纳米晶

纳米晶合金材料—导磁率是铁氧体的10倍多
纳米晶市场分析—市场需求1800-2000吨
超薄带市场前景好，电子行业需要的优质纳米晶，市场需 求量在1800-2000吨，而这类带材只有极少企业能够稳定生 产，2014年提供不到800吨。带材价格也较高，一般是普 通带材价格的2~3倍，而且容量也较大。 我国电子产业各种电子元器件使用纳米晶材料3%左右， 部分高端产品约占到7~10%,部分产品甚至占到30%。只要 升级转型发展，以纳米晶为代表的软磁新材料就拥有市场 。 2015年9月23日的国务院常务工作会议上，对充电桩事宜 也进行了部署，这将推动纳米晶在充电桩中的应用。
纳米晶材料的生产工艺及应用发展
装备制造产业招商局 顾岁岁
2016.3.23
软磁材料简介 纳米晶带材的生产工艺
目录
纳米晶材料的应用及发展
变压器/电磁器件工作原理—电磁互感
Φ
i1
U1
i2
u1
ZL
u1
U2
e1
e2 u 2
u2
通过闭合铁芯，利用互感现象实现了： 电能 → 磁场能 → 电能转化 (U1、I1) (变化的磁场) ( U2、I2)
铁基非晶合金
铁基非晶合金 组成：80%Fe、20%Si,B类金属元素 性能：1. 高饱和磁感应强度（1.54T）；
2. 与硅钢片的损耗比较：磁导率、激磁 电流和铁损等都优于硅钢片。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节能60－70％。
应用：广泛应用于配电变压器、大功率开 关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变 压器及逆变器铁芯，适合于10kHz 以下 频率使用。
现场操作人员的操作接口
操作设备：如中频炉小车的启停控制、电动推杆动作、辊嘴微调、中间包塞杆控制等 控制参数输入：如铜辊调速、带厚设定值输入，辊嘴伺服电机位移、速度调节等
报警功能
监视关键环节，通过报警提醒现场操作人员，使生产安全稳定，如冷却水流量超低报 警、电机过载等。
非晶纳米晶的应用
随着非晶纳米晶铁芯的普及和市场应用的拓展， 近几年非晶合金铁芯的价格的火热期已过，像漏 保、电力互感器、电感器、小功率型及C型变压 器等中低端电子器件用的非晶纳米晶铁芯目前相 对比较稳定呈缓慢下降趋势，目前价格已经低于4 万元/吨。同时一些对性能要求较高的精密电流互 感器、共模电感器、中高频大功率变压器等应用 器件对非晶纳米晶的需求量在不断上升，个别铁 芯价格达10万元/吨，利润可观。
大功率变压器铁芯
应用领域： • 逆变焊机电源 • 通讯电源 • 高频感应加热电 源 • UPS电源 • 激光电源 • 电解电镀电源 • 充电电源 • 变频调速电源 • 等离子切割电源
大功率变压器铁芯
性能特点： • 高饱和磁感应强度----有效缩小变压器体积， 铁基纳米晶合金的饱和磁感是铁氧体的3倍，同样 体积的铁芯要比铁氧体输出功率大2倍，同时有更 大的抗过载能力 • 高导磁率、低矫顽力-提高变压器效率、减小 激磁功率、降低铜损，导磁率是铁氧体的10倍以 上，因此激磁功率小，因而也减少了铜损 • 低损耗-降低变压器的温升，其铁芯损耗在 20KHz～50KHz的频率范围是铁氧体损耗的1/2～ 1/5； • 优良的温度稳定性-可在-55~130℃长期工作
接喷嘴
2. 装杯机构 材料采用耐热合金，可快速拆卸，内部安 装有电热丝加热套，将喷嘴杯安放在内部 。 3. 塞棒控制机构 安装在包盖上部，塞棒插入包壳内部，连 接处使用波纹管密封。保证塞棒快速打开 ，且气体不得泄露。
喷嘴包支架示意图
六维调节机构
冷却辊示意图
水管
前修磨机构
电机
卷取设备照片
零序电流互感器铁芯
产品应用 • 漏电保护开关用互感器环状铁芯 产品特性 • 具有高磁导率、低矫顽力、低损耗 • 对弱漏电流敏感，具有良好的耐大电 流冲击能力 • 采用铁芯表面防护技术，防止铁芯碎 屑 • 良好的温度稳定性，可以在25℃~100℃下稳定工作 • Uavg(100℃/-25℃)/ Uavg(20℃)=0.7~1.2
铁氧体
组成：铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成。一般 可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。软磁 铁氧体是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物（例 如：氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶 等）配制烧结而成。 性能：具有低饱和磁感应强度（0.5T），低矫顽力，高电 阻率和较低的居里温度，所以软磁铁氧体的温度稳定性不 理想。 应用： 它主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压 器磁芯、无线电磁芯，以及磁带录音和录像磁头等，也是 磁记录元件的关键材料。
