非晶合金的特点分类应用可行性分析

非晶纳米晶软磁合金及其应用Amorphousandnanocrystallinesoftmagneticalloysanditsapplication陈文智1非晶合金的特点由于非晶合金的无序构造，使其含有某些独特的性质：高强韧性：明显高于传统的钢铁材料，能够作复合增强材料，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。非晶合金丝材可用在构造零件中，起强化作用。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，并且电阻率高，因此含有高的磁导率、低的损耗，是优良的软磁材料，替代硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等，能够大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、减少能耗。非晶合金的磁性能事实上是迄今为止非晶合金最重要的应用领域，下面还将具体介绍。简朴的制造工艺：以传统的薄钢板为例，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，传统的钢铁公司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，节省了大量贵重的能源，同时无污染物排放，对环保非常有利。正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良，减少变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和21世纪的材料。2非晶合金的分类磁性非晶合金能够从化学成分上划分成下列几大类：铁基非晶合金：重要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。它们的特点是磁性强（饱和磁感应强度可达1.4T-1.7T）、软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，作为中低频变压器和电感器铁心(普通在15千赫兹下列)。铁镍基非晶合金：重要由铁、镍、硅、硼、磷等构成，它们的磁性比较弱（饱和磁感应强度大概为1T下列），价格较贵，但导磁率比较高，能够替代硅钢片或者坡莫合金，用作高规定的中低频变压器铁心。钴基非晶合金：由钴和硅、硼等构成，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（饱和磁感应强度普通在1T下列），但导磁率高，普通用在规定严格的军工电源中的变压器、电感器等。铁基纳米晶合金（超微晶合金）：它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等构成。它们首先被制成非晶带材，然后通过适宜退火，形成纳米晶和非晶的混合组织。这种材料即使便宜，但磁性能极好，几乎能够和钴基非晶合金相媲美，是高频变压器、互感器、电感器的抱负材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。3

铁基非晶合金的磁性和应用铁基非晶合金的典型牌号是1K101（我们现在所购置的带材），在全部惯用的非晶合金中含有最高的饱和磁感应强度，磁导率大大高于硅钢片，而矫顽力及铁损明显低于硅钢片，如表1所列。铁基非晶合金替代硅钢片，作为中低频（50Hz~20lHz）变压器和电感元器件的铁心材料，将带来以下好处：高饱和磁感－提高铁心的工作磁感，缩小体积，对配电变压器和电感器尤为重要。高磁导率低矫顽力－减小变压器初级线圈的激磁电流。低损耗－减少器件的温升。3.1配电变压器铁心铁基非晶合金的铁损仅相称于硅钢片的1/3～1/5，磁导率比硅钢片高出近一种数量级。用非晶合金铁心制造的配电变压器空载损耗比硅钢S9系列变压器下降75％，空载电流比S9变压器下降50％。图1是铁基非晶配电变压器铁心在工频下的铁损和激磁功率。在配电变压器铁心设计中，非晶铁心的工作磁感常取1.3T-1.4T，低于硅钢片的1.6T-1.7T，因此非晶铁心配电变压器的体积比硅钢片铁心稍大。同时，出于设计和产量等因素，现在非晶合金变压器的价格高于硅钢变压器，但非晶合金变压器运行过程中的空载损失远低于硅钢变压器，整体成本是减少的。这种状况特别合用于空载时间长、用电效率低的农村电网。为了精确计算非晶变压器的节能效益，引入总拥有成本（TOC）的概念：TOC＝变压器购置成本＋使用成本即使非晶合金变压器的购置成本较高，但考虑到非晶合金变压器含有低的铁损，在变压器运行一定时间后，由于低的空载损耗形成的节电效益即可不不大于与硅钢变压器的购置差价。同时，非晶配电变压器的节能也十分有助于环保。3.2中频变压器铁心随着电力、电子设备的发展，对电源的小型化规定越来越迫切，提高电源的工作频率是减少变压器体积、提高效率的有效途径。航空飞行器、航海船舰使用的电源，工作频率为400Hz（800Hz、1600Hz）；高频加热设备的工作频率在1kHz～15kHz范畴。随着高频逆变技术的成熟，工作频率提高到20kHz以上，高频逆变电源由于频率的提高，体积小、重量轻、效率高、节能效果明显，生产量越来越大。作为电源心脏的主变压器，传统的铁心材料硅钢由于损耗太大，已不能满足使用规定。非晶材料的出现，为中频变压器提供了抱负的材料，在中频变压器领域中已得到较好的应用。铁基非晶合金不仅含有抱负的工频磁性能，并且中频磁性同样优秀，因此能够广泛用来替代硅钢片，制造多个中频电源变压器铁心，如400Hz航空电源、铁路信号控制系统电源、淬火电源等，工作频率可达15kHz。对于不同频率的变压器，铁心的工作磁感也取对应不同的值，普通随着电源频率的提高适宜减少铁心工作点。图2为中频变压器用铁基非晶铁心的损耗频率特性。3.3高频电抗器及滤波电感器铁心

