Fe-6.5%Si 高硅钢片的制备工艺研究进展

刘国炎，韩慧颖，贾东方，李慧，申亚芳

（华北理工大学冶金与能源学院 现代冶金技术教育部重点实验室，河北 唐山 063210）

碳含量很低(约小于0.02%)且硅含量在0.5%～6.5%的软磁功能材料称为Fe-Si 合金，其占比软磁合金使用量的90%～95%[1]。Fe-Si 合金由于具有微波吸收性、磁学性能和耐腐蚀性能等特殊材料性能[2]，而广泛应用于发电机和变压器等各种电机和电器，已成为电力工业、电讯工业和电子工业中不可缺少的软磁材料，具有广阔的应用前景[3-8]。

对于Fe-Si 合金，低铁损及强磁场下高磁感应强度是硅钢非常重要的技术指标。而增加Si 含量可提高最大磁导率、电阻率，降低磁致伸缩和铁损，有利于增强Fe-Si 合金的微波吸收性和磁学性能，但Si 含量增加的同时，合金的脆性也随之增大，机械加工性能变差[9]，这使得Fe-6.5%Si 高硅钢的制备具有一定难度。Fe-6.5%Si 高硅钢的制备难点在于不具备可轧性，常规轧制工艺无法将板坯直接轧制加工成能够实际应用的薄带或板材。

本文对Fe-6.5%Si 高硅钢制备工艺的研究现状加以介绍和分析。对当前Fe-6.5%Si 高硅钢的新型制备方法进行着重介绍和分析，并列举了一些常见的制备方法。

1 特殊轧制法

1.1 机械合金化法

机械合金化法是一种固态反应非晶化的合金制备方法。该工艺将Fe、Si 两种金属粉末(晶态)在行星式球磨机中进行研磨，随着球磨时间的延长，粉末逐渐发生冷变形和冷焊接并形成了具有Fe-Si 纳米晶合金特征的层状微结构，研磨后期的层状微结构逐渐精细化，层厚不断减薄，直至最后完全成为高纯净度的Fe-Si 纳米晶合金。所制备的合金具有形状较好、宽度和厚度较宽的优点。

郑锋等[10]采用机械合金化法，在以Ar 为保护气的条件下，将Fe-6.5%Si 合金粉末与Si-22%Fe合金粉末按10∶1 的比例在球磨机中混合后球磨12 h，可制得颗粒细化、温度稳定性良好的Fe-13.95%Si 固溶体合金。

李凡等[11]采用机械合金化法，将纯度为99.5%、颗粒尺寸为50 µm 的Fe 元素粉末和纯度为99.9%、颗粒尺寸为30 µm 的Si 元素粉末在转速为240 r/min QM-IF 型行星式球磨机中混合，在磨球和粉末的质量比为80∶1 的条件下球磨20 h 后开始发生合金化，持续至80 h 时完全形成Fe-Si 纳米晶合金，与固溶体合金相比，纳米晶合金合金化程度更高，具有更好的软磁性能。

1.2 粉末轧制法

粉末轧制法是以金属或非金属粉末的混合物为原料，经过成形、烧结以及后续处理加工制取合金材料、复合材料的一种合成Fe-6.5%Si 合金的重要方法[12]。粉末轧制法具有制备工艺简单、成本低、耗能少等优点[13]。

员文杰等[14]采用粉末轧制法，将雾化铁粉（φ=75 µm，纯度为99.95%）和硅粉（φ=30 µm，纯度为99.94%）在球磨机中以6.5%Si 的配比混合，利用两辊轧机将混合后的原料轧制并切割成50 mm×65 mm 的片材，以Ar+5%H2为保护气在1000℃下烧结3 h，反复轧制至0.3 mm 后在表面均匀涂抹MgO，最后在1200℃的条件下二次烧结可制得Fe-6.5%Si 高硅钢片，且所制得的硅钢片在高频下铁损耗较低。

