日本利用非晶金属粉末开发出新型软磁材料

非晶合金材料发展趋势及启示摘要：金属材料的发展与人类文明和进步息息相关。

非晶合金材料是一类原子结构长程无序，具有独特优异性能的新型金属材料。

近年来，非晶合金材料的研发、相关科学问题的研究、在高新技术领域的应用得到快速发展，并对金属材料的设计和研发、结构材料、绿色节能材料、磁性材料、催化材料、信息材料等领域产生深刻的影响。

为此，文章在回顾非晶合金材料研究和研发历史过程的基础上，分析了当前其学科的前沿科学问题、发展方向，以及我国在该领域发展的问题、机遇和挑战，并提出相应的启示和建议，以期为加快新金属材料的发展，特别是在高新技术领域的应用提供管窥之见。

金属材料与人类万年文明发展史息息相关，金属材料的开发和使用，往往成为划分人类不同文明时代的里程碑，如青铜时代、铁器时代、钢铁时代等。

每次金属材料的发展都会极大地推动人类社会文明和生产力的巨大进步。

非晶合金是近几十年来通过现代冶金新技术——快速凝固技术和熵调控理念——抑制合金熔体原子的结晶，保持和调控熔体无序结构特征而得到的一类新型金属材料，也称金属玻璃，或液态金属。

这种材料是通过调制材料结构“序”或“熵”这一全新途径和理念而合成的，兼具玻璃、金属、固体、液体等物质特性的新金属材料；其颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路（图1），突破金属材料原子结构有序的固有概念，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度，改变了古老金属结构材料的面貌。

非晶、高熵等无序合金在基础研究和技术应用中已表现出重要意义和战略价值，在能源、信息、环保节能、航空航天、医疗卫生和国防等高新技术领域发挥着愈加重要作用。

无序合金领域的基础研究将继续推动材料科技革命和对材料行为的更深入理解，并能产生新的材料设备和系统。

图1非晶合金等无序材料探索途径和传统晶态材料探索途径的比较1非晶合金材料的研发态势及进展1.1非晶合金研发态势非晶合金材料的研发出现过4次高峰，已研发出铁、铜、锆和稀土基等近百种非晶合金体系。

非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用张甫飞（宝钢集团特钢技术中心，上海 200940）摘要：介绍了国内外利用快淬技术制备非晶纳米晶合金材料的产业现状以及这一领域材料工艺技术的研究开发动态和非晶纳米晶材料的应用情况。

关键词：非晶纳米晶材料；工艺；性能；产业化；应用Application, Industrialization and Technology of Amorphous & Nanocrystalline AlloyZHANG Fu-feiBaoSteel Special Steel Technical Center, Shanghai 200940, ChinaAbstract: The current industrial situation of amorphous & nanocrystalline alloy made by rapidly quenching technology is introduced, including the recent research, development and application inthis field.Key words: amorphous & nanocrystalline; process; properties; industrialization; application自从1960年Duwez教授等人发明液态金属快淬技术制取Au-Si非晶合金和1966年发明Fe-P-C 非晶软磁合金以来，美国、日本、德国、前苏联和中国等相继开展了非晶合金的研究工作，并在20世纪70~80年代形成非晶合金研究开发的第一次热潮。

由于非晶合金制备工艺简单独特、材料性能优异等显著优点，应用范围不断扩大，四十多年来一直是冶金和材料领域的研究热点之一。

尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基础上发明了纳米晶合金，从而开创了软磁材料的新纪元，大大促进了非晶材料制备设备、工艺技术的发展和材料开发应用，推动了非晶纳米晶产业的发展[1~3, 8]。

非晶/纳米晶软磁材料一．应用领域非晶态软磁合金材料为20世纪70年代问世的一种新型材料，因具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引起了人们的极大重视，被誉为21世纪新型绿色节能材料。

其技术特点为：采用超急冷凝固技术使合金钢液到薄带材料一次成型；采用纳米技术，制成介于巨观和微观之间的纳米态(10-20nm)软磁物质。

非晶、纳米晶合金的优异软磁特性都来自于其特殊的组织结构，非晶合金中没有晶粒和晶界，易于磁化；纳米晶合金的晶粒尺寸小于磁交换作用长度，导致平均磁晶各向异性很小，并且通过调整成分，可以使其磁致伸缩趋近于零。