铁基非晶合金的高频铁损大大低于硅钢片，并含有高的饱和磁感，是中高频大功率电源中滤波电抗器、高频滤波电感器、功率因数校正电感器铁心的抱负材料，设计时工作点能够取靠近饱和值。硅钢片的饱和磁感即使高，但是由于高频铁损很大，为了避免发热过大只能减少工作点。铁基非晶铁心现在已经应用于大功率电抗器铁心、大功率高频电源输出滤波电感器铁心以及小功率电源输出电感器铁心、汽车音响用电感器铁心等。图3－图6为惯用铁基非晶电抗器及滤波电感器铁心的高频损耗特性和抗偏磁特性。4.铁基纳米晶合金的磁性和应用铁基纳米晶合金（超微晶合金）是在原有铁基非晶合金基础上发展起来的新一代高性能软磁材料，高频磁性能和坡莫合金及铁氧体相称，应用于从工频到100kHz的宽频率范畴内的多个变压器和电感铁心。坡莫合金是比较传统的高频变压器铁心材料。由于它含镍，并且钢带需要多次轧制和高温退火，制造铁心时还要表面涂层，因此工序繁杂，价格很高。铁氧体是一类低成本的高频变压器铁心材料，但是饱和磁感应强度低和居里温度低是它的致命弱点，因此铁心工作点低、体积大、使用温度受限。相比之下，铁基纳米晶合金综合了坡莫合金和铁氧体的优点，避开了它们的缺点，因此是抱负的变压器铁心材料。表2是铁基纳米晶合金、坡莫合金以及铁氧体常规磁性能的对比。总体说来，铁基纳米晶合金含有以下优势：高饱和磁感应强度（1.2T）－高于坡莫合金和铁氧体，为提高铁心工作磁感、缩小体积发明了条件。高导磁率低矫顽力－有效减小变压器初级线圈的激磁电流，从而减少线圈匝数，减小分布参数。低损耗－大大减少变压器温升，使得提高铁心工作点成为现实。优秀的稳定性－能够在－50℃～+130℃长久工作。不含镍，价格明显低于坡莫合金，在全部惯用软磁材料中含有最佳的性能价格比，减少了变压器成本。4.1电力互感器铁心在变电站使用大量的电力互感器，它们对铁心材料的规定非常苛刻，不仅规定高的磁性指标，并且规定铁心材料的整个磁化曲线满足一定的条件，以控制互感器的比差和角差，确保互感器在整个测量范畴内的精度。近年来，非晶微晶合金作为互感器铁心的应用逐步广泛起来，获得了非常抱负的效果。图7是铁基纳米晶合金作为电流互感器铁心时与其它材料的磁性对比。4.2开关电源变压器铁心

