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
注：铁损的表示方法：如P1/50表示频率为50Hz,磁通密度为1T的铁损。

（3）工作环境温度高和环境恶劣等的一些电子产品，如油田钻探、海洋探测等特殊环境使用的电子产品用的各种磁性器件，选用非晶纳米晶合金材料制作，可以物尽其用，避免选材上的困扰。

（4）航空、航天等军工产品用的各种磁性器件需要小而轻、温度稳定性好、磁性要求高，使用非晶纳米晶合金材料远优于其他软磁材料。

（5）高频、大电流、大功率电源变压器、电抗器、滤波器等器件的小型化，目前这些器件大都采用铁氧体或冷轧硅钢，工作频率f=20kHz，工作磁感B=0.2T～0.3T，如采用非晶纳米晶合金磁芯，可将工作频
率提高到f=40kHz～50kHz,工作磁感B=0.5T～0.6T，可以大大减小磁芯器件的体积和尺寸。

（6）各种抗EMI器件、噪声抑制器和尖峰抑制器
市场前景
非晶合金是一种无序原子结构的合金，它代表了冶金学中最新的材料，其典型生产过程是由熔融的合
金在最初的冷却速度率接近于每秒100万度的情况下凝固而成。

“非晶合金带材”含铁78%-81%、含硼13-5%、含硅3.5%-8%，另外还含微量的镍和钴等金属元素，外表面特征是具有金属色泽的银灰色薄带。

非晶合金的一个重要应用领域是配电变压器。

与取向硅钢变压器相比，非晶变压器的主要优势为：
采用非晶合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗比同容量的硅钢变压器降低60%-80%，减少了
能源消耗，具有很好的经济效益和环境效益。

由于非晶变压器的空载能耗较低，比较适合在我国农村用电和城市配网。

我国“十一五”规划的目标中，明确要“实现2010年人均国内生产总值(GDP)比2000年翻一番”，“单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右”。

“十一五”规划对节能降耗的明确提出以及具体目标的出台，对国内各行各业
将形成现实的压力，对于耗能大户电网公司压力尤其巨大。

电网降耗的短期技术实现手段不多，非晶变压
器是必选手段。

目前，我国年均生产配电变压器约2.4亿kVA，如30%改用非晶材料，年生产非晶变压器为7200万kVA，以每台变压器300kVA为例，年需求非晶变压器将达24万台。

这将降低变压器空载损耗13万kW，一年可节约用电11.4亿kWh。

相当节约电煤43.3万吨，减少燃煤有害气体排放1.1万吨。

据国家有关部门预测，国内变压器厂对非晶配电变压器铁芯的需求按变压器总需求30%的使用率测算，每年至少需要铁基非晶带材15-20万吨。

预期2010年需求将达到20万台，因此未来五年非晶合金变压器
需求将高速增长，保守估计年复合增长率在50-100%，非晶合金变压器将成为电网设备中增长最快的品种
之一。

在价格方面，由于非晶变压器所需要的铜线比冷轧硅钢要多，所以只有非晶合金的价格与冷轧硅钢片
的价格保持合理的比例，才能使得非晶合金在变压器产业中占有市场份额。

按照总拥有费用法(简称TOC，是一种评价变压器能源效率比较全面的方法)计算，当非晶变压器的价格≤1.3倍的同容量的冷轧硅钢变压器的价格，才能达到替代的目的。

从2004年开始，硅钢变压器的主要原料取向硅钢价格猛涨，从不到2万元/吨一度上涨到4.2万元/吨，目前维持在3.7-3.8万元的高位。

相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比已由数年前的1：2回落到目前的1：1.3以下。

硅钢价格暴涨使得非晶合金变压器的相对成本大幅下降，节能降耗及投入产出优势充分体现，给非晶变压器的推广应用提供了强劲的动力。