Nanoperm型FeMB基纳米软磁材料的研究进展
2004-07-01 11:05:08
来源：国际电子变压器2004年7月刊
Nanoperm型FeMB基纳米软磁材料的研究进展
Research progress of Nanoperm-type FeMB based Nanocrystalline soft magnetic alloys
被命名为Nanoperm型的FeMB（M=Zr、Nb、Hf）系纳米软磁合金是1990年发明的[1-3]。它比现已商品化和工业生产的Finemet型FeCuNbSiB系合金仅晚了两年[4]。它们都是利用熔体急冷技术获得非晶态条带，再晶化处理而获得纳米晶结构的。从十余年Nanoperm型合金众多的研究文章中可知，该合金有如下特点：
a、成分中不含有Si，是以FeMB（M=Zr、Nb、Hf）为基的3~5元合金[5]，由于至今没有商品化，故还没有列出定型的商品牌号和标准性能（Finemet型合金已有十个商品牌号[6]）。
b、合金含有较高的Fe含量（84~90%），晶化后析出的纳米晶相为纯α-Fe（晶粒直径D为8~20nm），因此其饱和磁感应Bs值达1.5~1.7T。Finemet型合金的Fe含量为70~80%，析出的是α-Fe（Si）纳米晶相（晶粒直径D为10~20nm），故其Bs值仅为1.2~1.5T。
c、3~5元的FeMB基合金具有很小的饱和磁致伸缩系数λs值（一般≤±1.5×10-6）。而且可以用控制α-Fe析出相的体积分数[7]或调整成分如Nb、Zr、Cu等元素含量[8~11]，使λs→0，从而获得高的磁导率μr，低的矫顽力Hc。
d、由于上述原因Nanoperm型合金具有比Finemet型合金更好的综合磁性。在低频下应用，其损耗P1.4/50比取向硅钢、FeSiB系非晶合金小（图1[12]）。在高频下应用其损耗优于Fe-Ni系坡莫合金，可与Co基非晶态合金比美（图2[12]）。表1列出各种成分的3~5元Nanoperm型合金的磁性，并与取向硅钢、Fe基非晶合金作对比。
5 对Nanoperm型合金的热磁感生各向异性Ku的研究较少，[13]中曾指出Fe90Zr7B2Cu1，Fe86Zr7B6Cu1合金的Ku大小与Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 Finemet型合金相近，但其形成机理尚不清楚（Finemet型合金中Ku是由于α-Fe（Si）相中Si原子的方向有序形成）。其它有关Nanoperm合金在纵向或横向磁场处理后获得高剩磁Br或低Br磁滞回线的报道也未见到。这可能是其应用发展较慢的原因之一。
6 该合金中含有较多的易氧化元素Zr、Nb、Hf，在熔化和急冷制带时温度高，而且须在真空或气体保护下进行，这是其应用受阻，产业化难的主要原因。
7 Nanoperm型合金还有一个特点就是晶界非晶相的居里温度Tc较低，约为400~500K [12]。晶相和晶界非晶相的磁化强度差别也比较大，这是由于非晶Fe-Zr，Fe-Hf合金系中存在因瓦效应之故[14]。这一现象使Nanoperm型合金在弱磁场（如0.05A/m）下的磁导率和Hc不如Finemet型合金[15]。
从表1中可知无论是三元（序号1~3[16、17]）、四元（序号4、7~9[2、5、17~20]）、或五元合金（序号13~16、18[5、11、12、20]），在工频下的损耗都比工业生产的取向硅钢和FeSiB系非晶合金小，而且其Bs值也较高。另外，由于λs比硅钢、铁基非晶合金小，使磁性对应力敏感性小很多[21]。Nanoperm型合金析出α-Fe纳米晶相，其Tc达到770℃，在320℃长时间时效后其损耗几乎不变，比Fe基非晶合金（Tc~400℃）好得多[22]。
2000年日本工业新闻[23]和《日本新技术》[24]都报导：在通产省委托下，经四年多努力，开发出超低铁损配电变压器（DT）用铁心材料，其损耗为一般硅钢的1/10（即1Kg的电力损耗仅为0.1W），Fe基非晶合金的1/2。新合金不含Zr且无需在真空或气体保护下生产。
