（材料加工工程专业论文）粉末压延法制备高硅铁硅合金.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本论文详细的研究了利用粉末轧制法制备高硅铁硅台金带材( 约岔 6 5 w t 硅) 的制各工艺过程，解释了铁硅粉在热处理过程中的反应机理，通 过控制合理的加工制备参数，最终制备得到了高硅铁硅合金带材，并对其磁 性能进行了表征。 基于粉末冶金制备软磁材料的相关基础知识，我们首先提出一种全新的 粉末复合思路，即将脆性金属粉末以不同粒度范围分布在塑性金属粉末的表 面和间隙中，在进一步受应力变形时，形成塑性金属包裹脆性金属的复合包 裹体。分析了粉末轧制过程中的各个参数的影响，利用设计得到供料漏斗和 卷带装置，通过实验得到了一组能够将复合粉末制备成为具有良好机械性能 的粉末带材的轧制参数，并连续生产得到一定厚度的粉末带卷。通过利用 x r d ，s e m ，e p m a ，d s c 等多种测试手段，详细研究了铁醚复合粉末带材 在7 0 0 一1 2 0 0 的热处理温度条件下的反应状况及结构变化，明确了反应过 程中的化学方程式：f e + s i f e ( s i ) + f e 3 s i ( s i ) ，并解释了各个热处理温度 范围内，铁硅粉末均一化的反应机理。在此基础指导下进行实验，成功的制 备得到高硅硅钢片材试样，其会金中的硅含量达到6 0 6 5 w t 之间。试样的 饱和磁化强度为1 7 9 t ，接近相同成分下合金的理论磁化强度的数值。对试 样交流磁性能的测试表明，试样在1 k h z 以上的频率下，试样具有相对很低 的铁芯损耗。在制备过程中，带材具有很好的剪切性质，且最终试样有优异 的机械加工性能。 此外论文中表述了一种新的铁磁材料组成成分测定的方法，并予以比 较验证。即利用d s c 分析测量铁磁转交居里点的变化，与标准试样进行比较， 从而确定试样组成的含量。此方法能够表征台金材料的平均成分状况，对具 有不均匀成分的合金进行评估，能够更全面准确的反映粉末反应过程中的原 子反应扩散程度。 实验最终结果表明粉末直接轧制法生产高硅硅钢片是一种符合低能耗， 低成本，工艺简单的生产技术，具有很好的工业应用前景。 关键词 商硅铁硅合金，粉末压延法，粉末反应，热处理，成分测定 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo ft h eh i g hs i l i c o n i r o ns t r i p sn e a rt o 6 5 w t s ib yt h ed i r e c tp o w d e rr o l l i n g ( d p r ) t e c h n i q u ew e r es t u d i e d t h e r e a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h ei r o na n ds i l i c o np o w d e r sw a sc l a r i f i e d t h ef i n a l h i g hs i l i c o n - i r o ns t r i p sw e r ef a b r i c a t e dw i t ht h eo p t i m a lr o l l i n gc o e f f i c i e n ta n d t h em a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y 。b a s i n go nt h ek n o w l e d g eo f s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sf a b r i c a t e db yt h e p o w d e rm e t a l l u r g y ( m p ) ，w eb r o u g h tf o r w a r dan e wi d e a la b o u tt h ec o m p o s i t ep o w d e r , w h i c hi st od i s t r i b u t eb r i t t l em e t a lp o w d e r s ( s i ) t ot h es u r f a c ea n dg a p so ft h ep l a s t i co a e s ( f e ) ，t h e nc o m p o s i t ep a r t i c l e si nw h i c hp l a s t i cm e t a lp o w d e ri sp a c k a g e db yb r i t t l eo b e sa r e f o r m e db yf u r t h e rd e f o r m a t i o n t h ee f f e c to f r o l l i n gt o e f f i c i e n t sw a sa n a l y z e d a n d t h eo p t i m a