【新一代磁材料】（下）缺點(diǎn)是材料脆弱

Fe高濃度化是以往材料的課題

　　納米結(jié)晶的高導(dǎo)磁率和高飽和磁通密度這一此前一直未能實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)可通過(guò)其成分和構(gòu)造來(lái)說(shuō)明。

　　首先從成分來(lái)看，由于非晶相的磁應(yīng)變?yōu)樨?fù)應(yīng)變，而α-Fe為正應(yīng)變，因此整體看磁應(yīng)變基本為零。從構(gòu)造來(lái)看，1900年前后的研究顯示，越減細(xì)α-Fe的晶粒徑就越會(huì)顯示出軟磁性。具體表現(xiàn)為頑磁力即磁各向異性與粒徑的6次方呈比例下降。這樣，納米材料的磁應(yīng)變及磁各向異性都基本變成了零。

　　不過(guò)，以往的納米結(jié)晶材料也存在缺點(diǎn)。這就是很難通過(guò)Fe的高濃度化來(lái)獲得高飽和磁通密度。

　　以往的納米結(jié)晶一般使用稱為Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1的材料。該材料從非晶態(tài)下進(jìn)行熱處理時(shí)就會(huì)分離出Cu，在固相中形成小的Cu塊。而且，還會(huì)以此為成核點(diǎn)，析出α-Fe，形成α-Fe納米結(jié)晶。

　　該機(jī)理的成立條件是非晶淬火時(shí)的組織必須是非晶單相。由非晶單相形成的Fe的濃度也因合金不同而異，按原子比例大體在80％以下。要想實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)造，必須添加作為遷移金屬的鈮（Nb）及鋯（Zr）等元素。但這樣會(huì)導(dǎo)致磁化明顯降低，使飽和磁通密度降至1.2～1.3T。

　　而按照原子比例加入超過(guò)80％的Fe成分時(shí)，不會(huì)形成單層的非晶，即使實(shí)施液體淬火處理，得到的材料中也會(huì)含有數(shù)十nm到100nm的不均勻的α-Fe晶粒。這樣，即使再如何加熱，得到的也只是更大的α-Fe晶粒。也就是說(shuō)，得到的非晶和納米結(jié)晶都是沒(méi)有用的。

　　因此，日本東北大學(xué)采用了不同的方法。首先在非晶構(gòu)造中形成非常微小的α-Fe晶粒，以此為核通過(guò)450℃左右的熱處理生長(zhǎng)出10nm左右的α-Fe晶粒（圖6）。為了形成這些微小的α-Fe，組合使用了P和Cu。通過(guò)加入P和Cu，可在經(jīng)由液體淬火形成的非晶中形成P和Cu較濃的部分。這樣，F(xiàn)e就會(huì)被擠出，生成α-Fe區(qū)域。只要條件完備，析出的α-Fe會(huì)非常小。

圖6：此次納米結(jié)晶材料使用的方法
制造非晶組織時(shí)，反而是先形成微小的α-Fe結(jié)晶，然后通過(guò)熱處理生長(zhǎng)為10nm左右的結(jié)晶。


缺點(diǎn)是材料脆弱


　　接下來(lái)介紹一下此次開(kāi)發(fā)的材料所具有的特性。此次的納米結(jié)晶材料由Fe85Si2B8P4Cu1及Fe86Si1B8P4Cu1成分構(gòu)成，與成分為Fe78Si9B13的非晶材料和硅鋼相比，各項(xiàng)指標(biāo)都表現(xiàn)出色（表2）。



　　首先是飽和磁通密度。非晶材料在施加800A/m外部磁場(chǎng)時(shí)，只能獲得1.5T左右的磁通密度，而納米結(jié)晶則可獲得1.8～1.9T左右。這一數(shù)值基本與公認(rèn)飽和磁通密度較高的硅鋼相同。

　　導(dǎo)磁率方面，非晶材料為1萬(wàn)左右，而納米結(jié)晶則提高到了2萬(wàn)5000左右。與硅鋼比較的話，高出了一位數(shù)。

　　而且電阻也比硅鋼大。硅鋼為0.5μΩm左右，而納米結(jié)晶材料為0.7μΩm左右。這正處于硅鋼與非晶材料之間。電阻值高說(shuō)明很適合用于馬達(dá)等曝露于高頻磁場(chǎng)中的用途。因?yàn)殡娮柚翟礁?，就越能夠降低由高頻磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流損耗*。

