非晶合金的特點(diǎn)、分類、應(yīng)用、可行性分析

1、非晶納米晶軟磁合金及其應(yīng)用Amorphous and nanocrystalline soft magnetic alloys and its application陳文智1 非晶合金的特點(diǎn)由于非晶合金的無序結(jié)構(gòu)，使其具有一些獨(dú)特的性質(zhì)：高強(qiáng)韌性：明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以作復(fù)合增強(qiáng)材料，如釣魚桿等。國外已經(jīng)把塊狀非晶合金應(yīng)用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可用在結(jié)構(gòu)零件中，起強(qiáng)化作用。優(yōu)良的磁性：與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，由于非晶合金原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且電阻率高，因此具有高的磁導(dǎo)率、低的損耗，是優(yōu)良的軟磁材料，代替硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、

2、 傳感器等，可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實(shí)際上是迄今為止非晶合金最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，下面還將詳細(xì)介紹。簡單的制造工藝：以傳統(tǒng)的薄鋼板為例，從煉鋼、澆鑄、鋼錠開坯、初軋、退火、熱軋、退火、酸洗、精軋、剪切到薄板成品，需要若干工藝環(huán)節(jié)、數(shù)十道工序。由于環(huán)節(jié)多，工藝繁雜，傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)都是耗能大戶和污染大戶，有"水老虎"和 "電老虎"之稱。而非晶合金的制造是在煉鋼之后直接噴帶，只需一步就制造出了薄帶成品，工藝大大簡化，節(jié)約了大量寶貴的能源，同時(shí)無污染物排放，對環(huán)境保護(hù)非常有利。正是由于非晶合金制造過程節(jié)能，同時(shí)它的磁性能

3、優(yōu)良，降低變壓器使用過程中的損耗，因此被稱為綠色材料和二十一世紀(jì)的材料。2 非晶合金的分類磁性非晶合金可以從化學(xué)成分上劃分成以下幾大類：鐵基非晶合金：主要元素是鐵、硅、硼、碳、磷等。它們的特點(diǎn)是磁性強(qiáng)（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.4T-1.7T）、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，價(jià)格便宜，最適合替代硅鋼片，作為中低頻變壓器和電感器鐵心（一般在15 千赫茲以下）。鐵鎳基非晶合金：主要由鐵、鎳、 硅、 硼、 磷等組成，它們的磁性比較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為1T 以下），價(jià)格較貴，但導(dǎo)磁率比較高，可以代替硅鋼片或者坡莫合金，用作高要求的中低頻變壓器鐵心。鉆基非晶合金：由鉆和硅、硼等組成，有時(shí)為了獲得某些特殊的性能還添

4、加其它 元素，由于含鉆，它們價(jià)格很貴，磁性較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T以下）， 但導(dǎo)磁率高，一般用在要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感器等。鐵基納米晶合金（超微晶合金）：它們由鐵、硅、硼和少量的銅、鋁、鑰等 組成。它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)退火，形成納米晶和非晶的混合 組織。這種材料雖然便宜，但磁性能極好，幾乎能夠和鉆基非晶合金相媲美， 是 高頻變壓器、互感器、電感器的理想材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。袤I線基非晶合金和硅銅片的磁性能對比性能指標(biāo)非晶合金（IKLQL冷虬飽和磁瞪應(yīng)強(qiáng)度（TLS62.03解領(lǐng)力仆故）<4<30最大磁導(dǎo)率4S x LD44 x IQ，

5、鐵板（鐘也©SOHt, L3T 下e2S0H1, LTT 下=1.2意磁功率（VAF3JSCHs, L3TT<O.SSOH a, L7T 下血43疊片不里>0,80 %磁致伸縮累藪（黑1。巧2一電阻我jun-CTn)13045出官妙eu?）TA8T.6S居里度4L5746晶化ifl度忙）SSO一繼在哽度HVj900tai厚度(a b)30300在去中的數(shù)據(jù)僅供參考.3鐵基非晶合金的磁性和應(yīng)用鐵基非晶合金的典型牌號(hào)是1K101 （我們目前所購買的帶材），在所有常用 的非晶合金中具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁導(dǎo)率大大高于硅鋼片，而矯頑力及 鐵損顯著低于硅鋼片，如表1所列。鐵基非

