高磁感Fe基非晶软磁合金的进展
2010-08-05 16:48:22
来源：《磁性元件与电源》2010年8月刊
点击：2007
1 概况
作为典型的高科技产品，非晶、纳米晶软磁合金带材的制造及其制品的使用过程都突显出优异的节能和环保特性，是典型的“绿色制造”与“绿色应用”相结合的双“绿色”产业。
在日本，由于“顶级运行”型超高效配电变压器在2006~2007年以来的大量上市推广应用（所用铁芯材料为Fe基非晶合金或0.23mm厚细畴高取向硅钢）；由于日立金属于2003年收购了美国Honeywell 公司的万吨级Fe基非晶合金生产厂(Metglas Inc.)并在此基础上进一步扩大产能（2007年为5.2万吨，2010年计划达10万吨，2015年将达到15万吨）；该公司千吨级纳米晶合金生产线已于2004年投产；还由于日本政府和企业界积极投资大力开发能耗更小、磁感更高的新型非晶和纳米晶合金，致使该产业进入了一个新的发展时期。
在我国，从政府到产学研各界也都十分重视发展该产业。在节能、节资、环保循环经济的持续科学发展战略的指引下，第一条万吨级非晶合金生产线已经于2009年9月下旬投产，成为世界上第二个拥有万吨级非晶合金带材产能的国家；国内多条百吨级纳米晶带材生产线已经运行多年，使Fe基纳米晶软磁合金使用量大大超过了传统高导磁Fe-Ni系坡莫合金的产量（2009年产量估计达4000吨）；“北京非晶、纳米晶产业创新示范基地”、“北京非晶产业园”等的相继成立，产、研、用密切合作，使该产业向更广、更高端应用延伸；近2~3年来，国内有几十家企业申请了百余件有关高效节能非晶合金配电变压器(AMDT)及其它应用制品的专利。总之，我国的非晶纳米晶材料产业也进入了欣欣向荣的发展时期。
无论是国外或国内，该产业市场年需要量都以二位百分数数字增长。
本文主要介绍新型高Bs(Bs>1.6T)低损耗非晶合金的最新研究进展。
2 新材料开发
现在大量用于工频配电变压器的非晶合金是牌号为metglas2605SA1，其成分为Fe80Si9B11，它与传统的变压器铁芯材料——取向硅钢相比有两个显著的不足：一是它的损耗虽小（仅为取向硅钢的1/3~1/4）但Bs低(Bs<1.6T)，因此最大工作磁感(Bm)仅达1.4T，而取向SiFe可达1.7T；二是它的λs值达27~28×10-6，而取向SiFe的λs值仅为1~3×10-6，因此非晶铁芯配电变压器(AMDT)比取向硅钢铁芯变压器(SiFeDT)体积和噪音都大。新的非晶材料的开发首先就要改善这两方面的不足。
要使Bs增大，必须提高Fe基非晶合金中Fe的含量，例如要使Bs>1.6T，Fe含量就须大于80at% 以上，但Fe含量提高会使非晶形成能力(GFA)降低，热稳定性下降（见图1[1]），特别是当Fe≥82at%，达86at%时，很难在快淬薄带中得到单一均匀的非晶相。另外，研究发现，在提高Bs值的同时，提高合金的矩形比，不仅使达到工作磁感Bm所需的磁场(H)下降，从而减少了磁性器件的励磁电流和功率，高矩形比还使Bm处的磁化为畴壁移动过程（不是畴转过程），这样就可促使噪音减小。图2[2]为这一过程的示意图。
图1和2应是新的Fe基非晶合金设计的出发点。
2003年日立金属收购了美国Honeywell公司下属Metglas公司的万吨级非晶合金生产线后，日美科技人员（Y.Yoshizawa，R.Hasegawa等）于2005年推出可用于配电变压器等的磁性更好的新型非晶合金Metglas 2605HB1[1~8]。表1和2分别列出了该合金性能的实验室水平和生产水平（0.025×170mm带）并与现用合金2605SA1和0.23mm厚高取向硅钢作对比。
由表可知，新合金的磁性特点：Bs高、Hc小，方形比Br/Bs高和铁损小。工作的磁感值Bm可达1.5T，这些都优于现用铁基非晶合金2605SA1。图3列出新合金2605HB1的磁滞回线，铁损(Pc)，激磁功率(S)的特性曲线并与现用合金对比。图4为可听噪音的对比[1， 6]。
