专利名称：一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金及其制备方法
技术领域：
本发明具体涉及一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金及其制备方法。
背景技术：
硅钢是一种含碳量很低(一般小于< 0. 02% )的硅铁软磁合金，含硅量一般为 1. 5 4. 5wt%。它是使用量最大的一种软磁合金，在软磁材料中占据重要的地位，是发展电力和电讯工业的基础材料，低的铁损及强磁场下高的磁感应强度是硅钢非常重要的技术指标。硅钢片中的硅含量对其产品的软磁性能影响很大，随着硅含量的增加，硅钢片电阻率增大(涡流损耗减小)，磁导率增大，磁晶各向异性常数减小(磁滞损耗变小)，磁致伸缩系数减小。因此，高硅钢是制作低噪音、低铁损的理想的铁芯材料，可广泛应用于制造工业变压器，音频变压器、通讯变压器及其他中高频电子变压器，低噪声电子变压器，逆变变压器，电感器，扼流圈、电焊机铁心等。尽管高硅钢具有非常优异的软磁性能，但目前生产中常用的硅钢片的含硅量都在以下，这是因为随Si含量的增加，尤其是含硅量超过5%以后，由于I(FeSi)或 DO3(Fe3Si)有序相的出现，合金变得既硬又脆，使机械加工性能急剧恶化，难以采用常规的轧制方法加工成薄板，从而阻碍了高硅钢的广泛应用。近些年来，一种新型的梯度硅钢引起了人们的广泛关注，与传统高硅钢相比，其在中高频下具有较低铁损的同时，同时由于中心硅含量较低而改善了材料的机械性能。 如参考文献 1 :Recent development of non-oriented electrical steel sheet for automobile electrical devices[J]Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320 (2008)24304435所述，日本钢管公司(NKK)采用化学气相沉积(CVD)方法制备出表面含硅量为6. 5wt%，中心硅含量为3衬％的梯度硅钢，并已投入商业化生产，Fe-6. 5wt. % Si 梯度合金主要应用于高频电子设备，如汽车中的高频转化器和高速发动机。但是由于化学气象沉积方法存在着的表面质量差，易引入杂质而降低磁性能、设备寿命低、污染环境等不能妥善处理的问题，使其在工业生产中不能被广泛应用。再如参考文献2 Influence of the Si and Al gradient on the magnetic properties of high-Si electrical steel produced by hot dipping and diffusion annealing[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276 0004) e521_e522所述，T. Ros-Yanez 等采用热浸法结合两次扩散退火工艺( 850°C及1100°C 1250°C )，制成了表面含硅量为5. 9wt%硅钢，中心含硅量为4. 8wt%的梯度硅钢。热浸法虽然改善了材料的塑韧性，使之能够在最终退火前进行中间冷轧加工，并在一定程度上实现对薄板厚度、表面质量、显微结构以及晶粒取向的调整。但晶粒取向受基底材料中原始Si、Al含量，中间冷轧工艺以及最终扩散退火工艺影响显著，难以获得性能良好的单一织构
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金及其制备方法。该方法具有纯度高、成分可控、表面质量好、工艺可控性强、环保性好等优点，且制备的梯度铁硅合金具有较低的铁损耗，并且一定程度改善其机械性能。本发明提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，该合金的平均含硅量为 3. 53 4. 05wt. %，其余成分为铁，该合金的含硅量满足从表面向心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每10 μ m含硅量递减0. 045 0. Ilwt. %，该梯度铁硅合金的铁损P1(1/1K 为69. 28 79. 96ff/kg, P1o7iok为3207 3476W/kg，该梯度铁硅合金的矫顽力为23. 79 27. 43A/m, B80 = 1. 76 1. 92T。本发明提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材；步骤二、制备低硅硅钢片基片将低硅硅钢片用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片作为基片，然后用丙酮在超声波清洗器中清洗干净，去除油迹，得到低硅硅钢片基片；步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的!^e5Si3靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二制备的低硅硅钢片基片安装在磁控溅射仪的阳极板上，设置磁控溅射仪的溅射室的气体压力小于等于1. 0 X IO-3Pa,磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. 8 1. OPa0溅射功率为57. 6 72W ；溅射时间为60 80min，使溅射厚度为10 μ m 15 μ m， 在低硅硅钢片基片表面沉积得到富硅膜。步骤四、扩散处理将沉积富硅膜的低硅硅钢片放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力在2X10_3Pa以下，在1180 1200°C温度区间进行高真空扩散处理20 40min，最终得到具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金。本发明的优点在于(1)本发明提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金及其制备方法，与CVD 法以及热浸渍法相比，磁控溅射法制备梯度硅钢具有纯度高、成分可控、表面质量好、工艺可控性强、环保性好等优点，将其应用于梯度硅钢制备是一种极具开发价值的探索性的全新的研究。(2)本发明提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金及其制备方法，采用磁控溅射法制备的不同Si含量的梯度铁硅合金在中高频下铁损较低。