6、晶合金代替硅鋼片，作為中低頻(50Hz20lHz)變壓器和電感元器件的鐵心材料，將帶來如下好處：高飽和磁感-提高鐵心的工作磁感，縮小體積，對配電變壓器和電感器尤為 重要。高磁導(dǎo)率低矯頑力-減小變壓器初級線圈的激磁電流。低損耗-降低器件的溫升。1.1 配電變壓器鐵心磁感度強(qiáng)度;T(更iAJ3之M -幡3媛«7強(qiáng)事西I帙基非晶曹電變壓器帙心在工羯下的鐵報(bào)和磁功率鐵基非晶合金的鐵損僅相當(dāng)于硅鋼片的1/31/5 ,磁導(dǎo)率比硅鋼片高出近一個(gè)數(shù)量級。用非晶合金鐵心制造的配電變壓器空載損耗比硅鋼S9系列變壓器下降75%,空載電流比S9變壓器下降50%。圖1是鐵基非晶配電變壓器鐵心在 工頻下的鐵損和

7、激磁功率。在配電變壓器鐵心設(shè)計(jì)中，非晶鐵心的工作磁感常取1.3T-1.4T ,低于硅鋼片 的1.6T-1.7T,因此非晶鐵心配電變壓器的體積比硅鋼片鐵心稍大。同時(shí)，出于 設(shè)計(jì)和產(chǎn)量等原因，目前非晶合金變壓器的價(jià)格高于硅鋼變壓器，但非晶合金變壓器運(yùn)行過程中的空載損失遠(yuǎn)低于硅鋼變壓器，整體成本是降低的。這種情況尤其適用于空載時(shí)間長、用電效率低的農(nóng)村電網(wǎng)。為了準(zhǔn)確計(jì)算非晶變壓器的節(jié)能 效益，引入總擁有成本(TOC)的概念:TOC =變壓器購買成本+使用成本雖然非晶合金變壓器的購買成本較高，但考慮到非晶合金變壓器具有低的鐵 損，在變壓器運(yùn)行一定時(shí)間后，由于低的空載損耗形成的節(jié)電效益即可大于與硅 鋼變壓

8、器的購買差價(jià)。同時(shí)，非晶配電變壓器的節(jié)能也十分有利于環(huán)保。1.2 中頻變壓器鐵心陵密應(yīng)強(qiáng)稟T0. 修發(fā)鳴趣10fdOOkHz磁感應(yīng)強(qiáng)度，TOO.Oll 0 01博2中抑變壓器用帙基亞晶鐵心的損熱額率聘梃圖3鄴型濾質(zhì)電麻被心的損耗耨性隨著電力、電子設(shè)備的發(fā)展，對電源的小型化要求越來越迫切，提高電源的 工作頻率是減少變壓器體積、提高效率的有效途徑。航空飛行器、航海船艦使用 的電源，工作頻率為400Hz (800Hz、1600Hz);高頻加熱設(shè)備的工作頻率在 1kHz15kHz范圍。隨著高頻逆變技術(shù)的成熟，工作頻率提高到20kHz以上，高頻逆變電源由于頻率的提高，體積小、重量輕、效率高、節(jié)能效果明顯

9、，生產(chǎn) 量越來越大。作為電源心臟的主變壓器，傳統(tǒng)的鐵心材料硅鋼由于損耗太大， 已 不能滿足使用要求。非晶材料的出現(xiàn)，為中頻變壓器提供了理想的材料， 在中頻 變壓器領(lǐng)域中已得到較好的應(yīng)用。 鐵基非晶合金不僅具有理想的工頻磁性能， 而 且中頻磁性同樣優(yōu)異，因此可以廣泛用來代替硅鋼片，制造各種中頻電源變壓器 鐵心，如400Hz航空電源、鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)電源、淬火電源等，工作頻率可 達(dá)15kHz。對于不同頻率的變壓器，鐵心的工作磁感也取相應(yīng)不同的值，一般隨著電源頻率的提高適當(dāng)降低鐵心工作點(diǎn)。圖2為中頻變壓器用鐵基非晶鐵心的損 耗頻率特性。1.3 高頻電抗器及濾波電感器鐵心to國d環(huán)形浦境電感器鐵心的損

