非晶合金制備的冶金知識(shí)

物質(zhì)就其原子排列方式來說，可以劃分為晶體和非晶體兩類。有些物質(zhì)里面的原子排列是整齊有序的，就象閱兵式上的士兵，這叫做晶體，比如食鹽、鉆石、普通的鋼鐵就是這樣。也有些物質(zhì)的原子排列是混亂的，就象一堆鋼球的混亂堆積，這叫做非晶體，比如液體、氣體、玻璃、塑料等。對(duì)于金屬材料來說，通常情況下，金屬及合金在從液體凝固成固體（例如煉鋼后的鋼水凝固成鋼錠）時(shí)，原子總是從液體的混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列，即成為晶體。因?yàn)橹挥羞@樣，其結(jié)構(gòu)才最穩(wěn)定。但是，如果金屬或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高達(dá)一百萬度的冷卻速率將鐵-硼合金焰體凝固），原子來不及整齊排列便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。因?yàn)榉蔷Ш辖鹪拥幕靵y排列情況類似于玻璃，所以又稱為金屬玻璃。在下面的示意圖中，右圖為非晶體內(nèi)部原子排列，左圖為晶體的原子排列。什么樣的物質(zhì)能夠制造成非晶呢？從理論上說，任何物質(zhì)主要它的液體冷卻足夠快，原子來不及整齊排列就凝固，那么原子在液態(tài)時(shí)的混亂排列被迅速凍結(jié)，就可以形成非晶。但是，不同的物質(zhì)形成非晶所需要的冷卻速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷卻下來，得到的玻璃就是非晶態(tài)的。而單一的金屬則需要每秒高達(dá)一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態(tài)。由于目前工藝水平的限制，實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到如此高的冷卻速度，也就是說，普通的單一的金屬難以從生產(chǎn)上制成非晶。為了獲得非晶態(tài)的金屬，一般將金屬與其它物質(zhì)混合。當(dāng)原子尺寸和性質(zhì)不同的幾種物質(zhì)搭配混合后，就形成了合金。這些合金具有兩個(gè)重要性質(zhì)：A、合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂“共晶”點(diǎn)附近，它們的焰點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，例跋SiB合金的焰點(diǎn)一般為1200度以下，而純鐵的焰點(diǎn)為1538度；B、由于原子的種類多了，合金在液體時(shí)它們的原子更加難以移動(dòng)，在冷卻時(shí)更加難以整齊排列，也就是說更加容易被“凍結(jié)”成非晶。有了上面的兩個(gè)重要條件，合金才可能比較容易地形成非晶。例如，鐵和硼的合金只需要每秒一百萬度的冷卻速度就可以形成非晶。實(shí)際上，目前所有的實(shí)用非晶合金都是兩種或更多種元素組成的合金，例如Fe-Si-B,FeNiPB，CoZr，ZrTiCuNi等。迄今為止，國(guó)內(nèi)外非晶合金開發(fā)最多的是作為軟磁材料的一類。它們?cè)诨瘜W(xué)成分上的一個(gè)共同點(diǎn)是：由兩類元素組成：一類是鐵磁性元素（鐵、鉆、鎳或者他們的組合），它們用來產(chǎn)生磁性；另一類是硅、硼、碳等，它們稱為類金屬，也叫做玻璃化元素，有了它們，合金的焰點(diǎn)比純金屬降低了很多，才容易形成非晶。納米晶合金在上面所說的非晶合金中，原子的排列是宏觀上混亂無序的。正是由于這種特殊結(jié)構(gòu)，使得非晶合金具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，其中優(yōu)良的磁性能就是典型的例子。所以，以前的非晶合金在使用時(shí)，必須保證它們處于非晶態(tài)。下面將提到，一般的非晶合金存在著發(fā)生晶化的可能性，一旦在晶化溫度以上退火，材料內(nèi)部的原子排列就變成了有序的，也就是說成為晶體，而且晶粒組織很粗大，這時(shí)非晶合金原有的磁性能就會(huì)喪失。因此，一般的非晶合金都要在非晶狀態(tài)下使用。但是，自從八十年代末，日本的吉澤克仁等發(fā)現(xiàn)，含有3和Nb的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時(shí)，會(huì)形成非常細(xì)小的晶粒組織，晶粒尺寸僅有10-20納米。這時(shí)材料磁性能不僅不惡化，反而非常優(yōu)良。這種非晶合金經(jīng)過特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱為納米晶合金（以前也曾稱為超微晶合金）。鐵基納米晶合金的磁性能幾乎能夠和非晶合金中最好的鉆基非晶合金相比，但是卻不含有昂貴的鉆，所以被廣泛應(yīng)用于高頻變壓器鐵芯，替代鐵氧體和坡莫合金等。非晶合金分類鐵基非晶合金：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)1.4-1.7T）、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，價(jià)格便宜，最適合替代硅鋼片，作為于中低頻變壓器的鐵芯（一般在10千赫茲以下），例如配電變壓器、中頻變壓器、大功率電感、電抗器等鐵鎳基非晶合金：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芯，例如漏電開關(guān)互感器。