（材料学专业论文）软磁磁粉芯的制备与性能研究.pdf

卜 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l ss c i e n c e i i i ii iii l lii l li l llliii y 1717 2 3 2 r e s e a r c ho np r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so f s o f t m a g n e t i c p o w d e rc o r e b y l iq i n g d a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i a nf a z e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 内二 恧。 学位论文作者签名：椒达 b觏：2 6 幻。0s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 、 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文摘要 软磁磁粉芯的制备与性能研究 摘要 软磁磁粉芯作为软磁材料系列重要组成部分具有独特的性能，被广泛用于电讯、雷 达、电视、电源、太阳能发电等技术中作为电感滤波器、调频扼流圈、开关电源主振铁 芯及逆变器，其工作频率可以从数十赫兹到兆赫兹范围。当今信息社会要求磁性器件向 小型化、智能化、高集成化和超快速化等方向发展。磁粉芯具有高电阻、高频损耗低， 高宽恒导磁等磁性能，使得其在许多应用场合是其它软磁材料难以比拟的。 本文的研究工作是以粉末冶金生产工艺为基础，以传统磁粉芯的工业生产工艺过程 为借鉴而进行的。系统研究了绝缘包覆、压制成型、去应力退火等制备工艺对f e s i a i 磁粉芯和f e ，。c r ：m o ：s n ：p 。c 。s i b 非晶磁粉芯磁性能的影响，制备出了性能较高的磁粉芯。 运用改进工艺制备出性能较高的f i n e m e t 纳米晶磁粉芯。在此基础上，研究了磁退火 处理对三种金属软磁磁粉芯性能的影响。主要结论如下： 1 大粒度磁粉制备的f e s i a i 磁粉芯的磁导率较大，损耗也很高。通过适当的磁粉 粒度配比可以有效地降低磁粉芯的损耗，提高磁粉芯的频率特性。实验发现f e s i a l 磁 粉芯最佳的粒度配比为：1 0 0 + 1 5 0 目占4 ，一1 5 0 - - + 2 5 0 目占8 ，2 5 0 - - - - , + 3 2 0 目占 3 4 ，3 2 0 目占5 4 。 2 有机+ 无机绝缘包覆方法适合制备高性能的金属磁粉芯。添加绝缘介质可提高磁 粉芯的电阻率，降低涡流损耗，提高品质因数。绝缘介质过多会使磁粉芯中非磁性物质 比例增大，磁导率降低。增加成型压力可以提高f e s i a l 磁粉芯的压溃强度、密度、磁 导率，降低矫顽力和损耗：但是过高的压力会使磁粉芯的磁导率降低。增加退火温度能 够有效地提高f e s i a i 磁粉芯的磁导率，降低磁滞损耗和矫顽力；过高的退火温度会增 大磁粉芯的涡流损耗，降低磁导率。研究结果表明，f e s i a l 磁粉芯的最佳制备工艺参数 为：绝缘剂添加量为1 0 ，成型压力为1 8 0 0 m p a ，退火温度为6 6 0 ，退火时问为1 h 。 相应的磁性能为：5 0 k h z ，0 0 5 t 下，磁导率为1 2 8 ，损耗低于8 0 m w c m 3 。该性能已达到 国内领先水平。 3 磁场退火工艺对f e s i a l 磁粉芯具有一定的影响。纵向磁场退火可提高磁粉芯的 磁导率，降低损耗。横向磁场退火可降低磁导率和损耗。纵向磁场退火获得的磁粉芯性 能较好。 东北大学博士学位论文摘要 4 研究发现，f e ，。c r 。m o ：s n ：p 。c 。s i 。b 。非晶磁粉芯最佳的磁粉配比为：+ 2 0 0 目占5 ， 2 0 0 + 2 5 0 目占9 ，2 5 0 - - - + 3 2 0 目占1 1 ，3 2 0 - - 一，+ 5 0 0 目占3 5 ，。5 0 0 目占4 0 。 5 非晶磁粉芯的涡流损耗和磁滞损耗均随绝缘剂添加量的增加而降低，其中涡流 损耗降低幅度较大；绝缘剂添加量过高或过低都会降低非晶磁粉芯的磁导率。增大成型 压力能够有效地增加非晶磁粉芯的磁导率，降低损耗和矫顽力，但成型压力过大，会降 低非晶磁粉芯的性能。增加退火温度能够有效地增大非晶磁粉芯的磁导率，降低损耗。 但退火温度过高会使非晶磁粉晶化，生成导电性较差的非磁性相，降低磁导率。 6 实验发现f e c r 蛳o m p ，o c ：s i 。b 。非晶磁粉芯的最佳制备工艺参数为：绝缘剂添加 量为5 o ，成型压力为1 6 0 0 m p a ，退火温度为4 0 0 。c ，退火时间为1 h 。相应的性能为： 4 0 0 0 k h z ，2 0 a m 下，非晶磁粉芯的磁导率为4 5 ，总损耗为6 m w c m 3 。 7 磁场退火对非晶磁粉芯磁导率影响较小。纵向磁场退火能够增大非晶磁粉芯的 总损耗，横磁场退火能够降低非晶磁粉芯的总损耗。 8 与传统的纳米晶磁粉芯制备工艺相比，改进的纳米晶磁粉芯制备工艺能够有效 地能够提高磁导率，降低损耗，提高品质因数。提高磁性能的原因在于，改进的工艺能 够较好的释放磁粉的内应力。 9 实验发现，纳米晶磁粉芯较好的磁粉粒度分布为：5 0 0 目占3 5 ，3 2 0 - + 5 0 0 目占1 1 6 ，一2 5 0 + 3 2 0 占2 5 8 ，一2 0 0 + 2 5 0 占4 8 5 ，- 1 5 0 - - 2 0 0 目占5 2 ，- 1 0 0 - - 一 + 1 5 0 占5 7 。运用该粒度分布，制备出的磁粉：签具有较高的磁性能：在1 6 a m ，8 0 0 0 k h z 下，磁导率6 1 ，总损耗为3 5m w c m 3 。 1 0 对f i n e m e t 纳米晶磁粉j 签的磁场退火研究发现：纵向磁场退火可有效提高磁 粉芯的磁导率，横向磁场退火降低磁导率；横向磁场退火比纵向磁场退火更有利于降低 磁粉芯的磁损耗，纵向磁场退火处理有利于综合性能的提高。 