作者:麥格雷博10-28 | 2020
1. 硅鋼
硅鋼是一種合金,在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼,該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為20000 高斯;由于它們具有較好的磁電性能,又易于大批生產(chǎn),價(jià)格便宜,機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn),在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用,如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。
硅鋼是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ,適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯,這類合金韌性好,可以沖片、切割等加工,鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加,一般使用頻率不超過400Hz。
從應(yīng)用角度看,對(duì)硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本。對(duì)小型電機(jī)、電抗器和繼電器,可選純鐵或低硅鋼片;對(duì)于大型電機(jī),可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對(duì)變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時(shí),常用帶材的厚度為0.2~0.35 毫米;在400Hz 下使用時(shí),常選0.1 毫米厚度為宜。厚度越薄,價(jià)格越高。
2. 坡莫合金
坡莫合金常指鐵鎳系合金,鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に嚕梢杂行У乜刂拼判阅?,比如超過十萬的初始磁導(dǎo)率、超過一百萬的最大磁導(dǎo)率、低到千分之二奧斯特的矯頑力、接近1或接近零的矩形系數(shù),具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性,可以加工成1微米的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的坡莫合金有1J50、1J79、1J85 等。
1J50 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些,但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼低2~3 倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器,空載電流小,適合制作100 瓦以下小型較高頻率變壓器。
1J79 具有好的綜合性能,適用于高頻低電壓變壓器,漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。
1J85 的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬以上,適合于作弱信號(hào)的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。
3. 非晶合金(Amorphous alloys)
硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料,原子在三維空間做規(guī)則排列,形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷,對(duì)軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說,原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。
非晶態(tài)金屬與合金是70 年代問世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法,而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù),從鋼液到薄帶成品一次成型,比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序,這種新工藝被人們稱之為對(duì)傳統(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固,合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶,得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無序結(jié)構(gòu),沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在,稱之為非晶合金,被稱為是冶金材料學(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 年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模,并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場(chǎng)。
常用的非晶合金的種類有:鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。
3.1 鐵基非晶合金(Fe-based amorphous alloys)
鐵基非晶合金是由80%Fe 及20%Si,B 類金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(1.54T),鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較,磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點(diǎn),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0.03 毫米左右,廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(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。
3.2 鐵鎳基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy)
鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe 及20%Si,B 類金屬元素所構(gòu)成,它具有中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 〔0.8T〕、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以及高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損??諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化,經(jīng)磁場(chǎng)退火后可得到很好的矩形回線。價(jià)格比1J79 便宜30-50%。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對(duì)應(yīng), 但鐵損和高的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)比晶態(tài)合金優(yōu)越;廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鎳基非晶合金是國內(nèi)開發(fā)最早,也是目前國內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量最大的非晶品種,年產(chǎn)量近200 噸左右。空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鎳基非晶合金(1K503)獲得國家發(fā)明專利和美國專利權(quán)。
3.3 鈷基非晶合金(Co based-amorphous alloy)
鈷基非晶合金是由80%Co 及20%Si,B 類金屬元素所構(gòu)成,在所有的非晶合金中具有最高的導(dǎo)磁率,同時(shí)具有較低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低矯頑力、低損耗、優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性,良好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性,耐沖擊振動(dòng)。一般用在要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等,替代坡莫合金和鐵氧體,但價(jià)格高。
4. 微晶(納米晶)合金(Nanocrystalline alloy)
納米晶特殊的非晶合金,鐵基納米晶合金是由鐵元素為主,加入少量的Nb、Cu、Si、B 元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料,這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為10-20 納米的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上,被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。
納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能: 高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8 萬)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高頻損耗低(P0.5T/20kHz=30 W/kg),電阻率為80 微歐厘米,比坡莫合金(50-60 微歐厘米)高, 經(jīng)縱向或橫向磁場(chǎng)處理,可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。
納米晶是目前市場(chǎng)上綜合性能最好的材料; 適用頻率范圍:50Hz-100kHz,最佳頻率范圍:20kHz-50kHz。 廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護(hù)開關(guān)、共模電感鐵芯。