非晶超微晶(纳米晶)合金知识简介
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10－20纳米的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为超微晶或纳米晶材料. 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(8万)、低Hc(0.32A/M）, 高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg）,电阻率为80 微欧厘米，比坡莫合金(50-60微欧厘米)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*好的材料;适用频率范围：50Hz-100kHz，*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、互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯.等．
非晶合金的特点及分类
非晶合金是一种导磁性能突出的材料，采用快速急冷凝固生产工艺，其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列，它与硅钢的晶体结构完全不同，更利于被磁化和去磁。典型的非晶态合金含80%的铁，而其它成份是硼和硅。非晶合金材有下列特点：（1）非晶合金铁芯片厚度极薄，只有20至30um，填充系数较低，约为0．82。（2）非晶合金铁芯饱和磁密低。（3）非晶合金的硬度是硅钢片的5倍。（4）非晶合金铁芯材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能。（5）非晶合金的磁致伸缩程度比硅钢片高约10％，而且不宜过度夹紧。非晶合金具有的高饱和磁感应强度、低损耗（相当于硅钢片的1/3～1/5）、低矫顽力、低激磁电流、良好的温度稳定性等特点。
非晶合金可以从化学成分上划分成以下几类：
（1）铁基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)
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），铁基非晶合金与硅钢的损耗比较 ：磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，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。
（2）铁镍基、钴基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)
铁镍基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%类金属元素所构成，它具有中等饱和磁感应强度〔0.8T〕、较高的初始磁导率和很高的*大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。在中、低频率下具有低的铁损。空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。价格比1J79便宜30－50％。铁镍基非晶合金的应用范围与中镍坡莫合金相对应,但低铁损和高的机械强度远比晶态合金优越；代替1J79，广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。
（3) 铁基纳米晶合金（Nanocrystalline alloy）
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，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*好的材料；适用频率范围：50Hz-100kHz，*佳频率范围：20kHz-50kHz
与传统材料的比较
冷轧硅钢的饱和磁感高，但由于其有效磁导率低，高频损耗大，使用频率达不到kHz频段，即使使用极薄硅钢仍达不到铁基非晶的损耗水平；铁氧体材料的价格低廉，但由于其居里温度低，在100℃以上时的饱和磁感已经很低，因此其使用温度受到限制，再者，其饱和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯时需要较大的体积。至于坡莫合金，尽管其磁性能好，可与非晶纳米晶材料相媲美，但由于它含有50％以上的镍，成本高，加工工艺复杂，获得用于高频环境下的极薄带的价格昂贵，两者的性价比是不可比的．总体来说，非晶合金具有如下优势：
（1）不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下，经过长期使用，性能无显著变化；
（2）温度稳定性比软磁铁氧体好，在－55℃至150℃范围内，磁性能变化5％～10％，而且可逆；
（3）耐冲击振动，随电源整机在30g下的振动试验中，均未发生过性能恶化问题；
（4）铁基非晶合金脆性大大改善，带材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷绕磁芯，经过5次弯折或拆卸，性能无显著变化。
非晶合金的应用领域
