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【新一代磁材料】 （上）低铁损、高磁通密度的软磁性材料，可节约相当于7座火力发电站的电力 2011/11/15 00:00 马达及变压器等处理强磁的装置要求采用可通过大磁通密度的材料。而此前的材料存在磁场变化所产生的电损失（铁损）较大的缺点。日本东北大学教授牧野彰宏等开发出的材料具备高饱和磁通密度和低铁损等超出以往常识的特性。如果在日本的所有马达及变压器上均使用这种材料，可节约相当于7座火力发电站的电力。 由日本东北大学开发并于2010年7月发表的“低损失高磁通密度纳米结晶软磁性材料*”，通过调整以往纳米结晶材料的成分，获得了可实现低铁损*和高饱和磁通密度*的特性。通过同时实现低铁损和高饱和磁通密度，有望在大功率设备上发挥出色的节能效果。 *软磁性材料＝顽磁力小，导磁率大的磁性材料。 *铁损＝在磁性材料周围卷绕线圈，并在线圈中流过交流电流，使磁性材料磁化时消耗的电能。 *饱和磁通密度＝材料可通过的极限磁通量。即使以超过这一数值的磁通密度施加磁场，也无法获得饱和磁通密度值以上的磁通量。 该材料按重量比含铁93～94％。在构造上，10nm左右的α铁（α-Fe）粒子周围具有非磁性层（图1）。非磁性层的成分使用硅（Si）、硼（B）、磷（P）、铜（Cu）等普通元素，不含稀有金属，因此受材料价格高涨的影响较小。  图1：实现低铁损和高饱和磁通密度的纳米结晶材料 采用以P及Cu等的合金的非晶包围10nm左右的α-Fe结晶的构造。可从非晶状态下通过热处理器来制造。 虽然目前仅处于能够制造评测材料的状态，但为了开发出在大型马达上也可使用的材料，日本东北大学正在与企业共同推进研究。 打破软磁性材料的常识 铁损低而饱和磁通密度高的材料尽管一直有市场需求，但长期以来未能实现。原因是软磁性材料的开发中铁损与饱和磁通密度是相关的要素（图2）。减小铁损，饱和磁通密度就会下降，而提高饱和磁通密度，铁损又会变大。  图2：软磁性材料的特性 导磁率越高，铁损就越低。不过，越是提高导磁率，饱和磁通密度变会变得越低，因此低铁损与高饱和磁通密度无法同时实现。此次开发的纳米结晶材料打破了这一常识，同时实现了高导磁率和高饱和磁通密度。 比如，在铁损低且导磁率高的软磁性材料中，铁氧化物类的铁氧体、钴（Co）基非晶合金或镍铁合金（Ni-Fe）等广为人知，但与饱和磁通密度极高的纯铁相比，这些材料的饱和磁通密度总的来说都在数分之一左右。而饱和磁通密度高的Fe及硅钢与导磁率高的Co基非晶合金等比较，导磁率要小1位数以上。 此次的纳米结晶材料在拥有与以往高导磁率材料相当的低铁损的同时，还拥有与硅钢相当的高磁通饱和密度，具有颠覆以往常识的性能，具有划时代的意义。 总耗电量的3.4％为铁损 以低铁损实现高磁通密度的此次材料有望在需要强磁场的用途中大展拳脚。其中，尤其有望做出大贡献的是在输电网用大电流变压器及马达上的利用。这是因为，如果能够在电压器及马达上使用此次的纳米结晶材料，便可通过减少铁损，实现节能。 在电压器及马达的线圈内侧设置的芯材要求能够通过1.5T左右的磁通密度。这一用途一般使用硅钢。如果在该硅钢与此次的纳米结晶材料之间比较以50Hz周期通过1.5T磁通密度时的铁损，此次的材料能够实现减少一位数或仅为数分之一的小数值（图3）。 在总用电量中占有比例的变压器及马达的铁损一般占日本国内总耗电量的3.4％，这一数量每年高达335亿kWh之多（图4）。如果能够将变压器及马达中的硅钢全部换成此次的材料，便可在同样的使用条件下，将电力损失量减少72％，降至96亿kWh。其效果相当于7座火力发电站的发电量。今后通过改进优化材料，还有望将铁损进一步减至一半以下，降低为40亿kWh。  图3：铁损少的纳米结晶材料 注意一下1.5T以上部分的话，此次开发的纳米结晶材料即使与铁损少的硅钢相比，铁损只有其一半左右。  图4：铁损造成的电力损失 整个日本每年有335亿kWh的铁损（JFE 21世纪财团调查）。如果此次的纳米结晶材料能够应用于所有马达及变压器，便可节约相当于7座火力发电站的电力。 通过构造改进推进软磁性化 下面来谈一下以往的软磁性材料中为何低铁损（高导磁率）与高饱和磁通密度成为相反的要素，以及东北大学是如何利用新材料来解决这一问题的。 