节能降噪低成本高附加值高硅钢薄带

所属学院：新金属材料国家重点实验室

合作方式：☒整体转让 ☒技术许可 ☒作价入股 ☒合作开发 ☐其它_____

成果简介：

高速电机、高频变压器等高端电力电子装备对高性能软磁材料需求迫切。目前广泛使用的含硅量小于3.5wt.%的普通硅钢，因其铁损高、磁致伸缩大，造成能耗高、噪音大等问题，严重影响我国高端装备制造业的发展。

Fe-6.5wt.%高硅钢铁损低、磁致伸缩小，可实现高速电机、高频变压器产品更新换代。但因该材料加工塑性差，世界上仅有一条日本的商业化生产线可以生产Fe-6.5wt.%Si高硅钢薄带。项目组开发的Fe-6.5wt.%Si高硅钢薄带制备技术，能够批量稳定生产60毫米宽高硅钢薄带，解决高硅钢薄带塑性加工性能差、成材率低等问题，填补了国内空白。另外，项目组开发的Fe-4.5wt.%Si高硅钢，在成熟工业设备基础上，可实现Fe-4.5wt.%Si高硅钢薄带的成功制备，有望在新能源汽车驱动电机、中高频变压器等领域实现性能升级。

成熟程度及推广应用情况：

目前处于何种研发阶段：☐研发☒小试☒中试☐小批量生产☐产业化；样机：☒有☐无其他：□如选择“其他”，请说明：。

推广应用情况：高硅钢薄带产品已分别送高速电机（400赫兹，1kVA）、高频变压器（20千赫兹，20kVA）用户试用，就高硅钢铁芯的损耗、噪音、性价比等与现有应用材料如普通硅钢、非晶纳米晶性能比较，出具了使用评价报告。在高频（400Hz）电机中，与普通硅钢相比铁损降低67%。在高频（20kHz）变压器中，与普通非晶相比噪音降低30%。

技术优势：

利用单辊甩带快速凝固方法制备高硅钢薄带，具有短流程、高效率的特点。由于快速凝固制备的薄带从无序相区快冷，最大程度抑制了高硅钢中有序相的生成和长大，薄带具有一定的弯折能力，可以进行缠绕，热处理后也具备一定的韧塑性，满足加工、使用要求。薄带在热处理后具备磁性能得到提高，适合在中高频领域应用。

相比较其它主要的制备方法，如化学气相沉积和轧制法，本技术路线具有高效率、短流程的特点。本项目所制备薄带经过一次喷带直接成形，成分和厚度达到理想要求，不需要后续的渗硅、冷轧等步骤。由于在制备过程中抑制了高硅钢有序相的生成，制备的薄带具备较好的塑性，可以弯折、卷取，满足生产工艺卷绕要求。

性能指标：

铁损1T/400Hz≤9.0W/kg；

铁损0.1T/20kHz耗≤12.0瓦/公斤；

磁致伸缩系数≤0.1e-6；

饱和磁感应强度≥1.8特斯拉；

拉伸强度≥400兆帕；

塑性延伸率≥0.3%。

市场分析：

1. 高硅钢在电动汽车领域应用前景广阔，需求总量为600万吨。

无取向高硅钢，最大的应用在电动汽车的驱动马达上。因为电动汽车电机要工作在7000rpm，频率为450Hz，采用0.1mm厚高硅钢，在1T/450HZ铁损为6W/kG。而现在0.35mm-W250的无取向硅钢片铁损为25W/kG。

中国在2030年电动汽车保有量会超过1亿辆，2040年或将超过2亿辆，相当于100个三峡电站的功率。按每部车驱动电机耗用30kg高硅钢来计算，高硅钢在电动汽车领域需求总量为600万吨。

