2.3mm，宽度为160mm，密度为6.1g/cm

(4)将上述生坯薄板在1150℃下真空烧结4h，实现冶金结合和元素扩散均匀化，得到烧结板坯；

(5)将上述烧结板坯加热至860℃后进行多道次热轧，热轧至板坯厚度2.0mm；然后于380℃进行温轧至板坯厚度约0.5mm；

(6)充分酸洗去除氧化皮后，直接进行3次冷轧至板坯厚度0.23mm，得到冷轧薄板；

(7)将冷轧薄板于950℃真空退火1h；随炉冷却后至550℃时保温3h，之后随炉冷却至室温得到具有优异组织和性能的高铝硅钢薄片。

实施案例2：

(1)将60μm气雾化Fe-4.7wt.％Si粉、8μm的气雾化铝粉和15μm的40wt.％P-Fe合金粉按照Fe-4.5wt.％Si-3.5wt.％Al-0.2wt.％P进行配料，采用滚动球磨机进行球磨混料，球料比2:1，混合5h，制成混合粉末；

(2)将混合粉末于真空高温炉中进行退火，于400℃下加热3h，充分去除加工硬化所产生的应力。；

(3)采用60°倾斜轧机，利用轧辊与粉末间的摩擦力喂料，轧制出生坯薄板厚度为2.0mm，宽度为240mm，密度为6.32g/cm

(4)将上述生坯薄板在1180℃下真空烧结3h，实现冶金结合和元素扩散均匀化，得到烧结板坯；

(5)将上述烧结板坯加热至820℃后进行多道次热轧，热轧至板坯厚度1.92mm；然后于380℃进行温轧至板坯厚度约0.6mm；

(6)充分酸洗去除氧化皮后，直接进行5次冷轧至板坯厚度0.17mm，得到冷轧薄板；

(7)将冷轧薄板于920℃真空退火2h；随炉冷却后至550℃时保温4h，之后随炉冷却至室温得到具有优异组织和性能的高铝硅钢薄片。