本发明涉及一种磁场下连续制备高硅钢薄带的方法及装置，属于磁性材料制备、热处理技术领域。
背景技术
硅钢薄带是一种非常重要的软磁材料，广泛应用于电力、电器以及国防军事工业等领域中。当硅钢薄带中硅含量增加到6.5wt％后,硅钢的磁致伸缩趋近于零,综合磁性能达到最佳，是高频磁性元件用的理想软磁材料。但是，当硅含量超过4wt％后，随着硅含量的增加,脆性显著增加，当硅含量增加到5wt％以后,硅钢的延伸率近乎降低至零。因此，很难采用传统的轧制和冲压加工法制备高硅硅钢薄带。
目前为止，世界各国研究人员对6.5wt％si高硅硅钢薄带的制备方法进行了大量研究，并提出了多种制备工艺，如激光熔敷喷涂法、粉末轧制法、熔盐电沉积法、cvd法、pcvd法、多道轧制法、复合电沉积-扩散法等。目前日本的nkk公司开发的化学气相沉积法即cvd法生产的6.5wt％si硅钢薄带具备很好的磁性能，并已小规模进行工业化生产，但存在对设备要求高、铁流失严重、沉积温度高、能耗大、硅钢表面质量差、污染环境、成本高等缺点，限制了其进一步大规模化生产。当采用复合电镀热处理法制备高硅硅钢薄带时，由于析氢作用容易造成低硅钢薄带与高硅镀层分离，同时，在后续均匀化热处理的过程中，硅元素与铁形成铁硅相后容易造成低硅钢与高硅涂层的扩散分离，阻碍了硅元素的扩散作用。此外，在均匀化热处理过程中，硅元素的扩散速度很慢。而上述其他方法在生产工艺的可控性、成本及环保等方面仍有待进一步的改进。因此，开发廉价高效的高硅硅钢制备方法仍然是亟待解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种粉末扩散法连续制备高硅硅钢薄带的方法及装置，实现长尺寸、连续操作，且可以制备出近终型的薄带，因此大幅度降低制备成本。
为达到上述目的，本发明的构思是：在粉末扩散制备过程由铁硅合金粉组成，在低硅钢薄带上制备上一层硅含量为6.5～14wt％的高硅涂层，如果采用纯硅粉末时，高硅涂层中硅含量非常容易高于14wt％，在后续热处理时容易形成铁硅相，容易与低硅钢基体分离。同时，在制备高硅涂层时，如果采用传统的粉末扩散时，硅元素的扩散速度很慢，为了加速硅元素加速朝低硅钢薄带基体中扩散，首先对低硅钢薄带表面进行强化处理，植入一定的残余应力，可以加速粉末扩散时硅元素朝低硅钢薄带中扩散。同时，为了进一步加速硅元素向低硅钢薄带基体中扩散，在粉末扩散过程中施加了电场和磁场。此外，在粉末扩散和热处理过程中施加磁场不仅可以促进硅元素的扩散，同时还可以促进硅钢形成(110)[001]织构,显著提升硅钢薄带的软磁性能。为此，本发明提出，粉末扩散制备高硅涂层前，采用如滚压、激光脉冲、喷丸等处理，植入一定的残余应力，促进后续硅元素的扩散过程。在粉末扩散制备高硅涂层及后续过程中，施加一个恒定的外磁场(0.001～20特斯拉(t))，再粉末扩散过程中，还施加了电流密度为1～2000a/dm2的电场强度。在粉末扩散过程中，制备一层硅含量为6.5～14wt％的高硅涂层，为后续的热处理提供充足的硅源，因此，最终热处理的硅钢片中硅含量将达到6.5wt％的最佳值。
基于上述构思，本发明的一种粉末扩散法连续制备高硅硅钢薄带的方法，是利用表面强化工艺处理低硅钢薄带，然后通入高硅粉末中在低硅钢薄带上制备一层高硅涂层，同时在粉末扩散过程中，施加磁场和电场，获得高硅涂层后的硅钢薄带再经过磁场下热处理，进而获得具有优异软磁性能的6.5wt％si的高硅硅钢薄带。
其中，所述表面强化工艺包括滚压、激光脉冲或喷丸之一或者混合。所述高硅粉末成分为：纯铁粉占总重量比0.1～20％、纯硅粉占总重点比0.1～50％、硅含量3～6.5wt％s的铁硅合金占总重量比0.1～20％、硅含量6.5～14wt％s的铁硅合金占总重点比0.1～95％、硅含量14～99wt％s的铁硅合金占总重量比0.1～60％、氧化铝粉占总重量比0.1～50％。施加的电场电源为幅值恒定的直流电源，或为占空比和频率可调的脉冲电源，或者是占空比、频率和周期可反向的直流电源。
