纳米晶金属软磁合金新材料1软磁材料从纯铁硅钢到坡莫合金等已有

纳米晶金属软磁合金新材料1坡莫合金等已有100多年的发展历史；近二十多年来先后发展起来的非晶态合金和纳米晶合金等新型软磁合金材料，发展为纳米晶态，从而把软磁合金新材料的研发与应用推向了一个新的高潮。

致力于研究同时具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗的软磁材料，谓之“二高一低”的“理想”软磁材料，但、小型、节能方向发展，既对软磁材料提出新的挑战，又给软磁材料提供了一个发展机遇。

正是在这种大背景情况下Fe基纳米晶软磁合金新材料，并命名新合金牌号为Finemet。

结构新颖、不同于晶态和非晶态，而且具有综合的优异软磁特性、即具有较高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等染等特点。

因而可以讲，Finemet合金的出现是软磁材料的一个突破性进展，它解决了人们长期努力研究而未能解决细化到1—20纳米（nm）、而饱和磁致伸缩系数和磁晶各向异性常数又同时趋于零的途径；（2）改变了以往各类软能与成本相矛盾的状况；首次实现了人们长期渴望追求的“二高一低”“理想”软磁材料的愿望。

史，从来没有一种甚至一类软磁材料能全面地或基本上满足软磁材料的全部技术要求。

而纳米晶软磁合金通过不同方求，并具有性能、工艺及成本等全方位的优势，因而它一问世，便获得了迅速发展与应用。

日立金属公司公布Finem 达5000万日元，并计划Finemet材料的年产量达600吨以上，广泛用于电子工业大量需求的磁性元器件。

德国真空熔炼itroperm纳米晶软磁合金牌号，据悉其年产量也在200吨级以上，广泛用作磁芯和磁性元器件。

代研发纳米晶软磁合金以来，发展很快，已在电力工业、电子工业、电力电子技术、计算机、通讯、仪器仪表及国防合金材料的年产量约为300吨；近几年市场需求增长很快，预计目前纳米晶软磁合金材料的年产量可达800吨左右，来，在如此短的时间内获得这样广泛的发展与应用是不多见的。

而纳米晶软磁合金除了具有急冷工艺技术发展的深刻是它具有生命力的标志。

纳米晶金属软磁合金材料作为功能材料，其产量或用量远不能与结构材料相比，但其发挥的产、应用纳米晶金属软磁合金材料，对发展我国高新技术产业、促进和提升传统产业、带动和支持相关产业的发展和纳米晶金属软磁合金新材料2具有优异的软磁特性：克仁等人，在研究降低Fe基非晶态合金磁致伸缩系数以提高其软磁性能时，发现了Finemet这种纳米晶新材料。

这制取结构为非晶态的FeNbCuSiB合金带材，经热处理后获得了直径为10—20 nm（纳米）（100—200 Å）微细晶粒结晶软磁合金材料。

，又发展了一系列纳米晶软磁合金材料，例如：Suzuki及M.A.Willard等人又分别推出Nanoperm和Hitperm新型（1.35T）可接近Fe基非磁合金牌号和性能。

由表1可以看出，Finemet合金的综合优势主要表现在：①饱和磁感BS了Co基非晶合金的水平；③高频损耗P---/100K（38.2W/kg或280KW/m3）达到了Co基非晶合金的水平，仅为MnZ0.2合金，几乎是Co基非晶合金和MnZn铁氧体的3倍；这些正是Finemet合金倍受人们重视的原因所在。

anoperm纳米晶软磁合金的有效磁导率μe(1k)和高频损耗P0.2/100K均已达到Finemet合金的水平，而饱和磁感Bs（1说明Nanoperm合金较Finemet合金具有更为广泛的应用范围和更好的温度稳定性，可以说是一种极有应用潜力的纳上发展起来的具有高饱和磁感和高居里温度的纳米晶软磁合金，由于该合金中含有相当高的Co元素，其饱和磁感erm合金把高磁导率、高饱和磁感与高温应用结合了起来，它无疑具有高温环境应用的潜在优势。

了Finemet合金有效磁导率的频率特性（μe~f）和高频损耗特性（P~f），与Fe基非晶态软磁合金、Co基非晶态良磁性能显然是无庸置疑的。

程中，人们总希望它既具有高磁导率、又具有高饱和磁感；但事实并非如此，以往的任何一种软磁材料，要么磁导磁导率与饱和磁感相矛盾的状况已成为不争的事实。

而纳米晶软磁合金材料确打破了这种僵局，它在具有高磁导率的与其他软磁合金有效磁导率μe与饱和磁感Bs的关系特性（μe~Bs）。

可以看出，Finemet、Nanoperm、Hitperm纳高磁导率和高饱和磁感特性，其磁性能应优于现有任何一种或一类相应的软磁材料。

需要指出的是，Nanoperm合金制取合金带材的条件要求苛刻，通常只能在非氧化性气氛中或真空中制取合金带材，因而目前尚处在实验室研究阶段能大批量生产和商业化应用，并正在某些领域中发挥重要作用。

