人的模狗的样
范文一：非晶合金及其应用
非晶合金及其应用
张甫飞
（宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司特殊钢技术中心，
上海200940）
摘要：非晶合金是一种采用超急冷技术制备而成的新型金属功能材料，由于其组织特征表现为原子排列上具有短程有序，长程无序特点，呈现玻璃态的非晶特征，所以非晶合金具有优异的物理、化学和力学性能，应用领域广泛。本文综述了利用快淬技术制备的非晶合金材料的性能特点、应用及其进展。关键词：非晶合金；性能特点；
应用
1前言
非晶合金是20世纪60~70年代问世的一种新型合金材料，它采用国际先进的超急冷技术将液态金属直接冷却成固体材料，类似于玻璃的凝固成形，得到原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶合金组织，不具备传统金属材料的晶体结构，因此它具有与传统材料不同的性能特点，如优异的物理、化学和力学性能。由于非晶合金的性能优异，生产工艺独特简单，非晶合金自发明问世以来，一直是冶金、材料领域的研究开发应用的热点，尤其非晶磁性材料在中、美、日、德等发达国家已经产业化、商品化，美国曾处于世界的领导地位，不仅工艺技术设备先进、产能规模达几万吨，而且非晶带材质量和宽度、材料及铁芯器件的种类及应用等都是执世界之牛耳；几年前日立金属收购了美国Honeywell 公司非晶质材料部，并投资本部扩大其非晶生产能力，使得日本日立金属公司一跃成为非晶领域的龙头老大；德国真空熔炼公司(VAC)和日本东芝公司在非晶合金材料的研究开发应用方面占据相当重要的位置。我国现已形成相当的产业规模，非晶合金材料的生产能力居世界第二，但生产工艺技术设备水平、产品质量档次等与发达国家相比还存在一定的差距，随着安泰科技的万吨级非晶合金生产线的建设，我国非晶产业的技术水平将会提高，与国外产品差距逐渐缩小、消失，非晶合金应用也会更加广泛。
目前，快速凝固技术制备的非晶材料已广泛地应用于工业领域，应用的材料形状有带材、丝材、粉末及薄膜等，但真正形成规模化市场的是非晶薄带，这种称为快淬技术制备的非晶带材，不仅可作广泛用于电力、电子工业的非晶磁性材料，而且还可用于其他用途合金材料如非晶钎焊材料、非晶弹性材料、非晶结构材料及非晶粉末材料等。1988年日本学者Yashizawa 教授等人在快速凝固技术制备的非晶合金的基础上发明了纳米晶软磁合金，这种通过非晶组织经适当的晶化热处理获得的具有超细晶粒（约10nm ）bcc Fe(Si)固溶体＋非晶的双相软磁合金组织，具有更优异的软磁性能，替代传统的软磁材料制作各种各样的电子元器件，广泛地用于电力、电子行业，满足电子工业向高频、大电流、小型化、节能方向发展需要，从而开创了软磁材料的新纪元，大大促进了非晶合金研究、工艺技术发展和开发应用。
目前非晶及非晶化的纳米晶磁性材料已在电力、电子等领域得到广泛的应用，但随着现代科学技术的发展，大大促进非晶行业的发展，其他用途的非晶合金开发应用也将引起人们的关注。非晶合金的发展动态主要在于以下几个方面：1）通过技术创新，提高快淬技术制备的非晶薄带质量，实现薄材剪切加工；2）新型非晶磁性材料开发，满足磁场处理、高磁导率、低剩磁Br 及高频特性产品的需要；3）非晶丝材开发应用；4）非晶、纳米晶合金粉
末及粉末材料开发应用；5）非晶、纳米晶合金薄膜及多层膜的开发应用；6）大块非晶合金及产品的研究开发。
2非晶磁性材料
非晶磁性材料是由液态金属直接凝固形成的，其合金组织均匀、成份均匀，不具备传统金属磁性材料的晶体结构，因而借助铁磁学理论对磁性能的解释可以知道，非晶磁性材料应具有优异的软磁性能。这是因为在非晶磁性合金中，其具有成份组织的均匀，使得磁晶各向异性常数几乎不存在、没有金属夹杂和晶界、电阻率高、形状各向异性常数虽然存在但由于非晶薄带厚度薄（0.02~0.04mm）,形状各向异性常数小、其应力—磁滞伸缩各向异性常数可以通过后面的退火工艺来消除以及诱导各向异性常数可通过横向和纵向磁场处理方法来充分利用等特点。这些微观机理的作用带来了非晶磁性材料具有软磁合金“二高一低”的性能特点，即高的饱和磁感、高的初始磁导率和低的高频损耗。
在非晶软磁合金及非晶化的基础上形成的纳米晶软磁合金不仅具有上述优异的软磁特性，而且还具有良好的强硬度、耐磨性及耐腐蚀性、良好的温度及环境稳定性，其综合磁性能远远优于硅钢、铁氧体、坡莫合金等,作为高性能软磁材料替代传统的磁性材料广泛应用于电力电子工业，广泛地用作电子变压器、精密互感器、电感器及传感器等磁芯器件，大大提高这些磁性产品的技术性能，促进现代电子工业向高频、高效、小型、节能的方向发展。有关非晶磁性材料的性能及应用参见表1、图1和图2。
表1
非晶、纳米晶合金的主要性能及应用领域
性能指标饱和磁感应强度(T)居里温度(°C) 电阻率(μ?-cm) 密度(g/cm3) 硬度(Hv)磁致伸缩系数×10-6
初始导磁率μ0最大导磁率μm 矫顽力(A/m)铁损(W/Kg)
铁基非晶合金
1.56>4101307.1886020-30>1000>200000<4.0p><>
铁镍基非晶
>0.73601257.564012>4000>200000<2.0p><>
钴基非晶合金
0.5-0.8>300130>8.0960<1>30000>1000000<2.0p><>
铁基纳米晶合金
>1.2>560907.25880<2>80000>500000<2.0p><>
非晶磁性材料不仅广泛用作电力、电子行业的磁性器件铁心，而且还被开发用来替代传统的硅钢材料制作电机的定子铁心，制造出高效、节能、无污染的非晶合金电机。非晶合金材料电机与传统材料电机相比，具有如下的性能优势：⑴高效节能，一般小功率电动机的效，率不超过70%，而非晶合金电机由于其铁心损耗低，其效率很容易达到80%以上。日立金属公司曾研究了用于盘式驱动非晶合金电机的损耗性能，如表2。结果标明非晶合金电机的铁心损耗大大低于硅钢片电机的损耗。⑵转速高，且无噪音，一般非晶合金电机可调速范围为3000~24000r/min，并且工作时没有无线电频率辐射，几乎没有噪音和过热。⑶可同时调节转矩和转速，如非晶合金条播机可在宽调速范围内具有可调的转矩。⑷安全性能高，非晶合金电机工作时不产生火花，工作在易爆炸场合没有爆炸的危险。⑸重量轻，成本也不高。
20008003
AM（非晶合金）
图1几种常用软磁材料的性能比较
表
2非晶合金盘式驱动电机的损耗特性
1000
400
1
SiFe
1000
400
11
损耗（mW/g）
频率（Hz）
合金材料
速度
图2非晶合金的应用领域
由于非晶合金电机的上述性能特点，使其在航天航空、电子设备和计算机、汽车和其他交通工具、风力和水力发电机、感应和永磁电动机和发电机以及特殊电动工具用电机等领域有着良好的应用前景。
3非晶钎焊材料
