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非晶磁性能检测与标准体系

长沙天恒测控

2016/10/08

私聊

国家标准GB

1. 非晶合金简介
晶体——原子从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。
非晶——金属或合金从熔融状体迅速冷却 (每秒一百万度) ，来不及启动晶体形成的过程，原子排列方式是混乱的，这就是非晶合金，也成为金属玻璃。

l 非晶合金的组成：主要由铁磁元素 (Fe、Ni、Co) 和非金属元素 (Si、B、C) 组合而成。
l 非晶合金的种类：铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金。
l 非晶合金的特点：低矫顽力、高磁导率、低损耗、低饱和磁感、高电阻率。
l 经过适当的退火后，铁基非晶片(带)比取向硅钢片(带)表现出更低的比总损耗。
l 与其他软磁材料相比，非晶合金表现出更好的高频特性。

表1. 常见的非晶合金的性能

种类	J_s/T	Hc(A/m)	μ_m×1000	ρ/μΩcm	λ_s×10^-6	Tc/℃
FeSiBC	1.6	2.2	300	135	30	370
FeSiBCo	1.8	4	400	123	35	415
FeNiMoB	0.9	1.2	800	138	12	350
CoNiFeBSi	0.6	0.3	1000	142	~0	225

表2. 非晶合金与硅钢的比总损耗典型值( 50 Hz )

种类	P_1.3(W/kg)	P_1.5(W/kg)	P_1.7(W/kg)
一般无取向硅钢	——	2.3~13	——
一般取向硅钢	0.6	0.8~1.1	1.2~1.6
高性能硅钢	0.13	0.17	0.21
非晶合金	0.11	0.27	——

表3. 常见软磁材料的比总损耗典型值 ( 1 T )

种类	400 Hz	1 kHz	5 kHz
无取向硅钢,0.1mm	11	33	350
取向硅钢,0.05mm	8	22	200
镍铁导磁合金	3	10	150
非晶合金	1.6	4	23
纳米晶体	0.2	0.9	30

图2. 不同磁性材料磁导率与频率的关系

1.2 非晶合金的应用
由于非晶高磁导率、低损耗、及优异的高频特性，使得非晶合金作为新型的节能材料广泛应用于电力、电机、电子、新能源、汽车等行业。如在电力变压器领域，非晶变压器比传统硅钢变压器空载损耗下降约80%，如下表所示。

容量	SCB H15 非晶	常规变压器	节能比例
200 kVA	200 W	820 W	75.61%
500 kVA	360 W	1500 W	76%
630 kVA	410 W	1680 W	75.60%
1000 kVA	550 W	2480 W	77.82%
1600 kVA	760 W	3420 W	77.78%
2000 kVA	990 W	4150 W	76.14%

2. 磁性能检测的意义
2.1 品质把控
l 国内国际标准均对铁基非晶的分类进行了明确的规定。
l 铁基非晶的牌号与其详细的磁性能挂钩。
l 科技的进步，促使非晶的应用更加广泛，差异化要求更高
l 市场对非晶磁性能的要求越来越具体化。
l 掌握产品详细参数，提高产品一致性和稳定性。
l 对产品进行更好的品质控制、改进生产工艺。
l 更清晰自身产品定位，满足市场差异化需求。

2.2 提示竞争力
l 2014年，国内非晶带材销售量为 6.4 万吨。
l 日本日立金属在国内销售了 4 万吨，占比 60% 以上。
l 我国的非晶纳米晶生产企业虽已达数百家，但大多数是中小规模。
l 具有研发能力、较大生产规模、产品质量稳定可靠的仅有数家。
l 很多厂家只能停留在仿制层面，更有不少作坊式小企业。
l 无论电力还是电子行业，主流企业对非晶纳米晶材料了解都很少。
掌握非晶磁性能检测手段，有助于生产企业：
l 提高质量及研发能力；改善工艺/流程，使生产更加标准化、提高效率。
l 更好地对成本进行控制、提高产品性价比。
l 为下游企业提高仿真、设计所需参数的导入。
l 对大企业来说，提高国内外市场的竞争力、扩大市场份额。
l 对小企业来说，更好地在细分市场抢占先机，提高企业自身生存能力。