*渦流損耗＝向磁性體實(shí)施高頻磁場(chǎng)時(shí)，由內(nèi)部產(chǎn)生的渦狀電流導(dǎo)致的能量損失。渦狀電流最終會(huì)因?yàn)樽兂蔁岬榷鴵p失掉。

　　居里點(diǎn)（Curie Point）方面，納米結(jié)晶材料高達(dá)720℃左右，與硅鋼相當(dāng)，因此還可在殘酷的環(huán)境下使用。而非晶材料非常低，只有395℃。

　　不過(guò)，納米結(jié)晶材料比硅鋼脆。硅鋼可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫折疊的“緊貼彎曲”，而此次開(kāi)發(fā)的納米結(jié)晶材料無(wú)法做如此大的彎曲。但與原來(lái)的非晶材料（熱處理后）及納米結(jié)晶材料相比并不脆弱。

　　下面來(lái)比較一下結(jié)晶材料與硅鋼的鐵損（表3）。在通過(guò)1.5T/50Hz的磁場(chǎng)時(shí)，實(shí)施了公認(rèn)最高性能的區(qū)域控制的硅鋼要消耗0.61W/kg的能量，而納米結(jié)晶材料只需不到一半的0.25～0.28W/kg。通過(guò)1.7T/50Hz的磁場(chǎng)時(shí)，前者為0.84W/kg，而后者為0.36～0.49W/kg，將損失控制到了一半左右。



為實(shí)現(xiàn)塊狀化做準(zhǔn)備

　　最后介紹一下為今后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化所采取的舉措。首先是成本問(wèn)題，不過(guò)此次的納米結(jié)晶材料極有望以低成本制造。

　　前面介紹的特性是使用高純度的材料測(cè)定的，但實(shí)用化時(shí)需要使用含有雜質(zhì)的低價(jià)工業(yè)材料。不過(guò)，即使使用工業(yè)材料，也能得到性能幾乎不變的產(chǎn)品。原因是雜質(zhì)在熱處理階段幾乎都被排出到非晶中，α-Fe納米結(jié)晶中不含雜質(zhì)。

　　而且材料費(fèi)也較低。由于由Si、B、P、Cu構(gòu)成，不含昂貴的材料及稀有金屬，因此成本估計(jì)與鐵類非晶材料大體相同。

　　另外，制造設(shè)備也只需低價(jià)位的機(jī)器即可。由于液體淬火是在大氣中進(jìn)行，因此不需要真空等設(shè)備。并且，此次材料的熔點(diǎn)為1070℃左右，在鐵基合金中非常低，所以制造設(shè)備無(wú)需特殊的耐熱材料。

　　而作為馬達(dá)及變壓器的芯材使用時(shí)，則需要塊狀材料。但目前還只能制造厚20μm（0.02mm）、寬50mm左右的帶狀材料。在塊狀材料的量產(chǎn)化方面，目前處于與企業(yè)共同研究的階段。

　　以塊狀化為目標(biāo)的研究方向有兩個(gè)。一是進(jìn)一步加厚、加寬帶狀材料的方法。如果制造出厚0.3mm以上、寬100mm左右的帶狀材料，便可利用層疊這些帶狀材料以樹(shù)脂等粘合的加工方法來(lái)獲得較厚的大塊材料。

　　另一個(gè)是制作粉末材料后裝入模具成型的方法。目前已知，使用水霧化法可制造出納米結(jié)晶材料的粉末（圖7）。（特約撰稿人：牧野 彰宏，日本東北大學(xué)金屬材料研究所教授）

圖7：納米結(jié)晶材料的粉末制造工序
水霧法是向水中噴射制成液體的材料，由此獲得淬火粉體的方法。通過(guò)回收粉末后實(shí)施熱處理來(lái)獲得粉體的納米結(jié)晶材料。該方法的有效性已得到確認(rèn)。


作者簡(jiǎn)介：牧野彰宏

工學(xué)博士。1980年在日本東北大學(xué)研究生院畢業(yè)后進(jìn)入阿爾卑斯電氣。在擔(dān)任該公司中央研究所副所長(zhǎng)后，1999年起成為日本秋田縣立大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)部教授。2005年起任日本東北大學(xué)金屬材料研究所金屬玻璃綜合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs納米結(jié)晶磁性合金研發(fā)項(xiàng)目”獲得日本金屬學(xué)會(huì)論文獎(jiǎng)及該技術(shù)開(kāi)發(fā)獎(jiǎng)，并且2000年還因“非平衡相磁性材料及其應(yīng)用項(xiàng)目”獲得日本金屬學(xué)會(huì)本金屬學(xué)會(huì)成就獎(jiǎng)