第二章 金属磁性材料培训资料

《第二章 金属磁性材料培训资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章 金属磁性材料培训资料（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 金属磁性材料,主要介绍金属、合金及金属间化合物磁性材料的结构和磁性能。,金属磁性材料的发展是从由简到繁，性能不断提高，功能逐步完善的过程。最早应用的金属软磁磁性材料是纯铁，金属永磁磁性材料是碳钢，时间约是 1880年。由于材料性能上存在明显缺点，如纯铁的磁性质对杂质很敏感，碳钢的磁能积太低，通过不断尝试逐步发展出合金磁性材料，材料的构成与结构不断复杂化，材料的软磁与永磁性能也不断提高，形成了全面的金属磁性材料系列。,常见铁磁金属的结构与磁性 具有磁性的单质元素主要有铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni) ，而且常见的磁性材料绝大部分是以它们为主要组成部分的合金或化合物。因此了解铁(Fe)、

2、钴(Co)、镍(Ni) 的结构与性质对后面的讨论会有所帮助，在此首先介绍铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni) 的结构与它们磁性质。,Ni: 常压下，在熔点以上温度范围内，均是面心立结构（fcc），为铁磁性的-Ni，居里点为358易磁化方向为难磁化方向为,Co： 温度450 ，为简单六方结构，铁磁性的- Co相。 居里点为1117，易磁化方向为，难磁化方向为和1010 温度450 至熔点 为面心立方 Co相。,Fe、Co、Ni的磁性都来自于它们的3d电子间的交换相互作用而形成的铁磁性，由于金属中相邻原子间距较小，电子云重叠比较明显，因此电子间的交换相互作用比较强，居里温度相对较高。它们每个原子具有

3、的磁矩分别为2.2B、0.6B和1.7B。 另外，过渡金属中很多原子具有磁矩，但单质材料中一般是具有反铁磁性的，如Mn、Cr等。,金属软磁材料 一、性能的基本要求 贮能高：高的饱和磁感应强度。 灵敏度高：初始磁导率、最大磁导率、脉冲磁导率大。 效率高：Hc低，电阻率高，损耗小。 回线矩形比高 稳定性好：磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高。,影响磁导率的因素 机理：根据技术磁化的分析，影响材料磁 导率的主要过程是可逆磁畴转动和可逆畴 壁位移。 动力：饱和磁化强度，材料的饱和磁化强度越大，可逆磁畴转动和可逆畴壁位移更容易发生。 阻力：内应力、掺杂、空泡、晶界。可逆磁畴转动和可逆畴壁位移要受到上述材料

4、中缺陷的阻碍。,提高磁导率的措施 1、提高饱和磁化强度Ms 2、有效方法，使K10，s0 3、高温退火 4、真空热处理 5、氢气热处理 6、使材料杂质相对集中 7、真空熔炼、精炼 8、进行织构化,常见金属软磁材料 工业纯铁 铁硅合金 铁镍合金 铁铝合金 铝硅铁合金 非晶及纳米晶软磁合金 磁介质,工业纯铁 纯度在 99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。 室温性能：Bs=2.15(T)，居里温度 770 ，最大磁导率m=20000，=0.110-6(.m)。 工业纯铁的碳含量低，矫顽力低，磁导率高，导热性和加工性好，有一定的耐腐蚀性和价格便宜。电阻率低，不能在交流磁场中应用。在直流磁场中

5、，作为恒定磁场中的磁导体，如作磁极和磁屏蔽。,1、电解铁 含有0.050.02%C、 Mn 0.01%、 P0.005%、S0.004%、Al0.01%、Cu0.015%。 电磁性能：i=500、m=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.610-8 .m 2、阿姆柯铁 含C 0.025%、 Mn 0.035%、 P0.015%、S0.05%、Cu0.08%。 磁性能：i=20005000、m=600015000、 Hc=0.5 1.5(79.6A/m) 3、羰基铁 由Fe（Co）5分解而成，纯度高。 磁性能：i=20003000、m=2000021500、Br