2.3 推动行业发展
l 铁基非晶目前主要应用于电力变压器、电子、新能源等诸多行业。
l 2014年我国软磁产量在 60 万吨左右，非晶产量约 9 万吨，占比 15%。
l 电力变压器行业对非晶的要求：进一步提高饱和磁感、增大非晶带材宽度，提高带材的一致性和稳定性，降低成本。
l 由上可见，非晶行业的发展潜力巨大。
掌握非晶磁性能检测手段，有助于生产企业：
l 研发出损耗更低、频带更宽的新型非晶材料，满足非晶传统市场的更高要求。
l 掌握产品的详细数据，为下游企业提高仿真、设计所需参数的导入，使其更广泛地使用非晶替代传统的软磁材料，扩大非晶在软磁中的市场占比。
l 掌握产品的详细数据，更好地引导其他领域的企业创新，开发出非晶的新用途，扩宽非晶的应用范围，增大市场的整体需求。
l 最终推动整个非晶和其他相关行业的发展，并提供企业自身的市场占有率。

3. 国际标准
3.1 IEC标准

标准号	标准名称	修订时间
IEC 60404-6:2003	磁性材料第6部分：在20Hz～200kHz频率范围内用环形试样测量软磁金属材料和粉末冶金材料磁性能的测量方法	2003年 2009年勘误
IEC 60404-8-**	磁性材料-第8-**部分：专用材料的技术条件-以半工艺状态交货的铁基非晶带材	草案
IEC 60404-**	磁性材料第**部分：用单片仪测量铁基非晶带材磁性能的方法	草案

图3. IEC/TC68 2015年9月年会奥地利林茨

3.2 美国标准

类别	标准号	标准名称	修订时间
产品标准	ASTM A901	Standard Specification for Amorphous Magnetic core Alloys, Semi-Processed Types 半工艺型非晶磁芯合金标准规范	2012年
方法标准	ASTM A900/A900M	Standard test Method for Lamination Factor of Amorphous Magnetic strip 非晶软磁合金薄带叠片系数的测量方法	2012年
	ASTM A912/A912M	Standard test Method for AC Magnetic Properties of Amorphous Materials at power Frequencies Using VAW Method with Toroidal Specimens 非晶材料环形样品工频磁性能的测量方法	2011年
	ASTM A932/A932M	Standard test Method for AC Magnetic Properties of Amorphous Materials at power Frequencies Using VAW Method with Sheet Specimens 非晶材料单片样品工频磁性能的测量方法	2012年

3.3 日韩标准

类别	标准号	标准名称	修订时间
基础标准	JIS H7004	非晶质金属术语	1990 年
基础标准	KS D0069	非晶质金属用语	2002 年
方法标准	JIS H7151	非晶金属结晶化温度的测试方法	1991年
	JIS H7152	非晶金属磁性能的单片测试方法	1996年
	JIS H7153	非晶金属磁芯高频损耗的测试方法	1991年
	KS D0068	非晶质金属的结晶化温度测定方法	2002 年
	KS D0070	非晶质金属薄板磁性试验方法	2002 年
	KS D0071	非晶质金属磁芯的高周波磁芯损耗试验方法	2002 年

3.4 欧洲标准

标准号	标准名称	修订时间
AECMA PREN 3919	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B41202 Filler	1998年
AECMA PREN 3921	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B41203 Filler	2001 年
AECMA PREN 3925	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B40001 Filler	2001年
AECMA PREN 3929	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B31001 Filler	1995 年
AECMA PREN 3932	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B13001 Filler	2001年
AECMA PREN 3934	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B21001 Filler	2001年
AECMA PREN 3938	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B46001 Filler	2001年
AECMA PREN 3941	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B41204 Filler	2001年
AECMA PREN 4085	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B40002 Filler	2001年
AECMA PREN 4061	Aerospace Series Amorphous Foil in Filler Metal	1996 年
AECMA PREN 4250	Aerospace Series Nickel Base Alloy Ni-B41001 Filler	2001年