lc o e f f i c i e n t sw e r eg o t t e n ，t h e r e f o r et h ec o n t i n u a lc o i l e dg r e e ns t r i p si n ac e r t a i nt h i c k n e s sc o u l db ep r o d u c e dw h i c hh a v eag o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t y t h es t r u c t u r ee v o l u t i o na n dr e a c t i o nm e c h a n i s mo fs i l i c o n i r o n c o m p o s i t e p o w d e r st r e a t e da tt h et e m p e r a t u r er a n g i n gf r o m7 0 0 2t o 12 0 0 cr e s p e c t i v e l y w e r ec a r e f u l l yi n v e s t i g a t e dt h r o u g hx r d ，s e m ，e p m a ，d s c i tw a sf o u n dt h a t t h ec h e m i c a if o r m u l a ，f e + s i f e ( s i ) + f e 3 s i ( s i ) ，c o n t r o l st h er e a c t i o n p r o c e s s ，a n dt h er e a c t i o nm e c h a n i s mo fp o w d e rh o m o g e n i z a t i o nw a sc l a r i f i e d f o l l o w i n gt h i sp r i n c i p l e ，t h ef i n a ls p e c i m e n sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dw i t h t h ec o n c e n t r a t i o no f6 0 6 5 w t s i t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no ft h es a m p l e i s1 7 9 tc l o s et ot h et h e o r e t i c a lv a l b eo ft h es a m ec o m p o s i t i o na l l o y t h ec o r e l o s so fs p e c i m e n si n d i c a t e da ne x c e l l e n ts o f t m a g n e t i cp e r f o r m a n c ei nh i g h f r e q u e n c i e so f1 - 1 0k h z t h es p e c i m e n sd u r i n gf a b r i c a t i o np r o c e s sc a nb ec u t a n df i n a ls t r i p sh a v eag o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t y f u r t h e r m o r e ，an e wm e t h o dt om e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o no ff e r r o m a g n e t i c a l l o y sw a se x h i b i t e d ，a n di t sr e l i a b i l i t yw a s a l s oc o n f i r m e d ，w h i c hi st om e a s u r e t h ec u r i e p o i n to fs p e c i m e n sb y t h ed s c a n a l y s i sa n d t h e nc o m p a r et h ed a t aw i t h o n e so fs t a n d a r ds p e c i m e n ss ot h a tt oo b s e r v et h ec o n c e n t r a t i o no fs p e c i m e n s t h e a v e r a g ec o m p o n e n t o ft h e a l l o y c a nb ee v a l u a t e da sw e l la st h e i n h o m o g e n e i t yu s i n gt h i sm e a s u r e i ti si n d i c a t e dt h