2001年文献[25]和2002年文献[26]则介绍了这类合金的成分和性能，见表2和图3。
ΔRQ－急冷技术
新合金仍为3~5元合金，其关键技术是：
1 为使Bs≥1.6T，Fe含量必须≥84at%。
2 不含Zr、Hf元素，Nb的含量必须≤6.5at%，以保证能在大气中制带生产。
3 加少量Cu、P，保证获得细小均匀纳米晶结构。
4 加微量Cu，使磁导率提高，最佳磁性的B元素从11at%降为9at%，有利于保持高的Bs值。
5 加少量P，不降低Bs值，使非晶相的Tc提高，晶化温度（Tx）和纳米晶尺寸（D）降低，从而改善磁性。
上述新型纳米软磁合金真能开发成功并产业化，那么配电变压器铁心材料的变迁就如表3所示。
但是，高效节能并对环保有利的纳米铁心配电变压器的问世绝非易事：宽带的制作、脆性的改善、成本的降低并可与取向SiFe和Fe基非晶竞争等都是十分棘手的难题。
参考文献：
[1]K.Suzuki etc Mater.Tran.JIM 1990.31（8）.743
[2]K.Suzuki etc JAP 1991.70（10）.6232
[3]牧野彰宏 etc まひりあ1995.34（5）.623
[4]Y.Yoshizawa etc.JAP 1988.64（10）-6044
[5]A.Makino etc IEEE Trans MAG.1997.33（5）.3793
[6]吉池克仁 电子材料 2002.（4）.30
[7]A.Slawska-Waniewska etc JMMM 1996.157/158.147
[8]A.Makina etc JAP 1997.81（6）.2736
[9]A.Makina etc Mater.Sci.Forum 1997.235-238.723
[10]A.Makina etc JAP 2000.87（9）.7100
[11]Y.Q.Wu etc Acta Mater.2001.49.4069
[12]A.Makina etc Mater.Sci.and Eng.1997.A226-A228.594
[13]A.Lovas etc J.Phys.IV France 1998.8.pr2-291
[14]K.Shira kawa etc.IEEE Trans.MAG 1980.16.910
[15]何开元 金属功能材料 1998.5.增刊.10
[16]K.SnZuKi etc JAP 1993.74（5）.3316
[17]A.MaKino etc.JMMM 2000.215-216.288
[18]A.Inoue etc Mater.Sci.Forme 1995.179-181.497
[19]A.Makino etc. Mater.Trans.JIM 1985.36（7）.924
[20]T.Bitoh etc JAP 1999.85（8）.5127
[21]A.Makino etc J.Phys IV France 1998.8.pr2-103
[22]尾藤辉夫 etc.日本应用磁气学会志2000.24（4-2）.675
[23]日刊工业新闻 2000年10月16日
[24]New Technology Japan 2000.38.9
[25]A．Kojima etc．Mater.Trans JIM 2001.42（8）.1535
[26]牧野彰宏，吉池克仁 まひりあ 2003.41（6）.392
d、由于上述原因Nanoperm型合金具有比Finemet型合金更好的综合磁性。在低频下应用，其损耗P1.4/50比取向硅钢、FeSiB系非晶合金小（图1[12]）。在高频下应用其损耗优于Fe-Ni系坡莫合金，可与Co基非晶态合金比美（图2[12]）。表1列出各种成分的3~5元Nanoperm型合金的磁性，并与取向硅钢、Fe基非晶合金作对比。
5 对Nanoperm型合金的热磁感生各向异性Ku的研究较少，[13]中曾指出Fe90Zr7B2Cu1，Fe86Zr7B6Cu1合金的Ku大小与Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 Finemet型合金相近，但其形成机理尚不清楚（Finemet型合金中Ku是由于α-Fe（Si）相中Si原子的方向有序形成）。其它有关Nanoperm合金在纵向或横向磁场处理后获得高剩磁Br或低Br磁滞回线的报道也未见到。这可能是其应用发展较慢的原因之一。
