淺談高硅電工鋼制備工藝在金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)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(diǎn)和近年來發(fā)展的幾種制備工藝方法，在金屬材料工程專業(yè)幾門專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，對幾種不同的工藝制備高硅電工鋼作為教學(xué)案例進(jìn)行了探討，作者認(rèn)為可以促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)課知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：高硅電工鋼；制備工藝；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）34-0107-02

依據(jù)金屬材料工程專業(yè)的本科教學(xué)大綱，學(xué)生在大二下半學(xué)期和大三上半學(xué)期就要學(xué)習(xí)本專業(yè)的基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程的同時(shí)，將會(huì)根據(jù)自己的興趣以分組協(xié)作的形式參與到大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練活動(dòng)中來。由于要對科研創(chuàng)新的題目在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上進(jìn)行探索，對學(xué)生在課堂上所學(xué)到的專業(yè)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，這能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，有利于教師對專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。在金屬材料工程專業(yè)課程教學(xué)中，將對不同種類的金屬材料進(jìn)行制備工藝、成形加工工藝、機(jī)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(zhuǎn)化的媒介材料，將在《功能材料》《無損檢測新技術(shù)》等幾門專業(yè)課中涉及到。該材料廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域中是因?yàn)槠鋬?yōu)異的磁學(xué)性能，但該材料機(jī)械加工性能很差，在材料加工工程和材料制備方法等相關(guān)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)加入該材料的制備成形工藝實(shí)驗(yàn)，能夠拓寬學(xué)生的視野，加深對專業(yè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。該材料是使用量最大的一種軟磁合金，是發(fā)展電力和電訊工業(yè)的關(guān)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(shù)指標(biāo)是低的鐵損和強(qiáng)磁場下高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

在該合金中隨著Si元素含量的增高，其自身的磁導(dǎo)率和電阻率升高，磁晶各向異性常數(shù)和磁滯伸縮系數(shù)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(xué)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(lǐng)域應(yīng)用中為了進(jìn)一步降低鐵損帶來的經(jīng)濟(jì)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(jià)鍵本質(zhì)導(dǎo)致該合金自身固溶強(qiáng)化大、硬度高，合金在室溫下變得既硬又脆，使機(jī)械加工性能大幅度降低。某些工業(yè)發(fā)達(dá)國家和高校的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用化學(xué)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(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探討

在金屬材料工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，其中《材料加工工程》、《金屬工藝學(xué)》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(jìn)行講解，在學(xué)生對材料加工領(lǐng)域中不同的制備工藝的基本原理、方法和特點(diǎn)進(jìn)行了解的同時(shí)，還可以加深學(xué)生對金屬學(xué)理論知識(shí)的理解，針對金屬材料自身的結(jié)構(gòu)、特征和應(yīng)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(xué)生對專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用，為將來從事相關(guān)的行業(yè)打下基礎(chǔ)。

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(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中作為講解例子，可以讓學(xué)生對塑性加工常用的設(shè)備（如鍛壓機(jī)、軋機(jī)、熱處理用加熱爐等）有直觀的認(rèn)識(shí)、加深學(xué)生對塑性變形的原理和概念的理解，同時(shí)通過對比變形前后的材料的微觀組織，可以加深學(xué)生對組織演變和形變誘導(dǎo)相變等金屬學(xué)基本知識(shí)概念的了解，也可以培養(yǎng)學(xué)生處理試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和分析的動(dòng)手操作能力。

2.化學(xué)汽相沉積法制備高硅電工鋼，也稱擴(kuò)散滲硅法制備該合金材料，是將硅通過高溫?zé)崽幚頂U(kuò)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?yàn)镾i元素含量的增高而導(dǎo)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(kuò)散的方式提高合金的Si元素含量，但是此工藝存在設(shè)備維修率高、環(huán)境污染大、設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)。這部分作為新材料制備工藝課程中化學(xué)氣相沉積工藝的例子在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中展現(xiàn)，可以加深學(xué)生對該工藝實(shí)驗(yàn)設(shè)備的了解、采用該工藝制備合金材料的特點(diǎn)。

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(zhuǎn)軋輥之間使其壓實(shí)成連續(xù)帶坯的工藝方法。該方法是將粉末冶金技術(shù)和軋制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的一種材料制備加工方法，而粉末冶金技術(shù)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(yōu)點(diǎn)在于可以精確地控制制備材料的成分和組成，缺點(diǎn)在于材料基體內(nèi)部致密度不夠，如內(nèi)部存在一定數(shù)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(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分的案例，可以通過超聲波檢測和射線檢測等檢測技術(shù)對材料內(nèi)部的缺陷進(jìn)行辨識(shí)。這樣通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程加深了學(xué)生對檢測設(shè)備功能的認(rèn)識(shí)，同時(shí)加深了學(xué)生對不同檢測方法的應(yīng)用。

4.快速凝固技術(shù)制備高硅電工鋼，該方法的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)金屬帶材的雙面冷卻以及凝固區(qū)的形狀和尺寸可以調(diào)節(jié)，同時(shí)對合金材料的厚度具有靈活的調(diào)節(jié)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(shí)，該合金材料的薄板可以進(jìn)一步冷軋，以獲得具有（110）[001]織構(gòu)的取向材料。該工藝制備的高硅電工鋼作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例，可以在凝固理論、新材料制備工藝、無算檢測技術(shù)等課程中讓學(xué)生加以了解，在加深基本理論認(rèn)識(shí)的同時(shí)，拓寬了學(xué)生對材料加工工藝種類的了解，可以鍛煉學(xué)生對凝固過程中材料出現(xiàn)的缺陷（如氣泡、縮孔、疏松等）進(jìn)行檢測方法選擇和辨識(shí)的能力，加深學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)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(tǒng)軋制工藝難以制備的大尺寸、厚度可調(diào)板材的一種工藝補(bǔ)充。它的原理是電子束通過磁場或電場聚焦在蒸發(fā)源錠料上面，使材料發(fā)生熔化，同時(shí)在真空的低氣壓環(huán)境中，蒸發(fā)源在熔池上方發(fā)生氣化，氣相原子從熔池表面以直線運(yùn)動(dòng)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(yōu)點(diǎn)是沉積溫度低、沉積時(shí)間短、工藝重現(xiàn)性好、產(chǎn)品表面光潔度高；缺點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生的射線作用下也可產(chǎn)生新的粒子，這使得對反應(yīng)產(chǎn)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(shù)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分的案例，也可以作為無損檢測新技術(shù)課程中射線檢測章節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，拓寬了學(xué)生對材料加工工藝種類的了解，同時(shí)提高了學(xué)生對不同加工工藝下制備材料中的缺陷的檢測方法進(jìn)行選擇的能力。

三、結(jié)語

本文簡單介紹了高硅電工鋼作為一種軟磁合金的特點(diǎn)和近些年來發(fā)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(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的應(yīng)用。根據(jù)作者所在單位制定的金屬材料工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，在一些專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中以不同的工藝制備高硅電工鋼作為教學(xué)案例，可以加深學(xué)生對金屬學(xué)基本知識(shí)的理解，拓寬學(xué)生對材料加工工藝種類的認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作能力，激發(fā)學(xué)生對金屬材料工程專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。

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