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非晶微晶合金材料及其在電磁器件中的應用
非晶微晶合金材料及其在電磁器件中的應用
1 引言
隨著電子技術的進步和電子設備的**發展，要求其電源設備及其零部件的設計同時走向高頻率、重量輕、體積小、節能以及高效率。為此，傳統常用的一些磁性材料如硅鋼片、鐵氧體材料等已不能滿足這些性能所需求。于是有一類稱作非晶、微晶材料的磁性材料于20 世紀 80年代被逐步研制出來。以其優良的磁性能、低損耗、高穩定性，尤其是高頻性能，在電子設備領域得到了廣泛應用。從近幾年國內外的磁性材料應用市場情況看，非晶微晶磁性薄膜和磁粉芯正在逐步代替一部分軟磁鐵氧體和頗莫合金磁芯，特別是在高頻電磁器件中。為此，非晶微晶合金材料及其在電磁器件中的應用的研究是十分熱門的課題。在此，從一些研究文獻中擷取一部分精華，供廣大器件設計人員參考探討。
2 非晶微晶合金材料
非晶微晶軟磁合金材料是采用超級急速冷卻凝固的技術（其溫度急冷的速度為 105 °K/S～107 °K／S，即約為每秒鐘冷卻 100 萬℃ 以上），將熔融的液態金屬（鋼水）一次性直接冷卻形成厚度為 0.02～0.04mm的固體薄帶。由于是以超急速的速度冷卻，金屬來不及在冷卻過程中結晶，故合金中沒有晶粒與品格，因此而叫做非晶合金。美國把非晶合金帶料的商品名稱叫做“金屬玻璃”。這種合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性能、高強度、高硬度、耐腐蝕性、耐磨性、良好的韌性、高電阻率等等。如將非晶微晶軟磁合金材料作磁芯制成電感器件，則具有以下性能特點：①有效導磁率高，電感量大、體積小；②矯頑力低，損耗小；③ 線圈匝數可減少，分布電容小，直流電阻小；④高飽和磁感應強度，處理器件噪聲和尖峰效果好；⑤ 飽和磁場強度大，線性范圍大，直流疊加特性好；⑥ 居里溫度點高，溫度穩定性好；⑦頻率特性好。
在加工工藝方面，非晶合金材料是一次噴制成型，與其它薄帶需要多重軋制不同，所以生產工藝過程有效簡化了，降低了生產成本與能耗。但噴制薄帶的工藝難度大大超過了軋制薄帶，噴制的成品率低，總產量難以提高。據報道，2000年，我國的非晶薄帶產量大約為 800 噸。
非晶合金軟磁材料的品種在上世紀 80 年代基本形成。其類型主要有四種：①鐵基非晶合金，主要成份是鐵硅硼，其飽和磁通密度高、工頻和中頻工作時的損耗小，價格便宜。其主要用于工頻與中頻領域電源技術中的電磁器件。②鈷基非晶合金，主要成份為鈷鐵硅硼，其導磁率高、損耗小，價格較高，飽和磁通密度低。主要用于中高頻領域電源技術中的電磁器件。③鐵鎳基非晶合金，主要成份是鐵鎳硅硼。其初始導磁率高，可達105，低頻下使用損耗小。主要用于電源技術中的檢測電磁器件和漏電開關用互感器。鈷基非晶合金有飽和磁通密度低、價格高等缺點。而第 ④類被稱為非晶微晶軟磁合金。1988年，日本開發出了微晶合金，其商品名稱為“Finement”。它是在鐵基非晶合金中加入微量的銅和鈮，再經過適當的熱處理時使其部分晶化，得到晶粒尺寸為微米至納米范圍的“微晶”合金。如果晶粒尺寸范圍在納米級以內，則稱為“納米晶”合金。現在，由于改進了鈷基非晶合金的工藝處理技術，也可以生產鈷基微晶合金了。同時，人們已經掌握了非晶微晶合金材料通過改變熱處理工藝、熱處理方式以及加工技術等來改變、調整其軟磁特性，以使它們可以制成不同性能的電磁器件。
