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    衡陽(yáng)市金則利特種合金股份有限公司

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  • 非晶軟磁合金材料及其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景
    發(fā)布時(shí)間:2014-03-28 來(lái)源:本站 點(diǎn)擊數(shù):389
    1、非晶軟磁合金材料及其應(yīng)用
        1.1 非晶軟磁合金材料及其形成機(jī)理
        我們根據(jù)原子排列方式把物質(zhì)劃分為晶體和非晶體兩類(lèi)。物質(zhì)里面的原子排列是整齊有序的叫做晶體;物質(zhì)的原子排列是混亂的叫做非晶體。通常情況下,金屬及合金在從液體凝固成固體時(shí),原子總是從液體的混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列,即成為晶體。但是,如果金屬或合金的凝固速度非常快(例如用每秒高達(dá)一百萬(wàn)度的冷卻速率將鐵-硼合金熔體凝固),原子來(lái)不及整齊排列便被凍結(jié)住了,最終的原子排列方式類(lèi)似于液體,是混亂的,這就是非晶合金(又稱(chēng)為金屬玻璃)。
        由于不同的物質(zhì)形成非晶所需要的冷卻速度大不相同。單一金屬需要每秒高達(dá)一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態(tài)。受目前工藝水平的限制,實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到如此高的冷卻速度,普通的單一的金屬難以從生產(chǎn)上制成非晶。為了獲得非晶態(tài)的金屬,一般將金屬與其它物質(zhì)混合。當(dāng)原子尺寸和性質(zhì)不同的幾種物質(zhì)搭配混合后,就形成了合金。這些合金具有兩個(gè)重要性質(zhì):①合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂“共晶”點(diǎn)附近,它們的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬,例如FeSiB合金的熔點(diǎn)一般為1200度以下,而純鐵的熔點(diǎn)為1538度;②由于原子的種類(lèi)多了,合金在液體時(shí)它們的原子更加難以移動(dòng),在冷卻時(shí)更加難以整齊排列,也就是說(shuō)更加容易被“凍結(jié)”成非晶。有了上面的兩個(gè)重要條件,合金才可能比較容易地形成非晶。實(shí)際上,目前所有的實(shí)用非晶合金都是兩種或更多種元素組成的合金,例如Fe-Si-B,F(xiàn)eNiPB,CoZr,ZrTiCuNi等。
        迄今為止,國(guó)內(nèi)外非晶合金開(kāi)發(fā)最多的是作為軟磁材料的一類(lèi)。它們?cè)诨瘜W(xué)成分上的一個(gè)共同點(diǎn)是:由兩類(lèi)元素組成:一類(lèi)是鐵磁性元素(鐵、鈷、鎳或者他們的組合),它們用來(lái)產(chǎn)生磁性;另一類(lèi)是硅、硼、碳等,它們稱(chēng)為類(lèi)金屬,也叫做玻璃化元素,有了它們,合金的熔點(diǎn)比純金屬降低了很多,才容易形成非晶。
        1.2 非晶軟磁合金材料的種類(lèi)
        1.2.1 鐵基非晶合金
        鐵基非晶合金:主要元素是鐵、硅、硼、碳、磷等。它們的特點(diǎn)是磁性強(qiáng)(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.4-1.7T)、磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等軟磁性能優(yōu)于硅鋼片,價(jià)格便宜,最適合替代硅鋼片,特別是鐵損低(為取向硅鋼片的1/3-1/5),代替硅鋼做配電變壓器可降低鐵損60-70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03毫米左右,廣泛應(yīng)用于中低頻變壓器的鐵心(一般在10千赫茲以下),例如配電變壓器、中頻變壓器、大功率電感、電抗器等。
        1.2.2 鐵鎳基非晶合金
        鐵鎳基非晶合金:主要由鐵、鎳、硅、硼、磷等組成,它們的磁性比較弱(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為1T以下),價(jià)格較貴,但磁導(dǎo)率比較高,可以代替硅鋼片或者坡莫合金,用作高要求的中低頻變壓器鐵心,例如漏電開(kāi)關(guān)互感器。
        1.2.3 鈷基非晶合金
        鈷基非晶合金:由鈷和硅、硼等組成,有時(shí)為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素,由于含鈷,它們價(jià)格很貴,磁性較弱(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T以下),但磁導(dǎo)率極高,一般用在要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等,替代坡莫合金和鐵氧體。
        1.2.4 納米(超微晶)軟磁合金材料
        由于非晶合金中原子的排列是混亂無(wú)序的這種特殊結(jié)構(gòu),使得非晶合金具有一些獨(dú)特的性質(zhì)。所以,以前的非晶合金在使用時(shí),必須保證它們處于非晶態(tài)。一般的非晶合金存在著發(fā)生晶化的可能性,一旦在晶化溫度以上退火,材料內(nèi)部的原子排列就變成了有序的,也就是說(shuō)成為晶體,而且晶粒組織很粗大,這時(shí)非晶合金原有的磁性能就會(huì)喪失。因此,一般的非晶合金都要在非晶狀態(tài)下使用。但是,自從八十年代末,日本的吉澤克仁等發(fā)現(xiàn),含有Cu和Nb的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時(shí),會(huì)形成非常細(xì)小的晶粒組織,晶粒尺寸僅有10-20納米。這時(shí)材料磁性能不僅不惡化,反而非常優(yōu)良。這種非晶合金經(jīng)過(guò)特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱(chēng)為納米晶合金(以前也曾稱(chēng)為超微晶合金)。