a tt h ed e g r e eo ft h er e a c t i o n d i f f u s i o na m o n g p o w d e r s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c t i o n t e c h n i q u eo f t h eh i g hs i l i c o n - i r o ns t r i pb y 武汉理工大学硕士学位论文 d p rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o we n e r g yl o s sa n ds i m p l e p r o d u c t i o n t e c h n i q u e ，a n di th a s ag r e a t p o t e n t i a lo f c o n t i n u o u si n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s h i g hs i l i c o n - i r o ns t r i p ；d i r e c tp o w d e rr o l l i n g ；p o w d e rr e a c t i o n ；h e a tt r e a t m e n t c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t 堡堡堡三盔堂塑主堂焦堡塞一 第一章蓊言 1 1 高硅铁硅合金 1 1 1 铁砖会金组成及应用 我们平时所见到的电视机，收音机，电风扇，随身听，水泵，马达，变 压器等，凡燕鲻翻龟变磁绞考磁变毫熬转换器终瓣，几乎都能够燹囊铁硅含 套。由于铁醚两种元素在地壳中的丰魔缀离，冶炼稽对容易，因此铁硅合金 体系成为最鼠商业用途的二元合金体系之一。 图1 1 翮寝1 1 是铁醚豹二元合龛糕圈以及其棚应组元的空阕群特征i i 】。 裁l 。l 孛衰臻? 硅含豢献0 一l o o a t 。范辫内，滠褒程5 0 0 - - 1 7 0 0 ( 2 下静铗硅食 众平衡态相组成情况。衰1 1 给出了圈1 1 中每种柏结构的组成成分范围和 窝间群。 w e i g h tp e r c e a ls i l l c o n 圈1 1铁硅二元合金程缓成黼 。口垂蓦 堕堡堡三查堂堡主兰堡垒壅 表1 1铁硅二元含金相组成及其具体空f l i j 群 0 f t ) 0 t o3 1 9c h ，h ，_ d l 臼 啦l o 把2 0 r 2肺3 艉a m1 0 t 0 3 0 c f l 6 ，矗3 拼d 啦 b i f 3 淞! ；i - 3 3 3椭p 3 m l f 球辩 3 7 5h 1 6 邢椭d 8 m n s s i ， 瞄i瑚 r p 8 _ p 2 1 3 b 2 0f c s i a f c s i 2 _ 6 丘7o c 4 86 n c a 6 f e s b 靠5 l o7 3 t 3p 4 , h m n m ( s ot 恼c f 8 剐3 孵 4c f 出西 铁硅合金相的种类有1 0 种，可以应用的材料也很多。最具有商业应用 价值的有两种合金：一种是用于磁性领域的铁硅软磁合金材料，最为常见的 是电工钢，被广泛的应用于变压器铁心、电动机的定子和转子、马达、反极 器等。另一种是具有抗腐蚀能力的高硅铁铸造合金，硅含量在1 4 1 7 w t 。 其中含硅量在1 4 1 4 5 w t 的铁硅合金具有尤为出色的抗腐蚀性能，可以耐 热的硫酸，硝酸，有机酸的侵蚀。该合金主要应用于化学酸处理器件的装置， 泵部件以及实验室的排水管道上。铁硅合金还有其它用途，如f e s i 2 被发现 是比较好的热电转换材料：铁硅合金，硅含量在7 5 w t 左右，常被用来作为 炼钢过程中除氧剂。 磁路中铁硅合金的硅含量绝大多在0 5 5 w t 之间，随着硅原子的加入 台金具有优异的磁学性能：如高的磁导率，高的电阻率和低的磁滞损耗等。 电工硅铜板( s i l i c o n s t e e le l e c t r i c a ls h e e t ) 商业上通常有两种形式：一取向硅钢 ( g r a i no r i e n t e ds i l i c o n s t e e le l e c t r i c a ls h e e t ) 和非取向硅钢( n o n o r i e n t e d s i l i c o n s t e e le l e c t r i c a ls h e e t ) 。取向硅钢是在特殊的轧压和热处理工艺下促使 合金内部大部分原予排列方式以立方晶格为单位集体趋向于磁性能优化的方 向。由于取向硅钢磁性能是通过优化设计得到的，所以其使用效能非常高。 非取向硅钢片一般又被分为三类：低硅，中硅，高硅类。低硅硅钢片 ( 0 s 1 5 w t s i ) 一般用于通常的马达和发电枫的定予和转子：中硅硅钢片 ( 2 5 3 5 w t ) 用于高效能马达和发电机，以及中小型变压器，电感和马达。 