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非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2020.12.09
信息摘要:
1非晶软磁合金材料及其应用非晶软磁合金材料及其形成机理我们根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶…

1 非晶软磁合金材料及其应用

 非晶软磁合金材料及其形成机理

我们根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体;物质的原子排列是混乱的叫做非晶体。通常情况下,金属及合金在从液体凝固成固体时,原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列,即成为晶体。但是,如果金属或合金的凝固速度非常快(例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固),原子来不及整齐排列便被冻结住了,最终的原子排列方式类似于液体,是混乱的,这就是非晶合金(又称为金属玻璃)。

由于不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。单一金属需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。受目前工艺水平的限制,实际生产中难以达到如此高的冷却速度,普通的单一的金属难以从生产上制成非晶。为了获得非晶态的金属,一般将金属与其它物质混合。当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后,就形成了合金。这些合金具有两个重要性质:①合金的成分一般在冶金学上的所谓共晶点附近,它们的熔点远低于纯金属,例如 FeSiB合金的熔点一般为1200度以下,而纯铁的熔点为1538度;②由于原子的种类多了,合金在液体时它们的原子更加难以移动,在冷却时更加难以整齐排列,也就是说更加容易被冻结成非晶。有了上面的两个重要条件,合金才可能比较容易地形成非晶。实际上,目前所有的实用非晶合金都是两种或更多种元素组成的合金,例如 Fe-Si-BFeNiPBCoZrZrTiCuNi等。

迄今为止,国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。它们在化学成分上的一个共同点是:由两类元素组成:一类是铁磁性元素(铁、钴、镍或者他们的组合),它们用来产生磁性;另一类是硅、硼、碳等,它们称为类金属,也叫做玻璃化元素,有了它们,合金的熔点比纯金属降低了很多,才容易形成非晶。

 非晶软磁合金材料的种类

 铁基非晶合金

铁基非晶合金:主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。它们的特点是磁性强(饱和磁感应强度可达)、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片,价格便宜,最适合替代硅钢片,特别是铁损低( 为取向硅钢片的1/31/5),代替硅钢做配电变压器可降低铁损6070%。铁基非晶合金的带材厚度为毫米左右,广泛应用于中低频变压器的铁心(一般在10千赫兹以下),例如配电变压器、中频变压器、大功率、电抗器等。

 铁镍基非晶合金

铁镍基非晶合金:主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成,它们的磁性比较弱(饱和磁感应强度大约为1T以下),价格较贵,但磁导率比较高,可以代替硅钢片或者坡莫合金,用作高要求的中低频变压器铁心,例如漏电互感器。

 钴基非晶合金

钴基非晶合金:由钴和硅、硼等组成,有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素,由于含钴,它们价格很贵,磁性较弱(饱和磁感应强度一般在1T以下),但磁导率极高,一般用在要求严格的军工率高,因此具有高的导磁率、低的损耗,是优良的软磁材料,代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、℃,坡莫合金:>400℃,铁氧体: <200℃,铁基非晶: >400

铁氧体无论是饱和磁通密度还是居里点都是最低的;硅钢的居里点最高,可惜只能在低频使用;坡莫合金的居里点较高,饱和磁通密度中等,同时能在20kHz以上使用,但价格高;而不同的非晶态合金具有不同的饱和磁通密度和居里点,分别可以应用于高频和低频,同时价格也低于相应的其它材料。因此,可以说非晶态合金作为变压器铁心使用是非常理想的。

除了居里点以外,非晶态合金的晶化温度也是衡量材料温度稳定性的一个重要参数。由于非晶态合金在高温下会发生晶化,由此它的使用温度受到晶化温度的限制。但是,非晶态合金的晶化温度的高低是足以应付几乎所有使用条件的。通常,非晶态合金的晶化温度在450600 ℃之间,而高频电源中的其它元器件的最高使用温度也只不过在150℃以下。非晶态合金的温度稳定性对于某些应用是至关重要的,因此,在非晶态合金的研究开发过程中,温度稳定性得到了充分的重视。早在八十年代,广大军工用户就提出了非常严格的温度稳定性要求。

