纳米晶带材简介

铁基纳米晶合金

一、简介：

铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为的，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。微晶直径 10-20 nm, 适用频率范围 50Hz-100kHz.

二、背景介绍：

1988年日本的Yoshizawa等人首先发现,在Fe-S-iB非晶合金的基体中加入少量Cu和

M(M=Nb,Ta,Mo,W等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc结构的超细晶粒(D约10nm)软磁合金。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。其典型成份为

Fe7315Cu1Nb3Si1315B9,牌号为Finemet。其后,Suzuki等人又开发出了Fe-M-

B(M=Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe基、Co基、Ni基[2]。由于Co基和Ni基不易于形成K、Ks同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。

三、铁基纳米晶软磁合金的制备方法

纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金。

四、纳米晶软磁合金的结构与性能

纳米晶软磁合金的典型成份为Fe7315Cu1Nb3Si1315B9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类: (1). 铁磁性元素:Fe、Co、Ni。由于Fe基合金具有高Bs的优势,且纳米晶合金可以实现K和Ks同时为零,因而使L值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课题。

(2). 非晶形成元素:主要有Si、B、P、C等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si也是

重要的非晶化元素,通常含量在6at%以上。含Si量过高将使Bs降低,含Si量过低则不易形成非晶因而形成纳米晶较难;Si还往往是纳米晶主相Fe-Si(A-Fe)的基本构成元素。(3). 纳米晶形成元素,主要包括两类:一类是Cu、Ag、Au及其替代元素,如Ib族元素和Pt 系贵金属元素。这些金属在Fe中的固溶度小或基本不固溶于Fe,晶化时首先与Fe分离,造成该金属元素的富相区,起A-Fe的形核作用。第二类是Nb、Mo、W及其替代元素,如IVb、Vb、VIb族元素等。这类元素的主要作用是扩散缓慢,阻止A-Fe晶粒长大,从而保证晶粒的纳米尺寸,同时对降低Ks、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能有益,Cr 对耐腐蚀性也有明显作用。

图1显示了在823K下退火112ks的Fe7315Cu1M3Si1315B9纳米晶合金的不同纳米晶形成元素与晶粒尺寸的关系,从中可以看出横坐标从Cu到Mn元素主要促进纳米晶的长大,而Zr到W元素起到抑制晶粒长大的作用。

(4)调整元素,是根据特种需要而添加的少量元素,如

Ru等,常用于磁头材料。

五、性能特征：

（1）纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高频损耗低(P0.5T/20kHz=30W/kg)，电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料;：，最佳频率范围：20kHz-50kHz。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。

（2）纳米晶合金的磁导率、Hc值接近晶态高坡莫合金及钴基非晶，且饱和磁感Bs与中镍坡莫合金相当，热处理工艺简单，是一种理想的廉价高性能软磁材料;虽然纳米晶

合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗远低于它们，并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比，在低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯体积可小一倍以上。

六、应用：

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。

七、铁基纳米晶软磁材料的应用：

由于/Finemet0、/Nanoperm0和/Hitperm0显示出优异的软磁性能,铁基纳米晶软磁材料广泛应用于功频变压器铁芯、饱和扼流圈、高频变压器以及磁头等。最近,利用铁基纳米晶软磁材料的巨磁电阻效应制成的下一代信息存储设备,大大提高了存储密度,降低了存储设备的体积和重量;利用其磁致冷效应制得的/绿色冰箱0,避免了有害氟利昂的使用,保护了环境。此外在ISDN铁芯、传感器、共模扼流圈、防磁罩等方面也有巨大的应用前景。

八、铁基纳米晶软磁材料研究的趋势：

随着纳米晶软磁材料应用的不断发展,越来越要求软磁材料具有高的饱和磁感应强度、高磁导率、低铁损以及高耐腐蚀性、高的强度等等。为此,在高性能软磁合金、大块非晶以及由此产生的理论研究已成为现在和将来一段时间内软磁材料研究的热点和趋势。

九、优势：

为了得到对共模干扰最佳的抑制效果，共模电感铁芯必须具有高导磁率、优良的频率特性等。从前绝大多数采用铁氧体作为共模电感的铁芯材料，它具有极佳的频率特性和低成本的优势。但是，铁氧体也具有一些无法克服的弱点，例如温度特性差、饱和磁感低等，在应用时受到了一定限制。

近年来，铁基纳米晶合金的出现为共模电感增加了一种优良的铁芯材料。铁基纳米晶合金的制造工艺是：首先用快速凝固技术制成厚度大约20－30微米的非晶合金薄带，卷绕成铁芯后经过进一步加工形成纳米晶。与铁氧体相比，纳米晶合金具有一些独特的优势：

（1）高饱和磁感应强度：铁基纳米晶合金的Bs达1.2T，是铁氧体的两倍以上。作为共模电感铁芯，一个重要的原则是铁芯不能磁化到饱和，否则电感量急剧降低。而在