1K502
材料特性
各向同性的软磁材料 厚度极薄，仅为 0.025mm。
电阻率高，涡流损耗小
硬度大，切割要求高，易碎
机械应力敏感，受力后会影响性能
高性能纳米晶材料生产线介绍
设备组成
1. 熔炼系统 2. 压力包系统 3. 铜辊及冷却系统 4. 辊嘴间距微控系统 5. 在线卷取系统
设备示意图
真空炉 控制室
导磁率（20KHz）（Gs/Oe） 矫顽力 Hc(A/m) 饱和磁致伸缩系数（×10－6） 电阻率(muOhm· cm) 居里温度(℃) 铁芯叠片系数
纳米晶铁芯
1.25 < 0.20 < 3.4 < 35 < 40
> 20,000 < 1.60 < 2 80 570 > 0.70
铁氧体铁芯
0.5 0.2 7.5 不能使用 不能使用
测厚机构
卷取机
加压包调整
百度文库
熔炼炉示意图
流槽
大轴
感应线圈
机械泵 罗茨泵
200kg真空（气氛）熔炼及真空（气氛）浇注炉经过特殊定制 而成，可以保证在真空或气氛保护环境下将钢水倒入浇注包中， 供电方式为可控硅并联（KGPS），功率为200kw 倾倒方式为液压驱动，电炉与控制柜采用闭式冷却塔（或板式 热交换器）
精密（高频）电流互感器铁芯
应用领域 • 电子电度表 • 精密功率表 • 机械控制中电流过载保护 • 工业自动化中电流控制 性能特点 • 高磁导率，低角差、低比差 • 与坡莫合金相比具有更高的 饱和磁通密度，测量电流范 围更广 • 低铁损 • 较好的温度稳定性
共模滤波电感铁芯
共模噪声抑制作用，在精密设备保护，电网EMI谐波过滤等各种EMC场合广 泛应用。
铁镍基非晶合金/坡莫合金 组成：40%Ni、40%Fe及20%类金属元素 性能：1. 具有中等饱和磁感应强度（0.8T ）、 较高的初始磁导率和很高的最大磁 导率以及高的机械强度和优良的韧性。2.在 中、低频率下具有低的铁损。3.空气中热处 理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好 的矩形回线。 应用：广泛用于漏电开关、精密电流互感 器铁芯、磁屏蔽等。
1K202 1K203 1K204 1K205
1K105
高起始磁导率快淬软磁钴基合金
1K106
高频低损耗Fe-Si-B快淬软磁铁基合 1K206 金
淬态高磁导率软磁钴基合金 Fe-Ni-P-B快淬软磁铁镍基合金 Fe-Ni-V-Si-B快淬软磁铁镍基合金
1K501
1K107
高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B快淬软磁 铁基纳米晶合金
大功率变压器铁芯
随着高频逆变技术的成熟，逆变 电源体积小、重量轻、效率高的 优势愈加明显。作为逆变焊机心 脏的主变压器，由于工作频率提 高到20KHz以上，传统的铁芯材 料硅钢已不能满足使用要求；铁 氧体虽高频损耗较低，但因其饱 和磁感应值（Bs）较低，铁芯 的体积和重量仍较大，此外，铁 氧体的居里温度较低，热稳定性 差。铁基纳米晶材料具有优良的 综合磁性能，集硅钢、坡莫合金 、铁氧体的优点于一身，即高磁 感、高导磁率、低损耗。
压力包示意图
压力包容量为200kg，采用12根25mm 的硅碳棒进行加热， 底部4根，两侧各4根。主要有以下几个方面构成 热 电 偶 接钢位置
硅碳棒 水路
塞棒
1. 包壳与大包盖 材料采用钢板加工完成后焊件而成。包盖与包体 采用水冷却。 技术要求：本包在制造过程中需按压力容器的有 关标准进行焊接。还需充0.1MPa的正压； 包盖和包体水路能耐0.7MPa的水压。 将包壳剩余的孔用盲板封严后，整体漏气率小于 10Pa/min。
软磁材料铁芯发展
电力变压器
19世纪末
电磁元器件
铁粉、氧化铁、细铁丝等
纯铁、软钢和无硅钢
硅钢片
20世纪初
坡莫合金、坡莫合金磁粉 热轧磁性硅钢片 软磁铁氧体 冷轧无取向硅钢片 冷轧晶粒磁性硅钢片 软磁合金薄带
20世纪末
非晶态合金
非晶纳米晶合金
常用的软磁磁芯种类
铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材 料的基本组元。 按(主要成分、磁性特点、结构特点)制品形 态分类：(1) 粉芯类： 磁粉芯，包括：铁粉 芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯(High Flux) 、坡莫合金粉芯(MPP)、铁氧体磁芯;(2) 带 绕铁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米 晶合金。