【表1】列出了非晶/纳米晶近年来，随着信息处理和电力电子技术的快速发展，各种电器设备趋向高频化、小型化、节能化。

在电力领域，非晶、纳米晶合金均得到大量应用。

其中铁基非晶合金的最大应用是配电变压器铁芯。

由于非晶合金的工频铁损仅为硅钢的1/5～1/3，利用非晶合金取代硅钢可使配电变压器的空载损耗降低60﹪～70﹪。

因此，非晶配电变压器作为换代产品有很好的应用前景。

纳米晶合金的最大应用是电力互感器铁芯。

电力互感器是专门测量输变电线路上电流和电能的特种变压器。

近年来高精度等级（如0.2级、0.2S级、0.5S级）的互感器需求量迅速增加。

传统的冷轧硅钢片铁芯往往达不到精度要求，虽然高磁导率玻莫合金可以满足精度要求，但价格高。

而采用纳米晶铁芯不但可以达到精度要求、而且价格低于玻莫合金。

在电力电子领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率，减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。

硅钢高频损耗太大，已不能满足使用要求。

铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条件下仍然存在很多问题，一是饱和磁感低，无法减小变压器的体积；二是居礼温度低，热稳定性差；三是制作大尺寸铁芯成品率低，成本高。

目前采用功率铁氧体的单个变压器的转换功率不超过20kW。

非晶合金软磁性能的研究与应用在现代科技领域中，非晶合金已经被广泛应用。

而在非晶合金的应用领域中，软磁性能是其中一个重要的性能之一。

本文将会介绍非晶合金的软磁性能，研究现状及其应用领域。

一、非晶合金基础非晶合金被称为“形状记忆合金材料”的近亲。

与晶态材料不同的是，非晶合金材料不具备一定的晶体结构，这使得非晶合金材料具备了很多特殊的性质。

非晶合金材料的制备方法可以通过溶液转化，快速淬火，或者高压等方法实现。

这些方法的应用可以让材料的组分达到好的匹配和分散，形成高熵非晶合金。

非晶合金材料的结构在微观层面上特别紧凑，这是由于它的金属原子是非晶化的，从而缺乏晶界，晶粒和其他缺陷，而且还具有相当高的硬度和强度。

二、非晶合金软磁材料的基础知识软磁性能，是指材料在外加磁场作用下，通过发生磁矩的翻转，来吸收和释放能量的能力。

具有良好软磁性能的材料，可以通过减小能量转换效率和能量损失来增加能量存储密度，这是一项关键要求。

常见的软磁材料包括铁，钴，镍以及它们的氧化物、硅钢和钢。

而凭借着其优异的磁学性能，非晶合金材料被广泛应用在现代精密电子制造以及安全能源等领域中。

再往下来，我们可以从以下三个方面了解非晶合金材料的软磁性：1. 非晶合金的软磁性质优势非晶合金材料具有更好的软磁性能支持，这意味着它们能够在较小的外场下发生较大的磁响应。

这一特点使得非晶合金材料在传感器领域中得到了广泛的应用，因为它们可以在小信号到达时做出响应。

2. 非晶合金的化学稳定性使用非晶合金材料可有效提高材料的化学稳定性和抗腐蚀能力及其应用环境的可持续性。

同时使用非晶合金材料可有效提高材料的稳定性，因此这些材料特别适用于在恶劣环境中应用（如油井），其性能自然得到了改善。

3. 非晶磁合金材料的机械性能非晶磁合金材料也具有非常好的机械性能，因为这些材料具有玻璃状结构，所以在碎裂和磨损方面具有更高的强度和韧性，与晶态材料相比，它们稍微逊色。

三、非晶合金软磁性能的研究现状在其研究方向方面，现阶段最大的研究方向之一就是开发更好的、高性能的软磁性不锈钢材料。

磁粉芯是由铁磁性粉末与绝缘介质混合压制而成的一种软磁复合材料。

纳米晶磁粉芯具有高频稳定性好、高频损耗低等优点，但磁导率较低。

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这种软磁复合材料相对于传统软磁材料而言具备诸多优点。

首先，磁粉芯的基本组成单元是粒度非常小的磁性颗粒，这样可以有效地抑制金属颗粒内的涡流。

同时，由于磁性颗粒尺寸较小，基本上不发生趋肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。

其次，绝缘介质对磁性颗粒的包覆，可以有效地增加磁粉芯的电阻，大大提高其频率使用范围。

另外，由于采用模压成型的制备方法，磁粉芯可以制备成各种形状的异型件，更有利于满足产业需要。

由于金属软磁粉末被绝缘材料包围，形成分散气隙，大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频相应特性，特别适用于制作谐振电感、功率因数校正电感、输出滤波电感、滤波器电感等。