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1丁以下），但導(dǎo)磁率極高，一般用在要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等，替代坡莫合金和鐵氧體。鐵基納米晶合金（超微晶合金）：它們由鐵、硅、硼和少量的銅、鑰、鈮等組成，其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)退火，形成微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，是工業(yè)和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。非晶合金的優(yōu)點(diǎn)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(guó)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。非晶合金絲材可能用在結(jié)構(gòu)零件中，起強(qiáng)化作用。另外，非晶合金具有優(yōu)良的耐磨性，再加上它們的磁性，可以制造各種磁頭。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，因此具有高的導(dǎo)磁率、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芯、互感器、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。從圖看出，非晶納米晶軟磁合金在高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和高導(dǎo)磁率上有理想的結(jié)合。詳情請(qǐng)看非晶合金的應(yīng)用。靈活的處理工藝：和其它磁性材料相比，非晶合金具有很寬的化學(xué)成分范圍，而且即使同一種材料，通過不同的后續(xù)處理能夠很容易地獲得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的，選擇余地很大，為電力電子元器件的選材提供了方便。簡(jiǎn)單的制造工藝，節(jié)能、環(huán)保。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(jiǎn)化，節(jié)約了大量寶貴的能源，同時(shí)無污染物排放，對(duì)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。晶合金的應(yīng)用前面已經(jīng)提及，非晶合金具有優(yōu)良的特性，因此可以獲得多方面的應(yīng)用。在這里，僅僅就其磁性能介紹非晶合金作為軟磁材料在各種變壓器和傳感器中的應(yīng)用。配電變壓器鐵芯：鐵基非晶合金鐵芯具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低矯頑力、低損耗（相當(dāng)于硅鋼片的1/3—1/5）、低激磁電流、良好的溫度穩(wěn)定性。用非晶合金制造的配電變壓器空載損耗較硅鋼S9系列下降75%，空載電流比S9下降50%，負(fù)載損耗比S9和S7系列下降25%。一一■的邙舊理目前，出于設(shè)計(jì)和產(chǎn)量等原因，非晶合金變壓器的價(jià)格高于硅鋼變壓器，但考慮到非晶合金變壓器運(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(zhǎng)、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(gòu)買成本+使用成本雖然非晶合金變壓器價(jià)格比普通的硅鋼變壓器貴。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，節(jié)電效益即可大于購(gòu)買時(shí)與硅鋼變壓器的差價(jià)。同時(shí)，由于非晶配電變壓器節(jié)約能源，十分有利于環(huán)保。電力互感器鐵芯：在變電站使用大量的電力互感器，它們對(duì)鐵芯材料的要求非?？量?，不僅要求高的磁性指標(biāo)（如高導(dǎo)磁率、高飽和磁感、低損耗等），而且要求鐵芯材料的整個(gè)磁化曲線滿足一定的條件，以保證互感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的精度。近年來，非晶微晶合金作為互感器鐵芯的應(yīng)用逐漸廣泛起來，取得了非常理想的效果。開關(guān)電源變壓器及電感鐵芯：傳統(tǒng)的電源都是在50赫茲（稱為工頻）下將交流電變換成直流電的。由于工作頻率低，變壓器的體積大、能耗高、效率低。開關(guān)電源是自二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的新型電源技術(shù)，它采用20千赫茲以上的工作頻率，大大縮小了變壓器的體積、減輕了重量、提高了效率。在非晶合金問世前，開關(guān)電源變壓器的鐵芯一般采用鐵氧體或者坡莫合金（鐵鎳合金）。但是，坡莫合金價(jià)格昂貴，同時(shí)磁性能并不完美。而鐵氧體雖然便宜，但它的工作點(diǎn)太低。同時(shí)大功率的鐵氧體鐵芯價(jià)格也很高。采用鉆基非晶合金和鐵基微晶合金作為開關(guān)電源變壓器鐵芯，可以克服其它材料的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提升變壓器乃至整個(gè)電源的性能。磁放大器是開關(guān)電源中的一種穩(wěn)壓方式，它采用小尺寸的飽和鐵芯作為穩(wěn)壓器件。對(duì)變壓器和磁放大器鐵芯的一般要求是導(dǎo)磁率高、鐵損低。另外根據(jù)不同的電源工作方式要求鐵芯具有特殊的磁性。