5.5　高速静音呼吸机电机用非晶材料产业发展的对策和建议

根据高速静音呼吸机市场需求分析、我国非晶产业的发展现状以及高速电机用非晶材料产业目标分析和技术壁垒分析，突破高速静音呼吸机电机用非晶材料产业技术壁垒和关键技术难点的对策与建议如下。

　合金配方设计

开发拥有自主知识产权、性能优异、品种齐全的合金配方是我国非晶节能材料产业向强国发展必须具备的条件之一，其意义非常重大。由于非晶合金配方的开发需要各种样品制备和性能检测的设备，且实验量大，人力和资金投入量大。另外，由于电子电力产品不断升级换代，要求根据需要不断开发满足需要的新型合金配方，合金配方的开发是一项长期、持续的工作。非晶合金配方的开发超出了目前国内单个企业的承受能力，必须发挥产业群的优势，集中力量并争取国家的支持。因此非晶合金配方的开发模式以技术合作开发为最佳。

目前，市场上大规模生产销售的铁基非晶带材牌号为1K101，针对高速静音呼吸机应用需求设计开发，直接应用于电机铁芯虽然可以显著降低电机铁损，但存在饱和磁感应强度低、超薄难以加工成型和退火后高脆性三大技术难题。1K101非晶带材的饱和磁感应强度为1.56T，比硅钢材料约低20%，导致非晶电机在较低频率（400Hz以下）的功率密度低于硅钢电机，增加制造成本。提高非晶材料的饱和磁感应强度，可以使非晶铁芯具有更高的工作磁密，进而提高非晶电机的功率密度，即实现小体积、大功率，减少铁芯、铜线、机壳等材料的用量，降低生产成本，扩大应用领域。一般非晶材料的饱和磁感应强度提高5%，可以降低体积和成本10%以上。基于此，世界发达国家都在努力开发高饱和磁感应强度的铁基非晶材料，日立金属开发出了牌号2605HB1的高饱和磁感应强度（Bs=1.64T）非晶材料，并通过注册专利对我国形成了新的技术壁垒。2605HB1非晶带材应用于高效电机，功率密度可比应用1K101材料的非晶电机提升5%～10%。为了突破国外专利及技术封锁，必须开展如下工作：

① 工艺性优异的新型高饱和磁感应强度、低磁致伸缩系数、低铁损纳米晶合金配方开发。

② 工艺性能优异的高磁导率、高饱和磁感强度非晶纳米晶合金配方开发。

③ 铸造成型用高形成能力、优异磁性能非晶纳米晶合金配方开发。

　非晶专用设备设计和加工技术

高水平的设备是高质量非晶合金带材生产的基本条件，是企业扩大产能，保证产品质量和利润空间的关键。由于国内没有高水平的非晶节能材料专用设备供应商，设备设计和加工需各企业自己解决，这不仅造成了重复投入和大量的资源浪费，而且不利于关键技术的突破和产业整体设备水平提高。国外尤其是日本的非晶专用设备的设计和加工技术远比中国成熟，应集中企业和科研单位力量，争取国家的支持，通过人员和技术交流，借鉴国外先进技术，重点突破设备设计制造关键技术。因此设备设计和加工技术开发的模式以技术引进发展为最佳。

（1）铜套水路优化设计方案研究

此项工作需要国内一流设备设计企业和研究人员参与，通过理论模拟铜套中的热量传导等工作，对铜套的水路设计进行优化。

（2）降低铜辊跳动方案研究

此项工作需要国内一流设备设计企业和研究人员参与，通过提高铜辊的轴承强度和加工精度，提高动平衡水平等途径，极大地降低铜辊的跳动。

（3）提高喷嘴包架稳定性和升降机构自动调控灵敏度方案研究

此项工作需要国内一流设备设计企业和研究人员参与，通过提高碰嘴包架的设计合理性和伺服电机的精度，提高喷嘴包升降的稳定性和灵敏度。

（4）喷嘴包结构优化设计方案研究

此项工作的难点在于耐火材料和对非晶形成过程的理解，需要一流的耐火材料生产和加工企业以及研究人员、非晶合金材料生产技术人员共同参与，通过提高喷嘴包的设计合理性和耐火材料质量，优化喷嘴包的设计方案。

（5）喷嘴包三维、两轴自动控制机构设计方案研究

此项工作需要自动化控制专业人员参与，通过提高设计合理性和伺服电机的灵敏度及精度，优化设计方案。

（6）感应熔炼炉和浇铸炉研究

感应熔炼炉和浇铸炉设计制造技术非常成熟，此项工作需要了解非晶合金材料生产技术的感应熔炼炉和浇铸炉设计制造专业人员参与，通过提高炉体的熔炼、功率、熔化速度等设计合理性和耐火材料选择的针对性，优化设计方案。

