6.5%Si硅钢片具有高频铁损低、磁致伸缩小、噪音小的特点，是实现电磁设备高效、节能、轻便化的理想材料。
1、6.5%Si硅钢的研究历史
1928年舒尔茨（Schulze）发现6.5%Si-Fe合金的磁致伸缩近似为0。1942年鲁德（Ruder）指出6.5%Si-Fe由于磁向各异性和磁致伸缩比3%Si-Fe更低和电阻率更高，所以铁损更低。1951年戈尔茨（Goertz）测定（100）[001]位向的6.4%Si-Fe单晶体的最大磁导率μm＝5×104，磁场退火后μm＝3.8×106。1964年布朗等证明6.5%Si-Fe单晶体比3%Si-Fe单晶体的铁损P15/50低0.2W/kg，磁致伸缩低9/10，磁向各异性低1/3。1966年～1993年6.5%Si钢的研究取得较大进展，并得到工业应用。6.5%Si-Fe合金具有优异的较磁特性，主要表现：（1）最大磁导率为传统无取向硅钢的10倍。经磁场退火还能提高1倍；（2）铁损比无取向硅钢的还要低；（3）磁致伸缩系数极小（6×10-7），小于无取向硅钢的1/10。
2、6.5%Si硅钢片的制备工艺
2.1 冷轧轧制工艺
有6.5%Si-Fe合金中，含有DO3和B2有序相，还有Fe14Si2和B2相。随着这些有序相的出现，硅钢变得既硬又脆，难以通过常规的冷轧法加工成薄板。
对冷轧0.02C-6.56Si高硅钢薄板的力学和磁性能进行研究表明，以纯铁、单晶硅、硼铁为原料，通过25kg真空感应炉熔炼，锻造开坯，在1050～850℃热轧至1mm，650℃温轧至0.3mm，再冷轧成0.05mm高硅钢（%：0.02C、6.56Si、0.14Mn、0.013P、0.004S、0.02Al）薄板。冷轧板经过1200℃1.5h真空退火后，得到无取向硅钢。与普通取向硅钢相比，在0.07T，20kHz的高硅钢薄板铁损降低14.7%，30kHz的铁损降低19.7%，40kHz的铁损降低28.1%。
2.2 快速凝固工艺
快凝技术又称急冷凝固技术，于1960年首先创立。快凝技术的特点是设法将熔体分成尺寸很小的部分，并减小熔体体积与冷却介质接触的散热面积之比，从而使冷却介质迅速冷却而凝固。这种方法可以从一定的程度上减少由于轧制过程而产生的一些缺陷，但是由于技术和硅钢尺寸的限制，目前无法得到广泛的应用，有待进一步开发研究。
2.2.1 急冷制带法
1978年，用急冷制带法生产出0.03～0.10mm的6.5%Si-Fe合金薄带。人们运用该方法制备含Si约6.5%的Si-Fe合金、Sendust合金和Fe3Si等各种Fe3Si基合金后进行了大量的研究。
2.2.2 喷射成型法
喷射成形工艺是最早提出的一种快速凝固技术，它涉及粉末冶金、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。
2.3 薄膜生产工艺
对避开合金的脆性，发展了一些薄膜生产技术，对Sendust合金和Fe3Si进行研究和开发应用。Sendust合金由于优异的磁性能和优于坡莫合金的机械特性和电特性，是制作MIG磁头和薄膜磁头的理想材料。由于性脆质硬，无法轧成薄带，因此最初只能磨成细粉，用作磁粉芯材料；或用铸造方法得到。现在，还可用各种溅射技术，制备出软磁性能较好的一系列FeSiAl合金薄膜，并通过调整溅射条件和制作多层膜使性能进一步改善。目前，这项技术还处于研究阶段。
2.4 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Fe3Si基合金最为突出和成功的工艺。因表面沉积物的浓度较基体内部高，这一浓度差可以成为沉积物由表面向内部扩散的驱动力。再经一定的扩散，达到沉积物在基体通体内的基本均匀。通过CVD和扩散均匀化，可使渗源元素在被渗基体中达到一定的含量。CVD法工艺的基本设计思想是：在加工性能良好的低硅状态下轧制，然后再增加钢板中硅含量。原材料为传统工艺制造的2%～3%Si-Fe合金带，钢带通过N2或惰性气体保护的连续CVD炉，炉内通入含硅气体（ SiCl4）。在一定温度下与硅钢带反应形成一层Fe3Si，再将炉温提高到1100℃，使硅向钢带内部扩散，从而制成6.5%Si-Fe合金带。其渗硅反应如下：