机械合金化法主要受球磨时间、球料比、分散剂、添加元素和后续热处理等[15]的影响，此方法避开了Si 含量升高使Fe-Si 合金脆性变大的问题，且具有工艺条件和设备简单等优点[16]。但关于Fe-Si 合金的后续成形、组织性能和烧结工艺缺乏系统性研究。而粉末轧制法同样向Fe-Si 合金中添加微量元素，并增加SPS 烧结工艺后[13]，Fe 的烧结发生明显改善，合金的延展性也得到增强，并在不同原料粒度、热处理温度和压力等烧结工艺下研究Fe-6.5%Si 高硅钢性能的变化，运用此方法得到的Fe-6.5%Si 高硅钢片具有良好的磁性能和塑性形变能力[14]。

2 沉积扩散法

沉积扩散工艺是以取向和无取向硅钢片为材料，以较高浓度表面向较低浓度的基体内部扩散为动力，经过高温化学反应使Si 富集在硅钢片上的一种方法。其中开发比较成熟的是化学气相沉积法（CVD 法），王爱华等[17]采用化学气相沉积法，以SiCl4和N2混合气体为保护气，将硅钢片试样在石英管炉中加热，通过置换反应在硅钢片上形成Si 的富集层，待试样冷却后可制得Fe-6.5%Si 的高硅钢。相比于传统轧制方法，CVD 法制造的Fe-6.5%高硅钢不仅电磁性能优异,而且还有较铁系非晶带更好的机械加工性能,质地较软易于加工[2]。但仍存在一定的缺陷，如能耗大、操作复杂、采用强腐蚀性的SiCl4气体存在严重的环境污染隐患。

等离子体化学气相沉积法（PCVD 法）是一种用等离子体去激活反应气体，在反应物基体表面或近表面空间进行化学反应，生成固态膜的技术。周磊等[18]采用PCVD 法，将10%SiH4+90%Ar作为渗源气沉积在30 mm×80 mm×0.2 mm 的纯铁片(纯度高于99%)的表面上，从纯铁表面到其内部，硅含量逐渐降低，形成了具有较薄的过渡梯度层，然后将形成Si 过渡梯度层的纯铁片在500℃的条件下沉积20 min，过渡层中的硅元素会慢慢渗透到基体之中，以工业纯氢气为保护气，在1050℃下可得到Fe-6.5%Si 高硅钢薄片。所得高硅钢薄片具有好的延展性、高电阻率、高磁导率等优点。

PCVD 法[19]在改正CVD 法缺陷的基础上，显著降低Si 沉积温度，提高了产品表面质量，具有制备工艺重复性好，避免基板和膜层之间的氧化，膜层的厚度可控性好，且对环境无污染的优点。但PCVD 法仍存在缺陷，如：SiCl4分解时会伴随着其他化学反应，造成反应复杂，难以控制，其反应机理也难以理解[20]。

与CVD 和PCVD 法原理类似，刘力峰等[21]利用低能离子束法研究了当样品衬底在室温下时制得的Fe-Si 合金，所制得的非晶Fe-Si 合金薄膜具有铁磁性。杨林等[22]采用喷射成形法将雾化后的Fe-Si 合金溶液喷射到高硅钢板坯上，喷射后的高硅钢板坯进行多次热轧后可制得厚度为0.5 mm的Fe-Si 合金片。合金片具有组织致密、电磁性较好、低铁损等优点。开创了Fe-Si 合金制备的另一种可行的方法。

3 熔盐法

熔盐法是熔盐中金属的电沉积和固态扩散合金化作用的综合结果，是制取Fe-Si 合金的方法之一。熔盐体系的选择是熔盐法的主要决定因素，而熔盐体系应具备低熔点、低蒸气压、高电导率、容易净化和经济实用等条件，凭借熔盐体系成分和性质的不同，所制得的沉积产物具有较大差异，目前熔盐法主要采用氯化物和氟化物体系。

杨海丽等[23]采用熔盐电沉积法，在NaCl-KCl-NaF-SiO2摩尔比为1∶1∶3∶0.3 的熔盐体系中，以厚度为0. mm 硅含量为3.53% 的低硅钢为基体，通过脉冲电沉积，平均电流密度120 mA/m2，周期1000 µs，占空比20%。在沉积温度800℃下沉积60 min，试样经电场作用获得能量，Si 离子进入试样表层并与Fe 原子结合，发生如下反应：Si+3Fe→Fe3Si，以电化学还原法沉积硅，然后在1050℃下高温退火40 min，制得硅成分均匀且含量约6.5 %的高硅钢。梁精龙等[24]采用熔盐电化学法在FClNaK-SiO2熔盐体系下获得了完整、均匀、致密的沉积硅层。在3 %Si 硅钢片基础上制得了高硅钢片，并在1050℃下对硅钢片进行了扩散退火试验，得到了6.5 %Si 高硅钢片。