高硅硅钢片( 3 7 5 - 5 w t ) 是用于最高效能及具有特殊用途的发电机和变压 武汉理工大学硪士学位论文 嚣上l 羽。 本论文矫研究酶离醚铰疆台金楚维含硅燕在6 0 7 0 w t 静铁硅舍会，它 熙有商透磁率、低磁致伸缩系数、商颡下低铁心损必等出色的磁性能o - s ，可 以说是非取囱嵩硅硅钢片的扩展这类凑硅硅钢片可以广泛应用子空调。冰 耱翁交流系统，太鞭黪系统，有软奄孳缝蠡系统，反鲻抉滚嚣，x r d 毫源系 统，感应加热系统，臭氧发生器，高速舄达和发电机。汽车部件，点流电转换 撩等众多领域的铁磁转换元件上【6 】。其中此合金在鬻事上有着尤为重要的应 翔，翔导赘，靛天器f ”，游艇等熬接。妊帮 孛曼都有它熬身影。耄予其羝铁蕊 损失的性能，使得原有设铸的超小型纯成为可能；丽其合金的低磁致伸缩系 数能够降低设备使用过程中的噪音。因此，高硅含髓铁硅合金怒一类有利于 环保、节能段性能优异的软磁材料。 1 1 2 高硪铁硅合金的性能 亵疆铁醚奢金豹基本物毽瞧能翔强1 - 2 至銎i - 9 艇示。 c o n t e n to fs i l i c o n ( w t ) 麟l - 2 铁硪台金的密度赫线 武汉理工大学磺士学位谂文 c o n t e n t o f s i l i c o ni n f e - s i a l l o y ( w t + 獬 图l 一3 铁硅合众的居照点曲线 s ic o n t e n t ( w t l 鹜1 - 4 铰礁合金童流襁磁释率豹蘸线酗 4 武汉理工大学磺士学位论文 s ic o n t e n t ( w 1 ) 图l - 5 铁礁合金的直流最火磁导率曲线【8 】 s i 铂嘲继馘蠲 图1 6 铁硅含金的4 = m ：曲线 圈i _ 2 是通过测量铁硅单质金属熔炼后的禽金块体得到的密度曲线。可 武汉理工丈学硕士学位论文 以看到，含硅量在6 - 6 5 w t 时试样的密度约为7 5 9 c m 3 。硅含量在 4 , - 4 5 w t 时，试样的密度曲线存在折点。图卜3 为铁硅合衾居里点的变化曲 线，其数值是通过对试样进行差示扫描量热分析( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n g c a l o r i m e t r i c ，d s c ) 测试得到的。可以看到，随着铁硅合金基体中的硅含量 增高，试样的居里点降低。 直流( d i r e c tc u r r e n t ，d c ) 磁导率是表征材料磁响应能力的参数，是评价材 料软磁性能好坏的重要指标。图卜4 是铁硅合金d c 初磁导率的曲线，其d c - 初磁导率最大值出现在硅含量在8 叭附近，值为1 3 0 0 左右。图1 5 是铁 硅合金的d c 最大磁导率曲线，d c 最大磁导率有两个峰值。第一个峰值出现 在低硅含量( 2 叭) 处，其值约为1 0 0 0 0 ；第二个峰值在6 5 w t 左右，极 值约为2 5 0 0 0 。这充分说明在高硅铁硅合金( 硅含量在6 7 w t ) ，比硅含量 较低的铁硅合金具有更高的磁响应能力。 图l - 6 是铁硅合金的4 r i m 。曲线，m ；是指合金的饱和磁化强度，它也是 衡量磁性能好坏的重要指标。其数据是通过磁强振动仪( v i b r a t i n gs a m p l e m a g n e t o m e t e r ，v s m ) 测量得到的。可以看到，随着硅含量的增加，4 r i m 。 的数值逐步降低从纯铁的2 1 t 降低到含硅量为g w t 铁硅合金的1 7 t 。当 含硅量为6 5 w t 时，4 兀m ：值为1 8 t 。 图l - 7 铁硅合金的磁致伸缩系数曲线f 9 】 6 武汉理工大学磷士学位论文 圈i - 8 铁硅合龛的电阻率髓线1 9 】 鬻i - 9 铗建合念豹延律率魏线渤 茎翌堡玉盔兰蹩主兰堡燕奎 嚣1 7 是铁醚会金浆磁致 枣缝系数涟组成翡交换麴线，搿爨嚣到在食硅 墩为6 5 w t 时，磁致伸缩系数九1 0 0 ，九均接近o 。嘲l - 8 悬铁硅含金的电 辍搴蘧成分熬交纯麴线。在硅会整接近l l w t 瓣，铁醭舍金鹣电阻率馕趋囊 予峰值。高硅铁硅合金的电阻率值在8 0 m o c m 3 左右，较高的电阻率有利于 憝低会众在交流电场中使用对的涡流攒耗。图1 - 9 是铁硅合金豹延伸率醚硅 宙量的变化蓝线。可以瀣到，獭硅含爨小于2 5 w t 时，合金具有非常优秀 的延搏性能；两禽硅量程2 。5 w t ，和4 w t 左右肘，其蜓 率性能突然酶低；当 含硅量超过5 w t 时，合金基本不具有延伸性能。这给高硅铁硅合金的加工 以及生产，应用带来了逝太的阅题。 i 。l 3 铁建合金的职突与应用现状 作为电学，磁学领域里最藏要的核心材料，铁硅台金材料的应用已有百 牮。含金逶过氍缓热王稻复杂熬熬整瑶之矗裁褥簧硅镶片( 滚骞称箕为毫王 铜板) 。 最翠在1 9 0 0 年葵鬣懿w f b a r r e t t 、wb r o w n 移强a h a d f i e t d 发臻在 铁中增加硅的含壤的时候，能够提高材料的磁性能。与传统的碳素钢楣比较， 撩豹鸯羹入戆够撬嵩电疆率，簿羝磁滞损失羁灞滚援失，提裹磁导率。