通常情况下,非晶态合金必须满足如下要求:

温度范围:-55—+130℃ ,主要性能变化率:<±15%

钴基非晶合金的磁性能温度稳定性相当好,通常作为军工产品使用。对于铁基微晶合金,虽然性能的变化率较大,但值得注意的是,其高频损耗随使用温度的升高而降低。考虑到变压器铁心的实际工作温度总是高于室温,这种变化实际上是有利的。

综上所述,非晶态合金的温度稳定性非常值得信赖,使用温度在130℃℃,时效时间200小时。

从试验结果来看,非晶态合金的高温时效稳定性是非常好的。一般认为,非晶态合金在130℃以下使用是可靠的,有些品种的使用温度甚至可以达到1502 非晶软磁合金材料产业发展历程和现状

发展历程

第一阶段,1967年~1988年:1967Duwez教授率先开发出Fe-P-C系非晶软磁合金,带动了第一个非晶合金研究开发热潮。1979年美国 Allied Signal公司开发出非晶合金宽带的平面流铸带技术,并于1982年建成非晶带材连续生产厂,先后推出命名为MetglasFe基、Co基和FeNi基系列非晶合金带材,标志着非晶合金产业化和商品化的开始。 1984年美国四个变压器厂家在IEEE会议上展示了实用的非晶配电变压器,从而将非晶合金应用开发推向高潮。在这期间,美国主要致力于非晶合金带材的大规模生产和节能非晶配电变压器的推广应用,在技术和产品方面基本形成垄断。到1989年,美国Allied Signal公司已经具有年产 6万吨非晶带材的生产能力,全世界约有 100万台非晶配电变压器投入运行,所用铁基非晶带材几乎全部来源于该公司。除美国之外,日本和德国在非晶合金应用开发方面拥有自己的特色,重点是电子和电力电子元件,例如高级音响磁头、高频电源(含开关电源)用变压器、扼流圈、磁放大器等。但在1988年以前,由于专利问题,日本的非晶发展始终受到美国的制约。

第二阶段,1988年~至今:1988年日本日立金属公司的Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金(Finemet)。此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗,并且是成本低廉的铁基材料。因此铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展,从而把非晶态合金研究开发又推向一个新高潮。纳米晶合金可以替代钴基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体,在高频电力电子和电子信息领域中获得广泛应用,达到减小体积、降低成本等目的。 1988年当年,日立金属公司纳米晶合金既实现了产业化,并有产品推向市场。1992年德国VAC公司开始推出纳米晶合金替代钴基非晶合金,尤其在网络接口设备上,如ISDN,大量采用纳米晶磁心制作接口变压器和数字滤波器件。在此期间,美国Allied Signal公司(现被 Honeywell公司兼并)也加强了非晶合金在电力电子领域的推广应用,先后推出4个系列的铁心制品。

国内研究开发现状

国内非晶材料研究始于1976年,国家科委从六五开始连续5个五年计划均将非晶、纳米晶合金研究开发和产业化列入重大科技攻关项目。其中标志性的成果分别是:七五期间建成百吨级非晶带材中试生产线,带材宽度达到 100mm八五期间突破了非晶带材在线自动卷取技术,并建成年产20万只非晶铁心中试生产线;九五期间,成立了国家非晶微晶合金工程技术研究中心,建成了千吨级铁基非晶带材生产线,带材宽度达到 220mm,同时建成年产600吨非晶配电变压器铁心生产线。通过前4个五年科技攻关计划的实施,我国基本实现了非晶合金带材及制品产业化。在十五期间,纳米晶带材及其制品产业化开发又被列入重大科技攻关计划,国家给予重点支持,旨在推动纳米晶材料应用开发快速发展,满足电力电子和电子信息等高新技术领域日益增长的迫切需求。目前 ,国内从事非晶软磁合金材料生产的单位约 20多家,其中安泰科技股份有限公司(原钢铁研究总院部分转制上市)是国内非晶材料研究开发力量最强、产业规模最大的单位,也是上述国家科技攻关项目的主要承担单位。目前具有年产非晶带材3000吨,纳米晶带材 300吨的生产能力。

