Fe-6.5%Si 高硅鋼片的制備工藝研究進展

劉國炎，韓慧穎，賈東方，李慧，申亞芳

（華北理工大學冶金與能源學院 現代冶金技術教育部重點實驗室，河北 唐山 063210）

碳含量很低(約小于0.02%)且硅含量在0.5%～6.5%的軟磁功能材料稱為Fe-Si 合金，其占比軟磁合金使用量的90%～95%[1]。Fe-Si 合金由于具有微波吸收性、磁學性能和耐腐蝕性能等特殊材料性能[2]，而廣泛應用于發電機和變壓器等各種電機和電器，已成為電力工業、電訊工業和電子工業中不可缺少的軟磁材料，具有廣闊的應用前景[3-8]。

對于Fe-Si 合金，低鐵損及強磁場下高磁感應強度是硅鋼非常重要的技術指標。而增加Si 含量可提高最大磁導率、電阻率，降低磁致伸縮和鐵損，有利于增強Fe-Si 合金的微波吸收性和磁學性能，但Si 含量增加的同時，合金的脆性也隨之增大，機械加工性能變差[9]，這使得Fe-6.5%Si 高硅鋼的制備具有一定難度。Fe-6.5%Si 高硅鋼的制備難點在于不具備可軋性，常規軋制工藝無法將板坯直接軋制加工成能夠實際應用的薄帶或板材。

本文對Fe-6.5%Si 高硅鋼制備工藝的研究現狀加以介紹和分析。對當前Fe-6.5%Si 高硅鋼的新型制備方法進行著重介紹和分析，并列舉了一些常見的制備方法。

1 特殊軋制法

1.1 機械合金化法

機械合金化法是一種固態反應非晶化的合金制備方法。該工藝將Fe、Si 兩種金屬粉末(晶態)在行星式球磨機中進行研磨，隨著球磨時間的延長，粉末逐漸發生冷變形和冷焊接并形成了具有Fe-Si 納米晶合金特征的層狀微結構，研磨后期的層狀微結構逐漸精細化，層厚不斷減薄，直至最后完全成為高純凈度的Fe-Si 納米晶合金。所制備的合金具有形狀較好、寬度和厚度較寬的優點。

鄭鋒等[10]采用機械合金化法，在以Ar 為保護氣的條件下，將Fe-6.5%Si 合金粉末與Si-22%Fe合金粉末按10∶1 的比例在球磨機中混合后球磨12 h，可制得顆粒細化、溫度穩定性良好的Fe-13.95%Si 固溶體合金。

李凡等[11]采用機械合金化法，將純度為99.5%、顆粒尺寸為50 μm 的Fe 元素粉末和純度為99.9%、顆粒尺寸為30 μm 的Si 元素粉末在轉速為240 r/min QM-IF 型行星式球磨機中混合，在磨球和粉末的質量比為80∶1 的條件下球磨20 h 后開始發生合金化，持續至80 h 時完全形成Fe-Si 納米晶合金，與固溶體合金相比，納米晶合金合金化程度更高，具有更好的軟磁性能。

1.2 粉末軋制法

粉末軋制法是以金屬或非金屬粉末的混合物為原料，經過成形、燒結以及后續處理加工制取合金材料、復合材料的一種合成Fe-6.5%Si 合金的重要方法[12]。粉末軋制法具有制備工藝簡單、成本低、耗能少等優點[13]。

員文杰等[14]采用粉末軋制法，將霧化鐵粉（φ=75 μm，純度為99.95%）和硅粉（φ=30 μm，純度為99.94%）在球磨機中以6.5%Si 的配比混合，利用兩輥軋機將混合后的原料軋制并切割成50 mm×65 mm 的片材，以Ar+5%H2為保護氣在1000℃下燒結3 h，反復軋制至0.3 mm 后在表面均勻涂抹MgO，最后在1200℃的條件下二次燒結可制得Fe-6.5%Si 高硅鋼片，且所制得的硅鋼片在高頻下鐵損耗較低。