邃轰德 豳于1 9 0 3 年第一次生产出硅铜片，1 9 0 5 年美嘲将其商品化，英国从1 9 0 6 年 疑始囊效性生产。毽鸯予当酵懿冶炼技术霸王娃条嫠瓣疆裁，惩簧耩镄懿控 制熔炼含金组成是一件很困难的事情。尽管生产上困难重重，但硅钢片仍然 遨透豹敬谯了碳豢钢板在电磁镶域广泛应瘸。琏镶片翅嚣我戆发曩发生在 1 9 3 4 年，g o s s 技表了取向硅钢片的生产专利。此项技术性革命将硅钢的生产 方法垂援寒魏冷魏帮连续遮灭改进为2 次冷转翱孛闯遐火。戴方法大丈增热 了硅锅片的取向性从而显著优化了自身的磁学性能。此后的钟罩式连续遐 必聪碳工艺显蔫戆降低了会金孛豹碳客燕，馊产鑫懿磁性能稳定下来。取囱 硅钢片的发展谶一步取代了热警l 硅钢片，成为变压器铁芯材料的核心。 美擞豹瓤姆挺公司i 壹是檄器硅镪冀骚究生产豹中心。翳本硅镪羚按拳 的发展得宜于具有自主知识产权的高磁感取向硅钢片( 掰b ) 的开发成功。 它是剽爆a 1 n 徽为翔制剽进行一次大援下搴鸵冷轧至凝终零发瑟，器进行长 时间的退火。此方法缩短了工蕊，提高了产品的磁性能。日本的新日铁公司 武汉理工丈学硕士学位论文 _ - _ - - - _ h _ - _ 一一一一一 于1 9 6 8 年正式开始销售此产品。此后硅钢片的生产技术逐步改善，工艺不断 成熟，生产得到的产品，其性能稳定磁性能不断提高。目前，低硅非取向 硅钢片，中硅( 含硅3 w t 左右) 非取向、取向硅钢片的生产工艺已经非常 成熟f 9 1 。 高硅硅钢片的研制和发展经历了一个相当长的基础研究和开发时期，早 在二十世纪八十年代日本东北大学的a r a i 教授等就对含硅量为6 5 w t 的 铁硅合金在直流静态磁场中和交流动态磁场中的磁性能进行了详细全面研究 i t o - i i 1 ，并与传统的低硅含量铁硅合金进行了比较。结果发现高硅铁硅合金具 有高磁导率，低铁芯损失的优异磁性能，使高硅铁硅合金成为磁性材料领域 的研究热点。一些学者也对其结构和性能进行了详细的研究1 1 2 0 4 1 。由于高硅 铁硅合金自身无法避免的脆性，从而无法采用传统的铸锭和轧制工艺来制备 能够实际应用的板材。当时实验室的研究重点主要集中在采用金属液态急冷 制备合金带材的方法。虽然制备得到的带材具有一定的可加工性能和优异的 磁性能，但由于制备条件比较苛刻，得到试样规范的可控程度低，所以难以 最终形成规模化的工业生产。 圈1 - 1 0n k k 公司利用c v d 方法制备6 5 w t 硅钢片的工艺路线图 随着c v d ( c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ) 技术的发展，1 9 8 8 年月本n k k 公司第一次生产出厚度0 ，1 0 5 r a m ，宽度4 0 0 m m 的无取向6 5 w t s i 钢片。 1 9 9 3 年该公司成功的建立了全世界第一条商业化的c v d 连续渗硅生产线 15 1 t 生产o 1 0 3 m m x 6 0 0 m m 的6 5 w t s i 锅片产品。其w 1 n o k ( 1 0 k h z 下， 磁感应强度为o 1 t 时的交流铁心损失) 为8 3 w k g ，比3 5 w t 硅钢的1 8 w k g 降低了一半还多。但由于c v d 方法的制作高成本，产品产率低，制备的产 品只能够作为高硅硅钢板材发展过渡时期的替代产品，远不能够满足潜在市 9 武汉理t 大学硕士学位论文 场的需求。然而，直到今天n k k 公司仍然是世界上唯一一家可以生产工业 化高硅硅钢板材的企业。图1 1 0 是n k k 公司利用c v d 方法制备6 5 w t 硅 钢片的工艺路线图。图1 - 1 l 是用此方法制备得到的n ks u p e r e - c o r e 加工成 马达转子的图片。 图1 - 1 1n ks u p e re c o r e 加工成马达转子图片f 1 6 表1 - 2 n k k 公司高硅硅钢片产品以及其对照产品的主要磁学性能参数【1 3 p r o d 删。n s t h i c k n e s 5 f l u xd e n s i t e n s i t y m a 。i m “m p 。0 d “。t i o ” r m m 、 p e r m e a b i i i t y ( ”) ( t ) 1 1 。8 【y s u p e r e c o r e s u p e r h f c o r e n o n o r i e n t e d s i l i c o ns t e e l f e b a s e d g l a s s e s n o n - o r i e n t e d s i l i c o ns t e e l 0 1 0 0 5 0 1 o 1 o ，2 3 0 0 2 5 0 3 5 1 8 0 1 8 5 1 8 8 2 0 3 2 0 3 1 5 0 2 3 0 0 0 5 0 0 0 4 1 0 0 2 4 0 0 0 9 2 0 0 0 c o r el o s s ( w k g ) w 1 0 5 0 w 5 l k w 2 5 k w l l o k w 05 2 0 k 0 5 15 4 0 1 1 38 3 0 9 06 9 17 04 2 1 0 68 9 8 1 1 57 1 0 7 27 6 21 9 51 8 o 6 9 2 9 4 7 1 3 2 0 2 91 0 4 03 3 03 0 03 2 0 3 0 0 0 0 00 1 ll _ 8 34 03 02 4 1 9 59 5 0 00 8 61 9 3 04 5 0 3 8 0 表1 2 是n k k 公司产品以及其它对照样品的主要磁学性能参数。