日本JFE高硅电工钢板的最新进展

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1.1 6.5%Si钢板JNEX

在Fe中添加Si增大Fe的固有电阻，使铁损下降。特别是，众多周知Si含量6.5%高硅钢板的磁致伸缩为零，具有非常优良的软磁特性。但是，Si含量增加，引起钢的变形抗力增大，冷轧十分困难。过去，在Si含量6.5%的高硅钢板的制造方面，曾进行了温间轧制法、急冷凝固法和渗硅法的研究。现在，确立了利用CVD的气相渗硅法的Si含量6.5%的高硅钢板的工业制造方法。

JFE钢铁公司利用CVD气相渗硅法生产高硅钢板的工艺流程是，首先对比较容易加工的低Si钢板进行冷轧，使之减薄。然后，在含有SiCl4的气氛中对低Si薄钢板进行连续退火，使钢板中的Fe与SiCl4气体中的Si发生置换反应，Si渗入到钢板中，在钢板表层形成Si浓化层。然后，对钢板进行高温扩散处理，得到厚度方向Si浓度均匀的6.5%Si钢板JNEX。此外，对渗硅处理气氛进行适宜的控制，可抑制钢板的晶界脆化。所以JNEX可在常温下进行切缝加工、切断加工和冲裁加工，制造成铁心。

JFE钢铁公司的板厚0.1mm的JNEX（10JNEX900）已经量产化，其磁感应强度为1.0T、1kHz的铁损W10/1k约为19W/kg，比板厚0.2-0.35mm的3%Si钢板的铁损40-60W/kg下降了50%以上。JNEX已经用于要求高效率化的高频扼流圈铁心和变压器铁心。由于JNEX的磁致伸缩基本上是零，所以，可使电气机械实现低噪音化。此外，JNEX还具有通过应力控制和加工，改变磁特性的特点。

1.2 Si浓度梯度分布磁性材料JNHF

CVD连续渗硅法是使Si从钢板表面渗入到钢板内的方法。停止渗硅后的扩散处理，则可制造出表层高Si、板厚中心低Si的、Si浓度分布不均匀的钢板。JFE钢铁公司发现这种钢板具有特殊的磁特性，开发出具有传统电工钢板所没有的磁特性的新材料，即Si浓度梯度分布磁性材料JNHF。JNHF钢板表层的Si浓度是6.5%，板厚中心处是低Si浓度，钢板的平均Si浓度小于6.5%Si钢板JNEX。虽然JNHF钢板的Si含量少，但其涡流损耗小于6.5%Si钢板JNEX。图1是板厚0.1mm的6.5%Si钢板10JNEX900与Si浓度梯度磁性材料10JNHF600的铁损的比较。在涡流损耗为主的10kHz以上的区域，10JNHF600的铁损小于10JNEX900。

图2是Si浓度梯度分布降低涡流损耗的机制示意图。对Si浓度梯度磁性材料进行交流励磁时，磁通集中在Si浓度高、磁导率高的材料表层，感应电动势和涡电流也集中在材料的表层。这是Si浓度梯度诱发的表皮效应。该表皮效应降低了JNHF的涡流损耗。

Si是非磁性元素，Si含量低的JNHF具有大于6.5%Si钢板JNEX的饱和磁感应强度。此外，由于JNHF的Si含量较低，提高了钢的加工性，易于进行电机铁心的冲裁加工。JNHF适用于高效率、小型化的高频电气机器，被用于高频扼流圈和超高速电机。