6 该合金中含有较多的易氧化元素Zr、Nb、Hf，在熔化和急冷制带时温度高，而且须在真空或气体保护下进行，这是其应用受阻，产业化难的主要原因。
7 Nanoperm型合金还有一个特点就是晶界非晶相的居里温度Tc较低，约为400~500K [12]。晶相和晶界非晶相的磁化强度差别也比较大，这是由于非晶Fe-Zr，Fe-Hf合金系中存在因瓦效应之故[14]。这一现象使Nanoperm型合金在弱磁场（如0.05A/m）下的磁导率和Hc不如Finemet型合金[15]。
从表1中可知无论是三元（序号1~3[16、17]）、四元（序号4、7~9[2、5、17~20]）、或五元合金（序号13~16、18[5、11、12、20]），在工频下的损耗都比工业生产的取向硅钢和FeSiB系非晶合金小，而且其Bs值也较高。另外，由于λs比硅钢、铁基非晶合金小，使磁性对应力敏感性小很多[21]。Nanoperm型合金析出α-Fe纳米晶相，其Tc达到770℃，在320℃长时间时效后其损耗几乎不变，比Fe基非晶合金（Tc~400℃）好得多[22]。
2000年日本工业新闻[23]和《日本新技术》[24]都报导：在通产省委托下，经四年多努力，开发出超低铁损配电变压器（DT）用铁心材料，其损耗为一般硅钢的1/10（即1Kg的电力损耗仅为0.1W），Fe基非晶合金的1/2。新合金不含Zr且无需在真空或气体保护下生产。
2001年文献[25]和2002年文献[26]则介绍了这类合金的成分和性能，见表2和图3。
ΔRQ－急冷技术
新合金仍为3~5元合金，其关键技术是：
1 为使Bs≥1.6T，Fe含量必须≥84at%。
2 不含Zr、Hf元素，Nb的含量必须≤6.5at%，以保证能在大气中制带生产。
3 加少量Cu、P，保证获得细小均匀纳米晶结构。
4 加微量Cu，使磁导率提高，最佳磁性的B元素从11at%降为9at%，有利于保持高的Bs值。
5 加少量P，不降低Bs值，使非晶相的Tc提高，晶化温度（Tx）和纳米晶尺寸（D）降低，从而改善磁性。
上述新型纳米软磁合金真能开发成功并产业化，那么配电变压器铁心材料的变迁就如表3所示。
但是，高效节能并对环保有利的纳米铁心配电变压器的问世绝非易事：宽带的制作、脆性的改善、成本的降低并可与取向SiFe和Fe基非晶竞争等都是十分棘手的难题。
参考文献：
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[14]K.Shira kawa etc.IEEE Trans.MAG 1980.16.910
[15]何开元 金属功能材料 1998.5.增刊.10
[16]K.SnZuKi etc JAP 1993.74（5）.3316
[17]A.MaKino etc.JMMM 2000.215-216.288
[18]A.Inoue etc Mater.Sci.Forme 1995.179-181.497
[19]A.Makino etc. Mater.Trans.JIM 1985.36（7）.924
[20]T.Bitoh etc JAP 1999.85（8）.5127
[21]A.Makino etc J.Phys IV France 1998.8.pr2-103
[22]尾藤辉夫 etc.日本应用磁气学会志2000.24（4-2）.675
[23]日刊工业新闻 2000年10月16日
[24]New Technology Japan 2000.38.9
[25]A．Kojima etc．Mater.Trans JIM 2001.42（8）.1535
[26]牧野彰宏，吉池克仁 まひりあ 2003.41（6）.392
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