10、髭特性0.0 L0A磁感應(yīng)強(qiáng)度.T鼠&蚯形電優(yōu)器鐵心的損髭特性鐵基非晶合金的高頻鐵損大大低于硅鋼片，并具有高的飽和磁感，是中高頻 大功率電源中濾波電抗器、高頻濾波電感器、功率因數(shù)校正電感器鐵心的理想材 料，設(shè)計(jì)時(shí)工作點(diǎn)可以取接近飽和值。硅鋼片的飽和磁感雖然高，但是由于高頻 鐵損很大，為了避免發(fā)熱過大只能降低工作點(diǎn)。 鐵基非晶鐵心目前已經(jīng)應(yīng)用于大 功率電抗器鐵心、大功率高頻電源輸出濾波電感器鐵心以及小功率電源輸出電感 器鐵心、汽車音響用電感器鐵心等。圖3圖6為常用鐵基非晶電抗器及濾波電 感器鐵心的高頻損耗特性和抗偏磁特性。LO0.80.6O.d0 LOCO 20003000 dOOO S

11、OOO的6矩形電技器鐵心的偏磁翳性S3鐵基期米品合金 鉆基非晶合金 坡真合金和鐵氧體的硬性能對比基本磁性參贊鐵基到米品喑金鉆基非晶含金城莫哈金uas鐵氮毋飽和磁感&強(qiáng)度日，（T ）L.2S0.&-0 B0 TSOS磁致伸縮系皴（x 10-）<20a4電阻率（也fl -cm）叩SbL0ft居里提度ft）STO>300400<200到余磁感應(yīng)為度日r （T）0 20-1.004-07一0.20初始身做軍>BD.oao>10,000>SD,000<iobooc最大與讖率>200,000>200,000>200,000<

12、20,000新頑力He （7皿<2<2<16WFKg )<3S<30不能鐵板W/Kg )不鐲使用鐵拗2OQKH氟Q.2Tx艱依區(qū)）<00<2&0一不能使用4 .鐵基納米晶合金的磁性和應(yīng)用鐵基納米晶合金（超微晶合金）是在原有鐵基非晶合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代高性能軟磁材料，高頻磁性能和坡莫合金及鐵氧體相當(dāng)，應(yīng)用于從工頻到 100kHz的寬頻率范圍內(nèi)的各種變壓器和電感鐵心。坡莫合金是比較傳統(tǒng)的高頻變壓器鐵心材料。由于它含鍥，而且鋼帶需要多次軋制和高溫退火，制造鐵心時(shí)還要表面涂層，所以工序繁雜，價(jià)格很高。鐵氧體是 一類低成本的高頻變壓器鐵心材料，但是

13、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低和店里溫度低是它的 致命弱點(diǎn)，因此鐵心工作點(diǎn)低、體積大、使用溫度受限。相比之下，鐵基納米晶合金綜合了坡莫合金和鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)， 避開了它們的缺點(diǎn)，因此是理想的變壓器鐵心材料。表2是鐵基納米晶合金、坡莫合金以及鐵氧體常規(guī)磁性能的對比?？傮w說來，鐵基納米晶合金具有如下優(yōu)勢：高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.2T）高于坡莫合金和鐵氧體，為提高鐵心工作磁感、縮 小體積創(chuàng)造了條件。高導(dǎo)磁率低矯頑力-有效減小變壓器初級線圈的激磁電流，從而減少線圈匝數(shù)，減小分布參數(shù)。低損耗-大大降低變壓器溫升，使得提高鐵心工作點(diǎn)成為現(xiàn)實(shí)。優(yōu)異的穩(wěn)定性可以在50 c+130 C長期工作。不含鍥，價(jià)格明顯低于坡莫合金，在所有

14、常用軟磁材料中具有最佳的性能價(jià)格比，降低了變壓器成本。4.1 電力互感器鐵心國了班基納米品含金作為電流互感罌鐵心時(shí)與其它材料的硬性對比在變電站使用大量的電力互感器，它們對鐵心材料的要求非?？量蹋粌H要求高的磁性指標(biāo)，而且要求鐵心材料的整個(gè)磁化曲線滿足一定的條件， 以控制互 感器的比差和角差，保證互感器在整個(gè)測量范圍內(nèi)的精度。 近年來，非晶微晶合 金作為互感器鐵心的應(yīng)用逐漸廣泛起來， 取得了非常理想的效果。圖7是鐵基納米晶合金作為電流互感器鐵心時(shí)與其它材料的磁性對比。4.2 開關(guān)電源變壓器鐵心1)10.20.4 0.6 0.81置型應(yīng)強(qiáng)度，T四h高朝£片率年關(guān)電珥壓減其期來M柱:、的典

