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非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景

2021-09-27 13:45:11

非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景

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,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:①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;②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。

非晶软磁合金材料的种类

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)、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片,价格便宜,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、电抗器等。

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,例如漏电互感器。

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、℃,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低的;硅钢的居里点高,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。


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