高硅钢开发及制备技术的研究进展

1高硅钢的特性

高硅钢一般指含4.5 wt%-6.7 wt%的硅铁合金，一般高硅钢为6.5%。

硅铁合金.6.5wt%高硅钢是一种高磁导率、低矫顽力、低铁损的软磁合金，6.5 wt%。

Si高硅钢的电阻率p为82μω×cm，约为3 wt% Si硅钢(3 wt% Si硅钢ρ= 48μω×cm)的2倍，饱和磁感应强度Bs=1.80T，低于3 wt%Si硅钢(Bs=2.03 T)和磁致伸缩系数。高硅钢的磁性特点是高频铁损明显降低，最大磁导率提高，矫顽力Ho低。高硅钢具有低铁损、高磁导率、低磁致伸缩系数等优异的软磁性能，在高性能发电机、变压器、继电器，尤其是微电子元件中具有广阔的应用前景。然而，高硅钢室温脆性大，加工性能差，难以用常规(铸轧)工艺制备板材和带材，严重影响了这种合金的广泛应用。

2硅钢磨削的现状

2.1高硅钢的发展现状

1953日本NKK钢铁公司的Takeshi Tanaka采用大压下率冷轧退火，碳含量明显增加0。硅含量降低了2 . 05%。94%,铝减少0。02%.在0中。0062%氮钢板，{ 110 } < 001 & gt；织构的取向度及其磁性也得到改善。因此，研究人员开始意识到，以AlN为抑制剂，通过一次轧制工艺可以制备出比普通取向硅钢磁性更高的板材。因此，1961年，NKK公司在引进美国Armco钢专利技术的基础上，开始使用A1N和MnS作为抑制剂制备高取向硅钢。直到1964年，NKK才试制成功高磁感取向硅钢，后来被命名为Hi-B钢。然而，由于对这一工艺的研究仍处于初级阶段，NKK制备的Hi-B钢的磁性仍极不稳定。同时，d .布朗等人也通过实验证明了铁的损失为6。5%硅铁单晶为0。2W/千克，磁致伸缩约为3%硅铁单晶的1/10，磁各向异性约为1/3。在1965，DJ。伯尔通过拉伸试验测得5%硅铁的延伸率为65438±0% ~ 2%。随后，在具有添加有Ni的5%Si-Fe的钢板上进行拉伸试验。试验结果表明，加入镍能明显提高钢的延伸率，如加入6%的镍可提高延伸率9%，加入7.5%的镍可提高延伸率20%。在1966中，T. IShizaka等人在600℃-750℃以70%的压下率热轧6.5%S i硅钢，然后将其从1mm冷轧至0。修整后厚度为3毫米。到目前为止，生产的普通取向硅钢磁性能基本稳定，铁损降低到0。

05W/Kg .因此，研究人员开始致力于6.5%Si制造工艺的简化、经济和易操作性的研究。

在1978中，6.5%硅铁合金薄带厚度为0。03-0.1 mm由日本N. Tsuya和K.I. Arai通过快速冷却制备。同年，日本川崎公司采用这种工艺进行试生产，但至今没有量产。随后，用该工艺制备的6.5% Si-Fe合金、Sendust合金以及各种Fe3S i基合金也相继出现。1978年，我国王东等人用快速凝固法成功制备了6.5%Si-Fe铸态超薄带材。这种条带的电阻率非常高，磁致伸缩接近于零。但这些仅限于科学研究和应用基础研究，用这种工艺还很难大规模生产出来。

1980左右，俄罗斯研究人员采用三轧工艺(热轧、温轧、冷轧)制备高硅钢，但这种工艺过于复杂，需要很长时间才能真正实施。1988年，日本NKK公司的Yoshiichi Takada和Masahiro Abe用CVD法成功地制备了6.5%Si高硅钢。随后，日本研究人员对这一工艺进行了大量的实验和改进。1993年，NKK正式建成厚度0.1~0.5mm，宽度400mm的连续生产线，月产量100吨。后来，随着高频电气元件的发展，NKK公司在1995之后开始开发高硅钢板，命名为JNEX-Core和JNHF-Core。这两种硅钢片的成功制备不仅改善了高硅钢的可加工性，而且大大降低了涡流损耗和噪声污染。