从Y.Yoshizawa和R.Hasegawa等人分别申请的专利[4， 5]获知，2605HB1合金的组成为FeaSibBcCd系非晶态合金，其中a=80~83at%，b=0.1~5at%，c=12~18at%，d=0.05~3at%。杂质元素（如Mn、S、P、Al、Ti、Cu等）的总量不超过0.5at%。满足上述成分的合金具有如下的性能和特点：Bs≥1.6T，B80≥1.55T，Br/Bs>0.8或B80/Bs>0.9，P1.4/50≤0.28W/Kg，P1.5/50≤0.5W/Kg；合金的Tc>300℃，Tx1>400℃；此外，它还具有优异的热稳定性和低的脆性（断裂应变ε≥0.02），应力松弛率Rs≥0.9，表面粗糙度Ra<0.6μm，叠片系数≥85%。因此，快淬薄带的质量非常好。
生产该合金的技术关键是：在制带时向辊咀间隙处的熔潭前辊面和熔潭吹送预定流速、压力和数量的CO或CO2气体。使薄带贴辊面内部距离表面2nm~20nm范围内形成C浓度高的偏析层及其峰值（C峰值含量大大高于合金的标称C含量）。图5为吹送到冷却辊上气体的喷射压力与C偏析范围之间的关系(a)和各元素的浓度与距贴辊面表面深度的关系(b)[4]。此外还要严格控制成分，特别是注意Si和C元素的组成比，满足b≤(0.5a-36)d1/3的要求（当a=82时，b≤5d1/3）。C比Si有更大的GFA，而且它的加入不仅有利于磁性（增加Bs和Br/Bs）且提高了熔体的流动性及其与冷却辊的可湿性。通过控制C和Si的含量比（b/d小，且Si的含量b≯3at%）以及C偏析层的范围和峰值（高时，效果好）就可获得如上所述的表面粗糙度和脆性小、应力松弛率高、热稳定性好和Bs、Br/Bs高而铁损小的优质高铁含量(≥82at%)的非晶态合金带材。
表3列出一些上述FeSiBC系合金的成分和性能。推荐的2605HB1合金的成分是Fe81.7Si2B16C0.3（Metglas Inc申请中国专利[5]）或Fe82Si2B14C2（日立金属申请中国专利[4， 7]）。
表4列出另外一些Bs值在1.6T以上的新铁基非晶合金的成分和性能[9~13]。其中FeSiB(M)和FeSiBC(M)（M=Ni、Cr、Co、Mn等）[9]，和上述FeSiBC系合金一样Bs可达1.6T以上；而FeSiBCP系[10、11]，FeSiBCPN系[12]和FeSiBCSn系[13]合金Bs可达1.7T以上，但它们的B80值都不高，而且加P、(P+N)或Sn等元素会给生产工艺带来麻烦。含添加元素M（M=Ni、Cr、Co、Mn等）的Fe基非晶合金使成本增加，不利于和取向硅钢竞争，但这一工作对利用混杂返回料生产低成本的Fe基非晶合金有参考作用。
总之，新型Fe基非晶合金的Fe含量达82at%，Bs值和B80值都超过了1.6T，工作磁感(Bm)可达1.5T，而且在工频下的铁损比现用2605SA1Fe基非晶合金和取向硅钢低很多。
图6 为退火温度Ta对新开发的2605HB1(A)和现用Fe基非晶合金（B和C）磁性的影响。新合金的最佳退火温度(310℃~330℃)比现用合金低20℃~50℃。
老化试验表明Tc和Tx1均较高的新合金可以在150℃以下工作一百年以上，热稳定性极好。
图7 为用2605HB1、2605SA1和取向硅钢作三相变压器铁芯的铁损Pc和噪音La特性的比较。表5为作单相（20KVA、50Hz）和三相（500KVA、50Hz）变压器的各项特性比较。可见与2605SA1相比，新合金的铁损、噪音、工作磁感、变压器的总重量、体积或安装面积均有改善；与取向硅钢相比，无负荷损耗（即空载损耗）、总能耗要小很多，只是体积和重量稍大。对配电变压器用不同铁芯材料的评估还可参阅文献[15、16]。
图8为日本各类变压器（工厂用三相500KVA）的负载损耗和无负载损耗的比较[2]。只有用铁基非晶（SA1和HB1）和细畴高取向硅钢做铁芯的变压器才超过“顶级运行”型高效节能变压器的技术要求，而且非晶变压器有两种设计类型，一种是无负载损耗特低型，另一种是负载和无负载损耗都很低型。
