（材料学专业论文）高硅硅钢的sps制备及其性能研究.pdf

武汉理l ：人学硕十学位论文 摘要 高硅硅钢片是一类性能优异的软磁合金，相比于传统硅钢片材料，它具有高 磁导率、低磁致伸缩和低铁损等更优异的软磁性能及高频特性，因此它更适合 应用于发电机、变压器及各种电机、电器等。但是，随s i 含量的增加，硅钢片 的质地变脆，其机械加工性能变差，难以用传统方法轧制成型，因而严重制约 了其生产和应用。 本论文以f e 粉和f e s i 合会粉术为原料，利用放电等离子( s p s ) 烧结技术来制 备f e 6 5 w t s i 高硅硅钢片，研究了原料粒度、烧结温度，压力等对烧结过程 和产物特性的影响。综合利用x r d ，s e m ，e d s 等测试手段分析，结果表明： s p s 烧结可以大幅度降低烧结温度，在短时间内实现铁硅合金的致密化。原料的 粒度对f e 和f e s i 颗粒之间的扩散反应有影响，从而影响最终产物的物相显微结 构。在粗f e s i 颗粒时，1 0 5 0 0 c 时f e 与f e s i 之问的反应仍不明显，随粒径的减 小，f e 与f e s i 之间的扩散反应开始温度降低。细f e s i 粉末原料在9 5 0 0 c 就实现 f e 与f e s i 颗粒反应。此外加大压力有利于f e 与f e s i 的反应，从而降低开始反 应的温度并影响产物相组成。 烧结试样的m s p 试验表明：原料粒度对最终材料的延展性和破坏行为影响 很大。粗颗粒的原料在烧结温度范围内有具有良好的延展性，表现为延性断裂； 而随粒度的减小，烧结温度的升高，烧结试样延展性变差逐渐变成脆性断裂。 这些结果表明通过原料粒度和烧结温度可以制备出致密具有良好延展性的硅钢 锭。其适宜的工艺条件为粗f e s i 颗粒在烧结温度1 1 0 0 0 c ，烧结压力5 0 m p a 。经 轧制减薄和退火后样品的磁性能为：饱和磁化强度为1 7 7 4 e m u g ，矫顽力为 3 6 7 0 e 。其饱和磁化强度与由f e 和s i 混合压延法制备的硅钢相当，但矫顽力约 降低9 倍。 关键词：高硅硅钢，放电等离子烧结，小型冲压试验，磁性能，轧制 武汉理i ：人学硕仁学位论文 a b s t r a c t t h eh i g hs i l i c o ns t e e l sh a v eap o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nm a g n e t i cd e v i c e ss u c ha s t r a n s f o r m e r s ，h i g h s p e e dm o t o r sa n dp o w e rg e n e r a t o r sa th i g hf r e q u e n c yd u et ot h e i r h i g hp e r m e a b i l i t y , n e a r z e r om a g n e t o s t r i c t i o na n dv e r yl o wc o r el o s sc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a ls i l i c o ns t e e l s h o w e v e r w i t ht h es ic o n t e n ti n c r e a s e t h es t e e l sb e c o m e b r i t t l ea n di ti sd i f f i c u l tt op r o d u c tu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d so fr o l l i n g ，w h i c hh a s s e r i o u s l yr e s t r i c t e di t sa p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ( s p s ) t e c h n o l o g yw a se m p l o y e dt of a b r i c a t e f e - 6 5 w t s is t e e lu s i n gf e s ia n df ep o w d e ra sr a wm a t e r i a l s t h ep a r t i c l es i z eo f r a wm a t e r i a l s ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h ep r e s s u r eo nt h es i n t e r i n gp r o c e s sa n dt h e s p e c i m e n so fc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e d c o m p r e h e n s i v eu s eo fx r d ，s e m ，e d s a n do t h e