非晶钎焊材料是均匀的液态合金采用超急冷的方法制备而成的，所以非晶钎焊合金具有比晶态合金组织均匀、杂质少、厚度小、加工方便等优点，大大提高钎焊材料的钎焊性能，也提高钎焊结合部的强度,有关比较的结果参见表3。
表3
非晶钎焊材料（NiCrBSiFe）与晶态钎焊材料焊接强度比较
焊接接头强度（N/mm2）
钎焊材料状态
GH30
非晶材料晶态粘带料粉末钎料
303.8222.5277.3
抗拉强度
焊接试验母材
1Cr18Ni9Ti
295317.5284.2
GH30225.4190.1165.6
1Cr18Ni9Ti 162.7192.1138.2
剪切强度
非晶钎焊材料是与非晶磁性材料同步研究开发的，并获得良好的应用。尤其在美国，不仅研究开发了Ni 基、Co基、Cu基、Ti/Zr基、Al基，Sn/Pb基等系列非晶钎焊材料，而且在航空航天产品部件、燃汽轮机、催化剂金属骨架、电路板、热交换器、排气管的焊接中广泛应用。我国非晶钎焊材料主要是Ni 基和Cu 基合金，受生产工艺水平和带材质量的影响，产品的应用推广困难大，如Cu 基钎焊材料是电器工业中大量应用银焊料的最佳替代品，但由于非晶带材的厚度不够，难以获得广泛应用。作者认为，随着我国航空航天、燃汽轮机、汽车等工业的发展，特种合金的广泛应用，许多零部件的焊接将会采用Ni 基、Ti/Zr基非晶钎焊材料；Cu基钎焊材料厚度已达到0.1mm 以上，应用市场正在扩大。
4非晶弹性材料
非晶合金由于金属内部没有晶态结构的各种组织缺陷，因此在机械强度、耐蚀等性能方面具有优异的性能，可以开发用作弹性材料，由于非晶带材薄、难以加工成弹性元器件，所以其材料应用很难，但非晶丝材的工业化生产技术突破，将有助于非晶弹性材料开发应用。尽管从热力学角度看，非晶合金为亚稳定态，其弹性模量存在老化现象，但是，只要在晶化温度以下进行必要的处理，就可防止非晶弹性材料的老化现象。
非晶弹性材料已经开发出恒弹性合金和高弹性合金。一些铁基非晶弹性合金在高温附近的弹性模量E、剪切模量G 都不随温度变化，即具有艾林瓦特性，这种特性可以通过改变成分或热处理工艺来获得。非晶恒弹性合金，与晶态弹性合金相比具有宽的恒弹性温度范围、可以同时兼有因瓦特性、高的机械强度及硬度、较小的超声衰减特性等优点。
在高弹性合金方面，也出现Fe 基、Ni基、Co基非晶系列合金。如Fe-Cr-Mo-B 系的Fe60Cr6Mo6B28，其抗拉强度бb 可达4797MPa ；Fe-Mo-B 、Ni-Mo-B 、Co-Mo-B 系的Fe60Mo30B10、Ni45Mo45B10、Co50Mo40B10，其屈服强度可分别为3355MPa 、3659MPa 、3228MPa ，另外还有Ni-Cr 系、Co-Cr 系以及(Fe、Ni 、Co) 基-Si-B 系非晶态合金等。非晶高弹性合金在具有高弹性极限的同时，其弹性模量E 却比晶态合金下降20~40%，这样它的弹
性比功（弹性比功=бe 2/2E），可比晶态钴基高弹性合金高三倍，因此非晶高弹性合金很有发展前途。
5非晶粉末材料
非晶粉末材料实际上就是利用非晶、纳米晶软磁合金材料优异磁性能特点，借助于粉末冶金技术制成各种各样的粉末复合材料，如粉末磁芯、磁屏蔽材料、吸波材料、磁性流体及粉末涂覆材料等。目前这方面的研究开发工作除磁粉芯和磁屏蔽产品少量应用外，其他合金粉末和粉末制品的工作处于试验研究阶段，随着纳米科学和电子技术的发展，这方面的产品有着良好的应用前景。
非晶合金粉末的制备方法主要有雾化法、高能球磨法及非晶带材破碎法等，由于目前设备工艺条件的限制，雾化制粉法要获得10°C/秒的冷却速度是很难的；高能球磨法难以规模化生产；作者认为非晶带材破碎法适合大规模工业化生产。该方法制备粉末用于制作磁粉芯产品，与其他用作电感器件的磁粉芯产品相比，该粉芯有以下应用特点：1）高频特性远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯；2）避免非晶、纳米晶开口铁芯处的散磁场和发热问题；3）与Fe-Ni-Mo 粉芯相比，同规格性能粉芯价格可降低30%以上。
表4几种磁粉芯性能比较
5
合金铁基纳米晶铁镍钼铁粉铁硅铝
磁导率
μe 651258060
饱和磁感Bs(T)1.250.81.351.0
居里温度(℃) 570460>600>400
电阻率(μ?-m) 1.250.40.11.1
饱和磁场强度H(A/m)>320001600024000
损耗P 0.1/25k(W/Kg)
13.512.811534
非晶磁性粉末与导电材料、高分子材料等，通过多元成分复合和涂料层多层复合双重复合技术研制成功MT 型镍基新型宽频电磁屏蔽复合涂料，避免导电性屏蔽涂料在低频区的电磁屏蔽效果不理想，可以满足低、中、高频率范围内电磁屏蔽要求。研制的屏蔽材料在10KHz~1GHz频率范围内经国家安全部检测，屏蔽效能达到40~60db，并获得了一定的市场应用。非晶合金粉末还可用粉末冶金方法制成高磁导率（μ≥6000）软磁铁芯材料、电机铁芯及电子变压器铁芯材料等；与橡胶等混合制成微波吸收材料；磁流体粉末等。
6非晶结构材料
由于非晶合金的原子排列呈现长程无序，不存在晶界、位错等晶体缺陷，所以非晶合金具有大大高于晶态合金的抗拉强度（见表5），有望开发成抗拉强度高、韧性大并且耐蚀性好的新型结构材料，以满足航天航空等国防军工用结构材料的发展要求。针对非晶合金薄带的特点，大都将非晶薄带粘接为厚板或与其他高强度材料复合后制成结构件，这种类似于碳纤维强化原理制成的复合材料，充分利用了非晶合金的高强韧性性能特点，大大开拓了非晶合金的应用领域研究。考虑到非晶薄带用作结构材料的局限性和结构材料的特殊性，利用特殊技术如表面激光处理、高能粒子轰击形成非晶、纳米晶表层结构材料、采用现代先进热喷涂技术,如等离子喷涂、超音速火焰喷涂等可以获得大面积的、有较大厚度的(数百微米)非晶合金涂层。
表5非晶材料与其他高强材料的性能比较
材料
非晶合金
No.1No.2TM210
12Ni-3Mn-3Mo-TiAlV
抗拉强度(MPa)
2300280020001600
马氏体时效钢
7结束语
非晶合金是当前金属材料的研究热点之一，现代科学技术的发展，促进非晶合金制备技术的发展，已开发出许多新的非晶合金材料，如非晶丝材、粉末、薄膜以及大块非晶等，其应用的领域也在不断扩大。本文仅综述了快淬技术制备的非晶合金材料及其应用情况，尽管获得工业化规模应用的材料主要是非晶磁性材料，但随着我国现代工业的发展，其他非晶合金，尤其是非晶钎焊材料，将会有着良好的应用市场。
参考文献（略）
范文二：非晶合金的应用
非晶合金的应用
■ 文/皮锦红 庄华雯
南京工程学院
非晶合金又称金属玻璃，是一种长程无序的金属固体，通常是通过快速冷却金属熔体而获得，最早是由美国的Duwez教授于1960年发明。非晶态合金的原子呈无序排列，因而不存在晶态合金中的空位、位错、晶界及层错等缺陷，这一特性使其不仅具有优异的耐腐蚀性、高强度、高硬度、高耐磨性、高疲劳抗力、屈服时完全塑性、无加工硬化现象，而且还表现出优良的软磁和硬磁性能以及超导特性等，在很多领域具有潜早期获得的非晶合在的应用前景[1-2]。
