非晶材料：新型材料的性能与应用前景

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非晶分公司应邀拜访日立金属

非晶材料是一种新型材料，其内部原子是随机堆叠的，不具有类似晶体材料的晶格结构，因此具有与晶体材料不同的性能，如机械强度高、软磁性能优良、耐腐蚀等。铁基非晶带材是较早实现工业化的非晶材料之一，主要应用于配电变压器领域。用该带材制成的非晶配电变压器的损耗仅为硅钢变压器的50%，且制造工艺十分简单，是一种绿色制备、绿色应用的“双绿”软磁材料。 2022年工信部等六部门联合印发《工业能效提升行动计划》，提出到2025年，新建大型、超大型数据中心电能利用效率优于1.3，新增高效节能电机占比达到70%以上，新增高效节能变压器占比达到80%以上。可以预见，非晶带材的使用量将会增加。

目前，日立金属是全球最大的非晶带生产商，2023年1月4日更名为普特里尔，其产品质量和生产技术处于国际领先水平，年产量已达10万吨。国内仅有安泰科技、青岛云路等少数几家企业完全掌握非晶带核心技术，拥有1万吨非晶带产能，可批量生产200mm左右的宽带。非晶带生产工艺虽然简单，但涉及的工艺控制、设备精度等带材制造技术难度较大。为此，本文对日立金属非晶带的发展历史、技术、产品等进行梳理，以期为非晶带生产提供参考。

1. 日立金属概况

日立金属前身为日立金属工业株式会社，成立于1956年4月。1977年，其下属的磁性电子材料研究所开始开发非晶态软磁合金。20世纪80年代初，该公司已能生产宽度为100mm的铁基非晶带材，但并未实现量产。20世纪80年代中后期，美国因非晶带材相关专利问题起诉日立金属后，日立金属在非晶宽带研究中进展缓慢，转而致力于纳米晶的研究，1988年开发出新产品FINEMET纳米晶，并于20世纪90年代初实现量产。在此期间，美国非晶制造商Metglas公司在20世纪80年代末实现了非晶宽带的量产。 Metglas原属于美国联合信号公司，1999年，美国联合信号公司被霍尼韦尔收购，成为霍尼韦尔旗下子公司。由于Metglas的非晶业务只占霍尼韦尔业务的一小部分，霍尼韦尔于2003年将Metglas出售给日立金属。日立金属收购Metglas后，将非晶生产技术移植到日本安来工厂，一期工程于2006年底完工，二期工程于2010年完工，目前年生产规模已达6万吨，加上美国Metglas年生产规模4万吨，日立金属宽带年生产规模已达10万吨。 此外，安来工厂依然拥有年产500吨纳米晶的产能，并于2015年推出商业化的纳米晶宽带产品。2023年1月4日，公司更名为Proterial，巧妙地将“Pro”和“Material”两个单词结合在一起，体现了公司在产品研发方面的努力。

2.生产工艺特点

铁基非晶带材采用平面铸造法生产，即将钢水通过带有缝隙的特制喷嘴浇到高速旋转的铜辊上，冷却后成为固态带材。由于冷却速度极快，固态中仍保留液态组织，故称非晶材料。与传统的取向硅钢炼钢、热轧、冷轧、退火生产工艺相比，非晶带材生产流程大大缩短。但由于受冷却速度限制，带材厚度通常为20~30μm，宽度分为142mm、170mm、213mm三种规格。非晶带材的生产方式按生产组织方式不同可分为单炉间歇式和多炉连续式。 对于单炉间歇式生产法，1981年第4届国际快速淬火金属会议上，日立金属公司报道了该类非晶生产设备，可生产宽度100mm、长度350m的带材，并配有自动卷取设备。该设备包括冶炼系统、压力控制系统、冷却系统和卷取系统，并配有压力检测装置、钢水测温装置、冷却辊测温装置和带材厚度检测仪。该套设备得到的非晶带材在带材长度方向100~300m范围内，厚度可稳定控制在24μm，几乎没有波动。但该装置每炉产量仅为6~10kg，不能大批量生产非晶宽带材。 20世纪80年代末，多炉连续生产法在美国Metglas公司发展成熟。其装置由熔炼系统、中间包系统、冷却辊系统、检测系统和卷取系统组成。主要工艺过程是利用熔炼炉熔化非晶母合金，将熔化的钢水倒入中间包，钢水经冷却辊冷却后成为非晶带材，经厚度检测装置、卷取导向装置后，由卷取机卷成非晶带材卷。其中，可配置多台熔炼炉，将钢水连续注入中间包，保证不间断制带。同时，可配置多台卷取机，实现不间断卷取。这样，多炉连续制带可实现多炉连续铸造和连续卷取，大大提高生产效率和成品率。Metglas随后在设备可靠性和自动化方面作了大量改进。 生产普通磁感非晶产品时，可实现8小时连续生产，成品率达90%以上。

