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摘要：本文简单介绍了高硅电工钢的基本特点和近年来发展的几种制备工艺方法，在金属材料工程专业几门专业课的实验教学环节中，对几种不同的工艺制备高硅电工钢作为教学案例进行了探讨，作者认为可以促进学生对专业课知识的理解，激发学生对专业课的学习兴趣。
关键词：高硅电工钢；制备工艺；实验教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）34-0107-02
依据金属材料工程专业的本科教学大纲，学生在大二下半学期和大三上半学期就要学习本专业的基础课程和专业课程。学生在学习专业课程的同时，将会根据自己的兴趣以分组协作的形式参与到大学生科研创新训练活动中来。由于要对科研创新的题目在实验室平台上进行探索，对学生在课堂上所学到的专业理论知识进行实践应用，这能够提高学生的实验操作能力，有利于教师对专业课实验教学的开展。在金属材料工程专业课程教学中，将对不同种类的金属材料进行制备工艺、成形加工工艺、机械性能和物理性能等方面的讲解。高硅电工钢作为一种软磁合金，是磁能和电能转化的媒介材料，将在《功能材料》《无损检测新技术》等几门专业课中涉及到。该材料广泛应用于工程领域中是因为其优异的磁学性能，但该材料机械加工性能很差，在材料加工工程和材料制备方法等相关课程中的实验教学环节加入该材料的制备成形工艺实验，能够拓宽学生的视野，加深对专业课中基本概念的理解和掌握。
一、高硅电工钢的简单介绍
电工钢也称作硅钢，是含碳量较低的软磁材料的一种硅铁合金，Si元素含量一般为1.5%-4.5%（质量分数，下同）。该材料是使用量最大的一种软磁合金，是发展电力和电讯工业的关键材料，Si元素含量在3%以上的可称为高硅电工钢。该材料重要的技术指标是低的铁损和强磁场下高的磁感应强度。
在该合金中随着Si元素含量的增高，其自身的磁导率和电阻率升高，磁晶各向异性常数和磁滞伸缩系数降低，因此，在一定程度上增加电工钢中的Si元素含量可以有效提高其磁学性能。但随着该合金中Si元素含量的增高，其塑性加工性能变差。近些年来，在高频信息领域应用中为了进一步降低铁损带来的经济损耗，Si元素含量为6.5%的电工钢被选择为普通硅钢片的替代材料。然而，由于该合金中的Fe3Si基合金Si元素含量较高，Si元素的共价键本质导致该合金自身固溶强化大、硬度高，合金在室温下变得既硬又脆，使机械加工性能大幅度降低。某些工业发达国家和高校的重点实验室采用化学汽相沉积（CVD）法、快速凝固法、粉末压延法、特殊轧制法、物理气相沉积（PVD）法等来制备高硅电工钢的薄板或薄带[1-5]。
二、高硅电工钢制备工艺在金属材料工程专业实验教学中的探讨
在金属材料工程专业的实验教学课程中，其中《材料加工工程》、《金属工艺学》和《材料制备新工艺》等课程中讲述过能够制备高硅电工钢这类磁性材料的方法，如轧制法、气相沉积法、粉末冶金法等。对同一种材料的不同制备工艺作为例子进行讲解，在学生对材料加工领域中不同的制备工艺的基本原理、方法和特点进行了解的同时，还可以加深学生对金属学理论知识的理解，针对金属材料自身的结构、特征和应用等方面，采用相对合理的制备加工工艺来获得，这样可以加深学生对专业知识的应用，为将来从事相关的行业打下基础。
1.轧制法制备高硅电工钢，热轧Super Sendust合金可以制得0.05-0.3mm的薄板。这部分在材料成型设备的实验教学中作为讲解例子，可以让学生对塑性加工常用的设备（如锻压机、轧机、热处理用加热炉等）有直观的认识、加深学生对塑性变形的原理和概念的理解，同时通过对比变形前后的材料的微观组织，可以加深学生对组织演变和形变诱导相变等金属学基本知识概念的了解，也可以培养学生处理试样进行实验观察和分析的动手操作能力。
2.化学汽相沉积法制备高硅电工钢，也称扩散渗硅法制备该合金材料，是将硅通过高温热处理扩散的方式渗入低硅钢成品中来制取高硅钢的一种方法。该方法避开了因为Si元素含量的增高而导致合金的塑性降低等缺陷，在Si元素含量较低塑性加工性能良好的前提下完成加工变形，然后再通过扩散的方式提高合金的Si元素含量，但是此工艺存在设备维修率高、环境污染大、设备昂贵等缺点。这部分作为新材料制备工艺课程中化学气相沉积工艺的例子在实验教学中展现，可以加深学生对该工艺实验设备的了解、采用该工艺制备合金材料的特点。
