[发明专利]取向金属软磁合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于具有取向要求的金属软磁合金材料技术，特别是一种取向金属软磁合金材料及其制备方法。 

背景技术

软磁材料是电力、电子和军事工业不可缺少的重要材料。尤其是在电力工业中，从电能的产生、传输到利用的过程，软磁材料起着重要的能量转换作用。金属软磁材料是指以铁、钴、镍三种主要的铁磁性元素为主要成分，或是他们的单一金属，或是他们中的二者乃至三者的适当组分配合，或是在此基础上再添加一种或多种别的元素，如钼、硅、铝、钒等组合而成。其中铁硅合金(硅钢片)是使用量最大的金属软磁合金材料。低的剩磁、矫顽力和铁损以及强磁场下高的磁感应强度以及高的磁导率是软磁材料非常重要的技术指标。 

由于金属软磁合金材料存在磁晶各向异性，即磁单晶材料存在易磁化和难磁化方向，因此，从晶体学上看具有改进磁性能的潜力。这种潜力长期以来一直为人们所重视。例如硅钢性能的几次大突进都是通过技术发明制备出如戈斯织构、立方织构和高取向材料。这几次大突进都是从取向控制上取得的。金属软磁合金材料在能量转换和信息处理等领域具有举足轻重的地位，制备技术的开发具有重要的工程意义和商业价值。因此，国际上对该类合金的研究和开发工作一直都十分活跃。但是，金属软磁合金材料的取向控制技术复杂，因此相继开发的各种控制金属软磁合金材料尤其是硅钢晶体学取向的方法都得到了专利保护。一般控制硅钢取向的方法是利用控制轧制工艺和退火工艺实现。如美国专利(专利号：4371405)给出通过控制热轧的终轧温度在700℃到1000℃之间，可以省略热轧后的中间退火。一般在制备取向硅钢的过程中MnS，AlN等晶粒长大抑制剂在材料二次再结晶过程中具有重要作用。因此传统的制备取向硅钢过程中，控制这些晶粒长大抑制剂的固溶和沉淀工艺是研究的热点问题。例如，美国专利(专利号：3151005)给出了利用控制碳化物和沉淀相的形态和分布来提高含硅3.25％硅钢板戈斯织构的含量进而来改善磁性能。美国专利(专利号：4319936)也提供了一种在3.25％硅钢中制备戈斯织构的方法。该方法根据材料中的Al和N含量，通过控制初始退火温度和起始淬火的温度来改善晶体学织构和磁性能。由于上述因素使取向 硅钢的制备工艺复杂，同时，长大抑制剂的加入也不利于硅钢本身磁性能的发挥。 

在取向硅钢的制备过程中要经历冷轧过程，一次取向硅钢的Si含量一般都在3.25％左右。因为含硅量达到4％以上，由于加工性能急剧下降，已经不能利用传统的冷轧工艺制备。然而，随着硅含量的增加，硅钢的电阻率增大，涡流损耗减小，从而在较高频率下表现出良好的磁性。当硅含量达到6.5％左右时，磁致伸缩系数趋近于零，磁导率增加到最大，铁损降到最小。由于电子器件的多样化，尤其是在高频领域的应用，提高硅含量是进一步提高硅钢磁性能的有效途径，受到了广泛的关注。由于含硅4％以上的硅钢不能利用传统的冷轧工艺制备。目前，各国相继研究用CVD渗硅法、快速凝固法、粉末冶金法、特殊轧制法、粉末涂层等方法来制备这种高硅钢薄板或薄带。例如日本专利(专利号：S56-3625)开发了利用单锟或双锟直接铸造法。日本专利(专利号：S62-103321)开发了温轧法。日本专利(专利号：H5-171281)开发了叠轧法，即将高硅板夹在低硅板中间进行轧制。专利号为Wo 2004/044252A1的专利开发了利用涂层法制备取向高硅钢的工艺，该工艺首先采用传统的热轧加冷轧法制备3.3％Si的硅钢材料，然后在最后的二次再结晶退火之前在材料表面涂Fe-Si基烧结粉并用MgO作为退火分离剂(annealing separator)，在高温退火的条件下实现渗硅和取向控制。目前，这些方法因其工艺复杂都没有实现商业化生产。日本专利(专利号：S62-227-078)和美国专利(专利号：3423253)等开发了SiCl4渗硅法，即化学汽相沉积(CVD)法在冷轧后的3％无取向硅钢表面渗硅，并通过均匀化退火手段制备含硅6.5wt％高硅钢。这种方法尽管实现了商业化生产。然而，同普通的3％硅钢相比，由于采用了CVD工艺使其成本提高了5倍。另外，这些方法都是仅仅利用提高硅含量来改善磁性能，而难以实现通过控制高硅钢的织构来进一步提高其磁性能。目前，在不采用CVD工艺的情况下，还不能实现高硅钢的商业化生产。张中武等人曾尝试对纯铁材料的显微结构进行控制(Acta Mater.，2007，55：5988，Mater.Sci.Eng.，A434(2006)58，Mater.Sci.Eng.，A435-436(2006)573，Mater.Sci.and Eng.，A422(2006)241)。目前，尽管在纯铁中可以制备出柱状晶显微结构，但是还不能有效控制其取向。同时，由于取向软磁合金材料的软磁性能对材料的取向具有严格要求，其工艺控制机理和参数完全不同于上述纯金属材料。同时取向软磁合金材料中合金元素的存在严重阻碍了对其显微结构和取向的控制。因此要提高金属软磁合金材料的性能，尤其是在硅含量达到4％以上的高硅钢中进一步提高其磁性能必须要找到可以直接控制这种材料晶粒形态和晶体学织构的有效途径。