15、型幫耗樸桂圖9納米晶鐵心與鐵氧體的阻抗頻率特性對比在非晶合金問世之前，開關(guān)電源變壓器的鐵心一般采用鐵氧體或者坡莫合金。采用鐵基納米晶合金作為開關(guān)電源變壓器鐵心， 可以克服其它材料的缺點(diǎn)，進(jìn)一 步提升變壓器的效率。尤其在大功率開關(guān)電源中 （例如逆變焊機(jī)），從前一般使用 鐵氧體鐵心，由于鐵心工作點(diǎn)低、溫度特性差，電源性能不理想。鐵基納米晶鐵 心結(jié)合逆變技術(shù)的應(yīng)用，使得變壓器工作點(diǎn)大大提高，體積成倍縮小，而且具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，已經(jīng)成為新型高頻大功率變壓器的首選鐵心材料。圖8為高頻大功率開關(guān)電源用鐵基納米晶鐵心的典型損耗特性。在高頻變壓器設(shè)計(jì)中，鐵基納米晶鐵心的工作點(diǎn)可以取 0.5T0.8T （2

16、0kHz）,視不同的工作條件和冷卻 條件而定。4.3 共模電感器鐵心共模噪聲的抑制是改善電源質(zhì)量、保護(hù)元器件和防止設(shè)備誤操作的關(guān)鍵措施之一。 為此， 在開關(guān)電源的輸入端、計(jì)算機(jī)通信電纜乃至電網(wǎng)中均安裝有共模濾波器， 其關(guān)鍵部件就是由高導(dǎo)磁材料制造的共模電感器鐵心。在傳統(tǒng)的軟磁材料中， 一般選用鐵氧體作共模電感器鐵心，但是鐵氧體雖然頻率特性好、價(jià)格便宜，但是磁導(dǎo)率很低。鐵基納米晶合金的初始磁導(dǎo)率高達(dá)（814） xi04Gs/Oe，比鐵氧體高出兩個(gè)數(shù)量級，即使在10kHz 下，導(dǎo)磁率仍有4 萬以上，因此對共模干擾的抑制效果極佳，見圖9。 使用鐵基納米晶鐵心的共模濾波器在線路中的插入損耗大大高于其它

17、使用材料的器件。國外已經(jīng)大量使用鐵基納米晶鐵心制造共模濾波器，國內(nèi)也正在逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，前景非常廣闊。4.4 漏電開關(guān)互感器鐵心漏電開關(guān)（漏電保護(hù)器、剩余電流動(dòng)作斷路器）是用來保護(hù)電器和人的用電安全的裝置。當(dāng)由于設(shè)備絕緣不良或者人體觸電時(shí)，會(huì)在互感器的次級線圈中感應(yīng)出信號(hào)，推動(dòng)脫扣裝置使電閘跳開，切斷電路。過去一般采用坡莫合金作為其中的互感器鐵心。自八十年代以來，非晶合金開始作為漏電開關(guān)中的互感器鐵心，用量極大。近年來，鐵基納米晶合金的應(yīng)用又進(jìn)一步提高了互感器的性能。5 .鈷基非晶合金的磁性及應(yīng)用鈷基非晶合金由于含有昂貴的鈷，所以其價(jià)格很高，一般在民用電源中很少使用。但是其綜合磁性能是所有非

18、晶納米晶軟磁合金中最好的，使用頻率可達(dá)200kHz 以上，因此在高質(zhì)量高頻電源設(shè)備（尤其是軍工裝備）中得到了大量應(yīng)用。5.1 飽和電感器鐵心困IB鉆病非品冠和電圖器鐵心報(bào)耗特杵在小型開關(guān)電源和其它設(shè)備中經(jīng)常使用飽和電感器，它們對鐵心的一般要求 是剩磁比（矩形比）高、鐵損低。鉆基非晶合金作為飽和電感器鐵心時(shí)，剩磁比 可以高達(dá)0.9-0.98 ,鐵損明顯低于坡莫合金，是理想的飽和電感器鐵心材料。 圖 10是作為飽和電感鐵心的鉆基非晶鐵心損耗特性。鉆基非晶飽和電感器鐵心經(jīng) 常使用的設(shè)備有：磁放大器：磁放大器是小型開關(guān)電源的一種穩(wěn)壓方式，采用矩形磁滯回線的 鐵心對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。二極管尖峰抑制器：在

