非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景

非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景newmaker1非晶软磁合金材料及其应用1.1非晶软磁合金材料及其形成机理我们根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体;物质的原子排列是混乱的叫做非晶体。通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁－硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金（又称为金属玻璃）。由于不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。单一金属需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。受目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，普通的单一的金属难以从生产上制成非晶。为了获得非晶态的金属，一般将金属与其它物质混合。当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后，就形成了合金。这些合金具有两个重要性质：①合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，它们的熔点远低于纯金属，例如FeSiB合金的熔点一般为1200度以下，而纯铁的熔点为1538度；②由于原子的种类多了，合金在液体时它们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶。有了上面的两个重要条件，合金才可能比较容易地形成非晶。实际上，目前所有的实用非晶合金都是两种或更多种元素组成的合金，例如Fe-Si-B，FeNiPB，CoZr，ZrTiCuNi等。迄今为止，国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。它们在化学成分上的一个共同点是：由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金属降低了很多，才容易形成非晶。1.2非晶软磁合金材料的种类1.2.1铁基非晶合金铁基非晶合金：主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。它们的特点是磁性强（饱和磁感应强度可达1.4-1.7T）、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可降低铁损60－70％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03毫米左右，广泛应用于中低频变压器的铁心（一般在10千赫兹以下），例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。1.2.2铁镍基非晶合金铁镍基非晶合金：主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成，它们的磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下），价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁心，例如漏电开关互感器。1.2.3钴基非晶合金钴基非晶合金：由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素，由于含钴，它们价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强度一般在1T以下），但磁导率极高，一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。1.2.4纳米(超微晶)软磁合金材料由于非晶合金中原子的排列是混乱无序的这种特殊结构，使得非晶合金具有一些独特的性质。所以，以前的非晶合金在使用时，必须保证它们处于非晶态。一般的非晶合金存在着发生晶化的可能性，一旦在晶化温度以上退火，材料内部的原子排列就变成了有序的，也就是说成为晶体，而且晶粒组织很粗大，这时非晶合金原有的磁性能就会丧失。因此，一般的非晶合金都要在非晶状态下使用。但是，自从八十年代末，日本的吉泽克仁等发现，含有Cu和Nb的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织，晶粒尺寸仅有10－20纳米。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良。这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金（以前也曾称为超微晶合金）。铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但是却不含有昂贵的钴，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。1.3非晶软磁合金材料的优点1.3.1优良的磁性与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。1.3.2高强韧性明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。1.3.3灵活的处理工艺和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的，选择余地很大，为电力电子元器件的选材提供了方便。1.3.4制造工艺简单，节能、环保传统的薄钢板，从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若干工艺环节、数十道工序。