鐵基非晶合金助推中國電機產業升級

李宗臻 鄭偉 霍亮琴

摘 要：本文對鐵基非晶合金的制備技術及性能特點進行了分析，綜述了國內非晶合金產業及電機產業的特點和發展現狀。提出了鐵基非晶合金在電機定子鐵芯應用所面臨的問題，展望了非晶電機的發展趨勢。鐵基非晶合金在高效電機領域具有廣闊的應用前景，對我國電機產業的升級換代有重要意義。

關鍵詞：非晶合金;非晶電機;軟磁材料

中圖分類號：TM35 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0248-02

1 鐵基非晶合金概述

材料在人類歷史發展過程中起到非常重要作用，能源、信息、材料被認為是21世紀國民經濟的三大支柱，其中，材料是各行各業的基礎，從世界科技發展史看，重大的技術發展往往伴隨著材料的革新;反之，新技術的發展又促進了新材料的研發，可以說沒有先進的材料，也就沒有當今科技的快速發展，因此，材料的研發在科技發展中顯示出不可替代的作用[1-3]。新材料所具備的特殊性能有別于傳統材料，如超高強度、超高硬度、高耐腐蝕性等特殊性能，應對了現今科技發展對材料的高要求。磁性材料是電子工業的重要基礎材料，廣泛應用于計算機、通訊、汽車、電子器件、航空航天等領域，加之音響設備、電視機、電冰箱、空調器等家用電器以及日常生活用品等，在國民經濟中起著十分重要的作用[2，9]。磁性材料按用途可分為軟磁材料、硬磁材料、功能磁性材料（包括磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁光材料、磁性薄膜材料等）。其中，軟磁材料是電力工業和電子工業中廣泛應用的重要材料。在電力工業，從電能產生（發電機）、傳輸（變壓器）到利用（電動機）的過程中，軟磁材料起能量轉換作用。在電子工業，從通訊（濾波器和電感器）、自動控制（繼電器、磁放大器、變換器）、廣播電視和電影（聲音圖像的錄、放、抹磁頭），再到電子計算技術（各種鐵磁性微波器件），軟磁材料起著信息變換、傳遞與存儲等重要作用[2]。近年來，隨著科學技術的迅猛發展，軟磁材料的需求空前廣闊，對軟磁材料的性能也提出了更高的要求，因而開發性能優異的軟磁材料成為現代新型磁性材料研究的熱點[1，2，4-6]。

鐵基非晶合金作為一種新型軟磁功能材料，具有典型的“雙綠色”節能特征。首先，鐵基非晶合金一般采用平面流鑄造法（Planar Flow Casting，簡稱PFC）制備，以每秒一百萬度的冷卻速率從鋼液直接凝固形成厚度為20～30μm的條帶，如圖1所示。與傳統的硅鋼材料的制備過程相比，非晶材料的制造過程省去了澆鑄、軋制、再結晶退火、表面絕緣處理等諸多工序，實現了冶金領域最短的工藝流程，制造過程可以節省約80%的生產能耗。同時，非晶材料具有原子排列長程無序的微觀結構，從而表現出了優異的物理、化學和力學性能。特別是在磁性能方面，非晶材料本身具有低損耗、高磁導率的特征，現已成功應用于非晶配電變壓器，其空載損耗可比傳統硅鋼變壓器降低60～80%。所以，非晶材料的生產制造及應用均具有節能環保特性，廣泛應用于輸配電、電子信息、新能源汽車等領域[2]。

鐵基非晶合金是綜合性能優異的軟磁功能材料之一。隨著頻率升高，硅鋼鐵芯損耗呈級數快速增加，非晶鐵芯節能優勢越來越顯著，如圖2所示。電機定子鐵芯采用鐵基非晶軟磁合金，可以大幅降低電機鐵芯損耗，還因其具有高磁導率的特征，可以降低電機的啟動電流、提高電機的響應速度，降低電機的銅損;而且，非晶材料在電機的工作頻率范圍（50-1000Hz），磁導率隨頻率升高衰減緩慢，使非晶電機在越高頻率綜合性能優勢越顯著[2，7]。

2 鐵基非晶合金產業發展現狀

在國家科技部和北京市科委聯合支持下，安泰科技突破了萬噸級非晶帶材產業化技術，中國已經成為世界上第二家在該領域擁有自己知識產權的國家。隨著國內非晶制造企業產能的逐步釋放，國產非晶帶材的產能和市場占有率迅速攀升，2015年已高達10萬噸，市場占有率已經達到59%;2016年12萬噸，市場占有率超過90%;2017年，日立金屬帶材基本退出中國市場。

