一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，属于粉末冶金技术领域。本发明通过真空熔炼气雾化制备成分范围为Fe‑(3‑6.5)wt.％Si‑(0.05‑1)wt.％P的合金粉，将其放置在陶瓷坩埚中均匀振实并放置重物压住，随后进行高温烧结使其冶金结合，再经热轧、冷轧、退火等处理后，得到具有优异性能的含磷硅钢薄片。本发明在硅钢材料体系中加入P元素，能够有效降低铁损、优化磁性能并促进活化烧结；采用气雾化粉末能够很好地保证产品的少夹杂和纯净度；在低熔点P元素及粉末压烧的协同作用下解决了球形气雾化粉末难以成形的缺陷，并避免了需添加成形剂导致的工艺复杂性及后续的脱胶残碳问题，有效缩短制备工艺流程，具有操作简单、生产效率高、工艺流程短、性能优异等优点。
基本信息
申请号：CN202110008865.2
申请日期：20210105
公开号：CN202110008865.2
公开日期：20210528
申请人：北京科技大学
申请人地址：100083 北京市海淀区学院路30号
发明人：杨芳;秦乾;魏家树;郭志猛;陈存广;张耕秋;邵艳茹
当前权利人：北京科技大学
代理机构：北京市广友专利事务所有限责任公司 11237
代理人：张仲波
主权利要求
1.一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：以合金化的形式在硅钢粉末中引入磷元素，并通过粉末烧结、轧制、退火处理，实现含磷硅钢薄片的高效率制备，具体步骤如下：(1)粉末制备：通过真空熔炼气雾化制备粒度范围在10-60μm且合金成分在Fe-(3-6.5)wt.％Si-(0.05-1)wt.％P的气雾化合金粉；(2)粉末预置：将气雾化粉置于陶瓷坩埚之中并均匀振实，振实粉末厚度范围为3-15mm，并在粉末表面覆盖尺寸合适的陶瓷板，然后在陶瓷板上放置1-6kg的高熔点重物，得到预置粉末整体；(3)真空烧结：将预置粉末整体真空烧结，实现冶金结合，冷却后拿掉高熔点重物及陶瓷板，从坩埚中取出烧结板坯；(4)多道次热轧：将烧结板坯，热轧至板坯厚度≤0.5mm；(5)常化处理：将热轧板加热后进行油淬；(6)冷轧：酸洗充分并去除表面氧化皮直至热轧板表面出现光亮金属表层后，进行冷轧至板坯厚度0.1-0.3mm；(7)高温真空退火：将冷轧后的板坯进行高温真空退火，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的含磷硅钢薄片。
权利要求
1.一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：以合金化的形式在硅钢粉末中引入磷元素，并通过粉末烧结、轧制、退火处理，实现含磷硅钢薄片的高效率制备，具体步骤如下：
(1)粉末制备：通过真空熔炼气雾化制备粒度范围在10-60μm且合金成分在Fe-(3-6.5)wt.％Si-(0.05-1)wt.％P的气雾化合金粉；
(2)粉末预置：将气雾化粉置于陶瓷坩埚之中并均匀振实，振实粉末厚度范围为3-15mm，并在粉末表面覆盖尺寸合适的陶瓷板，然后在陶瓷板上放置1-6kg的高熔点重物，得到预置粉末整体；
(3)真空烧结：将预置粉末整体真空烧结，实现冶金结合，冷却后拿掉高熔点重物及陶瓷板，从坩埚中取出烧结板坯；
(4)多道次热轧：将烧结板坯，热轧至板坯厚度≤0.5mm；
(5)常化处理：将热轧板加热后进行油淬；
(6)冷轧：酸洗充分并去除表面氧化皮直至热轧板表面出现光亮金属表层后，进行冷轧至板坯厚度0.1-0.3mm；
(7)高温真空退火：将冷轧后的板坯进行高温真空退火，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的含磷硅钢薄片。
2.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的粉末为气雾化含磷硅钢粉末，其氧含量低于0.052％。
3.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的陶瓷板尺寸与陶瓷坩埚的内径尺寸一致。
4.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(3)中所述真空烧结是在1000-1200℃下真空烧结1.5-4h。
5.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(4)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；加热温度720-950℃，热轧道次5-10道。
6.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(5)中所述的常化处理温度是900-1100℃，保温20-60min，常化处理是在氩气保护气氛下进行。
7.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(6)所述冷轧道次为1-3次。
8.按照权利要求1所述一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：步骤(7)中所述真空退火温度是850-1050℃，时间是1-3h；板坯经高温真空退火后必须随炉缓慢冷却。
说明书
一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法。
背景技术
现如今，硅钢仍是电力、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。硅钢的磁性能与其Si含量呈正相关，随着Si含量的增加，硅钢的电阻率显著提高、涡流损耗下降、相对磁导率提高。然而含硅量增加会使饱和磁化强度和和居里温度降低，同时又会使材料变硬变脆，导热性与韧性下降，对散热和机械加工不利。因此，目前硅钢中Si含量不宜太高。
