高硅钢发展及制备技术研究进展

高硅钢发展及制备技术研究进展1高硅钢的特点概述高硅钢一般是指含4.5 wt % - 6.7 wt %的Si-Fe合金，通用的高硅钢为6.5% Si-Fe。

6.5wt%高硅钢是一种具有高磁导率、低矫顽力、低铁损等优异性能的软磁合金，6.5% Si高硅钢的电阻率p=82μΩ⋅cm，比3 wt% Si硅钢约高一倍(3 wt% Si硅钢ρ=48 μΩ⋅cm)，饱和磁感B s= 1.80T，相对于3 wt%Si硅钢较低（3 wt%Si硅钢为B s=2.03 T ），磁致伸缩系数λs凡近似为零，磁各向异性常数K1比3 wt%Si硅钢约低40%。

高硅钢的磁性特点是高频下铁损明显降低，最大磁导率伽高和矫顽力H o低。

正因为具有低铁损、高磁导率和低磁致伸缩系数等优异的软磁性能，所以高硅钢在高性能发电机、变压器、继电器、特别是微型电器部件等方面的应用前景十分广泛。

然而，高硅钢的室温脆性大、加工性能差，很难釆用常规（铸造轧制）工艺制备薄板和带材，严重影响了该合金广泛的应用。

2硅钢研宄的现状2.1高硅钢的发展现状1953年日本NKK钢铁公司田中悟等采用一次大压下率冷轧、退火后明显的提高了含碳0. 05%、硅2. 94%,铝0. 02%。

氮0. 0062%钢板中{110} <001>织构的取向度，且其磁性能也随之提升。

由此研究者们开始逐渐意识到用AlN为抑制剂的一次大压下率轧制工艺可以制备出磁性高于普通取向硅钢的板材。

因此，NKK公司于1961年在引进了美国Armco钢专利技术的基础上开始使用A1N和MnS混合作为抑制剂来制备高取向硅钢。

直到1964年NKK才使用该工艺成功试制了高磁感取向硅钢，后被命名为Hi-B钢，但由于对该工艺的研究仍是处于初级阶段，因此其所制备的Hi-B钢磁性还极不稳定。

与此同时，D. Brown等通过试验证明6. 5% Si-Fe单晶体铁损比普通的3% Si-Fe单晶体要低0. 2W/Kg，磁致伸缩也约为3%Si-Fe单晶体的1/10，磁各向异性约降低1/3。

1965年，DJ. Burr通过拉伸试验测得5% Si-Fe的伸长率为1%~2%。

随后，其有对加入Ni的5%Si-Fe的钢板进行拉伸试验，试验结果表明在钢中加入Ni明显的提高了钢的伸长率，如加入6%的Ni使得伸长率提高9%，加入7.5%的Ni使得伸长率提高20%。

1966年，T. IShizaka等采用70%压下率在600℃-750℃对6.5%S i硅钢进行热轧，随后对其进行剪边处理后冷轧可使其从1mm轧到0. 3mm厚。

至此，所生产的普通取向硅钢磁性能基本稳定，其铁损约下降到0. 05W/Kg。

由此，研究者们开始着手致力于对6.5%Si制造过程简便化、经济化以及易操作化的研究。

1978年，日本N. Tsuya和K.I. Arai采用急冷制带法制备出0. 03-0.1 mm厚的6.5%Si-Fe 合金薄带。

同年，日本川崎公司采用此工艺进行了试生产，但至今也未得到大规模化的生产。

随后由此工艺制备的6.5%的Si-Fe合金、Sendust合金以及各种Fe3S i基合金等也纷纷涌现。

1978年国内王东等人采用快速凝固法成功制备出6.5%Si-Fe铸态极薄带，此薄带电阻率极高且磁致伸缩接近为零，然而这些都仅限于科学研究和应用基础研究上，要由此工艺进行大规模生产还很难。

