6．5％Si高硅钢的制备工艺及发展前景

g44 勃 材 抖 2003年第3期(34)卷 6．5 Si高硅钢的制备工艺及发展前景。 杨劲松，谢建新，周 成 (北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083) 摘 要： 6．5 Si高硅钢具有优异的软磁性能．是高频电机铁 芯的理想材料。本文综述了 6．5％Si高硅钢的特性和制备 工 艺．简要论述了其发展 前景。 关键词： 6．5 Si高硅钢；软磁性能；制备工艺 中图分类号 ： TGl42．77 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001—9731(2003)03—0244—03 1 引 言 硅钢亦称电工钢．是电力和电讯工业用以制造发电机、电动 机、变压器、互感器、继电器以及其它电器仪表的重要磁性材料。 众所周知．硅钢片中的硅含量对其产品的特性(如：磁感应强度 和铁损)影响很大。研究表明：随着硅含量的增加．硅钢片的电 阻率增大，涡流损失减小．从而在较高频率下表现出优良的磁 性 。 目前世界范围内．大批量生产的硅钢片中硅含量大都控制 在 4 以内。当硅钢片中硅含量达到 6．5 时．磁致伸缩系数趋 于零，所以，6．5％Si高硅钢片是制作低噪音、低铁损的理想铁芯 材料，对它的研制工作必将受到广泛的关注。但是．另一方面． 由于硅含量的提高，硅钢片的脆性增大，这给材料的进一步加工 带来了诸多困难 ．也就使 6．5 Si高硅钢的发展受到了制约。 2 6．5％Si高硅钢的特性 2．1 磁 特性Ⅲ 6．5 Si高硅钢与普通硅钢的磁性比较见表 l。由表 l可 以看出．6．5 Si高硅钢的铁损约为与无取向硅钢的 1／2．磁致 伸缩系数约为无取向硅钢的 1／25。在 400Hz时 ．6．5 si高硅 钢的铁损要比取 向硅钢小，磁致伸缩系数为取 向硅钢的 1／16。 由此可见．6．5％Si高硅钢材料能在较高频率内实现低铁损和无 噪音化。 表 1 6．5 Si高硅钢与普通硅钢的磁性比较 Table l The comparison of magnetic properties of 6．5 Si steel and general Si steel 板厚 磁通 密度 B8 铁 损 (W ·kg一 ) 最 大磁 导率 磁 致伸缩 材料 (ram) (T) W1O／15 W1o／400 w1o／1K W1015K W1O／1OK (H ·m一1) (10— ) 0．10 1．25 0．71 7、50 6．1 3．0 2．4 18000 0．2 6．5 Si 0．35 1．33 0．58 10．0 11．0 7．2 6．3 45000 0．2 高硅钢 0．50 1．35 0．61 17．5 16．4 11．8 9．9 58000 0．2 0．10 1．85 0．72 7．4 7．6 5．3 4．6 24000 1．3 取 向硅钢 0．35 1．93 0．42 11．8 16．4 15．2 13．5 86000 1．3 无取 向硅钢 ．0．35 1．42 1．39 17．0 19．7 12．4 10．2 7600 5．0 2．2 机械特性 6．5 Si高硅钢的机械特性主要指标为屈服强度、抗拉强度、 延伸率和拉伸速度等。表 2是 日本岛津制作所用 AG1OTA型 拉伸试验机自动记录仪求出的 6．5 Si高硅钢板 65R-B、8oR—B (退火处理)和普通硅钢板 50A400的机械性能 。 从表 2可以看出．65R-B、80R—B的 0．2 屈服强度分别为 50A400的 3．9倍和 2．2倍；抗拉强度分别为 50A400的2．8倍和 1．6倍。虽经退火处理后强度有所下降，但也 比一般的硅钢板高 许多。此外．由表 2还可看出．50A400的强度 由高到低顺序为 90。》O。》45。。高硅钢板的断裂延伸率为 50A400的 1／1O以下， 尤其 是经 过退火处理 的 80R—B最 低。 高硅钢板的拉伸断裂状况也呈现出不同的特征。65R-B不 仅在断裂近旁发生塑性滑移．而且在板厚方 向也发生局部滑移。 但是，80R—B的断裂则呈晶界断裂和晶粒开裂的混合形态．