具体的，该方法包括如下步骤：
步骤1.硅铁合金颗粒的制备：将不同比例的纯铁粉和纯硅粉混合均匀，然后在高真空高温下熔炼形成硅铁合金，然后将得到的合金采用真空电弧雾化或者行星球磨的方法磨制成0.1～500μm的粉末；
步骤2.表面强化处理：对低硅钢薄带表面进行表面强化处理，植入一定的残余应力；
步骤3.高硅层的制备：将步骤1中得到的含有硅元素的粉末加入到粉末扩散炉中，在低硅钢薄带表面制得一层高硅涂层，在制备过程中施加电场和磁场；经干燥烘干后放入带惰性气体，或为还原气体或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行连续热处理扩散处理，得到平均硅含量为6.5wt％且分布均匀的取向或无取向硅钢片；
步骤4.将低硅钢薄带阴极连续地通入到粉末扩散炉中，每0.2-2h移动一次获得高硅层硅钢薄带；通过控制低硅钢薄带走带频率、粉末硅含量或磁场强度来控制高硅涂层中的硅含量，以制备高硅硅钢薄带；硅钢带采取放卷和收卷的方式，实现成卷高硅钢薄带的制备；
步骤5.均匀化扩散退火：将上述步骤得到的平均硅含量为6.5wt％的高硅涂层钢带，经干燥烘干后放入带惰性气体，或为还原气体或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行连续热处理扩散处理，得到平均硅含量为6.5wt％且分布均匀的取向或无取向硅钢片。
其中，步骤1中纯铁粉和纯硅粉混合均匀后的混合粉中硅含量控制在2.5wt％si～99％wt％si范围；步骤1中所述高温指1400～1600℃温度范围。
步骤3中施加的电流密度1-2000a/dm2，施加的磁场强度为0.001～20t。
步骤4中扩散炉中热处理温度控制在800-1300℃，热处理时间为0.1-10小时；步骤5中热处理温度控制在800-1300℃，热处理时间为0.1-10小时。
为实现上述方法，本发明采用这样一种粉末扩散法连续制备高硅硅钢薄带的装置，该装置包括由钢带输送装置一、传送装置和钢带输送装置二构成的流水作业线，在钢带输送装置一的前方设有喷丸机，喷丸机的前方设有低硅钢带卷绕机构；钢带输送装置一和传送装置之间设有两个阴极夹辊，两个阴极夹辊之间设有粉末扩散炉，粉末扩散炉上下两面由内而外依次设有加热装置一、绝热材料一、水冷装置一和恒定磁场发生器一；粉末扩散炉中设有上阳极、下阳极以及热电偶一；粉末扩散炉下方设有控温仪一和直流电源；在传送装置和钢带输送装置二之间设有一个热处理炉，热处理炉上下两面由内而外依次设有加热装置二、绝热材料二、水冷装置二和恒定磁场发生器二，热处理炉中设有热电偶二，热处理炉下方设有控温仪二；在钢带输送装置二后方设有高硅硅钢带卷绕机构。
与现有技术相比较，本发明具有以下突出的实质性特点和显著进步：
低硅钢基体经过喷丸强化处理后，利用喷丸对低硅钢基体强化处理产生的残余应力可以显著促进粉末中硅元素向低硅钢扩散，从而提高高硅涂层的硅含量。
粉末扩散制备高硅层时采用的粉末为铁硅合金颗粒，由于铁与硅已经形成了固溶体，在粉末扩散时元素进入低硅基体时无需形成固溶体就可以直接扩散进入低硅钢薄带，可以显著促进硅元素扩散作用。
由于制备高硅涂层和均匀化热处理过程是在磁场的条件下进行，由于磁晶各向异性和感生各向异性的作用，通过调节磁场强度等参数可以使组织取向,提高磁性能。
整个制备过程不存在压力加工或其性变形过程,可以从根本上避免任何由于6.5wt％si高硅硅钢的低塑性而导致的加工困难。
高硅层的厚度、硅含量、硅元素扩散速度可以通过调节沉积的粉末中铁硅合金硅含量、中性粉末含量、磁场强度,避免硅钢薄带表面硅含量过高。
对基体的原结构影响小。
该方法可以进行大规模连续操作，有望制备出宽幅、长尺寸的高硅硅钢带，并大大降低生产成本。
使用的粉末廉价,易获得,且消耗少、成本低。
