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非晶合金

非晶合金是由超急冷凝固,合金凝固时原子来不及有序排列结晶,得到的固态合金是长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。这种非晶合金具有许多独特的性能,由于它的性能优异、工艺简单,从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度(1.54T),磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点。

铁基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)

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节能60-70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右,广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯, 适合于10kHz 以下频率使用

由于超急冷凝固,合金凝固时原子来不及有序排列结晶,得到的固态合金是长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在,称之为非晶合金,被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能,如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性,高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单,从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。

在以往数千年中,人类所使用的金属或合金都是晶态结构的材料,其原子三维空间内作有序排列、形成周期性的点阵结构。

而非晶态金属或合金是指物质从液态(或气态)急速冷却时,因来不及结晶而在室温或低温保留液态原子无序排列的凝聚状态,其原子不再成长程有序、周期性和规则排列,而是出于一种长程无序排列状态。具有铁磁性的非晶态金合金又称铁磁性金属玻璃或磁性玻璃(Glassy Alloy),为了叙述方便,以下均称为非晶态合金。

1960年美国Duwez教授发明用快淬工艺制备非晶态合金为始。其间,非晶软磁合金的发展大体上经历了两个阶段:第一个阶段从1967年开始,直到1988年。1984年美国四个变压器厂家在IEEE会议上展示实用非晶配电变压器则标志着第一阶段达到高潮,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。从1988年开始,非晶态材料发展进入第二阶段。这个阶段具有标志性的事件是铁基纳米晶合金的发明。1988年日本日立金属公司的Yashiwa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)。1988年当年,日立金属公司纳米晶合金实现了产业化,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。

1.水淬法

2.铜模吸铸法

3.铜模喷铸法

4.旋转淬冷法

5.定向凝固

6.粉末冶金

7.高能球磨

在对非晶合金有了初步的了解后,我们在来看一下非晶合金的一个非常具有前景的应用领域非晶变压器。非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料非晶合金制作铁芯而成的变压器,它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指变压器次级开路时,在初级测得的功率损耗)下降75%左右,空载电流(变压器次级开路时,初级仍有一定的电流,这部分电流称为空载电流)下降约80%,是目前节能效果较理想的配电变压器,特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。中国的上市公司置信电气从美国通用电气公司引进非晶合金变压器的专有技术后,通过消化吸收,自主创新开发了适合中国电网运行的非晶合金变压器系列产品,已经成为目前国内规模最大的非晶合金变压器专业化生产企业,这证明了非晶材料广阔的市场空间。

2006年开始,硅钢的大幅度涨价导致非晶价格甚至比硅钢还低;同时,其节能作用也由于对能源问题的重视而备受关注。非晶带材由于具有更低的损耗率,在用于新型配电变压器时,可以起到很好的降低电耗的作用,随着中国变压器市场加快向非晶配电变压器发展,非晶带材的市场正在不断扩大。


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