作为典型的高科技产品，非晶、纳米晶软磁合金带材的制造及其制品的使用过程都突显出优异的节能和环保特性，是典型的“绿色制造”与“绿色应用”相结合的双“绿色”产业。
在日本，由于“顶级运行”型超高效配电变压器在2006~2007年以来的大量上市推广应用（所用铁芯材料为Fe基非晶合金或0.23mm厚细畴高取向硅钢）；由于日立金属于2003年收购了美国Honeywell 公司的万吨级Fe基非晶合金生产厂(Metglas Inc.)并在此基础上进一步扩大产能（2007年为5.2万吨，2010年计划达10万吨，2015年将达到15万吨）；该公司千吨级纳米晶合金生产线已于2004年投产；还由于日本政府和企业界积极投资大力开发能耗更小、磁感更高的新型非晶和纳米晶合金，致使该产业进入了一个新的发展时期。
在我国，从政府到产学研各界也都十分重视发展该产业。在节能、节资、环保循环经济的持续科学发展战略的指引下，第一条万吨级非晶合金生产线已经于2009年9月下旬投产，成为世界上第二个拥有万吨级非晶合金带材产能的国家；国内多条百吨级纳米晶带材生产线已经运行多年，使Fe基纳米晶软磁合金使用量大大超过了传统高导磁Fe-Ni系坡莫合金的产量（2009年产量估计达4000吨）；“北京非晶、纳米晶产业创新示范基地”、“北京非晶产业园”等的相继成立，产、研、用密切合作，使该产业向更广、更高端应用延伸；近2~3年来，国内有几十家企业申请了百余件有关高效节能非晶合金配电变压器(AMDT)及其它应用制品的专利。总之，我国的非晶纳米晶材料产业也进入了欣欣向荣的发展时期。
无论是国外或国内，该产业市场年需要量都以二位百分数数字增长。
本文主要介绍新型高Bs(Bs>1.6T)低损耗非晶合金的最新研究进展。
2 新材料开发
现在大量用于工频配电变压器的非晶合金是牌号为metglas2605SA1，其成分为Fe80Si9B11，它与传统的变压器铁芯材料——取向硅钢相比有两个显著的不足：一是它的损耗虽小（仅为取向硅钢的1/3~1/4）但Bs低(Bs<1.6T)，因此最大工作磁感(Bm)仅达1.4T，而取向SiFe可达1.7T；二是它的λs值达27~28×10-6，而取向SiFe的λs值仅为1~3×10-6，因此非晶铁芯配电变压器(AMDT)比取向硅钢铁芯变压器(SiFeDT)体积和噪音都大。新的非晶材料的开发首先就要改善这两方面的不足。
要使Bs增大，必须提高Fe基非晶合金中Fe的含量，例如要使Bs>1.6T，Fe含量就须大于80at% 以上，但Fe含量提高会使非晶形成能力(GFA)降低，热稳定性下降（见图1[1]），特别是当Fe≥82at%，达86at%时，很难在快淬薄带中得到单一均匀的非晶相。另外，研究发现，在提高Bs值的同时，提高合金的矩形比，不仅使达到工作磁感Bm所需的磁场(H)下降，从而减少了磁性器件的励磁电流和功率，高矩形比还使Bm处的磁化为畴壁移动过程（不是畴转过程），这样就可促使噪音减小。图2[2]为这一过程的示意图。
图1和2应是新的Fe基非晶合金设计的出发点。
2003年日立金属收购了美国Honeywell公司下属Metglas公司的万吨级非晶合金生产线后，日美科技人员（Y.Yoshizawa，R.Hasegawa等）于2005年推出可用于配电变压器等的磁性更好的新型非晶合金Metglas 2605HB1[1~8]。表1和2分别列出了该合金性能的实验室水平和生产水平（0.025×170mm带）并与现用合金2605SA1和0.23mm厚高取向硅钢作对比。
由表可知，新合金的磁性特点：Bs高、Hc小，方形比Br/Bs高和铁损小。工作的磁感值Bm可达1.5T，这些都优于现用铁基非晶合金2605SA1。图3列出新合金2605HB1的磁滞回线，铁损(Pc)，激磁功率(S)的特性曲线并与现用合金对比。图4为可听噪音的对比[1， 6]。