19、開關(guān)電源中，為了防止續(xù)流二極管被反向浪涌電流擊 穿，經(jīng)常在二極管的管腳串接一只具有矩形磁滯回線的微型鐵心（磁珠）。脈沖壓縮器：在雷達(dá)、激光器等設(shè)備中，需要將寬脈沖轉(zhuǎn)換為高壓窄脈沖。 這一功能是通過脈沖壓縮電路（即具有矩形磁滯回線的飽和鐵心與電容器的組 合）實(shí)現(xiàn)的。5.2 防盜系統(tǒng)標(biāo)簽防盜系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超級市場、圖書館等公共場合。鉆基非晶合金條帶可以夾在商品或標(biāo)簽中，作為傳感器。如果尚未付款就被帶出，則在出口處的檢 測裝置就會(huì)報(bào)警。世界上每年用于防盜標(biāo)簽的非晶條帶以數(shù)億計(jì)。目前國內(nèi)使用 的防盜系統(tǒng)大多進(jìn)口，而防盜軟標(biāo)簽大多是國產(chǎn)的非晶合金條帶。鉆基非晶條帶 不僅具有良好的磁性，而且不用熱處理

20、，條帶的柔韌性極好，保證了長期使用的 靈敏度和穩(wěn)定性。6 .非晶合金在使用中的穩(wěn)定性問題非晶合金具有優(yōu)良的軟磁性能，但非晶合金的原子結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下會(huì)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，成為晶體，這個(gè)過程稱之為晶化。通常情況下,一旦非晶合金發(fā)生晶化，就會(huì)失去原有的優(yōu)良磁性能，不能再使用。于是對非晶合金應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一些疑問，即： 非晶合金在較高溫度下能否使用？非晶合金長使用時(shí)會(huì)不會(huì)由于緩慢晶化導(dǎo)致磁性能逐漸惡化？非晶鐵心能否抵抗惡劣的使用條件如沖擊振動(dòng)等？廣義地說，非晶合金的穩(wěn)定性包括溫度穩(wěn)定性、長期使用時(shí)效穩(wěn)定性、機(jī)械沖擊震動(dòng)穩(wěn)定性以及強(qiáng)磁場沖擊穩(wěn)定性等。6.1 非晶合金的溫度穩(wěn)定性對于磁

21、性材料來說，當(dāng)溫度升高時(shí)，其飽和磁通密度下降。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)， 材料變成順磁性，原有磁性能喪失。居里點(diǎn)越高，材料可能的使用溫度越高，溫度穩(wěn)定性越好。對于幾種常用的磁性材料，其居里溫度如下：硅鋼：>600 坡莫合金：>400 鐵氧體：<200 鐵基非晶合金：>400 鈷基非晶合金：>300 鐵基納米晶合金：570 硅鋼的居里點(diǎn)最高；坡莫合金的居里點(diǎn)居中；鐵氧體居里點(diǎn)最低，溫度穩(wěn)定性最差。 而不同的非晶合金具有不同居里點(diǎn)，作為變壓器鐵心使用是非常理想的，完全可以勝任使用溫度在130 以下的變壓器鐵心。6.2 非晶合金的時(shí)效穩(wěn)定性對于大多數(shù)變壓器鐵心來說，其使用時(shí)間往往較長，有的甚至長達(dá)數(shù)十年。因而鐵心的時(shí)效穩(wěn)定性對于變壓器的長期運(yùn)行很關(guān)鍵。為了驗(yàn)證非晶合金經(jīng)過長時(shí)間使用會(huì)不會(huì)失效，最直接的方法莫過于將非晶合金鐵心在實(shí)際使用條件下長期運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察磁性能的變化。美國自八十年代就已經(jīng)開始非晶合金的生產(chǎn)，并大量應(yīng)用于配電變壓器鐵心。這些變壓器一直在正常運(yùn)行。我國自八十年代起將非晶合金應(yīng)用于開關(guān)電源、中頻變壓器及漏電