非晶超微晶合金材料及其应用

摘 要：本文简述了非晶超微晶合金生产工艺、性能特点极其在电子变压器和电感器中的应用
关键词：非晶超微晶合金；工艺；性能及应用
一、 前 言
非晶合金材料是70年代问世的一种新型合金材料，它采用国际先进的超急冷技术将液态金属以1×℃/s冷却速度直接冷却形成厚度0.02~0.04mm的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶合金组织，这种合金具有许多独特性能特点，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。由于 它的性能优异，生产工艺简单，80年代以来成为国内外材料科学界的研究开发应用重点 。目前，美、日、德等国已形成大批量的生产规模，并已商品化、系列化；我国从70年代开始研究非晶合金，经过材料学界近20年联合科技攻关，不仅研究开发出Fe 基、 Fe Ni基和Co基非晶软磁合金及 Ni基Cu基钎焊非晶合金，并于1994年发布了GB/T15019—94《快淬金属的分类和牌号》国家标准，而且继日本等国之后在非晶化在非晶化基础上研制出铁基超微晶软磁合金，该合金具有更优异的综合磁性能，使我国非晶超微晶合金材料及其制品的研究开发生产能力和水平位列世界第四，仅次于美、日、德。
目前，随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶超微晶软磁合金材料已制成各种各样磁性器件代替SiFe、铁氧体和坡莫合金等应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，用作电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器、互感器、及传感器等。

二、 非晶超微晶合金材料及其制备的生产工艺
非晶超微晶合金材料薄带采用三包单辊法制备，国内最大单炉量为500Kg/炉，带材最大宽度为150mm，尚无在线自动卷取设备，这与国外生产设备有相当差距，美国联信公司若干年前生产能力就达6万吨，单炉容量为1吨，带材最大宽度超过220mm，带材卷取实现在线自动卷取，大大地提高生产效率，非晶带材制带装置示意图如图1所示。非晶超微晶合金材料及其制品生产工艺路线如图2所示。

图1 制带装置示意图
1—中频炉；2—盛钢包；3—液位测控；4—漏钢包；5—辊嘴间距测控；
6—车削；7—修磨器；8—冷却辊；9—卷取机

图2 非晶超微晶合金材料及其制品生产工艺图
三、非晶超微晶合金材料性能特点
非晶超微晶软磁合金材料具有以下性能特点：高的饱和磁感Bs、高磁导率μ、低矫顽力Hc和低的高频损耗、良好的温度及环境稳定性等，其综合磁性能远远优于硅钢，铁氧体、坡莫合金等。当然不同的非晶超微晶软磁合金性能有一定的差异，应用场合也不一样，表1、图3、4表明常用的非晶超微晶合金及其它软磁合金性能比较。


图3 软磁合金的me-Bs关系曲线

图4 FeCuNbSiB 和其他软磁合金在Bm=0.2T下的铁损与频率的关系
从表1、图3、4可知，铁基非晶合金的性能特点是具有高的Bs (1.56T)，其磁导率、铁损和激磁电流均优于硅钢材料，铁损仅为取向硅钢的1/3~1/5，因而该合金材料可替代硅钢材料制成环型及开口铁芯、C型、CD型铁芯广泛用作配电变压器铁芯，频率小于10kHz的各种主变压器铁芯、电抗器及电感器铁芯等。近年来国内外又在利用部份晶化法研究开发应用用于kHz频带的铁基非晶合金电感铁芯 (Amo-rphous Core)，广泛用作噪音干扰器件和滤波电感等。
铁镍基非晶合金具有中等的饱和磁感Bs (0.75T)、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率，具有与中镍坡莫合金相对应的应用领域，价格比1J79、1J85坡莫合金便宜30%~50%，现已大量代替J79、1J85制作漏电保护电阻的零序的电流互感器，具有性能好，重量轻、价格低的特点。
钴基非晶合金是非晶软磁合金家庭中性能最优异的合金材料，其磁致伸缩系数→o，对应力不敏感。但由于含Co量高，价格贵，一般电子行业民用产品难于选用，只有少数军工产品性能要求极高的磁性器件如磁开关等才使用Co基非晶，另一应用是制成1~2mm宽的非晶窄带磁条用作传感器敏感材料，大量用于图书馆及超市防窃装置。总之Co基非晶合金应用产品均为尺寸小，重量轻的磁性器件
铁基超微晶合金材料也称纳米晶合金是在非晶化基础上经特殊热处理方法获得的一种双相软磁合金，该合金价廉物美，综合性能优异，具有饱和磁感Bs高、磁导率 高和高频损耗低的特点，可谓是名副其实的“二高一低”新材料。它的问世克服了Co基非晶合金饱和磁感Bs低且价格昂贵，FeNi基非晶合金磁导率和磁感Bs低且初始磁导率不够高以及Fe基非晶合金有效磁导率低的缺点，拓展了非晶超微晶合金材料应用领域，满足电子行业向高频、高效、小型化、高稳定性发展需要。

四、非晶超微晶合金材料在电子变压器和电感器中的应用
非晶超微晶合金材料的开发应用领域如图5所示，本文主要介绍该类合金在电子变压器和电感器中的开发应用。

图5 铁基超微晶合金的开发应用领域
4.1电子变压器
随着电子技术的不断发展，各类电子仪器、通信设备、计算机、音响设备等大量使用各种电子变压器。尽管这一些仪器设备的电子线路和用途不同，对电子变压器也有许多不同的要求，但一般来讲，电子变压器对其铁芯材料主要有以下要求：①尽可能低的高频损耗；②高的饱和磁感Bs；③高的磁导率μ ；④高的居里温度和良好的温度稳定性；⑤稳定性好，对应力等不敏感；⑥性价比好；⑦有些用途要求较高的矩形比或低Br。
由于非晶超微晶合金材料带厚、电阻率等因素决定其适用工作频率位50~1000kHz(最常用在几百kHz以下)，作为电子变压的铁芯器件主要用作开关电源变压器和脉冲变压器。通常在kHz以下频段时选用Fe基非晶合金，kHz频段则是Fe在超微晶合金应用最佳频段（参见表2、表3）。


开关电源变压器是Fe基超微晶合金应用较为成功的磁性器件之一，电源变压器的功率与合金材料铁芯重量关系推荐为5~10W/g，其功率损耗为 =20~40W/kg，=90~200w/kg。对于单脉冲变压器，△B≥1T (Br/Bs≤0.1) ；双脉冲变压器Br/Bs≥0.9。目前非晶超微晶合金，尤其是Fe 基超微晶材料已制成O型、C型、CD型变压器铁芯广泛应用于大功率开关电源变压器、逆变电源变压器、程控交换机电源变压器、高频淬火设备变压器及其它开关电源变压器等，表4、表5列举一些应用实例和系数产品。

4.2电感器
电感器是开关电源中极其重要的元件之一，它由高性能软磁材料制成的，它包括共模电感、扼流圈、尖峰抑制器、抗噪音滤波器、可饱和电感、滤波电感及贮能电感等磁性器件。非晶超微晶合金材料制成
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