CN109371394A - 一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：低硅钢预处理；表面机械研磨处理SMAT；沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80‑85%SiO2，20‑22%炭黑；然后置于真空度为1.33‑2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03‑0.05ml/s，硅烷的流量为0.01‑0.08 ml/s，气体气氛压力为80‑100Pa，用激光器对材料表面进行激光扫描；热处理制备出厚度为0.10‑0.25mm的高硅涂层。本发明工艺可以实现快速扩散，提高渗硅层厚度；变形层可以为扩散提供足够的驱动力，促进渗硅的进行，后续激光熔覆及扩散退火热处理，提高了渗硅效率，实现快速渗硅，并且避免了常规方法中的卤族元素的污染，从而获得的高硅涂层具有更加优异的含硅量，扩大了其使用领域。

Description

一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种采用激光辅助渗硅技术在硅钢表面制备高硅涂层的方法，属于金属表面改性术领域。
背景技术
硅钢有钢铁产品“艺术品”的美誉，而高硅钢一般是指含4.5%～6.7% Si的铁硅合金，通用的高硅钢为6.5% Si的铁硅合金。随硅含量的增加，硅钢的磁性得到改善，特别是当硅含量在6.5%左右时具有极其优异的软磁性能，呈现最大的导磁率，最小的铁损，极低的磁晶各向异性，几近于零的磁致伸缩率。但是其生产工艺复杂、制造难度也较大，被看做一个国家特殊钢生产的重要标志之一。
尽管高硅钢具有优异的软磁性能，但Si含量超过4%的Fe-Si合金既硬又脆，无法利用常规的轧制技术生产。多年来众多国内外材料科学工作者研究出许多方法来制备高硅钢。这些制备工艺共分两大类：一类是寻求合金的韧化，利用轧制工艺制备薄板；另一类利用新技术，避开合金的脆性，如喷射成型法、急冷制带、粉末轧制、沉积扩散等方法。但是由于在改善硅钢脆性方面还未取得明显
的进展，所以利用轧制技术制备高硅钢发展较慢，而新的制备工艺发展迅速，卓见成效，其中以沉积扩散工艺的发展和成熟最为突出。
本发明基于高硅涂层技术特点，通过前期在低硅钢表面进行表面纳米化，获得高密度的高能晶界，加快表面化学反应，除此表面纳米晶之间大量晶界又可以为反应原子提供理想通道，增强扩散动力学。后续利用激光熔覆及扩散退火热处理在低硅钢表面制备高硅涂层。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法，利用表面纳米化处理，以及激光熔覆及扩散退火热处理技术，提供一种低硅钢组织与性能调控的新技术。
本发明的技术方案是：一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：
a. 低硅钢预处理：首先将其置于5% NaOH溶液中，温度为70-75℃，浸渍清除表面绝缘膜；随后在60-70℃的 10% 盐酸中浸渍清除表面底膜，再于3% HF+ 97% H2O2中加以化学研磨使表面平滑化，最后在质量分数为5%的NaOH溶进行黑化处理，处理温度80-90℃，在去离子水和乙醇中超声清洗1-5min后放入干燥器待用。
b. 表面机械研磨处理（SMAT）：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，所用弹丸为直径4-8mm的钢球，超声振动频率为20-50Hz，处理时间为40-60min。为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为5-20Pa。
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85% SiO2，20-22%炭黑；然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7 kW横流CO2激光器对材料表面进行激光扫描，激光熔覆工艺参数为：功率P=1000-1500W，扫描速度V=100-300 mm/min，光斑直径D=4-10 mm；
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1000-1500，保温4-8h，制备出厚度为0.10-0.25mm的高硅涂层。
本发明具有如下特点：
本发明工艺经过SMAT处理得到的材料表面流变层，可以为扩散提供短程通道，相比于粗晶体扩散温度更低，可以实现快速扩散，提高渗硅层厚度；变形层由于SMAT储存的能量可以为扩散提供足够的驱动力，降低扩散激活能，促进渗硅的进行。后续激光熔覆及扩散退火热处理，提高了渗硅效率，实现快速渗硅，并且避免了常规方法中的卤族元素的污染。获得的高硅涂层具有更加优异的含硅量，扩大了其使用领域。
附图说明
图1是实施例1硅含量分布图及硬度分布图；
图2是实施例2硅含量分布图及硬度分布图；
图3是实施例3硅含量分布图及硬度分布图；
图4是实施例4硅含量分布图及硬度分布图；
图5是实施例5硅含量分布图及硬度分布图。
具体实施方式
实施例1
在本实施例中，一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法，采用的热轧无取向低硅钢钢牌号B50A600，具有如下步骤:
a. 低硅钢预处理：首先将其置于质量分数为5% NaOH溶液中，温度为75℃，浸渍清除表面绝缘膜；随后在70℃的 10% 盐酸中浸渍清除表面底膜，再于质量分数比为3% HF+ 97%H2O2中加以化学研磨使表面平滑化，最后在质量分数为5%的NaOH溶进行黑化处理，处理温度90℃，在去离子水和乙醇中超声清洗3min后放入干燥器待用。
b. 表面机械研磨处理（SMAT）：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，用弹丸为直径4mm的钢球，超声振动频率为50Hz，处理时间为60min。为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为5Pa。
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85% SiO2，20-22%炭黑。然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7kW横流激光器对材料表面进行激光扫描，激光熔覆工艺参数为：功率P=1200W，扫描速度V=100 mm/min，光斑直径D=6mm。
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1500℃，保温5h，制备出厚度为0.25mm的高硅涂层。
除此，如图1所示硅含量自表面向基体方向逐减少，高硅涂层的显微硬度为220-330 HV，熔覆层与基体结合良好。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，具有如下步骤：
a. 低硅钢钢板预处理：与实施例1相同。
b. 表面机械研磨处理（SMAT）：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，用弹丸为直径6mm的钢球，超声振动频率为50Hz，处理时间为60min。为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为10Pa。
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85% SiO2，20-22%炭黑。然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7 kW横流CO2激光器对材料表面进行激光扫描，激光熔覆工艺参数为：功率P=1500W，扫描速度V=200 mm/min，光斑直径D=4mm。
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1000℃，保温8h，制备出厚度为0.15mm的高硅涂层。
除此，如图2所示硅含量自表面向基体方向逐减少，高硅涂层的显微硬度为220-320 HV，熔覆层与基体结合良好。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，具有如下步骤：
a. 低硅钢钢板预处理：与实施例1相同。
b. 表面机械研磨处理（SMAT）：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，用弹丸为直径8mm的钢球，超声振动频率为20Hz，处理时间为60min。为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为10Pa。
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85% SiO2，20-22%炭黑。然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7 kW横流CO2激光器对材料表面进行激光扫描，激光熔覆工艺参数为：功率P=1500W，扫描速度V=200 mm/min，光斑直径D=6mm。
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1000℃，保温8h，制备出厚度为0.15mm的高硅涂层。
除此，如图3所示硅含量自表面向基体方向逐减少，高硅涂层的显微硬度为220-320 HV，熔覆层与基体结合良好。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，具有如下步骤：
a. 低硅钢钢板预处理：与实施例1相同。
b. 表面机械研磨处理（SMAT）：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，用弹丸为直径8mm的钢球，超声振动频率为50Hz，处理时间为60min。为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为20Pa。
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85% SiO2，20-22%炭黑。然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7 kW横流CO2激光器对材料表面进行激光扫描，激光熔覆工艺参数为：功率P=1000W，扫描速度V=200 mm/min，光斑直径D=6mm。
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1000℃，保温8h，制备出厚度为0.20mm的高硅涂层。
除此，如图4所示硅含量自表面向基体方向逐减少，高硅涂层的显微硬度为215-330 HV，熔覆层与基体结合良好。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，具有如下步骤：
a. 低硅钢钢板预处理：与实施例1相同。
b. 表面机械研磨处理（SMAT）：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，用弹丸为直径6mm的钢球，超声振动频率为50Hz，处理时间为60min。为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为20Pa。
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85% SiO2，20-22%炭黑。然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7 kW横流CO2激光器对材料表面进行激光扫描，激光熔覆工艺参数为：功率P=1500W，扫描速度V=200 mm/min，光斑直径D=8mm。
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1000℃，保温4h，制备出厚度为0.10mm的高硅涂层。
除此，如图5所示硅含量自表面向基体方向逐减少，高硅涂层的显微硬度为200-330 HV，熔覆层与基体结合良好。