機械合金化法主要受球磨時間、球料比、分散劑、添加元素和后續熱處理等[15]的影響，此方法避開了Si 含量升高使Fe-Si 合金脆性變大的問題，且具有工藝條件和設備簡單等優點[16]。但關于Fe-Si 合金的后續成形、組織性能和燒結工藝缺乏系統性研究。而粉末軋制法同樣向Fe-Si 合金中添加微量元素，并增加SPS 燒結工藝后[13]，Fe 的燒結發生明顯改善，合金的延展性也得到增強，并在不同原料粒度、熱處理溫度和壓力等燒結工藝下研究Fe-6.5%Si 高硅鋼性能的變化，運用此方法得到的Fe-6.5%Si 高硅鋼片具有良好的磁性能和塑性形變能力[14]。

2 沉積擴散法

沉積擴散工藝是以取向和無取向硅鋼片為材料，以較高濃度表面向較低濃度的基體內部擴散為動力，經過高溫化學反應使Si 富集在硅鋼片上的一種方法。其中開發比較成熟的是化學氣相沉積法（CVD 法），王愛華等[17]采用化學氣相沉積法，以SiCl4和N2混合氣體為保護氣，將硅鋼片試樣在石英管爐中加熱，通過置換反應在硅鋼片上形成Si 的富集層，待試樣冷卻后可制得Fe-6.5%Si 的高硅鋼。相比于傳統軋制方法，CVD 法制造的Fe-6.5%高硅鋼不僅電磁性能優異,而且還有較鐵系非晶帶更好的機械加工性能,質地較軟易于加工[2]。但仍存在一定的缺陷，如能耗大、操作復雜、采用強腐蝕性的SiCl4氣體存在嚴重的環境污染隱患。

等離子體化學氣相沉積法（PCVD 法）是一種用等離子體去激活反應氣體，在反應物基體表面或近表面空間進行化學反應，生成固態膜的技術。周磊等[18]采用PCVD 法，將10%SiH4+90%Ar作為滲源氣沉積在30 mm×80 mm×0.2 mm 的純鐵片(純度高于99%)的表面上，從純鐵表面到其內部，硅含量逐漸降低，形成了具有較薄的過渡梯度層，然后將形成Si 過渡梯度層的純鐵片在500℃的條件下沉積20 min，過渡層中的硅元素會慢慢滲透到基體之中，以工業純氫氣為保護氣，在1050℃下可得到Fe-6.5%Si 高硅鋼薄片。所得高硅鋼薄片具有好的延展性、高電阻率、高磁導率等優點。

PCVD 法[19]在改正CVD 法缺陷的基礎上，顯著降低Si 沉積溫度，提高了產品表面質量，具有制備工藝重復性好，避免基板和膜層之間的氧化，膜層的厚度可控性好，且對環境無污染的優點。但PCVD 法仍存在缺陷，如：SiCl4分解時會伴隨著其他化學反應，造成反應復雜，難以控制，其反應機理也難以理解[20]。

與CVD 和PCVD 法原理類似，劉力峰等[21]利用低能離子束法研究了當樣品襯底在室溫下時制得的Fe-Si 合金，所制得的非晶Fe-Si 合金薄膜具有鐵磁性。楊林等[22]采用噴射成形法將霧化后的Fe-Si 合金溶液噴射到高硅鋼板坯上，噴射后的高硅鋼板坯進行多次熱軋后可制得厚度為0.5 mm的Fe-Si 合金片。合金片具有組織致密、電磁性較好、低鐵損等優點。開創了Fe-Si 合金制備的另一種可行的方法。

3 熔鹽法

熔鹽法是熔鹽中金屬的電沉積和固態擴散合金化作用的綜合結果，是制取Fe-Si 合金的方法之一。熔鹽體系的選擇是熔鹽法的主要決定因素，而熔鹽體系應具備低熔點、低蒸氣壓、高電導率、容易凈化和經濟實用等條件，憑借熔鹽體系成分和性質的不同，所制得的沉積產物具有較大差異，目前熔鹽法主要采用氯化物和氟化物體系。

楊海麗等[23]采用熔鹽電沉積法，在NaCl-KCl-NaF-SiO2摩爾比為1∶1∶3∶0.3 的熔鹽體系中，以厚度為0. mm 硅含量為3.53% 的低硅鋼為基體，通過脈沖電沉積，平均電流密度120 mA/m2，周期1000 μs，占空比20%。在沉積溫度800℃下沉積60 min，試樣經電場作用獲得能量，Si 離子進入試樣表層并與Fe 原子結合，發生如下反應：Si+3Fe→Fe3Si，以電化學還原法沉積硅，然后在1050℃下高溫退火40 min，制得硅成分均勻且含量約6.5 %的高硅鋼。梁精龍等[24]采用熔鹽電化學法在FClNaK-SiO2熔鹽體系下獲得了完整、均勻、致密的沉積硅層。在3 %Si 硅鋼片基礎上制得了高硅鋼片，并在1050℃下對硅鋼片進行了擴散退火試驗，得到了6.5 %Si 高硅鋼片。