6、=0.5 1.0T、Hc=0.0879.6A/m、 =9.610-8 .m 由此可见，微量杂质对纯铁的磁性影响明显。,铁硅合金 铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动机、发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要的铁芯材料，在国民经济中占有重要的地位。 19001930年，炼钢和热轧加工技术 193460年 晶粒取向、热处理、玻璃涂层 1983至今 辐射,3.2%Si-Fe合金来说，当温度从室温上升到熔点的过程中，不会发生任何结构转变，并始终保持单一的体心立方结构，这对在较高温度下进行再结晶退火十分有利，同时，当温度从高温缓慢冷却到室温时，纯铁存在相变的干扰，而铁硅不存在这样的问题，

7、因此这种合金很容易制成单晶。 铁硅合金的结构对含 C 量十分敏感，对铁硅合金，应使含C下降到0.01%以下。,再结晶：当加热温度较高时，变形金属的显微组织发生显著的变化，破碎的、被拉长的晶粒全部转变成均匀而细小的等轴晶粒。 再结晶时金属不发生晶格类型的变化，而是形成无晶格畸和加工硬化的新晶粒，晶粒的形状和大小也发生了相应的变化。 通过材料的再结晶工艺，可以改善材料的显微结构，减小缺陷和晶界对磁性能的影响，提高材料的磁性能。,硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大，饱和磁致伸缩系数和可以逐渐趋于零，这对提高磁导率和降低矫顽力是有利的。 添加硅可以提高合金的电阻率。这对降

8、低涡流损耗特别重要。 铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机的重量有利。,硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的O2合成SiO2，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳和氧所引起的老化现象。 硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。 饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。 硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。,硅钢片的制备 非取向硅钢片：热轧硅钢片或冷轧硅钢片 晶粒取向硅钢片：单取向硅钢片戈斯织构或双取向硅钢片立方织构。,立方织构硅钢片主要的制备工艺 采用纯度尽可能高的铁硅合金，材料的这种高纯状

9、态是出现立方织构的重要先决条件。 通过热轧和冷轧，以及在适当的气氛中进行中间退火，将材料轧到一定的厚度。 在最后一道轧制完成后，通过退火发展（110）001或（120）001型的初次（或二次）织构。 在严密控制的气氛中进行最后退火,以便通过二次或三次再结晶发展立方织构。,铁镍合金 含Ni为30%90%的铁-镍系软磁合金一般统称为坡莫合金。 铁镍合金的成份范围很窄，磁性能可以通过成份的控制和热处理工艺来调整，满足各种不同性能要求。 加工性能好。 低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力。,含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由单一的面心立方结构的相组成。 在合金含量小于30%时，相在

10、较低温度下可通过马氏体相变转变为体心立方的相，这种结构转变有明显的热滞现象，即升温时的转变a温度和降温时的转变温度不重合。两相区难以确定。 在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有序和无序相转变。有序化转变温度在506。,镍铁合金成分对性质的影响,电阻率的最大值出现在含Ni量为 3040% 的范围。根据固体物理的理论，杂质散射是金属材料产生电阻的主要原因之一，在纯金属中加入杂质元素后，由于电子运动受到杂质的散射，它的自由程缩短，电阻率必然增加。加入的杂质元素愈多，则电阻率值愈高。对铁镍合金而言，含Ni35%以下，是Ni原子固溶在Fe中，晶体是具有体心立方结构的。而Ni35%以上，

11、是Fe原子固溶在Ni中，晶体是具有面心立方结构的。,镍铁合金的成分对磁性质的影响,居里温度 在含Ni量为010%和65100%两个成分范围内，居里温度随镍含量的增加而下降。 当含镍量为35%左右时，由于非磁性相的出现，居里温度急剧下降。 在含镍量为67%附近，由于点阵距离刚好满足出现最大的交换能，故居里温度出现最大值。,饱和磁感应强度 由于镍原子的玻尔磁子数比铁小，所以Ni含量在020%之间，Bs 随含镍量的增加而下降。在2035%Ni范围内，由于出现了非磁性相，Bs发生突变而迅速下降。 含镍量 35% 以上时，由于新的磁性相的出现， Bs 随含镍量的增加而增大，但在含镍量50%以上时，由于N

