非晶合金的特点、分类、应用、可行性分析

非晶纳米晶软磁合金及其应用 Amorphous and nanocrystalline soft magnetic alloys and its application 陈文智 1 非晶合金的特点 由于非晶合金的无序结构，使其具有一些独特的性质： 高强韧性：明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可用在结构零件中，起强化作用。 优良的磁性：与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的磁导率、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、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域，下面还将详细介绍。 简单的制造工艺：以传统的薄钢板为例，从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若干工艺环节、数十道工序。由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户，有"水老虎"和"电老虎"之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良，降低变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。

2 非晶合金的分类 磁性非晶合金可以从化学成分上划分成以下几大类： 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1.4T-1.7T）、软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，作为中低频变压器和电感器铁心(一般在15千赫兹以下)。 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，但导磁率比较高，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。 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），但导磁率高，一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感器等。 铁基纳米晶合金（超微晶合金）：它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成纳米晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和钴基非晶合金相媲美，是高频变压器、互感器、电感器的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。

3 铁基非晶合金的磁性和应用 铁基非晶合金的典型牌号是1K101（我们目前所购买的带材），在所有常用的非晶合金中具有最高的饱和磁感应强度，磁导率大大高于硅钢片，而矫顽力及铁损显著低于硅钢片，如表1所列。铁基非晶合金代替硅钢片，作为中低频（50Hz~20lHz）变压器和电感元器件的铁心材料，将带来如下好处： 高饱和磁感－提高铁心的工作磁感，缩小体积，对配电变压器和电感器尤为重要。 高磁导率低矫顽力－减小变压器初级线圈的激磁电流。 低损耗－降低器件的温升。 3.1配电变压器铁心

铁基非晶合金的铁损仅相当于硅钢片的1/3～1/5，磁导率比硅钢片高出近一个数量级。用非晶合金铁心制造的配电变压器空载损耗比硅钢S9系列变压器下降75％，空载电流比S9变压器下降50％。图1是铁基非晶配电变压器铁心在工频下的铁损和激磁功率。 在配电变压器铁心设计中，非晶铁心的工作磁感常取1.3T-1.4T，低于硅钢片的1.6T-1.7T，因此非晶铁心配电变压器的体积比硅钢片铁心稍大。同时，出于设计和产量等原因，目前非晶合金变压器的价格高于硅钢变压器，但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，整体成本是降低的。这种情况尤其适用于空载时间长、用电效率低的农村电网。为了准确计算非晶变压器的节能效益，引入总拥有成本（TOC）的概念： TOC＝变压器购买成本＋使用成本 虽然非晶合金变压器的购买成本较高，但考虑到非晶合金变压器具有低的铁损，在变压器运行一定时间后，由于低的空载损耗形成的节电效益即可大于与硅钢变压器的购买差价。同时，非晶配电变压器的节能也十分有利于环保。 3.2中频变压器铁心

随着电力、电子设备的发展，对电源的小型化要求越来越迫切，提高电源的工作频率是减少变压器体积、提高效率的有效途径。航空飞行器、航海船舰使用的电源，工作频率为400Hz（800Hz、1600Hz）；高频加热设备的工作频率在1kHz～15kHz范围。随着高频逆变技术的成熟，工作频率提高到20kHz以上，高频逆变电源由于频率的提高，体积小、重量轻、效率高、节能效果明显，生产量越来越大。作为电源心脏的主变压器，传统的铁心材料硅钢由于损耗太大，已不能满足使用要求。非晶材料的出现，为中频变压器提供了理想的材料，在中频变压器领域中已得到较好的应用。铁基非晶合金不仅具有理想的工频磁性能，而且中频磁性同样优异，因此可以广泛用来代替硅钢片，制造各种中频电源变压器铁心，如400Hz航空电源、铁路信号控制系统电源、淬火电源等，工作频率可达15kHz。对于不同频率的变压器，铁心的工作磁感也取相应不同的值，一般随着电源频率的提高适当降低铁心工作点。图2为中频变压器用铁基非晶铁心的损耗频率特性。 3.3高频电抗器及滤波电感器铁心

