[发明专利]一种高硅钢材料及其制备方法

说明书

一种高硅钢材料的制备方法，步骤包括靶材、金属基材表面清理；排除密闭容器内空气、通保护气；双辉光等离子预轰击靶材和基材，净化表面；等离子溅射、加热、保温；缓慢冷却取出。预轰击靶材、基材，去除表面吸附层、活化基材，交替升高基材电压、靶材电压，使靶材中的合金元素被离子轰击而溅射出来、扩散进入基材内部形成表面高硅钢层。“双辉光等离子表面冶金技术”制备高硅钢的工艺简单易行、可控性高、成本低、无污染且基体和表面的结合力高，适合大规模产业化生产；更重要的是该方法采用交替离子轰击、扩渗速度快，结合强度高，得到硅含量均匀分布或呈梯度分布的高硅钢材料，为制备更高品质的无噪音、低铁损的高硅钢产业化奠定基础。

技术领域

本发明涉及金属材料及其制备技术技术领域，具体为一种高硅钢材料及其制备方法。

背景技术

材料表面技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类表面热处理技术，包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等门薄膜镀层(物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。

表面技术利用较广的是电镀、离子镀、CVD、PVD、ED等，但在一些方面仍有待改善，下面以高硅钢为例简要说明。

含硅量在6.5wt％Si的高硅钢片由于具有中高频铁损低、磁滞伸缩几乎为零、矫顽力小、磁导率和饱和磁感应强度高等众多优异的软磁性能，是制作低噪音、低铁损铁芯的理想材料。然而，高硅含量的硅钢硬度高、脆性大，很难通过普通的轧制方法制备。为了避开其脆性问题，高硅钢的制备方法主要有化学气相沉积扩散法(CVD)、物理溅射沉积扩散法(PVD)、电沉积(ED)等技术。

CVD沉积扩散法及快速冷凝法是目前制备高硅钢方法中唯一具备产业化生产的方法，但依然存在一些问题：如边部易开裂，甚至破断，成材率低；反应过程需要腐蚀性气体--四氯化硅，腐蚀设备，污染环境等。

PVD制备工艺中，采用磁控溅射和多弧离子镀等方法，均在低硅钢板表面沉积富Si膜，然后再通过高温真空扩散处理，使Si渗入基体内部而形成含硅6.5wt％的高硅材料。尽管PVD工艺获得的膜层均匀、致密，但存在制备效率低，处理面积较小，成本高，制备条件不易控制等问题。

电沉积工艺中电泳法沉积的硅层均匀、表面平整、沉积温度低、可操作性好；但由于沉积层与试样表层为物理结合，结合强度小、易剥损，且由于沉积设备的限制，硅钢片尺寸不能过大，发展受到制约。熔盐电沉积尽管产品纯度高、操作简单、镀层与基体结合力好，但一般的熔盐体系易挥发，具有腐蚀性，且最佳工艺参数难以确定等。

上述可以获得含硅量均匀分布的高硅钢的制备工艺，都是先在低硅钢表面获得高硅成分，再在惰性气体保护下经过1200～1400℃的高温扩散退火，使得富硅层中的Si原子向基体内部扩散，进而获得硅元素的均匀分布，但从目前的工艺技术来看，在制备效率、成本、可控性、硅层与基体间的结合力等方面均存在较大进步空间。

针对上述问题，本发明提出采用“双辉光等离子表面冶金技术”实现金属基材表面的改性处理，同时规避上述技术问题。

发明内容

双辉光等离子表面冶金技术是在真空容器内，设置真空容器或独立电极作为阳极和两个阴极：一个是提供靶材元素的高含量靶材，另一个是作为工件的金属基材。在两个阴极之间，分别设置可调压直流电源。充入保护气作为工作气体后，启动两个直流电源，两个阴极周围便形成“双辉光放电现象”。一个高电压靶材阴极辉光放电，用于产生离子轰击，将靶材中的靶材元素溅射出来后，沉积在基材表面。另外一个高压工件阴极辉光放电加热金属基材，使沉积在表面的靶材元素向基材内部扩散，形成高靶材元素的金属材料。当两个阴极之间的距离和保护气气压达到一定值时，可出现“空心阴极放电现象”。

一种高硅钢材料的制备方法,步骤如下：