        鐵基納米晶合金由鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成,其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材,然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)退火,形成微晶和非晶的混合組織。這種材料雖然便宜,但磁性能極好,幾乎能夠和非晶合金中最好的鈷基非晶合金相媲美,但是卻不含有昂貴的鈷,是工業(yè)和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料,也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。
        1.3 非晶軟磁合金材料的優(yōu)點(diǎn)
        1.3.1優(yōu)良的磁性
        與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比,由于非晶合金原子排列無(wú)序,沒(méi)有晶體的各向異性,而且電阻率高,因此具有高的導(dǎo)磁率、低的損耗,是優(yōu)良的軟磁材料,代替硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等,可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實(shí)際上是迄今為止非晶合金最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。
        1.3.2高強(qiáng)韌性
        明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料,可以作復(fù)合增強(qiáng)材料,如釣魚(yú)桿等。國(guó)外已經(jīng)把塊狀非晶合金應(yīng)用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可能用在結(jié)構(gòu)零件中,起強(qiáng)化作用。另外,非晶合金具有優(yōu)良的耐磨性,再加上它們的磁性,可以制造各種磁頭。
        1.3.3靈活的處理工藝
        和其它磁性材料相比,非晶合金具有很寬的化學(xué)成分范圍,而且即使同一種材料,通過(guò)不同的后續(xù)處理能夠很容易地獲得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的,選擇余地很大,為電力電子元器件的選材提供了方便。
        1.3.4制造工藝簡(jiǎn)單,節(jié)能、環(huán)保
        傳統(tǒng)的薄鋼板,從煉鋼、澆鑄、鋼錠開(kāi)坯、初軋、退火、熱軋、退火、酸洗、精軋、剪切到薄板成品,需要若干工藝環(huán)節(jié)、數(shù)十道工序。由于環(huán)節(jié)多,工藝繁雜,傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)都是耗能大戶(hù)和污染大戶(hù),有“水老虎”和“電老虎”之稱(chēng)。而非晶合金的制造是在煉鋼之后直接噴帶,只需一步就制造出了薄帶成品,工藝大大簡(jiǎn)化,節(jié)約了大量寶貴的能源,同時(shí)無(wú)污染物排放,對(duì)環(huán)境保護(hù)非常有利。正是由于非晶合金制造過(guò)程節(jié)能,同時(shí)它的磁性能優(yōu)良,降低變壓器使用過(guò)程中的損耗,因此被稱(chēng)為綠色材料和二十一世紀(jì)的材料。表1是非晶軟磁合金材料與其它常用軟磁材料性能的比較。
        1.4 非晶軟磁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域
        由于非晶軟磁合金具有優(yōu)良的電磁性能,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。
        1.4.1電力電子技術(shù)領(lǐng)域:
        大功率中、高頻變壓器 
        逆變電源變壓器 
        大功率開(kāi)關(guān)電源變壓器
        1.4.2通訊技術(shù):
        程控交換機(jī)電源 
        數(shù)據(jù)交換接口部件 
        脈沖變壓器 
        UPS電源濾波和存儲(chǔ)電源、功率因素校正扼流圈、標(biāo)準(zhǔn)扼流圈
        1.4.3抗電磁干擾部件:
        交流電源、可控硅、EMI差模、共模電感、輸出濾波電感
        1.4.4開(kāi)關(guān)電源:
        磁飽和電抗器 
        磁放大器 
        尖峰抑制器 
        扼流圈
        1.4.5傳感器:
        電流電壓互感器 
        零序電流互感器 
        漏電開(kāi)關(guān)互感器 
        防盜感應(yīng)標(biāo)簽
        1.5有關(guān)非晶軟磁合金材料的幾個(gè)問(wèn)題
        1.5.1 材料穩(wěn)定性
        1.5.1.1溫度穩(wěn)定性(指非晶態(tài)合金的磁性能隨使用溫度的變化):
        常用的磁性材料,當(dāng)溫度升高時(shí),其飽和磁通密度都是下降的。當(dāng)溫度高于一定值時(shí),材料變成順磁性的,原有磁性能喪失,無(wú)法繼續(xù)使用。這個(gè)溫度稱(chēng)為磁性材料的居里溫度(或居里點(diǎn))。居里點(diǎn)越高,表明材料可能的使用溫度越高,即材料的溫度穩(wěn)定性越好。