1.3 Si局部化材料JNSF

如前所述，Si浓度梯度分布磁性材料降低了涡流损耗。如果进一步增大Si分布浓度的梯度，使Si在钢板表面局部化，则可进一步降低钢板的涡流损耗。此外，由于进一步增大Si浓度的梯度，减少了钢板中心处的Si含量，降低了钢板整体的Si含量，还可以提高钢板的饱和磁感应强度。但是，CVD连续渗硅法的作业温度很高，难于抑制Si从钢板表层向中心的扩散。为了解决这个问题，JFE钢铁公司开发出对连续渗硅处理钢板的晶体结构进行控制，抑制Si扩散的新型渗硅技术（γ区渗硅）。图3是传统渗硅法与γ区渗硅法的示意图。如图3（a）所示，传统渗硅法钢板的晶体结构是α相（fcc），Si的扩散很快，难于使板厚中心层的Si浓度降低。与此不同，如图3（b）所示，进行γ区渗硅时，通过优化合金设计和渗硅条件，将渗硅开始时的钢板晶体结构控制为γ相（bcc），由于γ相是最密填充结构相，所以Si的扩散速度很小，显著抑制了渗硅处理中Si的扩散，实现了钢板表层Si的局部化。

利用γ区渗硅法制造的Si局部化材料JNSF，与传统的Si浓度梯度分布磁性材料相比，Si浓度梯度更大。因此板厚中心层可以低Si化，进一步降低涡流损耗和提高饱和磁感应强度。图4是JNSF的磁特性。板厚0.15mm的JNSF，虽然厚度较大，但具有与0.1mm厚6.5%Si钢板同等的高频铁损。并且，其饱和磁感应强度高达2.0T，比6.5%Si钢板的饱和磁感应强度约提高了10%。因此，JNSF是高频扼流圈等电气机械高效率化、小型化的用材。

1.4高磁感应强度的Si浓度梯度分布磁性材料JNRF

日本国内电机的电力消费约占国内电力总消费量的60%。如果国内电机效率提高1%，所产生的节能量相当于一座50万kW级核电站。此外，汽车传动系统电动化不断发展，迫切要求混合动力车（HEV）、电动汽车（EV）的驱动电机高效率化。为此，要求电机铁心材料在50Hz-1kHz范围内具有低铁损和高的饱和磁感应强度。

虽然Si浓度梯度分布磁性材料JNHF、JNSF饱和磁感应强度大于6.5%Si钢板JNEX，是适用于要求10kHz以上低铁损的高频扼流圈的铁心材料，但并不是适用于电机铁心的最佳材料。一般来说，电机的驱动频率为50Hz-1kHz时，磁滞损耗占铁损的比例增大，所以对铁心材料要进行低磁滞损耗的设计。

在这种背景下，JFE钢铁公司开发出高磁感应强度的Si浓度梯度分布磁性材料JNRF。该开发材降低了平均Si含量，以提高饱和磁感应强度，改变了板厚方向的Si浓度分布，以降低50Hz-1kHz范围的铁损。此外，为了提高强磁场区域的磁感应强度，强化了织构组织（晶粒取向）。通过优化制造工艺，减少了对磁性有害的{111}取向晶粒，增多了提高磁性的{100}、{110}取向晶粒。

图5是JNRF的1.0T、400Hz的铁损W10/400与磁场强度5000A/m的磁感应强度B50的关系。JNRF的铁损低于Si浓度梯度分布磁性材料JNHF，并具有与3%Si钢板同等的高磁感应强度。图6是用冲裁和铆接制造的板厚0.1mm JNRF电机铁心。JNRF因降低了平均Si含量，进一步提高了加工性，可用冲裁和铆接的方法制造形状复杂的电机铁心。JNRF不仅在50Hz-1kHz范围铁损低，而且具有与3%Si钢板同等的高磁感应强度和良好的加工性，最适用于高效率小型化强力电机的铁心材料。  

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表1是高硅电工钢板的磁性比较。表中铁基非晶态材料在较大频率范围内显示出低铁损，但其问题是，磁致伸缩大、饱和磁感应强度小，增大了电气机械的噪音并且使铁心大型化。此外，铁基非晶态材料是很硬的极薄材料，难于用冲裁方法制造电机铁心。极薄取向电工钢板的饱和磁感应强度大，但高频铁损也大，所以，使电气机械的效率下降，且轧制方向以外方向的磁性能不良，不能用于电机等旋转机械的铁心。而高硅电工钢板是高频铁损、饱和磁感应强度、加工性等综合性能良好的材料，用于高频扼流圈和高速电机，可使这些机械小型高效率化。