从Y.Yoshizawa和R.Hasegawa等人分别申请的专利[4， 5]获知，2605HB1合金的组成为FeaSibBcCd系非晶态合金，其中a=80~83at%，b=0.1~5at%，c=12~18at%，d=0.05~3at%。杂质元素（如Mn、S、P、Al、Ti、Cu等）的总量不超过0.5at%。满足上述成分的合金具有如下的性能和特点：Bs≥1.6T，B80≥1.55T，Br/Bs>0.8或B80/Bs>0.9，P1.4/50≤0.28W/Kg，P1.5/50≤0.5W/Kg；合金的Tc>300℃，Tx1>400℃；此外，它还具有优异的热稳定性和低的脆性（断裂应变ε≥0.02），应力松弛率Rs≥0.9，表面粗糙度Ra<0.6μm，叠片系数≥85%。因此，快淬薄带的质量非常好。
生产该合金的技术关键是：在制带时向辊咀间隙处的熔潭前辊面和熔潭吹送预定流速、压力和数量的CO或CO2气体。使薄带贴辊面内部距离表面2nm~20nm范围内形成C浓度高的偏析层及其峰值（C峰值含量大大高于合金的标称C含量）。图5为吹送到冷却辊上气体的喷射压力与C偏析范围之间的关系(a)和各元素的浓度与距贴辊面表面深度的关系(b)[4]。此外还要严格控制成分，特别是注意Si和C元素的组成比，满足b≤(0.5a-36)d1/3的要求（当a=82时，b≤5d1/3）。C比Si有更大的GFA，而且它的加入不仅有利于磁性（增加Bs和Br/Bs）且提高了熔体的流动性及其与冷却辊的可湿性。通过控制C和Si的含量比（b/d小，且Si的含量b≯3at%）以及C偏析层的范围和峰值（高时，效果好）就可获得如上所述的表面粗糙度和脆性小、应力松弛率高、热稳定性好和Bs、Br/Bs高而铁损小的优质高铁含量(≥82at%)的非晶态合金带材。
表3列出一些上述FeSiBC系合金的成分和性能。推荐的2605HB1合金的成分是Fe81.7Si2B16C0.3（Metglas Inc申请中国专利[5]）或Fe82Si2B14C2（日立金属申请中国专利[4， 7]）。
表4列出另外一些Bs值在1.6T以上的新铁基非晶合金的成分和性能[9~13]。其中FeSiB(M)和FeSiBC(M)（M=Ni、Cr、Co、Mn等）[9]，和上述FeSiBC系合金一样Bs可达1.6T以上；而FeSiBCP系[10、11]，FeSiBCPN系[12]和FeSiBCSn系[13]合金Bs可达1.7T以上，但它们的B80值都不高，而且加P、(P+N)或Sn等元素会给生产工艺带来麻烦。含添加元素M（M=Ni、Cr、Co、Mn等）的Fe基非晶合金使成本增加，不利于和取向硅钢竞争，但这一工作对利用混杂返回料生产低成本的Fe基非晶合金有参考作用。
总之，新型Fe基非晶合金的Fe含量达82at%，Bs值和B80值都超过了1.6T，工作磁感(Bm)可达1.5T，而且在工频下的铁损比现用2605SA1Fe基非晶合金和取向硅钢低很多。
图6 为退火温度Ta对新开发的2605HB1(A)和现用Fe基非晶合金（B和C）磁性的影响。新合金的最佳退火温度(310℃~330℃)比现用合金低20℃~50℃。
老化试验表明Tc和Tx1均较高的新合金可以在150℃以下工作一百年以上，热稳定性极好。
图7 为用2605HB1、2605SA1和取向硅钢作三相变压器铁芯的铁损Pc和噪音La特性的比较。表5为作单相（20KVA、50Hz）和三相（500KVA、50Hz）变压器的各项特性比较。可见与2605SA1相比，新合金的铁损、噪音、工作磁感、变压器的总重量、体积或安装面积均有改善；与取向硅钢相比，无负荷损耗（即空载损耗）、总能耗要小很多，只是体积和重量稍大。对配电变压器用不同铁芯材料的评估还可参阅文献[15、16]。
图8为日本各类变压器（工厂用三相500KVA）的负载损耗和无负载损耗的比较[2]。只有用铁基非晶（SA1和HB1）和细畴高取向硅钢做铁芯的变压器才超过“顶级运行”型高效节能变压器的技术要求，而且非晶变压器有两种设计类型，一种是无负载损耗特低型，另一种是负载和无负载损耗都很低型。
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