rm e a n so fa n a l y s i so ft e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：s p ss i n t e r i n gc o u l dg r e a t l y r e d u c et h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，i nas h o r tp e r i o do ft i m et oa c h i e v et h ed e n s ei r o n s i l i c o na l l o y t h es i z eo fr a wm a t e r i a l si n f l u e n c e dt h er e a c t i o np r o c e s sb e t w e e nf e a n df e s i ，t h u sa f f e c t i n gt h ef i n a lp h a s ea n dm i c r o s t r u c t u r e w h e nt h et e m p e r a t u r e r e a c h e d10 5 0 。c ，t h er e a c t i o nw a sn o to b v i o u sb e t w e e nf ea n df e s ip a r t i c l e si n c o a r s e nf e s ip a r t i c l e s ，w i t ht h es i z eo ft h ep a r t i c l ed e c r e a s e ，t h er e a c t i v et e m p e r a t u r e d e c r e a s e d ，a n dt h e nt h ed i f f u s i o nr e a c t i o no c c u r e da t9 5 0 。ci nf i n ef e s ip a r t i c l e s ，i n a d d i t i o nt oi n c r e a s et h ep r e s s u r ei nf a v o ro ft h er e a c t i o no ff ea n df e s i ，t h e r e b y r e d u c i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h eb e g i n n i n go fd i f f u s i o nr e a c t i o na n da f f e c t i n gt h e c o m p o s i t i o no ft h es p e c i m e np h a s e m s pt e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es i z eo fr a wm a t e r i a l sh a sh u g ei n f l u e n c eo nt h e d e s t r u c t i o nb e h a v i o ra n dt h ed u c t i l i t yo ft h ef i n a ls p e c i m e n s c o a r s ep a r t i c l e sr a w m a t e r i a l si nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eh a dg o o dd u c t i l i t y ，c a l l e dd u c t i l ef r a c t u r e ；b u t w i t ht h es i z eo fp a r t i c l ed e c r e a s i n g ，a n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ed u c t i l i t y o ft h es p e c i m e nd e t e r i o r a t e da n dg r a d u a l l yb e c a m eb r i t t l ef r a c t u r e t h e s er e s u l t s s h o w e dt h a ts p e c i m e nw i t hg o o dd u c t i l i t yd e n s eb u l ko fi r o ns i l i c o nc o u l db e f a b r i c a t e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ep a r t i c l es i z eo ft h er a wm a t e r i a l sa n dt h es i n t e r i n g t e m p e r a t u r e t h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o n sw e r e f e s ic o a r s ep a r t i c l e ss i n t e r e da tt h e h 武汉理f ：人学硕十学位论文 110 0 。