单炉间歇与多炉连续非晶制带工艺的主要区别在于准备时间。如图1（a）所示，单炉间歇生产周期为开机前准备时间、钢水准备时间、制带、卷取时间之和；而图1（b）所示的多炉连续生产周期中，开机前准备时间和钢水在缓冲装置中的停留时间并不限制制带时间。非晶生产过程中，制带与卷取几乎同时进行。单炉间歇生产中开机前准备在每次冶炼后进行，而多炉连续生产中只需在连续浇注前准备一次。 因此，单炉间歇生产条件下，开机前准备和钢水准备时间大于制带和卷取时间，而多炉连续生产条件下，制带时间不取决于开机前准备和钢水准备时间，整个生产周期只取决于制带时间。但为保证连续制带，多炉连续生产对耐火材料的要求更为严格，特别是喷嘴材料和冷却辊。喷嘴材料需经受长期钢水冲刷而不开裂、不变形；冷却辊需能长期抗磨损，并具有优良的冷却能力。总体来说，多炉连续生产对生产设备和工艺稳定性的要求更高。目前，由于多炉连续生产技术难度较高，国内非晶生产普遍采用单炉间歇模式，生产效率和成品率相对较低。

3. 产品技术及开发

3.1 产品高性能

非晶带材的饱和磁通密度一般为1.57T，低于取向硅钢的饱和磁通密度，因此提高磁感应强度一直是非晶领域的研究重点。2006年日立金属推出了2605HB1高磁通密度产品，并不断对其进行改进，2010年又推出了改进后的HB1M产品，饱和磁通密度可达1.63T。表1列出了三种产品的性能对比。需要指出的是，HB1M产品的居里温度比普通产品2605SA1低30℃左右，因此热处理时的退火温度也比普通产品低。 当配电变压器工作磁通密度为1.3T左右时，HB1M铁心的铁损和励磁功率不到取向硅钢铁心性能的一半，可有效降低铁损。因此，日立金属公司生产的高效变压器用高磁感非晶合金2605HB1M荣获日刊工业新闻社颁发的2013年度十大新产品奖。2021年，日立金属公司通过磁畴细化手段，开发出低铁损产品MaDC-ATM。该产品与HB1M产品相比，铁损降低了30%。

高磁感产品的开发主要是提高Fe含量，但Fe含量的提高会降低非晶形成能力（GFA）和热稳定性。对于高磁感非晶合金带材，由于熔体性质的原因，钢水对铜辊表面的磨损会加大，浇铸时间通常缩短到120min左右。可见高磁感非晶合金带材的工艺性比普通磁感产品差。

3.2 低成本制造

非晶材料对冶炼原料的纯度要求比较高，普通钢铁材料无法满足要求，需要高纯度的硅铁、硼铁和纯铁，导致原材料成本比较高。非晶配电变压器的寿命一般为20~30年，美国、日本的部分非晶配电变压器已经到了使用年限，开始报废。日立金属将报废非晶变压器的非晶铁心回收用作非晶冶炼原料，不仅降低了原材料成本，而且实现了产品的循环利用。基本回收流程为：非晶变压器拆解后，取出非晶铁心，经过破碎、磁选、清洗、干燥处理，再作为冶炼原料使用。 日立金属在日本岛根县松江市建立了原料回收工厂，并于2013年4月投入生产，月产量为50吨。