        對(duì)于幾種常用的磁性材料,其居里溫度如下:
        硅鋼:>600℃,坡莫合金:>400℃,鐵氧體: <200℃,鐵基非晶:>400℃
        鐵氧體無(wú)論是飽和磁通密度還是居里點(diǎn)都是最低的;硅鋼的居里點(diǎn)最高,可惜只能在低頻使用;坡莫合金的居里點(diǎn)較高,飽和磁通密度中等,同時(shí)能在20kHz以上使用,但價(jià)格高;而不同的非晶態(tài)合金具有不同的飽和磁通密度和居里點(diǎn),分別可以應(yīng)用于高頻和低頻,同時(shí)價(jià)格也低于相應(yīng)的其它材料。因此,可以說(shuō)非晶態(tài)合金作為變壓器鐵心使用是非常理想的。
        除了居里點(diǎn)以外,非晶態(tài)合金的晶化溫度也是衡量材料溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。由于非晶態(tài)合金在高溫下會(huì)發(fā)生晶化,由此它的使用溫度受到晶化溫度的限制。但是,非晶態(tài)合金的晶化溫度的高低是足以應(yīng)付幾乎所有使用條件的。通常,非晶態(tài)合金的晶化溫度在450-600 ℃之間,而高頻電源中的其它元器件的最高使用溫度也只不過(guò)在150℃以下。非晶態(tài)合金的溫度穩(wěn)定性對(duì)于某些應(yīng)用是至關(guān)重要的,因此,在非晶態(tài)合金的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中,溫度穩(wěn)定性得到了充分的重視。早在八十年代,廣大軍工用戶(hù)就提出了非常嚴(yán)格的溫度穩(wěn)定性要求。
        通常情況下,非晶態(tài)合金必須滿(mǎn)足如下要求:
        溫度范圍:-55℃—+130℃ ,主要性能變化率:<±15%
        鈷基非晶合金的磁性能溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好,通常作為軍工產(chǎn)品使用。對(duì)于鐵基微晶合金,雖然性能的變化率較大,但值得注意的是,其高頻損耗隨使用溫度的升高而降低。考慮到變壓器鐵心的實(shí)際工作溫度總是高于室溫,這種變化實(shí)際上是有利的。
        綜上所述,非晶態(tài)合金的溫度穩(wěn)定性非常值得信賴(lài),使用溫度在130℃以下的變壓器鐵心完全沒(méi)有問(wèn)題。
        1.5.1.2時(shí)效穩(wěn)定性(指在一定溫度下,非晶態(tài)合金的磁性能隨時(shí)間的變化):
        對(duì)于大多數(shù)變壓器鐵心來(lái)說(shuō),其使用時(shí)間往往較長(zhǎng)。由于非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài),在一定條件下有晶化的趨勢(shì)。這使人們擔(dān)心,隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng),非晶合金的磁性能會(huì)不會(huì)由于晶化而喪失。為了驗(yàn)證非晶態(tài)合金經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)不會(huì)失效,最直接的方法莫過(guò)于將非晶態(tài)合金鐵心在實(shí)際使用條件下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn),觀(guān)察磁性能的變化。美國(guó)自八十年代就已經(jīng)開(kāi)始非晶態(tài)合金的生產(chǎn),并大量應(yīng)用于配電變壓器鐵心。根據(jù)大量報(bào)道,這些變壓器一直在正常運(yùn)行,表明非晶鐵心的時(shí)效穩(wěn)定性是可靠的。我國(guó)自八十年代起將非晶態(tài)合金應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、中頻變壓器及漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)等多種場(chǎng)合,至今沒(méi)有因?yàn)殍F心性能惡化導(dǎo)致變壓器失效的例子,這充分證明我國(guó)的非晶態(tài)合金在時(shí)效穩(wěn)定性方面是安全的。
        但是,對(duì)于眾多的非晶態(tài)合金來(lái)說(shuō),都進(jìn)行模擬實(shí)際應(yīng)用的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。正如前面所述, 非晶態(tài)合金在一定溫度下有發(fā)生晶化的趨勢(shì),這種趨勢(shì)隨著溫度的降低是呈指數(shù)規(guī)律迅速遞減的。根據(jù)這種規(guī)律,我們通常利用高溫短時(shí)間的時(shí)效試驗(yàn)代替低溫長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn),用以說(shuō)明材料的時(shí)效穩(wěn)定性。對(duì)于常見(jiàn)的非晶軟磁合金,最常用的試驗(yàn)條件為:時(shí)效溫度130℃,時(shí)效時(shí)間200小時(shí)。
        從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,非晶態(tài)合金的高溫時(shí)效穩(wěn)定性是非常好的。一般認(rèn)為,非晶態(tài)合金在130℃以下使用是可靠的,有些品種的使用溫度甚至可以達(dá)到150℃。
        1.5.1.3磁沖擊穩(wěn)定性(非晶納米晶鐵心經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)的沖擊后保持原有磁性能的能力):