c ，u n d e rt h ep r e s s u r eo f5 0 m p a a f t e rr o l l i n ga n da n n e a l i n g ，t h em a g n e t i c p r o p e r t i e so ff i n a ls p e c i m e nw e r et e s t e d ，t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n ( m s ) w a s 17 7 4 e m u g ，c o e r c i v ef o r c e ( h c ) w a s3 6 7 0 e t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nw a s n e a r l yt h es a m ec o m p a r e dw i t ht h eh i g hs i l i c o ns t e e lp r e p a r e db yp o w d e rr o l l i n g u s i n gf ea n ds ip o w d e r sa sr a wm a t e r i a l s ，b u tt h ec o e r c i v ef o r c eo fa b o u t9t i m e s l o w e r k e yw o r d s ：h i g hs i l i c o ns t e e l ，s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ，s m a l lp u n c ht e s t ， m a g n e t i cp r o p e r t i e s ，r o l l 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大 学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同 时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 铁硅合金 第1 章绪论 铁硅合金即硅钢，一般硅含量在0 5 w t “5 w t 之问，是电力、电子 和军事工业不可缺少的重要软磁合会，亦是产量最大的金属功能材料，主要 用作各种电机、发电机和变压器的铁芯。研究表明：硅钢片随着硅含量的增 加其铁损降低，当硅含量增高至6 5 w t 时便具有最佳的软磁特性，磁致伸缩减 小到零，磁导率最大，铁损最小l lj 。与此同时，随着硅含量的增高，材料的硬度 和脆性增大，机械加工性能变差，难以采用传统的轧制方法制备。 1 1 1 铁硅合金的组成和应用 图1 1 是f e s i 合金相图【2 1 ，相图中表明了硅含量0 1 0 0 a t 范围内，温度在 5 0 0 1 7 0 0 0 c 下铁硅合金平衡态相组成情况。可以看出，当s i 含量大于3 8 a t 时，合金不发生丫相变，s i 含量大于1 0 a t 时出现b 2 有序相和d 0 3 有序相，s i 含量5 0 a t 左右时形成f e s i 合金相。表l 一1 给出f e s i 二元合金相组成范围及 其空间群1 2 1 。 图1 1f e s i 合会二元相图 f i g 1 1p h a s ed i a g r a mo ff e - s ib i n a r ya l l o y s 武汉理f ：人学硕 学位论文 表1 1f e s i 二元合金相组成及其空问群 t a b l el 一1p h a s ec o m p o s i t i o n sa n ds p a c eg r o u p so ff e s ia l l o y s 从表中可以看出铁硅合金相的种类有1 0 种，最具有商业用途的合金有两种： 一种是用于磁性领域的软磁合金材料，其硅含量在0 5 “7 w t 之间，最为常见 的是硅钢片，被广泛用于磁性器件【3 j 。对硅钢性能的要求主要是：铁损低，这是 硅钢片质量的最重要指标：较强磁场下磁感应强度( 磁感) 高，这使电机和变压器 的铁芯体积与重量减小，节约硅钢片、铜线和绝缘材料等：表面光滑、平整和 厚度均匀，可以提高铁芯的填充系数；冲片性好，对制造微型、小型电动机尤 为重要：表面绝缘膜的附着性和焊接性良好，能防蚀和改善冲片性；基本无磁 时效。电机工业大量使用厚度为0 3 5 , - 0 5 0 m m 的硅钢片：在电信高频技术中常 用0 0 5 , - - 0 2 0 m m 的薄带钢片，以便更有效地降低涡流损耗。