可以看 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ 一一一 到通过c v d 渗硅得到的产品不但具有优异的磁性能，而且具有良好的可加 工性能 国内目前主要有武汉钢铁公司，宝山钢铁公司，太原钢铁公司三家国有 大型钢铁企业可以生产硅钢板材。产品主要集中在少数几种型号的低硅硅钢 板材，其产品的总产量仍然无法满足国内需求。武汉钢铁公司硅钢厂是国内 硅钢片生产科技含量最高的企业，这主要得益于在二十世纪七十年代末期引 进日本取向硅钢板材生产技术，但目前无法生产高硅硅钢板材。鉴于其重要 性，生产高性能的高硅硅钢板材已成为国防，工业，社会发展的当务之急。 1 2 粉末轧制方法 1 2 1 粉末轧制法的发展现状 金属粉末连续生产技术早在上世纪初期就已经出现了。1 9 0 2 年德国西门 子公司和哈尔斯克公司就申请了相关专利。但真正详细描述直接粉末轧制法 生产金属带材的生产方法起始于1 9 5 0 年，由gn a e s e r 和f z i r m 提出。当时 的概念可以理解为粉末通过对辊轧压形成连续带材，并经过热处理和后续的 冷轧退火等工艺最终得到致密化带材 1 7 - 1 8 】。p e e v a n s 和gc s m i t h 的研究 拓展了早期对铜粉的辊轧和烧结的工作，并对致密化过程做了详细的研究 ”“。d k w o r n 和r ep e r k s 研究了用纯的羟基镍粉末生产6 英寸宽0 0 3 0 英寸厚的镍板的生产过程，发现使用传统的冷轧热处理工艺生产直接粉末轧 制带材，其过程比传统的工艺更经济1 2 1 1 。j h t u n d e r m a n n 和a r e s i n g e r 实验研究了几种铁粉直接轧压成片的工艺【2 2 】。r w f r a n s e r 和d j e v a n s 制 备一系列o 1 5 w t 的钴铁合金。发现通过粉末轧制方法得到的非均一化合 金，其材料的力学和结构发生了很大的变化 2 卦。到上世纪6 0 年代末，粉末 轧制理论研究和工艺实践都得到迅速发展。工业上已采用粉末轧制法生产不 锈钢、镍、钴等台金粉末带材。图1 1 0 是该公司用粉末轧制方法制备得到 的金属带材。 直接粉末轧制法是一种可以应用于生产多种金属材料带材的方法，还可 以制备一些常规方法无法制备得到的脆性金属合金以及一些只能够用粉末冶 金法制备的复合材料。例如二元金属包裹合金，此方法有替代常规熔解铸造 武汉理工人学硕士学位论文 的可能，特别是对于生产铜和镍的带材。 图1 - 1 2a m e t e k 公司用粉末轧制方法制备得到的金属带材种类 事实上，粉末直接轧压法最具吸引力的应用领域是生产脆性合金，因为 脆性合金用传统的冷轧工艺是无法制备得到的。应当注意的是，直接轧压法 制备非常规合金，如脆性永磁合金，用于原子能防护的复合材料等方面有着 广泛的应用前景。 由于生产工艺过程的连续性，粉末轧压法在小规模高速生产带材方面拥 有技术优势。粉末轧制法有一个比较显著的缺点，此方法只能生产厚度范围 相对狭窄的带材，而且粉末轧制速度也不是无限可以被提高的。对于生产同 种规格和同种宽度的大量带材的时候，此缺点并不明显。 1 2 2 粉末轧制法制备铁硅合金 w tf w a n g 是为数不多的几个将粉末轧制的方法应用到铁硅合金板材制 备的研究人员【2 4 1 。他将混合雾化铁粉和f e s i l 7 粉末通过滚轧固化得到高于含 硅3 w t 的片材( 厚度0 8 m m ，宽度5 0 m m ) 。详细研究了烧结温度和冷轧下压 率对铁硅片材磁性能的影响。发现磁流密度与烧结致密度基本呈线性关系， 璺堡婆兰盔堂黧主堂堡臻塞 一 涎罄褒缀瀑瘦懿舞裹试糖蠹懿残余痤力海糕，剃戳薅罄浇缝瀑度豹攒热瑟洚 低，二次再烧结和冷轧的下压状况可以提高烧结后片材的磁性能。并对从单 矮f e - s i 糖寒戳及f e f e s i l 7 复食羚衷经过9 0 0 葶珏1 2 5 0 c 烧终嬲冬愿剿靛冀 材试样用光学显微镜进行了研究。 e 。v w a l k e r 秘j 。h o w a r d 对铁硅羚泰混合配拢为9 6 。7 5 w t 。靼 3 2 5 w t 的轧制，烧结以及最终产品的织构进行了研巍。详细报道了烧结温 度和气瓴对粉泰钝剿试撵的晶粮尺寸1 张致密化过程豹影昀。文章还攒述了利 铸得到( 1 1 0 ) 【0 0 i 】晶粒取向试样的烧结工艺，并评价了合金内部不纯物质 对材料褥结晶性能的影响口”。 l 。3 论文王作的提出和研究内容 从已有的工作来看，太部分研究者只是利塌直接粉末轧制的方法制备硅 含蠡在o 4 w t 离硅铁醚合金片乖| ，并对其浇结特性，显徽结构隧及静态磁 性能进杼了研究，结果都不是非常满意。