金是薄带状非晶，因笈其尺寸及形状的限制，非晶合金的应用领域受到制约。随着较大尺寸块体非晶合金的问世，非晶合金的潜在应用领域大大扩展，因此，对非晶合金的研究也成为近十几年来先进材料研究的热点领域。
界、亚晶界及第二相颗粒，所以具有软磁性能的非晶合金很容易磁化，且磁致损失极小。因而用非晶合金制备的磁性材料可明显提高能源利用率，节约能源消耗。磁性材料是迄今为止非晶合金应用最成功的领域。
目前，作为软磁材料的非晶合金带材已经实现产业化,并获得了广泛应用。在传统电力工业中,非晶软磁合金带材正逐渐取代硅钢片,使配电变压器大大节约的空载损耗降低60%～80%[3]，了能源消耗，成为低碳社会的真正绿色材料。表1是铁基非晶合金与冷轧硅钢片的性能参数对比，由表1可以看出，除了居里温度与饱和磁感外，铁基非晶合金的各项性能都大大优于冷轧硅钢片，尤其是矫顽力大大小于冷轧硅钢片，使得其磁致损耗远低于冷轧硅钢片，这就使得非晶铁心电机的效率大大提高。
早研发非晶合金变压器的国家是美国，美国的美特格拉斯公司、日本的日立金属公司、德国的VAC公司等都已是非晶合金带材产业龙头企业。在我国，安泰科技股份有限公司的非晶合金带材年产量也已过万吨级，上海美特格拉斯置信非晶体金属有限公司是日立金属公司在中国的分公司。非晶合金变压器在国内市场上的应用如表2所示。
二、块体非晶合金的应用
块体非晶合金，又称为大块非晶合金，因其尺寸较大，打破了带状非晶合金和非晶粉末的尺寸限制，可以方便地制成各种机械零件，做为结构材料大规模使用，因而成为目前非晶合金领域研究最热的方向。
1.非晶钢
与传统钢材相比，大块非晶钢性能优异：其屈服强度是传统高强钢的2～3倍，在室温下不具有铁磁性，热稳定性高(玻璃转变温度接近于或高于900K)，抗海水腐蚀能力强，因而可以用作未来海军舰船的表面防护。由无磁非
一、非晶合金带材在软磁材料中的应用
优异的磁学性能使非晶合金成为当今软磁材料的首选材料。由于非晶合金中不存在阻碍磁畴壁移动的晶
非晶合金变压器是20世纪70年代开发研制的一种节能型变压器。用非晶态合金铁芯变压器制造的高频逆变焊机,除大大提高了电源工作频率和效率外,焊机的体积也成倍减小。世界上最
新材料产业 NO.11 2011
表1 铁基非晶合金与冷轧硅钢片的性能参数对比[4]
合金的强度和硬度大大超过了普通钢铁材料。例如，铜基块体非晶合金的抗压强度可超过2000MPa，且有明显的这无疑使得非晶合塑性变形能力[7]，
金制造的结构件具有更小的质量。
3.高档体育用品
块体非晶合金在高档体育用品方面得到越来越多的应用，主要是因为块体非晶合金的优异性能:高强度,抗塑性变形的能力比普通金属高2～3倍；高硬度，是不锈钢和钛的2倍；弹性应变量约为2％左右，大大高于晶态合金的0.65％;优异的固有低频振动阻尼及能量传递特性。例如，不锈钢和钛合金制造的高尔夫球头的能量传递效率分别为60%和70%,而块体非晶合金由于没有晶界、位错等晶体缺陷，其制作的球头能传递99%的能量。由块
表2 非晶合金变压器的国内市场应用
[5]
体非晶合金制造的高尔夫球头、滑雪板、棒球棒、滑冰用具等在日本、美国等地已开始逐步商业化[8-9]。
4.生物医用材料
非晶合金在模拟体液中具有优良这的耐腐蚀性能以及生物安全性[10]，满足用于医学上修复移植和制造外科手术器件的性能要求，可用于外科手术的手术刀、人造骨头、电磁刺激的体内生物传感材料、人造牙齿等。
块体非晶合金在过冷液相区表现出理想的超塑性行为，利用这种牛顿型流动很容易加工出形状复杂的零
晶钢所制造的船体，在反探测、抗打击能力方面具有传统钢材无法比拟的优势[6]。
密抗压强度可达到900～1200MPa[7]，度却不到钢的1/4，因此，铝基非晶合金和镁基非晶合金在轻量化结构材料中应用前景良好。
非晶合金做为一种长程无序的金属固体，只存在短程有序结构，因而其结构缺陷被限制在几个原子的尺寸范围内，也就不会在受到外力作用时优先在特定的晶面进行滑移，所以非晶
件，也使非晶合金可应用于高负载的精密铸造件。加上非晶合金超高的强度及耐磨性，块体非晶合金有望在微型医疗设备(如胃肠内视镜驱动装置、血栓吸引泵)、微型摄像机、微型机器人等方面[8]得到广泛应用。
2.轻量化结构材料
随着汽车、高速轨道交通工具及飞机等轻型化的迅速发展，结合节能降耗的需要,人们开始把注意力投向高强度低密度材料的研究与应用上。铝基非晶合金强度可达到或超过钢材的强度,密度却不到钢材的40%；镁基非晶合金
[7]
5.电阻材料
非晶合金中的原子保留了其液态时混乱、无序的排列方式，对于电子的
Advanced Materials Industry
散射能力较强，因而非晶合金的电阻率较高，室温电阻率可达晶态合金电阻率的2～3倍。另一方面，非晶合金的电阻受温度的影响相对于晶态合金而言更小，因此具有较小的电阻率温度系数[8]。
6.穿甲材料
块体非晶合金在压应力作用下发生断裂时，具有良好的自锐性，图1是块体非晶合金的2个典型压缩断口照加上非晶合金的超高强度及高片[11]，
硬度，使得块体非晶合金成为理想的穿甲材料。
图1 块体非晶合金的典型压缩断口
列方式，因而不存在容易引起局部腐高屈服强度等优点，成为精密仪器弹簧的首选材料[14]。
非晶合金因优异的力学、化学、磁学等性能在电子、机械、化工等行业具有十分广阔的发展和应用前景。我国非晶合金的研究虽然起步较晚，但近10年来在理论研究和产业方面都取得了长足的进展，随着我国整体制造水平的提升及理论研究的深入，我国非晶合金
必将迎来巨大的应用市场。
10.3969/j.issn.1008-892X.2011.11.017
三、非晶合金的其他应用
非晶态合金对某些化学反应具有明显的催化作用,可以用作化工催化剂；某些非晶态合金通过化学反应可以吸收和放出氢,可以用作储氢材晶态合金材料的腐蚀行为往往料[12]。
发生在原子能量较高的晶体缺陷处，如晶界、位错等，或是由于成分偏析而导致电化学腐蚀。而非晶合金中的原子保留了其在液态时的混乱、无序排
蚀的晶态缺陷和成分偏析，在结构和成分上都更加均匀，具有更高的抗腐蚀性能。非晶合金普遍具有极好的耐氯化物溶液腐蚀特性，因而可以在苛刻环境中长期使用，如滨海发电厂的关键设备等[13]。合金耐蚀性的提高，意味着使用过程中腐蚀、损耗的就少，也意味着能源的节约。
非晶合金因弹性极限大大高于普通晶态合金，加上优良的抗疲劳性能、
基金项目：南京工程学院科技创新项目、科研基金项目（项目号QKJB10005）。
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新材料产业 NO.11 2011
范文三：非晶合金应用现状
非晶合金应用现状/
王晓军等?75?
