非晶合金

1960年美國(guó)Duwez教授發(fā)明用快淬工藝制備非晶態(tài)合金為始。其間，非晶軟磁合金的發(fā)展大體上經(jīng)歷了兩個(gè)階段:第一個(gè)階段從1967年開(kāi)始，直到1988年。1984年美國(guó)四個(gè)變壓器廠(chǎng)家在IEEE會(huì)議上展示實(shí)用非晶配電變壓器則標(biāo)志著第一階段達(dá)到高潮，到1989年，美國(guó)AlliedSignal公司已經(jīng)具有年產(chǎn)6萬(wàn)噸非晶帶材的生產(chǎn)能力，全世界約有100萬(wàn)臺(tái)非晶配電變壓器投入運(yùn)行，所用鐵基非晶帶材幾乎全部來(lái)源于該公司。從1988年開(kāi)始，非晶態(tài)材料發(fā)展進(jìn)入第二階段。這個(gè)階段具有標(biāo)志性的事件是鐵基納米晶合金的發(fā)明。1988年日本日立金屬公司的Yashiwa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過(guò)晶化處理開(kāi)發(fā)出納米晶軟磁合金(Finemet)。1988年當(dāng)年，日立金屬公司納米晶合金實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，并有產(chǎn)品推向市場(chǎng)。1992年德國(guó)VAC公司開(kāi)始推出納米晶合金替代鈷基非晶合金，尤其在網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備上，如ISDN，大量采用納米晶磁芯制作接口變壓器和數(shù)字濾波器件。

在對(duì)非晶合金有了初步的了解后,我們?cè)趤?lái)看一下非晶合金的一個(gè)非常具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域--非晶變壓器。非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料--非晶合金制作鐵芯而成的變壓器，它比硅鋼片作鐵芯變壓器的空載損耗(指變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)，在初級(jí)測(cè)得的功率損耗)下降75%左右，空載電流(變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱(chēng)為空載電流)下降約80%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方。中國(guó)的上市公司--置信電氣從美國(guó)通用電氣公司引進(jìn)非晶合金變壓器的專(zhuān)有技術(shù)后,通過(guò)消化吸收，自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了適合中國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行的非晶合金變壓器系列產(chǎn)品,已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的非晶合金變壓器專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)企業(yè),這證明了非晶材料廣闊的市場(chǎng)空間。

2006年開(kāi)始，硅鋼的大幅度漲價(jià)導(dǎo)致非晶價(jià)格甚至比硅鋼還低;同時(shí),其節(jié)能作用也由于對(duì)能源問(wèn)題的重視而備受關(guān)注。非晶帶材由于具有更低的損耗率，在用于新型配電變壓器時(shí)，可以起到很好的降低電耗的作用，隨著中國(guó)變壓器市場(chǎng)加快向非晶配電變壓器發(fā)展，非晶帶材的市場(chǎng)正在不斷擴(kuò)大。

目前全世界從事非晶材料生產(chǎn)的只有兩家公司:中國(guó)安泰科技和日本日立金屬公司。日立金屬是在2003年購(gòu)買(mǎi)了美國(guó)AlliedSignal公司50%的權(quán)益后而進(jìn)入非晶合金業(yè)務(wù)這一領(lǐng)域的。2006年底,日立金屬目前已經(jīng)把非晶產(chǎn)能從原來(lái)的約3萬(wàn)噸擴(kuò)展到了6萬(wàn)噸,這使日立金屬在這個(gè)領(lǐng)域處于絕對(duì)壟斷的地位。安泰科技目前還處在追趕者的地位,但所幸的是安泰科技在追趕者中遙遙領(lǐng)先,因?yàn)槌巳樟⒔饘俸桶蔡┛萍纪?世界上基本上沒(méi)有第三家公司可以批量生產(chǎn)非晶帶材的技術(shù)和工藝。按照安泰科技剛剛開(kāi)始的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃,未來(lái)三年內(nèi),非晶產(chǎn)能也將擴(kuò)展到5萬(wàn)噸。一旦產(chǎn)能能夠順利擴(kuò)展,未來(lái)非晶材料市場(chǎng)將只屬于日立金屬和安泰科技兩家所有。

鐵基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)

特別是鐵損低(為取向硅鋼片的1/3-1/5)，代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60-70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開(kāi)關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯, 適合于10kHz 以下頻率使用

由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來(lái)不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，沒(méi)有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱(chēng)之為非晶合金，被稱(chēng)為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。

在以往數(shù)千年中，人類(lèi)所使用的金屬或合金都是晶態(tài)結(jié)構(gòu)的材料，其原子三維空間內(nèi)作有序排列、形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

而非晶態(tài)金屬或合金是指物質(zhì)從液態(tài)(或氣態(tài))急速冷卻時(shí)，因來(lái)不及結(jié)晶而在室溫或低溫保留液態(tài)原子無(wú)序排列的凝聚狀態(tài)，其原子不再成長(zhǎng)程有序、周期性和規(guī)則排列，而是出于一種長(zhǎng)程無(wú)序排列狀態(tài)。具有鐵磁性的非晶態(tài)金合金又稱(chēng)鐵磁性金屬玻璃或磁性玻璃(Glassy Alloy)，為了敘述方便，以下均稱(chēng)為非晶態(tài)合金。

