薄带连铸高温轧制快淬制备FE65SI的方法.pdf

本发明公开了一种薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法。该方法选用纯Fe-6.5％Si钢水，采用近终成形方法，直接将钢水浇注到薄带连铸机的结晶辊上，通过快速凝固，制备出厚度≤3.0mm的凝固带，在900℃以上温度进行大压下量轧制；待轧到所需厚度时，快淬冷却至300℃以下，经酸洗、多道次冷轧、缓慢退火，制得磁性能良好的Fe-6.5％Si。由于本发明采用快速冷却的方法，A2无序相来不及转变为B2有序相，B2有序相来不及向DO3有序结构转变，带材可以保持较好的初始室温塑性；进行小压下、多道次冷轧，再进行热处理，又能够促进A2相向B2相和B2相向DO3相的转变，以保证有足够的DO3相结构存在，从而有效降低磁滞伸缩，提高磁导率，减少铁损与矫顽力，使磁性能最佳化。

权利要求书
1.  一种薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)冶炼：所述冶炼步骤中，冶炼物成分含量分别为Fe含量93～95％，Si含量为5～7％，C含量≤50PPm，其它杂质含量≤20PPm；熔化温度为1530～1590℃；出钢温度≥1530℃；
2)薄带连铸：所述薄带连铸在惰性气体保护下进行，薄带连铸机的钢水浇注温度≥1530℃；凝固带的温度为1200～1350℃；凝固带厚度为0.50～3.0mm；
3)快淬冷却：对凝固带进行快淬冷却至300℃以下，冷却速度为≥25℃/s；
4)加热：将钢带在惰性气体保护的箱式炉中加热至950～1200℃；
5)多道次温轧：所述多道次温轧步骤中，凝固带进入轧机的温度≥900℃；多道次温轧后轧制总压下率为15～95％；
6)水淬快冷：对凝固带进行水淬快冷至300℃以下，冷却速度≥20℃/s；
7)酸洗：酸洗去除表面氧化物，使表面清洁；
8)冷轧：采取小压下、多道次冷轧，每道次压下率不大于25％，直至轧到所需的成品厚度；
9)退火处理，将凝固带快速升温到900℃以上，保温30～60分钟，缓慢冷快至室温，冷却速度≤5℃/s，即得Fe-6.5％Si。

2.  根据权利要求1所述的薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，其特征在于：
所述步骤3)中，冷却速度为30～45℃/s。

3.  根据权利要求1所述的薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，其特征在于：
所述步骤3)中，凝固带快淬冷却至30～55℃。

4.  根据权利要求1所述的薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，其特征在于：
所述步骤5)中，每道次轧制压下率为20～40％。

5.  根据权利要求1所述的薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，其特征在于：
所述步骤6)中，冷却速度为25～40℃/s。

6.  根据权利要求1所述的薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，其特征在于：
所述步骤9)中，升温后进行保温的温度为950～1100℃。

说明书薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5%Si的方法
技术领域
本发明属于材料加工与制造领域，具体涉及薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％Si的方法，所述Fe-6.5％Si是一种具有高磁导率、低矫顽力和低铁损等优异性能的软磁材料。其成分为Fe含量93～95％，Si含量5～7％，C含量≤50PPm，其它杂质含量≤20PPm。