非晶合金应用现状3
王晓军1,2, 陈学定1,2, 夏天东1, 康 凯1, 彭彪林1
(1 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室, 兰州730050;
2 兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点实验室, 兰州730050)
摘要 非晶合金经过几十年的研究, 已经到了研发性能卓越、质量稳定, 可大批量生产的新产品的阶段。通过
简介非晶合金发展历史中3个商业化比较成功的公司—非晶体金属公司、安泰科技股份有限公司和液体金属科技股份公司研发新产品的艰难历程, 以及非晶合金国内外当前的应用研究状况, 说明非晶合金在作为软磁功能材料和薄、轻、小的3C 产品结构材料方面具有很大发展潜力。
关键词 非晶合金 Metglas 合金 Vitreloy 合金 应用中图分类号:T G 139. 8 文献标识码:A
The Current Situation of WAN G Xiaojun 1,2,C H EN 1,2G Kai 1,PEN G BiaoLin 1
(1 State Key Lab. Materials ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou 730050; 2 Key Lab. of Non 2,the Ministry of Education ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou 730050)
Abstract After decades of research ,for amorphous alloy it is time to develop amorphous articles with high
performance ,steady quality and mass production. In the paper , the developing process and products of three famous companies ,Metglas ,Inc. ,Advanced Technology &Materials Co. ,L td. ,Liquidmetal Technologies , Inc. are introduced. Several representative examples of applied research are also discussed. From these examples , the conclusion can be drawn that amorphous alloy may be used for f unction material with soft magnetism property ,and thinner ,lighter ,smal 2ler 3C (computer ,communication ,consumer electronics products ) products.
K ey w ords amorphous alloy ,metglas alloy ,vitrelofy alloy ,application
近几年, 大块非晶合金是材料科学研究的热点, 许多物理和材料研究者从不同的角度对非晶合金特殊的结构和性能做了全方位的研究[1～3], 并在合金体系、制备尺寸和强韧化等方面取得
[4～7]
了显著的进展。但是材料制备与研究的最终目的是应用, 大块非晶合金材料也不例外。在最近几届国内非晶合金研讨会上, 与会专家和学者都提出了适时加强非晶合金应用研究的战略意义。本文试图以非晶合金应用的几个实例和非晶合金应用研究的一些现状抛砖引玉, 为广大非晶合金研究者开阔思路和提供借鉴。
的应用却止步于软磁材料, 在其它方面一直没有取得进展, 会议的关注度慢慢冷了下来,2005年8月在韩国举办了第十二届会议(RQ 12) 。
20世纪80年代末至90年代初, 日本东北大学金属材料研
究所井上明久教授领导的研究室和美国加州理工学院材料科学与工程中心W. L. Johnson 领导的研究小组相继发现了多种多组元大块非晶合金[9～11], 这些合金的尺寸可以达到1mm 以上, 远远大于前面微米级的薄带。特别是Johnson 教授用他们发现的Vitreloy 合金制造了第一件非晶高尔夫球杆, 引起了人们对大块非晶合金作为结构材料的极大兴趣和期望。2000年9月在新加坡举办了首届大块非晶合金国际研讨会(International
conference on bulk metallic glasses ) , 此后, 每隔1. 5年定期举
1 国内外非晶合金研究的历史
1967年Duwez 教授率先开发出Fe 2P 2C 系非晶软磁合金,
带动了第一个非晶合金研究开发的热潮[8]。1970年在前南斯
) ,1975拉夫的布莱拉召开了第一届国际快淬金属会议(RQ 2Ⅰ
年在美国的坎布里奇召开了第二届国际快淬金属会议(RQ 2) , 此后每隔3年就定期举办一次国际快淬金属会议。1975Ⅱ
年美国Allied Corporation 开始生产Metglas 2826, 其软磁性能比Permalloy 好;1978年示范推广采用Meglas 磁芯的节能变压器;1979年利用平断面流铸技术专利生产宽金属玻璃带;1980年在美国帕西潘尼建设投资1千万美元的工厂, 生产Metglas 合金。此后, 国际快淬金属会议虽然从未间断, 但是, 非晶合金
行, 人们的关注度也越来越高。2002年3月在中国台湾,2004年10月在中国北京,2005年5月在美国田纳西州, 已经举办了
4届会议。2006年10月在日本淡路岛举办第五届大块非晶合
金国际研讨会。
国内大块非晶合金的研究同样十分活跃,2002年9月在大连理工大学,2003年10月在北京中科院物理所,2004年9月在山东大学,2006年6月在北京科技大学举办了4届全国非晶合金研讨会。国内从事非晶合金的研究机构主要有中科院物理所
3甘肃省自然科学基金(ZS0322B252018) 王晓军:男,1970年生, 讲师, 博士生 E 2mail :wangxiaojun@lut. cn
?76?材料导报 2006年10月第20卷第10期
汪卫华研究员领导的亚稳材料合成、结构及性能研究组, 中科院
金属所沈阳材料科学国家(联合) 实验室非平衡金属研究部徐坚研究员领导的非晶合金研究组, 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室董闯教授领导的研究小组, 燕山大学材料科学与工程学院亚稳材料制备技术与科学重点实验室王文魁教授领导的研究小组, 山东大学材料液态结构及其遗传性教育部国家重点实验室边秀房教授领导的研究小组, 以及清华大学、哈工大、吉林大学、西北工业大学、上海交通大学、华中科技大学以及兰州理工大学等多个单位的学者。
Fe 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
非晶合金的研究开发又推向一个新高潮。纳米晶合金可以替代
Co 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, 达到了减小体积、降低成本等目
的。同年, 日立金属公司纳米晶合金即实现了产业化, 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Co 基非晶合金, 尤其在网络接口设备上, 如ISDN , 大量采用纳米晶磁芯制作接口变压器和数字滤波器件。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芯片, 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。