目前，人们研究的热点大多集中在单一的粉体上，关于Fe-6.5%Si 磁粉与Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9磁粉进行复合制备复合磁粉芯的报道则较为少见。

根据复合材料的理论，如果选用两种磁性粉体进行复合来制备磁粉芯，可综合两种材料的优点来弥补单一材料的不足，从而提高复合磁粉芯的综合软磁性能。

安徽华晶机械有限公司位于安庆长江大桥经济开发区。

是人民解放军第4812工厂全资子公司。

公司经营以机械制造为主，拥有各类专业生产、检验试验设备94台（套），涉及铸造、橡胶制品、压力容器、制造等多个行业，主要从事非晶软磁设备、空压机及气源设备、橡胶件（含特种橡胶件）、餐余垃圾处理设备、铸件、机械加工等产品的研制、生产、经营和服务。

自成立以来，公司上下高度重视技术创新和产品结构升级工作，建立了以市场为导向，努力满足用户需求的产品研发体系。

公司坚持以跨越发展的思想为指导，秉承敬业、高效、求实、创新的优良传统，继续依托军工技术和“中”牌品质，为广大新老客户提供更优良的产品和服务。

纳米晶金属软磁合金新材料1坡莫合金等已有100多年的发展历史；近二十多年来先后发展起来的非晶态合金和纳米晶合金等新型软磁合金材料，发展为纳米晶态，从而把软磁合金新材料的研发与应用推向了一个新的高潮。

致力于研究同时具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗的软磁材料，谓之“二高一低”的“理想”软磁材料，但、小型、节能方向发展，既对软磁材料提出新的挑战，又给软磁材料提供了一个发展机遇。

正是在这种大背景情况下Fe基纳米晶软磁合金新材料，并命名新合金牌号为Finemet。

结构新颖、不同于晶态和非晶态，而且具有综合的优异软磁特性、即具有较高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等染等特点。

因而可以讲，Finemet合金的出现是软磁材料的一个突破性进展，它解决了人们长期努力研究而未能解决细化到1—20纳米（nm）、而饱和磁致伸缩系数和磁晶各向异性常数又同时趋于零的途径；（2）改变了以往各类软能与成本相矛盾的状况；首次实现了人们长期渴望追求的“二高一低”“理想”软磁材料的愿望。

史，从来没有一种甚至一类软磁材料能全面地或基本上满足软磁材料的全部技术要求。

而纳米晶软磁合金通过不同方求，并具有性能、工艺及成本等全方位的优势，因而它一问世，便获得了迅速发展与应用。

日立金属公司公布Finem 达5000万日元，并计划Finemet材料的年产量达600吨以上，广泛用于电子工业大量需求的磁性元器件。

德国真空熔炼itroperm纳米晶软磁合金牌号，据悉其年产量也在200吨级以上，广泛用作磁芯和磁性元器件。

代研发纳米晶软磁合金以来，发展很快，已在电力工业、电子工业、电力电子技术、计算机、通讯、仪器仪表及国防合金材料的年产量约为300吨；近几年市场需求增长很快，预计目前纳米晶软磁合金材料的年产量可达800吨左右，来，在如此短的时间内获得这样广泛的发展与应用是不多见的。

而纳米晶软磁合金除了具有急冷工艺技术发展的深刻是它具有生命力的标志。

纳米晶金属软磁合金材料作为功能材料，其产量或用量远不能与结构材料相比，但其发挥的产、应用纳米晶金属软磁合金材料，对发展我国高新技术产业、促进和提升传统产业、带动和支持相关产业的发展和纳米晶金属软磁合金新材料2具有优异的软磁特性：克仁等人，在研究降低Fe基非晶态合金磁致伸缩系数以提高其软磁性能时，发现了Finemet这种纳米晶新材料。