铁基非晶合金的高频铁损大大低于硅钢片，并具有高的饱和磁感，是中高频大功率电源中滤波电抗器、高频滤波电感器、功率因数校正电感器铁心的理想材料，设计时工作点可以取接近饱和值。硅钢片的饱和磁感虽然高，但是由于高频铁损很大，为了避免发热过大只能降低工作点。铁基非晶铁心目前已经应用于大功率电抗器铁心、大功率高频电源输出滤波电感器铁心以及小功率电源输出电感器铁心、汽车音响用电感器铁心等。图3－图6为常用铁基非晶电抗器及滤波电感器铁心的高频损耗特性和抗偏磁特性。 4.铁基纳米晶合金的磁性和应用 铁基纳米晶合金（超微晶合金）是在原有铁基非晶合金基础上发展起来的新一代高性能软磁材料，高频磁性能和坡莫合金及铁氧体相当，应用于从工频到100kHz的宽频率范围内的各种变压器和电感铁心。 坡莫合金是比较传统的高频变压器铁心材料。由于它含镍，而且钢带需要多次轧制和高温退火，制造铁心时还要表面涂层，所以工序繁杂，价格很高。铁氧体是一类低成本的高频变压器铁心材料，但是饱和磁感应强度低和居里温度低是它的致命弱点，因此铁心工作点低、体积大、使用温度受限。相比之下，铁基纳米晶合金综合了坡莫合金和铁氧体的优点，避开了它们的缺点，因此是理想的变压器铁心材料。表2是铁基纳米晶合金、坡莫合金以及铁氧体常规磁性能的对比。总体说来，铁基纳米晶合金具有如下优势： 高饱和磁感应强度（1.2T）－高于坡莫合金和铁氧体，为提高铁心工作磁感、缩小体积创造了条件。 高导磁率低矫顽力－有效减小变压器初级线圈的激磁电流，从而减少线圈匝数，减小分布参数。 低损耗－大大降低变压器温升，使得提高铁心工作点成为现实。 优异的稳定性－可以在－50℃～+130℃长期工作。 不含镍，价格明显低于坡莫合金，在所有常用软磁材料中具有最佳的性能价格比，降低了变压器成本。 4.1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，而且要求铁心材料的整个磁化曲线满足一定的条件，以控制互感器的比差和角差，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。图7是铁基纳米晶合金作为电流互感器铁心时与其它材料的磁性对比。 4.2开关电源变压器铁心

在非晶合金问世之前，开关电源变压器的铁心一般采用铁氧体或者坡莫合金。采用铁基纳米晶合金作为开关电源变压器铁心，可以克服其它材料的缺点，进一步提升变压器的效率。尤其在大功率开关电源中(例如逆变焊机)，从前一般使用铁氧体铁心，由于铁心工作点低、温度特性差，电源性能不理想。铁基纳米晶铁心结合逆变技术的应用，使得变压器工作点大大提高，体积成倍缩小，而且具有优异的温度稳定性，已经成为新型高频大功率变压器的首选铁心材料。图8为高频大功率开关电源用铁基纳米晶铁心的典型损耗特性。在高频变压器设计中，铁基纳米晶铁心的工作点可以取0.5T～0.8T（20kHz），视不同的工作条件和冷却条件而定。 4.3共模电感器铁心 共模噪声的抑制是改善电源质量、保护元器件和防止设备误操作的关键措施之一。为此，在开关电源的输入端、计算机通信电缆乃至电网中均安装有共模滤波器，其关键部件就是由高导磁材料制造的共模电感器铁心。在传统的软磁材料中，一般选用铁氧体作共模电感器铁心，但是铁氧体虽然频率特性好、价格便宜，但是磁导率很低。铁基纳米晶合金的初始磁导率高达（8～14）×104Gs/Oe，比铁氧体高出两个数量级，即使在10kHz下，导磁率仍有4万以上，因此对共模干扰的抑制效果极佳，见图9。使用铁基纳米晶铁心的共模滤波器在线路中的插入损耗大大高于其它使用材料的器件。国外已经大量使用铁基纳米晶铁心制造共模滤波器，国内也正在逐步扩大应用范围，前景非常广阔。 4.4漏电开关互感器铁心 漏电开关（漏电保护器、剩余电流动作断路器）是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，会在互感器的次级线圈中感应出信号，推动脱扣装置使电闸跳开，切断电路。过去一般采用坡莫合金作为其中的互感器铁心。自八十年代以来，非晶合金开始作为漏电开关中的互感器铁心，用量极大。近年来，铁基纳米晶合金的应用又进一步提高了互感器的性能。

5.钴基非晶合金的磁性及应用 钴基非晶合金由于含有昂贵的钴，所以其价格很高，一般在民用电源中很少使用。但是其综合磁性能是所有非晶纳米晶软磁合金中最好的，使用频率可达200kHz以上，因此在高质量高频电源设备（尤其是军工装备）中得到了大量应用。 5.1饱和电感器铁心