丽没宵人成功的报邋利用直接粉末 轭制的方法涮备疆含囊在6 。5 w t 酶离醚铁硅合金带毒孝。有鉴于此，我们以 粉末轧制法制备硅含量在6 5 w t 左右的高硅铁硅合金带材为切入点，并对 箕浇结梳理，鑫徽组织以及交、直流磁往能避行详缀鹃研究，这对该产品的 最终工业化生产有着重要的意义。 零论文觚个特殊静复舍粉末悉鼹出发，邋过幂j 蹬亚徽米和微米尺度的 混合硅粉与水雾化铁粉形成均匀包覆型复合粉沭，通过连续轧制成型设备和 分段式热处理，燕翻硅锱坯带审a 固漆结构与箕有序麓品格稻的形成，在离 硅硅钢片致密成材前，对板材进行机械加工处理，得到较大尺度的试榉带村， 雾瓣箕筑结极毽，显徽缀织鞋及交、蠹流磁性麓进幸亍详细酶鼍 究。本实验思 路在制铸工艺技术上的突破，肖望形成一种适合工业化大规模生产高硅硅钢 冀鹃薪鼓寒，受簇决军攀王篷，汽车王遵，电力工韭上急需鹃离往麓铁磁奉李 料的研制和开发提供一条新的逡径。 然墨堡三查堂璎主堂垡鲨塞 。 第二章离硅硅钢板材带i l 备工艺的确定 麸銎1 - 9 嚣遗铁硅会众熬延磐率薅醚含量变纯熬线霹疆缮弱；当食硅蠡 越过5 ，时，台金基本不其有延伸饿能。这给商磁铁硅合金的机械加工带 来了很大的难题。我们注意到这一结聚是对应于熔炼铸造，经过加工处理后 德到试样的测试结果。我稍试图通过观察楣同条体下制器褥到的铁硅舍金试 徉翁金稻缓织，寒了解导敬箕臆经鹩琢遨。 2 1 高硅铁硅合金的熔炼工艺与脆性分辑 2 1 1 铁醚台金试祥的熔炼制备 利用真空电弧熔炼炉，将铁硅单质众属按硅含爨为0 1 5 w t 组成比例称 爨，反复熔滚簇冬或隽会众块傣。裁备耩裂豹块镕分剃裂爰金粼石甥叛辍甥 粼，镶嵌入环瓴树脂材料巾。经过打黪和金相抛光之后，用棉榉活2 ( 体 积比) 的硝酸酒精对表面进行l l o 秒的腐蚀。马上在金相显微镜下进行观 察。由于铁被会金晶粒尺寸比较大，所以选露羝倍数镜头进行观察按照。 2 1 2 铁硅含金试样的金相分析 壅霆1 - l 铁疆二元会众鞠塑可以番剿，在含硅纛笼0 - 1 5 w t 铁蘧合金中 萦存在伍，丫。a l ，伍2 蹭种糟结梅其审伐相是a l 结构，是硅骤予在铁的体 心晶格中以鬣换无序固溶的形式存在的高温和低温的稳定相结构。y 相是a 2 结构，是硅原予在铁豹磁心晶搔中以爨换无| 芋固溶的形式存在豹离温稳定穗 缭穗。氆l 柽燕d 0 3 结秘，窀豹结鞫鲡鞭2 1 ( a ) 繇示，是一释囊裔较离有序度 的超晶格结构。a 2 相是b 2 结构它的结构如图2 1 ( b ) 所示，是一种具有较低 肖序度的超晶格结构，其缡构与c s c l 缝构相同。本论文所要制舔的含硅量在 6 0 - 6 。5 w t 。褰建铁硅会金程煞力学平舞态下豹穰终稳就是疆l 帮程2 熬混台稳。 1 4 武汉理上火学硕士学位论文 图2 - 1高硅铁基合金的相结构图像 ( a ) d 0 3 结构 ( b ) b 2 结构 2 6 1 图2 - 2 至图2 1 4 为对含硅量为0 1 5 w t 铁硅合金金相观察照片，放大 倍数为5 0 。其中标尺长度均为。 图2 - 2 纯铁的金相照片 5 0 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 由图2 - 2 可以观察到纯铁的晶粒为不规则岛状分布，晶粒间以不规则齿 状连接，是很明显韧性组织。晶粒大小差异很大，从几十t t m 到几百帅均 有存在。 当添加1 w t 硅时，试样的晶粒形状与纯铁试样的基本相同( 图2 3 ) ， 但晶粒尺寸明显增大。由图2 - 4 至图2 5 ，合金中硅含量从3 w t 增加到4 w t ， 其晶粒形状由相互齿合的岛状晶粒演变为弧状卵石状晶粒。这种变化使其机 武汉理丁大学硕十学位论文 械加工性能明显下降。 图2 - 3 含硅1 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部 ( b ) 试样一t l , 部 图2 4 含硅3 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 图2 - 5 含硅4 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 由图2 - 6 至图2 1 0 ，合金的晶粒组织转变为相互支撑的多边形晶粒，多 为柱状大晶粒。晶粒尺寸稳定在3 0 0 5 0 0 9 m 左右。在铁中溶入硅原子形成固 溶强化，使得合金的晶粒结构发生明显变化，晶粒尺寸大小均匀，边角分明。 武汉理j 二大学硕士学位论文 这是导致合金拉伸率骤然降低的原因。我们知道，在机械拉伸或压缩过程中， 柱状晶粒容易发生沿晶或穿晶断裂，裂纹得不到抑制而明显扩展。所以铸造 后的高硅铁硅合金无法用轧制的方法进行后期机械加工处理。 