铁粉基软磁材料介绍1材料种类海绵铁从1910年开始生产,但直到1946年瑞典赫格纳斯公司才建立起世界第一家铁粉厂,现在铁粉生产已成为一种工业。

60年代建立起雾化制粉工艺,整个铁粉工业年产铁粉逾80万ｔ。

这种材料大部分用于粉末冶金工业,按严格技术要求生产终形制品。

高纯度与高压缩性铁粉的开发,为粉末冶金制品开辟了软磁应用领域。

采用粉末冶金技术,压制铁粉并在高温下烧结,可得到相当于纯铁铸件的软磁部件。

不损害压缩性的合金化方法的开发,提供了大量的合金化材料。

合金添加剂提高电阻率,导致较低的涡流损耗。

合金化材料在高温下烧结也可得到高磁导率。

可是,合金添加剂也降低饱和磁感,而且合金含量在商业使用上还有一个限度。

一般认为,这些材料适合于直流电应用,或很低频率的应用。

减少铁颗粒涡流损耗的另一种方法是在颗粒之间引入绝缘层。

绝缘层可以是有机树脂材料或无机材料,因而这些材料是软磁复合材料。

绝缘层可以有效地降低涡流损耗,但绝缘层的作用像气隙一样,因而也降低了磁导率。

通常用降低绝缘层厚度、压制到高密度和进行热处理消除或减少应力来部分地恢复磁导率。

性能的变化取决于所使用的频率。

因而最近几年迅速发展了一系列材料与工艺。

软磁复合材料的最新开发,旨在生产可在较低频率下使用的部件。

像电机一类通常是在50-60Ｈｚ频率下工作,但微型化趋势可能将频率增加到100Ｈｚ或300Ｈｚ。

将低频应用的烧结软磁材料与50Ｈｚ应用的软磁复合材料对比一下是有趣的。

这种对比是在50Ｈｚ与0 5Ｔ条件下进行的,因为在较高磁感下的涡流损耗比例相当大,对于烧结材料性能的测定是困难的。

高电阻率的烧结材料在50Ｈｚ下的总损耗接近于软磁复合材料的总损耗。

而烧结材料的总损耗中涡流损耗占有很高比例,而软磁复合材料的总损耗几乎全是磁滞损耗。

对比软磁复合材料的直流磁滞曲线与50Ｈｚ时的磁滞曲线,这些曲线实际上是相同的,因而证实总损耗几乎全是磁滞损耗。

一种高电阻率材料(含3%Ｓｉ的烧结铁)在直流和在0 05Ｈｚ、0 5Ｈｚ和50Ｈｚ交流时的磁滞曲线的面积随频率的增加而增加,证实存在着涡流损耗。

非晶软磁材料
非晶软磁材料是一类具有优异磁性能和热稳定性的材料，广泛应用于电力电子、通信、医疗器械等领域。

相比于晶体软磁材料，非晶软磁材料具有更高的饱和磁感应强度和低的磁滞回线，因此在高频应用中具有更好的性能。

本文将对非晶软磁材料的特性、制备方法以及应用进行介绍。

首先，非晶软磁材料具有优异的软磁性能。

其具有高饱和磁感应强度和低的磁
滞回线，能够有效降低磁芯损耗，提高电磁转换效率。

同时，非晶软磁材料还具有良好的热稳定性和化学稳定性，能够在恶劣环境下稳定工作。

其次，非晶软磁材料的制备方法主要包括溅射法、快速凝固法和溶液法等。

其中，溅射法是将金属靶材置于真空室中，通过离子轰击使金属原子蒸发并沉积在基底上，形成非晶薄膜。

快速凝固法是将金属液体迅速冷却至玻璃化温度以下，形成非晶态结构。

溶液法则是将金属盐溶解在溶剂中，通过化学反应得到非晶材料。

最后，非晶软磁材料在电力电子、通信和医疗器械领域有着广泛的应用。

在电
力电子领域，非晶软磁材料被广泛应用于变压器、电感器等元器件中，能够提高能量转换效率，减小体积和重量。

在通信领域，非晶软磁材料被用于制备高频变压器和电感器，能够提高信号传输质量。

在医疗器械领域，非晶软磁材料被用于制备医疗设备中的电感器和传感器，能够提高设备的性能和稳定性。

总之，非晶软磁材料具有优异的磁性能和热稳定性，制备方法多样，应用领域
广泛。

随着科技的不断发展，非晶软磁材料将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的进步做出贡献。