通过这4个五年科技攻关计划的实施,我国基本实现了非晶合金带材及制品产业化。在十五期间,纳米晶带材及其制品产业化开发仍然被列入国家重大科技攻关计划,给予重点支持,旨在推动非晶纳米晶材料应用开发快速发展,满足电力电子和电子信息等高新技术领域日益增长的迫切需求。

目前,非晶软磁合金所达到的最好单项性能水平为:

初始磁导率 μ0 = 14 ×104 钴基非晶

最大磁导率 μm = 220 ×104 钴基非晶

矫顽力 Hc =  Oe 钴基非晶

矩形比 Br/Bs =  钴基非晶

饱和磁化强度 4πMs = 18300 Gs 铁基非晶

电阻率 ρ= 270 微欧厘米

与美、日、德相比,我国非晶合金带材的产业规模与日本和德国相当,但远小于美国。在工艺技术和产品质量方面与上述国家差距很大。尤其对纳米晶合金来说,国内现有制带设备尚无法批量生产厚度小于20μm的超薄带。因此,严重制约了国内非晶、纳米晶合金在高频电力电子领域的推广应用。

当前普及应用的难点

由于国内厂商带材和变压器的生产没有形成规模,导致非晶材料和非晶变压器的成本较高,同等规格下非晶变压器的售价为S9的倍,用户大约要7-8年才能通过节省的能耗收回初期增加的投资,虽然国家出台有关非晶变压器生产和使用者税收优惠的政策,但使用者积极性仍然不高,只有在非晶变压器的售价为S9的倍(非晶铁心价格降为 30/公斤左右),用户大约要3-4年通过节省的能耗收回初期增加的投资,用户会有较强的积极性。因此如何协调非晶带材、铁心的生产者同变压器生产者以及变压器使用者三者之间的关系是非晶材料是否能大量应用的关键。目前的应用多偏向于一些特殊要求的场合,如上述问题能得到很好的解决,非晶材料和非晶变压器的市场规模会迅速增长。

3非晶软磁合金材料的市场前景和发展方向

不断扩展的应用市场

非晶态合金的应用首先是在八十年代初期,在军工电源上开始的。军工电源严酷的工作条件是对非晶铁心磁性能稳定性的极大考验。在过去的二十年中,非晶铁心已经应用在多种军工装备,如火箭、机载雷达、水雷、坦克等电源,使用非晶铁心的就更多。随着市场经济的发展,非晶态合金的应用领域逐渐扩展到广大的民用产品。目前民品是非晶中心最主要的产品,应用场合主要包括:互感器铁心、大功率逆变电源变压器和电抗器铁心、各种形式的开关电源变压器和电感铁心、各种传感器铁心等。

非晶和微晶合金在近十年来发展迅速,不但在材料和工艺,而且在应用方面都取得了很大的进步。

在低频电磁元件中,铁基非晶合金被大量应用,在电力配电变压器中的应用已取得良好效果,成为现在生产量最大的非晶合金。可以向电源中的整流变压器,滤波电抗器等电磁元件扩展。1990年开发出的FeMBMZrHfTa)和FeZrNbBCu微晶合金(Nanoperm合金),不但工频损耗低,而且饱和磁密高,磁致伸缩系数也小,是工频电磁元件用软磁材料中性能比较理想的,在低频领域可以代替硅钢和铁基合金,在中、高频领域可以代替钴基非晶合金和铁镍高导磁合金。1998年开发出 FeCoZrBCu非晶合金(商品名 Hitperm),饱和磁通密度Bs高达,可以代替FeCoV系高导磁合金,是低频电磁元件用软磁材料的最新进展。

中、高频领域首选的非晶和微晶合金是钴基非晶合金和铁基微晶合金。一般(1825)μm厚的带材,用于100kHz,小于18μm厚的薄带,用于500kHz1MHz。钴基非晶合金 20μm厚的薄带,100kHz只有30W/kg。现在见到报导最好的μm厚渗铬的CoFeCrSiB非晶合金薄带,1MHz140W/kg10MHz1022W/kgμe(1MHz)1×104