        非晶鐵心在使用過(guò)程中,有時(shí)會(huì)受到來(lái)自電源內(nèi)部或外部的強(qiáng)磁場(chǎng)沖擊。在強(qiáng)磁場(chǎng)沖擊后,鐵心保持原有性能是非常關(guān)鍵的。否則,鐵心性能的惡化會(huì)降低電源效率,嚴(yán)重的甚至造成鐵心工作點(diǎn)偏移,使鐵心飽和,損壞開(kāi)關(guān)管。為了研究非晶態(tài)合金的磁沖擊穩(wěn)定性,曾經(jīng)對(duì)不同材料的鐵心進(jìn)行了一系列磁沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果充分表明,非晶態(tài)合金經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后,磁性能完全可以經(jīng)受強(qiáng)磁場(chǎng)的沖擊而基本復(fù)原。
        1.5.1.4機(jī)械穩(wěn)定性(指非晶態(tài)合金經(jīng)過(guò)機(jī)械沖擊振動(dòng)后磁性能的變化):
        非晶態(tài)合金在使用前,一般都要經(jīng)過(guò)熱處理。而經(jīng)過(guò)熱處理后,材料比較脆。但無(wú)論什么材料,作為變壓器鐵心使用時(shí),大多數(shù)要放在保護(hù)盒中或表面注塑后使用。對(duì)于非晶態(tài)合金,在鐵心裝入保護(hù)盒時(shí)通常還要加入某些襯墊物,如硅脂、海綿等。這些措施完全可以保證鐵心在使用中不發(fā)生損壞和磁性能惡化。
        在非晶態(tài)合金研究開(kāi)發(fā)的初期,首先是在軍工電源中應(yīng)用的。軍工設(shè)備嚴(yán)酷的工作條件,對(duì)鐵心的性能要求十分苛刻。例如,對(duì)于航空航天裝備中的開(kāi)關(guān)電源,對(duì)變壓器鐵心機(jī)械穩(wěn)定性的要求一般是:

        耐機(jī)械沖擊性:加速度55g,持續(xù)時(shí)間8ms,沖擊3次,要求損耗變化率 DP/P≤±15%。 
        耐機(jī)械振動(dòng):頻率20-500Hz,加速度5g,掃描45分鐘,兩個(gè)方向,要求損耗變化率 DP/P≤±15%。 
        離心試驗(yàn):恒加速度15g,5分鐘,要求損耗變化率 DP/P≤±15%。
        根據(jù)上述要求,曾經(jīng)對(duì)非晶態(tài)合金作了一系列機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)。 
        經(jīng)過(guò)一系列機(jī)械沖擊和振動(dòng)等試驗(yàn),非晶鐵心的磁性能變化率相當(dāng)?shù)停耆珴M(mǎn)足使用要求。
        總之,非晶態(tài)合金的機(jī)械穩(wěn)定性良好。目前,在非晶中心的產(chǎn)品中,每年用于軍工電源的鐵心在一萬(wàn)只以上。既然它們可以穩(wěn)定地應(yīng)用于軍工電源,那么在使用條件相對(duì)溫和的民品中理所當(dāng)然也是可以勝任的。
        1.5.2規(guī)模生產(chǎn)問(wèn)題
        目前,國(guó)內(nèi)非晶軟磁合金生產(chǎn)企業(yè)中多數(shù)企業(yè)程度不同地存在批量產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定、產(chǎn)品一致性差、性能指標(biāo)離散較大的問(wèn)題,其主要原因是有的生產(chǎn)廠(chǎng)家技術(shù)裝備差、生產(chǎn)工序不全,檢測(cè)手段落后,綜合研發(fā)實(shí)力不強(qiáng)。作為新興的產(chǎn)業(yè),其發(fā)展和進(jìn)步必然有一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。
        2、非晶軟磁合金材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀
        2.1發(fā)展歷程
        第一階段,1967年~1988年:1967年Duwez教授率先開(kāi)發(fā)出Fe-P-C系非晶軟磁合金,帶動(dòng)了第一個(gè)非晶合金研究開(kāi)發(fā)熱潮。1979年美國(guó)Allied Signal公司開(kāi)發(fā)出非晶合金寬帶的平面流鑄帶技術(shù),并于1982年建成非晶帶材連續(xù)生產(chǎn)廠(chǎng),先后推出命名為Metglas的Fe基、Co基和FeNi基系列非晶合金帶材,標(biāo)志著非晶合金產(chǎn)業(yè)化和商品化的開(kāi)始。1984年美國(guó)四個(gè)變壓器廠(chǎng)家在IEEE會(huì)議上展示了實(shí)用的非晶配電變壓器,從而將非晶合金應(yīng)用開(kāi)發(fā)推向高潮。在這期間,美國(guó)主要致力于非晶合金帶材的大規(guī)模生產(chǎn)和節(jié)能非晶配電變壓器的推廣應(yīng)用,在技術(shù)和產(chǎn)品方面基本形成壟斷。到1989年,美國(guó)Allied      Signal公司已經(jīng)具有年產(chǎn)6萬(wàn)噸非晶帶材的生產(chǎn)能力,全世界約有100萬(wàn)臺(tái)非晶配電變壓器投入運(yùn)行,所用鐵基非晶帶材幾乎全部來(lái)源于該公司。除美國(guó)之外,日本和德國(guó)在非晶合金應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面擁有自己的特色,重點(diǎn)是電子和電力電子元件,例如高級(jí)音響磁頭、高頻電源(含開(kāi)關(guān)電源)用變壓器、扼流圈、磁放大器等。但在1988年以前,由于專(zhuān)利問(wèn)題,日本的非晶發(fā)展始終受到美國(guó)的制約。
        第二階段,1988年~至今:1988年日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過(guò)晶化處理開(kāi)發(fā)出納米晶軟磁合金(Finemet)。此類(lèi)合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的高磁感和鈷基非晶合金的高磁導(dǎo)率、低損耗,并且是成本低廉的鐵基材料。因此鐵基納米晶合金的發(fā)明是軟磁材料

