非晶合金的特點分類應用可行性分析

非晶納米晶軟磁合金及其應用Amorphousandnanocrystallinesoftmagneticalloysanditsapplication陳文智1非晶合金的特點由于非晶合金的無序構(gòu)造，使其含有某些獨特的性質(zhì)：高強韌性：明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，能夠作復合增強材料，如釣魚桿等。國外已經(jīng)把塊狀非晶合金應用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可用在構(gòu)造零件中，起強化作用。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，并且電阻率高，因此含有高的磁導率、低的損耗，是優(yōu)良的軟磁材料，替代硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等，能夠大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、減少能耗。非晶合金的磁性能事實上是迄今為止非晶合金最重要的應用領(lǐng)域，下面還將具體介紹。簡樸的制造工藝：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)的鋼鐵公司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)省了大量貴重的能源，同時無污染物排放，對環(huán)保非常有利。正是由于非晶合金制造過程節(jié)能，同時它的磁性能優(yōu)良，減少變壓器使用過程中的損耗，因此被稱為綠色材料和21世紀的材料。2非晶合金的分類磁性非晶合金能夠從化學成分上劃分成下列幾大類：鐵基非晶合金：重要元素是鐵、硅、硼、碳、磷等。它們的特點是磁性強（飽和磁感應強度可達1.4T-1.7T）、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，價格便宜，最適合替代硅鋼片，作為中低頻變壓器和電感器鐵心(普通在15千赫茲下列)。鐵鎳基非晶合金：重要由鐵、鎳、硅、硼、磷等構(gòu)成，它們的磁性比較弱（飽和磁感應強度大概為1T下列），價格較貴，但導磁率比較高，能夠替代硅鋼片或者坡莫合金，用作高規(guī)定的中低頻變壓器鐵心。鈷基非晶合金：由鈷和硅、硼等構(gòu)成，有時為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素，由于含鈷，它們價格很貴，磁性較弱（飽和磁感應強度普通在1T下列），但導磁率高，普通用在規(guī)定嚴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、鉬、鈮等構(gòu)成。它們首先被制成非晶帶材，然后通過適宜退火，形成納米晶和非晶的混合組織。這種材料即使便宜，但磁性能極好，幾乎能夠和鈷基非晶合金相媲美，是高頻變壓器、互感器、電感器的抱負材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。3

鐵基非晶合金的磁性和應用鐵基非晶合金的典型牌號是1K101（我們現(xiàn)在所購置的帶材），在全部慣用的非晶合金中含有最高的飽和磁感應強度，磁導率大大高于硅鋼片，而矯頑力及鐵損明顯低于硅鋼片，如表1所列。鐵基非晶合金替代硅鋼片，作為中低頻（50Hz~20lHz）變壓器和電感元器件的鐵心材料，將帶來以下好處：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。高磁導率低矯頑力－減小變壓器初級線圈的激磁電流。低損耗－減少器件的溫升。3.1配電變壓器鐵心鐵基非晶合金的鐵損僅相稱于硅鋼片的1/3～1/5，磁導率比硅鋼片高出近一種數(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激磁功率。在配電變壓器鐵心設計中，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，出于設計和產(chǎn)量等因素，現(xiàn)在非晶合金變壓器的價格高于硅鋼變壓器，但非晶合金變壓器運行過程中的空載損失遠低于硅鋼變壓器，整體成本是減少的。這種狀況特別合用于空載時間長、用電效率低的農(nóng)村電網(wǎng)。為了精確計算非晶變壓器的節(jié)能效益，引入總擁有成本（TOC）的概念：TOC＝變壓器購置成本＋使用成本即使非晶合金變壓器的購置成本較高，但考慮到非晶合金變壓器含有低的鐵損，在變壓器運行一定時間后，由于低的空載損耗形成的節(jié)電效益即可不不大于與硅鋼變壓器的購置差價。同時，非晶配電變壓器的節(jié)能也十分有助于環(huán)保。