3.粉末压延法制备高硅电工钢，该方法是将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的工艺方法。该方法是将粉末冶金技术和轧制技术进行结合的一种材料制备加工方法，而粉末冶金技术同铸造、焊接和热处理工艺等均是材料的制备工艺的一种。粉末压延法的优点在于可以精确地控制制备材料的成分和组成，缺点在于材料基体内部致密度不够，如内部存在一定数量和尺寸的缝隙等。该工艺制备的高硅电工钢合金可以作为无损检测技术课程的实验教学部分的案例，可以通过超声波检测和射线检测等检测技术对材料内部的缺陷进行辨识。这样通过实验教学课程加深了学生对检测设备功能的认识，同时加深了学生对不同检测方法的应用。
4.快速凝固技术制备高硅电工钢，该方法的主要特点是能实现金属带材的双面冷却以及凝固区的形状和尺寸可以调节，同时对合金材料的厚度具有灵活的调节能力。该方法制备的高硅电工钢带通常由柱状晶和等轴晶组成，晶粒尺寸约为10μm，同时，该合金材料的薄板可以进一步冷轧，以获得具有（110）[001]织构的取向材料。该工艺制备的高硅电工钢作为实验教学的案例，可以在凝固理论、新材料制备工艺、无算检测技术等课程中让学生加以了解，在加深基本理论认识的同时，拓宽了学生对材料加工工艺种类的了解，可以锻炼学生对凝固过程中材料出现的缺陷（如气泡、缩孔、疏松等）进行检测方法选择和辨识的能力，加深学生理论联系实际的应用。
5.电子束物理气相沉积法制备高硅电工钢，该工艺方法制备高硅电工钢合金是对传统轧制工艺难以制备的大尺寸、厚度可调板材的一种工艺补充。它的原理是电子束通过磁场或电场聚焦在蒸发源锭料上面，使材料发生熔化，同时在真空的低气压环境中，蒸发源在熔池上方發生气化，气相原子从熔池表面以直线运动的方式到基片表面并沉积在基片表面形成沉积层，等待沉积完成后冷却，最后剥离沉积层得到板材的过程。该方法的优点是沉积温度低、沉积时间短、工艺重现性好、产品表面光洁度高；缺点是等离子体中电子的能量分布范围宽泛，除了电子的碰撞外，在离子的碰撞作用和放电时产生的射线作用下也可产生新的粒子，这使得对反应产物的控制变得困难。该工艺方法制备高硅电工钢可以作为新材料制备技术课程中的实验教学部分的案例，也可以作为无损检测新技术课程中射线检测章节的实验教学案例，拓宽了学生对材料加工工艺种类的了解，同时提高了学生对不同加工工艺下制备材料中的缺陷的检测方法进行选择的能力。 三、結语
本文简单介绍了高硅电工钢作为一种软磁合金的特点和近些年来发展的制备该合金材料的几种工艺方法，并探讨了不同的加工工艺制备高硅电工钢作为案例在金属材料工程专业本科实验教学过程中的应用。根据作者所在单位制定的金属材料工程专业的培养方案，在一些专业课的实验教学环节中以不同的工艺制备高硅电工钢作为教学案例，可以加深学生对金属学基本知识的理解，拓宽学生对材料加工工艺种类的认识，锻炼学生理论联系实际的实验操作能力，激发学生对金属材料工程专业课程的学习兴趣。
参考文献：
[1]Yuan，W.J.，et al.A study on magnetic properties of high Si steel obtained through powder rolling processing[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（1）：76 - 80.
[2]Cheng，L.，et al.Preparation of non-oriented silicon steel with high magnetic induction using columnar grains[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2012，324（23）：4068-4072.
[3]Liu，H.Fabrication of high permeability non-oriented electrical steels by increasing recrystallization texture using compacted strip casting processes[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2015，374（22）：577-586.
[4]Siebert，R.，J.Schneider and E.Beyer.Laser Cutting and Mechanical Cutting of Electrical Steels and its Effect on the Magnetic Properties[J].Magnetics，IEEE Transactions on，2014，50（4）：1-4.