图7是各种高硅电工钢板的饱和磁感应强度和适用频率范围的示意图。6.5%Si钢板JNEX的饱和磁感应强度略低，但在很大的频率区间内显示较低的铁损值，并且磁致伸缩小，所以，具有降低扼流圈和电机噪音的作用。在要求高饱和磁感应强度的高频使用范围内，Si浓度梯度分布磁性材料JNHF、JNSF是适用的铁心材料。这些材料的Si浓度梯度分布，降低了铁心的涡流损耗。特别是在涡流损耗为主要损耗的10kHz-20kHz以上的频率范围内，Si浓度梯度分布磁性材料铁心的铁损等于或小于6.5%Si钢板JNEX。在电机等要求高饱和磁感应强度的低频使用范围内，高磁感应强度的Si浓度梯度分布磁性材料JNRF是适用的铁心材料，该材料具有与3%Si钢板同等的饱和磁感应强度，并且，在数千赫兹以下的频率范围内的铁损值小于JNHF、JNSF。

根据电气机械的用途，分别采用上述材料，可使电气机械高效率化和小型化。

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3.1 电机铁心材料的要求

随着电机的小型化、高效率化发展，要求铁心材料兼有高磁感应强度和低铁损。高磁感应强度Si浓度梯度分布磁性材料JNRF兼有高磁感应强度和50Hz-1kHz低铁损，适用于小型高效率电机铁心。为此，制作了评价用的小型电机，对铁心材料对电机特性的影响进行了评价。

3.2 电机评价

针对小型高效率化的EV、HEV驱动电机进行评价。评价的对象是内置式永磁电机（IPM）。表2是评价用电机的各项技术参数，图8是评价用电机的示意图。评价用电机的铁心材料分别是0.2mm厚的20JNEH1500（3%Si钢板）、0.1mm厚的10JNHF600和0.1mm厚的10JNRF。各铁心材料经冲裁后，用铆接固定，制作成电机铁心。然后进行卷线，制作成评价用电机。将测定装置连接到评价用电机，用最大效率控制，对各评价用电机进行评价。

图9是电机效率的评价结果。铁心材料为Si浓度梯度分布磁性材料10JNHF600和10JNRF电机的效率高于铁心材料为3%Si钢板电机的效率。特别是在铁损占电机损失比例很大的高速转动条件下，10JNHF600铁心电机和10JNRF铁心电机的效率明显高于3%Si钢板铁心电机的效率，在电机转速大于10000r/min时，10JNHF600和10JNRF铁心电机的效率达到95%以上的高效率。另一方面，10JNHF600铁心电机的最大转矩下降，原因是10JNHF600的饱和磁感应强度略小于3%Si钢板。饱和磁感应强度大的10JNRF铁心电机的最大转矩等同于3%Si钢板铁心电机的最大转矩。

因此，JNRF是适用于高速电机铁心的材料，可使电机小型化和高效率化。

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JFE钢铁公司建成了利用CVD法的连续渗硅生产线，实现了6.5%Si钢板JNEX的工业化生产。最初，连续渗硅生产线的作用只是增加钢板Si含量。后来，Si浓度梯度磁性材料创新技术的建立扩大了连续渗硅生产线的功能。目前连续渗硅生产线可以对钢板厚度方向Si浓度分布进行自由控制，制造出过去工艺不能生产的特殊软磁性能的JNSF、JNRF等磁性材料。这些材料广泛用于高频扼流圈铁心和高速电机铁心，促进了电气机械的小型化和高效率化，并且为全球CO₂减排和节能作出贡献。