变压器铁心材料的发展

2.2 冷轧无取向硅钢片

    美国Allegheny Ludlum公司20世纪40年代开始生产冷轧无取向硅钢片。1954年日本开始生产冷轧无取向硅钢片。由于冷轧硅钢片具有损耗低、质量可靠、厚度均匀、表面平整等优点，所以它一出现就得到了广泛的应用，在许多场合取代了热轧硅钢片。

    冷轧无取向硅钢片自诞生之日起，就沿两条技术路线发展：一是沿低价格、低Si含量方向发展，以取代热轧硅钢片；二是沿低损耗、高Si含量方向发展。70年代石油危机后，由于节能电机、高效率发电机的需要，使低损耗冷轧无取向硅钢片得到很大发展。日本1983年开发出当时世界最高水平的H6硅钢片。表2为几个国家冷轧无取向硅钢片的性能。

    20年代初，威廉（Williams）对硅铁中单晶进行了研究，得到了在易磁化轴{100}方向um=1400000，认为在多晶粒板中在{100}轴向也应有极好的性能 。1926年，日本人本多· 茅发现，铁的结晶方向最容易磁化，或者说晶粒立方体棱边方向是最易磁化的方向。1934年，美国人戈斯（N.P.Goss）在试验室里研制成功取向硅钢片，他采用冷轧与高温热处理相结合的方法（表3），使硅钢片中晶粒沿轧制方向有序排列，具有优良的磁性。1935年，戈斯在《Trans Amer. Soc. Metals》上发表文章，介绍研究成果，并申请获得了英国专利（No.442211）。同年，美国Armco公司开始工业化生产冷轧取向硅钢片。40年代，美国Armco公司和Allegheny公司都生产出了高质量的变压器用取向硅钢片。Armco公司的牌号为Tran-cor（西屋公司称为Hipersil）；Allegeny公司的牌号为Silectron（GE公司称为Corosil）。1953年，日本试制成冷轧取向硅钢片。1958年，日本引进Armco公司的专利技术，开始冷轧取向硅钢片的工业化生产，并在此基础上不断改进，使日本冷轧硅钢片的性能达到世界最高水平。图2是Z11取向硅钢片的磁性能与轧制方向的关系。

    单取向硅钢片在与轧制方向垂直方向的导磁性能较低，为克服这一缺点，德国真空熔炼公司在40年代发明了双取向硅钢片。1957年，美国GE公司和西屋公司也几乎同时制成双取向硅钢片，60年代日本川崎和八幡工厂也研制成功双取向硅钢片。它在轧制方向和垂直方向上的磁性能都与单取向硅钢片轧制方向的磁性能相近。这种硅钢片的晶粒呈立方体组织（图3）。单取向和双取向性硅钢片的性能比较见表4。

表4 单取向和双取向硅钢片性能比较

3 铁镍合金（坡莫合金）

    铁镍合金又称坡莫合金（Permalloy）。它是一种在弱磁场具有高磁导率和低矫顽力的低频软磁材料。早期铁镍合金是应电话通信需要而研制的。铁镍合金的含镍量从36%到80%，变化幅度很宽，因此它的磁性和应用领域也不大相同。1917年，纽曼（G.Neumaun）提出含镍量78.5%的铁镍合金的专利（加拿大专利No.180539），1921年，阿诺德（Arnold）和埃尔门（G.W.Elmen）发明含镍量78.5%的铁镍合金。这种铁镍合金的导磁率特别好，比一般硅钢片高10～20倍，但其电阻率较低。纽曼的发明促进铁镍合金在20年代得到了较广泛的工业应用。后来，人们在铁镍合金中加入钼、铬、铜提高磁性能、电阻率和改善热处理性能。加入铜的铁镍合金在英国称为铜坡莫合金（Mumetal）。1934年，纽曼发明钼坡莫合金（Ni72% ，Cu14%， Mo3%），不仅使导磁率大大提高（u₀=60000～90000），而且提高了电阻率，使涡流损耗大大降低。除钼坡莫合金外，30年代还应用了铬坡莫合金，（Ni78.5%， Cr3.8%，其余Fe）。1947年，美国贝尔实验室的布思（Boothy）和博左思（Bozorth）发明超级坡莫合金（Supermalloy），它是一种四元合金（Ni79%，Mo5%，Mn0.5%，其余Fe），其导磁性更好，u0达到100，000，um达到1，000，000。50年代初，阿什穆斯（Assmus）和费弗（Pfeifer）发现Fe-Ni-Mo-Cu四元合金的性能与超级坡莫合金相当，继后，里查德（Richards）和沃克（Walker）又对该四元合金进行了改进，得到一种高性能的Fe-Ni-Mo-Cu四元合金（Ni77%，Mo14%，Cu4%，其余Fe）并取名为“Super-mumetal”，um达到200，000。1956年，霍依（G.H.Howe）发明一种晶粒取向和磁畴取向的铁镍合金（Ni65%，Mo2%，Fe33%），并取名为“Dynamax“，其um最高达到1，780，000。