2.2 6.5% Si高硅钢应用状况的代表性事件列举如下:

1)日本0.35mm厚6.5wt%高硅钢片制作的高速高频电机铁芯，取得了良好的节能效果。与普通3.56.5wt%硅钢制成的铁芯相比，正弦波驱动和非正弦波驱动下电机效率显著提高，铁损分别降低35%和43%。

2)美国和欧盟已将6.5wt%高硅钢制成的环形铁芯应用于汽车GPS系统开关电源的电感滤波器中；

3)日本在8kHz焊机中使用6.5wt%硅钢代替3wt%取向硅钢，铁芯重量从7.5kg降低到3kg；

4)丰田汽车公司率先将6.5wt%高硅钢用于销往全球的混合动力车普锐斯的升压转换电抗器；

5)在欧洲，使用厚度为0.50mm的6.5wt%高硅钢带作为变压器的铁芯，在频率为50Hz的工作环境下，与普通的3.5wt%硅钢相比，噪音降低6dB

6)NKK 6.5 wt %高硅钢制成的30kg模拟音频变压器与Z7H取向硅钢制成的变压器相比，在B=1T时工作噪声降低21dB，工作铁损降低约40%。？

2.3国内硅钢行业的发展

国内硅钢行业起步落后于世界领先国家近半个世纪。直到1952年，太原钢铁厂才首次制备出含硅量约为1%-2%的低硅钢，并于1954年投产。同时，钢铁研究总院与太原钢铁厂联合试制热轧高硅钢板材，将硅含量由原来的1%~2%提高到3%~40%左右，两年后投产。从1960到1978，上海硅钢片厂对传统的热轧硅钢片制备工艺进行了改进，最终确立了热轧后快速冷却的制备工艺。该工艺制备的高硅钢质量和产量进一步提高，磁性也高于欧美国家前期制备的同类硅钢。

1957年，钢铁研究总院通过两次冷轧，慢加热后快速退火，试制出{110}。

& lt001 & gt；织构化3%硅取向硅钢。但由于当时设备和技术条件的限制，科研人员没有认识到MnS、A1N等抑制剂和轧制工艺的重要作用，该工艺制备的硅钢片磁性能一直不稳定。从65438到0959，TISCO和鞍钢几乎同时开始生产高取向硅钢，但合格率和成品率都比较低。从65438年到0964年，钢铁研究总院进行了连续炉退火、添加隔板、抑制剂作用下的炉退火等一系列工艺流程，进一步增强了硅钢的磁性和稳定性。

1974年，WISCO购买日本NKK专利技术并达成协议，年产11品牌冷轧硅钢约6.8万吨，1981年生产4%S i高硅钢。1983期间，铁科院从WISCO生产厚度为0.20-0.35mm的取向硅钢，采用酸洗、冷轧、退火新工艺生产。产量显著提高并且制造成本降低。

然而，面对国外钢铁行业的蓬勃发展，国内硅钢行业近年来发展十分缓慢。虽然国内研究人员也对6.5%Si高硅钢做了一些相应的研究，但成果很少。到目前为止，宝钢等国内硅钢行业的龙头企业还没有实施甚至设计出一套完善的制备6.5%S i高硅钢的工艺，预建一条制备高硅钢的生产线更是难上加难。因此，为了适应世界钢铁工业的发展，跟上国内现代化的发展，国内钢铁工业必须有自己比较完善的工艺路线和生产线来准备6。5%S i高硅钢，这也将影响国内电工钢行业未来的发展方向。

3 6.5%Si高硅钢的性能

3.1物理属性

3.2磁性特征

硅钢是由体心立方a-Fe固溶体组成的铁素体钢，其磁化特性在三个主晶向不同:[100]方向易磁化，[110]方向不易磁化，[165438+。变形再结晶组织轧制产生大量硅钢片，从而产生平面织构，大部分晶粒的{110}面平行于轧制面，< 100 & gt；方向与轧制方向平行，且< 100 >方向是铁的易磁化方向。6.5wt%高硅钢的磁滞膨胀系数低于其他软磁材料，铁损约为1/2，磁滞膨胀系数约为无取向硅钢的1/25。在400Hz时，6.5wt%高硅钢的铁损小于取向硅钢，磁滞膨胀系数约为取向硅钢的1/16。影响6.5wt%高硅钢合金磁性能的因素很多，如合金中的杂质、微合金元素、晶体织构、有序转变、晶粒尺寸、内应力和钢板厚度等。，而且这些因素也是相关的，所以掌握这些因素可以有效的提高或控制6.5wt%高硅钢的磁性能。

