專利名稱：一種高硅電工鋼薄帶的短流程高效制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高硅電工鋼薄帶的短流程高效制備方法，屬于金屬材料制備加工 技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種高性能低塑性難加工合金帶材的高效制備加工工藝。
背景技術(shù)：
硅鋼又稱電工鋼，主要用作各種電機和變壓器的鐵芯以及其它電器部件，是電力、 電子和軍事工業(yè)不可缺少的軟磁合金。隨著硅含量的增加，硅鋼電阻率和磁導(dǎo)率增加，矯頑 力和渦流損耗減小，特別是硅含量達(dá)到6. 5% (質(zhì)量百分含量)左右時，磁致伸縮系數(shù)趨于 零(僅為0. 6X 10_8)，可以明顯減少變壓器等電器噪聲及能量損耗。但是，隨著硅含量的增加，硅鋼的脆性增大。硅含量超過4%后很難采用常規(guī) 鑄_軋工藝軋制成薄帶材，使得高硅電工鋼的發(fā)展受到了制約。雖然如此，高硅電工鋼優(yōu)異的軟磁性能仍然吸引著國內(nèi)外眾多科技工作者，努力 探索在合金制備成形工藝方面取得新突破。Takada等采用化學(xué)氣相沉積的方法將普通的硅鋼薄板表面滲硅，然后進行均勻化 熱處理，得至Ij高娃電工鋼[Takada Y, Abe M,Masuda S，et al. Commercialscale production of Fe-6. 5wt. % Si sheet and magnetic properties. Journal of AppliedPhysics,1988, 64(10) =5367-5369] 0已在日本企業(yè)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、成本高， 硅含量內(nèi)外不均勻，環(huán)境負(fù)擔(dān)大等問題。Arai等采用快速凝固法制備了尺寸為0. 03 0. Imm的高硅電工鋼薄 帶，組織細(xì)小，塑性較好[Arai K I，Tsuya N, Ohmori K, et al. Rapidly quenched ribbon-formsilicon alloy with high silicon concentration. Journal of Magnetism and MagneticMaterials，1980，15-18 1425-1426] 但是該方法制備高硅電工鋼薄帶成本 高，產(chǎn)品尺寸規(guī)格有限，難以實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。張聯(lián)盟等采用粉末壓延法制備了高硅電工鋼生坯，經(jīng)兩次不同溫度范圍內(nèi)的熱處 理和多道次冷軋，制備出較平整致密的高硅電工鋼板材[張聯(lián)盟，張濤，沈強，等.一種高 硅硅鋼板材的熱處理和多次冷軋加工方法.中國發(fā)明專利，申請?zhí)?3125451. 9，
公開日
2004-9-15]。該方法仍存在制備工藝復(fù)雜、成本高，所制備的薄板產(chǎn)品性能上受到限制等問題。林均品等將真空感應(yīng)熔煉的高硅鋼首先鍛造成厚度10 20mm板坯，然后熱軋到 1 2_，經(jīng)熱處理后溫軋到0. 2 0. 3mm,再經(jīng)熱處理后冷軋得到厚度為0. 03 0. 05mm的 高硅電工鋼帶材[林均品，葉豐，陳國良，等.6. 5wt% Si高硅鋼冷軋薄板制備工藝、結(jié)構(gòu)和 性能.前沿科學(xué)，2007 (2) :13-26]。該方法采用傳統(tǒng)的鑄-軋工藝制備高硅鋼薄板，易于實 現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，但也存在工藝復(fù)雜，整個工藝過程控制要求高，高硅電工鋼帶材成材率 低等問題。除此之外，林均品等人的研究發(fā)現(xiàn)，采用Bridgman區(qū)域定向凝固設(shè)備制備的細(xì) 長柱狀晶組織高硅電工鋼坯料可進行直接冷軋成形，進而有效縮短加工工藝[林均品，梁永鋒，葉豐，等.一種高硅鋼定向凝固板坯冷軋直接制備薄板方法.中國發(fā)明專利，申請?zhí)?200810119299. 7，