    铁镍合金具有导磁率很大、矫顽率很低、电阻率不高的特点，加之价格昂贵、工艺性能较差等特点。因此，在电机变压器领域，仅用作小型变压器、控制用微电机、控制用变压器、高灵敏度变压器和高精度变压器等的铁心中。

    50年代末期铁镍合金与纯铁、硅钢片的磁化曲线的比较见图7。50年代末期，铁镍合金的性能见表6。

4 铁铝合金

    本世纪初叶，人们发现在纯铁中加入1%的铝可以提高纯铁的磁性能，但并未在电工领域获得应用。1948年，日本人增本·斋藤着眼于Fe2Al的规则晶粒，进行了含铝16%的铁铝合金的研究，获得成功，他将这种铁铝合金命名为“Alperm”，其u0=3100，u-m-=54700。同年5月，他在《日本金属学会志》上发表了他的研究成果，引起较大反响，并使这种合金在40年代末期后进入工业应用领域。但是，当时这种合金既硬又脆，机械加工性能较差。1954年，美国人纳奇曼（F.Nachman）将含铝16%的铁铝合金经真空冶炼、氢中脱碳、脱氧，经铸-热轧-冷轧，制成了0.1mm厚的薄板，并取名为“Alfenol”，这种铁铝合金的导磁性有所提高，u0=1500～4000，um=15000～70000（以后又提高到115，000～130，000）。

    在铁铝合金中，人们还添加某些其它元素，如Mo、Mn等，以改善其性能。如美国的“Thermanol”合金（Al16%，Mo3%，Fe81%），前苏联的“Ю14Г3”合金（Al14.4%，Mn3.26%，其余Fe）。

    铁铝合金具有较高的导磁率和较高的电阻率，加之价格较铁镍合金便宜，并具有良好的耐热、耐蚀性能，所以在小型变压器、控制变压器、互感器和微特电机中得到了应用。

5 非晶态合金

    非晶态电工钢片是把一些液态合金（如Fe-Si-B合金）以每秒百万度摄氏的冷却速度直接冷却到固态，获得合金中的非晶结构的一种软磁材料，其主要优点是磁感应高、铁耗低（约为取向硅钢片的1/2～1/3）。

    1960年，美国人杜韦兹（P.Duwez）发明快淬金属工艺，制造出非晶合金。1968年，GE公司的留博斯基（Luborsky）发现非晶合金具有损耗很低（10.44/W/kg）的特点。为此，1970年美国联信（Allied）公司开始生产非晶合金带材，从而引发了70年代研究非晶合金的高潮。1979年出现单辊非晶制带法，推动了非晶合金工业化生产。1979年，Allied公司研制出260 5SC非晶态合金（Fe81%,Bl1%,Si3%,C5%）,后又研制出不含C的260 5S2的非晶态合金（Fe78%，Bl3%，Si9%）。80年代，美国、日本、德国相继建成年产万吨级的连续制带设备，苏联、德国、捷克、匈牙利等也建成了非晶合金工业生产装置。中国从1976年开始研究非晶合金，80年代开始生产非晶合金。

    非晶合金钢片已用于冲制变压器铁心、三相电机定子铁心等，其铁心损耗比无取向硅钢片铁心低得多。

6 微晶合金

    微晶合金钢片的饱和磁感应强度和磁导率很高，铁耗非常低，可用于要求较高的电机、电器中。

7 电工钢片绝缘层

    为了增大电机铁心叠片间的绝缘，减小叠片中的涡流损耗，同时改善电工钢片的焊接、冲剪性能，电工钢片表面都要求有一层绝缘层。

    对绝缘层的基本要求是：绝缘电阻高、化学稳定性好、机械强度高、不粘结、耐腐蚀，同时要求绝缘层薄而平整，以提高叠片的叠片系数。

    早期电工钢片是没有绝缘层的，后来随着人们对铁心涡流损耗的认识才开始注意电工钢片绝缘层问题。在电机发展史上，电工钢片绝缘伴随冶金、化工等的发展，也出现了许多变化，其主要绝缘方法有：