一般說來，在開關(guān)電源中可以使用非晶微晶合金作為鐵芯的元器件有：主變壓器、控制變壓器、共模電感、噪聲濾波器、濾波電感、儲(chǔ)能電感、電抗器、磁放大器、尖峰抑制器、飽和電感、脈沖壓縮器、開關(guān)管保護(hù)電感等。漏電開關(guān)互感器鐵芯：漏電開關(guān)是安裝在電器前面，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(jí)線圈中感應(yīng)出信號(hào)，經(jīng)過處理后使得電閘跳開，切斷電路，保護(hù)電器或人身的安全。過去一般采用坡莫合金（鐵鎳合金）作為這種互感器鐵芯。自從八十年代以來，非晶合金開始作為漏電開關(guān)中的互感器鐵芯，國(guó)內(nèi)目前用量極大。國(guó)內(nèi)有眾多廠商生產(chǎn)漏電開關(guān)，但使用非晶微晶合金的還要數(shù)浙江溫州地區(qū)。防盜標(biāo)簽：非晶合金條帶可以?shī)A在書籍或者商品中，也可以做成商品標(biāo)簽。如果尚未付款就被帶出，則在出口處的檢測(cè)裝置就會(huì)發(fā)出信號(hào)報(bào)警。防盜系統(tǒng)的報(bào)警原理目前有三種：一是諧波式：靠交變磁場(chǎng)的偶次諧波使得標(biāo)簽材料磁化到飽和，從而接收到的波形發(fā)生畸變，儀器報(bào)警；二是非對(duì)稱回線式：使用特殊材料的標(biāo)簽，它具有不對(duì)稱的磁滯回線，由于非對(duì)稱磁化使得接收的信號(hào)正負(fù)半周不對(duì)稱，從而導(dǎo)致儀器報(bào)警；三是機(jī)械共振式：標(biāo)簽材料在某種特殊的磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生共振，發(fā)出機(jī)械波，接收裝置收到信號(hào)后報(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(guó)內(nèi)使用的防盜系統(tǒng)大多是進(jìn)口貨，但防盜標(biāo)簽有一部分是國(guó)產(chǎn)的非晶合金條帶。非晶合金的穩(wěn)定性非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的軟磁性能，可以作為變壓器鐵芯廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè)。然而，非晶態(tài)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，我們稱之為晶化。一旦非晶態(tài)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(duì)非晶態(tài)合金應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一些疑問，即：非晶態(tài)合金在較高溫度下能否使用？非晶態(tài)合金長(zhǎng)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？非晶鐵芯能否抵抗惡劣的使用條件如沖擊振動(dòng)等？廣義地說，非晶態(tài)合金的穩(wěn)定性包括以下幾種情況：溫度穩(wěn)定性：指非晶態(tài)合金的磁性能隨使用溫度的變化。由于變壓器鐵芯的工作溫度通常高于室溫，因此這個(gè)問題很有代表性。時(shí)效穩(wěn)定性：指在一定溫度下，非晶態(tài)合金的磁性能隨時(shí)間的變化。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間使用的變壓器鐵芯，這個(gè)問題應(yīng)該重視。機(jī)械穩(wěn)定性：指非晶態(tài)合金經(jīng)過機(jī)械沖擊振動(dòng)后磁性能的變化。這對(duì)于航空航天等軍工設(shè)備中的變壓器鐵芯非常重要。沖擊穩(wěn)定性：非晶納米晶鐵芯經(jīng)過強(qiáng)磁場(chǎng)的沖擊后保持原有磁性能的能力。這往往對(duì)于某些特殊變壓器有重要意義。非晶態(tài)合金的溫度穩(wěn)定性對(duì)于常用的磁性材料來說，當(dāng)溫度升高時(shí)，其飽和磁通密度都是下降的。當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，材料變成順磁性的，原有磁性能喪失，無法繼續(xù)使用。這個(gè)溫度稱為磁性材料的居里溫度（或居里點(diǎn)）。居里點(diǎn)越高，表明材料可能的使用溫度越高，即材料的溫度穩(wěn)定性越好。對(duì)于幾種常用的磁性材料，其居里溫度如下:硅鋼：＞600￡,坡莫合金：＞400oC，鐵氧體：＜200￡,鐵基非晶：＞400oC鐵氧體無論是飽和磁通密度還是居里點(diǎn)都是最低的；硅鋼的居里點(diǎn)最高，可惜只能在低頻使用；坡莫合金的居里點(diǎn)較高，飽和磁通密度中等，同時(shí)能在20kHz以上使用，但價(jià)格高；而不同的非晶態(tài)合金具有不同的飽和磁通密度和居里點(diǎn)，分別可以應(yīng)用于高頻和低頻，同時(shí)價(jià)格也低于相應(yīng)的其它材料。因此，可以說非晶態(tài)合金作為變壓器鐵芯使用是非常理想的。除了居里點(diǎn)以外，非晶態(tài)合金的晶化溫度也是衡量材料溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。由于非晶態(tài)合金在高溫下會(huì)發(fā)生晶化，由此它的使用溫度受到晶化溫度的限制。但是，非晶態(tài)合金的晶化溫度的高低是足以應(yīng)付幾乎所有使用條件的。通常，非晶態(tài)合金的晶化溫度在450-6000C之間，而高頻電源中的其它元器件的最高使用溫度也只不過在1500C以下。