铁基非晶合金材料的温度特性
2003-11-26 15:39:25
来源：《国际电子变压器》2003.12|0
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1 前言
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用先进的超急冷快淬技术，将液态金属以1×106℃/秒冷却速度形成厚度为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组织特征，不具备传统合金材料的晶体结构。由于非晶合金具有优异的物理、化学和力学性能，应用领域广泛，三十多年来一直是冶金、材料领域的研究开发应用的热点。目前，非晶合金材料，尤其铁基非晶材料在美、日、德等发达国家已经产业化、商品化、美国Honeywell公司（被日立金属收购）居世界的领导地位，不仅工艺技术设备先进、产能规模达几万吨，而且非晶带材质量和宽度、材料及铁芯器件的种类及应用等都是执世界之牛耳；日本的日立金属和东芝公司及德国的真空熔炼公司（VAC）在非晶合金材料的研究开发应用方面占据相当重要的位置。我国也已形成相当的产业规模，非晶合金材料的生产能力居世界第二，但生产工艺技术设备水平、产品质量档次等与发达国家相比还存在一定的差距。目前铁基非晶合金材料已研制各种各样的磁性器件，广泛地应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域。尽管铁基非晶合金居里温度高和磁性器件在退火（>400℃）后应用是一个不争的事实，但仍然有许多电子产品用户对磁性器件的温度稳定性存在疑惑。作者认为研究铁基非晶合金的温度稳定性，消除使用者的疑虑及提供技术依据还是非常必要的。
2 非晶合金材料性能及应用
目前已获得工业化应用的非晶合金材料主要有非晶软磁材料、非晶钎焊材料、非晶防窃（传感）材料及非晶催化材料等。非晶软磁材料主要是指铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金以及在非晶化基础上发明的铁基纳米晶合金等，这些合金材料因其独特的非晶组织结构而呈现优异软磁合金特性，如高饱和磁感、高磁导率、低矫顽力及低的高频损耗等，这些软磁性能都是磁性材料学者们一直苦苦追求的目标。在这些非晶软磁合金中，铁基非晶合金材料应用最为广泛，全世界每年有几万吨材料用于制作电力行业的配电变压器铁芯，还有上千吨的材料制成各种各样的磁芯器件用于电力电子领域，随着电子技术向高频、大电流方向发展及抗电磁干扰技术的发展，电子设备中用作滤波、贮能、PFC、抗干扰及抗噪音等各种各样电感器件的需求量也将随之增加。
随着电子技术向高频、大电流、小型化和片式化方向发展，大大推动了非晶合金材料在电力行业、电子行业及电力电子技术领域应用，尤其是近十几年来，改革开放，国外电子产品及元器件制造商大量涌入，大大促进我国电子工业的发展，也给非晶合金材料的推广应用带来良好的商机，取得令人满意的效果。
3 非晶合金材料温度特性研究
由于非晶合金是从液态金属急冷形成的，处于热力学亚稳定态，从热力学原理上讲，总有向晶态转变的趋势，一旦发生严重晶化，合金磁性能将不复存在。虽然表1表明非晶合金的居里温度大于300℃，远远高于铁氧体等软磁材料；我们提供给用户的铁基非晶合金的磁性器件都已超过400℃一小时以上的退火热处理，结构已相当稳定，但仍有不少使用者担心非晶合金材料的温度稳定性，需要提供可信的技术依据， 为此，作者选择铁基非晶有代表性的铁芯器件研究其温度稳定性。
3.1 铁基非晶滤波电感铁芯的温度特性
选择两只用于PFC铁基非晶（FeSiB）合金铁芯测试其温度特性、频率和偏场特性。温度测试范围为20～150℃，测试频率为1～200kHz，偏场电流为0～10A（安匝数（AN）约为500），选取测试频率为1、10和30kHz的测试结果
3.2 部分晶化铁基非晶电感铁芯的温度特性
铁基非晶（FeSiB）合金部分晶化热处理制备无间隙宽恒导电感器件是近年来铁基非晶合金的应用热点之一，我们选取五只铁芯产品测试-55℃～120℃温度范围内的磁导率和电感量的变化，测试结果如表3所示；并测试温度范围-55～150℃、频率1～200kHz内的有效磁导率的变化。
4 结果与讨论
测试温度对磁性能的影响实质上是温度对电子运动、磁畴转动及畴壁的移动的作用，低温时，电子运动等受到一定的约束，磁性能呈现下降；温度增加时，在一定范围内，对电子运动、磁畴转动及畴壁的移动都有利，铁芯的损耗下降，磁导率及电感量等均增加。只有当温度升高到一定值，才会导致磁性能恶化，我们从铁氧体材料的温度特性可以知道；铁氧体的居里温度低于250℃，当温度超过80℃后，铁氧体的磁性能才开始下降。本研究铁基非晶合金的居里温度400℃以上，按此推理-55～150℃测试温度并未达到引起磁性能恶化的温度上限，上述几种非晶合金铁芯磁性能变化应不大。以室温的磁性能为基准，将铁基非晶合金铁芯、部分晶化铁基非晶电感铁芯的性能变化情况（变化量以%计）列于表5和表6，结果与此完全一致。这些研究均表明非晶合金材料在电子行业要求的环境温度范围内，磁性能变化是符合有关标准的规定，完全可以满足用户的性能要求。
5 结束语
本文研究结果表明铁基非晶合金材料具有良好的温度稳定性，加工制成的各种铁芯器件，不仅保留合金居里温度高的本征特性，而且铁芯器件经过400℃一小时以上的热处理后供用户使用，因而广大用户不必担心铁基非晶合金铁芯器件的温度稳定性。■