附图说明
图1是本发明方法中所用的专用装置的结构示意图。
附图中的标记为：1-低硅钢带卷绕机构，2-低硅钢薄带，3-喷丸机，4-钢带输送装置一，5-阴极夹辊一，6-恒定磁场发生器一，7-水冷装置一，8-绝热材料一，9-加热装置一，10-粉末扩散炉，11-高硅粉末，12-上阳极，13-下阳极，14-热电偶一，15-阴极夹辊二，16-控温仪一，17-直流电源，18-高硅涂层硅钢，19-传送装置，20-恒定磁场发生器二，21-水冷装置二，22-绝热材料二，23-加热装置二，24-热处理炉，25-热电偶二，26-控温仪二，27-钢带输送装置二，28-高硅硅钢带卷绕机构，29-磁场方向一，30-磁场方向二，31-高硅上涂层，32-低硅钢基体，33-高硅下涂层，34-高硅硅钢薄带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1：
本发明的一种粉末扩散法连续制备高硅硅钢薄带的装置，包括由钢带输送装置一4、传送装置19和钢带输送装置二27构成的流水作业线，在钢带输送装置一4的前方设有喷丸机3，喷丸机3的前方设有低硅钢带卷绕机构1，低硅钢薄带2通过低硅钢带卷绕机构1输送至喷丸机3。
钢带输送装置一4和传送装置19之间设有两个阴极夹辊，即阴极夹辊一5和阴极夹辊二15，阴极夹辊一5和阴极夹辊二15之间设有粉末扩散炉10，粉末扩散炉10上下两面由内而外依次设有加热装置一9、绝热材料一8、水冷装置一7和恒定磁场发生器一6；粉末扩散炉10中设有上阳极12、下阳极13以及热电偶一14，粉末扩散炉10充满高硅粉末11。粉末扩散炉10下方设有控温仪一16和直流电源17，其中控温仪一16分别通过导线连接热电偶一14和加热装置一9，直流电源17通过导线连接阴极夹辊一5和阴极夹辊二15以及上阳极12。经粉末扩散炉10处理后的高硅涂层硅钢18经传送装置19向后方传送。高硅涂层硅钢18的结构如图1中放大部分所示，可以看出其主要是在低硅钢基体32上增加了高硅上涂层31和高硅下涂层33。
在传送装置19和钢带输送装置二27之间设有一个热处理炉24，热处理炉24上下两面由内而外依次设有加热装置二23、绝热材料二22、水冷装置二21和恒定磁场发生器二20，热处理炉24中设有热电偶二25，热处理炉24下方设有控温仪二26，控温仪二26通过导线连接热电偶二25和加热装置二23。
在钢带输送装置二27后方设有高硅硅钢带卷绕机构28，用于卷绕经热处理炉24处理后得到的高硅硅钢薄带34。从图1中还可以看出，粉末扩散炉10和热处理炉24中的磁场方向一29和磁场方向二30均指向后方，即高硅硅钢带卷绕机构28的方向。
在扩散处理时，通过热电偶一14和控温仪一16控制粉末扩散炉10的温度，同时开启上阳极12和下阳极13施加电场和打开恒定磁场发生器一6施加磁场，方向为水平方向。热护理炉24内，首先将高硅涂层硅钢带插入热护理炉24中，在扩散处理时，通过热电偶二25控制热处理炉24温度，同时开启恒定磁场发生器二20施加磁场，磁场方向为水平方向。
实施例1：
(1)硅铁合金颗粒的制备：将不同比例的纯铁粉和纯硅粉混合均匀，混合粉中硅含量控制在2.5wt％si～99％wt％si范围，然后在高真空高温(1400～1600℃)下熔炼形成硅铁合金，然后将得到的合金采用真空电弧雾化或者行星球磨的方法磨制成0.1～500μm的粉末。
(2)表面强化处理：对低硅钢薄带2表面进行表面强化处理，植入一定的残余应力；
(3)高硅层的制备：将含有硅元素的粉末加入到粉末扩散炉10中，在低硅钢薄带2表面制得一层高硅涂层，在制备过程中，施加了1-2000a/dm2电流密度的电场，同时还施加的磁场强度为0.001～20t,采用0.05～0.5mm厚的纯铁薄带或者低硅硅钢薄片为基体，宽度为10-2000mm，低硅钢薄带2的硅含量为0-3wt％。经干燥烘干后放入带惰性气体(如氩气)，或为还原气体(一氧化碳、氢气等)或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行连续热处理扩散处理,得到平均硅含量为6.5wt％且分布均匀的取向或无取向硅钢片。扩散炉中热处理温度控制在800-1300℃，热处理时间为0.1-10小时。