非晶、纳米晶合金的应用领域非常广泛,表2列出了非晶纳米晶合金带材的典型性能和一些主要应用。

在电力领域,非晶、纳米晶合金均得到大量应用。由于非晶合金的工频铁损仅为硅钢的1/5-1/3,利用非晶合金取代硅钢可使配电变压器的空载损耗降低60%-70%。因此,非晶配电变压器作为换代产品有很好的应用前景。在九五期间,我国自行建成了年生产能力 1000吨的非晶带材生产线及相应的年产600吨非晶配电变压器铁心生产线,这为在我国大力推广节能型非晶配电变压器奠定了良好基础。纳米晶合金的最大应用是电力互感器铁心。电力互感器是专门测量输变电线路上电流和电能的特种变压器。近年来高精度等级(如级、级、级)的互感器需求量迅速增加。传统的冷轧硅钢片铁心往往达不到精度要求,虽然高磁导率玻莫合金可以满足精度要求,但价格高。而采用纳米晶铁心不但可以达到精度要求、而且价格低于玻莫合金。

从目前国内外应用以及今后发展来看,非晶合金的大量使用还是在电力系统:

a.配电变压器铁心。铁基非晶合金铁心具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗(相当于硅钢片的1/31/5)、低激磁电流、良好的温度稳定性,使非晶合金变压器运行过程中的空载损失远低于硅钢变压器。这种情况尤其适用于空载时间长、用电效率低的农村电网。美国通过使用这种变压器每年可节约近 50×109KWH的空载损耗,节能产生的经济效益约为 35亿美元。

b.电力互感器铁心。在变电站使用大量的电力互感器,它们对铁心材料的要求非常苛刻,不仅要求高的磁性指标(如高导磁率、高饱和磁感、低损耗等),而且要求铁心材料的整个磁化曲线满足一定的条件,以保证互感器在整个测量范围内的精度。近年来,非晶微晶合金作为互感器铁心的应用逐渐广泛起来,取得了非常理想的效果。

c.开关电源变压器及电感铁心。传统的电源都是在50赫兹(称为工频)下将交流电变换成直流电的。由于工作频率低,变压器的体积大、能耗高、效率低。开关电源是自20世纪70年代发展起来的新型电源技术,它采用20千赫兹以上的工作频率,大大缩小了变压器的体积、减轻了重量、提高了效率。在开关电源中使用非晶微晶合金作为铁心的元器件有:主变压器、控制变压器、共模电感、噪声滤波器、滤波电感、储能电感、电抗器、磁放大器、尖峰抑制器、饱和电感、脉冲压缩器、开关管保护电感等。

d.漏电开关互感器铁心。漏电开关是安装在电器前面,用来保护电器和人的用电安全的装置。当由于设备绝缘不良或者人体触电时,会在互感器的次级中感应出信号,经过处理后使得电闸跳开,切断电路,保护电器或人身的安全。过去一般采用坡莫合金(铁镍合金)作为这种互感器铁心。自从八十年代以来,非晶合金开始作为漏电开关中的互感器铁心,国内目前用量极大。

在电力电子领域,随着高频逆变技术的成熟,传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代,而且为了提高效率,减小体积,开关电源的工作频率越来越高,这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大,已不能满足使用要求;铁氧体虽然高频损耗较低,但在大功率条件下仍然存在很多问题,一是饱和磁感低,无法减小变压器的体积;二是居里温度低,热稳定性差;三是制作大尺寸铁心成品率低,成本高。目前采用功率铁氧体的单个变压器的转换功率不超过20kW。纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感和很低的高频损耗,且热稳定性好,是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。采用纳米晶铁心的变压器的转换功率可达 500kW,体积比功率铁氧体变压器减少50%以上。目前在逆变焊机电源中纳米晶合金已经获得广泛应用,在通讯、电动交通工具、电解电镀等领域用开关电源中的应用正在积极开发之中。

在电子防窃系统中,早期利用钴基非晶窄带的谐波式防盗标签在图书馆中获得了大量应用。最近利用铁镍基非晶带材的声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、检测区窄等缺点,应用市场已经扩展到超级市场。可以预见,随开放式服务方式的发展,作为防盗防伪的非晶合金带材和丝材的应用会急剧增长。

