摘要：具有优异软磁性能的FeCuMSiB系纳米晶合金材料制成的各种各样的磁性器件已在电力、电子工业领域获得广泛的应用十余年；并不断研发新合金、新工艺、新品种和新器件，拓展其应用范围，取得令人关注的进展。 关键词：铁基纳米晶合金 开发应用及进展 1引言 自从1988年Yoshizaya先生在非晶化的基础上发明了FeCuNbSiB纳米晶合金以来，由于其独特的组织结构和优异的软磁性能，该铁基纳米晶合金材料研究开发应用一直是磁性材料的热点之一。不仅研究了该铁系纳米晶合金的化学组成、元素的作用、纳米晶晶化过程、微结构和机理、磁畴结构及磁性能等，而且还将铁基纳米晶合金材料研制开发成各种各样的磁性器件应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，取得了令人满意的经济效益和社会效益。近年来，随着现代电子工业技术的迅速发展，对磁性器件的性能要求越来越高，铁基纳米晶合金材料的开发应用也取得一定的进展，如为满足器件的高频特性需要，非晶带材的厚度越来越薄；调整合金成分，改善非晶带材的性能，使其满足不同器件特性需要：通过磁场处理等，开发出高Br、低Br的磁性器件，满足高频开关电源的磁放大器及共模电感等器件特性需要；研制开发FeCuMSiB系纳米晶合金粉末及粉末制品，拓展该合金材料的应用领域；开展FeMB系纳米晶合金的研究开发，力争早日商品化以及大尺寸的FeCuMSiB系纳米晶合金材料研究开发等。 2 FeCuMSiB系纳米晶合金成分、性能及组 FeCuMSiB系纳米晶合金在Fe—Si—B非晶合晶的基体中加入少量Cu和M(M=Nb、Mo、W、Ta等)，经适当温度晶化退火以后，获得一种性能优异的具有bcc结构的超细晶粒(D约为十几nm)软磁合金，此种新型铁基纳米晶软磁合金被认为开创软磁合金的新纪元，其典型成分为Fe73.5CulNb3Si13.5B9(商品牌号为Finemet)。通过晶化获得晶粒尺寸十几纳米的α-Fe(si)非晶合金的双相组织具有明显的纳米尺度效应，表现出许多独特的性能特点，如高的饱和磁感、高磁导率、低矫顽力和低的高频损耗、良好的强硬度、耐磨性及耐腐蚀性、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、坡莫合金和非晶合金等(参见图1)，作为高性能软磁材料替代传统的磁性材料广泛应用于电力电子工业。自从1988年发明以来FeCuMSiB系纳米晶合金的研究开发工作一直没有停顿，国内外的冶金材料工作者们不仅调整FeCuNbSiB的合金成份、改善合金磁性能，而且还研究出许多有实用价值的新型铁基纳米晶合金材料，拓展FeCuMSiB系纳米晶合金的应用领域，如表1和2所示。 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金在非晶化基础上通过特殊热处理工艺晶化而成的，最终形成晶粒尺寸为十几nm bccFe(Si)固溶体+非晶的双相组织。该纳米晶软磁合金材料具有优异软磁性能的机理尚未完全清楚，但学者们认为：晶粒尺寸细小，使局部域各向异性常数变小和磁致伸缩系数低于铁基非晶合金是关键两因素，磁致伸缩系数变小是与他们主相为含Si、B的bccFe固溶体有关：有效各向异性常数值变小是与其纳米晶粒尺度效应有关，当晶粒大小达到纳米量级而小于交换长度Lex时，则这些无规则取向的小晶粒的磁晶各向异性将被平均而表现出很低的有效各向异性，这揭示了纳米晶软磁合金能具有优良软磁特性的重要原因。学者们研究后得到如下的结果：有效各向异性常数正比于Dn(n>1)，晶粒尺寸D减小，导致变小：合金起始磁导率μi=PμJs2/μ0，值越小，μi值越大：矫顽力Hc正比于Dn(n=6，2)，D值小，Hc小。 3 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金材料开发应用 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金因其具有优异的软磁特性，而深受电力、电子行业的重视，广泛地用作电子变压器、精密互感器、电感器及传感器等磁心器件(参见图2)，大大提高这些磁性产品的技术性能，促进现代电子工业向高频、高效、小型、节能的方向发展。在表1所列的FeCuMSiB系纳米晶软磁合金中，尽管研究开发的各种合金都有各自的独特性能，但综合各方面因素， 目前广泛应用的合金主要是FeCuNbSiB纳米晶合金系列。铁基纳米晶合金的性能优异、应用面广是一个不争的事实，但考虑到性价比和磁性元器件的应用特点，作者还是建议在开发应用时应根据磁性器件的工作磁感、使用频率、技术性能、尺寸大小、温升等方面要求在铁基非晶、铁基纳米晶和钴基非晶中合理选用，以求这些软磁材料性能的最大发挥和利用。 