3.2中頻變壓器鐵心隨著電力、電子設備的發(fā)展，對電源的小型化規(guī)定越來越迫切，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）；高頻加熱設備的工作頻率在1kHz～15kHz范疇。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，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，已不能滿足使用規(guī)定。非晶材料的出現(xiàn)，為中頻變壓器提供了抱負的材料，在中頻變壓器領(lǐng)域中已得到較好的應用。鐵基非晶合金不僅含有抱負的工頻磁性能，并且中頻磁性同樣優(yōu)秀，因此能夠廣泛用來替代硅鋼片，制造多個中頻電源變壓器鐵心，如400Hz航空電源、鐵路信號控制系統(tǒng)電源、淬火電源等，工作頻率可達15kHz。對于不同頻率的變壓器，鐵心的工作磁感也取對應不同的值，普通隨著電源頻率的提高適宜減少鐵心工作點。圖2為中頻變壓器用鐵基非晶鐵心的損耗頻率特性。3.3高頻電抗器及濾波電感器鐵心

鐵基非晶合金的高頻鐵損大大低于硅鋼片，并含有高的飽和磁感，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)校正電感器鐵心的抱負材料，設計時工作點能夠取靠近飽和值。硅鋼片的飽和磁感即使高，但是由于高頻鐵損很大，為了避免發(fā)熱過大只能減少工作點。鐵基非晶鐵心現(xiàn)在已經(jīng)應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為慣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。4.鐵基納米晶合金的磁性和應用鐵基納米晶合金（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稱，應用于從工頻到100kHz的寬頻率范疇內(nèi)的多個變壓器和電感鐵心。坡莫合金是比較傳統(tǒng)的高頻變壓器鐵心材料。由于它含鎳，并且鋼帶需要多次軋制和高溫退火，制造鐵心時還要表面涂層，因此工序繁雜，價格很高。鐵氧體是一類低成本的高頻變壓器鐵心材料，但是飽和磁感應強度低和居里溫度低是它的致命弱點，因此鐵心工作點低、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，避開了它們的缺點，因此是抱負的變壓器鐵心材料。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，鐵基納米晶合金含有以下優(yōu)勢：高飽和磁感應強度（1.2T）－高于坡莫合金和鐵氧體，為提高鐵心工作磁感、縮小體積發(fā)明了條件。高導磁率低矯頑力－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－大大減少變壓器溫升，使得提高鐵心工作點成為現(xiàn)實。優(yōu)秀的穩(wěn)定性－能夠在－50℃～+130℃長久工作。不含鎳，價格明顯低于坡莫合金，在全部慣用軟磁材料中含有最佳的性能價格比，減少了變壓器成本。4.1電力互感器鐵心在變電站使用大量的電力互感器，它們對鐵心材料的規(guī)定非常苛刻，不僅規(guī)定高的磁性指標，并且規(guī)定鐵心材料的整個磁化曲線滿足一定的條件，以控制互感器的比差和角差，確?；ジ衅髟谡麄€測量范疇內(nèi)的精度。近年來，非晶微晶合金作為互感器鐵心的應用逐步廣泛起來，獲得了非常抱負的效果。圖7是鐵基納米晶合金作為電流互感器鐵心時與其它材料的磁性對比。4.2開關(guān)電源變壓器鐵心

在非晶合金問世之前，開關(guān)電源變壓器的鐵心普通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，能夠克服其它材料的缺點，進一步提高變壓器的效率。特別在大功率開關(guān)電源中(例如逆變焊機)，從前普通使用鐵氧體鐵心，由于鐵心工作點低、溫度特性差，電源性能不抱負。鐵基納米晶鐵心結(jié)合逆變技術(shù)的應用，使得變壓器工作點大大提高，體積成倍縮小，并且含有優(yōu)秀的溫度穩(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。在高頻變壓器設計中，鐵基納米晶鐵心的工作點能夠取0.5T～0.8T（20kHz），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克制是改善電源質(zhì)量、保護元器件和避免設備誤操作的核心方法之一。為此，在開關(guān)電源的輸入端、計算機通信電纜乃至電網(wǎng)中均安裝有共模濾波器，其核心部件就是由高導磁材料制造的共模電感器鐵心。在傳統(tǒng)的軟磁材料中，普通選用鐵氧體作共模電感器鐵心，但是鐵氧體即使頻率特性好、價格便宜，但是磁導率很低。