制備高硅鋼的非傳統新工藝的開發

  近年來,地球變暖和大氣污染等環境問題及能源短缺問題受到人們高度關注,鐵芯材料高性能化和高效化的要求越來越嚴格。高硅鋼因其許多優異的磁性能,在電力工業中實現高效化、節能化、輕便化和低噪音化方面,具有廣闊的發展和應用前景。現在面臨的最大問題是其高硅含量帶來的高脆性,給高硅鋼的生產帶來很大的困難,限制了其應用和發展。為此,除了正在積極探索通過改造傳統工藝來生產高硅硅鋼片之外,也在努力開發非傳統的新工藝。

  一、噴射成形法

  中國科學院金屬所利用噴射成形制備出了 Fe-4.5Si%硅鋼板坯,以工業純鐵和工業純硅,按照Fe-4.5Si%的成分制備母合金,在霧化壓力 0.6~1.2MPa、沉積距離為 300~600 mm 的條件下,形成沉積板坯。然后,在氬氣保護下將高硅板坯加熱到1100~1200℃,采用壓力機對其壓實(壓下變形量為 20 %左右),獲得5mm左右的板坯。然后在1000~1050℃下進行熱軋,壓下率為15%左右。經多道次重復軋制,最后軋成約3 mm的粗軋板坯;將粗軋板坯表面清理后,將其加熱到950~1000℃,進行熱軋,每次軋制壓下率為15%~20%,獲得1 mm厚的板坯,酸洗后,將板坯加熱到900℃,在軋制壓下率約為10%的條件下進行多道次熱軋,最終獲得厚度為 0.5 mm的高硅鋼片。最后在720℃,真空度為 10-3Pa 條件下保溫8小時,獲得性能優異的高硅高硅鋼片,磁感應強度 B25為 1.544 T、B50為 1.641 T;鐵損 P10/50為 1.437 W/kg,P15 /50為 3.43 W/kg。

  二、沉積擴散法

  沉積擴散法是在基板表面沉積高硅層,再通過擴散滲硅使表面的高硅逐漸擴散到基板內部,從而制成高硅鋼板。例如,將已軋制好的 0.35 mm 厚的基板(無取向硅鋼片) 在 800~850℃浸入熔融的 Al-Si 浴中,從而在表面形成一定梯度的 Al-Si 分布,隨后進行中間冷軋,最后在1100℃以上真空爐內進行退火熱處理,使 Al-Si 原子擴散到基片內部。此方法可獲得鐵損 P10/50為 0.81W/kg,P10/400為 13.5W/kg 的高硅硅鋼片。

  日本鋼管公司成功開發并利用化學氣相沉積擴散法(CVD) ,生產出厚0.1~0.5 mm、寬400 mm 的含 6.5%Si 無取向高硅鋼片。他們將硅含量為 2.5%~3.0%Si 的普通冷軋硅鋼帶作基材,在N2或惰性氣體保護下的無氧氣氛中加熱至1023~1200℃,使鋼表面暴露在SiCl4氣體中,發生化學反應,生成的 Fe3Si 沉積在鋼板表面再熱分解成活性硅原子[Si],然后在惰性氣氛中高溫保溫,使得表面富硅層中的硅原子向板材內部中心擴散,使其成分達到 6.5%Si 的要求,然后控速冷卻。冷卻過程中進行兩種處理: 其一是冷卻至居里溫度以下時進行磁場冷卻,這樣可顯著提高磁性。 其二是在磁場冷卻之前或之后或之中,對鋼帶在200~600℃的溫度下進行溫軋塑性加工以改善表面質量。現在,日本已建成月產100 t的CVD 連續滲硅生產線,可生產 0.05~0.3 mm厚、600 mm 寬的6.5 %Si 高硅鋼片。