图2 - 6 含硅5 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 图2 7含硅6 0 w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 图2 - 8 含硅6 5 w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 由图2 - 1 l 至2 - 1 4 ，合金中硅含量从1 0 w t 增加到1 5 w t ，多边形晶 粒逐渐消失，出现了粒状晶粒，粒状晶粒尺寸先减小后增大，最小的时候为 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 1 0 0 i _ t m 左右。硅含量达到1 5 w t 时，晶粒尺寸约4 0 0 1 t m 。晶粒边缘非常 明显，抛光后即使不通过腐蚀也能够明显的观察到晶粒形状，且腐蚀液对其 基本没有侵蚀效果。 图2 - 9 含硅7 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 图2 1 0 含硅8 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 图2 - 1 1 含硅1 0 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 武汉理工大学硕士学位论文 强2 一1 2 禽疆1 2 。o w t 铁硅合金金鞠照片 ( a ) 试样逸部( b ) 试样心酃 图2 - 1 3 禽硅1 4 o w t 铁硅合金金相照片 ( a ) 试样边部( b ) 试样心部 图2 1 4 含硅1 5 。o w t 铁硅合金金拍照片 ( 鑫) 试梯透部强) 试样一0 部 2 ，1 3 高硅铁硅合金脆性原因分析 对于合念组成在6 0 7 o w t 静离张铁硅台金试祥，可跌嚼纛观察到鑫粮 为多边形状，其晶粒尺寸在5 0 0 p m 左右，这是明鼐的脆性组织特征。利用铸 9 武汉理工大学硪士学位论文 造冷轧退火豹王艺测冬该缀成豹建镶叛奉耋簿，由予念金缀织梵臁犍穰，在骢 压变形过程中，晶粒闻必然会发生断裂，无法翔工成型。所戳，要怨翩餐离 硅硅钢片，必须从材料的制备方法本身入手，通过特殊的处理正艺减少材料 自身的脆性组织，降低材料加工过稷巾的晶粒尺寸，使材料不发生脆裂。 2 2 高硅硅钢板材的粉末冶金工艺设计 铮对叛童润惩，论文献羧寒耗裂浚麓各硅含爨在6 5 w t 。志蠢戆寒建铁 礁合金带材出发，掇对冀烧结机理，艇微组织戳及交、直流磁性能进行详缎 的研究，制定了一个高张硅钢板材的制备工艺路线。其流程如躅2 1 5 所示。 ( 1 ) 亚微米及微米级混念建粉的刳务； 羁用脆性物质粉采的超微细纯制备系统( 行麓球磨桃，粉末破碎桩，轻 型球磨机) ，制备具有新鲜表面的亚微米及微米级混合硅粉；研究制备工艺参 数对硅粉粒度及粒度分稚的影响。 ( 2 ) 碴- 铁菱合蛰末静裁备： 采用适寂的分散剂岛活化剂，将驻微米和微米缀混合硅粉与铁粉充分混 合。形成张铁复合粉体；测试硅粉在铁颗粒表面的均匀分布情况以及复合粉 髂惹特缝。 ( 3 ) 粉宋辜i 制成型： 采用粉体喂料装置，利用对辊轧机对硅铁复合粉体进行雉延成型；通 过调控魏裁参数，割备褥剿瀵是要求簿度羁宽疫瓣试襻生坯：熬令过程孛， 研究轧压住用对复合糟体的作用程度；蕊察试样轧制过程中静绪构变亿、礁 分布情况等。 ( 4 ) 热处壤工艺： 涌试撩锾复合输体黻及转制成型坯体懿d s c 疑x r d 藏线，建立怒离 硅硅钢试样的热处理工慧：研究工艺制度对结构的稳定性、物相变化、致密 化情况、腧性相有穿度等的影响。 ( 5 ) 往撬灏试与反馈； 对产品的磁学性能和机械加工性能进行评价静予以反馈，进步改进前 期的制备工艺和热处理工艺。最终获得满足要求的离硅硅钢片产品。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 ，3 夺结 图2 1 5 嵩硅硅镶裁毒手的懿备王芑踌线 参 数 反 馈 1 利用真窑电弧熔炼制备得到硅含爨为0 1 5 w t 的铁硅合金。 2 观察硅含纛为o 1 5 w t 的铁硅合众豹金摆组织藏化状况，发现最粒尺寸 静突壤戳及金穗缝或蠢韵往疆绥囱滤佳鏊绞鹣演变是逢成离醚铁硅台会 脆化的主擞原因。 3 设计得到种全新的粉朱复合思路即将脆性愈属粉末以不同粒度范围 武汉理工大学硬士学位论文 分布在塑性金属粉末的表面和间隙中，从而在进一步受应力变形对，形 成塑性金属包裹脆性金属的复合包裹体。此复合体在受外力拉伸或压缩 的变形过程中，塑性金属部分会承担大部分变形量，而不发生明显的断 裂进而保证了复合体的整体连续性和可加工性。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章粉末的预处理与轧制成型 3 1 硅粉的超微细化 3 1 1 原料硅粉的组成与粒度 本论文中实验所用的硅粉为北京有色金属研究总院矿冶所尘产的牌号 为g f 一3 ，厂家给出纯度为9 9 9 ，粒度为过3 0 0 目( 武汉理工大学硕士学位论文 a ) c ) b ) 圈3 - 4 不同球磨时问后镌粉颗粒s e m 图象照片 a ) 球磨时间2 hb ) 球磨时间1 0 h c ) 球磨时闼4 0 h由球廉时间5 0 h 表3 - 2 给出了三种测最方式得到的颗粒尺寸结果。比较发现在球磨时间超 避1 0 拿，l 、跨麓，鬏粒乎瓣尺寸毙较稳定，l 、于l