表1 纳米晶软KH z下测量；00KH z下测量；和磁致伸缩系数；Tx—晶化温度；ρ—电阻率；d—合金密度图2、软磁合金的P~f特性图3、软磁合金的μe~Bs关系1K101 Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金1K102 Fe-Si-B-C 系快淬软磁铁基合金1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬软磁铁基合金1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬软磁铁基合金1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬软磁铁基合金1K106 高频低损耗Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金1K107 高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬软磁铁基纳米晶合金1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金1K202 高剩磁比快淬软磁钴基合金1K203 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金1K204 高频低损耗快淬软磁钴基合金1K205 高起始磁导率快淬软磁钴基合金1K206 淬态高磁导率软磁钴基合金1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬软磁铁镍基合金1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬软磁铁镍基合金（1k101）铁基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度（1.54T），磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可节能60－70％。

铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯, 适合于10kHz 以下频率使用(1k107) 铁基纳米晶合金（Nanocrystalline alloy）铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10－20 nm的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。

纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg），电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。

是目前市场上综合性能最好的材料；适用频率范围：50Hz-100kHz，最佳频率范围：20kHz-50kHz。

广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。

纳米晶金属软磁合金新材料3具有独特的组织结构是Nanoperm、Hitperm合金，它们形成纳米晶结构的途径是相同的，都是在原始非晶态带材的基体上，通过晶化形成金为例进行叙述。

熔体快淬工艺首先制成非晶态带材，然后在略高于其晶化温度下进行退火热处理，使其发生晶化，形成晶粒尺寸约态合金晶化产生的任何其他结构都不一样；例如FeSiB系非晶态合金晶化后，其晶粒尺寸要大得多，约为0.1—1μ相，不能形成单一的组织结构。

结构实际上是由单一α-Fe（Si）固溶体相和非晶界面相所组成，这种结构形成的核心问题是纳米晶相的成核与长大过米晶相的关键元素。

在Finemet非晶带材晶化（热处理）过程中，由于Cu在Fe中的固溶度很小，故在退火过程中的起伏而形成富Cu区、富Nb区和富Fe区；由于富Fe区的α-Fe（Si）固溶体相的晶化温度较低，因而优先成核；而由于它们的晶化温度高而难于晶化，从而便阻碍了α-Fe（Si）固溶体晶核的长大，这就使得均匀细小的纳米晶相结-Fe（Si）固溶体相的成核，而且还促使α-Fe（Si）固溶体的晶化温度大为降低，这就避免了在退火过程中α-Fe（e（Si）固溶体组织结构的存在。

这一晶化过程在Finemet合金整个非晶基体的各处进行，最终形成了晶粒尺寸小、具有优异软磁特性的原因尚不能说已经彻底搞清，但可以认为，正是这种组织结构，使得Finemet合金在具有很低饱均匀的微细晶粒，使磁畴细化，使局域各向异性或有效磁晶各向异性（K1）减小，从而导致了纳米晶合金材料具有优图4、Finemet合金晶化过程示意4有良好的稳定性处亚稳态，在一定条件下会向稳定状态转变，即晶化为晶态合金，从而就会失去原有的磁性能而不能使用。

由于纳米软磁合金在使用过程中的稳定性问题，包括温度稳定性、时效稳定性和机械稳定性等，实际上人们的这种担心是不必温度稳定性与它的居里温度密切相关。

居里温度越高，其可能使用的温度就越高，温度稳定性就越好。

只有当温度高顺磁性而不能使用。

里温度为570℃（Finemet），远高于晶态坡莫合金（400℃）和铁氧体（～200℃），因而它比坡莫合金、铁氧体具有度范围内，纳米晶软磁合金的磁性变化仅在5-10%之内，而且这种变化随温度是可逆的。

因而可以说，纳米晶软磁合度在150℃以下的各种磁性器件的技术要求。

温度达到或超过晶化温度时，才会发生从非晶态向晶态转变的晶化过程，导致磁性变坏或恶化。

而纳米晶软磁合金在理，此时合金已经形成了结构相当稳定的α-Fe(Si)纳米晶体，不再存在晶化问题，因而也就不存在时效稳定性问题或理后比较脆，但由于铁芯被装盒灌封或表面喷塑固化后使用，所以铁芯在使用过程中不会发生损坏或磁性恶化。

厉行开关电源变压器铁芯，在经过：①加速度55g、持续时间8ms、3次冲击、②频率20～500Hz、加速度5g、双向45芯高频损耗P0.3/100k的变化率小于5%。

这说明纳米晶软磁合金磁性器件的耐冲击振动性能是可靠的，机械稳定性纳米晶金属软磁合金新材料5用的优异磁性能，并可通过不同的热处理方式后，能够满足不同使用场合下的技术要求，因而它较以往任何一类软磁材料都具有更加广料的几种典型或成熟的应用介绍如下：感器中的应用量最多、技术最为成熟、市场最为稳定的应用领域，也可以说是最具中国特色的一种应用。

这除了电力工业迅速发展带来的巨大商机廉的价格。

用作变换电流的特种变压器（图6）。