热轧硅钢片厚度为 0 3 5 , - 0 5 0 m m ，密度为7 5 5 7 7 0 9 c m 3 ，多用于大、中、小型交、直流电动机； 冷轧无取向硅钢片厚度为0 3 5 , - 0 5 0 m m ，密度为7 6 5 7 7 5 9 c m 3 ，多用于大型交 流发电机、电动机，大、中、小型交、直流电动机；冷轧单取向硅钢片厚度为 0 3 5 m m ，密度为7 6 5 9 c m 3 ，多用于电力变压器、电抗器、磁放大器等；冷轧单 取向薄带厚度为0 0 5 4 ) 2 0 m m ，多用于无线电高频变压器。另一种是具有抗腐蚀 能力的高硅铸铁【4 l ，硅含量在1 4 - - 1 7 w t 之间。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、硝酸和有机酸的腐蚀。 该合会主要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 硅合金还有其他用途，如发现f e s i 2 是比较好的热电转换材料1 5 j ；硅含量在7 5 w t 左右时，常被用来左右炼钢过程中的除氧剂1 6 j 。 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 高硅钢一般指硅含量在4 5 6 7 w t 之问的铁硅合金，此类高硅钢片由于硅 含量的提高，可以有效提高磁导率和电阻率，有效的减小涡流损耗。从而具有 高磁导率、低的磁致伸缩系数，高频下低铁损等优异的磁性能。本文主要研究 的是高硅硅钢指的硅含量在6 5 w t 左右的铁硅合金，这类硅钢片可以广泛的应 用与空调，冰箱的变流系统，太阳能系统，有轨电车能量系统，反用换流器， 高速马达和发电机等众多领域饿铁磁转换元器件上。特别是其低的铁芯损耗和 磁致伸缩系数能够有效的使原有设备小型化以及降低设备在使用过程中的噪 立 目o 1 1 2 铁硅合金的机械特性和磁特性 图1 2 是铁硅合金的延伸率随s i 含量的变化曲线【3 7 1 。可以看到，曲线存在 两个明显的拐点，s i 含量小于2 s w t 时，合金具有非常良好的延伸性能；而当 s i 含量在2 5 w t 时，合金的延展性能突然大幅度降低，之后随s i 含量的升高， 合金的延展性能小幅度提高，当s i 含量超过5 w t ，合金的延伸率接近于零， 这使合金难以采用传统的冷轧工艺进行加工。 0 00 51 o1 52 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 57 0 s ic o n t e n t ( w t ) 图1 2f e s i 合会的延伸率 f i g 1 2t h ee l o n g a t i o n so ff e s ia l l o y s 图1 2 是铁硅合金的最大磁导率曲线，最大磁导率有两个峰值。分别在s i 含量在2 w t 和6 5 w t 左右，峰值约为1 0 0 0 0 和2 5 0 0 0 。图1 4 为铁硅合金的 磁致伸缩系数随s i 含量的变化曲线f 引，可以看出当s i 含量在6 5 w t 时，磁致 伸缩系数九1 0 0 ，九i l i 均接近0 。 武汉理：人学硕十学何论文 图1 - 3f e s i 合会的最大磁导率 f i g 1 - 3t h em a x i m u mp e r m e a b i l i t yo f f e - s ia l l o y s 入 j 。1 1 。 o12345678 s ic o n t e n t ( w t ， 图1 4f e s i 合会的磁致伸缩系数 f i g 1 - 4t h em a g n e t o s t r i c t i v ec o e f f i c i e n t so f f e s ia l l o y s 6 5 w t s i 高硅钢与普通硅钢的磁性能【9 l 见表1 2 。由表可知，高硅钢的铁损 约为无取向硅钢的1 2 ，磁致伸缩率约为无取向硅钢的1 2 5 。在4 0 0 h z 时，高硅 钢的铁损要比取向硅钢小，磁致伸缩率约为无取向硅钢的1 1 6 。由此可见， 6 5 w t s i 高硅钢材料能在较高频率下实现低铁损和低噪音化的优良性能。 4 为 侣 加 5 o 与 o l ，一 武汉理i ：人学硕十学位论文 表1 26 5 w t 的高硅钢与普通硅钢的磁性比较 t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i s o no fm a g n e t i cp r o p e r t i e so f6 5 w t s is t e e l a n dg e n e r a ls is t e e l 材料板厚磁通密度铁锁( w k g )艇人磁导 磁致伸 ( m m ) b “t )率( h m 1 )缩( 1 0 6 ) w 1 0 1 5w l o ，4 0 0w 1 0 1 kw lo ，5 kw i o 1 0 k 6 5 s i01 01 2 5o7 17 5 06l3 02 4l8 0 0 0o 2 高硅钢 0 3 51 3 3o 5 81 0 01 1 o7 26 34 5 0 0 00 2 05 0l3 50 6 l1 751 6 41 1 8 9 9 5 8 0 0 0o 2 取向硅钢0 1 01 8 5 0 7 27 47 65 34 62 4 0 0 0i 3 o3 5 i9 30 4 2l l 81 6 4l5 21 3 58 6 0 0 01 3 允取阳硅钢 o 3 514 2l3 91 7 01 9 7l24l o 27 6 0 05 0 1 1 3 铁硅合金的研究现状 铁硅合金，随着s i 含量的增加，尤其当s i 含量超过5 w t 以后，合金变得 既硬又脆，加工性能急剧恶化，难以大量的生产和广泛的实际应用中。