非晶微晶合金材料家族中具有良好應用前景的是鐵基非晶和鐵基微晶合金材料。因為它們的*佳應用頻帶在kHz。由于這個頻段是當今電子技術*常用的，故更推進了這類磁性材料與磁電器件的應用。
常用非晶微晶軟磁合金材料與其它軟磁合金材料性能比較，請見表 1。
從表 1可見，在高頻工作時，非品微晶合金獨具特點（如電阻率大），因而使得在電子信息技術中被廣泛應用于高頻范圍的軟磁鐵氧體材料受到了它的挑戰。但同時，在電力、電子設備中普遍使用的電工鋼、坡莫合金、鐵氧體和非晶微晶合金軟磁材料各自在不同領域發揮著重要作用，也各自有其優缺點。然而，非晶微晶合金由于不存在磁晶界各向異性、晶界即長程有序的原子排列，使其電阻率比一般晶態合金高2 倍，并且可以急冷一次形成 15～30μm 厚度的非晶帶。非晶微晶合金的綜合磁性能優異，其 μi 普遍可達 105以上，Bs≥1.2T，損耗低（P0.2/20k≤3.4w/kg）。如含 0.5％Sn 的 Fe83Si2B15 的非晶合金，Bs 達到1.65T，而其鐵損僅為取向電工鋼板的 1/5，已用于電力變壓器中；加 Cu、Nd 等元素的 Fe-Si-B系鈉米晶軟磁合金，具有更高的 Bs 和μ值，已用于高頻電源變壓器；濺射 Fe-M-B（M=Zr、Ta、Hf）納米晶薄膜，Bs 值達1.5T，已用于高密度磁記錄磁頭。總之，非晶微晶合金可以取代目前市場上所有的軟磁材料，可廣泛應用于大功率開關電源、磁放大器、高頻變壓器、扼流器、精密互感器等等，尤其適合于制作高頻的功率輸出變壓器磁心。與軟磁鐵氧體材料比較，在相同電氣指標下，非晶微晶軟磁材料磁心的體積、功耗都可以減小一半，且溫度特性良好。
3 非晶微晶合金鐵芯的制造
3.1 非晶合金鐵芯的制造
3.1.1 部分晶化法制造無氣隙帶繞非晶合金鐵芯
利用鐵基非晶合金薄帶繞制的無氣隙磁路閉合的鐵芯。利用不同的退火工藝使其部分晶化。可制取磁導率為100～3000、恒導范圍為0～3200A/M、損耗低的無氣隙鐵芯。這種鐵芯能承受一定的直流迭加、要求單匝電感量較大的、20kHz以下的電磁器件。表 2 列出了此類鐵芯的特性。
3.1.2 鈷基非晶合金鐵芯
鈷基非晶合金具有良好的磁場處理效應，可以通過磁場處理獲得較寬的恒導磁范圍。另外，鈷基非晶合金的高頻損耗小，具有優良的導磁率。以鈷基非晶合金制作的鐵芯可用于不同直流迭加的開關電源，濾波電感等。但鈷基非晶合金的價格高，并要進行工藝復雜的橫磁處理，不能大批量地生產，使應用受到限制。表2列出了磁導率為600 的鈷基非晶合金電感鐵芯的部分性能。
3.2 微晶合金帶繞鐵芯制作
3.2.1 治煉微晶合金及制備帶料
將鐵合金按要求比例配置，在真空冶煉爐內冶煉合金材料。采用單輥制帶設備軋制設計要求寬度的 0.025mm厚度的帶料。帶料要求邊緣整齊、表面光亮。
3.2.2 繞制鐵芯和熱處理
