非晶、纳米晶合金发展概况及应用展望

非晶、纳米晶合金发展概况及应用展望

崔兴华

安泰科技股份有限公司，北京 100094

摘要：非晶钛合金具有良好的软磁性和低成本，广泛应用于变压器铁心等磁性器件中。但在一定条件下，它变得稳定结晶，物理性能恶化或优化。只有通过匹配的热处理工艺(非晶法)才能获得良好的非晶纳米晶结构，材料才能具有良好的物理性能。因此，有必要研究合金成分和组织对快速淬火和退火非晶纳米晶软磁材料物理性能的影响，以获得有关合金组织的有用信息。这有助于获得性能更好的非晶纳米晶材料，可以更广泛地应用于工业生产。

关键词：非晶合金；纳米晶合金；发展；应用

引言：早在1960年，就已经有教授发明了快淬工艺，并将其应用到非晶钛合金的生产中。由于非晶钛合金本身结构、材料特殊，因此在实际使用时，可以有效的提升非晶钛合金的质量，提升使用率，满足各领域的使用需求，对其在日后的发展来说也奠定了良好基础。在过去的40年里，国内外相关技术人员对非晶钛合金的研究工作给予了高度重视，不断应用当代先进技术手段进行材料设备创新，致力于研发全新产品，这使各种非晶材料得到了广泛的应用，并扩大了非晶材料的应用前景，特别是以软磁材料为首的非晶钛合金在工业领域的生产中得到了全面应用。在传统工业中，非晶钛合金的出现可以有效的提到了传统的硅钢材料，并在一定程度上降低了工业配电变压器的损耗，提升了设备的使用。到了现代电子工业，科学技术水平不断的提升，全新的非晶钛合金的出现了。其在发展中，融合了各种软磁材料，并根据设备的实际使用需求，进行创新、融合，可以有效的满足不同设备的使用需求，并朝着高效、节能、小型化、微型化方向发展电子产品加快发展。为此，本文简要介绍了该领域的发展过程和应用前景。

1 非晶、纳米晶合金发展概述

非晶软磁合金的发展可分为两个阶段。

1967-1988年: 杜威兹教授在1967年领导了 fe-p-c 非晶软磁合金的发展，并领导了第一次非晶合金的研究和发展。美国 lahedis 公司于1979年开发了非晶合金宽带平带技术，并于1982年建立了一个连续生产非晶带的工厂，生产一系列称为“ largeton”的铁基和碳基产品。这些应用集中在高端音频头，高频电源变压器(包括开关电源) ，扼流圈和磁性，以及其他电子和电源供应。然而，由于专利问题，直到1988年，美国才能在日本开发无定形材料。

1988年至今: 日本金属有限公司1988年。以非晶钛合金为基体制备了纳米晶软磁合金。这种合金的最大优点是，非晶钛合金可以有效控制磁感强度。加之，非晶钛合金本身有着高磁导、低消耗的特点，因此，在实际使用时，可以将其与金刚石非晶合金进行融合，只有这样才能保证非晶钛合金在后期的使用时，可以有效的生产出低成本的铁材料，降低生产成本，提升使用效率。目前，我国铁基纳米晶合金在发展中，主要以软磁材料为主进行创新，其在发展中与非晶合金进行全面融合，这在一定程度上为非晶钛合金提供了全新的发展基于。但是在实际发展中，还要做好金刚石非晶合金、晶体合金与铁律提合金材料的配比控制工作，严格遵守指定标准进行操作，只有这样才能提升非晶钛合金的使用率，满足各领域的使用需求。

1988年，金属纳米晶合金产业化和产品上市。1992年，allied51等引进了纳米晶合金，取代了以金刚石为基础的非晶合金。网络接口器件(尤其是 isdn)在接口转换器和数字滤波器的制造中使用了大量的纳米晶核心。与此同时,Allied51,al在美国也加强了非晶钛合金在电力电子领域的推广和应用，并发布了四个系列的核心产品。特别是金刚石基非晶丝材料的磁阻效应，使得高精度磁传感器的研制成为一个热点。1999年，日本科技厅(japan science and technology agency)委托名古屋大学和爱知钢公司开发用于特定应用的 ml 微型磁传感器和集成电路芯片。目标是在高速公路自动导航和安全监控系统中，使用无定形金属丝 m1传感器。

