淺談高硅電工鋼制備工藝在金屬材料工程專業實驗教學中的應用

姬帥　雷西虎　劉忠軍

摘要：本文簡單介紹了高硅電工鋼的基本特點和近年來發展的幾種制備工藝方法，在金屬材料工程專業幾門專業課的實驗教學環節中，對幾種不同的工藝制備高硅電工鋼作為教學案例進行了探討，作者認為可以促進學生對專業課知識的理解，激發學生對專業課的學習興趣。

關鍵詞：高硅電工鋼；制備工藝；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）34-0107-02

依據金屬材料工程專業的本科教學大綱，學生在大二下半學期和大三上半學期就要學習本專業的基礎課程和專業課程。學生在學習專業課程的同時，將會根據自己的興趣以分組協作的形式參與到大學生科研創新訓練活動中來。由于要對科研創新的題目在實驗室平臺上進行探索，對學生在課堂上所學到的專業理論知識進行實踐應用，這能夠提高學生的實驗操作能力，有利于教師對專業課實驗教學的開展。在金屬材料工程專業課程教學中，將對不同種類的金屬材料進行制備工藝、成形加工工藝、機械性能和物理性能等方面的講解。高硅電工鋼作為一種軟磁合金，是磁能和電能轉化的媒介材料，將在《功能材料》《無損檢測新技術》等幾門專業課中涉及到。該材料廣泛應用于工程領域中是因為其優異的磁學性能，但該材料機械加工性能很差，在材料加工工程和材料制備方法等相關課程中的實驗教學環節加入該材料的制備成形工藝實驗，能夠拓寬學生的視野，加深對專業課中基本概念的理解和掌握。

一、高硅電工鋼的簡單介紹

電工鋼也稱作硅鋼，是含碳量較低的軟磁材料的一種硅鐵合金，Si元素含量一般為1.5%-4.5%（質量分數，下同）。該材料是使用量最大的一種軟磁合金，是發展電力和電訊工業的關鍵材料，Si元素含量在3%以上的可稱為高硅電工鋼。該材料重要的技術指標是低的鐵損和強磁場下高的磁感應強度。

在該合金中隨著Si元素含量的增高，其自身的磁導率和電阻率升高，磁晶各向異性常數和磁滯伸縮系數降低，因此，在一定程度上增加電工鋼中的Si元素含量可以有效提高其磁學性能。但隨著該合金中Si元素含量的增高，其塑性加工性能變差。近些年來，在高頻信息領域應用中為了進一步降低鐵損帶來的經濟損耗，Si元素含量為6.5%的電工鋼被選擇為普通硅鋼片的替代材料。然而，由于該合金中的Fe3Si基合金Si元素含量較高，Si元素的共價鍵本質導致該合金自身固溶強化大、硬度高，合金在室溫下變得既硬又脆，使機械加工性能大幅度降低。某些工業發達國家和高校的重點實驗室采用化學汽相沉積（CVD）法、快速凝固法、粉末壓延法、特殊軋制法、物理氣相沉積（PVD）法等來制備高硅電工鋼的薄板或薄帶[1-5]。

二、高硅電工鋼制備工藝在金屬材料工程專業實驗教學中的探討

在金屬材料工程專業的實驗教學課程中，其中《材料加工工程》、《金屬工藝學》和《材料制備新工藝》等課程中講述過能夠制備高硅電工鋼這類磁性材料的方法，如軋制法、氣相沉積法、粉末冶金法等。對同一種材料的不同制備工藝作為例子進行講解，在學生對材料加工領域中不同的制備工藝的基本原理、方法和特點進行了解的同時，還可以加深學生對金屬學理論知識的理解，針對金屬材料自身的結構、特征和應用等方面，采用相對合理的制備加工工藝來獲得，這樣可以加深學生對專業知識的應用，為將來從事相關的行業打下基礎。

1.軋制法制備高硅電工鋼，熱軋Super Sendust合金可以制得0.05-0.3mm的薄板。這部分在材料成型設備的實驗教學中作為講解例子，可以讓學生對塑性加工常用的設備（如鍛壓機、軋機、熱處理用加熱爐等）有直觀的認識、加深學生對塑性變形的原理和概念的理解，同時通過對比變形前后的材料的微觀組織，可以加深學生對組織演變和形變誘導相變等金屬學基本知識概念的了解，也可以培養學生處理試樣進行實驗觀察和分析的動手操作能力。

