磁场下复合电沉积-扩散制备高硅硅钢薄带的基础研究

高硅（6.5wt%）硅钢由于优异的磁性能而受到广泛的关注，但由于高硅硅钢的脆性，很难采用常规的轧制工艺，成为制约高硅硅钢应用的瓶颈。目前采用的其他制备方法中，如何将硅引入低硅硅钢基体一直是亟待解决的关键问题。本项目提出，通过研究合适的分散技术，将纳米硅颗粒分散于室温或100℃以下镀铁液中，采用复合电沉积工艺，将铁和纳米硅颗粒复合电沉积于低硅硅钢薄带上，然后采用扩散处理工艺，使纳米硅颗粒与铁镀层形成铁硅合金，从而制备出高硅的硅钢薄带。在此基础上，利用多尺度磁场（0.01-12Tesla）的电磁力、磁场力和磁场能量效应，控制复合电沉积过程中纳米颗粒/离子的传输行为，促进纳米硅颗粒在镀层中的沉积和分布，随后，在高硅-铁合金的热处理过程中，再次施加多尺度磁场，控制硅钢形成取向织构，从而制备出性能优异的高硅（6.5wt％）硅钢薄带。本项目研究有望为低成本制备高性能高硅硅钢薄带提供全新的技术思路。

具有优异软磁性能的6.5%Si高硅钢由于其极脆而无法采用常规轧制法制备，成为世界性的难题。本项目提出了磁场下复合电沉积-扩散制备6.5%Si高硅钢的新思路。本项目首先考察了磁场下铁-纳米硅复合镀层的制备工艺，发现磁场的施加，能将复合镀层中的硅含量提高到近43%，这对降低镀层厚度进而提高制备效率极为有利；同时，磁场施加对纳米硅颗粒的复合过程以及镀层的表面形貌产生显著影响，基于宏观MHD流动与浮力流理论，成功解释了磁场作用机制；采用合适频率、占空比及电流密度的脉冲电镀方法，能有效提高复合镀层的表面平整度。为降低后续Fe-Si扩散的难度，本项目进一步考察了磁场下铁-硅铁合金颗粒的复合镀过程。研究表明，多尺度磁场和电镀电流作用产生的洛伦兹力形成的微观MHD流动以及宏观MHD流动均将影响复合电沉积过程：垂直磁场的施加将导致条纹状形貌、平行磁场则将导致圆台状凸起形貌；而对铁硅合金颗粒而言，其铁磁性和导电性均随硅含量变化，因此，由于存在重力、电场力、磁场力、洛伦兹力的多重耦合效应，铁硅颗粒的复合机制更为复杂：如绝缘的硅颗粒以包裹的形式进入复合镀层，而导电的铁硅颗粒则以包嵌的形式进入复合镀层；磁场力将吸引铁硅颗粒到阴极表面从而显著促进颗粒的共沉积。Fe-Si的互扩散是本项目的第二关键步骤，本项目采用熔铸法制备出Fe-Fe50%Si扩散偶来展开研究。发现无论施加交变磁场还是恒定磁场，均将抑制铁硅的互扩散过程；理论和实验结果分析表明，磁场主要影响Fe-Si互扩散的扩散常数而非影响扩散激活能来降低互扩散系数。基于磁场影响拉莫尔进动频率的角度，较好揭示了磁场的影响机制。此外磁场的施加，能有助于烧结过程中铁-硅粉混合体致密和低孔隙率。最后，采用1-3%Si低硅钢薄带，通过复合电沉积-扩散工序，成功制备出整体呈6.5%Si和0.5mm厚的高硅钢带。磁性测试表明，扩散过程中施加磁场，将降低6.5%Si高硅钢带的铁损，还可以促进饱和磁感应强度的提升。本项目的研究，证明了磁场辅助复合电沉积-扩散制备6.5%Si高硅钢的可能性和可行性，为6.5%Si高硅钢的环保及低能耗制备，开拓出全新的思路；在微观/宏观MHD流动影响复合镀机制方面，有重要的理论创新。本项目发表SCI/EI论文15篇、会议论文29篇，申报专利13项（2项授权），同时获邀在国际/国内会议做大会特邀/邀请报告10次，培养博士5人、硕士9人