Claims (2)

1.一种利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：
a. 低硅钢预处理：首先将其置于质量分数为5% NaOH溶液中，温度为70-75℃，浸渍清除表面绝缘膜；随后在60-70℃的质量分数为 10% 盐酸中浸渍清除表面底膜，再于质量分数比3% HF+ 97%H2O2中加以化学研磨使表面平滑化，最后在质量分数为5%的NaOH溶进行黑化处理，处理温度80-90℃，在去离子水和乙醇中超声清洗1-5min后放入干燥器待用；
b. 表面机械研磨处理SMAT：预处理后的低硅钢钢板安装在SNC-2表面纳米化试验机上，其固定于护套上方，弹丸放置于振动头表面，所用弹丸为直径4-8mm的钢球，超声振动频率为20-50Hz，处理时间为40-60min，为防止氧化整个处理过程在真空条件下进行，真空度为5-20Pa；
c. 沉积涂层制备：将SMAT处理后的材料表面涂覆激光吸光涂料，其骨料组成为80-85%SiO2，20-22%炭黑；然后置于真空度为1.33-2.1Pa的真空***中，向该真空***中通入氩气和硅烷，氩气的流量为0.03-0.05ml/s，硅烷的流量为0.01-0.08 ml/s，气体气氛压力为80-100Pa，用7kW横流CO2激光器对材料表面进行激光扫描；
d. 热处理：将沉积涂层制备完成后将低硅钢置于真空度为的电阻炉，保持温度在1000-1500，保温4-8h，制备出厚度为0.10-0.25mm的高硅涂层。
2.根据权利要求1所述利用激光在硅钢表面制备高硅涂层的方法，其特征在于：在步骤d中，激光熔覆工艺参数为：功率P=1000-1500W，扫描速度V=100-300 mm/min，光斑直径D=4-10 mm。
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