1980年前后，俄罗斯研究者们采用三轧法(热轧、温轧、冷轧)工艺制备高硅钢，但此法由于工艺过于复杂，耗时较长为得到真正的实行。

1988年，日本NKK公司高田芳一、阿部正弘等人用CVD法成功由实验制得6.5%Si高硅钢。

随后，日本研究者们对此工艺进行了大量的试验和改进，于1993年NKK正式建成了一条用于制备厚为0.1~0.5mm、宽400mm月产量可达100吨的连续生产线。

其后，随着电气元件高频化的发展，NKK公司在1995年后又开始开发名为JNEX-Core和JNHF-Core的高硅钢板，此两种硅钢板的成功制备不仅提高了高硅钢的可加工性能也大大降低了涡流损耗和噪音污染问题。

2.2对6.5%Si高硅钢的应用现状具有代表性的事件列举如下：1)日本用0.35mm厚的6.5wt%高硅钢片制作高速高频电机铁芯获得了良好的节能效果，其与普通3.56.5wt%硅钢制作的铁芯相比，在正弦波驱动和非正弦波驱动时，电机效率均显著提高，铁损分别降低了35%和43%；2)美国、欧盟已经在汽车GPS系统开关电源用电感滤波器中应用6.5wt%高硅钢制备的环形铁芯；3)日本用6.5wt%硅钢取代3wt%取向硅钢用于8kHz电焊机中，铁芯重量由7.5kg减轻到3kg；4)丰田汽车公司率先在全世界销售的混合动力汽车PRIUS用升压转换反应堆上使用了6.5wt%高硅钢；5)欧洲用0.50mm厚的6.5wt%高硅钢带材作为变压器的铁芯与普通3.5wt%硅钢相比，在频率为50Hz的工作环境下，噪音降低了6dB;6) NKK用6.5wt%高硅钢片制作的重量30kg模拟音频变压器与牌号Z7H取向硅钢制的变压器相比，在B=1T时工作噪音降低了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的起步落后于世界领先国家近半个世纪，直到1952年才由太原钢铁厂第一次制备出含硅量约为1%-2%的低硅钢板，并于1954年投入生产。

与此同时，钢铁研究院与太原钢铁厂联手试制热轧高硅钢板，将硅含量由原本的1%~2%提升到3%~40%左右，两年后投入生产。

1960~1978年上海矽钢片厂对传统的热轧硅钢板制备工艺进行了改进，并最终确立了热轧后快冷的制备工艺。

由此工艺制备出的高硅钢的质量和产量进一步得到提高，且磁性也超过了欧美国家前期所制备的类似水平的硅钢。

1957年，钢铁研究院采用两次冷轧和缓慢升温后极速退火的方式试制了{110} <001>织构的3%S i取向硅钢。

但由于当时设备和技术条件的限制，研究者们并未意识到MnS和A1N 等抑制剂以及轧制工序的重要作用，由该工艺制备的硅钢板磁性一直得不到稳定。

1959年太钢和鞍钢几乎同时开始生产高取向硅钢，但合格率和成材率相对较低。

1964年，钢铁研究院在抑制剂作用下进行连续炉退火、加隔离剂、炉内退火等一系列工艺过程后进一步增强了硅钢的磁性和稳定性。

1974年武钢购买了日本NKK专利技术并达成了年生产11个牌号冷轧硅钢约6.8万吨的协议，并于1981年生产了4%S i高硅钢。

1983年，钢铁研究院用武钢生产的0.20-0.35mm 厚取向硅钢，经酸洗后再冷轧和退火的新工艺进行生产，其成材率显著提升且制造成本下降。

然而，面对着国外钢铁行业的蒸蒸日上，近年来国内硅钢行业却发展极为缓慢。

尽管国内研究者们也对6.5%Si高硅钢进行了一些相应的研究，但收效甚微，截至目前为止，国内硅钢行业中像宝钢这样的龙头企业都还没有实施甚至是设计出一套完善的制备6.5%S i高硅钢的工艺过程，预建成制备高硅钢的生产线更是难上加难。