將軋制的帶料繞制成要求規格的鐵芯，放于真空爐內按 540℃×0.5hr的工藝規程進行退火。在退火過程中，合金材料形成了δ-Fe(Si) 晶相和剩余非晶組成的金相組織，其δ-Fe(Si) 晶粒的平均直徑為15～20 納米 (nm)，約占 75％；剩余非晶存在于δ-Fe(Si)晶粒的界面上。這種微晶結構的合金具有高磁導率、高頻損耗小等優異性能，適合制作共模電感、尖峰抑制器等。如表 3 所示。
3.2.3 鐵芯浸漆、切口
將繞制完成的鐵芯進行浸漆與切口。
由于帶氣隙的鐵芯在氣隙處的退磁場作用，使其磁化曲線呈線性關系：
μ’ =1/(l/μ+d/l)
式中，μ’為平均磁導率
μ為帶氣隙鐵芯材料的磁導率
d 為氣隙寬度
l 為平均磁路長度
利用這個特性，鐵芯在一定的電流（磁場）范圍內具有恒定的電感值，而且可以改變 d值，得到不同的μ’和恒導磁范圍，擴大其應用范圍。有關特性見表 3。
3.2.4 非晶合金具有磁退火感生向異性。
利用這一特性，將繞制好的鐵芯在 540℃～560℃爐中加上橫向磁場進行退火，獲得具有一定恒磁導范圍的超微晶鐵芯。這類鐵芯的磁路閉合、磁導率高、高頻鐵損小，因而單匝電感量值大，適合于高頻使用。
由表 3可見，無氣隙帶繞微晶鐵芯具有很高的磁導率，也即具有很高的單匝電感量，特別適合用于共模電感，尖峰抑制器等。且具有小型、輕量、低耗效益，如圖l 所示。
帶氣隙的帶繞微晶鐵芯的恒導磁范圍取決于 L、d（L 為鐵芯磁路長度，d 為鐵芯平均直徑），故可以用調節 d 來改變恒導磁范圍。
4 非晶微晶合金軟磁材料的應用
4.1 低頻電源技術領域的應用
鐵基非晶合金的性能特點是損耗小、成本低、飽和磁通密度高，故在低頻領域使用效果良好。這種材料的研究人員，始終把其應用目標重點放在用量巨大的配電變壓器上，包括整流變壓器、濾波電感器、交流穩壓電源中的變壓器和電感器，無論是油浸式的或干式的、大容量的或中小容量的。
由于鐵基非晶合金應用于低頻電源設備中的顯著節能效果和環境保護效益，以及使用范圍廣，所以其產量也是當今所有非晶合金材料中*大的。同時，其品種也較多。
現在于低頻電源系統使用*多的鐵基非晶材料有 150～250μm 厚度的 FeSiB、FeSiBC、FeBc等，它們可以提高鐵芯的填充系數。
1990 年，日本開發出了 FeMB 系非晶合金（M 代表Zr、Hf、Ta 等元素）和 FeZrNbBCu系微晶合金，商品名稱為“NanoPerm”。它們不但工頻損耗低，而且飽和磁通密度、磁致伸縮系數也小，是工頻電源變壓器適用的理想軟磁材料。它們在低頻領域可替代鐵鎳高導磁合金和鈷基非晶合金。
1998 年，美國開發出了 FeCoZrBCu 非晶合金，商品名稱為“Hit Perm”。其飽和磁通密度高達2.0T，可以替代鐵鈷釩等高導磁合金，用于要求體積小的電源變壓器。
表 4 是常用于低頻電源技術領域的非晶微晶合金材料及其性能表。
4.2 中頻高頻電源技術領域中的應用
在中高頻領域使用的非晶微晶合金材料首推鈷基非晶合金 20μm 以下的薄帶，因其高頻損耗低。