（7）自动收带装置优化设计方案研究

自动收带装置已经由安泰科技研制完成，并获得了国家科技成就大奖，但是此项技术的推广范围很小，大部分企业仍然不具备这项技术。

　精密监测和控制装置设计及加工技术

精密监测和控制装置在日本的高水平的非晶节能材料生产线上已经应用非常成熟，但是国内的相关设计和加工技术都相对缺乏。完成此项技术研发工作，应集中企业和科研单位力量，通过人员和技术交流，借鉴国外先进技术，重点突破精密监测和控制装置设计及加工技术。因此设备设计和加工技术开发的模式以技术引进发展为最佳。

（1）钢液温度实时监测和自动控制装置研发

此项工作需要了解精确测温和控温装置的企业和研究人员参与，通过选择适当的测温方式和信号反馈方式，提高钢液温度监测和控制的准确性和实效性。

（2）喷嘴包内液位高度实时监测和自动调控装置研发

此项工作可以借鉴钢铁厂连铸设备的结晶器液位控制系统，通过选择适当的监测方式和信号反馈方式，提高液位监测和控制的准确性和实效性。

（3）辊面状态实时监测和自动修磨装置研发

国内没有辊面状态实时监测装置，修磨装置也比较简易，运行效果不理想。此项工作需专业人员，通过选择适当的监测方式和修磨方式，提高铜辊表面质量。

（4）辊温实时监测和自动控制装置研发

国内没有辊温实时监测装置，此项工作需专业人员，通过选择适当的监测方式和反馈方式，控制冷却水流量等来保持辊温稳定。

（5）喷嘴与辊面间距实时监测和自动控制装置研究

国内少数企业有喷嘴与辊面间距监测装置，但是其监测精度不够高，无法完成根据反馈信号自动控制。此项工作需通过进一步改善监测方式和信号处理方式，提高监测精度。

（6）带材厚度在线监测和自动控制装置研发

国内少数企业有在线测厚装置，但是其监测精度不够，无法达到替代人工质检要求，更无法根据反馈信号自动控制。此项工作需通过进一步改善监测方式和信号处理方式，提高监测精度。

（7）带材力学性能在线评价装置研发

国内少数企业有带材力学性能评价装置，但是基本无法实现在线100%评价，需通过进一步改善评价装置和评价方式，提高评价精度。

　原材料杂质评价和遴选技术

原材料的杂质是相对于合金体系中的固有元素来说的，因此原材料的杂质评价和遴选技术研究是与非晶合金体系配套的。由于非晶合金体系众多，且研究需要各种样品制备和性能检测的设备，所以杂质评价和原材料遴选工作量大，人力和资金投入多。另外，由于新型合金配方不断开发，原材料的杂质评价和遴选技术开发是一项长期、持续的工作。原材料的杂质评价和遴选技术开发成果是全行业共享的，应集中力量并争取国家的支持。因此杂质评价和遴选技术开发的模式以技术合作开发为最佳。

（1）原材料固有杂质元素对不同配方非晶节能材料生产工艺性和产品性能影响研究

研发内容包括杂质对合金配方的工艺性和磁性能影响。工艺性指标是以国内先进生产线的设备工艺参数为参照的并需在实际生产中验证，需要国内一流生产企业参与；杂质对工艺性和磁性能的影响的初期研究工作在实验室进行更加便利，需要国内磁性非晶合金研究实力较强的科研单位参与。此项工作需要得到国家项目经费支持。

（2）不同配方非晶节能材料对原材料杂质元素含量容忍度研究

此项工作与原材料固有杂质元素对不同配方非晶节能材料生产工艺性和产品性能影响研究是一体的，根据杂质对工艺性和磁性能的影响规律，探索不同杂质元素的可容忍范围。

（3）定向降低原材料杂质元素含量方法研究

定向降低原材料杂质元素含量方法在钢铁和有色冶金中使用非常普遍，有大量技术可供参考。但是由于合金配方不同，其定向降低原材料杂质元素含量的方法需要做针对性的改进。该项工作主要涉及冶金行业专业技术人员和企业。

　合金冶炼技术

虽然各企业的熔炼工艺因生产的合金配方、选取的原材料和熔炼设备不同而做了各种调整，但是其冶炼技术本身差别不大，合金冶炼技术研究还是具有广泛适用性的。项目研发需要的几项冶炼技术开发成果是全行业共同受益的。因此合金冶炼技术开发的模式以技术合作开发为最佳。