3.3-6.5% Si高硅钢的脆性机理

6.5% Si高硅钢合金的脆性机理与金属间化合物密切相关，其脆性的主要来源是合金中的有序金属间化合物。金属间化合物的脆性机制非常复杂，可分为沿晶断裂、穿晶断裂和准解理断裂三种类型。从本质上分为内在脆性和环境脆性。金属间化合物固有脆性的主要原因是:金属的独立滑移系数不足、P-N力高、相应的解理应力低、交叉滑移困难和晶界脆性。

6.5wt%高硅钢的环境脆性是指由于与周围环境的相互作用，合金的塑性和韧性降低的现象。根据环境脆性的机理，、刘国栋院士指出，在合金设计中考虑以下四个方面，可以降低金属间化合物的环境脆性，提高合金的塑性:

1)亚化学计量成分:控制金属间化合物中活性元素(如Fe3Si中的Si)的含量，使其具有较低的晶界脆性和环境脆性；

2)硼元素(B)的作用:对于晶界强度低的金属间化合物，适量添加B元素可有效提高晶界结合强度，从而减少环境脆性引起的晶界破坏，减少氢原子沿晶界扩散；

3)降低表面反应的可能性:添加适当的合金元素可以降低表面吸附反应的速率，表面预氧化或涂层也可以有效降低环境脆性；

4)改善显微组织:通过热处理工艺改变晶粒形状，减少低强度的大角度晶界。

一种4 6.5%Si高硅钢片的制备方法

由于6.5 wt%高硅钢合金在室温下的脆性，很难用传统的冷轧方法制备薄板。随着制备技术的发展，生产技术主要包括以下四个方面:(1)沉积扩散技术；(2)快速冷凝技术；(3)粉末压延技术；(4)轧制工艺等。制备技术的发展和完善以及能否经济高效地生产是6.5wt%高硅钢商业化应用的关键。轧制法因其经济、高效、易于推广等优点，一直是研究的热点。

4.1沉积扩散技术

4.1.1化学气相沉积工艺(CVD法)

CVD法是目前制备6.5wt%高硅钢片最突出、最成熟的技术之一，其工艺分为三部分:(1)含Si约3.1 wt%的硅钢片用普通轧制法生产；(2)硅钢片表面与硅化物(SiCI4)的高温化学反应使硅钢片表面富含Si；(3)对薄板进行1100℃的长时间扩散退火，使表面的硅向中心扩散，生成总硅含量为6.5wt%的硅钢片。

？CVD技术的核心是将含Si约为3.1 wt%的硅钢片在非氧化性气氛(SiCl45%-35%，N2或稀有气体)保护下加热到1020-1200℃进行反应，Fe3Si沉积在硅钢片表面，热解成活性Si原子，然后在气体保护下整平。

尽管CVD技术已经成功地制备了6.5wt%高硅钢薄带，但仍存在以下问题:

(1)淀积和渗硅过程都是在高温(高达1320℃)下进行的，对设备要求高，耗能大。

(SiCl4 _ 4腐蚀硅钢片形成fe3si沉积，导致其表面出现腐蚀坑，后续平整复杂；

(3)沉积的Fe3Si扩散时会形成Kirkendall空洞，沉积后Si浓度分布不均匀，导致后续工艺成品率下降；

(4)产生FeCl2 _ 2，不仅污染环境，而且造成铁的损失；

(5)目前6.5wt%高硅钢为无取向硅钢。

4.1.2电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD法)