图1 本发明提出的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法的流程图；图2 本发明提出的一种具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金在1180°C扩散 20min后截面组成Si含量分布曲线图；图3 本发明提出的一种具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金在1190°C扩散30min后截面组成Si含量分布曲线图；图4 本发明提出的一种具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金在1200°C扩散 40min后截面组成Si含量分布曲线图；图5 实施例3中样品截面15. 56 μ m深度处的Si组成成分及其截面形貌；图6 实施例3中样品截面125. 3 μ m深度处的Si组成成分及其截面形貌；图7 实施例3中样品截面193. 25 μ m深度处的Si组成成分及其截面相貌；图8 实施例3中样品截面325. 3 μ m深度处的Si组成成分及其截面相貌。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，该合金的平均含硅量为 3. 53 4. 05wt. %，其余成分为铁，该合金的含硅量满足从表面向心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每IOym含硅量递减0. 045 0. Ilwt. %，该梯度铁硅合金的铁损P1(1/1K (在幅值磁感应强度为IT的条件下，频率为IkHz的铁损值)为69. 28 79. 96W/kg，Ρ1(1/皿(在幅值磁感应强度为IT的条件下，频率为IOkHz的铁损值)为3207 3476W/kg，该梯度铁硅合金的矫顽力为23. 79 27. 43A/m,在磁场为800A/m条件下，材料的磁感应强度B8tl为
=1. 76 1. 92T。本发明提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，如图1所示， 具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材。步骤二、制备低硅硅钢片基片将小于等于0.35mm厚的低硅硅钢片(含硅量为3wt. %，优选为35WW250牌号)用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片作为基片，对于JCK-500磁控溅射仪，样片尺寸满足长为 40mm，宽为8mm，厚度为0. 35mm，其他型号磁控溅射仪可以根据基片台尺寸进行选择。将油迹用丙酮(分析纯)在超声波清洗器中清洗干净待用，得到低硅硅钢片基片。步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二处理后的低硅硅钢片基片安装在磁控溅射仪的阳极板上。溅射前磁控溅射仪的溅射室的气体压力小于等于1. 0 X IO-3Pa,磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. 8 1. OPa0溅射功率为57. 6 72W ；溅射时间为60 80min，使溅射厚度为10 μ m 15 μ m， 在低硅硅钢片基片表面沉积得到富硅膜。步骤四、扩散处理为了避免富硅膜蒸发损耗，单独将沉积富硅膜的低硅硅钢片放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力在2X KT3Pa以下， 在1180 1200°C温度区间进行高真空扩散处理20 40min，得到具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金。将经步骤四处理后的试样取出，经EDS测试其截面组成成分，该合金的平均含硅量为3. 5 4. Iwt. %，其余成分为铁，该合金的含硅量满足从表面向心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每10 μ m含硅量递减0. 045 0. Ilwt. %。经软磁直流测试装置测试样品的直流磁性能；经硅钢测试仪测试材料的软磁交流性能。该铁硅合金的铁损P1(I/1K为69 80ff/kg, P1o7iok 为 3200 !3500W/kg ；实施例1 本实施中制备的具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材。步骤二、制备低硅硅钢片基片将牌号为35WW250的低硅硅钢片用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片，对于 JCK-500磁控溅射仪，样片尺寸满足长为40mm，宽为8mm，厚度为0. 35mm,将油迹用丙酮(分析纯)在超声波清洗器中清洗干净待用。步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二处理后的低硅硅钢片基片安装在磁控溅射仪的阳极板上。溅射前磁控溅射仪的溅射室的气体压力等于 1. OX 10_3Pa，磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. SPa0溅射功率为72W ；溅射时间为80min，使溅射厚度为15 μ m，沉积得到富硅膜。步骤四、扩散处理为了避免富硅膜蒸发损耗，单独将沉积富硅膜试样放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力在2X10_3Pa，在温度1180°C 下进行高真空扩散处理20min，得到具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金。将经步骤四处理后的梯度铁硅合金经EDS测试，本实施例中制备的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，其截面不同位置深度具有不同的含硅量，如图2所示，表面含硅量具有最大值为5. 28wt. %，心部含硅量具有最小值为3. Mwt. %，其梯度为平均每 IOym Si含量减少为0. Ilwt. %，平均Si含量为4. 05wt. % ；经软磁直流测试装置测试样品的直流磁性能，得到样品矫顽力为26. 83A/m,B80 = 1. 