首先，要想实现低铁损或高导磁率，必须使磁各向异性*和磁应变*极小化。而高饱和磁通密度方面，最好在材料中高浓度含有饱和磁通密度大的Fe元素。不过，纯铁本身具有很大的磁各向异性和负的磁应变，因此导磁率较低（表1）。  *磁各向异性＝是指磁化方向不同，磁化强度各异的性质。 *磁应变＝是指使磁性体的磁化强度变化的话，材料的形状等也会变化的现象。 从1900年前后开始研究的初期软磁性材料为了减小Fe的磁各向异性和磁应变，采用的是添加与Fe不同的金属，减弱Fe要素的方法（图5）。不过，添加其他金属原子，减小Fe浓度的话，就会发生电荷迁移，引起比添加金属的比例更大的Fe磁化下降。结果导致原本有2.2T的纯铁的饱和磁通密度受到极大损失。  图5：软磁性材料的进步 初期的软磁性材料通过合金化尝试降低磁各向异性和磁应变。从1970年代起开始使用通过改变原子的排列构造来实现软磁性化的技术。 1970年代非晶*研究兴起。有人曾尝试使原子形成非结晶的非平衡状态，也就是以几何学方式打乱Fe原子的位置，由此来降低Fe的磁各向异性和磁应变。这样一来，尽管仍残留有磁应变，但基本消除了磁各向异性。 *非晶＝是指在原子排列上不像结晶那样有规则性，而是无秩序的材料。 不过，纯铁的非晶化以现有的技术无法实现，要想制造出非晶材料，必须按原子比例添加20％左右的其他金属元素。这最终会导致Fe的高饱和磁通密度减弱。如果做相同减弱的话，与金属相比半金属的电荷迁移更小，不会使Fe的磁化大幅降低。因此选择Si及B等半金属进行混合。 1988年，也在此次的材料中采用的纳米结晶被开发出来。纳米结晶拥有在α-Fe周围包围有非晶的构造。通过使用液体淬火法形成非晶后进行加热的方法来制造。该材料几乎没有磁应变及磁各向异性，实现了高导磁率，而且与原来的结晶材料及非晶材料相比拥有更高的饱和磁通密度。（特约撰稿人：牧野 彰宏，日本东北大学金属材料研究所教授） 作者简介：牧野彰宏 工学博士。1980年在日本东北大学研究生院毕业后进入阿尔卑斯电气。在担任该公司中央研究所副所长后，1999年起成为日本秋田县立大学系统科学技术部教授。2005年起任日本东北大学金属材料研究所金属玻璃综合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs纳米结晶磁性合金研发项目”获得日本金属学会论文奖及该技术开发奖，并且2000年还因“非平衡相磁性材料及其应用项目”获得日本金属学会本金属学会成就奖。 【新一代磁材料】（下）缺点是材料脆弱 Fe高浓度化是以往材料的课题 纳米结晶的高导磁率和高饱和磁通密度这一此前一直未能实现的特点可通过其成分和构造来说明。 首先从成分来看，由于非晶相的磁应变为负应变，而α-Fe为正应变，因此整体看磁应变基本为零。从构造来看，1900年前后的研究显示，越减细α-Fe的晶粒径就越会显示出软磁性。具体表现为顽磁力即磁各向异性与粒径的6次方呈比例下降。这样，纳米材料的磁应变及磁各向异性都基本变成了零。 不过，以往的纳米结晶材料也存在缺点。这就是很难通过Fe的高浓度化来获得高饱和磁通密度。 以往的纳米结晶一般使用称为Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1的材料。该材料从非晶态下进行热处理时就会分离出Cu，在固相中形成小的Cu块。而且，还会以此为成核点，析出α-Fe，形成α-Fe纳米结晶。 该机理的成立条件是非晶淬火时的组织必须是非晶单相。由非晶单相形成的Fe的浓度也因合金不同而异，按原子比例大体在80％以下。要想实现这一构造，必须添加作为迁移金属的铌（Nb）及锆（Zr）等元素。但这样会导致磁化明显降低，使饱和磁通密度降至1.2～1.3T。 而按照原子比例加入超过80％的Fe成分时，不会形成单层的非晶，即使实施液体淬火处理，得到的材料中也会含有数十nm到100nm的不均匀的α-Fe晶粒。这样，即使再如何加热，得到的也只是更大的α-Fe晶粒。也就是说，得到的非晶和纳米结晶都是没有用的。 因此，日本东北大学采用了不同的方法。首先在非晶构造中形成非常微小的α-Fe晶粒，以此为核通过450℃左右的热处理生长出10nm左右的α-Fe晶粒（图6）。为了形成这些微小的α-Fe，组合使用了P和Cu。通过加入P和Cu，可在经由液体淬火形成的非晶中形成P和Cu较浓的部分。