关键词：磁粉芯；磁导率；损耗；品质因数 i v 东北大学博士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho np r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so f s o f t m a g n e t i cp o w d e r c o r e a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ，s o f tm a g n e t i cp o w d e rc o r eh a v ea p a r t i c u l a rp r o p e r t y a si n d u c t a n c ef i l t e r , f r e q u e n c yc h o k e ，s w i t c h i n gm a i nv i b r a t i o nc o r e ， i n v e r t e ri n d u c t a n c e , t h e ya r ew i d e l yu s e di nt e l e c o m m u n i c a t i o n , r a d a r , t e l e v i s i o n , e l e c t r i c a l s o u r c e ，s o l a re l e c t r i c a le n e r g yg e n e r a t i o n ，a n ds oo n t h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yc a na p p l yf r o m h u n d r e d so fh e r t zt om e g a h e r t z n o w , i n f o r m a t i o ns o c i e t yr e q u i r et h a tm a g n e t i cd e v i c e s d e v e l o pt om i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z e ，h i g hi n t e g r a t i o n ，s u p e rq u i c k ，a n ds oo n m a g n e t i c p o w d e rc o r eh a v es o m es p e c i a lp r o p e r t i e s ，f o re x a m p l e ，t h eh i g hr e s i s t a n c e ，t h el o w h i g h - f r e q u e n c yl o s s t h eh i g ha n dw i d e rc o n s t a n tp e r m e a b i l i t y , a n ds oo n t h e i rs p e c i a l p r o p e r t i e sc a n tb ec o m p a r e dw i t ho t h e rs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sb a s e do np o w d e rm e t a l l u r g yp r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dc o n s u l ta t r a d i t i o n a lt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s s o fm a g n e t i c p o w d e rc o r e t h ep a p e r s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ee f f e c to fi n s u l a t i o nc o a t i n g , p r e s s i n gp r o c e s sa n da n n e a l i n go n p r o p e r t i e so ff e s i a is o f tm a g n e t i cp o w d e rc o r ea n da m o r p h o u sf e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 pi0 c 2 s i 4 8 4 m a g n e t i cp o w d e rc o r e ，a n dt h em a g n e t i cp o w d e rc o r ew i t hh i g hp e r f o r m a n c ew e r ep r e p a r e d n a n o c r y s t a l l i n em a g n e t i cp o w d e rc o r ew i t hh i g hp e r f o r m a n c ew e r ep r e p a r e db yi m p r o v e d p r o c e s s o nt h i sb a s i s ，s t u d i e dt h ee f f e c to fm a g n e t i ca n n e a l i n go np r o p e r t i e so ft h et h r e e k i n d so f m e t a ls o f tm a g n e t i cc o r et h em a i nc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ef e s i a im a g n e t i cp o w d e rc o r ew i t hb i g g e rp a r t i c l es i z eh a v eah i g hp e r m e a b i l i t ya n d l o s s t h ep r o p e rp a r t i c l er a t i oc a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s el o s so fm a g n e t i cp o w d e rc o r ea n d p r o m o t et h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c i tw a sf o u n dt h a tt h eo p t i m u mp a r t i c l er a t i oo ff e s i a i m a g n e t i cp o w d e ri s4 o f - 10 0 + 15 0m e s h ，8 o f 一15 0 + 2 5 0m e s h ，3 4 o f - 2 5 0 + 3 2 0 m e s h 5 4 o f 一3 2 