76T ；经硅钢测试仪测试材料的软磁交流性能，P107IK = 69. 28ff/kg, P1o7iok = 3207W/kg。实施例2 本实施中制备的具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材。步骤二、低硅钢带基片样品制备将35WW250的低硅硅钢片用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片，对于JCK-500磁控溅射仪，样片尺寸满足长为40mm，宽为8mm，厚度为0. 35mm，将油迹用丙酮(分析纯)在超声波清洗器中清洗干净待用。步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二处理后的低硅硅钢片安装在磁控溅射仪的阳极板上。溅射前磁控溅射仪的溅射室的气体压力等于0.5X 10_3Pa，磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足1. OPa0溅射功率为60W ；溅射时间为60min，使溅射厚度为12 μ m，沉积得到富硅膜。步骤四、扩散处理为了避免富硅膜蒸发损耗，单独将沉积富硅膜试样放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力在IXlO-3I3a下，在1190°C温度区间进行高真空扩散处理30min，得到具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金。经步骤四处理后的梯度铁硅合金经EDS测试，其截面不同位置深度具有不同的含硅量，如图3所示，含硅量最大值为4. 53wt. %，最小值为3. 14wt. %，其梯度为平均每10 μ m Si含量减少为0. 097wt. %，平均Si含量为3. 72wt. % ；经软磁直流测试装置测试样品的直流磁性能，得到样品矫顽力为27. 43A/m,B80 = 1. 85T ；经硅钢测试仪测试材料的软磁交流性能，P107ik = 70. 76ff/kg, P1o7iok = 3209W/kg。实施例3 本实施中制备的具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材。步骤二、低硅钢带基片样品制备将35WW250的低硅硅钢片用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片，对于JCK-500磁控溅射仪，样片尺寸满足长为40mm，宽为8mm，厚度为0. 35mm，将油迹用丙酮(分析纯)在超声波清洗器中清洗干净待用。步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二处理后的低硅硅钢片安装在磁控溅射仪的阳极板上。溅射前磁控溅射仪的溅射室的气体压力小于等于
1.OX 10_3Pa，磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. SPa0溅射功率为57. 6W ；溅射时间为70min，使溅射厚度为10 μ m，沉积得到富Si膜。步骤四、扩散处理为了避免富Si膜蒸发损耗，单独将沉积富Si膜试样放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力在2X10_3I^以下，在1200°C 温度区间进行高真空扩散处理40min，得到具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金。将经步骤四处理后梯度铁硅合取出，经EDS测试，其截面不同位置深度具有不同的含硅量，如图4所示。硅含量最大值为3.98wt. %，最小值为3. 16wt. %。图5为样品截面15. 56 μ m深度处的截面形貌图，对应该深度处A点的硅含量为3. 92wt. %，图6为样品截面125. 3 μ m深度处的截面形貌，对应该深度处B点的硅含量为3. 21wt. %，图7为样品截面 193. 25 μ m深度处的截面形貌图，对应该深度处C点的硅含量为3. Ilwt. %，图8为样品截面325. 3 μ m深度处的截面形貌图，对应该深度处D点的硅含量为3. 66wt. %，计算得到该梯度铁硅合金的含硅量的递减梯度为平均每IOymSi含量减少为0. 045wt. %，平均Si含量为3. 53wt. % ；经软磁直流测试装置测试样品的直流磁性能，得到样品矫顽力为23. 79A/m, B80 = 1. 92T ；经硅钢测试仪测试材料的软磁交流性能，P107ik = 79. 96ff/kg, P10/10K = 3476W/
kg ο
实施例4 本实施例提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材。步骤二、制备低硅硅钢片基片将等于0. 30mm厚的低硅硅钢片(含硅量为3wt. %，35WW250牌号)用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片作为基片，对于JCK-500磁控溅射仪，样片尺寸满足长为40mm，宽为 8mm，厚度为0. 35mm，将油迹用丙酮(分析纯)在超声波清洗器中清洗干净待用。步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二处理后的低硅硅钢片基片安装在磁控溅射仪的阳极板上。溅射前磁控溅射仪的溅射室的气体压力等于 1. OX 10_4Pa，磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. 9Pa。溅射功率为65W ；溅射时间为70min，使溅射厚度为13 μ m,在低硅硅钢片基片表面沉积得到富硅膜。步骤四、扩散处理为了避免富硅膜蒸发损耗，单独将沉积富硅膜的低硅硅钢片放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力为2X 10_4Pa，在 1185°C温度区间进行高真空扩散处理20min，得到具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金。本实施例中得到的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，该合金的平均含硅量为3. 87wt. %，其余成分为铁，该合金的含硅量满足从表面向心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每10 μ m含硅量递减0. 