1.水淬法

2.銅模吸鑄法

3.銅模噴鑄法

4.旋轉(zhuǎn)淬冷法

5.定向凝固

6.粉末冶金

7.高能球磨

等

非晶合金是一種集制造節(jié)能和應(yīng)用節(jié)能于一身的高科技綠色材料。我國(guó)的非晶合金材料研究起步于上世紀(jì)70年代中期，國(guó)家科技部從"六五"開(kāi)始連續(xù)五個(gè)五年計(jì)劃均將非晶、納米晶合金研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化列入重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。

非晶合金材料的制造采用先進(jìn)的快速凝固技術(shù)，在制造過(guò)程中節(jié)約能耗80%左右，而且制造過(guò)程無(wú)污染排放，實(shí)現(xiàn)了綠色制造。

非晶合金，或稱(chēng)為金屬玻璃，它是20世紀(jì)70年代問(wèn)世的一種新型材料，是利用急冷技術(shù)，將鋼液一次成型為厚度為30微米的薄帶，得到的固體合金（薄帶）是不同于冷軋硅鋼材料中原子規(guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)，正是這種合金其原子處于無(wú)規(guī)則排列的非晶體結(jié)構(gòu)，使其具有狹窄的B-H回路，具有高導(dǎo)磁性和低損耗的特點(diǎn)；同時(shí)非晶合金原子排列的不規(guī)則限制了電子的自由通行導(dǎo)致電阻率比晶體合金高出2-3倍，這樣也有利于減少渦流損耗。以非晶合金為原料制成的變壓器鐵心，其空載損耗與采用硅鋼片的傳統(tǒng)變壓器相比，減少了75%左右，使非晶合金變壓器具有十分顯著地節(jié)能和環(huán)保效果，當(dāng)非晶合金變壓器鐵心用于油浸變壓器時(shí)，可明顯減排多種有害氣體。所以，越來(lái)越多的生產(chǎn)廠(chǎng)商采用非晶合金來(lái)作為變壓器鐵心的原材料。

非晶合金鐵芯配電變壓器的最大優(yōu)點(diǎn)是，空載損耗值特低。最終能否確?？蛰d損耗值，是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中所要考慮的核心問(wèn)題。當(dāng)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布置時(shí)，除要考慮非晶合金鐵芯本身不受外力的作用外，同時(shí)在計(jì)算時(shí)還須精確合理選取非晶合金的特性參數(shù)。除此設(shè)計(jì)思路外，還須遵循以下三點(diǎn)要求:

(1)由于非晶合金材料的飽和磁密較低，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，額定磁通密度不宜選得太高，通常選取1.3~1.35T磁通密度便可獲得較好的空載損耗值。

(2)非晶合金材料的單片厚僅為0.03mm，所以其疊片系數(shù)也只能達(dá)到82%~86%。

(3)為了使用戶(hù)能獲得免維護(hù)或少維護(hù)的好處，現(xiàn)把非晶合金配電變壓器的產(chǎn)品，都設(shè)計(jì)成全密封式結(jié)構(gòu)。

變壓器非晶合金結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

利用導(dǎo)磁性能突出的非晶合金，來(lái)用作制造變壓器的鐵芯材料，最終能獲得很低的損耗值。但它具有許多特性，在設(shè)計(jì)和制造中是必須保證和考慮的。主要體體現(xiàn)以下幾個(gè)方面:

(1)非晶合金片材料的硬度很高，用常規(guī)工具是難以剪切的，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減少剪切量。

(2)非晶合金單片厚度極薄，材料表面也不是很平坦，則鐵芯填充系數(shù)較低。

(3)非晶合金對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常敏感。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須避免采用以鐵芯作為主承重結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

(4)為了獲得優(yōu)良的低損耗特性，非晶合金鐵芯片必須進(jìn)行退火處理。

(5)從電氣性能上。為了減少鐵芯片的剪切量，整臺(tái)產(chǎn)品的鐵芯由四個(gè)單獨(dú)的鐵心框并列組成，并且每相繞組是套在磁路獨(dú)立的兩框上。每個(gè)框內(nèi)的磁通除基波磁通外，還有三次諧波磁通的存在，一個(gè)繞組中的兩個(gè)卷鐵芯框內(nèi)，其三次諧波磁通正好在相位上相反，數(shù)值上相等，因此，每一組繞組內(nèi)的三次諧波磁通向量和為零。如一次側(cè)是D接法，有三次諧波電流的回路，當(dāng)在感應(yīng)出的二次側(cè)電壓波形上，就不會(huì)有三次諧波電壓的分量。

根據(jù)上面分析，三相非晶合金配電變壓器最合理的結(jié)構(gòu)為:鐵芯，由四個(gè)單獨(dú)鐵芯框在同一平面內(nèi)組成三相五柱式，必須經(jīng)退火處理，并帶有交叉鐵軛接縫，截面形狀呈長(zhǎng)方形。繞組，為長(zhǎng)方形截面，可單獨(dú)繞制成型的，雙層或多層矩形層式。油箱，為全密封免維護(hù)的波紋結(jié)構(gòu)。