背景技术
众所周知，对于Fe-Si合金，随着Si含量的增加.尤其当Si含量超过5％(即高硅钢)以后，合金变得既硬又脆，使加工性能急剧恶化。但是，高硅钢材料优异的磁学性能和广泛的应用前景，又吸引着人们进行大量的研究和开发工作。
(1)传统轧制工艺
自从T.Ishizaka等于1966年利用热轧-冷轧法首次制备出0.3mm厚的6.5％Si硅钢薄带以来，人们一直在努力探索，使制备高硅钢薄板的工艺尽量简单、经济、操作性强，并取得了一些成果。对于Super Sendust合金，经过热轧可以得到0.05～0.30mm的薄板。俄罗斯研制了一种三轧法工艺，即热轧、温轧和冷轧，该工艺在激烈调整原子有序排列的温度区间以大于总轧制量75％的中间温轧可以破坏有序排列和改善塑性，从而得到0.20mm厚的薄板；但用这种方法获得6.5％Si高硅钢所实施的附加处理使工艺过程相当复杂。1988年，日本钢管公司(NKK)成功利用轧制技术+CVD化学气相沉积法，对6.5％Si无取向高硅钢片进行工业规模生产。这些成卷的带材厚度为0.1～0.5mm，宽度可达400mm。其电阻率 比3％Si硅钢高1倍，磁致伸缩系数近似为零，磁晶各向异性常数降低约40％，被广泛用作高速高频电机、低噪音音频和高频变压器及变换器等。但是，这些轧制工艺基本上没有详细报道。
(2)快速凝固工艺
近年来.快速凝固工艺在金属材料加工制备中获得了突飞猛进的发展。利用快速凝固工艺对高硅钢薄带的制备已取得了一些成果，并且显示出了希望所在。
1)急冷制带法
1978年，N.Tsuya和K.T.Arai利用急冷工艺生产出0.03～0.1mm的6.5％Si高硅钢薄带，该高硅钢薄带极其细小的晶粒组织引起了人们的极大关注。后来者对运用该工艺来制备的6.5％Si高硅钢、Sendust合金以及Fe3Si等各种Fe3Si基合金进行了大量的研究。
国内某科研单位应用快速凝固方法成功研制出磁致伸缩接近零和电阻率高达82μΩ·cm的6.5％Si-Fe铸态极薄带(厚40～60μm，宽10～25mm)。但这些研究仅仅限于应用基础研究，要进行规模化生产还很困难，其原因就是用这种工艺生产出来的薄带，厚度和宽度有限，而且形状也不尽如人意。
2)喷射成形法
喷射成形工艺是涉及粉末冶金、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柔性制造系统，厚度不受限制，产品形状也容易控制，所以用此方法来制备6.5％Si高硅钢是可行的，也是很有希望的。遗憾的是，目前很少有这方面的报道。
(3)CVD工艺
CVD工艺是利用传统的取向和无取向硅钢片的表面和硅化物之间 的高温化学反应使Si富集在硅钢片上，这是迄今为止制备Fe3Si基合金最为突出和成功的工艺。这种方法像逆流铸造法一样，既能制取高硅钢也能制取“梯度”钢，并且能够获得晶粒度可以控制的各向异性和各向同性的材料。1988年日本钢管公司(NKK)成功开发并利用该工艺，生产出厚0.1～0.5mm、宽400mm的含6.5％Si无取向高硅钢片。通过不断的实践和研究，于1993年7月正式建成月产100吨的CVD连续渗硅生产线。生产0.1～0.3mm厚、600mm宽的6.5％Si高硅钢片。由于半导体的迅速发展，推动电器设备在更高频率下工作，并要求具有更低的铁损，为此，NKK于1995年又开发生产了0.05mm×600mm的产品。通过优化生产条件.明显改善了产品的加工性能，取名为Super E Core的这种高硅钢板主要用于电力机械和磁性器件方面。尽管CVD工艺已取得成功，但仍存在如下问题：