103wt. %，该梯度铁硅合金的铁损70W/kg， P1OZiOK为3300W/kg，该梯度铁硅合金的矫顽力为25. 03A/m, B80 = 1. 80T。实施例5 本实施例提出一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材采用熔铸法配制!^e5Si3靶材。步骤二、制备低硅硅钢片基片将等于0. 35mm厚的低硅硅钢片(含硅量为3wt. %，35WW250牌号)用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片作为基片，对于JCK-500磁控溅射仪，样片尺寸满足长为40mm，宽为 8mm，厚度为0. 35mm，将油迹用丙酮(分析纯)在超声波清洗器中清洗干净待用。步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二处理后的低硅硅钢片基片安装在磁控溅射仪的阳极板上。溅射前磁控溅射仪的溅射室的气体压力等于 0. 8 X 10_3Pa，磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. 851^。溅射功率为64W ；溅射时间为63min，使溅射厚度为11 μ m，在低硅硅钢片基片表面沉积得到富硅膜。步骤四、扩散处理
为了避免富硅膜蒸发损耗，单独将沉积富硅膜的低硅硅钢片放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力为IX 10_4Pa，在 1195°C温度区间进行高真空扩散处理30min，得到具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金。本实施制备得到的具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的平均含硅量为 3. 65wt. %，其余成分为铁，该合金的含硅量满足从表面向心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每10 μ m含硅量递减0. 06wt. %，该梯度铁硅合金的铁损P1Q/1K为73. 12ff/kg, P10/10K 为!MOOW/kg，该梯度铁硅合金的矫顽力为26. 78A/m, B80 = 1. 87T。
权利要求
1.一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，其特征在于所述的不同硅含量分布的梯度铁硅合金的平均含硅量为3. 53 4. 05wt. %，其余成分为铁；该合金的含硅量从合金表面向合金心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每10 μ m含硅量递减0. 045 0.Ilwt. %。
2.根据权利要求1所述的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，其特征在于所述的不同硅含量分布的梯度铁硅合金的铁损P1(1/1K为69. 28 79. 96ff/kg,P1o7iok为3207 3476W/kg。
3.根据权利要求1所述的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金，其特征在于所述的不同硅含量分布的梯度铁硅合金的矫顽力为23. 79 27. 43A/m,B80 = 1. 76 1. 92T。
4.一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，其特征在于具体包括以下几个步骤步骤一、准备靶材 采用熔铸法配制I^e5Si3靶材； 步骤二、制备低硅硅钢片基片将低硅硅钢片用砂纸去除绝缘层后，线切割成样片作为基片，然后用丙酮在超声波清洗器中清洗干净，得到低硅硅钢片基片； 步骤三、磁控溅射过程将步骤一中熔铸好的!^e5Si3靶材放入磁控溅射仪中作为阴极靶，将步骤二制备的低硅硅钢片基片安装在磁控溅射仪的阳极板上，设置磁控溅射仪的溅射室的气体压力小于等于1. 0 X 10 ,磁控溅射仪的溅射气氛为纯氩气，溅射时溅射室的气体压力满足0. 8 1.OPa ；溅射功率为57. 6 72W ；溅射时间为60 80min，溅射厚度为10 μ m 15 μ m，在低硅硅钢片基片表面沉积得到富硅膜；步骤四、扩散处理将沉积富硅膜的低硅硅钢片放入95瓷氧化铝封端陶瓷管中，陶瓷管开口与真空机组相连接，使陶瓷管内部的气体压力在2X10_3I^以下，在1180 1200°C温度区间进行高真空扩散处理20 40min，最终得到具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金。
5.根据权利要求4所述的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，其特征在于所述的步骤二中的低硅硅钢片厚度小于等于0. 35mm，含硅量为3wt. %。
6.根据权利要求4或5所述的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法， 其特征在于所述的低硅硅钢片的牌号为35WW250。
7.根据权利要求4所述的一种具有不同硅含量分布的梯度铁硅合金的制备方法，其特征在于所述的步骤二中的样片尺寸满足长为40mm，宽为8mm，厚度为0. 35mm。
全文摘要
本发明提出一种具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金及其制备方法，该合金的平均含硅量为3.5～4.1wt.％，其余成分为铁，且该合金的含硅量从合金表面向合金心部方向梯度递减，含硅量的递减梯度为每10μm含硅量递减0.045～0.11wt.％。所述的具有不同Si含量分布的梯度铁硅合金的制备方法包括准备靶材、低硅硅钢片基片制备、磁控溅射和扩散处理四个步骤。本发明采用磁控溅射法制备的不同硅含量的梯度铁硅合金在中高频下铁损较低，与CVD法以及热浸渍法相比，磁控溅射法制备梯度硅钢具有纯度高、成分可控、表面质量好、工艺可控性强、环保性好等优点，将其应用于梯度硅钢制备是一种极具开发价值的探索性的全新的研究。
文档编号C23F17/00GK102260874SQ201110207439
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者侯崇强, 毕晓昉, 温钰 申请人:北京航空航天大学