    （1）氧化膜绝缘。利用钢片在退火过程中形成的氧化膜作为绝缘。这种方式简单、价廉，但绝缘效果欠佳，早期电机、变压器中应用较多，目前仅用于部分小型电机、变压器中。

    （2）涂水玻璃绝缘。水玻璃绝缘便宜，但工艺性差、绝缘膜湿度大。

    （3）纸绝缘。在整张电工钢片的一面粘一层绝缘纸。这种绝缘出现在19世纪末期，曾在欧洲等地得到广泛应用。

    （4）无机盐涂层。将电工钢片放在铬酸盐或磷酸盐热溶液中，使之在钢片表面产生一层绝缘膜。

    （5）无机漆绝缘。早期曾采用无机漆（如桐油漆）涂电工钢片两面。

    （6）有机漆绝缘。用合成漆、酚醛树脂、合成树脂等在电工钢片两面涂漆，这是应用最广的绝缘方式。

    （7）半有机漆绝缘。用水溶性或水分散系树脂与无机盐配合后得到的半有机漆，涂刷电工钢片表面。

图8为50年代前日本电工钢片绝缘层的层间电阻的比较。

    19世纪后半期，人类对物体的电阻与温度的关系已经有了清楚的认识。温度升高使电阻增大；温度降低会使电阻减小。但是，如温度接近绝对零度（Ok）时会发生什么情况呢？许多科学家为此争执不休，例如英国科学家开尔文（L.Kelvin，1824～1967）认为当温度接近绝对零度时，物体中的电子会“冻结”，物体会变成绝缘体。1908年，荷兰物理学家翁纳斯（H.K.Onnes，1853～1926）在荷兰莱顿大学实现了氢气（He）的液化，得到了4.2K（-269℃）的低温，同时他用液氦测量研究金属电阻下降的现象时，发现金、银、铜等金属的电阻有一个不能再减少的极限值。1911年，他发现水银在4.2K时的电阻会突然消失，后来他又发现铅、锡等金属在其临界温界Tc下也有这种现象，翁纳斯称这种现象为超导电性，具有超导电性的材料称为超导材料或超导体。后来人们陆续发现有28种元素可以在常压下制成超导体，其中Tc最高的是铌（9.15K），Tc最低的是钨（0.01K），还发现有几千种合金和化合物可以是超导体。20世纪20年代后，人们对超导体材料的性能和机理进行了大量的研究工作。1933年，荷兰人迈斯纳（W.Missner，1892～1959）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）发现超导体内磁通为零的所谓“迈斯纳-奥森菲尔德效应”；1954年，美籍德国人马蒂阿斯（B.T.Mathias，1818～1980）提出超导性经验法则，发现数百种超导材料。1957年，巴丁（Bardeen）、库伯（L.N.Cooper，1924～）和施瑞弗（J.R.Schrieffer，1931～）三人提出了一种微观的超导机理-BCS理论，把超导理论研究提到新水平，由此他们三人同获1972年诺贝尔物理奖金。早期超导材料要么临界温度很低，或者临界磁场很小，因而没有太多使用价值，因此从30年代开始就致力于提高超导材料的临界温度，并取得了一定成绩。从40年代到70年代初，超导材料的临界温度大约每10年提高2.5K，其最高临界温度的超导材料是1973年发现的铌三锗（23.2K）,所有超导材料都必须要用昂贵、稀少的液氦冷却，这就极大地限制了超导体的应用和推广。

    1986年4月，一声春雷震响，瑞士科学家贝特诺兹（J.G.Bednorz）和米勒（K.A.Muller）宣布制备出Tc=35K的超导体-La-B-Cu氧化物超导体，从而引发了全球范围内研究高温超导材料的热潮。1987年1月，美国朱经武等人宣布观察到La-Ba-Cu氧化物在52.5K时具有超导电性,并于1987年制备出Tc=90K的氧化物超导体。中国赵忠贤、陈立泉等人1987年2月制备出Tc=78.5K，抗磁转变温度93K的Y-Ba-Cu-0超导体；1987年2月25日，赵忠贤等人向世界公布了这种超导体的组成元素极大地推动了国内外高温超导体的研究工作。其后，法国米切尔（Michel）等人宣布发现Tc=110K的Bi-Sr-Ca-Cu氧化物超导体；1988年，美国盛正直等人发现Tc=125K的Tl-Ba-Ca-Cu氧化物超导体。人们把这些氧化物陶瓷超导体统称为高温超导体。

    高温超导体的发现具有划时代的意义，但在初期，高温超导材料的临界磁场Hc虽然都很高，但临界电流密度Jc却很低，最初Jc只有10²A/cm2左右，与应用相差很远。为此，科学家从多方面进行攻关，80年代末至90年代初，日本、中国等已制备出Jc=（2～9.7）×104A/cm2的高温超导体，高温超导体线材的制备工艺也有所进展。预计在2005年前，室温超导体将问世，高温超导体的Jc将继续稳步提高；高温超导体的可加工性问题将得到解决。那时，高温超导体将大步进入强电领域，必将给整个电工产业，乃至全社会产生巨大的影响。

    超导材料临界温度的提高见图9和表10。