寧波材料所在高飽和磁感應(yīng)強度納米晶合金研究取得進展
開發(fā)兼具高飽和磁感應(yīng)強度（Bs）、高磁導率、低損耗、低矯頑力（Hc），低磁致伸縮系數(shù)（λs）的軟磁材料始終是材料工作者追求的目標，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)向節(jié)能、高效和小型化方向發(fā)展具有重要意義。不含有大原子半徑元素，且高Fe含量的FeSiB(P,C)Cu系合金是目前性能最好的納米晶軟磁合金體系。該系列合金秉承了非晶合金的鑄帶一次成型，流程短、耗能少等生產(chǎn)工藝優(yōu)點，且其工作點磁感應(yīng)強度可達1.7T，接近硅鋼，明顯優(yōu)于現(xiàn)有節(jié)能變壓器使用的Fe基非晶合金（1.35-1.4 T）；其λs低（<5 ppm），克服了非晶軟磁合金λs過高（典型成分Fe78Si9B13的λs =27 ppm）帶來的噪音問題。另外，納米晶合金的磁導率，矯頑力(Hc)，磁性能頻率特性和損耗等也優(yōu)于Fe基非晶軟磁合金，明顯優(yōu)于硅鋼。由于不含有貴金屬元素，該系列合金還具有原材料成本低的優(yōu)勢。諸多的優(yōu)異性能使FeSiB(P,C)Cu系納米晶軟磁合金成為工作點磁感應(yīng)強度要求高的變壓器、電抗器和電機等器件上應(yīng)用的理想材料，是軟磁材料需求量最大的能源傳輸和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域發(fā)展迫切需求的關(guān)鍵材料。
然而FeSiBCu(P,C) 納米晶合金的磁性能受帶材中的晶核密度和熱處理過程中的升溫速度的影響極大，納米晶合金的晶粒尺寸和密度依賴于高密度晶核同步長大的相互競爭作用。當前該系列合金的應(yīng)用還面臨兩個重要障礙，即制帶工藝和設(shè)備要求高，淬態(tài)帶材中的初晶相不均勻分布，且尺寸不易控制，無法滿足寬帶生產(chǎn)要求；熱處理條件苛刻，對熱處理升溫速度要求高，熱處理工藝窗口小。日立金屬的FeSiBCu系和日本東北大學的FeSiBPCu系合金的最佳磁性能都是通過快速升溫短時間熱處理工藝獲得的，這顯然不符合大尺寸磁芯的熱處理要求。改善FeSiBCu(P,C) 納米晶合金的工藝性，研究相關(guān)控制方法是當前的研究熱點和難點。
中國科學院磁性材料與器件重點實驗室軟磁課題組針對這些問題開展了系統(tǒng)的研究，通過探討快速凝固制帶過程中初晶相的形成機理和影響因素，以及控制初晶相的密度、分布和尺寸不均勻性的理論依據(jù)和方法，分析熱處理過程中晶粒的競爭機制和元素對晶化行為的影響，開發(fā)了優(yōu)化FeSiBCu(P,C) 納米晶合金系列合金磁性能和工藝性的方法。通過適量添加的過渡金屬元素能有效地提高合金的非晶形成能力，抑制合金體系淬態(tài)結(jié)構(gòu)中初晶相析出，提高合金的熱穩(wěn)定性以及α-Fe形核和長大激活能，從而有效地抑制初晶相α-Fe晶粒過分長大，改善了合金的軟磁性能的熱處理工藝性。研究發(fā)現(xiàn)過渡金屬元素對性能的影響順序為：Ta=Nb>Mo=W>V>Cr。Nb和Ta微合金化的合金用常規(guī)熱處理即可獲得優(yōu)異的磁性能，且熱處理工藝窗口可擴大到100℃寬，時間窗口增加到90min。本研究對于推進高飽和磁感應(yīng)強度納米晶合金的產(chǎn)業(yè)化進程具有重要的意義。相關(guān)的結(jié)果已申請國家發(fā)明專利CN201410415305.9，并在Science of Advanced Materials (accepted)和Journal of Alloys and Compounds(2015, 622, p1000-1004)上發(fā)表，還有多篇文章正在整理和投稿中。
不同過渡金屬微合金化后納米晶合金磁性能隨熱處理時間的變化
微合金化前后納米晶合金的TEM
（磁性材料事業(yè)部 王安定）