公開日2009-01_28]。該方法目前仍存在諸多問題，首先是采用液態(tài)金屬 冷卻法制備坯料，成本昂貴，且只限于小尺寸，難以工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用；其次是定向凝固后將 坯料直接進行冷軋，材料脆性大，邊部開裂嚴(yán)重，板材成材率很低。綜合分析以上高硅電工鋼薄帶制備技術(shù)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有工藝存在需要特殊的設(shè)備，生 產(chǎn)工藝復(fù)雜，或者存在坯料與產(chǎn)品尺寸受限制、性能較低等問題，均難以實現(xiàn)低成本高效率 規(guī)模生產(chǎn)高硅電工鋼薄帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高硅電工鋼薄帶的短流程高效制備方法，解決了硅電 工鋼帶材制備工藝復(fù)雜、設(shè)備和控制要求高、成本高等問題，具有流程短、效率高、易于工業(yè) 化應(yīng)用、產(chǎn)品性能高等優(yōu)點。一種高硅電工鋼薄帶的短流程高效制備方法，針對高硅電工鋼的加工特性，采用 定向凝固+坯料淬火熱處理+中溫包套軋制+室溫軋制的工藝，實現(xiàn)高效制備。利用定向 凝固的方法制備高硅電工鋼坯料，有利于制備過程中氣體及夾雜的去除，從而獲得缺陷較 少、組織致密的鑄坯，通過合理控制工藝參數(shù)，可制備晶粒取向度高的柱狀晶高硅電工鋼； 對坯料施加淬火處理可改善合金的組織結(jié)構(gòu)和析出相形狀與分布，有效提高其塑性加工性 能；采用中溫包套軋制可提高高硅電工鋼軋制變形過程中的靜水壓力，減少邊部開裂傾向， 減小坯料軋制過程中溫度降低幅度，從而降低或避免軋制過程中的邊裂問題，大幅度提高 高硅電工鋼帶材的成材率；去除包套后的室溫軋制，既可以形成更強的軋制織構(gòu)，又可以提 高高硅電工鋼帶材表面光潔度。最終采用該工藝可制備出厚度0. 20mm以下的高硅電工鋼 薄帶。本發(fā)明具體工藝如下(1)合金坯料合金為經(jīng)真空熔煉爐熔煉后的Fe-6. 5wt% Si鑄錠，采用線切割在 鑄錠上切取棒狀或板狀合金坯料；(2)定向凝固采用區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)將步驟(1)中切取的合金坯料制備成 含有80%以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒狀或板狀合金坯料，制備工藝為熔體溫度1450 1550°C、冷卻水溫20 30°C、熔體最高溫區(qū)與冷卻水距離3 15mm、凝固速率0. 5 4mm/ min ；(3)坯料淬火處理工藝在700 1000°C、氬氣保護下保溫1 5h后對步驟⑵ 中制得的含有80%以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒狀或板狀合金坯料進行淬火處理，淬火介質(zhì) 為水或淬火油等；(4)氧化皮去除將步驟(3)淬火處理后的含有80%以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒 狀或板狀合金坯料的表面氧化皮通過車削加工或手工打磨去除，制備成棒材或板材；(5)包套將不銹鋼、普碳鋼或純鐵板加工成軋制用包套，將步驟(4)制得的棒材 或板材置于包套材料中央，上下口部采用氬弧焊焊接密封；包套采用單根坯料包套或多根 坯料一起包套，控制芯材厚度或棒材直徑與包套后整體軋件的總厚度之比為0. 