4. 国内标准
4.1 现有标准

国家标准化管理委员会 (SAC)钢标准化技术委员会(TC183)

类别	标准号	标准名称
基础标准	GB/T 15019-2003	快淬金属分类和牌号
产品标准	GB/T 19345-2003	非晶、纳米晶软磁合金带材
方法标准	GB/T 19346-2003	非晶纳米晶软磁合金交流磁性能测试方法

国家标准化管理委员会 (SAC)变压器标准化技术委员会(TC44)

类别	标准号	标准名称
产品标准	GB/T 22072-2008	干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求
	GB/T 25446-2010	油浸式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求
	JB/T 10318-2002	油浸式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求

船舶标准化技术委员会

类别	标准号	标准名称
产品标准	CB/T 4308-2013	船用干式非晶合金铁心变压器

4.2 新修订标准
GB/T 19345.1《非晶纳米晶合金第1部分：铁基非晶软磁合金带材》
GB/T 19345.2《非晶纳米晶合金第1部分：铁基纳米晶软磁合金带材》
l 增加了带材的分类、产品牌号命名规则。
l 修改了带材的磁性能指标。
l 修改了带材的尺寸偏差范围。
l 修改了对取样、试样制备和测量的相关规定。
l 修改了带材韧性的检验方法和要求。
l 增加了带材叠片系数和单片试样交流磁性能的测量方法。
l …

GB/T 19346.1《非晶纳米晶合金第1部分：环形试样交流磁性能测试方法》
l 增加了增加了名词术语，主要为比总损耗、比视在功率的定义。
l 增加了通则一节，用于描述对试样、绕组、测试环境条件的要求修改。
l 测试方法增加了功率表，调整了对仪表的部分技术指标的要求。
l 删除了伏安相量法，增加了伏安法测试磁导率和磁化曲线的描述。
l 详细描述了数字采样法测磁性能的原理，规定了相对幅值磁导率和比总损耗的计算方法。
l 增加了比视在功率的计算方法。
l 增加了对测试再现性和不确定度的要求。
l …
5. 非晶磁性能检测
5.1 方法分类
铁基非晶带材交流磁性能的主要测量方法：单片法、环样法
l 铁基非晶带材具有高磁致伸缩和低的磁各向异性。
l 在铁基非晶带材上易产生应力而使其磁性能恶化。
l 因此，在工频 (50Hz~60Hz) 条件下，采用单片法
l 在高频条件下，采用环样法

	单片法	环样法
测试频率	50 Hz / 60 Hz	50 Hz ~ 200 kHz
执行标准	GB/T 19345.1	GB/T 19346.1
试样要求	长度 280 mm ~ 300 mm 宽度 10 mm ~ 300 mm	环样绕线，外径内径比小于1.25 (推荐内径为 35 mm±2 mm)
测量方法	H线圈法、电流法、单磁轭、双磁轭	伏-安法、功率表法、数字方法

5.2 单片法
5.2.1 试样

l 宽度：10 mm ~ 300 mm ；长度：280 mm ~ 300 mm
l 有效截面积： A = m / ( lm*ρ )
A —试样的横截面积，单位为平方米 (m²)；
m —试样的质量，单位为千克 (kg)；
lm —试样的长度，单位为米 (m)；
ρ —材料的密度，单位为千克每立方米 (kg/m³)）
5.2.2 测试原理（H线圈法）

5.2.3 磁导计

l 对磁轭进行退磁及测试磁轭的损耗时，采用双磁轭
l 测量铁基非晶样品时，采用单磁轭，以避免上磁轭的自重对样品产生应力而使材料的磁性能恶化。
l 线圈包含框架、外部的初级绕组、内部的次级绕组和位于试样下方的 H 线圈。
l H 线圈用于准确测量试样的磁场强度
5.2.4 被测磁性能参量
l 磁极化强度J(t)、磁场强度H(t)
l 比总损耗 Ps——单位质量的均匀磁化材料所吸收的总功率，单位：W/kg
l 比视在功率 Ss——传递给单位质量的均匀磁化材料的总视在功率，单位：VA/kg