它从 多个微裂纹的复合直至引起整体断裂．呈现出脆性断裂的形态。 所以．当把高硅钢板作为高强度材料使用时．必须充分考虑到这 一 点。 2．3 加 工特 性[。] 6．5％Si高硅钢在室温下很脆，为典型的晶间断裂．这就对它 的加工性能产生了重大影响。AES断口分析证明，在晶界存在 大量的 0。．晶界氧化对 6．5 Si高硅钢的冲剪加工性能具有重大 影响。实践证明．02偏聚量<30 (原子分数)．c偏聚量>O．5 (原子分数)时．加工性能较好 ．延伸率>5％．为解理断口。加少 量的 B以及当晶粒 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 <2ram时。也可改善加工性能。 为了实现稳定且有 良好剪切断面的冲剪加工．必须采用小冲 剪间隙和温热冲剪等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。从加工性考虑．最好采用在未退火处 理时进行机加工．然后再进行退火。另外．如需要将高硅钢板构 成有高强度要求的零件时．为了避免冲裂纹．在 目前还不得不采 用电火花加工 。 · 基金项目：国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项 目(50171007)I国家杰出青年基金资助项目(50125415) 收稿日期：200~05—28 通讯作者：杨劲松 作者简介：杨劲松 (1968--)。男．四川江油人。在读博士．师承谢建新和周成教授。从事快速凝固薄带材的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 杨劲松 等：6．5％Si高硅钢的制备工艺及发展前景 表 2 6．5％Si高硅钢片和 50A400硅钢片的机械特性 (厚度 ：^0．5mm) Table 2 The mechanical characteristics of 6．5％ Si steel and 50A400 steeI 屈服 强度 ∞．2 抗拉 强度 ∞2 延伸率 拉伸速度 供试材 取 向 (N ·mm一 ) (N ·mm一 ) ( ) (mm ·min一1) 0。(L) 1265．1 1323．9 3．5 65R—B 45。(D) 1029．7 1108．9 3．1 0．5 90。(C) 1363．1 1382．7 2．8 0。(L) 676．7 720．8 2．9 80R—B 45。(D) 668．8 706．1 2．6 0．2 90。(C) 742．4 764．9 1．9 0。(L) 29lJ 3 437．4 35．4 50A400 45。(D) 328．5 479．5 35．1 3．0 90。(C) 319．7 471．7 45．2 3 6．5 Si高硅钢片的制备工艺及发展前景 3．1 6．5 Si高硅钢片的制备工艺 众所周知，对于 Fe-Si合金，随着 Si含量的增加．尤其当Si含 量超过 5 以后，合金变得既硬又脆，使加工性能急剧恶化。但 是，高硅钢材料优异的磁学性能和广泛的应用前景 ，又吸引着人 们进行大量的研究和开发工作。 3．1．1 传统轧制工艺 自从 T．Ishizaka，等 ¨于 1966年利用热轧一冷轧法首次制备 出 0．3mm厚的6．5％Si硅钢薄带以来，人们一直在努力探索，使 制备高硅钢薄板的传统工艺尽量简单、经济、操作性强，并取得了 一 些成果 ：对Super Sendust合金．经过热轧可以得到 0．O5～O．3mm 的薄板，或经过热轧、温轧及最后的冷轧工艺可以得到 0．2mm厚 的薄板[ ；俄罗斯研制了一种三轧法工艺[ ，即热轧、温轧和冷 轧 ]。在激烈调整原子有序排列的温度 区间以大于总轧制量 75 的中间温轧可以破 坏有 序排列和改善塑性 ，但 用这 种方法获 得 6．5 Si高硅钢所实施的附加处理使工艺过程相当复杂；1988 年 ，日本钢管公司 (NKK)成功开发 出利 用轧制技 术对 6．5 Si无 取向高硅钢片进行工业规模生产[7]。这些成卷的带材厚度为 0．1～ 0．5mm，宽度可达 400mm。其电阻率比 3 Si硅钢高 1倍，磁致 伸缩系数近似为零 ，磁晶各向异性常数降低约 4O ，被广泛的用 作高速高频电机、低噪音音频和高频变压器及变换器等。