(4)为保证得到连续的高硅复合涂层，将低硅钢薄带2阴极连续地通入到粉末扩散炉10中，每0.2-2h移动一次获得的高硅层硅钢薄带；通过控制低硅钢薄带2走带频率、粉末硅含量、磁场强度等多个因素来控制高硅涂层中的硅含量。为制备总体呈6.5wt％si的高硅硅钢薄带，高硅层中的硅含量可控制在6.5-99wt％之间；涂层的厚度为2-1000微米；硅钢带采取放卷和收卷的方式，实现成卷高硅钢薄带的制备。
(5)均匀化扩散退火：将上述步骤得到的平均含硅量约为6.5wt％的高硅涂层钢带，经干燥烘干后放入带惰性气体(如氩气)，或为还原气体(一氧化碳、氢气等)或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行连续热处理扩散处理，得到平均硅含量为6.5wt％且分布均匀的取向或无取向硅钢片。热处理温度控制在800-1300℃，热处理时间为0.1-10小时。
实施例2：
本实施例的具体运作过程如下所述：
在盛有峰值粒径为10μm的铁粉5kg、硅粉5kg、氧化铝粉10kg、60kg硅含量为13wt％的铁硅合金粉、10kg硅含量为4wt％的铁硅合金粉置入容量为50l长宽高为50cm、10cm、30cm的粉末扩散炉10中。
粉末扩散炉10内设有一对上阳极12和下阳极13，粉末扩散炉10四周设置有加热装置一9和绝热材料一8，外设水冷装置一7以防止热量影响外围的恒定磁场发生器一6；高硅粉末11的温度由加热装置一9和控温仪一16以及热电偶一14来监控。
采用厚度为0.2mm、宽度为500mm、含硅量为3wt％的低硅硅钢带作为低硅钢薄带2、由阴极夹辊一5通入在粉末扩散炉10中，低硅钢薄带2经过上阳极12和下阳极13的中间粉末区域，将阴极夹辊一5和阴极夹辊二15和直流电源17的负极连接，将上阳极12和下阳极13与直流电源17的正极相连接；采用控温仪一16和加热装置一9以及热电偶一14将粉末扩散炉10加热到1250℃并保温，同时开启电极直流电源17，调整直流电流密度为100a/dm2；恒定磁场发生器一6的磁场由电磁铁提供，磁感应强度保持为0.8t，磁场方向一29为水平向右。获得高硅涂层后硅钢带并穿出粉末扩散炉10通过传送装置19抵达热处理炉24中，采用控温仪二26和加热装置二23以及热电偶二25将热处理炉24加热到1280℃并保温，然后开启恒定磁场发生器二20的磁场由电磁铁提供，磁感应强度保持为1t。磁场方向二30方向为水平向右。热处理炉24四周设置有加热装置二23和绝热材料二22,外设水冷装置二21以防止热量影响外围的恒定磁场发生器二20；热处理炉24内的温度有加热装置二23和控温仪二26以及热电偶二25来监控。
启动钢带输送装置一4、传送装置19和钢带输送装置二27，保持每半小时走一次钢带，距离为50cm。由于高硅粉末11中含有峰值粒径为10μm硅铁合金颗粒，利用磁场对低硅钢薄带2的磁场能效应和上阳极12、下阳极13产生的电场促进下，将高硅粉末11硅元素扩散在低硅钢基体32的上下表面，获得高硅的高硅上涂层31和高硅下涂层33，经eds(能谱分析)测定，该复合镀铁层硅含量为10.6wt％，高硅上涂层31和高硅下涂层33的厚度为90微米(上下镀层均为90微米)，该高硅上涂层31和高硅下涂层33与低硅钢基体32经后续的热处理，经钢带输送装置二27到达高硅硅钢带卷绕机构28，最终的硅含量达到6.5wt％，这一成分达到了高性能高硅钢薄带的成分目标。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。