（1）杂质含量控制技术研究

此项技术在冶金行业中非常常见且很成熟，非晶节能材料产业只需借鉴并进行针对性调整即可。非晶合金熔炼过程中杂质含量控制技术涉及耐火材料选取，熔炼工艺优化等方面，主要由冶金专业人员参与。

（2）炼铁厂输出熔融铁水直接熔炼母合金技术研究

此项技术在非晶节能材料生产中的应用处于起步阶段，尚未投入工业应用，但是在传统冶金行业中，此项技术应用广泛，成熟度高，非晶节能材料需借鉴并进行针对性研究。炼铁厂输出熔融铁水直接熔炼母合金技术开发主要由冶金专业人员和企业参与。

（3）合金元素挥发控制技术研究

此项技术在冶金行业中非常常见且很成熟，非晶节能材料产业只需借鉴并进行针对性调整即可。非晶合金熔炼过程中合金元素挥发控制技术主要与熔炼工艺有关，主要由冶金专业人员参与开发。

（4）熔炼成分均匀性和温度均匀性控制技术研究

此项技术在冶金行业中非常常见且很成熟，非晶节能材料产业只需借鉴并进行针对性调整即可。非晶合金熔炼过程中熔炼成分均匀性和温度均匀性控制技术主要与熔炼工艺有关，主要由冶金专业人员参与开发。

　耐火材料选择和加工技术

耐火材料选择和加工技术在传统冶金行业非常成熟，但是针对非晶节能材料产业应用的改善技术明显不足。此项工作主要涉及耐火材料领域的企业和技术人员，但是目前无开展此项工作的高水平企业，应争取国家的支持，并集中力量联合耐火材料企业开展。此项技术国外发展比中国领先，可以通过人员和技术交流的形式借鉴。因此，耐火材料选择和加工技术开发的模式以技术引进发展为最佳。

（1）熔炼炉、喷嘴包用耐火材料研发

此项技术在传统冶金行业中非常常见且很成熟，但是由于非晶节能材料对杂质更加敏感，且不同的合金配方对耐火材料的要求不同，需借鉴并针对性开发非晶节能材料专用的耐火材料。

（2）喷嘴用耐火材料研发

此项技术传统冶金行业用得很少，中国在这方面的技术能力薄弱，国外的技术可以借鉴，但是依然需要长期、大力投入研发。

（3）喷嘴加工技术研发

此项技术与喷嘴用耐火材料研发配套，需要长期、大力投入研发。

　生产工艺设计技术

生产工艺与技术的成熟度和设备的技术水平相关，需要根据企业自身的情况开发和调整。因此，生产工艺设计技术开发的模式以自主研发发展为最佳。

（1）炼铁厂输出熔融铁水直接熔炼母合金工艺开发

此项技术在非晶节能材料生产中的应用处于起步阶段，尚未投入工业应用，但是在传统冶金行业中，此项技术应用广泛、成熟度高，非晶节能材料需借鉴并进行针对性调整。炼铁厂输出熔融铁水直接熔炼母合金生产工艺开发主要由冶金专业人员和企业参与。

（2）熔融母合金直接制带工艺开发

熔融母合金直接制带工艺与设备的技术水平和生产运行状况相关，本身并不复杂，但此工艺应用对生产过程节能降耗意义重大。熔融母合金直接制带工艺开发主要由企业的冶金和工艺设计人员参与。

（3）不同非晶节能材料配方生产工艺研究

非晶节能材料配方不断更新，要求其配套的生产工艺不断改进，因此是一项长期的工作。

　非晶节能材料应用选择和热处理工艺设计技术

随着非晶节能材料合金配方种类的不断增加，市场应用领域逐渐扩大，下游产品的种类增多，非晶节能材料应用选择技术将随着产业的发展越来越重要。此项技术开发的目的是便于材料生产企业根据下游用户需要提出适当的性能指标，并选择适当的合金配方和工艺生产；或下游器件生产企业根据自身需要，选购市场供应的非晶节能材料。

（1）不同应用领域的非晶节能材料性能要求研究

此项技术是根据应用领域对软磁材料的性能要求，参考非晶节能材料可达到的性能范围，提出合理的具体性能指标。由于非晶节能材料的性能不断优化，电力电子产品更新换代对软磁材料的性能要求不断提高，因此此项工作是一项长期、持久的工作，主要由非晶生产技术人员和非晶产品设计技术人员参与。

