国际文献报道
International Documents and Reports
非晶微晶合金材料及其在电磁器件中的应用
Amorphous alloy and its the application in electromagnetic devices
高 适 编译 姜 劲 校
中图分类号:TN27
文献标识码:A
文章编号:1606-7517(2008)07-8-134
1 引言
随着电子技术的进步和电子设备的创新发展,要求其 电源设备及其零部件的设计同时走向高频率,重量轻,体 积小,节能以及高效率.为此,传统常用的一些磁性材料 如硅钢片,铁氧体材料等已不能满足这些性能所需求.于 是有一类称作非晶,微晶材料的磁性材料于 20 世纪 80 年 代被逐步研制出来.以其优良的磁性能,低损耗,高稳定 性,尤其是高频性能,在电子设备领域得到了广泛应用. 从近几年国内外的磁性材料应用市场情况看,非晶微晶磁 性薄膜和磁粉芯正在逐步代替一部分软磁铁氧体和颇莫合 金磁芯,特别是在高频电磁器件中.为此,非晶微晶合金 材料及其在电磁器件中的应用的研究是十分热门的课题. 在此,从一些研究文献中撷取一部分精华,供广大器件设 计人员参考探讨.
将非晶微晶软磁合金材料作磁芯制成电感器件,则具有以 下性能特点:① 有效导磁率高,电感量大,体积小;②矫 顽力低,损耗小;③ 线圈匝数可减少,分布电容小,直流 电阻小;④ 高饱和磁感应强度,处理器件噪声和尖峰效果 好;⑤ 饱和磁场强度大,线性范围大,直流叠加特性好; ⑥ 居里温度点高,温度稳定性好;⑦ 频率特性好. 在加工工艺方面,非晶合金材料是一次喷制成型,与 其它薄带需要多重轧制不同,所以生产工艺过程有效简化 了,降低了生产成本与能耗.但喷制薄带的工艺难度大大 超过了轧制薄带,喷制的成品率低,总产量难以提高.据 报道,2000 年,我国的非晶薄带产量大约为 800 吨. 非晶合金软磁材料的品种在上世纪 80 年代基本形 成.其类型主要有四种:① 铁基非晶合金,主要成份是铁 硅硼,其饱和磁通密度高,工频和中频工作时的损耗小, 价格便宜.其主要用于工频与中频领域电源技术中的电磁 器件.② 钴基非晶合金,主要成份为钴铁硅硼,其导磁率 高,损耗小,价格较高,饱和磁通密度低.主要用于中高 频领域电源技术中的电磁器件.③ 铁镍基非晶合金,主 要成份是铁镍硅硼.其初始导磁率高,可达 10 5,低频下 使用损耗小.主要用于电源技术中的检测电磁器件和漏电 开关用互感器.钴基非晶合金有饱和磁通密度低,价格高 等缺点.而第 ④ 类被称为非晶微晶软磁合金.1988 年, 日本开发出了微晶合金,其商品名称为"Finement".它 是在铁基非晶合金中加入微量的铜和铌,再经过适当的热 处理时使其部分晶化,得到晶粒尺寸为微米至纳米范围的 "微晶"合金.如果晶粒尺寸范围在纳米级以内,则称为
2 非晶微晶合金材料
非晶微晶软磁合金材料是采用超级急速冷却凝固的技 术(其温度急冷的速度为 10 ° K/S~10 ° K/S,即约为每 秒钟冷却 100 万 ℃ 以上),将熔融的液态金属(钢水) 一次性直接冷却形成厚度为 0.02~0.04mm 的固体薄带. 由于是以超急速的速度冷却,金属来不及在冷却过程中结 晶,故合金中没有晶粒与品格,因此而叫做非晶合金.美 国把非晶合金带料的商品名称叫做"金属玻璃".这种合 金具有许多独特的性能,如优异的磁性能,高强度,高硬 度,耐腐蚀性,耐磨性,良好的韧性,高电阻率等等.如
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"纳米晶"合金.现在,由于改进了钴基非晶合金的工艺 处理技术,也可以生产钴基微晶合金了.同时,人们已经 掌握了非晶微晶合金材料通过改变热处理工艺,热处理方 式以及加工技术等来改变,调整其软磁特性,以使它们可 以制成不同性能的电磁器件. 非晶微晶合金材料家族中具有良好应用前景的是铁 基非晶和铁基微晶合金材料.因为它们的最佳应用频带在 kHz.由于这个频段是当今电子技术最常用的,故更推进 了这类磁性材料与磁电器件的应用. 常用非晶微晶软磁合金材料与其它软磁合金材料性能 比较,请见表 1. 从表 1 可见,在高频工作时,非品微晶合金独具特 点(如电阻率大),因而使得在电子信息技术中被广泛应 用于高频范围的软磁铁氧体材料受到了它的挑战.但同 时,在电力,电子设备中普遍使用的电工钢,坡莫合金, 铁氧体和非晶微晶合金软磁材料各自在不同领域发挥着重 要作用,也各自有其优缺点.然而,非晶微晶合金由于不 存在磁晶界各向异性,晶界即长程有序的原子排列,使其 电阻率比一般晶态合金高 2 倍,并且可以急冷一次形成 15~30μm 厚度的非晶带.非晶微晶合金的综合磁性能优 异,其 μi 普遍可达 10 以上,Bs≥1.2T,损耗低(P0.2/20k≤ 3.4w/kg).如含 0.5%Sn 的 Fe83Si2B15 的非晶合金,Bs 达 到 1.65T,而其铁损仅为取向电工钢板的 1/5,已用于电力 变压器中;加 Cu,Nd 等元素的 Fe-Si-B 系钠米晶软磁合 金,具有更高的 Bs 和μ值,已用于高频电源变压器;溅射
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