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高饱和磁感应强度铁基非晶、
纳米晶研究进<
/p>
展
第
17
卷第
6
期
2010
年
12
月<
/p>
金属功能材料
MetallicFunctionalMaterials
V
o1.17,No.6
December.Z010
高饱和磁感应强度铁基非晶
,
纳米晶研究进展
张淑兰
,
王建
,
陈非非
,
王立军
(
安泰科技股份有限公司
,
北
京
100081)
摘要
:
本文介绍了高饱和磁感应强度铁基非晶
,
纳米晶带
材研究进程
,
总结了高饱
和磁感应强度
铁基非晶
,
纳米
晶带材设计原理以及目前的合金体系
,
高饱和磁感应强度的
获得主要与
Fe
的含量
以及内部特殊结
构有关
;
最后简
要讨论了研究成果应用于大规模工业生产的可行性
.
关键词
:
高饱和磁感应强度
;
非晶
;
纳米晶
< br>;
中图分类号
:TGI39.8
文献标识码
:A
文章编号
:1005
—
8192(2010)06
—
0073
—
05
ProgressofFe._basedAmorphousand
Nan0crystallineRibbonswithHighSaturation
MagneticFluxDensityBs
ZHANGShu-lan,WANGJian,CHENFei
—
fei,WANGLi-jun
(.,CenterIr
on&SteelResearchInstitute,B
eijing10
0081,China)
Abstract:ProgressinFe-based
amorphousandnanocrystallineribbonswithhighsaturati
on
magneticfluxdensityB.
theo
ryandcurrentpopularalloyssystemsfortheFe-
basedamorphousa
ndnanocrysta
1linerib
—
sismain
lyrela
tedwithFecontent.
Furt
hermore,thefeasibilityforthedevelopmentresultsappl
iedinthelargescaleproductionis
discussed
.
Keywords:highsaturationfluxdensity;am
orphous;nanocrystalljne
随着能源日趋紧张以及全球环境恶
化
,
节能减
排目前已经成为全球最为关注的问题之一
.
在电力
电子系统中
,
国家大力号
召使用绿色节能环保材料
,
要求耗电量低
,Co.
排放量少
,
使用低损耗的
软磁
合金材料
.
目前正在开发的非晶
,
纳米晶材料
,
由于
其低损耗
,
高磁导率已成为电力系统应用中最有前
景的软磁合金材料口
],
但这种材料的饱和磁感应
强度
(B)
较低
,
造成非晶
,
纳米晶产品的体积较大
,
材料使用量和成本增加
,
加之非晶材料价格较高
,
导
致非晶与硅钢产品相比价格优势较小
,
因而要求开
发高
B.
的非晶
,
纳米晶合金带材
,
充分发挥非晶
,
纳
米晶带材的节能优势
,
进一步提升该类材料的使用
空间
.
对于非晶
,
纳米晶材料
,
通过合理的合金元
素配
比极有可能获得高
B,
低损耗的非晶和纳米晶软磁
合金带材
,
到现在为止
,
已进行
了一些研究
.
本文旨
在通过总结这些研究结果
,
讨论获得高
B
非晶
,
纳
< br>
米晶软磁合金带材的设计原理以及该类材料应用于
工业生产的可能性
.
1
研究进展
1.1
高饱和磁感应强度铁基非晶带材研究进展
目前关于
Fe
基非晶带材制备
,
成分设计准则
,
内部结构等已进
行了大量研究
,
但是关于高饱和磁
感应强度非晶带材的研究并不太多
.
早在
1976
年
,
Hasegawa
就对高饱和磁感应强度的铁基非晶带材
进行了研究
[43,
他指出在铁基非晶合金中添加一定
量的
Co,
可使铁基非晶合金带材
B
提高到
1.8T
作者简介
:
张淑兰
,
女
,
工程师
,
工作单位
:
安泰科技股份有限公司
.E-mail:shlzhang<
/p>
—
cisri@
金属功能材料
左右
< br>,
但是要求合金必须含有
2OCo
含量
.