在电子信息领域,随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展,对小尺寸、轻重量、高可靠性和低噪音的开关电源和网络接口设备的需求日益增长、要求越来越高。例如,为了减小体积,计算机开关电源的工作频率已经从20kHz提高到500kHz;为了实现CPU的低电压大电流供电方式,采用磁放大器稳定输出电压;为了消除各种噪音,采用抑制线路自生干扰的尖峰抑制器,以及抑制传导干扰的共模和差模扼流圈。因此,在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件。非晶、纳米晶合金在此大有用武之地。

在民用产品中,变频技术有利于节约电能、并减小体积和重量,正在大量普及。但负面效应不可忽视,如果中缺少必要的抑制干扰环节,会有大量高次谐波注入电网,使电网总功率因素下降。减少电网污染最有效的办法之一是在变频器中加入功率因数校正(PFC)环节,其中关键部件是高频损耗低、饱和磁感大的电感铁心。铁基非晶合金在此类应用中有明显优势,将在变频家电绿色化方面发挥重要作用。目前在变频空调中使用非晶 PFC电感已经成为一个热点。

目前在以下几个方面还存在推广应用市场:

a.替代极薄硅钢产品,从上海钢研所极薄硅钢产品的市场需求知道,极薄硅钢(厚度<)在20世纪70年代大量用于400Hz以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等,目前这方面的市场需求较大,但供方难以满足需要,用非晶纳米晶合金材料替代,不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化,而且价格上也有利可图。

b.高磁导率和大功率磁心器件,由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制,高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求,如采用非晶纳米晶材料取而代之,可以促使一些电子设备国产化、小型化。

c.工作环境温度高和环境恶劣等的一些电子产品,如油田钻探、海洋探测等特殊环境使用的电子产品用的各种磁性器件,选用非晶纳米晶合金材料制作,可以物尽其用,避免选材上的困扰。

d.航空、航天等军工产品用的各种磁性器件需要小而轻、温度稳定性好、磁性要求高,使用非晶纳米晶合金材料远优于其他软磁材料。

e.高频、大电流、大功率电源变压器、电抗器、滤波器等器件的小型化,目前这些器件大都采用铁氧体或冷轧硅钢,工作频率f=20kHz,工作磁感B=~,如采用非晶纳米晶合金磁心,可将工作频率提高到f=40kHz50kHz,工作磁感 B=~,可以大大减小磁心器件的体积和尺寸。

f.各种抗EMI器件、噪声抑制器和尖峰抑制器。

总之,非晶、纳米晶合金不仅软磁性能优异,而且工艺简单、成本低廉,正在成为一类十分重要的、具有市场竞争优势的基础功能材料。可以预见,非晶、纳米晶材料对我国传统产业改造和高新技术快速发展将发挥越来越重要的作用。

未来发展方向

在非晶合金的产业化发展过程中,非晶纳米晶合金带材及其铁心制品一直是主流,非晶丝材的研究开发和产业化是重要分支。1980年,日本Hagiwara首先提出采用内圆水纺法制备非晶合金丝材,随后日本的Unitika公司开始利用此法商业生产Fe基和 Co基非晶丝,作为产业化的软磁材料,应用重点集中在图书馆和超市用防盗标签。此外,利用非晶丝材各种独特的物理效应开发各类高性能传感器一直受到特别关注。尤其最近在钴基非晶丝材中发现巨磁阻抗效应以来,高精度磁敏传感器的开发成为热点。 1999年日本科学技术振兴事业团委托名古屋大学和爱知钢铁公司联合开发MI微型磁传感器和专用集成电路心片,目标是将非晶丝 MI传感器用于高速公路汽车自动导航和安全监测系统。随着纳米科学技术和快淬技术的迅速发展,非晶纳米晶软磁合金材料也在不断进步,不仅现已产业化的薄带产品性能和质量大大提高,而且还在研制开发非晶纳米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、复合材料等,这些新型纳米材料的研制开发及产业化将对电子变压器行业产生极大的潜在影响。

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