非晶超微晶(纳米晶)合金知识简介

非晶超微晶(纳米晶)合金知识简介

非晶超微晶(纳米晶)合金知识简介

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10－20纳米的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为超微晶或纳米晶材料. 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(8万)、低Hc(0.32A/M）, 高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg）,电阻率为80 微欧厘米，比坡莫合金(50-60微欧厘米)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;适用频率范围：50Hz-100kHz，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、互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯.等．

非晶合金的特点及分类

非晶合金是一种导磁性能突出的材料，采用快速急冷凝固生产工艺，其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列，它与硅钢的晶体结构完全不同，更利于被磁化和去磁。典型的非晶态合金含80%的铁，而其它成份是硼和硅。非晶合金材有下列特点：（1）非晶合金铁芯片厚度极薄，只有20至30um，填充系数较低，约为0．82。（2）非晶合金铁芯饱和磁密低。（3）非晶合金的硬度是硅钢片的5倍。（4）非晶合金铁芯材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能。（5）非晶合金的磁致伸缩程度比硅钢片高约10％，而且不宜过度夹紧。非晶合金具有的高饱和磁感应强度、低损耗（相当于硅钢片的1/3～1/5）、低矫顽力、低激磁电流、良好的温度稳定性等特点。

非晶合金可以从化学成分上划分成以下几类：

（1）铁基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)

铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度（1.54T），铁基非晶合金与硅钢的损耗比较：磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，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％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm 左右，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。

（2）铁镍基、钴基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)

铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成，它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。在中、低频率下具有低的铁损。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。价格比1J79便宜30－50％。铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应,但低铁损和高的机械强度远比晶态合金优越；代替1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。

（3) 铁基纳米晶合金（Nanocrystalline alloy）

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，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；适用频率范围：50Hz-100kHz，最佳频率范围：20kHz-50kHz

与传统材料的比较

冷轧硅钢的饱和磁感高，但由于其有效磁导率低，高频损耗大，使用频率达不到kHz频段，即使使用极薄硅钢仍达不到铁基非晶的损耗水平；铁氧体材料的价格低廉，但由于其居里温度低，在100℃以上时的饱和磁感已经很低，因此其使用温度受到限制，再者，其饱和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯时需要较大的体积。至于坡莫合金，尽管其磁性能好，可与非晶纳米晶材料相媲美，但由于它含有50％以上的镍，成本高，加工工艺复杂，获得用于高频环境下的极薄带的价格昂贵，两者的性价比是不可比的．总体来说，非晶合金具有如下优势：

（1）不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下，经过长期使用，性能无显著变化；

（2）温度稳定性比软磁铁氧体好，在－55℃至150℃范围内，磁性能变化5％～10％，而且可逆；

（3）耐冲击振动，随电源整机在30g下的振动试验中，均未发生过性能恶化问题；

（4）铁基非晶合金脆性大大改善，带材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷绕磁芯，经过5次弯折或拆卸，性能无显著变化。

非晶合金的应用领域

（1）替代极薄硅钢产品，从市场需求来看，极薄硅钢（厚度<0.1mm）在20世纪70年代大量用于400Hz 以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等，目前这方面的市场需求较大，但供方难以满足需要，用非晶纳米晶合金材料替代，不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化，而且价格上也有利可图。

（2）高磁导率和大功率磁芯器件，由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制，高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求，如采用非晶纳米晶材料取而代之，可以促使一些电子设备国产化、小型化。

铁基非晶合金冷轧硅钢铁镍基非晶钴基非晶合金铁基纳米晶合金坡莫合金软磁铁氧体

饱和磁感应强度/T >1.5 2.0 >0.7 0.5～0.8 >1.2 0.5～1.5<0.5

居里温度/℃ >415 730 >250 >320 >560 >400 <230

晶化温度/℃ >550 >410 >480 >510

电阻率/μΩ－cm 140 50 125 140 90 55 >106

密度/(g/cm3) 7.18 7.65 7.5 8.0 7.25 8～8.84.8

硬度/(hg/mm2) 860 640 900 880 120 600

饱和磁致伸缩系数/×10－6 20～30 27 12 0 1～2 0～25 14

初始导磁率 >1000 1000 >4000 >30000 >80000 >10000 2000

最大导磁率 >200000 >10000 >200000 >200000 >2000000>200000

矫顽力(A/m) <3 >8.0 <0.8 <2.0 <2.0>0.4 20

铁损/(W/kg) P1/50=0.07P1

/400=1.2 P1/50>0.3P1

/400=5.8 P0.2/20k<20 P0.2/20k<5 P0.2/20k

<10 P0.2/

20k=13 P0.2/

20k<20