但是， 高硅钢材料优异的磁学性能和广泛的应用自仃景，又吸引着人们进行大量的研究 和丌发工作。 1 1 3 1 传统轧制工艺 自从t i s h i z a k a 等人【l o 】于1 9 6 6 年利用热轧一冷轧法首次制备出0 3 m m 厚的 6 5 w t s i 硅钢薄带以来，人们一直在努力探索，使制备高硅钢薄板的传统工艺 尽量简单、经济、操作性强，并取得了一些成果1 1 1 - 1 4 1 ；俄罗斯研制了一种三轧法 工艺【1 5 】，即热轧、温轧和冷轧。在激烈调整原子有序排列的温度区间以大于总 轧制量7 5 的中间温轧可以破坏有序排列和改善塑性，但用这种方法获得 6 5 w t s i 高硅钢所实施的附加处理使工艺过程相当复杂；员文杰等人【l6 】从改善 高硅钢加工脆性入手，对铁硅复合粉术的制备、复合粉末的连续轧制，带材的 烧结机理和制备高硅硅钢片的工艺流程以及其磁性能进行了的研究。 1 1 3 2 快速凝固工艺 快凝技术( r s ) 又称急冷凝固技术，近年来在金属材料加上制备中获得了突飞 猛进的发展。n t s u y a 和k i a r a i 1 7 “8 1 利用急冷工艺制备出厚度为0 0 3 - - 0 o l m m 的6 5 w t s i 硅钢薄带。极其细小的晶粒组织引起了人们的极大关注。国内一些 科研单位【9 j 应用快速凝固方法成功地研制出了磁致伸缩接近零和电阻率高达 武汉理i ：人学硕十学何论文 8 2 p f 2 c l t i 的6 5 w t s i f e 铸态极薄带。但这些研究仅仅限于应用基础研究，生 产出来的薄带，宽度和厚度有限，形状精度难以控制，要进行规模化生产还很 困难。喷射成形工艺是一种新的快速凝固技术i i 引，涉及粉末冶金、液态金属雾 化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术。其特点就是将经气 体雾化的液态金属熔滴沉积到一定形状的接收器上，直接制成一定形状的产品。 由于该技术是具有通用性和产品多样性的制造系统，厚度不受限制，产品形状 也容易控制。j h y u 等人【2 0 2 1 1 分别采用铸造成型和喷射成形成功制备了 o “5 w t s i 的高硅合金。 1 1 3 3 化学气相沉积( c v d ) 工艺 随着c v d 技术的发展，1 9 8 8 年日本钢管公司( n k k 公司) 第一次生产出厚度 0 1 0 5 m m 宽度6 0 0 m m 的无取向f e 6 5 w t s i 钢片【2 2 2 4 l 。它是利用传统的硅钢 片的表面和硅化物之间的高温化学反应使s i 富集在硅钢片上，具体步骤是利用 含硅气体( s i c l 4 ) 在一定温度下与硅钢带反应形成一层f e 3 s i ，再提高炉温使硅向 钢带内部扩散，制成f e 6 5 w t s i 合金带材。y u k i oi n o k u t i 等人【2 5 1 采用c v d 法 在取向硅钢表面包覆t i n 薄膜来改善磁性能结果表明由于减小了表面的涡流损 耗而使铁损得到了很大的降低。0 s c h n e e w e i s s 等人1 2 6 j 则采用c v d 法在取向硅 钢表面上沉积f e 3 s i 薄膜，分析在不同热处理条件下样品的微观结构和相组成的 变化。胡广勇等【2 7 。8 】用f e 3 w t s i 为母材，采用c v d 法制备f e 6 5 w t s i 钢薄 板，在分析渗s i 制备f e 6 5 w t s i 合金板的实际工艺要求基础上，选定了母材 的s i 含量，扩散温度及气氛浓度，利用计算机模拟了在所确定条件下对一定厚 度样品实施单步扩散和两步扩散的最佳处理工艺。 1 1 3 4 其它制备工艺 吴润等【2 9 l 采用等离子体化学气相沉积法( p c v d 法) ，将s i c l 4 气体通入炉， 气体在直流电场作用下发生分解和电离，得到的s i 离子冲入试样表层并与f e 原 子反应，从而制备得到6 5 w t s i 硅钢片。t s a k a i 等人1 3 0 j 早在1 9 7 7 年就采用粉末 冶金的方法将铁粉与f e 1 7 w t s i 合金粉混合后压制和烧结，制备了含 l - 5 w t s i 的f e s i 合金，研究表明，当硅含量超过2 w t 才能烧结得到致密度 较高的合金，含2 3 w t s i 的烧结合金除了磁导率其他的磁性能与铸造的合金相 当。k k u s a k a 等人1 3 1 i 主要通过两种的不同的原料粉木来分别制备f e 0 8 w t s i 的合金：一是铁硅原料粉未直接混合配比不同成的合金粉末；二是先制备出合 6 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 会粉末f e 2 1 w t s i ，再与原料铁混合配比成不同成分的合会粉末。