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非晶纳米合金材料的工艺技术、产业化和应用
[发布时间]:2010年7月19日 [来源]:电子变压器资讯网 [点击率]:11035
【导读】: 目前,利用快淬金属工艺技术制备的非晶材料已被广泛地应用于工业领域,除我们熟悉的磁性材料外,还有非晶钎焊材料、非晶催化材料、磁敏及传感器材料等;应用的材料形状有带材、丝材、粉末及薄膜等。现代科学技术...

1- 中频炉;2-盛钢包;3-液位测控;4-漏钢包;5-辊嘴间距测控;6-车削;7-冷却辊;8-卷取机
图2 单辊三包法非晶制带装置示意图
Fig 2 diagram of making ribbon set by singal-roller
   通常非晶材的制造方法是外圆法,这一方法已经发展成为工业生产应用最广泛的实用方法——单辊制带法。国外和国内的千吨级非级非晶带材生产线都是采用此方法制取非晶薄带,生产工艺流程如图1所示。国内还自主开发没有在线卷取设备的单包、三包法制带机组,如图2所示(三包法),该设备简单用,工艺流程短,自动化程度不太高,适合小规模生产,适合我国国情。
非晶丝材的制备方法研究不少,比较实用的是采用内圆水纺法原理的喷丝法(50~150μm)和玻璃包覆拉丝法。前者适用规模化工业生产,后者适用研究开发工作。就目前来讲,丝材生产应用不太广泛,工艺装备发展有限。
非晶粉末的制备方法有雾化法、高能球磨法及非晶带材破碎法等。由于目前设备工艺条件的限制,使用雾化法要想获得105℃/S的冷却速度并满足大规模工业生产及成本要求,确实是非常困难;高能球磨法也同样面临工业生产及成本问题;根据我们的国情,非晶带材破碎法适合大规模工业化生产需要。
非晶薄膜的制备方法有真空蒸镀法、溅射法、化学气相反应沉积法等,由于它们与快淬技术制备非晶合金的技术工艺差异很大,其现状不太清楚。
3.2性能特点、组织结构及机理
通过添加Si、B等元素利用快淬技术制成Fe基、Fe-Ni基和Co基非晶合金材料,其组织特征是原子排列呈现短程有序(1.5±0.1nm),长程无序。该类合金具有饱和磁感应强度高、磁导率高和高频损耗低等优异软磁性能。从铁磁学的有关理论知道,各向异性常数是影响软磁性能的关键因素。非晶合金中不存在磁晶各向异性;虽存在形状各向异性,但由于厚度薄(0.02~0.04mm)形状各向异性常数很小;没有晶界和夹杂;应力-磁致伸缩各向异性通过后面退火消除;电阻率高,高频特性好;感生各向异性存在,有利于通过横向和纵向磁场处理来充分利用非晶合金性能。
Yoshizawa等人首先发现,在Fe-Si-B非晶合金的基体中加入少量Cu和M(M=No、Mo、W、Ta等),经适当温度晶化退火以后,可获得一种性能优异具有bcc结构的超细晶料(约10nm)软磁合金,这就是纳米晶软磁合金。由于纳米晶合金的磁性更加优异,尤其是它的初始磁导率高和高频特性好,引起国内外学者的大量研究,研制开发成各种各样的磁性器件应用于电力、电子技术领域。
纳米晶软磁合金的组织是在非晶组织基础上部分晶化而成的,其最终组织为bcc Fe(Si)+非晶的双相组织。纳米晶软磁合金材料具有优异软磁性的机理尚未完全清楚,但诸多学者研究认为晶粒尺寸细小使局域各向异性变小和磁致伸缩系数低于铁基非晶合金是两个关键因素。磁致伸缩系数变小是与它主相为含Si、B的bcc Fe固溶体有关。当晶粒尺寸达到纳米量级小于交换长度1ex时,则这些无规则取向的小晶粒的磁晶各向异性将被平均而表现出很低的有效各向异性<K>,揭示了纳米晶软磁合金具有优良软磁特性的重要原因。有效各向异性<K>值变小是由于有效各向异性<K>正比于Dn(n>1),晶粒尺寸D减小,导致<K>变小,而合金起始磁导率μi=pμJs2/μo<K>,<K>值越大,矫顽力正比于Dn(n=6,2),D值小,Hc小。
非晶纳米晶合金材料的优异软磁性能与其他软磁合金性能比较参见图3:
图3 非晶纳米晶合金与其他软磁合金性能比较
Fig 3 amorphous nanocrystalline alloy vs other soft magnetic alloy
3.3 研究开发动态
由于现代电子技术的发展,对电子元器件产品尺寸和性能的要求越来越高,尤其高频技术及电磁兼容技术的发展,给非晶纳米晶合金材料的广泛应用带来良好的商机,也促使非晶纳米晶行业通过研究开发,不断开发新材料、新产品,并努力提高现有非晶带材及制品质量。主要研究开发工作有以下几个方面:
●改进生产工艺技术装备,提高带材质量,使其达到剪切水平;
●开发新型铁基非晶合金,形成高Br、低Br,满足大型脉冲电源需要;
●开发新型钴基非晶合金,满足电力电子技术和高频电子技术需要;
●开发新型FeCuMSiB系纳米晶合金,满足不同性能需要;
●开发新型FeMB系纳米晶合金,进行技术储备;
●非晶纳米晶软磁合金粉末及粉末制品;
●开发具有巨磁阻抗效应的钴基非晶和纳米晶合金用作磁敏材料;
●非晶纳米晶薄膜磁性材料,即借助镀膜技术制成磁性薄膜;
●大块铁磁性非晶合金,解决合金材料的成本高、需要添加Zr(易氧化)、Ga(贵且少)等元素及块体尺寸太小等问题。

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