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用先进的超急冷快淬技术，将液态金属以1×106℃/秒冷却速度形成厚度为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组织特征，不具备传统合金材料的晶体结构。由于非晶合金具有优异的物理、化学和力学性能，应用领域广泛，三十多年来一直是冶金、材料领域的研究开发应用的热点。目前，非晶合金材料，尤其铁基非晶材料在美、日、德等发达国家已经产业化、商品化、美国Honeywell公司（被日立金属收购）居世界的领导地位，不仅工艺技术设备先进、产能规模达几万吨，而且非晶带材质量和宽度、材料及铁芯器件的种类及应用等都是执世界之牛耳；日本的日立金属和东芝公司及德国的真空熔炼公司（VAC）在非晶合金材料的研究开发应用方面占据相当重要的位置。我国也已形成相当的产业规模，非晶合金材料的生产能力居世界第二，但生产工艺技术设备水平、产品质量档次等与发达国家相比还存在一定的差距。目前铁基非晶合金材料已研制各种各样的磁性器件，广泛地应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域。尽管铁基非晶合金居里温度高和磁性器件在退火（>400℃）后应用是一个不争的事实，但仍然有许多电子产品用户对磁性器件的温度稳定性存在疑惑。作者认为研究铁基非晶合金的温度稳定性，消除使用者的疑虑及提供技术依据还是非常必要的。
2 非晶合金材料性能及应用
目前已获得工业化应用的非晶合金材料主要有非晶软磁材料、非晶钎焊材料、非晶防窃（传感）材料及非晶催化材料等。非晶软磁材料主要是指铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金以及在非晶化基础上发明的铁基纳米晶合金等，这些合金材料因其独特的非晶组织结构而呈现优异软磁合金特性，如高饱和磁感、高磁导率、低矫顽力及低的高频损耗等，这些软磁性能都是磁性材料学者们一直苦苦追求的目标。在这些非晶软磁合金中，铁基非晶合金材料应用最为广泛，全世界每年有几万吨材料用于制作电力行业的配电变压器铁芯，还有上千吨的材料制成各种各样的磁芯器件用于电力电子领域，随着电子技术向高频、大电流方向发展及抗电磁干扰技术的发展，电子设备中用作滤波、贮能、PFC、抗干扰及抗噪音等各种各样电感器件的需求量也将随之增加。
随着电子技术向高频、大电流、小型化和片式化方向发展，大大推动了非晶合金材料在电力行业、电子行业及电力电子技术领域应用，尤其是近十几年来，改革开放，国外电子产品及元器件制造商大量涌入，大大促进我国电子工业的发展，也给非晶合金材料的推广应用带来良好的商机，取得令人满意的效果。
3 非晶合金材料温度特性研究
由于非晶合金是从液态金属急冷形成的，处于热力学亚稳定态，从热力学原理上讲，总有向晶态转变的趋势，一旦发生严重晶化，合金磁性能将不复存在。虽然表1表明非晶合金的居里温度大于300℃，远远高于铁氧体等软磁材料；我们提供给用户的铁基非晶合金的磁性器件都已超过400℃一小时以上的退火热处理，结构已相当稳定，但仍有不少使用者担心非晶合金材料的温度稳定性，需要提供可信的技术依据， 为此，作者选择铁基非晶有代表性的铁芯器件研究其温度稳定性。
3.1 铁基非晶滤波电感铁芯的温度特性
选择两只用于PFC铁基非晶（FeSiB）合金铁芯测试其温度特性、频率和偏场特性。温度测试范围为20～150℃，测试频率为1～200kHz，偏场电流为0～10A（安匝数（AN）约为500），选取测试频率为1、10和30kHz的测试结果
3.2 部分晶化铁基非晶电感铁芯的温度特性
铁基非晶（FeSiB）合金部分晶化热处理制备无间隙宽恒导电感器件是近年来铁基非晶合金的应用热点之一，我们选取五只铁芯产品测试-55℃～120℃温度范围内的磁导率和电感量的变化，测试结果如表3所示；并测试温度范围-55～150℃、频率1～200kHz内的有效磁导率的变化。
4 结果与讨论
测试温度对磁性能的影响实质上是温度对电子运动、磁畴转动及畴壁的移动的作用，低温时，电子运动等受到一定的约束，磁性能呈现下降；温度增加时，在一定范围内，对电子运动、磁畴转动及畴壁的移动都有利，铁芯的损耗下降，磁导率及电感量等均增加。只有当温度升高到一定值，才会导致磁性能恶化，我们从铁氧体材料的温度特性可以知道；铁氧体的居里温度低于250℃，当温度超过80℃后，铁氧体的磁性能才开始下降。本研究铁基非晶合金的居里温度400℃以上，按此推理-55～150℃测试温度并未达到引起磁性能恶化的温度上限，上述几种非晶合金铁芯磁性能变化应不大。以室温的磁性能为基准，将铁基非晶合金铁芯、部分晶化铁基非晶电感铁芯的性能变化情况（变化量以%计）列于表5和表6，结果与此完全一致。这些研究均表明非晶合金材料在电子行业要求的环境温度范围内，磁性能变化是符合有关标准的规定，完全可以满足用户的性能要求。
5 结束语
本文研究结果表明铁基非晶合金材料具有良好的温度稳定性，加工制成的各种铁芯器件，不仅保留合金居里温度高的本征特性，而且铁芯器件经过400℃一小时以上的热处理后供用户使用，因而广大用户不必担心铁基非晶合金铁芯器件的温度稳定性。■
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