1)沉积温度高，能耗大，设备腐蚀严重，寿命缩短；
2)CVD工艺靠的是SiCl4通过腐蚀铁表面形成Fe3Si而沉积，因而会在表面产生腐蚀坑洼与不平，需要温轧平整，这给生产带来不便；
3)CVD工艺靠的是从薄带的表面向内部浸硅，结果是从表面到中心部硅含量逐渐降低，往往是表面6.5％Si，到中心部仅为3.5％Si，也就是梯度硅，其磁性能与全6.5％Si的产品相差很大。
4)按CVD工艺产生FeC12，废气既严重污染环境，又造成铁的流失。
(4)相关专利技术
1)一种取向高硅钢薄板的制备方法，申请(专利)号：CN201010588874.5
一种取向高硅钢薄板的制备方法，属于金属材料制备技术领域。工艺包括如下步骤：(1)采用定向凝固方式获得方向生长的柱状晶，凝固速率控制在0.6～15mm/min，温度梯度控在60～400K/cm；(2)热轧， 板坯加热，加热温度为800～1300℃，再经热轧到1.0～4.0mm的薄钢板；(3)热轧板经过退火热处理及酸洗，温轧得到0.8～0.4mm的板材；(4)温轧板热处理，然后进行多道次冷轧，然后进行二次再结晶退火制得取向高硅钢。该发明的优点在于，利用定向凝固方法从材料制备源头控制组织和晶粒取向，并通过冷轧方法制备该合金取向板材，能极大的改善高硅钢的软磁性能。所制备出来的冷轧薄带具有良好的板型。
2)利用定向凝固板坯制备取向高硅钢冷轧薄板的方法，申请(专利)号：CN201010588872.6
利用定向凝固板坯制备取向高硅钢冷轧薄板的方法，属于金属材料制备技术领域。工艺技术包括如下步骤：首先真空冶炼母铸锭，控制硅含量为4.5～10.0％，硼含量为50～2000ppm，其余为铁；然后将母铸锭重新熔化并定向凝固，形成方向生长的柱状晶组织，板坯厚度为2～16mm；直接沿着定向凝固方向进行低温轧制，轧制温度控制在200～950℃之间，板材轧后厚度为1.0～3.0mm，变形量在50～90％；温轧板经酸洗直接进行冷轧，经多道次冷轧，最终板厚为0.5～0.1mm。优点在于，轧制是在再结晶温度以下进行，保留了原有定向凝固组织的特点，利于冷轧后二次再结晶得到取向组织，同时工艺流程大大简化，应用前景广阔。
3)高硅钢薄板的冷轧制备方法，申请(专利)号：CN200710099130.5
一种高硅钢薄板的冷轧制备方法，属于金属材料制备技术领域。薄板中Fe含量为85～96％，Si含量为4～15％，均为重量比；其工艺为：原料准备，硅含量的范围为4～15％，硼的含量为100～5000ppm，其余为铁；冶炼，浇铸；锻造成厚度10～20mm的板坯；热轧到1～2mm；热轧板热处理；温轧得到0.2～0.3mm的板材；温轧板热处理；冷轧得到厚度为0.03～0.05mm的高硅钢板。优点在于，利用冷轧方法制备该合金，而由于该材料的室温脆性，该传统方法在之前被认为不可能制备出高硅 钢。所制备出来的冷轧薄带具有良好的板形，表面具有金属光泽。该生产工艺具有普遍适用性，成本低；由于高硅钢优异的软磁性能，具有广阔的市场应用前景。
4)一种高硅钢薄板的制备方法，申请(专利)号：CN201010524356.7
该发明提供一种高硅钢薄板的制备方法，具体步骤如下：A、将表面光洁的硅钢热轧板作为基材；B、调整异步轧机的上、下工作辊的周向速比在1∶1.05～1∶1.35之间，然后对“A”步骤中的硅钢热轧板进行多道次轧制；C、在温度为400～800℃的条件下对“B”步骤的薄板进行0.5～15h的渗硅处理；本发明的优点是：操作简单、能耗小、成本低；利用该发明制备的高硅钢薄板表面洁净、渗层致密。
5)一种逐步增塑法制备铁硅系基有序合金薄板的技术，申请(专利)号：CN200410004404.4