合会粉木的 烧结工艺：烧结温度为1 1 0 0 1 3 5 0 0 c ，保温l 小时的真空烧结，分析了材料的密 度和磁性能变化。经过磁性能的测试和综合比较，认为铁粉与合会粉的混合粉 具有很好的压缩性和烧结性，由其制备的烧结合金的密度和磁性能均高于由合 金粉末为原料的烧结合金。胡长征等人p z j 尝试采用放电等离子烧结不同的制备 工艺合成的具有包覆性的铁硅粉未来制备铁硅合金块体，但最终样品的磁性相 比于同本n k k 公司的产品较差。其他制备工艺 3 3 - 3 6 1 也有初步的尝试。 1 2 放电等离子烧结技术( s p s ) 放电等离子烧结【3 m 8 l ( s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ，s p s ) 又称等离子活化烧结 ( p l a s m aa c t i v a t e ds i n t e r i n g ，p a s ) ，是9 0 年代出现的材料制备新技术之一。它是 利用脉冲大电流直接施加于模具和样品上，产生体加热，使被烧结样品快速升 温；同时，脉冲电流引起颗粒间的放电效应，可净化颗粒表面，实现快速烧结， 有效的抑制颗粒长大。传统的热轧烧结主要是由通电产生的焦耳热和加压造成 的塑性变形这两个因素来促使烧结过程的进行。而s p s 烧结除了这两种因素外， 在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的直流脉冲电流，并有效利用在粉体 颗粒问放电所产生的自身发热作用。同时，由于模具和样品导通后得到加热， 断电后两者即实现迅速冷却。与自身加热反应合成法( s h s ) 和微波烧结法类似， s p s 烧结是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。这种放电直接加热 法热效率很高，放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因此容易制备出均质、 致密、高质量的烧结体。 s p s 工艺优势明显，升温速率快，烧结时间短，一般只需几分钟，同时由 于脉冲电流的作用，可提高颗粒的表面活性、降低材料的烧结温度，可有效抑 制晶粒的长大。与通常的烧结方法相比，s p s 过程中蒸发凝固的物质传递要强 的多，在该过程中，晶粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递也得到了促 进。晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散都得到加 强，加速了烧结致密化的进程。这样看来，用较低的温度和短时阳j 即可得到高 质量的烧结体。 s p s 烧结可在短时| 日j 内获得很高的致密度，不仅可以节约能源消耗、节约时 间，还可提高设备的效率，并且获得的烧结体晶粒均匀、致密度高、力学性能 武汉理i ：人学硕十学何论文 好。由此看来，s p s 在制备材料领域的应用将会更加广阔。这对于工业生产来说， 在节约能源、提高生产效率方面都有重要的意义。 1 3 论文工作的提出与研究内容 含硅6 5 w t 的铁硅合会是一类性能优异的软磁合金，但由于加工性能很差， 难以用传统方法轧制成型，因而严重制约了6 5 w t 硅含量铁硅合会的生产和应 用。目前研究的高硅钢制备技术均存在着一定的问题和缺点：特殊$ 1 , 1 n 法是对 传统s l n 方法的改进，但是对轧制制度要求严格，使高硅钢带材的成品率低， 生产成本高；快速凝固法制备的高硅钢带材表面质量差，其宽度和厚度都受到 局限；c v d 法虽然是目前最为成功的方法，但是由于s i c l 4 气体腐蚀性强，设备 因腐蚀而使用寿命短，生产成本高以及对环境有污染；p c v d 法的制备周期比较 长，成本也较高。其它的制备技术【3 9 4 1 l 基本都处于实验室的初步研究阶段。采 用粉未轧制法【4 2 4 5 】制备高硅硅钢只有初步的尝试。 本文拟采用s p s 技术快速活化烧结的特性，采用一种铁硅合金处理的新工 艺，该工艺是这样的：先采用熔炼法制备出f e s i 合金粉末，然后与f e 粉末直接 配比成f e 一6 5 w t s i 合金粉末后经过不同工艺的s p s 烧结成块体，力图得到一种 可行的制备工艺条件使最终的样品具有高致密度，良好的延展性能。利用非平 衡态的可加工性完成前期加工过程来改善高硅硅钢片在成材以前的脆性，在硅 钢片达到平衡态之前完成其成形加工，最后经过轧制和热处理获得成分均匀分 布的高硅硅钢片，为高硅含量的硅钢片的生产提供一条新的方法。 具体研究内容如下： 1 根据不同粒度f e s i 合金粉末在不同烧结温度、时间下的收缩、物相组 成和微观结构等研究其s p s 烧结行为。 2 不同粒度的f e s i ( 3 3 3 w t s i ) 合金粉末与f e 粉配比成f e 6 5 w t s i 合金 粉末，采用s p s 烧结技术，研究不同的烧结工艺( 烧结温度、预压力) 对样品的气 孔率、显微结构、物相组成和性能之间的关系。 