所以，非晶態(tài)合金作為變壓器鐵芯使用時(shí)的溫度限制并不比其它元器件嚴(yán)格，可以放心使用。非晶態(tài)合金的溫度穩(wěn)定性對(duì)于某些應(yīng)用是至關(guān)重要的，因此，在非晶態(tài)合金的研究開發(fā)過程中，溫度穩(wěn)定性得到了充分的重視。早在八十年代，廣大軍工用戶就提出了非常嚴(yán)格的溫度穩(wěn)定性要求。通常情況下，非晶態(tài)合金必須滿足如下要求：溫度范圍：-550C-+1300C主要性能變化率：＜15%卜面是幾種非晶納米晶合金在上述溫度范圍內(nèi)的損耗變化：材料性能-600C-300C250C800C1250C變化率鉆基非晶P…0.5/50k73W/kg69.971.871.970-4.20%鐵基納米晶P,,0.2/100k――6966.662.260.5-17%由上表看出，鉆基非晶合金的磁性能溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，通常作為軍工產(chǎn)品使用。對(duì)于鐵基微晶合金，雖然性能的變化率較大，但值得注意的是，其高頻損耗隨使用溫度的升高而降低?？紤]到變壓器鐵芯的實(shí)際工作溫度總是高于室溫，這種變化實(shí)際上是有利的?？傊蔷B(tài)合金的溫度穩(wěn)定性非常值得信賴，完全可以勝任使用溫度在130OC以下的變壓器鐵芯。非晶態(tài)合金的時(shí)效穩(wěn)定性：對(duì)于大多數(shù)變壓器鐵芯來說，其使用時(shí)間往往較長(zhǎng)，有的甚至長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。因而鐵芯的時(shí)效穩(wěn)定性對(duì)于變壓器的長(zhǎng)期運(yùn)行很關(guān)鍵。由于非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下有晶化的趨勢(shì)。這使人們擔(dān)心，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，非晶合金的磁性能會(huì)不會(huì)由于晶化而喪失。實(shí)際上，這種疑問最早源于非晶態(tài)合金的研究開發(fā)者。為了弄清非晶態(tài)合金的時(shí)效穩(wěn)定性問題，人們作了大量研究工作，取得了令人信服的結(jié)果。為了驗(yàn)證非晶態(tài)合金經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)不會(huì)失效，最直接的方法莫過于將非晶態(tài)合金鐵芯在實(shí)際使用條件下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察磁性能的變化。美國(guó)自八十年代就已經(jīng)開始非晶態(tài)合金的生產(chǎn)，并大量應(yīng)用于配電變壓器鐵芯。根據(jù)大量報(bào)道，這些變壓器一直在正常運(yùn)行，表明非晶鐵芯的時(shí)效穩(wěn)定性是可靠的。我國(guó)自八十年代起將非晶態(tài)合金應(yīng)用于開關(guān)電源、中頻變壓器及漏電保護(hù)開關(guān)等多種場(chǎng)合，至今沒有因?yàn)殍F芯性能惡化導(dǎo)致變壓器失效的例子。這充分證明，我國(guó)的非晶態(tài)合金在時(shí)效穩(wěn)定性方面是安全的。但是，對(duì)于眾多的非晶態(tài)合金來說，都進(jìn)行模擬實(shí)際應(yīng)用的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。例如，不可能將一臺(tái)變壓器運(yùn)行幾十年不出問題才能證明它是正常的。人們往往用科學(xué)的方法進(jìn)行某種對(duì)比試驗(yàn)。非晶態(tài)合金也是如此。正如前面所述，非晶態(tài)合金在一定溫度下有發(fā)生晶化的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)隨著溫度的降低是呈指數(shù)規(guī)律迅速遞減的。根據(jù)這種規(guī)律，我們通常利用高溫短時(shí)間的時(shí)效試驗(yàn)代替低溫長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，用以說明材料的時(shí)效穩(wěn)定性。對(duì)于常見的非晶軟磁合金，最常用的試驗(yàn)條件為：時(shí)效溫度130oC，時(shí)效時(shí)間200小時(shí)。下面是非晶態(tài)合金典型的時(shí)效試驗(yàn)結(jié)果：材料性能010小時(shí)100小時(shí)200小時(shí)變化率鉆基非晶P…0.5/50k64.7W/kg64.764.2641.1%鉆基非晶P17.25mH/m17.2517.250可以看出，非晶態(tài)合金的高溫時(shí)效穩(wěn)定性是非常好的。一般認(rèn)為，非晶態(tài)合金在130OC以下使用是可靠的，有些品種的使用溫度甚至可以達(dá)到150OC。九十年代初，一種新型的軟磁材料--納米晶合金（俗稱超微晶合金）開始大量應(yīng)用于電子變壓器鐵芯。這種材料是利用某些特殊的非晶態(tài)合金經(jīng)過適當(dāng)熱處理后得到的。經(jīng)過熱處理，材料中的大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)變成晶體，已經(jīng)不存在晶化問題，也就沒有時(shí)效穩(wěn)定性問題了。非晶態(tài)合金的機(jī)械穩(wěn)定性：非晶態(tài)合金在使用前，一般都要經(jīng)過熱處理。而經(jīng)過熱處理后，材料比較脆。由此引起一些疑問，擔(dān)心鐵芯在使用過程中碎裂。這種擔(dān)心實(shí)際上是不必要的。