滲鉻的鈷基非晶合金材料，可以噴制成 10μm 以下的超薄帶。它們的性能情況是：如 3.8μm 厚度的(CoFeCr)75(SiB)25 非晶合金，其損耗 Pc0.1T/1MHz 為 0.14W/g，Pc0.1T/10MHz 為1.02W/g，μe(1MHz) 為 lxl04。經過橫磁場處理的 6.0μm 厚度的 (CoFeCr)77(SiB)23非晶合金，其損耗 Pc0.1T/1MHz 為 0.098W/g，μe(1MHz)1.4x104。
Finemet 型微晶合金也是中高頻領域使用較多的。為了降低成本，可用一些其他元素代替部分的鈮元素，其代表性材料是 FeNbCuSiB合金。厚度為 18μm 的 FeNbCuSiB 薄帶，其損耗 Pc0.2T/100kHz 為 30W/kg；7.2μm 厚薄帶之損耗Pc0.1T/100kHz 為 0.44W/kg，Pc0.1T/500kHz 為 1.3W/kg。
Nanopem 型非晶微晶合金在中高頻領域也是使用較多的。20μm 厚度的 Fe90Hf7B3 合金，損耗 Pc0.2T/100kHz為 59W/kg。18μm 厚度的 Fe85.6Zr3.3Nb3.3B0.8Cul 合金，損耗 P0.2T/100kHz 為49W/kg。10μm 厚度的 Fe78A14 B12Nb5Cul 合金，損耗 P0.2T/1MHz 為 1.15W/g。
應該指出的是，中高頻領域電源技術應用非晶微晶合金的數量還不大，但要求性能較高，尤其是損耗要小。與性能比較，價格則并不十分突出了。
5 非晶微晶軟磁合金材料及其在電磁器件中的應用實例
5.1 非晶微晶合金材料在高頻開關電源中的應用
非晶微晶軟磁合金材料的薄帶厚度和電阻率決定其*佳應用頻率范圍在 kHz頻帶，這正好與目前的高頻開關電源頻帶相重合，所以高頻開關電源就成了應用非晶微晶軟磁合金材料*活躍的產品。高頻開關電源中使用的磁性器件較多，如圖2所示。目前這些磁性器件均為開關電源的核心元件，如功率變壓器、電流互感器、共模電感、扼流圈、濾波電感、可飽和電感、尖峰信號抑制器、抗噪聲干擾器件等。
我國已開發出多種規格的非晶微晶合金的 O 型、C 型、CD型等等用于開關電源功率變壓器的鐵芯，并廣泛應用到了中頻電源、逆變電源、程控交換機及逆變焊機用的電源變壓器等。這些鐵芯的性能見表5。這些產品的成功推廣應用，有效地提高了非晶微晶合金材料及器件的技術與生產水平。
5.2 非晶微晶合金系列電感材料及器件的開發應用
在現代電子設備設計中，EMC（電磁兼容）與EMI（抗電磁干擾）已越來越引起人們重視，解決這些問題的關鍵元件之一即是電感器件。對：EMI器件中使用的電感器設計，人們在鐵芯材料選用上曾做過很多探討。選用價格低的硅鋼和鐵粉芯，其頻率特性不佳，易發熱影響開關管工作；使用常規高性能鐵氧體材料，其飽和磁感應強度和居里點低，需要增大鐵芯尺寸與加大氣隙；選用坡莫合金鐵芯，成本則較高，而且大電流條件下使用時的性能價格比更差。因這為種電感器的工作頻帶在kHz級，非晶微晶材料正適合用于此頻帶。現在，人們通過改進工藝加工技術、熱處理技術，研制出了有效磁導率μ從幾十到幾萬的系列材料，可以滿足不同的電感器件需要。
5.2.1 共模電感及尖峰抑制器
共模電感及尖鋒抑制器均為小信號工作狀態，要求電感量越大越好。
L=0.4πμeN2Se／100l (μH)
式中，μe 為有效磁導率
N 為線圈匝數(???)