测试结果应满足以下不确定度与重复性

测试类型	测试条件	不确定度	重复性
频率 f	45 Hz ~ 65 Hz	0.1%	0.02%
磁场强度峰值 H	f = 50 Hz / 60Hz, H = 80 A/m	0.7%	0.2%
磁极化强度峰值 J	f = 50 Hz / 60Hz, H = 80 A/m	1.3%*	0.3%*
比总损耗 Ps	f = 50 Hz / 60Hz, J =1.0T / 1.3T / 1.4T	3.0%	1.0%
比视在功率 Ss	f = 50 Hz / 60Hz, J = 1.0T / 1.3T/ 1.4T	6.0%	1.0%
*磁极化强度的不确定度和重复性已包含了磁场强度的设定误差

5.2.5 非晶国际比对
l 发起单位：国际电工委员会磁性合金和钢技术委员会 ( IEC/TC68 )
l 测试样品：铁基非晶带材 (2605HB1M) ，由日立金属提供
l 项目阶段：共分为二个阶段实施 ( 2014.4~2015.5； 2015.4~2015.8 )
l 测量参数：1.3 T、1.4 T、1.5 T，50 Hz / 60 Hz 条件下的损耗
80 A/m,50 Hz 条件下的磁感应强度
记录磁滞回线
l 宝钢代表中国参加比对，天恒测控参与相关仪器的研发

比对试验使用的单片非晶测量系统

l 测量结果（红框内为中方实验室）

5.3 环样法
5.3.1 试样

l 试样为由带材卷绕而成的环形。
l 非晶纳米晶带材在卷绕成圆环试样后，带材会受到弯曲应力，而这种应力在退火后只能消除约 90%。
l 试样尺寸过大会使试样过于柔软，难以保持圆形，很容易因外力而变形；而尺寸过小又存在绕线困难。
l 因而必须严格规定试样的尺寸范围。
GB/T 19346.1 （新修订版）对环样尺寸做了规定：
l 推荐的试样内径为 35 mm±2 mm，试样的外径与内径之比应小于 1.25
l 试样在测试前应装入由非铁磁性绝缘材料制成的保护盒中。
l 试样在测试前应进行交流退磁
5.3.2 测试方法
a) 伏-安法

b) 使用功率表

c) 用数字方法测量磁性能

测量以下磁性能参数：
l 相对幅值磁导率 μa
l 比总损耗 Ps
l 比视在功率 Ss
l 绘制磁化曲线
5.3.3 不确定度和重复性
相对幅值磁导率、比总损耗和比视在功率的再现性，用相对标准差来表示

重复性 (相对标准差)	测试频率
重复性 (相对标准差)	50 Hz ~ 20 kHz (含 20 kHz)	20 kHz ~ 200 kHz
相对幅值磁导率	≤ 3%	≤ 5%
比总损耗	≤ 3%	≤ 5%
比视在功率	≤ 3%	≤ 5%

6. 天恒非晶测量体系

6.1 单片法
a) TD8160 单片非晶磁性测量系统

主要应用：
l 测量样品种类：单片非晶、单片纳米晶、单片取向硅钢、单片无取向硅钢、其他薄片 (带)状软磁测量
l 测量磁特性参数：比总损耗 Ps、比视在功率 Ss、磁通密度 B、磁场强度 H、磁极化强度 J、剩磁Br、矫顽力 Hc、幅值磁导率 μa 、绘制磁化曲线、磁滞回线
主要特点：
l 单磁轭、双磁轭、H-Coil 法、M.C 法
l 单片磁导计多种规格可选 (支持定制)
l 支持磁轭退磁、样品退磁

样品规格：
l 宽度W：10 mm ~ 300 mm
l 长度L：280 mm ~ 300 mm
l 厚度H：10 μm ~ 500 μm