由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户，有“水老虎”和“电老虎”之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良，降低变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。表1是非晶软磁合金材料与其它常用软磁材料性能的比较。1.4非晶软磁合金材料的应用领域由于非晶软磁合金具有优良的电磁性能，应用领域非常广阔。1.4.1电力电子技术领域：大功率中、高频变压器逆变电源变压器大功率开关电源变压器1.4.2通讯技术：程控交换机电源数据交换接口部件脉冲变压器UPS电源滤波和存储电源、功率因素校正扼流圈、标准扼流圈1.4.3抗电磁干扰部件：交流电源、可控硅、EMI差模、共模电感、输出滤波电感1.4.4开关电源：磁饱和电抗器磁放大器尖峰抑制器扼流圈1.4.5传感器：电流电压互感器零序电流互感器漏电开关互感器防盗感应标签1.5有关非晶软磁合金材料的几个问题1.5.1材料稳定性1.5.1.1温度稳定性(指非晶态合金的磁性能随使用温度的变化)：常用的磁性材料，当温度升高时，其饱和磁通密度都是下降的。当温度高于一定值时，材料变成顺磁性的，原有磁性能丧失，无法继续使用。这个温度称为磁性材料的居里温度（或居里点）。居里点越高，表明材料可能的使用温度越高，即材料的温度稳定性越好。对于几种常用的磁性材料，其居里温度如下：硅钢：600℃，坡莫合金：400℃，铁氧体：200℃，铁基非晶：400℃铁氧体无论是饱和磁通密度还是居里点都是最低的；硅钢的居里点最高，可惜只能在低频使用；坡莫合金的居里点较高，饱和磁通密度中等，同时能在20kHz以上使用，但价格高；而不同的非晶态合金具有不同的饱和磁通密度和居里点，分别可以应用于高频和低频，同时价格也低于相应的其它材料。因此，可以说非晶态合金作为变压器铁心使用是非常理想的。除了居里点以外，非晶态合金的晶化温度也是衡量材料温度稳定性的一个重要参数。由于非晶态合金在高温下会发生晶化，由此它的使用温度受到晶化温度的限制。但是，非晶态合金的晶化温度的高低是足以应付几乎所有使用条件的。通常，非晶态合金的晶化温度在450－600℃之间，而高频电源中的其它元器件的最高使用温度也只不过在150℃以下。非晶态合金的温度稳定性对于某些应用是至关重要的，因此，在非晶态合金的研究开发过程中，温度稳定性得到了充分的重视。早在八十年代，广大军工用户就提出了非常严格的温度稳定性要求。通常情况下，非晶态合金必须满足如下要求：温度范围：-55℃—+130℃，主要性能变化率：±15%钴基非晶合金的磁性能温度稳定性相当好，通常作为军工产品使用。对于铁基微晶合金，虽然性能的变化率较大，但值得注意的是，其高频损耗随使用温度的升高而降低。考虑到变压器铁心的实际工作温度总是高于室温，这种变化实际上是有利的。综上所述，非晶态合金的温度稳定性非常值得信赖，使用温度在130℃以下的变压器铁心完全没有问题。1.5.1.2时效稳定性（指在一定温度下，非晶态合金的磁性能随时间的变化）：对于大多数变压器铁心来说，其使用时间往往较长。由于非晶态合金处于亚稳态，在一定条件下有晶化的趋势。这使人们担心，随着使用时间的延长，非晶合金的磁性能会不会由于晶化而丧失。为了验证非晶态合金经过长时间使用会不会失效，最直接的方法莫过于将非晶态合金铁心在实际使用条件下长期运转，观察磁性能的变化。美国自八十年代就已经开始非晶态合金的生产，并大量应用于配电变压器铁心。根据大量报道，这些变压器一直在正常运行，表明非晶铁心的时效稳定性是可靠的。我国自八十年代起将非晶态合金应用于开关电源、中频变压器及漏电保护开关等多种场合，至今没有因为铁心性能恶化导致变压器失效的例子，这充分证明我国的非晶态合金在时效稳定性方面是安全的。但是，对于众多的非晶态合金来说，都进行模拟实际应用的长时间试验显然是不现实的。正如前面所述，非晶态合金在一定温度下有发生晶化的趋势，这种趋势随着温度的降低是呈指数规律迅速递减的。根据这种规律，我们通常利用高温短时间的时效试验代替低温长时间的试验，用以说明材料的时效稳定性。对于常见的非晶软磁合金，最常用的试验条件为：时效温度130℃，时效时间200小时。从试验结果来看，非晶态合金的高温时效稳定性是非常好的。一般认为，非晶态合金在130℃以下使用是可靠的，有些品种的使用温度甚至可以达到150℃。1.5.1.3磁冲击稳定性（非晶纳米晶铁心经过强磁场的冲击后保持原有磁性能的能力）：非晶铁心在使用过程中，有时会受到来自电源内部或外部的强磁场冲击。在强磁场冲击后，铁心保持原有性能是非常关键的。否则，铁心性能的恶化会降低电源效率，严重的甚至造成铁心工作点偏移，使铁心饱和，损坏开关管。为了研究非晶态合金的磁冲击稳定性，曾经对不同材料的铁心进行了一系列磁冲击试验，试验结果充分表明，非晶态合金经过适当处理后，磁性能完全可以经受强磁场的冲击而基本复原。1.5.1.4机械稳定性（指非晶态合金经过机械冲击振动后磁性能的变化）：非晶态合金在使用前，一般都要经过热处理。而经过热处理后，材料比较脆。但无论什么材料，作为变压器铁心使用时，大多数要放在保护盒中或表面注塑后使用。对于非晶态合金，在铁心装入保护盒时通常还要加入某些衬垫物，如硅脂、海绵等。这些措施完全可以保证铁心在使用中不发生损坏和磁性能恶化。在非晶态合金研究开发的初期，首先是在军工电源中应用的。军工设备严酷的工作条件，对铁心的性能要求十分苛刻。例如，对于航空航天装备中的开关电源，对变压器铁心机械稳定性的要求一般是：耐机械冲击性：加速度55g，持续时间8ms，冲击3次，要求损耗变化率DP/P≤±15%。耐机械振动：频率20－500Hz，加速度5g，扫描45分钟，两个方向，要求损耗变化率DP/P≤±15%。离心试验：恒加速度15g，5分钟，要求损耗变化率DP/P≤±15%。根据上述要求，曾经对非晶态合金作了一系列机械稳定性试验。经过一系列机械冲击和振动等试验，非晶铁心的磁性能变化率相当低，完全满足使用要求。总之，非晶态合金的机械稳定性良好。目前，在非晶中心的产品中，每年用于军工电源的铁心在一万只以上。既然它们可以稳定地应用于军工电源，那么在使用条件相对温和的民品中理所当然也是可以胜任的。1.5.2规模生产问题目前，国内非晶软磁合金生产企业中多数企业程度不同地存在批量产品质量不够稳定、产品一致性差、性能指标离散较大的问题，其主要原因是有的生产厂家技术装备差、生产工