4 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金的新进展 4.1技术工艺改进及材料性能提高 FeCuMSiB系的非晶带材都是采用单辊法制备，从表1中所列的带材厚度可以看到，国内生产设备自动化程度不够高，带材厚度、质量与国外相比，还存在一定差距。近几年，由于磁放大器和共模电感等产品的国产化需要，促使非晶纳米晶带材生产企业进行设备改造、技术改进，努力提高制带自动化水平，带材质量有较大提高，大大缩短与国外产品的差距。带材厚度可以控制在0.025mm以下，加工成铁心的占空系数达到0.8，这些对电子产品用磁性器件，尤其是高频器件是非常有价值的性能参数。 4.2 新型合金材料的研发应用 从表1和表2中我们可以看到国内外冶金材料工作者都在不断研究开发新合金新材料，不仅通过添加其他合金元素或调整合金元素成份比例，而且通过调整典型FeCuNbSiB的合金成份来改善提高磁性能，满足不同磁性器件的特性需要，以期最大限度的开发应用FeCuMSiB系纳米晶软磁合金。尽管研究开发的新合金材料软磁性能并不都是完全优于典型的Fe73 5CulNb3Sil3.5B9的纳米晶合金性能，但这些新合金具有明显的独特性能，有的提高了初始磁导率；有的降低了高频损耗；有的改善非晶形成能力和热处理工艺条件：尤其是表2所列的以典型的Fe73.5Cu1Nb3Sil3.5B9的纳米晶合金为基体的调整各合金元素的成份开发出来新型纳米晶系列合金，大大地拓展了该合金的应用场合。 4.3 低Br的FeCuMSiB纳米晶合金的开发应用 随着高频现代电子设备的广泛应用，抗电磁干扰的共模电感器件需求日益增加，类似于VAC公司500F和日立金属的低Br的FeCuNbSiB纳米晶合金及器件开发应用成为非晶纳米晶生产企业的一个热点，为国外各大电子公司加工的共模电感器件商机是难以估计的。低Br的FeCuMSiB纳米晶合金的初始和较低的高频磁性能不如典型的Fe73.5CulNb3Sil3.5B9的纳米晶合金，但在几百KHz的高频性能完全可以与后者相比美(参见图3、4)，这些性能对要求宽频段的共模电感是非常重要的。 4.4 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金粉末及粉末制品 利用FeCuMSiB系纳米晶软磁合金材料优异磁性能特点，借助于粉末冶金技术可以制成各种各样的纳米晶软磁合金粉末复合材料，如粉末磁心、磁屏蔽材料、吸波材料、磁性流体及粉末涂覆材料等；这方面的研究开发工作除铁基纳米晶磁粉心产品获得应用外，其他FeCuMSiB系纳米晶软磁合金粉末和粉末制品的工作处于试验研究阶段，随着纳米科学和电子技术的发展，纳米晶软磁合金粉末制备工艺技术会有突破，这方面的产品有着良好的应用前景。 4.5 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金丝材的研究开发 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金丝材制备方法类似于带材的制备，也是借助非晶丝材的制备方法，比较实用是旋转液中喷丝法(50～150mm)和玻璃包覆拉丝法，前者适用规模化工业生产，后者适合研究开发工作。丝材应用开发主要是利用铁基纳米晶合金的巨磁阻抗效应(GMl)来制造传感器类磁性器件，如汽车速度传感器、位移传感器等；还有利用铁基纳米晶材料优异软磁性能将丝材编织成布，用作磁屏蔽类产品。就目前来讲，丝材应用不太广泛，工艺装备发展也不太令人满意，但随着汽车电子工业的发展，丝材的应用不可小视。 4.6 FeCuMSiB系纳米晶软磁合金薄膜的研究开发 利用镀膜技术制备的FeCuMSiB系纳米晶软磁合金薄膜具有良好的软磁特性，同样是利用该合金材料的巨磁阻抗效应(GMl)，制备高灵敏传感器件。由于薄膜材料形状结构易于控制，利于运用在集成电路中，所以它特别有利于新型传感器的小型化和集成化。FeCuMSiB系纳米晶软磁合金薄膜制备方法有真空蒸镀法、溅射法、化学气相反应沉积法等，其薄膜形式有单层薄膜、三明治薄膜、多层膜及颗粒膜等。由于它们与快淬技术制备非晶纳米晶合金的工艺技术差异很大，具体现状不太清楚。 4.7 FeCuNbSiB合金棒的研究开发 国外学者利用铜模铸造法研究开发FeCuNbSiB系非晶态合金棒(直径约为0.5mm)，并通过部分晶化退火形成纳米晶组织，即纳米级bcc-Fe晶粒+其周围残留非晶相的双相组织特征，具有良好的软磁性能：Bs为1.21T，Hc为1.8A/m，μi为3200，作为大尺寸的铁基纳米晶合金材料是很有应用前途。这一新发明大大地拓展FeCuMSiB系纳米晶合金的应用空间，也展示了铁基纳米晶软磁合金研究应用的前景。 5结束语 利用快淬技术制备非晶化的基础上获得的FeCuMSiB系纳米晶软磁合金材料在电力工业、电子工业和电力电子技术领域获得成功应用，同时，不断创新，提高技术和自动控制水平，开发新合金、新产品，满足现代电子技术的发展需要，既促进非晶产业的发展，又推动电子技术向高频、大电流、大功率、小型化方向发展。