2. 高硅钢在家电、能源等领域应用前景广阔，需求量为60万吨。

高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。因为转速高，体积远小于功率普通的电机，与原动机相连，取消了传统的减速机构，高速电机转动惯量小等原因，所以具有电机功率密度高，可以有效的节约材料，传动效率高，噪音小，动态响应快等优点。高速电机已在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用。并将在体积小、重量轻的高速发电机上得到充分的重视。另外，由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。高硅钢在家电、能源等领域需求量为30万吨/年。

3. 有噪声体积诉求的中频变压器等领域，需求量40万吨。

在400Hz~10kHz领域，因为高硅钢比非晶噪声低25dB，饱和磁密高25%，在舰船、航空电源领域很有前途。

经济效益分析：

1. 直接经济效益

日本JFE钢铁公司采用CVD渗硅法量产厚度0.05~0.1mm，幅宽为400mm高硅钢带，是目前唯一一家量产并商业化供应的公司。由于该产品具有唯一性，且由于生产工艺复杂、耗时，生产高硅钢薄带成本较高，价格非常昂贵。目前国外高硅钢薄带的价格高达20~30万元/吨。本项目所搭建的高硅钢薄带规模化生产线，将是国际上首个高硅钢甩带生产线，预计销售价格为15万元/吨（产品成本10万元/吨），以年产1000吨为例，预计年营销1.5亿元，利润5000万元，同时节省进口1~2亿元。

2. 间接经济效益

由于该高硅钢的应用，可大幅降低铁损，因为电动汽车电机要工作在7000rpm，频率为450Hz，目前0.35mm无取向硅钢片铁损为25W/kg，采用0.03mm高硅钢铁损降为9W/kg，因此可节约铁损16W/kg。1000吨高硅钢的应用，总计节约电能16兆瓦。

3. 社会效益

日本JFE钢铁公司是目前唯一一家量产并商业化供应的公司。由于该产品亦有广泛的军事用途，属巴统管制目录，严格限制对中国军事应用领域的出口，民用领域也只是以成品器件形式出口。本项目生产的高硅钢，应用在有噪声诉求的军事设备上无可替代，例如核潜艇等领域，这对我国军事安全具有重要意义。

成果亮点：

1. 具有自主知识产权，研究成果已授权发明专利1项，申请4项。

2. 成果来源：自然基金2项目、973项目2项等。

3. 技术先进性：国际领先。

团队简介：

林均品，博士、教授、博导，北京科技大学新金属材料国家重点实验室主任，教育部长江学者特聘教授，国家973计划首席科学家，国家科技重大项目负责人，享受国务院政府特殊津贴。自1990年以来至今，长期从事结构-功能金属间化合物（主要包括Fe-Si系合金、高温TiAl合金等）、难变形材料的强加工及组织精确控制、新型多孔材料等方面的研究。先后承担了973计划、国家军工平台建设项目、863计划、国家自然科学基金、民口配套项目等30余项国家课题。发表论文300余篇，SCI引用超3000次，出版专著2本。获省部级科技成果一等奖2项、二等奖4项，已获授权国家发明专利40余项。是TiAl金属间化合物领域最高水平系列国际会议Gamma Alloy Technology (GAT) 主席或共同主席，在国际会议上作特邀报告20余次。

梁永锋，博士、教授、博导。2003年获得北京科技大学学士学位，2011年获得北京科技大学博士学位。2013年博士后出站。曾于2009年和2016年两次赴美国访学。主要从事脆性难加工金属间化合物韧塑化改善机制、制备加工及性能改善、金属间化合物结构-功能一体化等研究，包括TiAl金属间化合物、FeSi金属间化合物等。获教育部技术发明奖一等奖1项，中国有色金属工业科学技术奖二等奖1项。承担国家自然科学基金项目2项，国家科技重大专项课题2项，科技部973. 总装JG973子课题2项、科技部863子课题1项，发表论文80余篇，其中SCI收录70余篇。已获授权国家发明专利20项。担任20余种国际期刊审稿人，任《精密成形工程》编委、《中国机械工程学会铸造分会》理事等职。

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联系方式：

北京科大科技园

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