但是 ． 这些轧制工艺基本上都没有详细报道．该方向发展应用的后续报 道也少见。 3．1．2 快速凝固工艺 近年来．快速凝固技术在金属材料加工制备中获得了突飞猛 进的发展。利用快速凝固技术对高硅钢薄带的制备已取得了一 些成果，并且显示出了希望所在。 (1) 急冷制带法 1978年，N．Tsuya和 K．T．Arai-8 利用急冷工艺生产出 0．03 ～ O．1mm的 6．5％Si高硅钢薄带，极其细小的晶粒组织引起了人 们的极大关注。后来者对运用该工艺来制备 6．5％ Si高硅钢、 Sendust合金以及 FeaSi等各种 FeaSi基合金进行了大量的研究。 国内某科研单位-1]应用快速凝固方法成功地研制出了磁致伸缩 接近零和电阻率高达 82~,0·cm 的 6．5 Si-Fe铸态极薄带(厚 4O～60／~m，宽 10~25mm)。但这些研究仅仅限于应用基础研究， 要进行规模化生产还很困难，其原因就是用这种工艺生产出来的 薄带，厚度和宽度有限，而且形状也不尽如人意 北京科技大学的周成和谢建新二位教授新近提出了一种具 有我国自主知识产权的双带法快速凝固新工艺技术-9]。该薄带 制备新工艺的主要特点就是能实现金属带材的双面冷却以及凝 固区的形状和尺寸可以调节，其灵活的厚度调节能力是单、双辊 法以及其它快凝薄带制备工艺所无法比拟的。从前期的低熔点 合金(1050AI)薄带的制备情况来看(详细内容将另文发表)．结果 比较理想 ，从而证明该工艺在技术和原理上都是可行 的，因此．对 6．5 Si高硅钢带(1mm左右厚度)的制备充满了信心．我们将对 制备情况进行后续报道。 (2) 喷射成形法 喷射成形工艺是涉及粉末冶金 、液态金属雾化、快速冷却和 非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术。其特点就是将经气 体雾化的液态金属熔滴沉积到一定形状的接收器上，直接制成一 定形状的产品。由于该技术是具有通用性和产品多样性的柔性 制造系统，厚度不受限制，产品形状也容易控制，所以用此方法来 制备 6．5％Si高硅钢是可行 的．也是很有希望的。遗憾的是，目 前很少有这方 面的报道 。 3．1．3 CVD工 艺 CVD工艺是利用传统的取向和无取向硅钢片的表面和硅化 物之间的高温化学反应使 Si富集在硅钢片上 ，这是迄今为止制 备 Fe。Si基合金最为突出和成功的工艺。这种方法像逆流铸造 法一样，既能制取高硅钢也能制取“梯度”钢，并且能够获得晶粒 度可以控制的各向异性和各 向同性的材料。1988年 tt本钢管公 司(NKK)成功开发并利用该 工艺，生产出厚 0．1～0．5mm、宽 400mm的含 6．5 Si无取向高硅钢片[7]。通过不断的实践和研 究，于 1993年 7月正式建成月产 100吨的 CVD连续渗硅生产 线。生产 0．1～O．3mm厚 、600mm宽 的 6．5 Si高硅钢片。由于 半导体的迅速发展，推动电器设备在更高频率下工作 ．并要求具 有更低的铁损。为此，NKK于 1995年又开发生产了 0．05mm× 600mm的产 品。通 过优 化生 产 条件 ．明显 改 善 了产 品的 加工 性 能[1 。取名为 Super E Core的这种高硅钢板主要用于电力机械 和磁性器件方 面。 3．2 6．5 Si高硅钢的发展前景 高硅钢作为一种重要的软磁材料一直倍受人们的重视。但 是 6．5 Si高硅钢 片的脆性严重影响了它 自身的应用和发展。 因此，解决其脆性问题是研制和开发 6．5 Si高硅钢材料的最主 要目标。如果对其脆性机理 的认识有所突破．进而改进轧制工 艺．同时研发出新技术制备工艺 ，以提高产品的加工性能，那么 6．5 Si高硅钢的应用领域将会被大大拓宽，而且在节能方面将 会产生难以估量的作用。 尽管 6．5 Si高硅钢片的脆性问题依旧存在．但 6．5％Si高 硅钢片的制备工艺还是得到了长足的发展．6．5 Si高硅钢片的 应用范围也在逐步扩大。在能源 日益紧张的今天．尤其在高频信 息领域．低铁损、低噪音 的 6．5 Si高硅钢片被重新考虑为普通 硅钢片的替代材料，利用 CVD和快速凝固等新技术工艺正逐渐 把这一目标变为现实。