非晶合金的磁场退火

神舟十号

在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料，一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金，制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。根据带材的宽度可分为窄带非晶带材（100mm 以下），宽带非晶带材（140mm以上）。性能方面具有最高的饱和磁感应强度，高导磁率、低矫顽力、低损耗、低激磁电流和良好的度稳定性和时效稳定性。带材均匀、稳定性高、柔韧性好，不易断，具有较高的填充系数。

       非晶合金材料具有高饱和磁感应强度、矫顽力小、损耗低的优点，运用于电力变压器中，其高效、节能、环保的效果已经被电力行业所认可。但在2009年前，我国整个行业市场上非晶合金变压器用的非晶合金带材，几乎全部是日本的日立金属公司所生产。
       非晶合金铁心的片间结构设计、使用条件设计、质量计算，都跟非晶合金带材的厚度、叠片系数、平整度、硼含量有着密切的关系。铁心的结构设计合理与否，不仅影响到生产制造技术，而且也影响到批量生产的效率、铁心的质量稳定性等问题。因此，合理、优化的结构设计，是开发和推广国产化非晶合金带材铁心的重要前提。  2010年，我国安泰科技公司具有自主知识产权的万吨级非晶合金带材生产线建设投产，成为世界上第2家具有万吨级非晶合金带材生产能力的制造企业，彻底打破了非晶原材料依赖进口的被动局面，加快了我国电力行业低碳经济、绿色经济的发展和建设。           

       此种磁性材料是很特殊的，是变压器铁心的一种材料，大家都知道变压器的铁心目前是以取向硅钢为主，硅钢为晶体材料。非晶合金带材的特点是：带材非常薄，硬度大，机械加工控制难度大，且相关材料特性的离散性大。热处理退火工艺是非晶合金铁心整个制作过程中最关键也是最难控制的工序，涉及的工艺要素也最多，包括退火温度点、升温速度、降温速度、保温时间、气氛保护、直流磁场大小、退火炉的炉况要求等。
(1)热处理退火温度
       日立金属公司非晶合金带材2605SA1的硼元素含量在2．4％以下，铁心最佳的最高常规热处理退火温度控制范围在340～355℃，甚至可以更宽些。国产非晶合金带材1K101-A1的硼含量在2．4％～2．5％，1K101-A2的硼含量在2．5％～2．6％，因此，铁心的热处理退火温度适宜在370～380℃之间。由于非晶合金带材经热处理退火后呈脆性，退火温度越高，材料脆性越强，因此，热处理后的铁心，在搬运、吊装、储存、运输，以及变压器装配过程中容易形成碎片。如碎片控制不合理，这对变压器运行是非常危险的。因此，适宜的铁心退火温度，不仅要保证消除铁心的内在应力，恢复其磁特性，而且要能够尽量降低非晶合金带材的脆性，减少在铁心后续操作中形成碎片的风险。试验表明：国产非晶合金带材铁心最终的退火温度控制在375～380℃为最佳。
(2)保温时间
       铁心到达最佳退火温度后，必要的保温时间，对于调整铁心磁性能，尤其是降低铁心的激磁功率起关键作用。非晶合金铁心的热处理退火温度、退火保温时间和铁心最终性能(单位空载损耗和单位激磁功率水平)是存在关系的，单位空载损耗和单位激磁功率是铁心的2个主要性能指标。单位空载损耗大小，决定着非晶变压器最终的空载损耗是否能符合变压器的空载损耗标准；而单位激磁功率的大小，会影响非晶合金变压器运行时的噪声水平。以目前对非晶合金铁心热处理退火工艺的研究，在整个退火过程中，经过最佳退火温度后，铁心的单位空载损耗随着退火温度的提高和退火时间的延长而增大，但单位激磁功率仍随着退火温度的提高和退火时间的延长而降低。而且，铁心带材的脆性，也是随着退火时间的增加、退火温度的提高而增大。因此，铁心制造者必须根据用户对铁心性能的要求，选择最佳的退火温度和最适宜的保温时间。
(3)气氛保护

