学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

粉末轧制法制备高硅硅钢片的工艺及过程原理的研究

作　者: 员文杰
导　师: 张联盟；沈强
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 高硅钢 粉末轧制 烧结 反应扩散 磁感应强度 铁损
分类号: TG335
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 530次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


高硅硅钢片是一类性能优异的软磁合金，相比于传统硅钢片材料，它具有高磁导率、低磁致伸缩和低铁损等更优异的软磁性能及高频特性，因此它更适合应用于发电机、变压器及各种电机、电器等，特别是其低铁损和接近于零的磁致伸缩系数，对降低变压器的噪声和实现电机、电器的超小型化和超大型化、减少能耗都极为有利。但是，随Si含量的增加，硅钢片的质地变脆，其加工性能变差，难以用传统方法轧制成型，因而严重制约了其生产和应用。为了克服高硅钢的脆性问题，使其在致密成材之前具有良好的加工性能，本论文采用粉末轧制法来制备高硅硅钢片，通过对原料制备、粉末轧制及后续烧结工艺等的过程调控，期望找到若干规律性的启示。论文研究了铁硅复合粉末的制备和粉末级配对其特性的影响。采用球磨和粉碎的方法对硅粉原料进行了超细化处理。将不同粒度级配的硅粉和铁粉进行混合，制备得到铁硅复合粉末，以测试硅含量的标准偏差的方法来研究和评价复合粉末的均匀性，利用粉体综合性能测试仪对不同粉末级配的复合粉末的特性进行测试。实验结果表明粉末在混合2.5～3小时时可以达到最好的均匀性。不同粒度的硅粉以不同的形式与铁粉复合在一起，即较大粒度的硅粉分布在铁颗粒的间隙中，粒度为10μm左右的硅粉镶嵌在铁粉表面的凹槽内，粒度更小的硅粉则是吸附在铁粉的表面。采用较大粒度的硅粉来制备复合粉末时，由于与铁粉的相容性差，出现粉末分层的不均匀现象；根据密堆积原理进行Horsfield级配能够提高复合粉末的松装密度和振实密度。基于粉末轧制理论的分析，采用模压的方法进行模拟实验，得到粉末的压实系数随压力的增加而增大，当压力达到350MPa时粉末的压实系数为1.8，压制试样的致密度约80％；在相同的压力下，粉末的压实系数基本与试样厚度无关。应用有限元分析软件ABAQUS对粉末轧制的过程进行模拟，结果表明：粉末轧制过程中存在滑移，最大压力对应的角度与中性角不一致；粉末的运动是不均匀的，靠近轧辊的粉末在水平方向的速度最大，在中心对称轴的粉末水平速度比靠近轧辊粉末的速度低3～12％。通过粉末轧制的实验，分析了辊缝大小影响带材的厚度和密度。随着辊缝的增大，带材的厚度均增加，密度均减小。根据沿轧制方向带材的密度和厚度的变化，粉末轧制过程可分为起始不稳定阶段、稳定阶段和结束不稳定阶段。实验确定了保持轧制的稳定和连续的临界堆料高度为60mm。在热力学上利用Miedema半经验模型计算了Fe-Si体系在无序固溶体、金属间化合物及混合物状态的形成能，综合分析了粉末烧结的具体过程，并对Fe、Si组元的活度和扩散系数进行了预测。通过XRD、EPMA等测试技术，研究了铁硅复合粉末带材在700℃～1200℃的烧结温度条件下密度和物相组成的变化以及硅粉粒度对烧结的影响。采用DSC方法对烧结过程中铁基体内固溶硅的含量进行了评价。根据Fe和Si的扩散系数和化合物层的生长模型，分析了烧结过程中铁硅的反应扩散机制。在反应扩散初期，界面处靠近Si一侧形成富Fe区域，首先形成Fe3Si层，并迅速生长。当Fe3Si层生长到一定的厚度时，Fe的快速扩散使Fe3Si／Si界面处靠近Fe3Si一侧Fe含量减少，界面处形成FeSi层。在粉末轧制分析和烧结实验的基础上，得到最佳的制备高硅硅钢片的工艺流程，即初次烧结1000℃3h，二次烧结1200℃3h和去应力退火处理800℃3h。分析了制备过程各阶段中带材的物相组成与显微结构变化，并测试最终带材的磁学和力学性能。在初次烧结阶段带材内部主要发生了如下反应：Fe+Si→Fe（Si）+Fe3Si，经过高温的二次烧结后，带材的物相为单一的铁硅固溶体。在1kHz以上的频率下，试样具有相对较低的铁芯损耗。根据铁损分离模型，对粉末轧制法制备的高硅钢的铁损特性进行了对比分析，其磁滞损耗和反常损耗的所占比例的较大差异与其显微结构包括夹杂物、均匀性和晶粒尺寸等的差异有关。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第1章 前言  14-30
  1.1 Fe-Si 合金的特性及应用  14-19
  1.2 高硅钢的研究现状  19-23
    1.2.1 高硅钢的制备技术  19-21
    1.2.2 高硅钢的磁性能  21-23
    1.2.3 高硅钢的力学性能  23
  1.3 粉末轧制技术  23-28
    1.3.1 粉末轧制工艺的特点  23-24
    1.3.2 粉末轧制工艺的发展简述与研究现状  24-28
      1.3.2.1 粉末轧制工艺的发展  24-25
      1.3.2.2 粉末轧制技术的研究现状  25-26
      1.3.2.3 粉末轧制过程的模拟研究  26-28
  1.4 本论文的工作的提出与主要研究内容  28-30
第2章 铁硅复合粉末的制备与其特性评价  30-47
  2.1 引言  30
  2.2 硅粉的超微细化  30-36
    2.2.1 实验原料  30-31
    2.2.2 实验设计与测试方法  31-32
      2.2.2.1 实验设计  31-32
      2.2.2.2 测试方法  32
    2.2.3 测试结果与讨论  32-36
  2.3 铁硅复合粉末的制备  36-45
    2.3.1 实验原料  36-37