（1）替代极薄硅钢产品，从市场需求来看，极薄硅钢（厚度<0.1mm）在20世纪70年代大量用于400Hz以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等，目前这方面的市场需求较大，但供方难以满足需要，用非晶纳米晶合金材料替代，不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化，而且价格上也有利可图。
（2）高磁导率和大功率磁芯器件，由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制，高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求，如采用非晶纳米晶材料取而代之，可以促使一些电子设备国产化、小型化。
铁基非晶合金 冷轧硅钢 铁镍基非晶 钴基非晶合金 铁基纳米晶合金 坡莫合金 软磁铁氧体
饱和磁感应强度/T >1.5 2.0 >0.7 0.5～0.8 >1.2 0.5～1.5<0.5
居里温度/℃ >415 730 >250 >320 >560 >400 <230
晶化温度/℃ >550 >410 >480 >510
电阻率/μΩ－cm 140 50 125 140 90 55 >106
密度/(g/cm3) 7.18 7.65 7.5 8.0 7.25 8～8.84.8
硬度/(hg/mm2) 860 640 900 880 120 600
饱和磁致伸缩系数/×10－6 20～30 27 12 0 1～2 0～25 14
初始导磁率 >1000 1000 >4000 >30000 >80000 >10000 2000
*大导磁率 >200000 >10000 >200000 >200000 >2000000>200000
矫顽力(A/m) <3 >8.0 <0.8 <2.0 <2.0>0.4 20
铁损/(W/kg) P1/50=0.07P1
/400=1.2 P1/50>0.3P1
/400=5.8 P0.2/20k<20 P0.2/20k<5 P0.2/20k
<10 P0.2/
20k=13 P0.2/
20k<20
注：铁损的表示方法：如P1/50表示频率为50Hz,磁通密度为1T的铁损。
（3）工作环境温度高和环境恶劣等的一些电子产品，如油田钻探、海洋探测等特殊环境使用的电子产品用的各种磁性器件，选用非晶纳米晶合金材料制作，可以物尽其用，避免选材上的困扰。
（4）航空、航天等**产品用的各种磁性器件需要小而轻、温度稳定性好、磁性要求高，使用非晶纳米晶合金材料远优于其他软磁材料。
（5）高频、大电流、大功率电源变压器、电抗器、滤波器等器件的小型化，目前这些器件大都采用铁氧体或冷轧硅钢，工作频率f=20kHz，工作磁感B=0.2T～0.3T，如采用非晶纳米晶合金磁芯，可将工作频率提高到f=40kHz～50kHz,工作磁感B=0.5T～0.6T，可以大大减小磁芯器件的体积和尺寸。
（6）各种抗EMI器件、噪声抑制器和尖峰抑制器
市场前景
非晶合金是一种无序原子结构的合金，它代表了冶金学中*新的材料，其典型生产过程是由熔融的合金在*初的冷却速度率接近于每秒100万度的情况下凝固而成。“非晶合金带材”含铁78%-81%、含硼13-5%、含硅3.5%-8%，另外还含微量的镍和钴等金属元素，外表面特征是具有金属色泽的银灰色薄带。
非晶合金的一个重要应用领域是配电变压器。与取向硅钢变压器相比，非晶变压器的主要优势为：
采用非晶合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗比同容量的硅钢变压器降低60%-80%，减少了能源消耗，具有很好的经济效益和环境效益。
由于非晶变压器的空载能耗较低，比较适合在我国农村用电和城市配网。我国“十一五”规划的目标中，明确要“实现2010年人均国内生产总值(GDP)比2000年翻一番”，“单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右”。“十一五”规划对节能降耗的明确提出以及具体目标的出台，对国内各行各业将形成现实的压力，对于耗能大户电网公司压力尤其巨大。电网降耗的短期技术实现手段不多，非晶变压器是必选手段。
目前，我国年均生产配电变压器约2.4亿kVA，如30%改用非晶材料，年生产非晶变压器为7200万kVA，以每台变压器300kVA为例，年需求非晶变压器将达24万台。
这将降低变压器空载损耗13万kW，一年可节约用电11.4亿kWh。相当节约电煤43.3万吨，减少燃煤有害气体排放1.1万吨。
据国家有关部门预测，国内变压器厂对非晶配电变压器铁芯的需求按变压器总需求30%的使用率测算，每年至少需要铁基非晶带材15-20万吨。预期2010年需求将达到20万台，因此未来五年非晶合金变压器需求将高速增长，保守估计年复合增长率在50-100%，非晶合金变压器将成为电网设备中增长*快的品种之一。
在价格方面，由于非晶变压器所需要的铜线比冷轧硅钢要多，所以只有非晶合金的价格与冷轧硅钢片的价格保持合理的比例，才能使得非晶合金在变压器产业中占有市场份额。按照总拥有费用法(简称TOC，是一种评价变压器能源效率比较**的方法)计算，当非晶变压器的价格≤1.3倍的同容量的冷轧硅钢变压器的价格，才能达到替代的目的。
从2004年开始，硅钢变压器的主要原料取向硅钢价格猛涨，从不到2万元/吨一度上涨到4.2万元/吨，目前维持在3.7-3.8万元的高位。相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比已由数年前的1：2回落到目前的1：1.3以下。硅钢价格暴涨使得非晶合金变压器的相对成本大幅下降，节能降耗及投入产出优势充分体现，给非晶变压器的推广应用提供了强劲的动力。