在非晶合金问世之前，开关电源变压器的铁心普通采用铁氧体或者坡莫合金。采用铁基纳米晶合金作为开关电源变压器铁心，能够克服其它材料的缺点，进一步提高变压器的效率。特别在大功率开关电源中(例如逆变焊机)，从前普通使用铁氧体铁心，由于铁心工作点低、温度特性差，电源性能不抱负。铁基纳米晶铁心结合逆变技术的应用，使得变压器工作点大大提高，体积成倍缩小，并且含有优秀的温度稳定性，已经成为新型高频大功率变压器的首选铁心材料。图8为高频大功率开关电源用铁基纳米晶铁心的典型损耗特性。在高频变压器设计中，铁基纳米晶铁心的工作点能够取0.5T～0.8T（20kHz），视不同的工作条件和冷却条件而定。4.3共模电感器铁心共模噪声的克制是改善电源质量、保护元器件和避免设备误操作的核心方法之一。为此，在开关电源的输入端、计算机通信电缆乃至电网中均安装有共模滤波器，其核心部件就是由高导磁材料制造的共模电感器铁心。在传统的软磁材料中，普通选用铁氧体作共模电感器铁心，但是铁氧体即使频率特性好、价格便宜，但是磁导率很低。铁基纳米晶合金的初始磁导率高达（8～14）×104Gs/Oe，比铁氧体高出两个数量级，即使在10kHz下，导磁率仍有4万以上，因此对共模干扰的克制效果极佳，见图9。使用铁基纳米晶铁心的共模滤波器在线路中的插入损耗大大高于其它使用材料的器件。国外已经大量使用铁基纳米晶铁心制造共模滤波器，国内也正在逐步扩大应用范畴，前景非常广阔。4.4漏电开关互感器铁心漏电开关（漏电保护器、剩余电流动作断路器）是用来保护电器和人的用电安全的装置。当由于设备绝缘不良或者人体触电时，会在互感器的次级线圈中感应出信号，推动脱扣装置使电闸跳开，切断电路。过去普通采用坡莫合金作为其中的互感器铁心。自八十年代以来，非晶合金开始作为漏电开关中的互感器铁心，用量极大。近年来，铁基纳米晶合金的应用又进一步提高了互感器的性能。5.钴基非晶合金的磁性及应用钴基非晶合金由于含有昂贵的钴，因此其价格很高，普通在民用电源中极少使用。但是其综合磁性能是全部非晶纳米晶软磁合金中最佳的，使用频率可达200kHz以上，因此在高质量高频电源设备（特别是军工装备）中得到了大量应用。5.1饱和电感器铁心在小型开关电源和其它设备中经常使用饱和电感器，它们对铁心的普通规定是剩磁比（矩形比）高、铁损低。钴基非晶合金作为饱和电感器铁心时，剩磁比能够高达0.9-0.98，铁损明显低于坡莫合金，是抱负的饱和电感器铁心材料。图10是作为饱和电感铁心的钴基非晶铁心损耗特性。钴基非晶饱和电感器铁心经常使用的设备有：磁放大器：磁放大器是小型开关电源的一种稳压方式，采用矩形磁滞回线的铁心对输出电压进行调节。二极管尖峰克制器：在开关电源中，为了避免续流二极管被反向浪涌电流击穿，经常在二极管的管脚串接一只含有矩形磁滞回线的微型铁心（磁珠）。脉冲压缩器：在雷达、激光器等设备中，需要将宽脉冲转换为高压窄脉冲。这一功效是通过脉冲压缩电路（即含有矩形磁滞回线的饱和铁心与电容器的组合）实现的。5.2防盗系统标签防盗系统已经广泛应用于超级市场、图书馆等公共场合。钴基非晶合金条带能够夹在商品或标签中，作为传感器。如果尚未付款就被带出，则在出口处的检测装置就会报警。世界上每年用于防盗标签的非晶条带以数亿计。现在国内使用的防盗系统大多进口，而防盗软标签大多是国产的非晶合金条带。钴基非晶条带不仅含有良好的磁性，并且不用热解决，条带的柔韧性极好，确保了长久使用的敏捷度和稳定性。6.非晶合金在使用中的稳定性问题非晶合金含有优良的软磁性能，但非晶合金的原子构造处在亚稳态，在一定条件下会向稳定状态转变，成为晶体，这个过程称之为晶化。普通状况下,一旦非晶合金发生晶化，就会失去原有的优良磁性能，不能再使用。于是对非晶合金应用过程中的稳定性产生了某些疑问，即：非晶合金在较高温度下能否使用？非晶合金长使用时会不会由于缓慢晶化造成磁性能逐步恶化？非晶铁心能否抵抗恶劣的使用条件如冲击振动等？广义地说，非晶合金的稳定性涉及温度稳定性、长久使用时效稳定性、机械冲击震动稳定性以及强磁场冲击稳定性等。6.1非晶合金的温度稳定性对于磁性材料来说，当温度升高时，其饱和磁通密度下降。当温度高于居里温度时，材料变成顺磁性，原有磁性能丧失。居里点越高，材料可能的使用温度越高，温度稳定性越好。对于几个惯用的磁性材料，其居里温度以下：硅钢：

>600℃坡莫合金：>400℃铁氧体：

<200℃铁基非晶合金：>400℃钴基非晶合金：>300℃铁基纳米晶合金：570℃硅钢的居里点最高；坡莫合金的居里点居中；铁氧体居里点最低，温度稳定性最差。而不同的非晶合金含有不同居里点，作为变压器铁心使用是非常抱负的，完全能够胜任使用温度在130℃下列的变压器铁心。6.2非晶合金的时效稳定性对于大多数变压器铁心来说，其使用时间往往较长，有的甚至长达数十年。因而铁心的时效稳定性对于变压器的长久运行很核心。为了验证非晶合金通过长时间使用会不会失效，最直接的办法莫过于将非晶合金铁心在实际使用条件下长久运转，观察磁性能的变化。美国自八十年代就已经开始非晶合金的生产，并大量应用于配电变压器铁心。这些变压器始终在正常运行。我国自八十年代起将非晶合金应用于开关电源、中频变压器及漏电保护开关等多个场合，至今没有由于铁心性能恶化造成变压器失效的例子。这充足证明，非晶合金在时效稳定性方面是安全的。九十年代初，一种新型的软磁材料：铁基纳米晶合金开始大量应用于电子变压器铁