铁基纳米晶合金

一、简介：

铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为的，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。微晶直径10-20 nm, 适用频率范围50Hz-100kHz.

二、背景介绍：

1988年日本的Yoshizawa等人首先发现,在Fe-S-iB非晶合金的基体中加入少量Cu和M(M=Nb,Ta,Mo,W等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc结构的超细晶粒(D约10nm)软磁合金。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。其典型成份为Fe7315Cu1Nb3Si1315B9,牌号为Finemet。其后,Suzuki等人又开发出了Fe-M-B(M=Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe基、Co基、Ni基[2]。由于Co基和Ni基不易于形成K、Ks同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。

三、铁基纳米晶软磁合金的制备方法

纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金。

四、纳米晶软磁合金的结构与性能

纳米晶软磁合金的典型成份为Fe7315Cu1Nb3Si1315B9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类:

(1). 铁磁性元素:Fe、Co、Ni。由于Fe基合金具有高Bs的优势,且纳米晶合金可以实现K和Ks同时为零,因而使L值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课题。

(2). 非晶形成元素:主要有Si、B、P、C等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si也是

重要的非晶化元素,通常含量在6at%以上。含Si量过高将使Bs降低,含Si量过低则不易形成非晶因而形成纳米晶较难;Si还往往是纳米晶主相Fe-Si(A-Fe)的基本构成元素。 (3). 纳米晶形成元素,主要包括两类:一类是Cu、Ag、Au及其替代元素,如Ib族元素和Pt系贵金属元素。这些金属在Fe中的固溶度小或基本不固溶于Fe,晶化时首先与Fe分离,造成该金属元素的富相区,起A-Fe的形核作用。第二类是Nb、Mo、W及其替代元素,如IVb、Vb、VIb族元素等。这类元素的主要作用是扩散缓慢,阻止A-Fe晶粒长大,从而保证晶粒的纳米尺寸,同时对降低Ks、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能有益,Cr对耐腐蚀性也有明显作用。

图1显示了在823K下退火112ks的Fe7315Cu1M3Si1315B9纳米晶合金的不同纳米晶形成元素与晶粒尺寸的关系,从中可以看出横坐标从Cu到Mn元素主要促进纳米晶的长大,而Zr到W元素起到抑制晶粒长大的作用。

(4)调整元素,是根据特种需要而添加的少量元素,如 Ru等,常用于磁头材料。

五、性能特征：

（1）纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高频损耗低(P0.5T/20kHz=30W/kg)，电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料;：，最佳频率范围：20kHz-50kHz。广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。

（2）纳米晶合金的磁导率、Hc值接近晶态高坡莫合金及钴基非晶，且饱和磁感Bs与中镍坡莫合金相当，热处理工艺简单，是一种理想的廉价高性能软磁材料;虽然纳米晶

合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗远低于它们，并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比，在低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯体积可小一倍以上。

六、应用：

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。

七、铁基纳米晶软磁材料的应用：

由于/Finemet0、/Nanoperm0和/Hitperm0显示出优异的软磁性能,铁基纳米晶软磁材料广泛应用于功频变压器铁芯、饱和扼流圈、高频变压器以及磁头等。最近,利用铁基纳米晶软磁材料的巨磁电阻效应制成的下一代信息存储设备,大大提高了存储密度,降低了存储设备的体积和重量;利用其磁致冷效应制得的/绿色冰箱0,避免了有害氟利昂的使用,保护了环境。此外在ISDN铁芯、传感器、共模扼流圈、防磁罩等方面也有巨大的应用前景。

八、铁基纳米晶软磁材料研究的趋势：

随着纳米晶软磁材料应用的不断发展,越来越要求软磁材料具有高的饱和磁感应强度、高磁导率、低铁损以及高耐腐蚀性、高的强度等等。为此,在高性能软磁合金、大块非晶以及由此产生的理论研究已成为现在和将来一段时间内软磁材料研究的热点和趋势。

九、优势：

为了得到对共模干扰最佳的抑制效果，共模电感铁芯必须具有高导磁率、优良的频率特性等。从前绝大多数采用铁氧体作为共模电感的铁芯材料，它具有极佳的频率特性和低成本的优势。但是，铁氧体也具有一些无法克服的弱点，例如温度特性差、饱和磁感低等，在应用时受到了一定限制。

近年来，铁基纳米晶合金的出现为共模电感增加了一种优良的铁芯材料。铁基纳米晶合金的制造工艺是：首先用快速凝固技术制成厚度大约20－30微米的非晶合金薄带，卷绕成铁芯后经过进一步加工形成纳米晶。与铁氧体相比，纳米晶合金具有一些独特的优势：