Se 為有效截面積(cm2)
l 為平均磁路長度(cm)
由公式可見，L 正比于 μe，同樣規格的鐵芯，μe 值越高，L就越大。選用超微晶合金軟磁材料作共模電感的鐵芯，可以獲得大大減小鐵芯尺寸的要求，尤其是用于大電流、大功率工作狀態下的磁芯，具有良好的性價比。例如，作為共模電感的鐵芯，如果采用磁導率不到一萬的鐵氧體材料，其尺寸要比采用磁導率為8～10 萬的微晶材料大出 8～10 倍。表 6 為超微晶合金共模電感的磁性能。
尖峰抑制器是開關電源中常用的抗噪聲干擾器件，要求其中的電感器體積小、電感量大，過去一般采用高磁導率的 Co 基非晶合金制作其磁芯。但因Co 的價格高，難達到要求的性價比，之后開始選用 Fe 基超微晶合金，因而降低了成本。
5.2.2 無間隙寬恒導電感材料及器件
鐵基非晶無間隙寬恒導電感材料及器件是鐵基非晶合金材料的新的應用領域。用其制作的電感器件具有高頻損耗低、磁導率高、飽和磁感高、鐵芯尺寸小等特性，見圖3，圖 4，圖 5。
這種材料和器件已廣泛應用于 SMPS、DC／DC、AC／DC、UPS 等，見表 7。
5.2.3  帶氣隙非晶電感材料及器件
用鐵基非晶合金制作的帶氣隙電感器件具有的主要特性是：① 具有高飽和磁感，從而達到小型化目的；②具有良好的高頻特性，鐵芯損耗低發熱小，有較好的直流疊加特性、線性電感范圍大且可以通過氣隙進行調整。
對于大功率大電流高頻電感器件，帶氣隙鐵基非晶電感器件的性能優于鐵氧體磁粉芯。例如，其有效磁導率是鐵氧體鐵芯的幾倍，這就有利于小型化及降低成本，這是其一：**，鐵氧體磁粉芯的飽和磁感、飽和磁場和居里溫度都低，磁芯尺寸要比同規格帶氣隙非晶鐵芯大幾倍。目前，鐵基非晶環形帶氣隙電感鐵芯和矩形鐵芯切成C 型的電感鐵芯已被廣泛使用，特別是在高頻大電流大功率逆變電源、開關電源中已系列化。
5.2.4 鐵基微晶合金磁粉芯及器件
非晶化基礎上獲得的鐵基微晶合金磁粉芯，不僅具有非晶特性，而且綜合性能更優異，容易制粉及開發磁粉芯。用它代替 Fe-Ni 和Fe-Ni-Mo 磁粉芯，拓展了它的應用領域。
鐵基微晶合金磁粉芯具有良好的綜合性能，如軟磁特性、高頻特性、溫度及環境穩定性等，見表 8，圖 6，圖 7。
鐵基微晶合金磁粉芯因其具有良好的電感量和高品質因素 Q值，適用于作高頻大電流大功率條件下的各類開關電源變換器及功率因數校正技術中的扼流圈、濾波電感及貯能電感等。與用 0.1mm厚的硅鋼鐵芯相比，鐵損將從 30W 左右降到 5W 左右，鐵芯重量可降下 15％ 左右。
6 應用舉例
下面介紹兩種使用非晶鐵心的恒壓變壓器性能。
6.1非晶鐵心 400Hz 恒壓變壓器
a. 鐵心規格：80x40x20(mm)
b. 輸出功率：390～415W  
c. 輸出電壓穩定度：在輸入電壓變化為 160V～250V(-27％～+13％) 時，輸出電壓穩定度為-1.6％～+0.7％；測試數據見表 9。
d. 負載穩定性：輸出功率從 1/3～ 滿功率，電壓變化率 <2%
e. 短路特性：輸入電壓 220V，輸出短路，則輸入短路電流 Ik≤5.5A。
g. 溫升：Δt<45℃。
h. 波形系數：利用 LC 波形校正電路，輸出電壓波形校正系數 <10％。
6.2 非晶鐵心 1kHz 恒壓變壓器
a. 鐵心規格：52×25×14  (mm)
b. 輸出功率：160W
c. 輸出電壓穩定度：在輸入電壓變化為 80V～130V 時，輸出電壓變化 <&plusmn;1.5％。測試數據見表10。
d. 負載穩定性：輸出功率從 l/3～滿功率，電壓變化率 <1.5％。
e. 效率：輸入功率 170W，輸出功率 168W，效率η=98.8％。
f. 溫升：Δt≤40℃。
7 小結
非晶微晶合金材料是一種綜合磁性能非常優異的軟磁材料，而且其制備工藝相對簡單，因此己廣泛應用于電子變壓器和電感器。由于用不同的熱處理方式與加工方式可以得到有效磁導率從幾十到幾萬的系列材料及器件，所以這種合金材料可以得到*合理的利用，取得良好的性價比。

來源: 《國際電子變壓器》2008年7月刊　作者： 高適 編譯 姜勁 校