6 0. 9 ；(6)中溫包套軋制將步驟(5)制得的包套坯料隨爐加熱到300 500°C，保溫 10 20min后進行軋制，軋制速度為20m/min，嚴(yán)格控制合金道次變形量為20 % 40 % ；采用一火1 3道次進行軋制，軋后空冷；(7)剝離包套采用不銹鋼包套時，當(dāng)坯料軋到一定厚度時，由于不銹鋼加工硬化 率高，包套會自動剝離；采用普碳鋼和純鐵包套時，用機械加工方法去除包套；(8)室溫軋制將剝離包套后的高硅電工鋼坯料經(jīng)質(zhì)量濃度為3% 15%的硝酸 酒精溶液酸洗去除氧化皮，然后進行室溫軋制。本發(fā)明的優(yōu)點(1)定向凝固結(jié)合淬火處理提高高硅電工鋼坯料的加工變形能力高硅電工鋼的加工性能差，硅含量超過4%的普通鑄造合金，難以采用常規(guī)鑄_軋 加工工藝進行制備加工。本發(fā)明采用區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)制備的高硅電工鋼柱狀晶組織棒材或板材作 為坯料，與普通鑄造相比，坯料制備過程中有利于氣體及夾雜的去除，從而獲得缺陷較少、 組織致密的鑄坯，通過合理控制工藝參數(shù)，可制備晶粒取向度高的柱狀晶高硅電工鋼；采用 坯料淬火處理工藝可改善高硅電工鋼的組織結(jié)構(gòu)和析出相形狀與分布，有效提高坯料合金 的塑性加工性能。(2)中溫包套控制軋制提高變形能力和成材率本發(fā)明采用了嚴(yán)格控制道次變形量的中溫包套軋制技術(shù)。首先，中溫軋制可保持 取向組織、降低合金有序度；其次，包套軋制可提高變形區(qū)靜水壓力、減小軋制過程中坯料 溫度的不均勻降低，從而降低或避免其軋制過程中的邊裂問題，大幅度提高高硅電工鋼帶 材的成材率；第三，通過嚴(yán)格控制道次變形量，利用高硅電工鋼的形變軟化特性提高其加工 性能。(3)定向凝固+坯料淬火處理+中溫包套軋制+室溫軋制短流程新工藝本發(fā)明采用定向凝固+坯料淬火處理+中溫包套軋制+室溫軋制的新工藝成功地 軋制出厚度為0. 20mm以下的高硅電工鋼薄帶，成材率接近100% ；制備的高硅電工鋼薄帶 表面光亮，組織均勻，彎曲半徑小于2. 5mm，可直接用于變壓器或電感器環(huán)形鐵芯的卷制，也 可通過后續(xù)再結(jié)晶處理制備取向高硅電工鋼。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖
具體實施例方式實施例1 采用不銹鋼包套軋制法制備厚度為0. 18mm的Fe_6. 5Si_0. 05B高硅電
工鋼薄帶。(1)合金經(jīng)真空熔煉爐熔煉，成分為Fe-6. 5Si_0. 05B，采用線切割在鑄錠上切取 直徑7mm棒狀坯料；(2)定向凝固將合金坯料采用區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)制備成直徑7. 5mm、含有 80%以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒材，制備工藝為熔體溫度1500°C、冷卻水溫25°C、熔體最 高溫區(qū)與冷卻水距離8mm、凝固速率2mm/min ；(3)淬火處理工藝在900°C、氬氣保護下保溫Ih后淬火，淬火介質(zhì)為淬火油；(4)氧化皮去除將經(jīng)過熱處理后的合金坯料的表面氧化皮通過手工打磨去除，將試樣打磨成直徑7mm棒材；(5)包套使用304不銹鋼板經(jīng)加工后制備成包套，將棒材置于包套材料中央，本 例中采用一個包套板內(nèi)開有三個孔，可同時裝入3個棒材一起軋制的方式。