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是一种先进的工艺，可以制备传统轧制工艺难以制备的大尺寸、厚度可调的板材。其原理包括三个方面:(1)电子束通过磁场或电场聚焦在蒸发源的铸锭上熔化材料；(2)在真空低压环境下，蒸发源在熔池上方气化，气相原子从熔池表面向基底表面直线移动，形成沉积层；(3)沉积后冷却，剥离沉积层得到板材；制备6.5 wt%高硅钢的工艺流程图如图2所示。

EB-PVD法制备6.5wt%高硅钢，沉积层厚度控制精确，工艺重复性好，避免了基体与涂层之间的氧化和污染，有利于环境保护；其缺点是设备昂贵，制备成本高，难以工业化生产。

4.1.3溶解盐电沉积过程

熔盐电沉积制备6.5wt%高硅钢的工艺流程图如图3所示，其工作原理大致可分为四点:(1)选用LiF、NaF、KF×2h2o、Na2SiF6熔盐体系；(2) Na2SiF6在750℃以上完全熔化并混合均匀，Si含量

这种工艺的优点是:由于体系中没有水，阳极电位下溶解盐电沉积得到的氧的电位被校正，阴极电位下得到的氧的电位更负；缺点是溶盐电解使电解质溶液容易挥发氧化，耗电多。

4.2快速冷凝技术

4.2.1快速凝固制备工艺

近年来，快速凝固技术在金属材料制备和加工领域发展迅速。利用快速凝固技术制备6.5wt%高硅钢薄带已经取得了一定的成果，并显示出巨大的发展前景。其生产设备示意图如图4所示。快速凝固法生产6.5wt%高硅钢薄带有三个主要优点:①合金晶粒组织细小，②制造工艺简单，③避免了6.5wt%高硅钢固有的脆性；主要缺点是工艺参数适用范围窄，生产中易断带，控制困难，板形质量差，成品率低。

4.2.1喷射成形制备工艺

喷射成形是一种涉及粉末冶金、金属雾化、快速冷却和非平衡凝固的新型材料制备技术。它的原理是将气体雾化的液态金属液滴沉积在某个接收器上，直接制成具有一定形状的产品。以工业纯铁和工业纯硅为原料，采用喷射成形技术制备6.5wt%高硅钢，其设备示意图如图5所示。其优点是避免了高硅钢轧制过程中的脆性区，可获得较薄的带材；缺点是制备的高硅钢密度低，合金宽度和厚度受限，难以控制材料在厚度方向的均匀性。

4.3粉末压延技术

粉末压延是一种通过漏斗将粉末喂入一对旋转的辊之间，使其压实成连续条带的方法；主要有三个问题:①原料中的铁粉和硅粉易被氧化，影响后续烧结；②原料颗粒细小，表面积大，导致颗粒间分散性差，密度不均匀的坯体难以均匀混合烧结；③转L后厚度偏差大，难以精确控制形状。

4.4轧制方法

轧制方法包括冷轧法和特殊轧制法(包括控温轧制法和包覆轧制法)。采用轧制法制备高硅取向硅钢，即采用与制备3%Si取向硅钢相同的方法，通过抑制剂和二次再结晶，制备出具有强Goes织构的高硅钢板。

大量研究表明，通过不同的热处理工艺，改变高硅钢片的晶粒尺寸和织沟，控制高硅钢的有序移动性，可以降低铁损。到目前为止，还没有用轧制法批量生产取向高硅钢及生产设备的报道。轧制法制备取向高硅钢的技术仅在专利中提及，离产业化推广还很远，需要进一步探索和实践。

5结论与展望

6.5wt%高硅钢具有近零磁致伸缩系数、大磁导率、低矫顽力、低铁损等优异的软磁性能，在降低高频电器能耗和噪声污染方面具有明显优势。然而，合金本身显著的低温脆性严重影响了这种材料的广泛应用。阐明6.5wt%高硅钢的脆性本质和塑性变形机理，积极避免和有效控制合金在制备和成形过程中的缺陷。因此，开发短流程、高效率的制备加工方法是实现6.5wt%高硅钢工业化生产的关键问题。

近年来，随着高熵合金的发展，研究表明合理设计高熵合金不仅可以提高材料的强度，还可以提高材料的塑性。将高硅钢的制备与高熵合金的特性相结合，可以合理避免高硅钢的低温脆性，进而成功制备高硅钢。

参考

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