黄薇等[25]采用熔盐非电解沉积法以NaCl∶KCl∶NaF=2∶2∶1 的中性熔融盐作为载体，Na2SiF6∶Si=5∶5 做为渗硅剂中，选取0Cr18Ni9 不锈钢作为基体，熔盐加热至800℃熔融后将基体试样浸入其中，经过盐浴热运动和硅离子的不断扩散，能够在金属基材表面生成金属Fe3Si 硅化物渗层。

熔盐法分为熔盐电解法和熔盐非电解法，相比于沉积扩散法具有步骤简单、操作方便、低污染、成本低等优点。熔盐法制备的Fe-6.5%Si 沉积硅层具有优异的抗腐蚀能力和优越的耐磨损性能，改善了钢材因腐蚀导致失效的抑制现象，拓展了钢材的应用领域。

4 相变法

相变法[26]是以应变能法为理论基础，在相变区附近，使沿铁晶体不同晶向的弹性各向异性最大，＜100＞方向的平均杨氏模量达到最小。相变时，在应变能各向异性的驱动下，形成{100}织构；控制相变速率，使相变由表及里的缓慢进行，则最终得到{100}织构柱状晶组织新型无取向电工钢。

Sung 等[27]采用相变法，以厚度为300 µm 的Fe-Si 合金板材（含Mn、P、Al、C、S）为样品原材料，在真空气氛下的管式炉中进行样品热处理。当温度达到退火温度时，样品被放置在炉中。在退火温度下保持设计时间后，以400°C/h 的冷却速率将样品冷却到800℃。热处理结束后，从炉子中取出样品，在室温下冷却。发现制得的Fe-1.5%Si合金经过γ 到α 相变后，形成强烈的＜100＞织构。

杨平等[28]采用相变法，以Fe-3%Si-1.7%Mn-0.056%C 高硅合金为原料，在真空感应下，将合金锻造、热轧到4 mm，再进行冷轧，然后在压强为3×103 Pa，温度为950～1100℃的真空条件下退火，保温30 min 后将样品在湿氢气氛下脱碳，最后在850℃下保温。通过EBSD 技术测定试样品制备出较强且均匀的有利＜100＞织构。

相变法[26]为近年新兴起的一种方法，通过相变法可制备出具有80% 以上＜100＞有利织构的电工钢，相比于传统制备方法，相变法工艺简单、制得的电工钢磁性能优异，特别是具有极高的磁感，可满足低铁损、高磁感强度新型电工钢的要求，且有效降低制备成本，实现节能环保，具有很大潜力。

5 结论及展望

Fe-Si 合金具有微波吸收性、磁学性能和耐腐蚀性等优良性能，可广泛用于电器和电子设备中。而Fe-6.5%Si 高硅钢作为一种高效的电磁材料，必将得到高度的关注以及快速的发展，随着科学技术的发展，高硅钢制备的新方法不断涌现，尽管上述制备方法各有优点，但仍存在各自的缺点，如特殊轧制法在制备过程中工艺控制因素严格、复杂，较难掌握，且成本较高，难以实现工业化；气相沉积工艺操作复杂，易产生强腐蚀性的SiCl4气体，存在环境污染隐患；熔盐法渗硅耗能较高且沉积产物形态不稳定无法保证渗层质量，若要得到广泛应用还需不断完善；相变法研究历史较短、控制成熟度远不够，难以很快应用推广。虽然目前Fe-6.5%Si 高硅钢片的制备技术已较为成熟，但为了能充分利用Fe-6.5%Si 高硅钢片的优良性能，还需加强理论研究，建立更为完善的理论体系，强化现有Fe-6.5%Si 高硅钢片制备方法与过程的研究，降低生产成本，提高质量，更好的实现Fe-6.5%Si 高硅钢片的应用价值。