1999年美国霍尼韦尔() 国际公司兼并了Allied
Signal 公司———非晶体金属公
2 非晶合金应用实例
自1960年美国Duwez 教授发明用快淬工艺制备非晶合金以来[12], 由于其独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔的应用前景, 受到材料科学工作者和产业界的特别关注。在过去的40年中, 伴随着非晶材料基础研究、和应用产品开发的不断进步, 化, , 得了广泛应用。, 硅钢, 使配电变压器的空载损耗降低70%以上, 从节能和环境保护角度被誉为绿色材料
[13]
司() , 致使日立金属公司成为世界非晶。现在非晶体金属公司在北美、欧洲、日本、、台湾、上海、印度、香港设有分公司。国内的分公司是上海美特格拉斯置信非晶体金属有限公司, 其前身是1995年12月
29日由美国联信公司投资的外商独资企业———联信非晶体金
。在现代电子工业中, 最近发展起
属(上海) 有限公司。1999年上海置信(集团) 有限公司参股联信非晶体金属(上海) 有限公司, 参股比例为40%, 公司变更为中外合资企业, 并更名为上海联信置信非晶体金属有限公司,
2000年公司更名为上海霍尼韦尔置信非晶体金属有限公司。2003年11月随着日立金属公司兼并非晶体金属公司, 也更名
来的纳米晶合金进一步兼备了非晶合金和各类传统软磁材料的优点, 成为促进电子产品向高效节能、小型轻量化方向发展的关键材料。下面介绍3个商业化比较成功的非晶合金公司。
211 非晶体金属公司
非晶体金属公司为美特格拉斯公司, 英文名:Metglas ,
Inc. , 网址:http://www. metglas. com/。
1979年美国Allied Signal 公司开发出非晶合金宽带的平面
为上海美特格拉斯置信非晶体金属有限公司。
非晶体金属公司主要生产用于储能的Microlite 牌环形铁
μ牌开口环形铁芯, Microlite XP 牌环形铁芯、Microlite 100芯以及用于反相器的Powerlite forms 牌开口环形型铁芯。表
1列出了非晶体金属公司生产的Metglas
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Metglas 的Fe 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[14], 并于1985年注册商标Metglas 。1984年美国4家变压器厂在IEEB 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Fe 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也拥有自己的特色, 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。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。但在1980年, 日本的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, 应用重点仅集中在图书馆和超市用防盗标签。
1988年日本日立金属公司的Yashizawa 等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 [15]) , 此类合金的突出优点在于兼备了Fe 基非晶合金的高磁感和Co 基非晶合金的高磁导率、低损耗, 而且是成本低廉的Fe 基材料。
牌2605SA1、
2605CO 、2605S3A 、2605SC 、2705M 、2714A 、2826MB 等7种非晶
合金的基本性质, 它们的叠片系数均大于75%, 弹性模量100～
110GPa , 抗拉强度1～117GPa 。
表1 非晶体金属公司生产的Metglas 牌非晶合金的基本性质
性 能最大磁导率退火态(高频)
铸态×104μ供货宽度
mm
Max. Min.
2605SA12605CO 2605S3A 2605SC 2705M 2714A 2826MB (铁基) (铁基) (铁基) (铁基) (钴基
) (钴基) (铁镍基) 6041551081157271303927. 181900
1
40122154118351234157. 568108. 6430125
315>2215450181141201383587. 298606. 7535150
30>4215450181161301353707. 32880519480125
60292154501801771363657. 8900121152090
100>82154501801571422257. 59960121755090
80>5215412170188121383537. 97401117410125
2131365018
饱和磁感, T 磁致伸缩,10-6
μ?电阻率, Ωcm 居里温度, ℃厚度μ, m 密度,g/cm 3
维氏硬度(载荷50g )
<><>
25142218617. 7817. 78211591512429. 21
热膨胀系数, ×10-6/K 7. 6
晶化温度, ℃505持续工作温度, ℃150 注:12铸态
非晶合金应用现状/王晓军等212 安泰科技股份有限公司
安泰科技股份有限公司英文名为Advanced Technology &Materials Co. ,L td. (A T &M) , 网址http ://www. atmcn. com 。
国内非晶合金研究始于1976年, 国家科技部从“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”期间建成了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20万条非晶铁芯中试生产线“; 九五”期间成立了国家非晶微晶合金工程技术研究中心。2000年9月建成年产600t 非晶配电变压器铁芯生产线, 首次成功喷出220mm 非晶宽带, 使非晶带材的生产能力达到千吨级, 跃居世界前三。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[16], 国家给予重点支持, 用开发快速发展, 益增长的迫切需求。(部分转制上市) 、产业规模最大的单位。上海钢铁技术研究所早期也研制开发出类似科研成果, 并成立了自己的产业化公司———上海至高非晶金属有限公司, 年生产非晶薄带约70t 。安泰科技与上海至高非晶金属有限公司是目前国内最有影响的主要两家非晶微晶金属材料生产供应商和研发基地。2002年安泰科技股份有限公司控股重组上海至高非晶金属有限公司后, 进一步加强公司在非晶合金领域的优势地位, 目前该公司共有非晶微晶产能3000万吨以上, 稳居世界前三[17]。
安泰科技主要生产非晶钎焊料、铁基纳米晶带材、钴基非晶带材、铁基非晶带材。带材主要应用于中频变压器环形及矩形铁芯、配电变压器矩形铁芯、电抗器矩形铁芯、大功率开关变压器环形铁芯、饱和电感环形铁芯、大电流开口电感环形铁芯、漏电开关互感器环形铁芯、滤波电感环形铁芯、尖峰抑制器环形铁芯及磁珠、小型开关变压器环形铁芯、EMC 共模电感环形铁芯、电流互感器环形铁芯、功率因数校正开口电感环形铁芯、ISDN 隔离变压器微型铁芯、差模电感环形铁芯、磁放大器环形铁芯等领域。最近, 在共模电感、ISDN 、脉冲压缩器、防盗系统标签、非晶丝传感器等电子领域的应用发展很快, 前景十分广阔, 被称为
21世纪的绿色材料。图1是安泰科技生产的各种电磁器件照
?77?