2 非晶纳米晶软磁材料概况

2.1 非晶合金及形成机理

非晶合金结构的另一个重要特征是处于亚稳态。在一定的温度范围内，温度越高，结构变化越大，从而使晶体结构更加稳定。它受合金成分、原子尺寸、混合物的热量、粘度等多种因素的影响。GFA对于了解金属玻璃合金系统的玻璃形成特性，设计和开发新的金属玻璃合金系统具有重要意义。目前，基于差示扫描量热仪测量的特征温度被广泛采用。

2.2 铁基非晶纳米晶合金晶化过程

非晶钛合金具有良好的软磁性和低成本，广泛应用于变压器铁心等磁性器件中。在非晶基体上形成了纳米晶软磁合金，并对其晶化行为进行了深入研究。图1显示了 α-Fe（Si）Cu Nb Si B 合金的纳米晶化。首先，非晶钛合金在退火过程中容易与铜、铁分离，导致合金的浓度波动和铁的形成。在富铁区域和富铁区域，晶化的 bcc-α-Fe（Si）固-液核较为明显。由于b 在 α-Fe（Si）相中的固溶度很低，当形成 α-Fe（Si）相时，nb 和 b 从纳米晶相释放到非晶相，晶粒呈颗粒状，其中 nb 的原子半径最大，扩散速率较慢，因此 α-Fe（Si）固溶体晶体的生长将逐渐增加。此外，由于富铜区结晶温度高，结晶困难，铁核不生长，非晶相变得稳定。随着晶化过程的进行，硅原子不断从非晶基体迁移到20% 的固溶体中。经过一定时间的晶化行为，形成了“-α-Fe（Si）)相 + cu-rich 团簇 + 非晶态”的两相结构，具有优良的软磁性能。沉淀的 α-Fe（Si）纳米晶分散并分布在剩余的基体中，直径约为10-15nm。其余的相是富含铌、硼以及少量铁和硅的无定形相。研究了 铁硅硼-cu-ni 的非晶晶化动力学，认为在高于玻璃化转变温度的温度下进行非晶晶化必须满足两个条件。通过形成具有很高形核率的纳米晶合金，限制生长速率，加入铜和铌，可以满足这一要求。

图1 示意图

2.3 非晶纳米晶合金力学性能研究概况

2.3.1 快淬铁基非晶纳米晶合金脆性研究进展

非晶钛合金的快速淬火脆性研究还不成熟，导致非晶钛合金快速淬火脆性的因素非常复杂，如合金成分和各种制备工艺参数。

而非晶钛合金本身就有着非常好的软磁性与低成本，在变压器中得到了广泛的应用，因此，有必要对非晶钛合金的淬火脆性进行研究。用超快速冷却速度制备非晶合金薄带，“维持”了液态合金中存在的许多微观缺陷。断裂的本质是原子键的断裂，当应力施加到带材上时，移动原子所需的能量不会破坏键，但是这些微小缺陷的移动会导致应力。因此，淬火后的非晶钛合金具有良好的韧性。非晶合金的脆性与其相对成分的关系更为密切。一般来说，类金属元素会影响带材的韧性。然而，为了获得所需的GFA，过渡金属(铁、钴、镍等)与准金属在合金中的比例在一定程度上受到限制。其他因素影响碳带的韧性。如铁硅硼非晶合金具有良好的韧性，但在相同的制备条件下，添加铜和铌(总含量仅为4at。%) .其原因可能是 cu 降低了 铁硅硼 非晶合金的稳定性，而 铁硅硼非晶合金团簇更有序，自由体积更小。为了提高该合金的韧性，以Finemet合金为基础，用铬和钒代替部分铌，由于磁性能的变化很小，该合金的韧性非常重要。

而非晶钛合金本身就有着非常好的软磁性与低成本，在变压器中得到了广泛的应用，并取得了良好效果，深受各领域喜爱。非晶基体上形成了纳米晶软磁合金，并对其晶化行进行了深入研究。文中还存在着一定的不足，希望我国专业技术人员加强对非晶、纳米晶合金发展概况及应用展望的研究，只有这样才能将其中的价值体现出来。

参考文献

[1]时红昊. 逆变焊机主变压器用非晶纳米晶合金软磁性能的研究[D].钢铁研究总院,2014.

[2]周富伟. FeZrB系铁基非晶纳米晶合金制备及软磁性能研究[D].燕山大学,2016.

[3]李虎. FeSiB（P,C）Cu系高B_s非晶纳米晶软磁合金的制备及性能调控的研究[D].新疆大学,2019.