在此
基础上
,2006
年
,
王煜等
[5]
研究了
Fe,
Co
元素之间
的配比对非晶合金饱和
磁感应强度的影响
.
他的研
究结果表明
Co
元素加入过多或过少均不利于<
/p>
B
的提高
,
在
si,B
含量一定的情况下
,Fe
与
Co
元素
含量之比在
3
～
4
附近时
,
合金具有高的
B
值
,
如图
< br>
1
所示
.
制备出的非晶合金
Fe..CoSiBB.
值高
达
1.76T.
可以看
出国内对于加
Co
来获取高
B
非晶合金的研究表明同样需要
2O
左右的
Co,
因
而国内
的研究结果与
Hasegawa
的研究结果是一致
的
.
图
1
在
si,B
含量一定的情况
下
,
合金随
Fe,Co
元素含量之比
X
的变化关系
unctionofx(therationofFeand
Cocontent)atacertaincontentofSiandB
为了进一步降低材料成本
,
研究者们试图通过
添加其它元素
,
减少
Co
元素用量或者不加
Co,
来提
高
B<
/p>
值
,
例如
Gra
ham
等研究的
Fe-B
～
C
合金
,
但
是这种合金较脆
,
到现在
为止
,
这种合金研究尚未取
得很大进展
.
2006
年
,Hasegawa
通过研究
,
获得了牌号为
HB1
的合金
,
这类
Fe
基非晶的
B
值高达
1.64T.
比
SA1
合金高
0.07T,
且铁芯损耗和噪音水平低于<
/p>
现有的
SA1
合金
,
如图
2
所示
.
噪音的降低与磁旋
转区间移向较高的
B
值有关
,
而这又与高
B.
和磁
滞回线的方形比有关
.
由
此可知较高的
B.
不仅对
减小器件的体积有利
,
而且能够间接的减小噪音<
/p>
.
表
1
数据示
出了硅钢和不同非晶合金材料的
B
值
,
可以看出
,
虽然和硅钢相比仍有差距
,
但总体
<
/p>
上来说非晶合金材料的
B
值正在不断提高
.
表
1
不同
材料的饱和磁感应强度值
Tablel
口
f0rdifferentmaterials
SA1H
B1Fe69ColSSilB12
含硅
6.5
硅钢
B1.56T1.64T1.76T1.85T
图
2
三相变压器用
SA1,HB1
和取向硅钢
材料
的
B
与噪音水平的关系
Fig.2Bdependenceofnoiselevelforthe3-phase
transformerofSA1,HB1andgrain-oriented
siliconsty!materials
目前对于高饱和磁感应强度铁基非晶的研究
,
大多集中于通过增加
Fe
元素的含量并加入少量其
他合金元素来提高
B,
< br>即通过元素替代添加来获得
高饱和磁感应强度的非晶合
金体系
,
但是相关报道
较少
,
且并未深入探讨获得高饱和磁感应强度非晶<
/p>
合金的机理
.
因而非常有必要加快这方面的研究
,
以提升我国在非晶领域的研发技术及国际影响力
.
1.2
高饱和磁感应强度铁基纳米晶带材研究进展
近年来
,
关于高饱和磁感应强度铁基纳
米晶的
研究
,
主要是通过加入某些合金元素提高铁元素的
含量或者改变纳米晶内部结构来提高饱和磁感应强
度
,
主要合金体系有
Fe
—
Cu
—
Si
—
BL3
一
J
,Fe
—
Si
—
B
—
P
—
CuE,Fe
—
Si
—
B
—
P[,FeCoCuNbsiB
合金等
.
< br>和非晶带材相同
,
在纳米晶带材中加人
< br>Co
元
素
,
也可提高合金的饱和磁感应强度
.
—
lard
等人报道了
FeCoMBCu
系
(M
—
Zr,Nb
和
Hf)
纳米晶合金的主相以
a
—
F
eCo(B2
结构
)
为基础
,
而
常规纳米晶合金则
是利用
a
—
(D03
< br>结构
)
和
a
—
Fe(BCC
结构
)
的性能
.