    2.3.2 实验设计与测试方法  37-40
      2.3.2.1 实验设计  37-38
      2.3.2.2 粉末的均匀性测试  38
      2.3.2.3 粉末特性的测试原理和方法  38-40
    2.3.3 结果与讨论  40-45
      2.3.3.1 铁硅复合粉末的结构表征  40-41
      2.3.3.2 铁硅复合粉末的均匀性评价  41-43
      2.3.3.3 铁硅复合粉体的流动特性  43-45
  2.4 小结  45-47
第3章 粉末轧制过程的研究  47-71
  3.1 引言  47
  3.2 粉末轧制过程的相关理论与影响因素  47-54
    3.2.1 粉末轧制的过程  47-48
    3.2.2 粉末轧制的咬入角与主要变形系数的理论分析  48-51
      3.2.2.1 咬入角α_1  48-49
      3.2.2.2 粉末轧制的主要变形系数  49-51
    3.2.3 影响轧制过程的主要参数  51
    3.2.4 粉末轧制过程的实验模拟  51-54
      3.2.4.1 实验与测试方法  51-52
      3.2.4.2 结果与讨论  52-53
      3.2.4.3 轧辊直径、咬入角和带材厚度的关系  53-54
  3.3 粉末轧制过程的有限元分析  54-62
    3.3.1 有限元软件 ABAQUS  54-55
    3.3.2 粉末轧制过程有限元模型的建立和算法的选择  55-58
      3.3.2.1 模型建立的基本假设  55
      3.3.2.2 几何模型的建立  55-57
      3.3.2.3 修正 Drucker-Prager/Cap 塑性模型  57-58
      3.3.2.4 求解器算法的选择  58
    3.3.3 计算模拟结果与分析  58-62
  3.4 粉末轧制的实验研究  62-69
    3.4.1 实验设备与测试方法  62-63
    3.4.2 实验方法  63
    3.4.3 实验结果与讨论  63-69
      3.4.3.1 辊缝对带材的厚度和密度的影响  63-65
      3.4.3.2 粉末轧制带材的均匀性  65-67
      3.4.3.3 临界堆料高度 H_0 的确定  67-69
      3.4.3.4 粉末连续轧制成带  69
  3.5 小结  69-71
第4章 铁硅粉末烧结的过程研究  71-111
  4.1 引言  71
  4.2 Fe-Si 合金体系的热力学分析  71-84
    4.2.1 Miedema 模型简介  71-75
      4.2.1.1 Miedema 理论模型  71-73
      4.2.1.2 二元合金形成热表达式  73-74
      4.2.1.3 参数的确定  74-75
    4.2.2 二元合金热力学模型的建立  75-78
      4.2.2.1 固溶体的热力学模型  75-76
      4.2.2.2 金属间化合物的热力学模型  76
      4.2.2.3 二元合金中组元活度的计算模型  76-77
      4.2.2.4 二元合金中组元扩散系数的预测模型  77-78
    4.2.3 Fe-Si 合金体系的热力学分析  78-84
      4.2.3.1 Fe-Si 合金的形成能计算  79-81
      4.2.3.2 Fe-Si 合金的组元活度的计算  81-83
      4.2.3.3 Fe-Si 合金中扩散系数的预测  83-84
  4.3 烧结过程的工艺与控制  84-95
    4.3.1 实验设计  85
    4.3.2 测试方法  85
    4.3.3 结果与讨论  85-95
      4.3.3.1 烧结试样的密度分析  85-87
      4.3.3.2 烧结试样的 XRD 分析  87-89
      4.3.3.3 烧结试样的显微结构分析  89-91
      4.3.3.4 硅粉粒度对带材烧结的影响  91-95
  4.4 烧结过程中合金化程度的评价  95-99
    4.4.1 评价方法和原理  95-97
    4.4.2 实验与测试  97
    4.4.3 结果与分析  97-99
  4.5 铁硅反应扩散机制的研究  99-110
    4.5.1 Fe-Si 合金的扩散机制分析  100-103
    4.5.2 Fe-Si 体系中多相扩散生长规律分析  103-110
  4.6 小结  110-111
第5章 粉末轧制法制备高硅硅钢片的研究  111-130
  5.1 引言  111
  5.2 高硅硅钢片的制备过程  111-119
    5.2.1 高硅硅钢片制备的工艺流程设计  111-112
    5.2.2 测试方法  112
    5.2.3 结果与分析  112-119
      5.2.3.1 制备过程中试样的密度变化  112-114
      5.2.3.2 制备过程中试样的 XRD 分析  114-115
      5.2.3.3 制备过程中带材的 DSC 分析  115-116
      5.2.3.4 带材的显微结构变化  116-117
      5.2.3.5 轧制工艺对带材制备的影响  117-118
      5.2.3.6 制备过程中带材力学性能的变化  118-119
  5.3 高硅硅钢片的磁性能评价  119-128
    5.3.1 测试设备与方法  119-120
    5.3.2 结果与讨论  120-128
  5.4 小结  128-130
第6章 结论  130-133
参考文献  133-141
攻读博士学位期间发表的论文及获得的专利  141-142
致谢  142