    的一個(gè)突破性進(jìn)展,從而把非晶態(tài)合金研究開(kāi)發(fā)又推向一個(gè)新高潮。納米晶合金可以替代鈷基非晶合金、晶態(tài)坡莫合金和鐵氧體,在高頻電力電子和電子信息領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用,達(dá)到減小體積、降低成本等目的。1988年當(dāng)年,日立金屬公司納米晶合金既實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,并有產(chǎn)品推向市場(chǎng)。1992年德國(guó)VAC公司開(kāi)始推出納米晶合金替代鈷基非晶合金,尤其在網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備上,如ISDN,大量采用納米晶磁心制作接口變壓器和數(shù)字濾波器件。在此期間,美國(guó)Allied Signal公司(現(xiàn)被Honeywell公司兼并)也加強(qiáng)了非晶合金在電力電子領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,先后推出4個(gè)系列的鐵心制品。
        2.2國(guó)內(nèi)研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
        國(guó)內(nèi)非晶材料研究始于1976年,國(guó)家科委從“六五”開(kāi)始連續(xù)5個(gè)五年計(jì)劃均將非晶、納米晶合金研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化列入重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。其中標(biāo)志性的成果分別是:“七五”期間建成百?lài)嵓?jí)非晶帶材中試生產(chǎn)線(xiàn),帶材寬度達(dá)到100mm;“八五”期間突破了非晶帶材在線(xiàn)自動(dòng)卷取技術(shù),并建成年產(chǎn)20萬(wàn)只非晶鐵心中試生產(chǎn)線(xiàn);“九五”期間,成立了國(guó)家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心,建成了千噸級(jí)鐵基非晶帶材生產(chǎn)線(xiàn),帶材寬度達(dá)到220mm,同時(shí)建成年產(chǎn)600噸非晶配電變壓器鐵心生產(chǎn)線(xiàn)。通過(guò)前4個(gè)五年科技攻關(guān)計(jì)劃的實(shí)施,我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)了非晶合金帶材及制品產(chǎn)業(yè)化。在十五期間,納米晶帶材及其制品產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)又被列入重大科技攻關(guān)計(jì)劃,國(guó)家給予重點(diǎn)支持,旨在推動(dòng)納米晶材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)快速發(fā)展,滿(mǎn)足電力電子和電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的迫切需求。目前,國(guó)內(nèi)從事非晶軟磁合金材料生產(chǎn)的單位約20多家,其中安泰科技股份有限公司(原鋼鐵研究總院部分轉(zhuǎn)制上市)是國(guó)內(nèi)非晶材料研究開(kāi)發(fā)力量最強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的單位,也是上述國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目的主要承擔(dān)單位。目前具有年產(chǎn)非晶帶材3000噸,納米晶帶材300噸的生產(chǎn)能力。
        通過(guò)這4個(gè)五年科技攻關(guān)計(jì)劃的實(shí)施,我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)了非晶合金帶材及制品產(chǎn)業(yè)化。在十五期間,納米晶帶材及其制品產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)仍然被列入國(guó)家重大科技攻關(guān)計(jì)劃,給予重點(diǎn)支持,旨在推動(dòng)非晶納米晶材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)快速發(fā)展,滿(mǎn)足電力電子和電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的迫切需求。
        目前,非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項(xiàng)性能水平為:
        初始磁導(dǎo)率 μ0 = 14 ×104 鈷基非晶 
        最大磁導(dǎo)率 μm = 220 ×104 鈷基非晶 
        矯頑力 Hc = 0.001 Oe 鈷基非晶 
        矩形比 Br/Bs = 0.995 鈷基非晶 
        飽和磁化強(qiáng)度 4πMs = 18300 Gs 鐵基非晶 
        電阻率 ρ= 270 微歐厘米
        與美、日、德相比,我國(guó)非晶合金帶材的產(chǎn)業(yè)規(guī)模與日本和德國(guó)相當(dāng),但遠(yuǎn)小于美國(guó)。在工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量方面與上述國(guó)家差距很大。尤其對(duì)納米晶合金來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制帶設(shè)備尚無(wú)法批量生產(chǎn)厚度小于20μm的超薄帶。因此,嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)非晶、納米晶合金在高頻電力電子領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