2.化學汽相沉積法制備高硅電工鋼，也稱擴散滲硅法制備該合金材料，是將硅通過高溫熱處理擴散的方式滲入低硅鋼成品中來制取高硅鋼的一種方法。該方法避開了因為Si元素含量的增高而導致合金的塑性降低等缺陷，在Si元素含量較低塑性加工性能良好的前提下完成加工變形，然后再通過擴散的方式提高合金的Si元素含量，但是此工藝存在設備維修率高、環境污染大、設備昂貴等缺點。這部分作為新材料制備工藝課程中化學氣相沉積工藝的例子在實驗教學中展現，可以加深學生對該工藝實驗設備的了解、采用該工藝制備合金材料的特點。

3.粉末壓延法制備高硅電工鋼，該方法是將粉末通過漏斗喂入一對旋轉軋輥之間使其壓實成連續帶坯的工藝方法。該方法是將粉末冶金技術和軋制技術進行結合的一種材料制備加工方法，而粉末冶金技術同鑄造、焊接和熱處理工藝等均是材料的制備工藝的一種。粉末壓延法的優點在于可以精確地控制制備材料的成分和組成，缺點在于材料基體內部致密度不夠，如內部存在一定數量和尺寸的縫隙等。該工藝制備的高硅電工鋼合金可以作為無損檢測技術課程的實驗教學部分的案例，可以通過超聲波檢測和射線檢測等檢測技術對材料內部的缺陷進行辨識。這樣通過實驗教學課程加深了學生對檢測設備功能的認識，同時加深了學生對不同檢測方法的應用。

4.快速凝固技術制備高硅電工鋼，該方法的主要特點是能實現金屬帶材的雙面冷卻以及凝固區的形狀和尺寸可以調節，同時對合金材料的厚度具有靈活的調節能力。該方法制備的高硅電工鋼帶通常由柱狀晶和等軸晶組成，晶粒尺寸約為10μm，同時，該合金材料的薄板可以進一步冷軋，以獲得具有（110）[001]織構的取向材料。該工藝制備的高硅電工鋼作為實驗教學的案例，可以在凝固理論、新材料制備工藝、無算檢測技術等課程中讓學生加以了解，在加深基本理論認識的同時，拓寬了學生對材料加工工藝種類的了解，可以鍛煉學生對凝固過程中材料出現的缺陷（如氣泡、縮孔、疏松等）進行檢測方法選擇和辨識的能力，加深學生理論聯系實際的應用。

5.電子束物理氣相沉積法制備高硅電工鋼，該工藝方法制備高硅電工鋼合金是對傳統軋制工藝難以制備的大尺寸、厚度可調板材的一種工藝補充。它的原理是電子束通過磁場或電場聚焦在蒸發源錠料上面，使材料發生熔化，同時在真空的低氣壓環境中，蒸發源在熔池上方發生氣化，氣相原子從熔池表面以直線運動的方式到基片表面并沉積在基片表面形成沉積層，等待沉積完成后冷卻，最后剝離沉積層得到板材的過程。該方法的優點是沉積溫度低、沉積時間短、工藝重現性好、產品表面光潔度高；缺點是等離子體中電子的能量分布范圍寬泛，除了電子的碰撞外，在離子的碰撞作用和放電時產生的射線作用下也可產生新的粒子，這使得對反應產物的控制變得困難。該工藝方法制備高硅電工鋼可以作為新材料制備技術課程中的實驗教學部分的案例，也可以作為無損檢測新技術課程中射線檢測章節的實驗教學案例，拓寬了學生對材料加工工藝種類的了解，同時提高了學生對不同加工工藝下制備材料中的缺陷的檢測方法進行選擇的能力。

三、結語

本文簡單介紹了高硅電工鋼作為一種軟磁合金的特點和近些年來發展的制備該合金材料的幾種工藝方法，并探討了不同的加工工藝制備高硅電工鋼作為案例在金屬材料工程專業本科實驗教學過程中的應用。根據作者所在單位制定的金屬材料工程專業的培養方案，在一些專業課的實驗教學環節中以不同的工藝制備高硅電工鋼作為教學案例，可以加深學生對金屬學基本知識的理解，拓寬學生對材料加工工藝種類的認識，鍛煉學生理論聯系實際的實驗操作能力，激發學生對金屬材料工程專業課程的學習興趣。

參考文獻：

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