我国自20世纪90年代起就有非晶配电网运行，按此测算，2020年以后非晶配电变压器将全部报废。回收利用废旧非晶变压器铁心作为非晶冶炼原料，是降低非晶原料成本的有效措施。另外，国内也有报道，利用冷轧硅钢废料作为铁基非晶合金的主要原料替代工业纯铁，可大大降低原料成本，保证铁基非晶合金的成分精度，其生产能力可满足1万吨铁基非晶合金的生产需要。国外POSCO报道利用高炉铁制备铁基非晶，大大降低了成本，并已申请专利。

3.3 其他用途的开发

非晶带材的传统应用领域是配电变压器，人们也尝试将其应用到非晶电机等其他领域。将非晶材料应用于电机铁心，可以显著降低电机的铁心损耗。例如，研究表明，非晶电机是目前唯一能够满足FreedomCAR效率和功率密度技术指标的电机解决方案。但非晶材料应用于电机铁心的主要问题是非晶材料硬度大、可加工性差。日立金属公司于2012年开发了11kW非晶电机样机，定子采用非晶叠片铁心，转子采用铁氧体材料。电机效率为93%，达到IE4标准。2014年，日立和日立工业开发出最高效率达96%的非晶电机，达到IE5级。可以预见，一旦非晶材料可加工性取得突破，非晶电机将迅速发展。

近年来，人们对太阳能发电越来越重视，但太阳能发电效率相对较低，改善的关键措施之一就是降低其中所用的电抗器铁损。因此，日立金属开发了叠片式非晶铁心，采用SA1或HB1M产品切割叠片成块，然后浸入树脂中固化成铁心。可生产的铁心最大长度、宽度和高度分别为300mm、100mm和100mm。该材料的高频特性优于6.5%Si取向硅钢材料。另一方面，日立金属不仅生产铁基非晶产品，还利用平面流铸技术生产其他系统产品。 例如根据市场需求，仅用9个月时间就开发出镍基非晶焊接材料，该材料由Ni、Cr、B、P组成，典型厚度38.1μm，最大厚度可达76.2μm，最大宽度可达215.9mm，可用于尾气循环装置、热交换器、金属催化剂基体等的焊接。

3.4 非晶带磁性能测量标准的建立

非晶合金带材的磁测量一般以单片或环形样品的形式进行，国内带材厂家一般采用环形样品法进行磁测量，但环形样品卷绕复杂，易受卷绕应力影响，国外带材厂家多采用单片法进行测量。非晶单片形式虽然具有测量方便的特点，但其主要难点在于非晶带材厚度很薄，比总损耗很低，单片样品检测的技术要求和实施难度很高。日立金属公司提出建立铁基非晶带材磁性能检测方法的国际标准，牵头设计了基于单轭磁场线圈法（H线圈）的非晶单片磁测量框架，并组织了国际循环比对试验，结果表明，采用该方法的损耗测量偏差小于3%。 2018年，经过国际电工委员会（IEC）磁性合金与钢铁技术委员会（TC68）讨论，形成了IEC国际标准，2021年，我国也形成了类似的国家标准。

4。结论

1）日立金属2003年收购美国Metglas公司后，不断消化、移植其技术，已成为全球最大的非晶带材生产商，产品质量和工艺水平处于国际领先水平。

2）在生产技术方面，日立金属采用多炉连续生产方式，可实现8小时连续生产，成品率达90%以上，年产能达10万吨。在产品类型方面，日立金属通过多年的研发攻克了高磁感非晶制造瓶颈，成功开发出高磁感产品HB1M和MaDC-ATM低铁损产品，可有效降低铁损。

3）在制造成本方面，日立金属通过回收废旧非晶变压器铁心作为非晶带材的原材料，可以降低原材料成本，并可回收利用产品。

4）日立金属还在积极拓展非晶材料在其他领域的应用，制定非晶带材的磁测量标准，如非晶电机、太阳能发电用非晶电抗器铁心，开发符合市场的镍基非晶焊接材料等。

该文章摘自《电工钢》2023年第5卷第4期。