这样，Fe就会被挤出，生成α-Fe区域。只要条件完备，析出的α-Fe会非常小。  图6：此次纳米结晶材料使用的方法 制造非晶组织时，反而是先形成微小的α-Fe结晶，然后通过热处理生长为10nm左右的结晶。 缺点是材料脆弱 接下来介绍一下此次开发的材料所具有的特性。此次的纳米结晶材料由Fe85Si2B8P4Cu1及Fe86Si1B8P4Cu1成分构成，与成分为Fe78Si9B13的非晶材料和硅钢相比，各项指标都表现出色（表2）。  首先是饱和磁通密度。非晶材料在施加800A/m外部磁场时，只能获得1.5T左右的磁通密度，而纳米结晶则可获得1.8～1.9T左右。这一数值基本与公认饱和磁通密度较高的硅钢相同。 导磁率方面，非晶材料为1万左右，而纳米结晶则提高到了2万5000左右。与硅钢比较的话，高出了一位数。 而且电阻也比硅钢大。硅钢为0.5μΩm左右，而纳米结晶材料为0.7μΩm左右。这正处于硅钢与非晶材料之间。电阻值高说明很适合用于马达等曝露于高频磁场中的用途。因为电阻值越高，就越能够降低由高频磁场产生的涡流损耗*。 *涡流损耗＝向磁性体实施高频磁场时，由内部产生的涡状电流导致的能量损失。涡状电流最终会因为变成热等而损失掉。 居里点（Curie Point）方面，纳米结晶材料高达720℃左右，与硅钢相当，因此还可在残酷的环境下使用。而非晶材料非常低，只有395℃。 不过，纳米结晶材料比硅钢脆。硅钢可实现无缝折叠的“紧贴弯曲”，而此次开发的纳米结晶材料无法做如此大的弯曲。但与原来的非晶材料（热处理后）及纳米结晶材料相比并不脆弱。 下面来比较一下结晶材料与硅钢的铁损（表3）。在通过1.5T/50Hz的磁场时，实施了公认最高性能的区域控制的硅钢要消耗0.61W/kg的能量，而纳米结晶材料只需不到一半的0.25～0.28W/kg。通过1.7T/50Hz的磁场时，前者为0.84W/kg，而后者为0.36～0.49W/kg，将损失控制到了一半左右。  为实现块状化做准备 最后介绍一下为今后实现实用化所采取的举措。首先是成本问题，不过此次的纳米结晶材料极有望以低成本制造。 前面介绍的特性是使用高纯度的材料测定的，但实用化时需要使用含有杂质的低价工业材料。不过，即使使用工业材料，也能得到性能几乎不变的产品。原因是杂质在热处理阶段几乎都被排出到非晶中，α-Fe纳米结晶中不含杂质。 而且材料费也较低。由于由Si、B、P、Cu构成，不含昂贵的材料及稀有金属，因此成本估计与铁类非晶材料大体相同。 另外，制造设备也只需低价位的机器即可。由于液体淬火是在大气中进行，因此不需要真空等设备。并且，此次材料的熔点为1070℃左右，在铁基合金中非常低，所以制造设备无需特殊的耐热材料。 而作为马达及变压器的芯材使用时，则需要块状材料。但目前还只能制造厚20μm（0.02mm）、宽50mm左右的带状材料。在块状材料的量产化方面，目前处于与企业共同研究的阶段。 以块状化为目标的研究方向有两个。一是进一步加厚、加宽带状材料的方法。如果制造出厚0.3mm以上、宽100mm左右的带状材料，便可利用层叠这些带状材料以树脂等粘合的加工方法来获得较厚的大块材料。 另一个是制作粉末材料后装入模具成型的方法。目前已知，使用水雾化法可制造出纳米结晶材料的粉末（图7）。（特约撰稿人：牧野 彰宏，日本东北大学金属材料研究所教授）  图7：纳米结晶材料的粉末制造工序 水雾法是向水中喷射制成液体的材料，由此获得淬火粉体的方法。通过回收粉末后实施热处理来获得粉体的纳米结晶材料。该方法的有效性已得到确认。 作者简介：牧野彰宏 工学博士。1980年在日本东北大学研究生院毕业后进入阿尔卑斯电气。在担任该公司中央研究所副所长后，1999年起成为日本秋田县立大学系统科学技术部教授。2005年起任日本东北大学金属材料研究所金属玻璃综合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs纳米结晶磁性合金研发项目”获得日本金属学会论文奖及该技术开发奖，并且2000年还因“非平衡相磁性材料及其应用项目”获得日本金属学会本金属学会成就奖。 ■日文原文：低鉄損·高磁束密度の新軟磁性材，火力発電所7基分の省エネも可能 |
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