0m e s h 2 o r g a n i ca n di n o r g a n i ci n s u l a t i o nc o a t i n gm e t h o di ss u i t a b l ef o rp r e p a r a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c em e t a lm a g n e t i cp o w d e rc o r e a c c e s s i o no fi n s u l a t i n gm e d i u mc a ni n c r e a s et h e r e s i s t i v i t yo fm a g n e t i cp o w d e rc o r e ，r e d u c ee d d yc u r r e n tl o s sa n di m p r o v et h eq u a l i t yf a c t o r ； o v e ri n s u l a t i o nw o u l di n c r e a s et h ep r o p o r t i o no fn o n m a g n e t i cm e d i u ma n dr e d u c em a g n e t i c v 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t p e r m e a b i l i t y i n c r e a s i n gf o r m i n gp r e s s u r ec o u l di n c r e a s er a d i a lc r u s h i n gs t r e n g t h ( r c s ) ， d e n s i t y , p e r m e a b i l i t yo fm a g n e t i cp o w d e rc o r ea n dr e d u c el o s sa n dc o e r c i v i t y , b u to v e r p r e s s u r e w o u l dr e d u c ep e r m e a b i l i t y i n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r ec o u l de f f i ：c t i v e l y i n c r e a s ep e r m e a b i l i t ya n dr e d u c eh y s t e r e s i sl o s sa n dc o e r c i v i t y , b u to v e ra n n e a l i n g t e m p e r a t u r ec a ni n c r e a s ee d d yc u r r e n tl o s sa n dd e c r e a s et h ep e r m e a b i l i t y t h eo p t i m u m p r o c e s sp a r a m e t e r si s l i s t e da sf o l l o w s ：i n s u l a t i o nc o n t e n ti s 1 o ：f o r m i n gp r e s s u r ei s 18 0 0 m p a ；a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei s6 6 0 。c ，a n n e a l i n gt i m ei sl h t h ec o r r e s p o n d i n gm a g n e t i c p r o p e r t i e so fm a g n e t i cm a g n e t i cc o r es h o w ：a t5 0 k h z ，o 0 5 t t h em a g n e t i cp e r m e a b i l i t yi s 12 8 ，l o s si sl o w e rt h a n8 0m w c m 3 t h i sp e r f o r m a n c eh a sr e a c h e dt h el e a d i n gd o m e s t i cl e v e l 3 m a g n e t i cf i e l da n n e a l i n gp r o c e s sh a sac e r t a i ni m p a c to nf e s i a im a g n e t i cp o w d e rc o r e l o n g i t u d i n a lm a g n e t i ca n n e a l i n gc a ni n c r e a s ep e r m e a b i l i t ya n dd e c r e a s el o s so fm a g n e t i c p o w d e rc o r e t r a n s v e r s em a g n e t i ca n n e a l i n gc a nd e c r e a s et h ep e r m e a b i l i t ya n dl o s s t h e m a g n e t i cp o w d e rc o r eh a v eab e r e rm a g n e t i cp r o p e r t ya f t e ra n n e a l i n g i nl o n g i t u d i n a l m a g n e t i cf i e l d 4 i tw a sf o u n dt h a tt h eo p t i m u mp a r t i c l er a t i oo ff e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p10 c 2 s i 4 8 4a m o r p h o u s m a g n e t i cp o w d e rc o r ei s5 o f + 2 0 0m e s h ，9 o f - 2 0 0 + 2 5 0m e s h ，11 o f - 2 5 0 一+ 3 2 0 m e s h ，3 5 o f 一3 2 0 + 5 0 0m e s h ，4 0 o f 一5 0 0m e s h 5 t h ee d d yc u r r e n tl o s sa n dh y s t e r e s i sl o s so