3 采用m s p 测试方法研究试样的机械性能，以确定下一步进行s l n 的试样， 讨论其力学性能与微观结构之间的关系。 4 轧制减薄处理试样，研究热处理对合金均匀化，致密化过程和磁性能的 影响。 8 武汉理l ，大学硕卜学位论文 第2 章高硅铁硅合金块体的s p s 制备 21 实验原料 21 1f e 粉 实验所采用的铁粉是闩奉神户制钢所生产的型号为3 0 0 m 的水雾化铁粉。它 是钢锭在电气感应炉中熔炼至液体后，再通过高压泵加压喷射至冷却水中冷却， 回收后得到的粉末，由这种方法得到的粉末具有不规则的形状，且表面大多有 球状突起。图2 1 是试验用铁粉的s e m 照片。可见其颗粒都是不规划形状，大 部分粒径在l o 8 0 9 r n 。这种铁粉具有高纯度，特别是对磁性有害的杂质如c ，s 等含量很低，其杂质成分见表2 1 。 图2 1 铁粉表面形貌的s e m 照片 f i g 2 - lt h es e mm i c r o g r a 口ho f i m nl 】o w d e r 表2 - 1 铁粉中杂质的化学组成成分 t a b l e2 - lc o m p o s i t i o n so f i m p u r i t i e si nt h ef ep o w d e r 武汉理l ：人学硕t = 学何论文 2 1 2f e si 粉末 实验用的f e s i 粉术采用熔炼法自己合成。 通过将s i 粉( 纯度为9 9 9 ，北京有色金属研究总院) 和铁粉按摩尔比1 1 ：l 混合压块后，放入电弧炉( a c m 0 1 ，f j 本大亚真空株式会社) 中熔炼，获f e s i 块 体，粉碎后即为后续实验用f e s i 粉末。图2 2 是合成的f e s i 粉木的x r d 图谱。 可见产物中有f e s i 和少量的f e s i 2 相存在。在烧结产物的能谱分析中( 图2 1 8 ) 也可见在f e s i 颗粒内部有高硅含量的f e s i 2 相存在。粉术样品的化学成分分析表 明其s i 质量含量为3 4 2 。高于理论上的f e s i 相的s i 含量，这是由于在合成 f e s i 时s i 的过量太多造成的。 2 2 实验 图2 - 2f e s i 合会的x r d 图谱 f i g 2 - 2x r dp a a e mo ff e s ip o w d e r 为了研究粒度的影响，将熔炼制备的f e s i 进行了粉碎与筛分，球磨。选取 三种粒度的原料。i ：1 0 0 2 0 0 目f e s i 粉，i i ：2 0 0 目f e s i 粉，i i i ：球磨后 ( a s m i l l e d ) f e s i 粉，其形貌如图2 - 3 ，颗粒具有不规则形状。 l o 武汉理1 人学硕十学化硷史 图2 - 4s p s 蹬备结构示意圈 f i g2 - 4s c h e m a t i co f s p s d e v i c e 武汉理i ：人学硕十学何论文 系统组成为：垂直的轴向加压装置，特制的水冷冲头电极，水冷真空室， 真空、空气、氩气气氛控制系统，特制的真空脉冲发生器，冷却水控制系统， 温度测量系统，应力位移系统以及各种内部安全制御系统。 其技术路线如图2 5 所示： f e 粉f e s i 粉末 十 熔炼制备 1 l 一，。+ i i 。f f e 6 5 w t - s i 粉末 ri 粉禾羊立度 1 1 上 s p s 烧8 9 l l 烧结t 艺参数l 0 合会块体 i，i 羚引猫蒲 1r 硅铡薄片 l s e m l 一l 一 1 ，叫3上j r m s f 退火处理 01 l 气孔率 娃微结构 i 物相组成l 力学性能 i li 磁性能测量 2 3 测试方法 图2 5 研究工艺路线 f i g 2 5t h ep r o c e d u r eo fr e s e a r c h 气孑l 率测试：采用a r c h i m e d e s 法测定各样品气孔率。 物相分析：采用x 射线衍射仪( r i g a k uu l t i m ai i ) 分析试样的物相组成，扫描 速度为4 0 m i n ，步长为0 0 2 0 ，角度范围2 0 0 2 0 l o o o 。 形貌观察：采用扫描电子显微镜( h i t a c h i 一$ 3 4 0 0 n ) 和配置的能谱仪( e d s ) 观察试样的表面形貌和成分分析。 1 2 武汉理i ：人学硕十学何论文 2 4 结果与分析 2 4 1 铁硅合金的s p s 烧结行为 s i n t e r i n gt i m e m i n p 奄 l 暑 巴 e 旦 西 兰 里： 兰 c ，) 图2 - 6 不同粒度粉末在烧结温度为l1 0 0 。c 时，烧结过程中的z 轴位移收缩率 和温度与时问的变化曲线 f i g 2 - 6s h r i n k a g ec u r v e so fs p e c i m e n sd u r i n gs p ss i n t e r i n g 图2 6 为不同粒度的粉末在烧结温度为l1 0 0 0 c 时，烧结过程中的z 轴位移收缩 率和温度与时间的变化曲线，重点分析1 0 0 2 0 0 目f e s i 合金混合粉末的烧结曲线， 在5 r a i n 以前的烧结初期，轴向位移负收缩，说明试样在膨胀。