应用领域（过滤电路中的电磁干扰信号） • 开关电源 • UPS（不间断电源） • 变频器 • EMC滤波器 • 逆变焊机 • 光伏逆变器 • 风电 • 电动汽车 • 电磁炉等 性能特点 • 具有高导磁率 • 优良的频率特性 • 极大的磁导率调节范围 • 突出的抗不平衡电流能力 • 优良的温度稳定性
50μΩ.cm 7.65 g/cm3
维氏硬度
饱和磁致伸缩系数 最大导磁率 厚度
860 hg/cm2
30×10-6 ＞200，000 0.02～0.04 mm
--10×10-6 ＞10，000 0.23～0.33 mm
纳米晶与铁氧体铁芯性能比较
基本参数
饱和磁感Bs（T） 剩余磁感Br（T）（20KHz） 铁损（20KHz/0.2T）（W/Kg） 铁损（20KHz/0.5T）（W/Kg） 铁损（50KHz/0.3T）（W/Kg）
冷却辊
测厚辊
压辊
设备控制系统结构图
设备控制系统结构图
数据采集分析系统
SIEMENS PLC
S120多轴控制单元（喷嘴间距控制）
S120矢量控制（卷取控制）
左侧喷嘴控制
右侧喷嘴控制
塞杆位置控制
铜辊驱动电机 卷取驱动电机 卷取小车驱动电机
触摸屏人机界面设计
设备运行状态显示及关键参数监视
通过指示灯、按钮，动画和曲线形象展示当前设备运行状态 关键参数监视：如铜辊转速、卷筒转速、铜辊膨胀量、冷却水流量，中间包重量等
铁基纳米晶合金
铁基纳米晶合金
组成：铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所 构成的合金，经快速凝固工艺形成一种非晶态材料。热 处理后获得直径为10－20 nm的微晶,弥散分布在非晶态 的基体上，被称为微晶、纳米晶材料。 性能：具有优异的综合磁性能，高饱和磁感、高初始磁 导率、低Hc，高磁感下的高频损耗低，电阻率比坡莫合 金高。经纵向或横向磁场处理，可得到高Br或低Br 值。 是目前市场上综合性能最好的材料。 应用：广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大 器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流 互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯等电磁转换 功能的元器件中。
不同软磁材料的物理性能
不同软磁材料的磁性能
非晶合金与硅钢的主要性能比较
非晶合金 饱和磁感应强度 矫顽力 居里温度 1.56T ＜4A/m 415℃ 冷轧硅钢 2.03T ＞30A/m 745℃
单位铁损 (1.3T,50Hz)
电阻率 密度
0.18W/kg
140μΩ.cm 7.18 g/cm3
1.2W/kg
2,000 6 4 106 < 200 －
牌号和基本成分
1K101 1K102 1K103 1K104 Fe-Si-B快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-C快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-Ni快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-Ni Mo快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)快淬软磁 铁基合金 1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金 高剩磁比快淬软磁钴基合金 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金 高频低损耗快淬软磁钴基合金
矩形功率变压器铁芯
产品应用
• 静电除尘高频电源 • 轨道交通机车电源 • X光电源、激光电源 • 通讯设备电源 • 高频感应加热电源
性能特点
用铁基纳米晶带材制造，具 有高饱和磁感应强度、高磁 导率、低损耗及良好的温度 稳定性。
高压电流互感器铁芯
性能特点：
- 高磁导率 -减小电流互感器测量误差 - 高饱和磁感应强度 -比坡莫合金电流互感器尺寸小、重量轻 - 优越的温度稳定性―长时间工作在-55~130度 - 低损耗－可替代坡莫合金的理想材料