        2.3當(dāng)前普及應(yīng)用的難點(diǎn)
        由于國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商帶材和變壓器的生產(chǎn)沒(méi)有形成規(guī)模,導(dǎo)致非晶材料和非晶變壓器的成本較高,同等規(guī)格下非晶變壓器的售價(jià)為S9的1.5倍,用戶(hù)大約要7-8年才能通過(guò)節(jié)省的能耗收回初期增加的投資,雖然國(guó)家出臺(tái)有關(guān)非晶變壓器生產(chǎn)和使用者稅收優(yōu)惠的政策,但使用者積極性仍然不高,只有在非晶變壓器的售價(jià)為S9的1.3倍(非晶鐵心價(jià)格降為30元/公斤左右),用戶(hù)大約要3-4年通過(guò)節(jié)省的能耗收回初期增加的投資,用戶(hù)會(huì)有較強(qiáng)的積極性。因此如何協(xié)調(diào)非晶帶材、鐵心的生產(chǎn)者同變壓器生產(chǎn)者以及變壓器使用者三者之間的關(guān)系是非晶材料是否能大量應(yīng)用的關(guān)鍵。目前的應(yīng)用多偏向于一些特殊要求的場(chǎng)合,如上述問(wèn)題能得到很好的解決,非晶材料和非晶變壓器的市場(chǎng)規(guī)模會(huì)迅速增長(zhǎng)。
        3非晶軟磁合金材料的市場(chǎng)前景和發(fā)展方向
        3.1不斷擴(kuò)展的應(yīng)用市場(chǎng)
        非晶態(tài)合金的應(yīng)用首先是在八十年代初期,在軍工電源上開(kāi)始的。軍工電源嚴(yán)酷的工作條件是對(duì)非晶鐵心磁性能穩(wěn)定性的極大考驗(yàn)。在過(guò)去的二十年中,非晶鐵心已經(jīng)應(yīng)用在多種軍工裝備,如火箭、機(jī)載雷達(dá)、水雷、坦克等電源,使用非晶鐵心的就更多。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,非晶態(tài)合金的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到廣大的民用產(chǎn)品。目前民品是非晶中心最主要的產(chǎn)品,應(yīng)用場(chǎng)合主要包括:互感器鐵心、大功率逆變電源變壓器和電抗器鐵心、各種形式的開(kāi)關(guān)電源變壓器和電感鐵心、各種傳感器鐵心等。
        非晶和微晶合金在近十年來(lái)發(fā)展迅速,不但在材料和工藝,而且在應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步。
        在低頻電磁元件中,鐵基非晶合金被大量應(yīng)用,在電力配電變壓器中的應(yīng)用已取得良好效果,成為現(xiàn)在生產(chǎn)量最大的非晶合金。可以向電源中的整流變壓器,濾波電抗器等電磁元件擴(kuò)展。1990年開(kāi)發(fā)出的FeMB(M為Zr、Hf、Ta)和FeZrNbBCu微晶合金(Nanoperm合金),不但工頻損耗低,而且飽和磁密高,磁致伸縮系數(shù)也小,是工頻電磁元件用軟磁材料中性能比較理想的,在低頻領(lǐng)域可以代替硅鋼和鐵基合金,在中、高頻領(lǐng)域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導(dǎo)磁合金。1998年開(kāi)發(fā)出FeCoZrBCu非晶合金(商品名Hitperm),飽和磁通密度Bs高達(dá)2.0T,可以代替FeCoV系高導(dǎo)磁合金,是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進(jìn)展。
        中、高頻領(lǐng)域首選的非晶和微晶合金是鈷基非晶合金和鐵基微晶合金。一般(18~25)μm厚的帶材,用于100kHz,小于18μm厚的薄帶,用于500kHz~1MHz。鈷基非晶合金20μm厚的薄帶,P0.2T/100kHz只有30W/kg。現(xiàn)在見(jiàn)到報(bào)導(dǎo)最好的3.8μm厚滲鉻的CoFeCrSiB非晶合金薄帶,P0.1T/1MHz為140W/kg,P0.1T/10MHz為1022W/kg,μe(1MHz)為1×104。
        非晶、納米晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,表2列出了非晶納米晶合金帶材的典型性能和一些主要應(yīng)用。
        在電力領(lǐng)域,非晶、納米晶合金均得到大量應(yīng)用。由于非晶合金的工頻鐵損僅為硅鋼的1/5-1/3,利用非晶合金取代硅鋼可使配電變壓器的空載損耗降低60%-70%。因此,非晶配電變壓器作為換代產(chǎn)品有很好的應(yīng)用前景。在“九五”期間,我國(guó)自行建成了年生產(chǎn)能力1000噸的非晶帶材生產(chǎn)線(xiàn)及相應(yīng)的年產(chǎn)600噸非晶配電變壓器鐵心生產(chǎn)線(xiàn),這為在我國(guó)大力推廣節(jié)能型非晶配電變壓器奠定了良好基礎(chǔ)。納米晶合金的最大應(yīng)用是電力互感器鐵心。電力互感器是專(zhuān)門(mén)測(cè)量輸變電線(xiàn)路上電流和電能的特種變壓器。
        近年來(lái)高精度等級(jí)(如0.2級(jí)、0.2S級(jí)、0.5S級(jí))的互感器需求量迅速增加。傳統(tǒng)的冷軋硅鋼片鐵心往往達(dá)不到精度要求,雖然高磁導(dǎo)率玻莫合金可以滿(mǎn)足精度要求,但價(jià)格高。而采用納米晶鐵心不但可以達(dá)到精度要求、而且價(jià)格低于玻莫合金。
        從目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用以及今后發(fā)展來(lái)看,非晶合金的大量使用還是在電力系統(tǒng):