12、i对Fe的替代，Bs 随含镍量的增加而减小。,热处理对铁镍合金磁性的影响 获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单相的固溶体、低的K1和 s值、高的Bs。为了避免有序化，同时减少内应力。一般采用双重热处理的方法：将坡莫合金退火后，从600 将样品放在铜板上，在空气中急冷，或在随炉冷却后，再加热到600 ，然后快速冷却，即进行双重热处理。 将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却，或进行磁场热处理，在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均呈出矩形磁滞回线，而在垂直方向上为平直的磁化曲线。,多元系坡莫合金 在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元系坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速度适当，其初始磁导

13、率可比二元系坡莫合金高几倍。而且电阻率也比Ni含量为78.5%坡莫合金要高3倍，为0.6010-3.m，但饱和磁感应强度从1.3T 降到0.60.8T。,合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能 镍铁合金因为只有两个元素，在材料改性方面就会受到许多限制，因此在很多应用中，因为性能提高的要求，会在合金中加入其它的金属或非金属元素。合金成分设计的基本原则是使s 0，通过调整材料的热处理工艺使K1 0，而获得高磁导率。 常见的添加元素有钼、铜、铬、硅、碳、锰、钛等。,1、钼 钼小于15%时，在Ni大于50%铁-镍合金中完全固溶，它使： i. 电阻率上升。 ii. 含78.5%Ni的铁-镍合金的K1和s更

14、接近零。 iii. 钼可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的冷却速度。 iv. 钼使K1=0的合金镍含量增加。4Mo-79Ni 5Mo-80Ni 6Mo-81Ni。 v. 降低合金的Ms和居里温度。,铜 改善合金的冷加工性能 铜使合金的a及m值提高，且降低了磁导率对成分的敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时，对a及m值影响不大。 铜可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的冷却速度。 降低合金的Ms和居里温度。,其它元素 锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、脱氧、改善热加工性能。 铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的形成，提高合金的电阻率值 钒、铌、钛等可提高

15、合金的硬度，改善耐磨性。 碳可以脱氧，但C含量大于0.05%时使磁性急剧下降。 硅加入0.05%左右对合金磁性有利，因其和锰可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。 磷大于0.06%时，使合金的值急剧下降。,磁介质 磁介质是将铁磁体粉粒与绝缘介质混合压制成的磁性材,常称为铁粉芯.在磁介质中,每一铁磁颗粒间在电与磁方面彼此分隔,故可隔断涡流。 磁介质的磁导率 铁磁体的磁导率 Fe磁介质的磁导率 g绝缘介质所占体积的比值,磁介质实例的磁性质,磁介质的制备工艺,磁介质的种类 电解铁粉芯 工艺简单，磁特性稳定，损耗较大。 坡莫合金粉芯 磁导率高、损耗低、但价格贵。 羰基铁粉芯 性能稳定，高频特性好，可用于几百

16、MHz场合。 铝硅铁粉芯 磁导率中等，可具有负温度系数。 随着软磁铁氧体的发展，磁介质的生产大大减少了。只有在高温、大功率、高频等特殊场合仍然离不开它。,金属永磁材料,最早作为金属永磁材料使用的是碳钢，可以追溯到 1880 年，但碳钢的最大磁能积只有1.6kJ/m3。1931年发现了铝镍钴磁钢，初始最大磁能积为14.3kJ/m3，后通过合金成分的调整与工艺的完善，最大磁能积达到39.8kJ/m3，成为金属永磁材料的主导，直到1960年代第一代稀土永磁材料SmCo发明之后。,第一代稀土永磁材料SmCo5合金的发现，将金属永磁材料的最大磁能积提高到150kJ/m3以上。到1970年代，第二代稀土永磁材料SmCo17的发现，将金属永磁材料的最大磁能积提高到250kJ/m3以上。1983年日本人发现了新型第三代稀土永磁材料NdFeB合金，它的最大磁能积达到到400kJ/m3以上。由于NdFeB材料中不含战略物资Co，而且Nd又是含量较丰富的稀土元素，因此NdF