（1）高饱和磁感应强度：铁基纳米晶合金的Bs达1.2T，是铁氧体的两倍以上。作为共模电感铁芯，一个重要的原则是铁芯不能磁化到饱和，否则电感量急剧降低。而在

实际应用中，有不少场合的干扰强度较大（例如大功率变频电机），如果用普通的铁氧体作为共模电感，铁芯存在饱和的可能性，不能保证大强度干扰下的噪声抑制效果。由于纳米晶合金的高饱和磁感应强度，其抗饱和特性无疑明显优于铁氧体，使得纳米晶合金非常适用于抗大电流强干扰的场合。

（2）高初始导磁率：纳米晶合金的初始导磁率可达10万，远远高于铁氧体，因此用纳米晶合金制造的共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗，对弱干扰具有极好的抑制作用。这对于要求极小泄漏电流的抗弱干扰共模滤波器尤其适用。在某些特定场合（如医疗设备），设备通过对地电容（如人体）造成泄漏电流，容易形成共模干扰，而设备本身又对此要求极严。此时使用高导磁率的纳米晶合金制造共模电感可能是最佳选择。此外，纳米晶合金的高导磁率可以减少线圈匝数，降低寄生电容等分布参数，因而将由于分布参数引起的在插入损耗谱上的共振峰频率提高。同时，纳米晶铁芯的高导磁率使得共模电感具有更高的电感量和阻抗值，或者在同等电感量的前提下缩小铁芯的体积。

（3）卓越的温度稳定性：铁基纳米晶合金的居里温度高达570oC以上。在有较大温度波动的情况下，纳米晶合金的性能变化率明显低于铁氧体，具有优良的稳定性，而且性能的变化接近于线性。一般地，纳米晶合金在－50oC——130oC的温度区间内，主要磁性能的变化率在10%以内。相比之下，铁氧体的居里温度一般在250oC以下，磁性能变化率有时达到100%以上，而且呈非线性，不易补偿。纳米晶合金的这种温度稳定性结合其特有的低损耗特性，为器件设计者提供了宽松的温度条件。而图3为不同材料的饱和磁感应强度的温度特性。

（4）灵活的频率特性：通过不同的制造工艺，纳米晶铁芯可以获得不同的频率特性，配合适当的线圈匝数可以得到不同的阻抗特性，满足不同波段的滤波要求，而其阻抗值大大高于铁氧体。应该指出，任何滤波器都不能指望用一种铁芯材料就可以实现整个频率范围的噪声抑制，而是应根据滤波器要求的滤波频段来选择不同的铁芯材料、尺寸和匝数等。与铁氧体相比，纳米晶合金可以更加灵活地通过调整工艺来得到所需要的频率特性。

铁基纳米晶合金自二十世纪八十年代末开发以来，已经在开关电源变压器、互感器等领域得到了广泛应用。由于纳米晶合金的高导磁率、高饱和磁感、灵活可调的频率特性等优势，在抗共模干扰滤波器等领域也越来越受到重视。国外已经存在可以大批量供应的铁基纳米晶合金共模电感铁芯。随着人们对纳米晶合金认识的逐渐加深，可以预计它们制造的共模电感在国内的应用前景将越来越广阔。

母合金（masteralloy）

1.定义

母合金是以铝、铜、镍等为基体的合金，该合金中含有相对含量较高的其他一种或两种元素。如AlTi10即为钛含量为10%的铝基二元母合金。母合金为半成品，在金属工业中用作原材料。母合金具有不同的形状，如锭块、华夫板状、棒状。

2.材料用途

采用“母合金”作为掺杂剂是为了使掺杂量容易控制、更准确。杂的目的主要是用来改变硅熔体中施主杂质（如磷）或受主杂质（如硼）的杂质浓度，使其生长出的单晶电阻率达到规定的要求。硅单晶N型掺杂剂：五族元素，主要有磷、砷、锑。硅单晶P型掺杂剂：三族元素，主要有硼、铝、镓。拉制电阻率低的硅单晶，一般用纯元素作掺杂剂。拉制电阻率高的硅单晶则采用母合金作为掺杂剂。

3.使用范围

母合金在全球范围内被广泛使用。工厂里通常将金属熔化，与不同的元素进行合金化，浇铸成不同的形状。通常熔化的金属有铝、铁、钢，甚至还有诸如金等的贵金属。

4.使用原因［1］

将母合金添加到熔体中的原因有很多，主要原因之一便是用来进行成分调节，即改变金属熔体的成分以达到特定的成分要求。另一重要应用便是组织调节————通过在浇铸和凝固过程中改变金属的显微组织以达到调节合金性能的目的。这些性能包括力学强度、延伸率、导电性，铸造性能及表面粗糙度。有时会根据母合金不同的应用场合将其称为强化相、晶粒细化相及调节相。 使用母合金而不是纯金属的原因有两个方面，即经济性和工艺性，或者两者兼顾。有些元素当以单体的形式加入时，损失量大，或最终合金的产率低。其他一些元素可能在通常的熔炼温度下根本不会熔化。这时通常需要用到母合金，因为母合金可以实现较低温度下的快速熔化，不仅节能，同时减短了生产周期。