在5 m i n 至l j l1 5 m i n 内，温度仍呈直线关系上升，轴向位移向正方向迅速增加，试样在迅速收缩致 密。认为是通过物质的迁移、蒸发与凝聚、部分原子排列的改变和位置的调整， 使颗粒紧密结合在一起，促进样品的致密。随后固相烧结过程基本完成，体积 开始略微增大。样品的气孔率呈缓慢下降情况。在1 1 5 m i n 至1 3 m i n 内，此时温度 己达到1 0 0 0 0 c 以上，铁硅颗粒间发生扩散反应，此时试样的膨胀是由于扩散速 率的差异形成的克肯达尔( k i r k e n d a l l ) 气孑l 造成。在1 3 m i n 至1 4 m i n 内，样品的温 度达到预定的烧结温度，烧结过程基本结束，晶粒的长大对烧结致密度化有重 要作用，气孔变成孤立封闭状态，这保证了最终烧结的样品具有一定的硬度和 武汉理i ：人学硕十：学位论文 强度。而2 0 0 目和球磨细化的f e s i 合会混合粉术的烧结行为类似，由于粉末粒度 的变小，粉木的比表面积减小，具有较高的表面能，f e s i 合会粉未的扩散开始的 温度有所降低，2 0 0 目的f e s i 合会粉术烧结结束后具有最大的收缩位移，表明具 有较低的气孔率，较高的致密度。球磨细化后的f e s i 合会粉末具有最小的收缩位 移，说明在烧结过程中，球磨细化后的f e s i 合会粉末与f e 基体中的扩散速率最快， 形成了较多的气孔，试样具有较高的气孔率和较低的致密度。 s i n t e r i n gt e m p e r t u r e 图2 7 不同烧结温度时试样的收缩率 f i g 2 - 7s h r i n k a g ec u r v e so fs p e c i m e n sw i t hs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e 文献【州7 j 报道采用常压烧结铁硅合金粉末块体，如图2 7 ，分析认为，当烧 结温度低于l1 0 0 0 c ，烧结过程中主要是f e 基体的烧结，f e s i 3 0 和f e s i l7 合金 粉末没有变化，无明显的扩散反应，温度升高到1 1 0 0 0 c 以后，f e s i 3 0 和f e s i l 7 合金粉术中铁硅原子才逐渐的开始向铁基体中扩散反应，产生膨胀的原因可能 是因为由于铁硅原子扩散速率的差异而出现的克肯达尔气孔和形成的铁硅固溶 体的密度略比合金粉木的密度低，这与我们实验结果是一致的。 对比可以发现，采用s p s 烧结合金粉术时，我们可以明显的降低粉未的烧 结扩散反应温度，这是与s p s 烧结原理的有关，通过样品及间隙的部分电流激 活晶粒表面，击穿空隙内残留气体，局部放电，促进晶粒问的局部结合；当电 极通入直流脉冲电流时，瞬问产生的放电等离子体使烧结体内部各个品粒自身 1 4 武汉理i ：人学硕十：学何论文 均匀的产生焦耳热并使表面活化。用于施加压力的石墨挚片在通电加热时用作 电极，电场的作用是加快扩散过程。因此，在s p s 过程中样品同时被内外加热， 加热可以很迅速同时由于脉冲电流的作用，可提高颗粒的表面活性、降低材料 的烧结温度，与通常的烧结方法相比，s p s 过程中蒸发凝固的物质传递要强的 多，在该过程中，晶粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递也得到了促进。 晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散都得到加强， 加速了烧结致密化的进程。可以看出，由于粉术粒度的不同，试样发生扩散反 应的温度也不同，由于粒度的降低，粉术的表面活化能提高，试样反应的温度 会降低，粒度为1 0 0 2 0 0 目和2 0 0 目f e s i 合金粉末中的粗颗粒的扩散在1 0 5 0 0 c 左右，球磨细化后细的f e s i 合会粉末在9 5 0 0 c 左右。 2 4 2 样品的气孔率 图2 8 为i 组粉末试样在烧结温度为9 5 0 11 0 0 0 c ，保温l m i n ，烧结压力为 3 0 m p a 和5 0 m p a 下的气孔率曲线，从图中可以看出试样的气孔率呈先上升后下 降的趋势，且烧结压力越大，样品的气孔率越小。 图2 8i 组试样不同烧结温度和压力下的试样的气孔率曲线 ( 1 0 0 2 0 0 目f e s i 粉末) f i g 2 8t h ep o r o s i t yc u r v e so fig r o u ps p e c i m e n si nd i f f e r e n ts i n t e r i n g t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ( 10 0 2 0 0m e s h ) 对f e s i 合会而言，温度对样品内质点的扩散有很大的影响，烧结压力3 0 m p a 时，在烧结温度低时，粉术颗粒l 日j 只有固相烧结，样品的气孔率比较高，致密 武汉理l ：人学硕十：学位论文 度较低，当温度升高到1 0 0 0 。c 时，粉末颗粒界面处，铁硅原