棒材裝入后上 下口部采用氬弧焊焊接密封，控制棒材直徑與包套后待軋件的總厚度之比為0. 6 ；(6)中溫軋制將包套坯料隨爐加熱到400°C，保溫IOmin后進行軋制，軋制速度為 20m/min，嚴(yán)格控制合金道次變形量為30% ；采用一火3道次進行軋制，軋后空冷；(7)剝離包套當(dāng)坯料軋到厚度為0. 35mm時，不銹鋼由于加工硬化在焊接處開裂， 包套會自動剝離；(8)室溫軋制將剝離包套的試樣經(jīng)濃度為10%的HNO3酒精溶液酸洗去除氧化皮 后進行室溫軋制，制備出厚度為0. 18mm的高硅電工鋼薄帶。薄帶表面光亮，其彎曲半徑可 低于2. 5mm，具有較好的后續(xù)加工性能。實施例2 采用45#鋼包套軋制法制備厚度為0. 20mm的Fe_6. 5Si_0. 03B高硅電
工鋼薄帶。(1)合金經(jīng)真空熔煉爐熔煉，成分為Fe-6. 5Si_0. 03B，采用線切割在鑄錠上切取 直徑IOmm棒狀坯料；(2)定向凝固將合金坯料采用區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)制備成直徑10. 5mm、含有 80%以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒材，制備工藝為熔體溫度1500°C、冷卻水溫25°C、熔體最 高溫區(qū)與冷卻水距離5mm、凝固速率1. 5mm/min ；(3)淬火處理工藝在800°C、氬氣保護下保溫2h后淬火，淬火介質(zhì)為淬火油；(4)氧化皮去除將經(jīng)過淬火熱處理后的合金坯料的表面氧化皮通過手工打磨去 除，將試樣打磨成直徑IOmm棒材；(5)包套使用45#鋼板經(jīng)加工后制備成包套，將棒材置于包套材料中央，本例中 采用一個包套板內(nèi)開有兩個孔，可同時裝入2個棒材一起軋制的方式。坯料裝入后上下口 部采用氬弧焊焊接密封，控制棒材直徑與包套后待軋件的總厚度之比為0. 7 ；(6)中溫軋制將包套坯料隨爐加熱到450°C，保溫15min后進行軋制，軋制速度為 20m/min，嚴(yán)格控制合金道次變形量為30% ；采用一火3道次進行軋制，軋后空冷；(7)剝離包套當(dāng)坯料軋到厚度為0. 35mm時，機械加工去除包套；(8)室溫軋制將剝離包套的試樣經(jīng)濃度為15%的HNO3酒精溶液酸洗去除氧化皮 后進行室溫軋制，制備出厚度為0. 20mm的高硅電工鋼薄帶。實施例3 采用純鐵包套軋制法制備厚度為0. 20mm的Fe_6. 5Si_0. OlB高硅電工
鋼薄帶。(1)合金經(jīng)真空熔煉爐熔煉，成分為Fe-6. 5Si_0. 01B，采用線切割在鑄錠上切取 12 X 6 X 120mm3的板狀坯料；(2)定向凝固將合金坯料采用區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)制備成截面尺寸為 12. 5X6. 5mrn2、含有80%以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶板材，制備工藝為熔體溫度1550°C、冷 卻水溫25°C、熔體最高溫區(qū)與冷卻水距離5mm、凝固速率lmm/min ；(3)淬火處理工藝在1000°C、氬氣保護下保溫2h后淬火，淬火介質(zhì)為淬火油；(4)氧化皮去除將經(jīng)過淬火熱處理后的合金坯料的表面氧化皮通過機械加工去 除，將試樣加工成12X6X IOOmm3的板材；
(5)包套使用純鐵板經(jīng)加工后制備成包套，將板材置于包套材料中央，本例中采 用一個包套板內(nèi)開有一個孔，裝入板材后上下口部采用氬弧焊焊接密封。控制板材厚度與 包套后待軋件的總厚度之比為0. 7 ；(6)中溫軋制將包套坯料隨爐加熱到450°C，保溫20min后進行軋制，軋制速度為 20m/min，嚴(yán)格控制合金道次變形量為25% ；采用一火2道次進行軋制，軋后空冷；(7)剝離包套當(dāng)坯料軋到厚度為0. 35mm時，機械加工去除包套；(8)室溫軋制將剝離包套的試樣經(jīng)濃度為10%的HNO3酒精溶液酸洗去除氧化皮 后進行室溫軋制，制備出厚度為0. 20mm的高硅電工鋼薄帶。