       非晶合金带材是铁基的合金材料，铁的成分占了90％以上，因此，铁心在高温热处理退火时很容易受温度和湿度的影响而被氧化。铁心表面被氧化后，除了表面有锈迹，更主要的是表面氧化层会导致铁心的空载损耗明显增大。因此，铁心在整个热处理退火过程中必须采用气氛保护，减少和防止铁心表面被氧化。与日立金属公司的非晶合金带材相比，根据现有的试验数据，国产非晶合金带材被氧化的程度更明显。因此，国产非晶合金带材铁心在热处理时更需加强气氛保护。目前常用的工艺保护气体为氮气或氩气，保护气的纯度可根据当地气候环境、湿度情况等选择。
(4)升温和降温速度

       非晶合金铁心的升温速度和降温速度，对铁心性能也有着重要影响。由于铁心在批量生产时都是多个装载、批次性热处理，所以，合理的升温和降温速度，不仅影响非晶合金铁心的性能结果，而且也影响到生产效率和生产成本。升温速度的快慢，会影响同炉次非晶合金铁心的温度离散性，也会影响到铁心性能的离散性，升温速度越快，离散性越大。对比国产和进口非晶合金带材铁心在升温过程中的情况，进口非晶合金带材铁心在低温段的温度离散性较小，但到达高温区时会增大；而国产非晶合金带材铁心在到达高温区并接近最佳退火温度点时的温度离散性更小，几乎可以控制在3℃之内。因此，在升温阶段，国产非晶合金带材铁心可以直接进行快速升温，而进口非晶合金带材铁心需要采用消除温差的工艺。降温速度的快慢，也直接影响铁心的内在性能。试验证明：降温速度快，对于降低铁心的空载损耗是有益的，但同时会增大铁心的激磁功率。因此，国产非晶合金带材铁心的最佳降温速度，需根据热处理设备的特点、铁心最终所要达到的性能指标来选择，这需要一定的经验数据来支持，对于不同的铁心制造者来说，这不会是唯一的。
(5)直流磁场
     成型后的非晶合金铁心，在退火时需附加直流磁场来改善其磁特性。其原理是：将非晶合金铁心沿带材长度方向放在磁场中，引起非晶合金带材单轴各向异性的磁畴排列，以此获得良好的磁畴取向。场强的大小，是改善非晶合金铁心磁特性的关键。当采用的场强大于非晶合金铁心材料磁性能的最小饱和值时，该磁场不会对铁心最终的磁特性产生有益或有害影响。因此，铁心退火时常用的场强与非晶合金材料磁性能的饱和值保持一致或略大即可。由于成分、电磁特性等不同，国产与进口非晶合金带材铁心退火时的场强有明显差异。试验表明：进口非晶合金带材铁心退火时的场强为800A／m，或磁场电流大小在500～800A，可保证退火时铁心材料饱和；而国产非晶合金带材铁心退火时的场强需2000A／m左右，或磁场电流大小在1400A时可保证退火时铁心材料饱和，才能达到最佳的退火效果。

      非晶、纳米晶合金铁芯的热处理工艺，其特征在于包括如下步骤： 将环形非晶、纳米晶合金铁芯穿套于非导磁导电体上置于加热炉中按现有技术速率进行升温，开始升温至85--95分钟、非晶合金铁芯达到300--400℃、纳米晶合金铁芯达到350-520℃时，以此温度进行第一次10-120分钟的保温，之后再进行第二次30-120分钟升温并达到所需热处理温度：非晶合金铁芯为400-495℃、纳米晶合金铁芯为490-590℃之后，开始用此温度进行第二次20-160分钟时间的保温。在开始保温的同时将上述非导磁导电体两端接入20-180A电流的电源，对穿套于该非导磁导电体上的铁芯施加其方向与用于卷绕铁芯的薄带材长度方向相同的磁场，之后，停止加热并随炉冷却至140-160℃，完成热处理。