该发明提供了一种逐步增塑法制备Fe14Si2系基有序合金薄板的技术，其特征在于工艺流程为：首先进行塑性合金设计，然后冶炼，冶炼后铸锭退火并锻造，锻造后轧制并逐步增塑工艺技术，最后制成0.1～0.3mm的Fe14Si2系基合金薄板。具体工艺参数为：设计的硅含量的范围是11～14％(原子比)、其它增塑合金化元素的总含量是0.01～2％(重量比)；用真空熔炼炉，先装入纯铁与硅，熔化后浇铸以前再装入微量合金元素；950℃～1200℃铸锭退火，及1050℃～700℃锻造成板坯；轧制和特种热处理结合的逐步增塑工艺技术。该发明的优点在于：采用通过逐步增塑法成功地降低合金的脆韧转变温度，提高合金薄板的拉伸塑性。
在以上所介绍的文献及专利(申请)的制造方法中，除CVD法外，均是采用轧制、退火、轧制、退火等多次反复的工艺，导致加工周期长，成材率低，能耗高，磁性能达不到最佳范围。还有研究者向Fe-6.5％(质量)Si的钢水中添加Cu、Cr、P、B等微量元素，虽然可以提高一些塑性和可加工性，但最终成品磁性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种薄带连铸高温轧制快淬制备Fe-6.5％(质量)Si的方法，以克服现有技术周期长、成材率低、能耗高、磁性能差的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括如下步骤：
1)冶炼：所述冶炼步骤中，冶炼物成分含量分别为Fe含量93～95％，Si含量为5～7％，C含量≤50PPm，其它杂质含量≤20PPm，不添加Cu、Cr、P、B等微量元素，为使成品磁性达最佳范围奠定基础；熔化温度为1530～1590℃，以保证成分均匀；出钢温度≥1530℃，硅含量增加，导致钢水粘度提高，高的出钢温度可以使连续浇注顺利，避免堵水口事故发生；
2)薄带连铸：所述薄带连铸中，薄带连铸机的钢水浇注温度≥1530℃，惰性气体保护，防止钢水氧化；凝固带的温度为1200～1350℃；凝固带厚度为0.50～3.0mm；
3)快淬冷却，为了避免凝固带在轧制前后形成脆性相，对凝固带进行快淬冷却至300℃以下，冷却速度为≥25℃/s；
4)加热，为了进一步轧制变形，需将钢带在惰性气体保护的箱式炉中加热至950～1200℃，再进行高温轧制；
5)多道次温轧：所述多道次温轧步骤中，凝固带进入轧机的温度≥900℃(即开轧温度)；轧制总压下率为15～95％；为保证每一道次凝固带(即带材)进入轧机的温度≥900℃，当上一道次轧制后凝固带的轧机出口温度＜900℃，需将带材在惰性气体保护下加热到900℃以上继续轧制，以此类推，直到轧至所需厚度；
6)水淬快冷：对带材进行水淬快冷至300℃以下，冷却速度≥20℃/s，使温轧带材的A2结构来不及向B2结构转变，B2结构来不及向DO3 结构的转变，保留初始室温塑性；
7)酸洗：去除表面氧化物，使表面清洁；
8)冷轧：采取小压下、多道次冷轧，每道次压下率不大于25％，直至轧到成品厚度；
9)退火处理，将带材快速升温到900℃以上，保温30～60分钟，缓慢冷快至室温，冷却速度≤5℃/s，促进A2相向B2相的转变和B2相向DO3相的转变，以保证有足够的DO3相结构存在，使磁性能最佳化。
进一步地，所述步骤3)中，冷却速度为30～45℃/s。
进一步地，所述步骤3)中，凝固带快淬冷却至30～55℃。
进一步地，所述步骤5)中，每道次轧制压下率为20～40％。
进一步地，所述步骤6)中，冷却速度为25～40℃/s。
进一步地，所述步骤9)中，升温后进行保温的温度为950～1100℃。
本发明具有如下有益效果：