磷在硅钢中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，研究和开发简单、经济、有效、成熟且具备高的综合磁性能的含磷硅钢工艺路线是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法。以气雾化含磷硅钢合金粉末为原料，通过粉末烧结、轧制、热处理工艺获得性能优异的硅钢薄片，避免了传统熔炼法中P元素极易出现的偏析问题，有效地利用了P元素促进烧结并优化综合磁性能的作用。其次，采用气雾化合金粉末有效地保证了材料体系的纯净度，避免了氧化物夹杂的大量存在。同时，在低熔点P元素及粉末压烧(高熔点重物压住烧结)的协同作用下解决了球形气雾化粉末难以成形的缺陷，从而避免了因添加有机成形剂导致的工艺复杂性及后续的脱胶残碳问题，有效地缩短了制备高硅钢薄片的工艺流程。本发明具有操作简单、生产效率高、产品精度高、无污染与夹杂、保证了高硅钢薄片优良的磁学和力学性能。
一种通过粉末烧结制备高磁性能含磷硅钢薄片的方法，其特征在于：以合金化的形式在硅钢粉末中引入磷元素，并通过粉末烧结、轧制、退火处理，实现含磷硅钢薄片的高效率制备，具体步骤如下：
(1)粉末制备：通过真空熔炼气雾化制备粒度范围在10-60μm且合金成分在Fe-(3-6.5)wt.％Si-(0.05-1)wt.％P的气雾化合金粉；
(2)粉末预置：将气雾化粉置于陶瓷坩埚之中并均匀振实，振实粉末厚度范围为3-15mm，并在粉末表面覆盖尺寸合适的陶瓷板，然后在陶瓷板上放置1-6kg的高熔点重物，得到预置粉末整体；
(3)真空烧结：将预置粉末整体真空烧结，实现冶金结合，冷却后拿掉高熔点重物及陶瓷板，从坩埚中取出烧结板坯；
(4)多道次热轧：将烧结板坯，热轧至板坯厚度≤0.5mm；
(5)常化处理：将热轧板加热后进行油淬；
(6)冷轧：酸洗充分并去除表面氧化皮直至热轧板表面出现光亮金属表层后，进行冷轧至板坯厚度0.1-0.3mm；
(7)高温真空退火：将冷轧后的板坯进行高温真空退火，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的含磷硅钢薄片。
进一步地，步骤(1)中所述的粉末为气雾化含磷硅钢粉末，其氧含量低于0.052％。
进一步地，步骤(2)中所述的陶瓷板尺寸与陶瓷坩埚的内径尺寸一致。
进一步地，步骤(3)中所述真空烧结是在1000-1200℃下真空烧结1.5-4h。
进一步地，步骤(4)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；加热温度720-950℃，热轧道次5-10道。
进一步地，步骤(5)中所述的常化处理温度是900-1100℃，保温20-60min，常化处理是在氩气保护气氛下进行。
进一步地，步骤(6)所述冷轧道次为1-3次。
进一步地，步骤(7)中所述真空退火温度是850-1050℃，时间是1-3h；板坯经高温真空退火后必须随炉缓慢冷却。
本发明技术关键点在于：(1)利用粉末冶金独有的特征优势，将P元素以合金化方式加入硅钢粉末体系，并结合低氧气雾化粉末和粉末烧结工艺一步到位制备高质量含磷硅钢薄片。(2)用于压烧的高熔点重物质量不可太大，否则会造成烧结坯体开裂，质量太小的话会造成硅钢粉末烧结收缩效果有限，孔隙过多，热轧过程开裂。(3)利用低熔点P元素及粉末压烧的协同作用解决了球形气雾化粉末难以成形的缺陷，既提高了材料的磁性能又解决了材料的成形问题。
本发明的优点：
(1)采用极低氧含量的气雾化合金粉末为原料，保证了材料体系的纯净度，避免了氧化物夹杂的大量存在；
(2)相较于传统熔铸方法，采用粉末冶金方法可在硅钢体系中加入一定量的P元素，不产生偏析，成材率高；
(3)软磁硅钢片中添加P元素能够促进活化烧结，降低烧结温度，能够有效降低铁损并优化磁性能；
(4)在低熔点P元素及粉末压烧(高熔点重物压住烧结)的协同作用下解决了球形气雾化粉末难以成形的缺陷，并避免了需添加成形剂导致的工艺复杂性及后续的脱胶残碳问题，有效缩短制备工艺流程；
(5)步骤精简、生产效率高、产品精度高、工艺流程短、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)通过真空熔炼气雾化制备D50为23μm的Fe-5wt.％Si-0.45wt.％P的合金粉；
(2)将气雾化粉置于陶瓷坩埚之中并均匀振实，粉末厚度约9mm，覆盖尺寸合适的陶瓷板后在上方放置4kg的高熔点重物，得到预置粉末整体；
(3)将预置粉末整体在1130℃下真空烧结3h，冷却后拿掉高熔点重物及陶瓷板，从坩埚中取出烧结板坯；
(4)将烧结板坯加热至800℃后进行6道次热轧，热轧至板坯厚度0.42mm；
(5)将热轧板材在氩气保护气氛下加热至900℃保温30min后进行油淬；
(6)酸洗充分去除表面氧化皮后，进行2次冷轧至板坯厚度0.25mm；
(6)将冷轧后的板坯于1020℃真空退火1.5h，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的含磷硅钢薄片。
实施案例2：
(1)通过真空熔炼气雾化制备D50为35μm的Fe-5.8wt.％Si-0.8wt.％P的合金粉；
(2)将气雾化粉置于陶瓷坩埚之中并均匀振实，粉末厚度8.5mm，覆盖尺寸合适的陶瓷板后在上方放置2kg的高熔点重物，得到预置粉末整体；
(3)将预置粉末整体在1060℃下真空烧结2h，冷却后拿掉高熔点重物及陶瓷板，从坩埚中取出烧结板坯；
(4)将烧结板坯加热至850℃后进行7道次热轧，热轧至板坯厚度0.36mm；
(5)将热轧板材在氩气保护气氛下加热至950℃保温20min后进行油淬；
(6)酸洗充分去除氧化皮后，进行3次冷轧至板坯厚度0.22mm；
(6)将冷轧后的板坯于1000℃真空退火2h，随炉冷却后得到具有优异组织和性能的含磷硅钢薄片。