無論什么材料，作為變壓器鐵芯使用時(shí)，大多數(shù)要放在保護(hù)盒中或表面注塑后使用。對(duì)于非晶態(tài)合金，在鐵芯裝入保護(hù)盒時(shí)通常還要加入某些襯墊物，如硅脂、海綿等。這些措施完全可以保證鐵芯在使用中不發(fā)生損壞和磁性能惡化。這已經(jīng)被無數(shù)事實(shí)所證實(shí)。在非晶態(tài)合金研究開發(fā)的初期，首先是在軍工電源中應(yīng)用的。軍工設(shè)備嚴(yán)酷的工作條件，對(duì)鐵芯的性能要求十分苛刻。例如，對(duì)于航空航天裝備中的開關(guān)電源，對(duì)變壓器鐵芯機(jī)械穩(wěn)定性的要求一般是：耐機(jī)械沖擊性：加速度55g，持續(xù)時(shí)間8ms，沖擊3次，要求損耗變化率P/P15%耐機(jī)械振動(dòng)：頻率20-500Hz，加速度5g,掃描45分鐘，兩個(gè)方向，要求損耗變化率P/P15%離心試驗(yàn)： 恒加速度15g，5分鐘，要求損耗變化率P/P15%根據(jù)上述要求，我們?cè)?jīng)對(duì)非晶態(tài)合金作了一系列機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)。對(duì)于鉆基非晶鐵芯，將鐵芯放置在保護(hù)盒中經(jīng)過上述試驗(yàn)后，其高頻損耗P0.3/100k的主要結(jié)果如下：初始值沖擊試驗(yàn)后振動(dòng)試驗(yàn)后損耗P0.3/100k6865.770損耗變化率—-3.4%2.9%可見，經(jīng)過一系列機(jī)械沖擊和振動(dòng)等試驗(yàn)，非晶鐵芯的磁性能變化率相當(dāng)?shù)?，完全滿足使用要求。總之，非晶態(tài)合金的機(jī)械穩(wěn)定性良好。目前，在非晶中心的產(chǎn)品中，每年用于軍工電源的鐵芯在一萬只以上。既然它們可以穩(wěn)定地應(yīng)用于軍工電源，那么在使用條件相對(duì)溫和的民品中理所當(dāng)然也是可以勝任的。非晶態(tài)合金的磁沖擊穩(wěn)定性：非晶鐵芯在使用過程中，有時(shí)會(huì)受到來自電源內(nèi)部或外部的強(qiáng)磁場(chǎng)沖擊。在強(qiáng)磁場(chǎng)沖擊后，鐵芯保持原有性能是非常關(guān)鍵的。否則，鐵芯性能的惡化會(huì)降低電源效率，嚴(yán)重的甚至造成鐵芯工作點(diǎn)偏移，使鐵芯飽和，損壞開關(guān)管。為了研究非晶態(tài)合金的磁沖擊穩(wěn)定性，曾經(jīng)對(duì)不同材料的鐵芯進(jìn)行了一系列磁沖擊試驗(yàn)。脈沖導(dǎo)磁率（鉆基非晶：B=0.4T，=1s；鐵基非晶：B=1.5T，=3s）的主要試驗(yàn)結(jié)果如下：材料試驗(yàn)條件磁沖擊前磁沖擊后性能變化率鉆基非晶10kA/m磁場(chǎng)正反向沖擊9.24mH/m正向9.05反向9.21-2.1%-0.3%鐵基非晶8kA/m磁場(chǎng)沖擊3次17mH/m170上述結(jié)果充分表明，非晶態(tài)合金經(jīng)過適當(dāng)處理后，磁性能完全可以經(jīng)受強(qiáng)磁場(chǎng)的沖擊而基本復(fù)原。小結(jié)非晶態(tài)合金不僅具有優(yōu)良的軟磁性能，而且在溫度穩(wěn)定性、時(shí)效穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性以及磁沖擊穩(wěn)定性等方面是完全過硬的。這一結(jié)論一方面來自我們多年來在非晶態(tài)合金穩(wěn)定性方面的大量試驗(yàn)結(jié)果，另一方面也來自材料在使用條件下的實(shí)際表現(xiàn)。在八十年代初期，非晶態(tài)合金的應(yīng)用首先是在軍工電源上開始的。軍工電源嚴(yán)酷的工作條件是對(duì)非晶鐵芯磁性能穩(wěn)定性的極大考驗(yàn)。在過去的二十年中，非晶鐵芯已經(jīng)應(yīng)用在多種軍工裝備，例如曾經(jīng)裝備我國(guó)的“長(zhǎng)征二號(hào)”捆綁式火箭，至于普通的機(jī)載雷達(dá)、水雷、坦克等電源，使用非晶鐵芯的就更多了。非晶態(tài)合金在軍工電源中的大量使用實(shí)際上是對(duì)非晶態(tài)合金磁性能及其穩(wěn)定性的最好注解。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非晶態(tài)合金的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到廣大的民用產(chǎn)品。目前民品是非晶中心最主要的產(chǎn)品，應(yīng)用場(chǎng)合主要包括：互感器鐵芯、大功率逆變電源變壓器和電抗器鐵芯、各種形式的開關(guān)電源變壓器和電感鐵芯、各種傳感器鐵芯等?？傊蔷B(tài)合金不僅具有優(yōu)良的磁性能，其穩(wěn)定性是非?？煽康模瑥V大用戶完全可以信賴。常用軟磁材料㈠粉芯類磁粉芯磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很?。ǜ哳l下使用的為0.5~5微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。磁芯的有效磁導(dǎo)率e及電感的計(jì)算公式為：e=DL/4N2S13其中：D為磁芯平均直徑(cm)，L為電感量(享)，N為繞線匝數(shù)，S為磁芯有效截面積(cm2)。鐵粉芯常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從22~100;初始磁導(dǎo)率i隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下?lián)p耗高。