        a、配電變壓器鐵心。鐵基非晶合金鐵心具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低矯頑力、低損耗(相當(dāng)于硅鋼片的1/3~1/5)、低激磁電流、良好的溫度穩(wěn)定性,使非晶合金變壓器運(yùn)行過(guò)程中的空載損失遠(yuǎn)低于硅鋼變壓器。這種情況尤其適用于空載時(shí)間長(zhǎng)、用電效率低的農(nóng)村電網(wǎng)。美國(guó)通過(guò)使用這種變壓器每年可節(jié)約近50×109KWH的空載損耗,節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為35億美元。
        b、電力互感器鐵心。在變電站使用大量的電力互感器,它們對(duì)鐵心材料的要求非常苛刻,不僅要求高的磁性指標(biāo)(如高導(dǎo)磁率、高飽和磁感、低損耗等),而且要求鐵心材料的整個(gè)磁化曲線(xiàn)滿(mǎn)足一定的條件,以保證互感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的精度。近年來(lái),非晶微晶合金作為互感器鐵心的應(yīng)用逐漸廣泛起來(lái),取得了非常理想的效果。
        c、開(kāi)關(guān)電源變壓器及電感鐵心。傳統(tǒng)的電源都是在50赫茲(稱(chēng)為工頻)下將交流電變換成直流電的。由于工作頻率低,變壓器的體積大、能耗高、效率低。開(kāi)關(guān)電源是自20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型電源技術(shù),它采用20千赫茲以上的工作頻率,大大縮小了變壓器的體積、減輕了重量、提高了效率。在開(kāi)關(guān)電源中使用非晶微晶合金作為鐵心的元器件有:主變壓器、控制變壓器、共模電感、噪聲濾波器、濾波電感、儲(chǔ)能電感、電抗器、磁放大器、尖峰抑制器、飽和電感、脈沖壓縮器、開(kāi)關(guān)管保護(hù)電感等。
        d、漏電開(kāi)關(guān)互感器鐵心。漏電開(kāi)關(guān)是安裝在電器前面,用來(lái)保護(hù)電器和人的用電安全的裝置。當(dāng)由于設(shè)備絕緣不良或者人體觸電時(shí),會(huì)在互感器的次級(jí)線(xiàn)圈中感應(yīng)出信號(hào),經(jīng)過(guò)處理后使得電閘跳開(kāi),切斷電路,保護(hù)電器或人身的安全。過(guò)去一般采用坡莫合金(鐵鎳合金)作為這種互感器鐵心。自從八十年代以來(lái),非晶合金開(kāi)始作為漏電開(kāi)關(guān)中的互感器鐵心,國(guó)內(nèi)目前用量極大。
        在電力電子領(lǐng)域,隨著高頻逆變技術(shù)的成熟,傳統(tǒng)大功率線(xiàn)性電源開(kāi)始大量被高頻開(kāi)關(guān)電源所取代,而且為了提高效率,減小體積,開(kāi)關(guān)電源的工作頻率越來(lái)越高,這就對(duì)其中的軟磁材料提出了更高的要求。硅鋼高頻損耗太大,已不能滿(mǎn)足使用要求;鐵氧體雖然高頻損耗較低,但在大功率條件下仍然存在很多問(wèn)題,一是飽和磁感低,無(wú)法減小變壓器的體積;二是居里溫度低,熱穩(wěn)定性差;三是制作大尺寸鐵心成品率低,成本高。目前采用功率鐵氧體的單個(gè)變壓器的轉(zhuǎn)換功率不超過(guò)20kW。納米晶軟磁合金同時(shí)具有高飽和磁感和很低的高頻損耗,且熱穩(wěn)定性好,是大功率開(kāi)關(guān)電源用軟磁材料的最佳選擇。采用納米晶鐵心的變壓器的轉(zhuǎn)換功率可達(dá)500kW,體積比功率鐵氧體變壓器減少50%以上。目前在逆變焊機(jī)電源中納米晶合金已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用,在通訊、電動(dòng)交通工具、電解電鍍等領(lǐng)域用開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用正在積極開(kāi)發(fā)之中。
        在電子防竊系統(tǒng)中,早期利用鈷基非晶窄帶的諧波式防盜標(biāo)簽在圖書(shū)館中獲得了大量應(yīng)用。最近利用鐵鎳基非晶帶材的聲磁式防盜標(biāo)簽克服了諧波式防盜標(biāo)簽誤報(bào)警率高、檢測(cè)區(qū)窄等缺點(diǎn),應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)擴(kuò)展到超級(jí)市場(chǎng)。可以預(yù)見(jiàn),隨開(kāi)放式服務(wù)方式的發(fā)展,作為防盜防偽的非晶合金帶材和絲材的應(yīng)用會(huì)急劇增長(zhǎng)。
        在電子信息領(lǐng)域,隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展,對(duì)小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開(kāi)關(guān)電源和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)、要求越來(lái)越高。例如,為了減小體積,計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)從20kHz提高到500kHz;為了實(shí)現(xiàn)CPU的低電壓大電流供電方式,采用磁放大器穩(wěn)定輸出電壓;為了消除各種噪音,采用抑制線(xiàn)路自生干擾的尖峰抑制器,以及抑制傳導(dǎo)干擾的共模和差模扼流圈。因此,在開(kāi)關(guān)電源和接口設(shè)備中增加了大量高頻磁性器件。非晶、納米晶合金在此大有用武之地。