黃薇等[25]采用熔鹽非電解沉積法以NaCl∶KCl∶NaF=2∶2∶1 的中性熔融鹽作為載體，Na2SiF6∶Si=5∶5 做為滲硅劑中，選取0Cr18Ni9 不銹鋼作為基體，熔鹽加熱至800℃熔融后將基體試樣浸入其中，經過鹽浴熱運動和硅離子的不斷擴散，能夠在金屬基材表面生成金屬Fe3Si 硅化物滲層。

熔鹽法分為熔鹽電解法和熔鹽非電解法，相比于沉積擴散法具有步驟簡單、操作方便、低污染、成本低等優點。熔鹽法制備的Fe-6.5%Si 沉積硅層具有優異的抗腐蝕能力和優越的耐磨損性能，改善了鋼材因腐蝕導致失效的抑制現象，拓展了鋼材的應用領域。

4 相變法

相變法[26]是以應變能法為理論基礎，在相變區附近，使沿鐵晶體不同晶向的彈性各向異性最大，＜100＞方向的平均楊氏模量達到最小。相變時，在應變能各向異性的驅動下，形成{100}織構；控制相變速率，使相變由表及里的緩慢進行，則最終得到{100}織構柱狀晶組織新型無取向電工鋼。

Sung 等[27]采用相變法，以厚度為300 μm 的Fe-Si 合金板材（含Mn、P、Al、C、S）為樣品原材料，在真空氣氛下的管式爐中進行樣品熱處理。當溫度達到退火溫度時，樣品被放置在爐中。在退火溫度下保持設計時間后，以400°C/h 的冷卻速率將樣品冷卻到800℃。熱處理結束后，從爐子中取出樣品，在室溫下冷卻。發現制得的Fe-1.5%Si合金經過γ 到α 相變后，形成強烈的＜100＞織構。

楊平等[28]采用相變法，以Fe-3%Si-1.7%Mn-0.056%C 高硅合金為原料，在真空感應下，將合金鍛造、熱軋到4 mm，再進行冷軋，然后在壓強為3×103 Pa，溫度為950～1100℃的真空條件下退火，保溫30 min 后將樣品在濕氫氣氛下脫碳，最后在850℃下保溫。通過EBSD 技術測定試樣品制備出較強且均勻的有利＜100＞織構。

相變法[26]為近年新興起的一種方法，通過相變法可制備出具有80% 以上＜100＞有利織構的電工鋼，相比于傳統制備方法，相變法工藝簡單、制得的電工鋼磁性能優異，特別是具有極高的磁感，可滿足低鐵損、高磁感強度新型電工鋼的要求，且有效降低制備成本，實現節能環保，具有很大潛力。

5 結論及展望

Fe-Si 合金具有微波吸收性、磁學性能和耐腐蝕性等優良性能，可廣泛用于電器和電子設備中。而Fe-6.5%Si 高硅鋼作為一種高效的電磁材料，必將得到高度的關注以及快速的發展，隨著科學技術的發展，高硅鋼制備的新方法不斷涌現，盡管上述制備方法各有優點，但仍存在各自的缺點，如特殊軋制法在制備過程中工藝控制因素嚴格、復雜，較難掌握，且成本較高，難以實現工業化；氣相沉積工藝操作復雜，易產生強腐蝕性的SiCl4氣體，存在環境污染隱患；熔鹽法滲硅耗能較高且沉積產物形態不穩定無法保證滲層質量，若要得到廣泛應用還需不斷完善；相變法研究歷史較短、控制成熟度遠不夠，難以很快應用推廣。雖然目前Fe-6.5%Si 高硅鋼片的制備技術已較為成熟，但為了能充分利用Fe-6.5%Si 高硅鋼片的優良性能，還需加強理論研究，建立更為完善的理論體系，強化現有Fe-6.5%Si 高硅鋼片制備方法與過程的研究，降低生產成本，提高質量，更好的實現Fe-6.5%Si 高硅鋼片的應用價值。