⑵坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有鑰坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(HighFlux)MPP是由81%Ni,2%Mo,及Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500Gs左右；磁導(dǎo)率范圍大，從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300KHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等，在AC電路中常用，粉芯中價(jià)格最貴。高磁通粉芯HF是由50%Ni,50%Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000Gs左右；磁導(dǎo)率范圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等，在DC電路中常用，高DC偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價(jià)格低于MPP。(3)鐵硅鋁粉芯(KoolMCores)鐵硅鋁粉芯由9%Al,5%Si,85%Fe粉構(gòu)成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8KHz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05T左右；導(dǎo)磁率從26~125；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時(shí)也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。軟磁鐵氧體(Ferrites)軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為1一10歐姆咪，一般在100KHZ以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102—104歐姆咪，在100kHz一10兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形(RM、EP、PQ)、曜形(PC、RS、DS)及圓形等。在應(yīng)用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因?yàn)槭菬Y(jié)物硬度大、對(duì)應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。國(guó)內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國(guó)的Magnetics公司生產(chǎn)的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從750~2300,具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時(shí)間關(guān)系，是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每十年下降3%一4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號(hào)及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，為4000~5000Gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗溫度關(guān)系。也就是說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。二）帶繞鐵芯硅鋼片鐵芯硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為20000高斯；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。從應(yīng)用角度看，對(duì)硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對(duì)小型電機(jī)、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對(duì)于大型電機(jī)，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片；對(duì)變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時(shí)，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米；在400Hz下使用時(shí)，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價(jià)格越高。坡莫合金坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過十萬的初始磁導(dǎo)率、超過一百萬的最大磁導(dǎo)率、低到千分之二奧斯特的矯頑力、接近1或接近零的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1微米的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100瓦以下小型較高頻率變壓器。