        在民用產(chǎn)品中,變頻技術(shù)有利于節(jié)約電能、并減小體積和重量,正在大量普及。但負(fù)面效應(yīng)不可忽視,如果變頻器中缺少必要的抑制干擾環(huán)節(jié),會(huì)有大量高次諧波注入電網(wǎng),使電網(wǎng)總功率因素下降。減少電網(wǎng)污染最有效的辦法之一是在變頻器中加入功率因數(shù)校正(PFC)環(huán)節(jié),其中關(guān)鍵部件是高頻損耗低、飽和磁感大的電感鐵心。鐵基非晶合金在此類(lèi)應(yīng)用中有明顯優(yōu)勢(shì),將在變頻家電綠色化方面發(fā)揮重要作用。目前在變頻空調(diào)中使用非晶PFC電感已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。
        目前在以下幾個(gè)方面還存在推廣應(yīng)用市場(chǎng):
        a、替代極薄硅鋼產(chǎn)品,從上海鋼研所極薄硅鋼產(chǎn)品的市場(chǎng)需求知道,極薄硅鋼(厚度<0.1mm)在20世紀(jì)70年代大量用于400Hz以上各種電子元件如高頻變壓器、電抗器、磁屏蔽等,目前這方面的市場(chǎng)需求較大,但供方難以滿(mǎn)足需要,用非晶納米晶合金材料替代,不僅可以提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和促使小型化,而且價(jià)格上也有利可圖。
        b、高磁導(dǎo)率和大功率磁心器件,由于國(guó)內(nèi)鐵氧體生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)條件的限制,高磁導(dǎo)率、高性能、大功率鐵氧體難以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求,如采用非晶納米晶材料取而代之,可以促使一些電子設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、小型化。
        c、工作環(huán)境溫度高和環(huán)境惡劣等的一些電子產(chǎn)品,如油田鉆探、海洋探測(cè)等特殊環(huán)境使用的電子產(chǎn)品用的各種磁性器件,選用非晶納米晶合金材料制作,可以物盡其用,避免選材上的困擾。
        d、航空、航天等軍工產(chǎn)品用的各種磁性器件需要小而輕、溫度穩(wěn)定性好、磁性要求高,使用非晶納米晶合金材料遠(yuǎn)優(yōu)于其他軟磁材料。
        e、高頻、大電流、大功率電源變壓器、電抗器、濾波器等器件的小型化,目前這些器件大都采用鐵氧體或冷軋硅鋼,工作頻率f=20kHz,工作磁感B=0.2T~0.3T,如采用非晶納米晶合金磁心,可將工作頻率提高到f=40kHz~50kHz,工作磁感B=0.5T~0.6T,可以大大減小磁心器件的體積和尺寸。
        f、各種抗EMI器件、噪聲抑制器和尖峰抑制器。
        總之,非晶、納米晶合金不僅軟磁性能優(yōu)異,而且工藝簡(jiǎn)單、成本低廉,正在成為一類(lèi)十分重要的、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)功能材料。可以預(yù)見(jiàn),非晶、納米晶材料對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和高新技術(shù)快速發(fā)展將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
        3.2未來(lái)發(fā)展方向
        在非晶合金的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程中,非晶納米晶合金帶材及其鐵心制品一直是主流,非晶絲材的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化是重要分支。1980年,日本Hagiwara首先提出采用內(nèi)圓水紡法制備非晶合金絲材,隨后日本的Unitika公司開(kāi)始利用此法商業(yè)生產(chǎn)Fe基和Co基非晶絲,作為產(chǎn)業(yè)化的磁性材料,應(yīng)用重點(diǎn)集中在圖書(shū)館和超市用防盜標(biāo)簽。此外,利用非晶絲材各種獨(dú)特的物理效應(yīng)開(kāi)發(fā)各類(lèi)高性能傳感器一直受到特別關(guān)注。尤其最近在鈷基非晶絲材中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)以來(lái),高精度磁敏傳感器的開(kāi)發(fā)成為熱點(diǎn)。
        1999年日本科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)團(tuán)委托名古屋大學(xué)和愛(ài)知鋼鐵公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)MI微型磁傳感器和專(zhuān)用集成電路心片,目標(biāo)是將非晶絲MI傳感器用于高速公路汽車(chē)自動(dòng)導(dǎo)航和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著納米科學(xué)技術(shù)和快淬技術(shù)的迅速發(fā)展,非晶納米晶軟磁合金材料也在不斷進(jìn)步,不僅現(xiàn)已產(chǎn)業(yè)化的薄帶產(chǎn)品性能和質(zhì)量大大提高,而且還在研制開(kāi)發(fā)非晶納米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、復(fù)合材料等,這些新型納米材料的研制開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對(duì)電子變壓器行業(yè)產(chǎn)生極大的潛在影響。



    衡陽(yáng)市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營(yíng)耐蝕軟磁合金,為湖南省高新技術(shù)企業(yè)。公司自成立以來(lái),即致力于耐蝕軟磁合金的研發(fā)。公司已具備年產(chǎn)耐蝕軟磁合金8000噸的生產(chǎn)能力。

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