SiCl4+5Fe→Fe3Si+2FeCl2↑
形成的FeCl2气体迅速移走。其流速越快，渗硅速度也越快。这种钢带不仅电磁性能优异，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。
尽管CVD工艺已取得成功，但仍存在如下问题：（1）沉积温度高，能耗大，设备腐蚀严重，寿命缩短。（2）CVD工艺靠的是SiCl4通过体腐蚀铁表面形成Fe3Si而沉积，因而会在表面产生腐蚀坑洼与不平，需要温轧平整。这给生产带来不便。（3）按CVD工艺产生的FeCl2，废气既严重污染环境，又造成铁的流失。
由于这些问题的存在，有待更深一步的研究改进CVD工艺，以便生产出性能更优良的硅钢。
2.5 粉末轧制法（DPR法）
Wang在以Fe粉和Si-Fe合金粉为原料采用粉末轧制（DPR法）制备3%Si硅钢方面进行了初步研究。由于粉末轧制的方法具有低成本和近终形成形的特点，采用粉末轧制法（DPR法），以雾化铁粉（纯度99.95%，平均粒度74μm）和硅粉（纯度99.94%，平均粒度30μm）为原料，将原料粉末按照6.5%Si的配比在轻型球磨机上进行混合3h，然后将混合好的原料粉末在轧辊直径为50mm的两辊轧机上进行轧制，轧制出厚度为0.39～0.44mm、宽度为65mm的粉末带材。将粉末带材切割为50mm×65mm的片材，根据前期研究的结果，采取的烧结工艺参数在Ar+5%H2气氛保护下1000℃初次烧结3h，烧结后的片材经过多道次轧制至0.30mm厚，涂MgO，在同样条件下于1200℃二次烧结3h，所制备的6.5%Si-Fe硅钢片的饱和磁感应强度Bs为1.8T；高频铁损W2/10K较低，为69W/kg。
2.6 等离子体化学气相沉积法（PCVD法）
吴润等采用等离子体化学气相沉积法（PCVD法），在500℃，将SiCl4气体通入PCVD炉，SiCl4气体在PCVD炉内直流电场作用下，发生分解和电离，Si变成正离子，Cl变成负离子，它们在电场作用下获得能量，Si离子冲入试样表层并与Fe原子混合，发生如下反应：
5Si+2Fe→FeSi3+FeSi2
因而Si在表面富集，能形成致密且结合牢固的富Si涂层，其Si含量接近6.5%。
采用PCVD法在0.1～0.3mm厚的无取向硅钢片（硅含量为2.7%～3.0%）上沉积一层硅（涂层源采用纯度为99.0%的SiCl4），然后在H2气及Ar气保护下短时间高温扩散，使钢片涂层平均含量达6.5%Si。用PCVD法涂Si与CVD相比，温度低（450～480℃），时间短（10～20min），工艺重现性好，表面光洁，化合物层可达10μm以上，并有非晶体形成，能满足0.1mm厚钢片达6.5%Si的要求，与相同底Si的无取向硅钢片相比，铁损P10/50比基片下降50%以上，其它磁性能也大幅度提高。
2.7 熔盐电沉积法
在水溶液中难电沉积的金属或合金通常采用熔盐电沉积法。熔盐中由于没有水，其阳极反应电位比水溶液中产生氢的电位更正，其阴极反应电位比水溶液中产生氢的电位更负，因而在熔融盐中可望沉积出在水溶液中不能电沉积的单一金属或合金。采用熔盐电沉积法可在金属表面上制得硅、钼、钨、碳化物、硅化物、硼化物等。
利用熔盐电沉积硅的方法，采用LINAKF-Na2SiF6熔盐体系，在温度大于750℃的条件下，以硅含量低于3%的硅钢基体为阴极、石墨为阳极，在直流电的作用下，Si不断在阴极上沉积，并在浓度梯度的作用下向基体内部扩散，电沉积硅和在基体中渗硅同时进行。这样制得的试样再经高温（1200℃）扩散退火，制备出了表面平整、含硅6.5%的高硅钢薄板。后经过对熔盐体系的改进，使得该技术更加优异，目前该方法正在进行更深入的研究。
3、结语
随着我国工业化进程的加快以及当前节能减排要求的不断提高，6.5%的高硅钢薄板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。6.5%的高硅钢薄板的研究一直在进行，生产工艺也有许多，可是能够真正实现大规模生产的核心技术还很少，所以当前最重要的是研究开发经济高效的制备工艺，降低6.5%Si-Fe有的高硅钢薄板的生产成本，提高质量，满足我国社会经济发展的要求。
TNC编辑部整理