[5]Yang，W.，et al.Hot drawn Fe-6.5wt.%Si wires with good ductility[J].Materials Science and Engineering：B，2014，（186）：79-82.
关键词：高硅电工钢；制备工艺；实验教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）34-0107-02
依据金属材料工程专业的本科教学大纲，学生在大二下半学期和大三上半学期就要学习本专业的基础课程和专业课程。学生在学习专业课程的同时，将会根据自己的兴趣以分组协作的形式参与到大学生科研创新训练活动中来。由于要对科研创新的题目在实验室平台上进行探索，对学生在课堂上所学到的专业理论知识进行实践应用，这能够提高学生的实验操作能力，有利于教师对专业课实验教学的开展。在金属材料工程专业课程教学中，将对不同种类的金属材料进行制备工艺、成形加工工艺、机械性能和物理性能等方面的讲解。高硅电工钢作为一种软磁合金，是磁能和电能转化的媒介材料，将在《功能材料》《无损检测新技术》等几门专业课中涉及到。该材料广泛应用于工程领域中是因为其优异的磁学性能，但该材料机械加工性能很差，在材料加工工程和材料制备方法等相关课程中的实验教学环节加入该材料的制备成形工艺实验，能够拓宽学生的视野，加深对专业课中基本概念的理解和掌握。
一、高硅电工钢的简单介绍
电工钢也称作硅钢，是含碳量较低的软磁材料的一种硅铁合金，Si元素含量一般为1.5%-4.5%（质量分数，下同）。该材料是使用量最大的一种软磁合金，是发展电力和电讯工业的关键材料，Si元素含量在3%以上的可称为高硅电工钢。该材料重要的技术指标是低的铁损和强磁场下高的磁感应强度。
在该合金中随着Si元素含量的增高，其自身的磁导率和电阻率升高，磁晶各向异性常数和磁滞伸缩系数降低，因此，在一定程度上增加电工钢中的Si元素含量可以有效提高其磁学性能。但随着该合金中Si元素含量的增高，其塑性加工性能变差。近些年来，在高频信息领域应用中为了进一步降低铁损带来的经济损耗，Si元素含量为6.5%的电工钢被选择为普通硅钢片的替代材料。然而，由于该合金中的Fe3Si基合金Si元素含量较高，Si元素的共价键本质导致该合金自身固溶强化大、硬度高，合金在室温下变得既硬又脆，使机械加工性能大幅度降低。某些工业发达国家和高校的重点实验室采用化学汽相沉积（CVD）法、快速凝固法、粉末压延法、特殊轧制法、物理气相沉积（PVD）法等来制备高硅电工钢的薄板或薄带[1-5]。
二、高硅电工钢制备工艺在金属材料工程专业实验教学中的探讨
在金属材料工程专业的实验教学课程中，其中《材料加工工程》、《金属工艺学》和《材料制备新工艺》等课程中讲述过能够制备高硅电工钢这类磁性材料的方法，如轧制法、气相沉积法、粉末冶金法等。对同一种材料的不同制备工艺作为例子进行讲解，在学生对材料加工领域中不同的制备工艺的基本原理、方法和特点进行了解的同时，还可以加深学生对金属学理论知识的理解，针对金属材料自身的结构、特征和应用等方面，采用相对合理的制备加工工艺来获得，这样可以加深学生对专业知识的应用，为将来从事相关的行业打下基础。
1.轧制法制备高硅电工钢，热轧Super Sendust合金可以制得0.05-0.3mm的薄板。这部分在材料成型设备的实验教学中作为讲解例子，可以让学生对塑性加工常用的设备（如锻压机、轧机、热处理用加热炉等）有直观的认识、加深学生对塑性变形的原理和概念的理解，同时通过对比变形前后的材料的微观组织，可以加深学生对组织演变和形变诱导相变等金属学基本知识概念的了解，也可以培养学生处理试样进行实验观察和分析的动手操作能力。
2.化学汽相沉积法制备高硅电工钢，也称扩散渗硅法制备该合金材料，是将硅通过高温热处理扩散的方式渗入低硅钢成品中来制取高硅钢的一种方法。该方法避开了因为Si元素含量的增高而导致合金的塑性降低等缺陷，在Si元素含量较低塑性加工性能良好的前提下完成加工变形，然后再通过扩散的方式提高合金的Si元素含量，但是此工艺存在设备维修率高、环境污染大、设备昂贵等缺点。这部分作为新材料制备工艺课程中化学气相沉积工艺的例子在实验教学中展现，可以加深学生对该工艺实验设备的了解、采用该工艺制备合金材料的特点。
3.粉末压延法制备高硅电工钢，该方法是将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的工艺方法。该方法是将粉末冶金技术和轧制技术进行结合的一种材料制备加工方法，而粉末冶金技术同铸造、焊接和热处理工艺等均是材料的制备工艺的一种。粉末压延法的优点在于可以精确地控制制备材料的成分和组成，缺点在于材料基体内部致密度不够，如内部存在一定数量和尺寸的缝隙等。该工艺制备的高硅电工钢合金可以作为无损检测技术课程的实验教学部分的案例，可以通过超声波检测和射线检测等检测技术对材料内部的缺陷进行辨识。这样通过实验教学课程加深了学生对检测设备功能的认识，同时加深了学生对不同检测方法的应用。