（2）不同性能要求的非晶节能材料配套热处理工艺研究

此项技术是根据下游用户提出的具体性能指标，非晶节能材料生产企业选择适当的合金配方生产带材，并选择配套的热处理工艺进行生产。热处理工艺种类很多，且其工艺参数对材料的性能影响很大，通过选择热处理工艺可对非晶节能材料的性能进行调控，拓展了非晶节能材料的性能范围。

　高速电机非晶定子铁芯配套的设计加工技术

磁芯的配套设计加工技术的成熟度直接影响非晶节能材料市场的释放速度。由于非晶节能材料的一系列区别于传统软磁材料的性能，磁芯设计加工技术必须进行针对性的改进。磁芯配套的设计加工技术的种类多，每个不同的应用环境都有不同要求 ，高速电机铁芯生产企业应跨领域合作，共同开发磁芯配套的设计加工技术。

铁基非晶带材厚度仅为20～25µm、维氏硬度超过900，冲片加工时存在对冲床和模具精度要求过高、冲模磨损严重、自动送料难度大等技术难题。所以，非晶电机定子铁芯的加工一般采用电火花线切割，存在加工效率低、成本高的问题，难以实现产业化。鉴于此，日本日立金属发明了采用卷绕模块开气隙后组合构成轴向磁场非晶定子铁芯的技术，并成功应用于轴向磁场非晶电机；美国莱特电气发明了铣削加工非晶定子铁芯的技术，但其应用也仅限于轴向气隙磁场电机。

高速静音呼吸机电机用非晶电机定子和转子磁芯设计加工技术也面临非晶节能材料应力敏感、脆性大、硬度高的问题，而且由于非晶电机定子和转子的结构复杂，切割已经成为主要的技术障碍。

（1）高精度连续冲片及同步码落成型制造技术

带材超薄、高硬度、磁性能对应力敏感，因而高性能铁芯的高效率、低成本产业化制备技术成为世界难题。国际上具备铁芯制造技术的仅有美国莱特电气和日本日立金属，均采用树脂铸型后切削加工的方式，存在成品率低、加工应力影响铁芯性能等共性问题。应开发低成本、高效连续冲片及同步码落成型制造技术。

（2）调控磁畴取向的复合磁场热处理技术

在保护气氛下，采用程控多阶梯复合磁场退火处理，实现铁芯的磁畴沿磁路方向的择优取向排列，进而提升磁导率、降低损耗，显著改善铁芯的综合性能。

（3）高效真空压力浸漆技术

制造铁芯的最后一步工艺是树脂铸型处理，将码落整齐经退火处理的冲片整体浸入在环氧树脂中，反复进行抽真空和加压处理，使其充分浸透，再固化铸型即完成铁芯的制作。

周少雄，凝聚态物理专业，理学博士、教授级高级工程师。长期从事金属磁性材料研发及工程化。现任江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司董事长/院长、国家新材料产业发展专家咨询委员会委员、国家非晶微晶合金工程技术研究中心主任、国家非晶节能材料产业技术创新战略联盟常务副理事长、亚洲磁学联盟副主席、中国材料研究学会副理事长，曾任中国钢研科技集团有限公司副总工程师，安泰科技股份有限公司副总裁、技术总监等职位。获国家科技进步一等奖1项、二等奖3项及多项省部级奖励。获批专利111项，发表论文229篇。

张广强，凝聚态物理专业，理学博士、高级工程师。现任江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司副院长，兼任华北电力大学新材料研究院学术委员会委员和中国金属学会新材料标准化技术委员会委员，长期从事非晶/纳米晶软磁材料及应用技术开发工作。作为项目负责人主持或者作为主要完成人参与国家及地方科研项目10余项，相关技术申报国家发明专利25项，其中授权发明专利16项，发表学术论文20余篇。研究成果获得2017年北京市科学技术一等奖1项（3/15）、2018年国家科技进步二等奖1项（3/10）。

李宗臻，材料物理与化学专业，工学博士、高级工程师，江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司高级研发经理，长期从事铁基非晶、纳米晶软磁合金新成分及产业化技术开发。作为负责人或项目骨干承担国家和地方科研项目10余项。在Journal of Alloys and Compounds、Intermetallics等国际著名期刊发表SCI论文11篇，申请国家发明专利29项，其中国际发明1项。获评2018年国家科技进步二等奖1项，2017年北京市科学技术奖一等奖1项。先后获得江苏省“双创计划”企业创新类、常州市领军型创新人才引进培育项目资助。