電機作為最重要的動力設備，廣泛應用于工業制造、交通運輸、家用電器以及國防軍工等各個領域。我國是電機制造大國，每年消耗無取向硅鋼約1000萬噸，電機產品年銷售收入達到萬億元。隨著《中國制造2025》強國戰略的實施，節能環保、新能源汽車、高端裝備制造業等戰略新興產業的快速發展，對特種高頻電機的功率密度或轉矩密度、能效水平、運行穩定性等關鍵參數均提出了更高的要求，高頻電機市場需求量接近千億元。同時，中國正在成為全球最大電機系統及組件生產基地，市場規模接近萬億元。

3 鐵基非晶合金在電機產業中的應用展望

相對于傳統的硅鋼軟磁材料，非晶軟磁材料應用于高頻電機鐵芯的優勢十分明顯。非晶帶材應用于電機鐵芯，可使電機鐵損降低80-95%，進而大幅度降低電機溫升、提高電機效率。然而，國內現有的牌號為1K101的鐵基非晶合金專門針對配電變壓器應用設計，其非晶形成能力和制帶工藝有限，高厚度會導致帶材出現晶化問題，影響帶材的其它關鍵性能。同時，其飽和磁感應強度為1.56T，比硅鋼材料約低20%，導致非晶電機在較低頻率（400Hz以下）的功率密度低于硅鋼電機，制造成本增加。因此，要實現非晶帶材在高頻電機的產業化應用和大規模推廣，亟待開發新型高飽和磁感應強度、低損耗，同時兼備高厚度、高韌性的高頻電機專用新型非晶帶材及其集成化制備技術[7，8]。

電機是實現《中國制造2025》的重要一環，電機行業耗電量占全社會總耗電量的60%以上，非晶材料可使電機鐵損降低85-95%;高頻下（400Hz以上）非晶電機效率相比硅鋼電機提升2-10%，推廣應用高頻、高效非晶電機意義重大。隨著第三代寬禁帶半導體控制器的發展和非晶鐵芯技術的快速突破，通過發展高頻特種非晶電機集成化技術，有望為我國高頻電機產業帶來一次技術革命，同時提高我國高端高頻電機的綜合性能和國際競爭力。鐵基非晶合金在智能電網、新能源汽車、智能制造、信息技術、航空航天等戰略新興行業均存在巨大應用潛力，如圖3所示。開展非晶節能配電變壓器以及非晶電機產業化應用技術的開發、實現非晶鐵芯、非晶節能配電變壓器和非晶電機的產業化，將全面推動非晶高端節能產品核心技術的自主化和國產化發展，對于推動非晶綠色節能高端產業鏈的建設、推動非晶高端制造業的發展、提升產業核心競爭力和支撐首都經濟的快速發展，必將產生巨大的社會效益[9]。

參考文獻

[1] Ohta M， Yoshizawa Y. Recent progress in high B s Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloys. Journal of Physics D： Applied Physics[J].2011，44：064004.

[2] McHenry ME， Willard MA， Laughlin DE. Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnets. Progress in Materials Science[J].1999，44：291-433.

[3] Grinstaff M， Salamon M， Suslick K. Magnetic properties of amorphous iron. Physical Review B[J].1993，48：269-73.

[4] Herzer G. Modern soft magnets： amorphous and nanocrystalline materials. Acta Materialia[J].2013，61：718-34.

[5] Hasegawa R. Advances in amorphous and nanocrystalline materials. Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J].2012，324：3555-7.

[6] Ohta M， Yoshizawa Y. Recent progress in high Bs Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloys. Journal of Physics D： Applied Physics[J].2011，44：064004.

[7] Gutfleisch O， Willard MA， Brück E， Chen CH， Sankar S， Liu JP. Magnetic materials and devices for the 21st century： stronger， lighter， and more energy efficient. Advanced materials[J].2011，23：821-42.

[8] Fan， T.， Li， Q.， Wen， X. Development of a high power density motor made of amorphous alloy cores. IEEE T. Ind. Electron[J].2014，61，4510-4518.

[9] Kolano， R.; Kolano-Burian， A.; Polak， M.; Szynowski， J. Application of rapidly quenched soft magnetic materials in energy-saving electric equipment. IEEE Trans. Magn[J].2014，50，1-4.