虽然
FecocuNbsiB
纳米合
金的
B
值一般还不到
1.7
T,
但实用不含
Co
的
FINEMET
⑩
FT
一
8
合金的
B
仅
1.5T.
因此通过
增加
FeCo
原子对的百分含量
,
可以提高饱和磁感
应强度
,
但是由于这类合金中必须添加大量的昂贵
Co
元素
,
增加了成本
,
因而人们试图通过其他的办<
/p>
法来增加饱和磁感应强度
,
寻找获得高饱和磁感应
强度无
< br>Co
的纳米晶合金
.
研究者们
试图通过添加其它元素
,
减少
Co
元
素用量或者不加
Co,
来提高
B
值
< br>,
例如
Graham
第
6
期张淑兰等
:
高饱
和磁感应强度铁基非晶
,
纳米晶研究进展
等研究的
Fe-B-C
合金
,
但是这种合金较脆
,
到现
在为止
,
这种合金研究尚未取得很大进展
.
Yoshizawa<
/p>
等研究了无
Co
高饱和磁感应强
度纳米晶合金
,
他们
开发出了
B.
高达
1.8T
的
Fe-
Cu
—
B
和
Fe
—
Cu
—
Si
—
B
纳米晶合金
,
这种系
列合金的
特点是利用提高合金体系中的
Fe
元素含量而提高
B
值
,
此类合金的
Fe
含量质量百分比达到了
95,
比常规的<
/p>
Fe
—
Cu-Nb
—
Si-B
中的
Fe
含量高
1o,
较高
的
Fe
含量导致了较高的
B,
而形成的纳米晶结构
使得这类
合金具有较好的软磁性能
,
图
3
为该合金
与传统纳米晶合金和硅钢磁性能的
对比
.
可以看出
这类合金在较低的频率下表现出较低的铁损
,
然而
这类材料的纳米晶粒尺寸为传统
Fe
—
Cu-Nb
—
Si-B
合
金两
倍
.
为减小纳米晶粒尺寸
,
获得更好的软磁行
为
.
Yoshizawa
又进行了研究
,2009
< br>年
,
他又研究
出了新类型的高
B
纳米晶合金
B
B
为
1.78T,
矫顽力
H
为
3.2A/m.<
/p>
这类合金同
时具有较高的
B.
和较低的矫顽力
,
矫顽
力水平类似
于现在的低
Nb
高
Fe
合金
,
例如
5
B.
纳米晶合
金
.
原理是通过加入少量的
Nb,
阻止
纳米晶粒长大
,
同时使饱和磁感应强度不减小
,
退
火
后纳米晶粒的尺寸仅为
15nm.
他同时指出
,
纳米
晶粒尺寸越小
,
矫顽力越小
,
因而纳米晶长大速度和
形核位置数量是影响退火后纳米晶粒最终尺寸的重
要因素
.
图
3_B=0.2T
时
.Fe8.,,B
纳米晶合金
,6.5%
硅钢
,
铁基非晶合金的铁损
P
与频率
,
的关系曲线
satB0.2Tfortoroidalcoreof
一
6.5wtSi-
sty!andFe-basedamorphousalloy
表
2
为纳米晶带材磁性能与硅钢
,
铁基非晶带
材磁性能对比
,
由此表可以看出
,Yoshizawa
新开发
的纳米晶带材的
B.
值远远高于含硅
3
取向硅钢
,
并接近于含硅
6.5
< br>硅钢
,
但是矫顽力却明显低于
现有硅钢
,
因而这是一种非常具有前景
的非晶合金
材料体系
.
表
2
不同材料的磁性能
Table2Magneticpropertiesfordifferentmat
erials
Inoue[1
等对高饱和磁感应强度的纳米晶
合金
也进行了研究
,2009
年报道获得了
B
值为
1.9T
的纳米晶合金
Fe
～
s..SiBP.
～
Cu...
他的研究
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