4.快速凝固技术制备高硅电工钢，该方法的主要特点是能实现金属带材的双面冷却以及凝固区的形状和尺寸可以调节，同时对合金材料的厚度具有灵活的调节能力。该方法制备的高硅电工钢带通常由柱状晶和等轴晶组成，晶粒尺寸约为10μm，同时，该合金材料的薄板可以进一步冷轧，以获得具有（110）[001]织构的取向材料。该工艺制备的高硅电工钢作为实验教学的案例，可以在凝固理论、新材料制备工艺、无算检测技术等课程中让学生加以了解，在加深基本理论认识的同时，拓宽了学生对材料加工工艺种类的了解，可以锻炼学生对凝固过程中材料出现的缺陷（如气泡、缩孔、疏松等）进行检测方法选择和辨识的能力，加深学生理论联系实际的应用。
5.电子束物理气相沉积法制备高硅电工钢，该工艺方法制备高硅电工钢合金是对传统轧制工艺难以制备的大尺寸、厚度可调板材的一种工艺补充。它的原理是电子束通过磁场或电场聚焦在蒸发源锭料上面，使材料发生熔化，同时在真空的低气压环境中，蒸发源在熔池上方發生气化，气相原子从熔池表面以直线运动的方式到基片表面并沉积在基片表面形成沉积层，等待沉积完成后冷却，最后剥离沉积层得到板材的过程。该方法的优点是沉积温度低、沉积时间短、工艺重现性好、产品表面光洁度高；缺点是等离子体中电子的能量分布范围宽泛，除了电子的碰撞外，在离子的碰撞作用和放电时产生的射线作用下也可产生新的粒子，这使得对反应产物的控制变得困难。该工艺方法制备高硅电工钢可以作为新材料制备技术课程中的实验教学部分的案例，也可以作为无损检测新技术课程中射线检测章节的实验教学案例，拓宽了学生对材料加工工艺种类的了解，同时提高了学生对不同加工工艺下制备材料中的缺陷的检测方法进行选择的能力。 三、結语
本文简单介绍了高硅电工钢作为一种软磁合金的特点和近些年来发展的制备该合金材料的几种工艺方法，并探讨了不同的加工工艺制备高硅电工钢作为案例在金属材料工程专业本科实验教学过程中的应用。根据作者所在单位制定的金属材料工程专业的培养方案，在一些专业课的实验教学环节中以不同的工艺制备高硅电工钢作为教学案例，可以加深学生对金属学基本知识的理解，拓宽学生对材料加工工艺种类的认识，锻炼学生理论联系实际的实验操作能力，激发学生对金属材料工程专业课程的学习兴趣。
参考文献：
[1]Yuan，W.J.，et al.A study on magnetic properties of high Si steel obtained through powder rolling processing[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（1）：76 - 80.
[2]Cheng，L.，et al.Preparation of non-oriented silicon steel with high magnetic induction using columnar grains[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2012，324（23）：4068-4072.
[3]Liu，H.Fabrication of high permeability non-oriented electrical steels by increasing recrystallization texture using compacted strip casting processes[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2015，374（22）：577-586.
[4]Siebert，R.，J.Schneider and E.Beyer.Laser Cutting and Mechanical Cutting of Electrical Steels and its Effect on the Magnetic Properties[J].Magnetics，IEEE Transactions on，2014，50（4）：1-4.
[5]Yang，W.，et al.Hot drawn Fe-6.5wt.%Si wires with good ductility[J].Materials Science and Engineering：B，2014，（186）：79-82.