權(quán)利要求
一種高硅電工鋼薄帶的短流程高效制備方法，工藝流程為將Fe-6.5wt％Si合金坯料通過區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)制備成柱狀晶組織棒坯或板坯；淬火熱處理后進行中溫包套軋制；剝離包套后進行冷軋得到光亮的高硅電工鋼薄帶；其特征在于(1)合金坯料合金為經(jīng)真空熔煉爐熔煉后的Fe-6.5wt％Si鑄錠，采用線切割在鑄錠上切取棒狀或板狀合金坯料；(2)定向凝固采用區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)將步驟(1)中切取的合金坯料制備成含有80％以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒狀或板狀合金坯料，制備工藝為熔體溫度1450～1550℃、冷卻水溫20～30℃、熔體最高溫區(qū)與冷卻水距離3～15mm、凝固速率0.5～4mm/min；(3)坯料淬火處理工藝在700～1000℃、氬氣保護下保溫1～5h后對步驟(2)中制得的含有80％以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒狀或板狀合金坯料進行淬火處理，淬火介質(zhì)為水或淬火油等；(4)氧化皮去除將步驟(3)淬火處理后的含有80％以上<100>絲織構(gòu)柱狀晶棒狀或板狀合金坯料的表面氧化皮通過車削加工或手工打磨去除，制備成棒材或板材；(5)包套將不銹鋼、普碳鋼或純鐵板加工成軋制用包套，將步驟(4)制得的棒材或板材置于包套材料中央，上下口部采用氬弧焊焊接密封；包套采用單根坯料包套或多根坯料一起包套，控制芯材厚度或棒材直徑與包套后整體軋件的總厚度之比為0.6～0.9；(6)中溫包套軋制將步驟(5)制得的包套坯料隨爐加熱到300～500℃，保溫10～20min后進行軋制，軋制速度為20m/min，嚴(yán)格控制合金道次變形量為20％～40％；采用一火1～3道次進行軋制，軋后空冷；(7)剝離包套采用不銹鋼包套時，當(dāng)坯料軋到一定厚度時，由于不銹鋼加工硬化率高，包套會自動剝離；采用普碳鋼和純鐵包套時，用機械加工方法去除包套；(8)室溫軋制將剝離包套后的高硅電工鋼坯料經(jīng)質(zhì)量濃度為3％～15％的硝酸酒精溶液酸洗去除氧化皮，然后進行室溫軋制。
全文摘要
一種高硅電工鋼薄帶的短流程高效制備方法，屬于金屬材料制備加工領(lǐng)域。其特征是Fe-6.5wt％Si合金坯料通過區(qū)域熔煉定向凝固技術(shù)制備成含有80％以上<100>絲織構(gòu)的柱狀晶棒坯或板坯；將棒坯或板坯在700～1000℃、氬氣保護下保溫1～5h后進行淬火處理，采用機械法或手工打磨去除淬火棒坯或板坯的表面氧化皮；采用不銹鋼、普碳鋼或純鐵作為包套材料，包套后整體加熱進行中溫軋制；剝離包套對高硅電工鋼酸洗后進行室溫軋制，得到表面光亮的高硅電工鋼薄帶。本發(fā)明的優(yōu)點在于該工藝制備薄帶成材率接近100％；所制備的高硅電工鋼薄帶表面光亮，組織均勻，最小彎曲半徑小于2.5mm，可直接用于變壓器或電感器環(huán)形鐵芯的卷制，也可通過后續(xù)再結(jié)晶處理制備取向高硅電工鋼。
文檔編號B21B1/22GK101886215SQ201010195520
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月31日
發(fā)明者付華棟, 張志豪, 楊強, 謝建新 申請人:北京科技大學(xué)