表2 铁基非晶合金与硅钢性能比较
性能指标
饱和磁感, T 矫顽力,A/m 最大磁导率, Gs/Os
铁基非晶合金
1154
445万
硅钢2103
304万
铁损,W/kg 50Hz ,113T 下=011850Hz ,117T 下=112激磁功率,VA/kg 0150183
叠片系数磁致伸缩, ×10-6
μ?电阻率, Ωcm 密度,g/cm 3
晶化温度, ℃, ℃μ, >0180271307. 1890030
0195-01457. 65-746343181300
213 液体金属科技股份公司
液体金属科技股份公司的英文名为Liquidmetal Technolo 2gies ,Inc. , 网址:http://www. liquidmetal. com 。
1987年Duwez 的学生Johnson 等成立了非晶合金公司(A 2morphous Alloys Corp. ) , 生产非晶合金粉末。90年代初期,
Johnson 教授研制出一种名为Vitreloy 的合金, 并创建了液体金属技术公司。这种新材料中包含了锆、钛、铜、镍等大金属原子以及较小的铍金属原子, 它比钢更具弹性, 锻造温度仅在400℃左右, 而锻造钢需要达到1000℃的高温, 这就使得它有可能成为一种理想的制造业用材。1997年该公司开始生产用于高尔夫球杆杆头的Vitreloy 牌锆基大块非晶合金。2002年5月22日, 该公司重组为液体金属科技股份公司(Liquidmetal technol 2ogy ) , 并在纳斯达克上市(股票名称:LQM T ) , 成为首家上市的生产非晶合金的公司。2002年9月该公司在韩国平泽市建立了第一家海外生产基地, 主要生产移动电话的壳体。现在, 该公司已拥有各种涉及Vitreloy 牌锆基非晶合金成分、制备和应
[18～22]
用的专利6项。合作伙伴加州理工学院的W. L. John 2son 教授拥有相关专利47项,A. Peker 博士拥有相关专利19项, 研发了Vitreloy 牌系列商业非晶合金, 主要有Vitreloy 1(Zr 41122Ti 1318Cu 1215Ni 10Be 2215) 、Vitreloy 4(Zr 46. 75Ti 8. 25Cu 7. 5Ni 10Be 27. 5) 、Vitreloy 105(Zr 5215Cu 17. 9Ni 1416Al 1010Ti 510) 和Vitreloy 106(Zr 572Nb 5Al 10Cu 1514Ni 1216) 等。
该公司利用Vitreloy 制造的第一件产品是高尔夫球杆, Vitreloy 良好的反弹性可以将球击得更远。尽管这种玻璃合金极其坚硬, 拥有金属的弹性, 但是, 早期的Vitreloy 产品也有玻璃的脆性, 易碎, 在外力作用下出现裂缝, 在少于40次撞击时就会破裂, 所以此产品没有投放到市场中去。后经研究发现,Vit 2reloy 的脆性主要是由于在材料的压力点上形成了一条条断裂线。在结晶材料中, 晶粒会起到阻挡剪切带的作用, 让它无法往前延伸。但在金属玻璃中, 没什么物质挡住剪切带, 使其一往无前越来越长, 最后在无法承受外力时就变成了裂缝。为了解决这一问题, 约翰逊和他的小组在材料里加了一些晶体微粒, 有效地挡住了剪切带[6]。但这种办法太复杂, 得找到一种无需添加晶体就很强韧的金属玻璃。
片, 表2比较了安泰科技生产的铁基非晶合金和硅钢的磁性能, 非晶合金的性能明显优于硅钢, 并且达到了国际同类产品水平。
图1 非晶电磁器件实物照片
?78?材料导报 2006年10月第20卷第10
期
最近, 液体金属技术公司的研究人员终于在金属玻璃的制
备工艺上取得重大突破。在多次比较尝试之后发现, 利用铂、铜、镍和磷这几种物质制成的Pt 57. 5Cu 1417Ni 513P 2215合金, 具有金属的强度和韧性, 却没有玻璃的脆性[23], 施加一定的外力时, 有细小的裂痕出现, 但是不会扩大。不过这种新的金属玻璃材料中铂的含量超过60%, 高昂的成本同样限制了它的广泛应用。
不过, 工艺改进获得了新的进展, 研究发现, 把非晶合金的母合金加热到铸造温度, 在合金的玻璃转变温度附近, 以低于某一最大允许的浇铸时间浇铸, 将得到至少112%弹性极限的铸件[18,19]。最大浇铸温度与过冷温度区间的范围成正比, 允许的最长浇铸时间与浇铸温度和过渡温度区间的范围成正比。
图2～4显示了液体金属技术公司正在开发的用非晶合金制造的器件, 主要包括移动电话和迷你相机的壳体、微型铰接、专业网球拍、高尔夫球杆、棒球拍以及解剖刀等医疗器械等。该公司还与韩国三星公司签署协议, 为其提供手机零部件的原材料。除了作为飞行器零部件和轮船船体材料外, 美国国防部还考虑用无毒的金属玻璃取代资源日益贫乏的铀来制作穿甲弹头等军事装备
。
图2 L Q MT 图3 L Q MT 开发的非晶高尔夫球杆 图4 L Q MT 开发的非晶铰接
3 非晶合金的应用研究
非晶合金的应用已深入到我们的生活中, 例如现代信息社会中广泛使用的CD 2RW 刻录盘就应用了非晶原理和非晶层。
D 2RW 盘片的刻录层由银、铟、锑、碲合金构成, 合金的刻录层具
教授用Vitreloy1合金大块非晶合金制作了2206型号轴承的滚动体, 并与GCr15轴承滚动体进行了疲劳寿命的对比试验, 比较了两种轴承的失效和滚动体的疲劳磨损形式, 分析了两种不同轴承滚动体的失效机制。实验发现,Zr 基大块非晶合金轴承滚动体在转动试验过程中没有发生晶化, 且其抗磨损的能力好
于GCr15轴承钢的轴承滚动体(图6) 。由于Zr 基大块非晶合金滚动体减小了与内环和外环的摩擦和磨损, 可相对延长轴承的使用寿命[26]。
有一个约20%发射率的多晶结构。CD 2RW 驱动器的激光头有两种波长设置, 分别为写(P 2Write ) 和擦除(P 2Erazse ) , 刻录时激光把刻录层的物质加热到500～700℃之间, 使其熔化。在液态状态下, 该物质的分子自由运动, 多晶结构被改变, 呈现一种非晶状态[24]。而在此状态下凝固的刻录层物质, 反射率只有5%, 而这些反射率低的地方就相当于CD 2ROM 盘片上的“凹陷”
。
4 结语
从非晶合金研究应用的历史中选择了已经商业化成功的、具有典型代表的非晶体金属公司、安泰科技股份有限公司和液体金属科技股份有限公司, 简介了它们开发非晶产品的艰难历程, 从中看出非晶合金研究的每次高潮都源自具有实用前景的非晶合金制备技术的突破和非晶合金试样尺寸的突破。历史上, 日本的非晶合金研究比美国起步晚, 但凭借自己的创新在薄带研究领域最终赶超了美国。美国加州理工学院也是凭借创新
图5
井上教授制造的精密零件
40年后才在大块非晶合金领域领先全球, 同时创造了极好的经
济效益。我国非晶合金的研究整体起步比日本还晚, 但发展很快, 特别是进入新世纪后, 在研究和产业方面都取得了长足的进展, 随着我国整体制造水平的提升, 科研稳定投入机制和创新体系的建立, 为我国最终赶超世界先进水平提供了最佳的时机, 只要坚持面向应用, 积小改小革为大成, 最终总会开发出满足市场需求、性能良好的非晶合金产品。
参考文献
图6 2206型号轴承的滚动体
日本的井上教授已经用金属玻璃制造出微型机械器件[3](图5) , 正在研究它在质子交换膜燃料电池(PEMFC ) 隔板上的应用[25]。燕山大学亚稳材料制备技术与科学实验室的王文魁
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(责任编辑 周真真)
范文四：非晶软磁合金材料及其应用
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:?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;?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-B，FeNiPB，CoZr，ZrTiCuNi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。1.2非晶软磁合金材料的种类1.2.1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1.4-1.7T)、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1/3-1/5)，代替硅钢做配电变压器可降低铁损60-70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03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、大功率电感、电抗器等。1.2.2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，例如漏电开关互感器。1.2.3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电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。1.2.4纳米(超微晶)软磁合金材料由于非晶合金中原子的排列是混乱无序的这种特殊结构，使得非晶合金具有一些独特的性质。所以，以前的非晶合金在使用时，必须保证它们处于非晶态。一般的非晶合金存在着发生晶化的可能性，一旦在晶化温度以上退火，材料内部的原子排列就变成了有序的，也就是说成为晶体，而且晶粒组织很粗大，这时非晶合金原有的磁性能就会丧失。因此，一般的非晶合金都要在非晶状态下使用。但是，自从八十年代末，日本的吉泽克仁等发现，含有Cu和Nb的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织，晶粒尺寸仅有10-20纳米。