相似论文

  1. TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料的制备及摩擦学性能,TB332
  2. (ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的反应热压烧结及其力学性能,TB332
  3. 芦苇基陶瓷的制备及性能研究,TQ174.1
  4. 凝胶注模SiC-AlN复相陶瓷的制备工艺与性能研究,TQ174.62
  5. 利用城市给水厂污泥制砖技术研究,X703
  6. 反应烧结多孔钛酸铝材料的研究,TQ133.1
  7. 锂电池负极材料烧成用氧化铝坩埚的开发研究,TQ174.6
  8. 粉煤灰页岩烧结砖烧结过程中硫的固定及硫释放规律的研究,X701.3
  9. 稀土铝酸盐Dy3Al5O12、NdAlO3、LaAl11O18粉体制备及烧结行为研究,TB383.3
  10. 铁基阀板在烧结过程中的变形规律及其影响因素研究,TF124.5
  11. 低摩擦高耐磨高纯氧化铝陶瓷的制备研究,TQ174.1
  12. 两步法反应烧结制备钛化物陶瓷复合材料,TQ174.1
  13. PSN-PZT压电陶瓷低温烧结研究,TM282
  14. 多层片式PTCR材料配比与还原-再氧化工艺研究,TN605
  15. 双孔径毛细芯的研制及其在环路热管中的应用研究,TK172.4
  16. 一种无固体颗粒的高性能有机银浆料及其工艺性能的研究,TN604
  17. 微波驱动电源及微波烧结炉研究,TN015
  18. 基于数据驱动的烧结处理过程建模和控制,TP273
  19. 纳米级Bi2Te3粉体的制备及其烧结性能研究,TB383.1
  20. Li铁氧体的低温制备及仿真应用,TM277
  21. 多孔钛的粉末烧结制备与性能研究,R783.1

中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属压力加工 > 轧制 > 轧制工艺
© 2012 www.xueweilunwen.com