非晶納米晶合金材料的工藝技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用

1、非晶納米晶合金材料的工藝技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用非晶納米晶合金材料的工藝技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用張甫飛張甫飛（寶鋼集團特鋼技術(shù)中心，上海（寶鋼集團特鋼技術(shù)中心，上海200940200940）摘要：要：介紹了國內(nèi)外利用快淬技術(shù)制備非晶納米晶合金材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及這一領(lǐng)域材料工藝技術(shù)的研究開發(fā)動態(tài)和非晶納米晶材料的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：非晶納米晶材料；工藝；性能；產(chǎn)業(yè)化；應(yīng)用ApplicationApplicationIndustrializati

2、onIndustrializationTechnologyTechnologyofofAmphousAmphousprocesspropertiesindustrializationapplication自從1960年Duwez教授等人發(fā)明液態(tài)金屬快淬技術(shù)制取AuSi非晶合金和1966年發(fā)明FePC非晶軟磁合金以來，美國、日本、德國、前蘇聯(lián)和中國等相繼開展了非晶合金的研究工作，并在20世紀(jì)70~80年代形成非晶合金研究開發(fā)的第一次熱潮。

3、由于非晶合金制備工藝簡單獨特、材料性能優(yōu)異等顯著優(yōu)點，應(yīng)用范圍不斷擴大，四十多年來一直是冶金和材料領(lǐng)域的研究熱點之一。尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基礎(chǔ)上發(fā)明了納米晶合金，從而開創(chuàng)了軟磁材料的新紀(jì)元，大大促進了非晶材料制備設(shè)備、工藝技術(shù)的發(fā)展和材料開發(fā)應(yīng)用，推動了非晶納米晶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1~38]。目前，利用快淬金屬工藝技術(shù)制備的非晶材料已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，除我們熟悉的磁性材料外，還有非晶釬焊材料、非晶催化

4、材料、磁敏及傳感器材料等；應(yīng)用的材料形態(tài)有帶材、絲材、粉末及薄膜等?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也大大促進了非晶納米晶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅提高了非晶合金制帶設(shè)備和工藝技術(shù)水平，使其生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)更加自動化、現(xiàn)代化，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量，從而滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需要，而且也促進了新技術(shù)新材料研究、開發(fā)、應(yīng)用[1~9]。1國外非晶納米晶產(chǎn)業(yè)概況國外非晶納米晶產(chǎn)業(yè)概況美國曾是世界上最大的非晶材料制造商，Honeywell公司Metgl

5、as業(yè)務(wù)部（前身為AlliedSignal公司），是非晶材料制造技術(shù)的平板流技術(shù)專利所有者，年生產(chǎn)能力3萬噸以上，實際年產(chǎn)1~2萬噸，帶材生產(chǎn)實現(xiàn)自動控制和自動卷取。2003年被日本日立金屬公司收購。Honeywell公司Metglas業(yè)務(wù)部擁要兩個獨資工廠：美國Conway非晶金屬制帶廠和印度Gurgaon電子鐵芯元件廠，兩個合資公司：日本非晶質(zhì)金屬公司（NAMCO）和上海漢威非晶金屬公司（SHZAM）。在美國Conway非晶金屬制帶

6、廠，有年產(chǎn)萬噸級非晶帶材生產(chǎn)線兩條，主要生產(chǎn)Metglas2605SA1，最大帶材寬度為250mm，配有自動在線卷取設(shè)備及年產(chǎn)千噸級和百噸級非晶帶材生產(chǎn)線各一條，主要生產(chǎn)電子材料、釬焊材料和新材料，最大帶材寬度為220mm和100mm，配有自動在線卷取設(shè)備[67]。日本主要有Hitachi（日立金屬公司）和Toshiba（東芝公司）。Hitachi公司是利用快淬技術(shù)在非晶化基礎(chǔ)上制備納米晶軟磁合金材料的發(fā)明者，2003年收購了Honey

7、well公司的非晶金屬部分（Metglas業(yè)務(wù)部），今后將是世界上最大非晶納米晶材料生產(chǎn)供應(yīng)商，法棗單輥制帶法，國外和國內(nèi)的千噸級非晶帶材生產(chǎn)線都是采用此方法制取非晶薄帶的，生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。國內(nèi)還自主開發(fā)了沒有在線卷取設(shè)備的單包、三包法制帶機組，如圖2所示（三包法），該設(shè)備簡單實用，工藝流程短，自動化程度不太高，適合小規(guī)模生產(chǎn)，符合我國國情[12]。非晶絲材的制備方法研究不少，比較實用的是采用內(nèi)圓水紡法原理的噴絲法(50~150

8、m)和玻璃包覆拉絲法。前者適合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，后者適合研究開發(fā)工作。就目前來講，絲材生產(chǎn)應(yīng)用不太廣泛，工藝裝備發(fā)展有限[89]。非晶粉末的制備方法有霧化法、高能球磨法及非晶帶材破碎法等。由于目前設(shè)備工藝條件的限制，使用霧化法要想獲得105℃s的冷卻速度并滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及成本要求，確實非常困難；高能球磨法也同樣面臨工業(yè)生產(chǎn)及成本問題；根據(jù)我們的國情，非晶帶材破碎法適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需要[212~14]。非晶薄膜的制備方法有真空蒸鍍法

9、、濺射法、化學(xué)氣相反應(yīng)沉積法等，由于它們與快淬技術(shù)制備非晶合金的技術(shù)工藝差異很大，其現(xiàn)狀不太清楚[9]。3.23.2性能特點、組織結(jié)構(gòu)及機理性能特點、組織結(jié)構(gòu)及機理通過添加Si、B等元素利用快淬技術(shù)制成Fe基、FeNi基和Co基非晶合金材料，其組織特征是原子排列呈現(xiàn)短程有序（1.50.1nm），長程無序。該類合金具有飽和磁感應(yīng)強度高、磁導(dǎo)率高和高頻損耗低等優(yōu)異軟磁性能。從鐵磁學(xué)的有關(guān)理論知道，各向異性常數(shù)是影響軟磁性能的關(guān)鍵因素。非晶合

10、金中不存在磁晶各向異性；雖存在形狀各向異性，但由于厚度薄（0.02~0.04mm）形狀各向異性常數(shù)很小；沒有晶界和夾雜；應(yīng)力磁致伸縮各向異性通過后退火工藝消除；電阻率高，高頻特性好；感生各向異性存在，有利于通過橫向和縱向磁場處理來充分利用非晶合金性能[12511]。Yoshizawa等人首先發(fā)現(xiàn)，在FeSiB非晶合金的基體中加入少量Cu和M（M=Nb、Mo、W、Ta等），經(jīng)適當(dāng)溫度晶化退火以后，可獲得一種性能優(yōu)異、具有bcc結(jié)構(gòu)的超細晶

11、粒（約10nm）軟磁合金，這就是納米晶軟磁合金。由于納米晶合金的磁性更加優(yōu)異，尤其是它的初始磁導(dǎo)率高和高頻特性好，引起國內(nèi)外學(xué)者的大量研究，研制開發(fā)成各種各樣的磁性器件應(yīng)用于電力、電子技術(shù)領(lǐng)域。納米晶軟磁合金的組織是在非晶組織基礎(chǔ)上部分晶化而成的，其最終組織為bccFe(Si)＋非晶的雙相組織。納米晶軟磁合金材料具有優(yōu)異軟磁性能的機理尚未完全清楚，但諸多學(xué)者研究認為晶粒尺寸細小使局域各向異性變小和磁致伸縮系數(shù)低于鐵基非晶合金是兩個關(guān)鍵因