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良。这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金(以前也曾称为超微晶合金)。铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但是却不含有昂贵的钴，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。1.3非晶软磁合金材料的优点1.3.1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、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。1.3.2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。非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。1.3.3灵活的处理工艺和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的，选择余地很大，为电力电子元器件的选材提供了方便。1.3.4制造工艺简单，节能、环保传统的薄钢板，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。表1是非晶软磁合金材料与其它常用软磁材料性能的比较。1.4非晶软磁合金材料的应用领域由于非晶软磁合金具有优良的电磁性能，应用领域非常广阔。1.4.1电力电子技术领域:大功率中、高频变压器逆变电源变压器大功率开关电源变压器1.4.2通讯技术:程控交换机电源数据交换接口部件脉冲变压器UPS电源滤波和存储电源、功率因素校正扼流圈、标准扼流圈1.4.3抗电磁干扰部件:交流电源、可控硅、EMI差模、共模电感、输出滤波电感1.4.4开关电源:磁饱和电抗器磁放大器尖峰抑制器扼流圈1.4.5传感器:电流电压互感器零序电流互感器漏电开关互感器防盗感应标签1.5有关非晶软磁合金材料的几个问题1.5.1材料稳定性1.5.1.1温度稳定性(指非晶态合金的磁性能随使用温度的变化):常用的磁性材料，当温度升高时，其饱和磁通密度都是下降的。当温度高于一定值时，材料变成顺磁性的，原有磁性能丧失，无法继续使用。这个温度称为磁性材料的居里温度(或居里点)。居里点越高，表明材料可能的使用温度越高，即材料的温度稳定性越好。对于几种常用的磁性材料，其居里温度如下:硅钢:600?，坡莫合金:400?，铁氧体:M200?，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450-600?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?以下的变压器铁心完全没有问题。1.5.1.2时效稳定性(指在一定温度下，非晶态合金的磁性能随时间的变化):对于大多数变压器铁心来说，其使用时间往往较长。由于非晶态合金处于亚稳态，在一定条件下有晶化的趋势。这使人们担心，随着使用时间的延长，非晶合金的磁性能会不会由于晶化而丧失。为了验证非晶态合金经过长时间使用会不会失效，最直接的方法莫过于将非晶态合金铁心
在实际使用条件下长期运转，观察磁性能的变化。美国自八十年代就已经开始非晶态合金的生产，并大量应用于配电变压器铁心。根据大量报道，这些变压器一直在正常运行，表明非晶铁心的时效稳定性是可靠的。我国自八十年代起将非晶态合金应用于开关电源、中频变压器及漏电保护开关等多种场合，至今没有因为铁心性能恶化导致变压器失效的例子，这充分证明我国的非晶态合金在时效稳定性方面是安全的。
但是，对于众多的非晶态合金来说，都进行模拟实际应用的长时间试验显然是不现实的。正如前面所述，非晶态合金在一定温度下有发生晶化的趋势，这种趋势随着温度的降低是呈指数规律迅速递减的。根据这种规律，我们通常利用高温短时间的时效试验代替低温长时间的试验，用以说明材料的时效稳定性。对于常见的非晶软磁合金，最常用的试验条件为:时效温度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150?。1.5.1.3磁冲击稳定性(非晶纳米晶铁心经过强磁场的冲击后保持原有磁性能的能力):非晶铁心在使用过程中，有时会受到来自电源内部或外部的强磁场冲击。在强磁场冲击后，铁心保持原有性能是非常关键的。否则，铁心性能的恶化会降低电源效率，严重的甚至造成铁心工作点偏移，使铁心饱和，损坏开关管。为了研究非晶态合金的磁冲击稳定性，曾经对不同材料的铁心进行了一系列磁冲击试验，试验结果充分表明，非晶态合金经过适当处理后，磁性能完全可以经受强磁场的冲击而基本复原。
1.5.1.4机械稳定性(指非晶态合金经过机械冲击振动后磁性能的变化):非晶态合金在使用前，一般都要经过热处理。而经过热处理后，材料比较脆。但无论什么材料，作为变压器铁心使用时，大多数要放在保护盒中或表面注塑后使用。对于非晶态合金，在铁心装入保护盒时通常还要加入某些衬垫物，如硅脂、海绵等。这些措施完全可以保证铁心在使用中不发生损坏和磁性能恶化。
在非晶态合金研究开发的初期，首先是在军工电源中应用的。军工设备严酷的工作条件，对铁心的性能要求十分苛刻。例如，对于航空航天装备中的开关电源，对变压器铁心机械稳定性的要求一般是:
耐机械冲击性:加速度55g，持续时间8ms，冲击3次，要求损耗变化率DP/P??15%。耐机械振动:频率20-500Hz，加速度5g，扫描45分钟，两个方向，要求损耗变化率DP/P??15%。离心试验:恒加速度15g，5分钟，要求损耗变化率DP/P??15%。根据上述要求，曾经对非晶态合金作了一系列机械稳定性试验。经过一系列机械冲击和振动等试验，非晶铁心的磁性能变化率相当低，完全满足使用要求。总之，非晶态合金的机械稳定性良好。目前，在非晶中心的产品中，每年用于军工电源的铁心在一万只以上。既然它们可以稳定地应用于军工电源，那么在使用条件相对温和的民品中理所当然也是可以胜任的。
1.5.2规模生产问题目前，国内非晶软磁合金生产企业中多数企业程度不同地存在批量产品质量不够稳定、产品一致性差、性能指标离散较大的问题，其主要原因是有的生产厂家技术装备差、生产工序不全，检测手段落后，综合研发实力不强。作为新兴的产业，其发展和进步必然有一个动态过程。2非晶软磁合金材料产业发展历程和现状2.1发展历程第一阶段，1967年~1988年:1967年Duwez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AlliedSignal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Metglas的Fe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AlliedSignal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
，大量采用纳米晶磁心制作接口变压晶合金，尤其在网络接口设备上，如ISDN
器和数字滤波器件。在此期间，美国AlliedSignal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。2.2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=0.001Oe钴基非晶矩形比Br/Bs=0.995钴基非晶饱和磁化强度4πMs=18300Gs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。
2.3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1.5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1.3倍(非晶铁心价格降为30元/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3.1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FeMB(M为Zr、Hf、Ta)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2.0T，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(18~25)μm厚的带材，用于100kHz，小于18μm厚的薄带，用于500kHz~1MHz。钴基非晶合金20μm厚的薄带，P0.2T/100kHz只有30W/kg。现在见到报导最好的3.8μm厚渗铬的CoFeCrSiB
非晶合金薄带，P0.1T/1MHz为140W/kg，P0.1T/10MHz为1022W/kg，μe(1MHz)为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0.2级、0.2S级、0.5S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1/3~1/5)、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，会在互感器的次级线圈中感应出信号，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