1J79具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯°1J85的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬以上，適合于作弱信號(hào)的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。非晶及納米晶軟磁合金(AmorphousandNanocrystallinealloys)硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對(duì)軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開始成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國(guó)已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場(chǎng)。我國(guó)自從70年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作，經(jīng)過“六五”、叱五”、八五”期間的重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的完成，共取得科研成果134項(xiàng)，國(guó)家發(fā)

明獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲專利16項(xiàng)，已有近百個(gè)合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鉆基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護(hù)器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬元。“九五”正在建立千噸級(jí)鐵基非晶生產(chǎn)線，進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平行列。目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項(xiàng)性能水平為:初始磁導(dǎo)率0=14104鉆基非晶最大磁導(dǎo)率=220104m鉆基非晶矯頑力Hc=0.001Oe鉆基非矩形比Br/Bs=0.995初始磁導(dǎo)率0=14104鉆基非晶最大磁導(dǎo)率=220104m鉆基非晶矯頑力Hc=0.001Oe鉆基非矩形比Br/Bs=0.995鉆基非飽和磁化強(qiáng)度4Ms=18300Gs鐵基非晶電阻率1）.鐵基非晶合金電阻率1）.鐵基非晶合金=270微歐厘米(Fe-basedamorphousalloys)鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類金屬元素所構(gòu)成，它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1.54T〕，磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點(diǎn)，特別是鐵損低（為取向硅鋼片的1/3-1/5〕，代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60-70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03毫米左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯，適合于10kHz以下頻率使用。.鐵鎳基鉆基非晶合金 (Fe-Nibased-amorphousalloy)鐵鐐基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度〔0.8T〕、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以及高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損。空氣中熱處理不發(fā)生氧化，經(jīng)磁場(chǎng)退火后可得到很好的矩形回線。價(jià)格比1J79便宜30-50%。鐵鐐基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鐐坡莫合金相對(duì)應(yīng)，但鐵損和高的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1J79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鐐基非晶合金是國(guó)內(nèi)開發(fā)最早，也是目前國(guó)內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量最大的非晶品種，年產(chǎn)量近200噸左右.空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鐐基非晶合金(1K503〕獲得國(guó)家發(fā)明專利和美國(guó)專利權(quán)。鐵基納米晶合金(Nanocrystallinealjoy鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為10-20納米的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料.納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8萬)、低Hc(0.32A/M),高磁感下的高頻損耗低(P