(1)Fe-6.5％(质量)Si合金，从高温到低温存在由A2无序到B2有序再到DO3有序结构转变的过程，温度在750℃以下时，A2无序相转变为B2有序相，温度再降到550℃以下时，B2有序相又转变为DO3有序结构。A2结构为体心立方，在变形力作用下通常会表现出良好的塑性；B2结构位错的伯氏矢量比A2结构的增加一倍，从而降低了合金变形初期的塑性变形能力，加工硬化明显，并易导致合金断裂、塑性下降。而DO3结构位错的伯氏矢量比B2结构的又增加了一倍，会使位错密度和变形初期的塑性变形能力进一步下降，塑性进一步降低，使变形更加困难。本发明的发明人经长期研究发现：Fe-6.5％(质量)Si合金，采用快速冷却的方法，即从900℃左右以≥20℃/s速度冷却时，A2无序相来不及转变为B2有序相，B2有序相也来不及向DO3有序结构转变，到达300℃以下时，带材中绝大多数为A2无序相和少量的B2有序相，其较 多的无序结构可以保持较好的初始室温塑性，为极薄板的冷轧提供了条件。带材经酸洗后，进行小压下、多道次冷轧，道次压下率≤25％，轧制到成品厚度，再进行热处理，快速升温到900℃以上，经保温30～60分钟和缓慢冷却，又能够促进A2相向B2相的转变和B2相向DO3相的转变，以保证有足够的DO3相结构存在，从而有效降低磁滞伸缩，提高磁导率，减少铁损与矫顽力，使磁性能最佳化。因此，本发明选用纯Fe-6.5％Si钢水，不添加其它的合金元素，采用近终成形方法，直接将钢水浇注到薄带连铸机的结晶辊上，通过快速凝固，制备出厚度≤3.0mm的凝固带，在900℃以上温度进行大压下量轧制，也就是在A2相区轧制；待轧到所需厚度时，进行快淬冷却至300℃以下，即≥20℃/s速度冷却，经酸洗、多道次冷轧、缓慢退火，制得磁性能良好的Fe-6.5％Si。
(2)选用纯的F e-6.5％(质量)Si成分，不添加其他合金成分，节约了合金成本，降低了冶炼难度。
(3)采用薄带连铸，可将钢水直接制备出0.50～3.0mm的薄带，与传统轧制工艺相比，减少了生产工序，降低了成本，大大提高了成材率。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的方法包括如下步骤：
1)冶炼：在50Kg真空炉内冶炼，成分：Fe含量为93～94％，Si含量为6～7％，C含量≤30PPm，其它杂质含≤10PPm；熔炼温度：1530～1590℃；出钢温度：1560℃；
2)薄带连铸：薄带连铸在氩气保护下进行，薄带连铸机的钢水浇注温度：1550℃；凝固带的温度为1280～1300℃；凝固带厚度×宽度：2.0×252mm；
3)快淬冷却，将凝固带放入循环水槽中水淬冷却至35℃，冷却速 度为25℃/s；
4)加热，将凝固带在氮气保护的箱式炉中加热至1050～1080℃，
5)轧制，取出送入轧机轧制，入口温度1050～1080℃，厚度2.0→1.5mm，出口温度930℃；下一道次轧制，入口温度900℃，出口温度850℃，厚度1.5→1.1mm；
6)再加热，同4)；
7)再轧制，入口温度1050～1080℃，厚度1.1→0.8mm，出口温度890℃；
8)再加热，同4)；
9)再轧制，入口温度1050～1080℃，厚度0.8→0.5mm，出口温度880℃；
10)再加热，同4)；
11)再轧制，入口温度1050～1080℃，厚度0.8→0.5mm，出口温度880℃；
12)快淬冷却，将凝固带放入循环水槽中水淬冷却至35℃，冷却速度25℃/s；
13)酸洗；
14)采取小压下、多道次冷轧，每道次压下率不大于25％，直到轧到所需的成品厚度。压下规程：0.50→0.40→0.32→0.26→0.20→0.15；
15)退火处理，把带材放入带保护气氛的箱式炉中，快速升温到900℃，保温60分钟，缓慢冷快至室温35℃，冷却速度5℃/s。
16)磁性测量结果，磁滞伸缩系数λ＝0.2×106，磁感应强度B800＝1.34T，铁损P1.0/400＝6.25W/kg。