，体积比功率铁氧最佳选择。采用纳米晶铁心的变压器的转换功率可达500kW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，如果变频器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0.1mm)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=0.2T~0.3T，如采用非晶纳米晶合金磁心，可将工作频率提高到f=40kHz~50kHz，工作磁感B=0.5T~0.6T，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。
3.2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。 特别声明:
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范文五：非晶软磁合金材料及其应用
非晶软磁合金材料及其应用
非晶软磁合金材料及其应用 2011年06月09日
1.1 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大类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体;物质里面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:?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;?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-B，FeNiPB，CoZr，ZrTiCuNi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。
1.2 非晶软磁合金材料的种类
1.2.1 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1.4-1.7T)、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1/3,1/5)，代替硅钢做配电变压器可降低铁损60,70,。铁基非晶合金的带材厚度为0.03毫米左右，广泛应用于中低频变压器的铁心(一般在10KHz以下)，例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。
1.2.2 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，例如漏电开关互感器。
1.2.3 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电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。
1.2.4 纳米晶(超微晶)软磁合金材料
由于非晶合金中原子的排列是混乱无序的这种特殊结构，使得非晶合金具有一些独特的性质。所以，以前的非晶合金在使用时，必须保证它们处于非晶态。一般的非晶合金存在着发生晶化的可能性，一旦在晶化温度以上退火，材料内部的原子排列就变成了有序的，也就是说成为晶体，而且晶粒组织很粗大，这时非晶合金原有的磁性能就会丧失。因此，一般的非晶合金都要在非晶状态下使用。但是，自从八十年代末，日本的吉泽克仁等发现，含有Cu和Nb的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织，晶粒尺寸仅有10,20纳米。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良。这种非晶合
金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金(以前也曾称为超微晶合金)。
铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但是却不含有昂贵的钴，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。
1.3 非晶软磁合金材料的优点
1.3.1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、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。
1.3.2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。非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。
1.3.3灵活的热处理工艺
和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的，选择余地很大，为电力电子元器件的选材提供了方便。
1.3.4制造工艺简单，节能、环保
传统的薄钢板，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
和二十一世纪的。 变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料材料
1.4 非晶软磁合金材料的应用领域
由于非晶软磁合金具有优良的电磁性能，应用领域非常广阔。
1.4.1电力电子技术领域:
大功率中、高频变压器
逆变电源变压器
大功率开关电源变压器
1.4.2通讯技术:
程控交换机电源
数据交换接口部件
脉冲变压器
UPS电源滤波和存储电源、功率因素校正扼流圈、标准扼流圈
1.4.3抗电磁干扰部件:
交流电源、可控硅、EMI差模、共模电感、输出滤波电感
1.4.4开关电源:
磁饱和电抗器
磁放大器
尖峰抑制器
扼流圈
1.4.5传感器:
电流电压互感器
零序电流互感器
漏电开关互感器
防盗感应标签
1.5有关非晶软磁合金材料的几个问题
1.5.1 材料稳定性
1.5.1.1温度稳定性(指非晶态合金的磁性能随使用温度的变化):
常用的磁性材料，当温度升高时，其饱和磁通密度都是下降的。当温度高于一定值时，材料变成顺磁性的，原有磁性能丧失，无法继续使用。这个温度称为磁性材料的居里温度(或居里点)。居里点越高，表明材料可能的使用温度越高，即材料的温度稳定性越好。
对于几种常用的磁性材料，其居里温度如下:
硅钢:>600?，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
,600 ?之间，而高频电源中用条件的。通常，非晶态合金的晶化温度在450
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?以下的变压器铁心完全没有问题。
1.5.1.2时效稳定性(指在一定温度下，非晶态合金的磁性能随时间的变化):
对于大多数变压器铁心来说，其使用时间往往较长。由于非晶态合金处于亚稳态，在一定条件下有晶化的趋势。这使人们担心，随着使用时间的延长，非晶合金的磁性能会不会由于晶化而丧失。为了验证非晶态合金经过长时间使用会不会失效，最直接的方法莫过于将非晶态合金铁心在实际使用条件下长期运转，观察磁性能的变化。美国自八十年代就已经开始非晶态合金的生产，并大量应用于配电变压器铁心。根据大量报道，这些变压器一直在正常运行，表明非晶铁心的时效稳定性是可靠的。我国自八十年代起将非晶态合金应用于开关电源、中频变压器及漏电保护开关等多种场合，至今没有因为铁心性能恶化导致变压器失效的例子，这充分证明我国的非晶态合金在时效稳定性方面是安全的。
但是，对于众多的非晶态合金来说，都进行模拟实际应用的长时间试验显然是不现实的。正如前面所述， 非晶态合金在一定温度下有发生晶化的趋势，这种趋势随着温度的降低是呈指数规律迅速递减的。根据这种规律，我们
的时效通常利用高温短时间的时效试验代替低温长时间的试验，用以说明材料稳定性。对于常见的非晶软磁合金，最常用的试验条件为:时效温度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150?。
1.5.1.3磁冲击稳定性(非晶纳米晶铁心经过强磁场的冲击后保持原有磁性能的能力):
非晶铁心在使用过程中，有时会受到来自电源内部或外部的强磁场冲击。在强磁场冲击后，铁心保持原有性能是非常关键的。否则，铁心性能的恶化会降低电源效率，严重的甚至造成铁心工作点偏移，使铁心饱和，损坏开关管。为了研究非晶态合金的磁冲击稳定性，曾经对不同材料的铁心进行了一系列磁冲击试验，试验结果充分表明，非晶态合金经过适当处理后，磁性能完全可以经受强磁场的冲击而基本复原。
1.5.1.4机械稳定性(指非晶态合金经过机械冲击振动后磁性能的变化):
非晶态合金在使用前，一般都要经过热处理。而经过热处理后，材料比较脆。但无论什么材料，作为变压器铁心使用时，大多数要放在保护盒中或表面注塑后使用。对于非晶态合金，在铁心装入保护盒时通常还要加入某些衬垫物，如硅脂、海绵等。这些措施完全可以保证铁心在使用中不发生损坏和磁性能恶化。
在非晶态合金研究开发的初期，首先是在军工电源中应用的。军工设备严酷的工作条件，对铁心的性能要求十分苛刻。例如，对于航空航天装备中的开关电源，对变压器铁心机械稳定性的要求一般是:
耐机械冲击性:加速度55g，持续时间8ms，冲击3次，要求损耗变化率 DP/P??15%。
耐机械振动:频率20,500Hz，加速度5g，扫描45分钟，两个方向，要求损耗变化率 DP/P??15%。
离心试验:恒加速度15g，5分钟，要求损耗变化率 DP/P??15%。
根据上述要求，曾经对非晶态合金作了一系列机械稳定性试验。 经过一系列机械冲击和振动等试验，非晶铁心的磁性能变化率相当低，完全满足使用要求。
总之，非晶态合金的机械稳定性良好。目前，在非晶中心的产品中，每年用于军工电源的铁心在一万只以上。既然它们可以稳定地应用于军工电源，那么在使用条件相对温和的民品中理所当然也是可以胜任的。