因此，为了适应世界钢铁行业的发展，紧随国内现代化的发展，国内钢铁行业要想处于世界领先地位就必须拥有一套自己的比较完善的制备6. 5%S i高硅钢的工艺路线及其生产线，这也将影响国内电工钢行业的未来发展方向。

3 6.5%Si高硅钢的性能3.1物理性质表1 6.5%Si高硅钢的物理性质密度/(g/cm3)7.48电阻率/(μΩ cm )82比热/（J/（Kg·K))535热膨胀系数/（423K )11.6×10-6热导率/(W/ (m·K))18.9居里温度/(℃)700磁致伸缩系数0.1×10-6维氏硬度H v395抗拉强度σb/（Mpa)480延伸率δ0.2%3.2磁特性硅钢是由体心立方的a铁(a-Fe )固溶体构成的铁素体钢，在三个主晶向上磁化特性不同：[100]方向为易磁化晶向，[110]方向为次易磁化方向，[111]方向为难磁化晶向，这种磁化特性称为磁各向异性。

大量生产的硅钢片就是通过对变形再结晶组织进行轧制，使其产生平面织构，大多数晶粒的{110}必面平行于轧面，<100>方向平行于轧向，而<100>方向正是铁的易磁化方向。

6.5wt%高硅钢的磁滞伸缩系数比其它的软磁材料要低、铁损约为无取向硅钢的1/2，磁滞伸缩系数约为无取向硅钢的1/25。

在400Hz时，6.5wt%高硅钢的铁损要比取向硅钢小，磁滞伸缩系数约为取向硅钢的1/16。

许多因素显著影响6.5wt%高硅钢合金的磁性能，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，这些因素之间也是有一定关联的，因此掌握这些因素就能有效地改进或控制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关系密切，其脆性的主要来源是合金中存在的有序金属间化合物。

金属间化合物的脆性机理很复杂，表征上分沿晶断裂、穿晶断裂和准解理断裂三类；从本征上分为本征脆性和环境脆性。

造成金属间化合物本征脆性的主要原因有：金属独立滑移系数不足、高的P-N力、对应低解理应力、交滑移困难和晶界脆性。

6.5wt%高硅钢的环境脆性是指其与周围环境相互作用而导致合金塑性和韧性降低的现象。

根据环境脆性的机理，陈国良院士和G.T.Liu指出，如果在合金设计时考虑以下四个方面的作用，可以降低金属间化合物的环境脆性，提高合金的塑性：1)亚化学计量比成分：控制金属间化合物中活性元素的含量(如Fe3Si中的Si)，使其具有较低的晶界脆性和环境脆性；2)硼元素(B)的作用：对于晶界强度较低的金属间化合物，适量加入B元素可以有效提高晶界结合强度，从而降低环境脆性导致的晶界失效，并降低氢原子沿晶界的扩散；3)减少表面反应的可能：添加适当的合金元素可以降低表面吸附反应的速率，表面的预氧化或者涂层也可以有效减弱环境脆性；4)改善显微组织：通过热处理工艺改变晶粒形状，减少强度较低的大角度晶界。

4 6.5%Si高硅钢薄板的制备方法由于6.5 wt%高硅钢合金的室温脆性，用传统的冷轧方法难以制备成薄板。

随着制备工艺的发展，生产工艺，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）轧制技术等。

制备技术的开发、完善以及能否经济高效地生产是6.5wt%高硅钢走向商业应用的关键，由于轧制法具有经济高效、易于推广等优点，一直是人们研究的热点。

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6.5wt%高硅钢板材制备方面最为突出和成熟的技术之一，其工艺分三部分:（1）普通轧制法生产出含Si约3.1 wt%的硅钢片;（2）硅钢片表面和硅化物(SiCI4)间的高温化学反应使其表面产生Si富集；（3）薄板在1100℃下进行长时间扩散退火，使表面的硅扩散到中心生成整体含硅6.5wt%的硅钢片。