鐵基納米晶合金的初始磁導率高達（8～14）×104Gs/Oe，比鐵氧體高出兩個數(shù)量級，即使在10kHz下，導磁率仍有4萬以上，因此對共模干擾的克制效果極佳，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)也正在逐步擴大應用范疇，前景非常廣闊。4.4漏電開關(guān)互感器鐵心漏電開關(guān)（漏電保護器、剩余電流動作斷路器）是用來保護電器和人的用電安全的裝置。當由于設備絕緣不良或者人體觸電時，會在互感器的次級線圈中感應出信號，推動脫扣裝置使電閘跳開，切斷電路。過去普通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用又進一步提高了互感器的性能。5.鈷基非晶合金的磁性及應用鈷基非晶合金由于含有昂貴的鈷，因此其價格很高，普通在民用電源中極少使用。但是其綜合磁性能是全部非晶納米晶軟磁合金中最佳的，使用頻率可達200kHz以上，因此在高質(zhì)量高頻電源設備（特別是軍工裝備）中得到了大量應用。5.1飽和電感器鐵心在小型開關(guān)電源和其它設備中經(jīng)常使用飽和電感器，它們對鐵心的普通規(guī)定是剩磁比（矩形比）高、鐵損低。鈷基非晶合金作為飽和電感器鐵心時，剩磁比能夠高達0.9-0.98，鐵損明顯低于坡莫合金，是抱負的飽和電感器鐵心材料。圖10是作為飽和電感鐵心的鈷基非晶鐵心損耗特性。鈷基非晶飽和電感器鐵心經(jīng)常使用的設備有：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行調(diào)節(jié)。二極管尖峰克制器：在開關(guān)電源中，為了避免續(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含有矩形磁滯回線的微型鐵心（磁珠）。脈沖壓縮器：在雷達、激光器等設備中，需要將寬脈沖轉(zhuǎn)換為高壓窄脈沖。這一功效是通過脈沖壓縮電路（即含有矩形磁滯回線的飽和鐵心與電容器的組合）實現(xiàn)的。5.2防盜系統(tǒng)標簽防盜系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于超級市場、圖書館等公共場合。鈷基非晶合金條帶能夠夾在商品或標簽中，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報警。世界上每年用于防盜標簽的非晶條帶以數(shù)億計?，F(xiàn)在國內(nèi)使用的防盜系統(tǒng)大多進口，而防盜軟標簽大多是國產(chǎn)的非晶合金條帶。鈷基非晶條帶不僅含有良好的磁性，并且不用熱解決，條帶的柔韌性極好，確保了長久使用的敏捷度和穩(wěn)定性。6.非晶合金在使用中的穩(wěn)定性問題非晶合金含有優(yōu)良的軟磁性能，但非晶合金的原子構(gòu)造處在亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下會向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，成為晶體，這個過程稱之為晶化。普通狀況下,一旦非晶合金發(fā)生晶化，就會失去原有的優(yōu)良磁性能，不能再使用。于是對非晶合金應用過程中的穩(wěn)定性產(chǎn)生了某些疑問，即：非晶合金在較高溫度下能否使用？非晶合金長使用時會不會由于緩慢晶化造成磁性能逐步惡化？非晶鐵心能否抵抗惡劣的使用條件如沖擊振動等？廣義地說，非晶合金的穩(wěn)定性涉及溫度穩(wěn)定性、長久使用時效穩(wěn)定性、機械沖擊震動穩(wěn)定性以及強磁場沖擊穩(wěn)定性等。6.1非晶合金的溫度穩(wěn)定性對于磁性材料來說，當溫度升高時，其飽和磁通密度下降。當溫度高于居里溫度時，材料變成順磁性，原有磁性能喪失。居里點越高，材料可能的使用溫度越高，溫度穩(wěn)定性越好。對于幾個慣用的磁性材料，其居里溫度以下：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℃硅鋼的居里點最高；坡莫合金的居里點居中；鐵氧體居里點最低，溫度穩(wěn)定性最差。而不同的非晶合金含有不同居里點，作為變壓器鐵心使用是非常抱負的，完全能夠勝任使用溫度在130℃下列的變壓器鐵心。6.2非晶合金的時效穩(wěn)定性對于大多數(shù)變壓器鐵心來說，其使用時間往往較長，有的甚至長達數(shù)十年。因而鐵心的時效穩(wěn)定性對于變壓器的長久運行很核心。為了驗證非晶合金通過長時間使用會不會失效，最直接的辦法莫過于將非晶合金鐵心在實際使用條件下長久運轉(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)，并大量應用于配電變壓器鐵心。這些變壓器始終在正常運行。我國自八十年代起將非晶合金應用于開關(guān)電源、中頻變壓器及漏電保護開關(guān)等多個場合，至今沒有由于鐵心性能惡化造成變壓器失效的例子。這充足證明，非晶合金在時效穩(wěn)定性方面是安全的。九十年代初，一種新型的軟磁材料：鐵基納米晶合金開始大量應用于電子變壓器鐵