我们有理 由相信 ：从效率和效益方面着 眼，6．5 Si高硅钢片的应用领域必将会继续扩大，并且在这些领 维普资讯 http://www.cqvip.com 246 财 斟 2003年第3期(34)卷 域的地位将更加稳固。 4 结 语 有人称高硅钢是“钢铁艺术品”，其制备技术时时处处都是最 先进的钢铁制造技术，并且是研制和开发的热点。对 6．5 Si高 硅钢而言，其优异的磁学性能和广阔的应用前景更是吸引着科技 工作者进行大量的研究和开发工作。制备工艺的发展和成熟以 及能否经济有效地生产，是 6．5 Si高硅钢走 向商业化广泛应用 的关键．也一直是研究工作的重点。一旦摸索出简单、经济、有 效、成熟的制备工艺，就将会产生巨大的经济效益和社会效益。 致谢：本研究部分资金来 自教育部留学 回国人员科研启动资金。谨表谢 意 。 参考文献 ： [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1O] Koga M，et a1．[J]．明电时报，1992t(3)：45—50． 何忠治．[J]．电工钢，1998，(3)t2-8． Ishizaka T，Yamabe K，Takahashi T．[J]．日本金属学会 杂志， 1996，(30)t552． 孙玉魁，等．金属软磁材料及应用[M]．北京：冶金工业出版社t 1986． 谢燮揆．[J]．中小型电机，1994，21(3)：60． Takada Y，Abe M，Masuda S，et a1．[J]．J Appl Phys，I988，64 (10)t5367． Tsuya N，Arai K I．3M Conference[C]．Cleveland，I978．6A—I． 周 成，谢建新．[P]．中国专利，申请号t 00106176．3，1978． Haiji H，Okada，et a1．[J]．J Magn 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infrared wavelength photonic crystals W ANG Yang，SONG Zhi—tang ，ZHANG Ning-lin，LIN Cheng-lu (State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics。Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sc iences。Shanghai 200050．China) Abstract．．Photonic Crystals(PC)and its application in optoelectronics is one of the research focus recently．PC is a new kind of optoe． 1ectronics functional materials．PC which to be used in the 1．5 micrometer optical communications(the corresponding lattice constant is submicrometer)has much important application value and we could fabricate many high performance optic devices ． How to fabricate PC which to be used in the 1．5 micrometer optical communications has attracted more and more interesting ． This paper reviews the synthesis method of near infrared PC and its research progress． Key words：photonic crystals；submicrometer；microfabrication method 维普资讯 http://www.cqvip.com