fa m o r p h o u sm a g n e t i cp o w d e rc o r ew e r e d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gi n s u l a t i o nc o n t e n t ，a n de d d yc u r r e n tl o s sh a v eab i g g e rr e d u c e o v e r h i g ha n do v e rl o wo fi n s u l a t i o nc o n t e n ta l lw i l ld e c r e a s et h ep e r m e a b i l i t yo fa m o r p h o u s m a g n e t i cp o w d e rc o r e i n c r e a s i n gf o r m i n gp r e s s u r ec o u l de f f e c t i v e l yi n c r e a s ep e r m e a b i l i t y a n dd e c r e a s et h el o s sa n dc o e r c i v i t yo fa m o r p h o u sm a g n e t i cp o w d e rc o r e ，b u to v e rp r e s s u r e w o u l dr e d u c em a g n e t i cp r o p e r t yi n c r e a s ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ec o u l de f f e c t i v e l yp r o m o t e m a g n e t i cp e r m e a b i l i t y a n dd e c r e a s el o s so fa m o r p h o u sm a g n e t i cp o w d e rc o r e b u t o v e r - a n n e a l i n gc o u l dd e c r e a s ep e r m e a b i l i t yd u et oc r y s t a l l i z a t i o no fa m o r p h o u sp o w d e ra n d f o r m i n go fn o n m a g n e t i cp h a s e 6 t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r so ff e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p10 c 2 s i 4 8 4a m o r p h o u sm a g n e t i c c o r ei sl i s t e da sf o l l o w s ：i n s u l a t i o nc o n t e n ti s5 o ：f o r m i n gp r e s s u r ei s16 0 0 m p a ；a n n e a l i n g t e m p e r a t u r ei s4 0 0 ，a n n e a l i n gt i m ei s lh t h ec o r r e s p o n d i n gm a g n e t i cp r o p e r t i e ss h o w ：a t 4 0 0 0 k h z ，2 0 a m ，t h em a g n e t i cp e r m e a b i l i t yi s4 5 ，t h el o s si s6m w c m 3 v i t v i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t v i i i 东北大学博士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要u i a b s t r a c t v 第一章前言1 1 1 软磁材料。1 1 1 1 金属软磁材料1 1 1 1 1 铁基软磁合金1 1 1 1 2 坡莫合金3 1 1 1 3 非晶及纳米晶软磁合金材料3 1 1 2 铁氧体软磁材料8 1 2 金属复合磁粉芯9 1 2 1 金属复合磁粉芯在磁性材料家族中的地位9 1 2 2 金属复合磁粉芯的发展历程1 0 1 2 3 金属复合磁粉芯的分类1 1 1 2 3 1 纯铁磁粉芯1 2 1 2 3 2 铁镍合金磁粉芯1 2 1 2 3 3 坡莫合金磁粉芯1 2 1 2 3 4 铁硅合金磁粉芯1 3 1 2 3 5 铁硅铝磁粉芯13 1 2 3 6 非晶、纳米晶软磁粉芯1 4 1 2 4 会属磁粉芯的制备工艺概况和发展现状分类1 5 1 2 4 1 金属磁粉芯的制备工艺概况1 5 1 2 4 2 会属磁粉：签的发展现状1 7 1 3 动念磁性参数1 7 1 - 3 1 复数磁导率1 8 1 3 2 品质因数一1 8 i x 东北大学博士学位论文目录 1 3 3 磁损耗1 9 1 3 3 1 涡流损耗2 0 1 3 - 3 2 磁滞损耗2 0 1 3 3 3 剩余损耗2 0 1 4 论文研究背景及研究内容2 l 1 4 1 论文研究背景2 1 1 4 2 论文研究内容2 2 参考文献2 3 第二章实验方法及原理2 9 2 1f e s i a i 磁粉芯的制备方法及原理2 9 2 1 1f e s i a l 磁粉芯制备的工艺流程2 9 2 1 2 实验技术与方法2 9 2 1 2 1 磁粉的预退火处理2 9 2 1 2 2 磁粉的筛分3 0 2 1 2 3 磁粉的钝化处理3 0 2 1 2 4 绝缘包覆3 0 2 1 2 5 模压成型3 l 2 1 2 6 固化及去应力热处理31 2 1 2 7 磁场退火3 2 2 1 3 样品的性能测量3 3 2 1 3 1 磁粉芯密度测量3 3 2 1 3 2 磁粉芯磁性能测试3 3 2 1 3 3 样品形貌观察3 5 2 2 f e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p l o c 2 s i 4 8 4 非晶磁粉芯的制备方法及原理3 5 2 2 1f e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p l o c 2 s i 4 8 4 非晶磁粉芯制备的工艺流程3 5 2 2 2 实验技术与方法3 5 2 2 3 样品的测量3 6 2 3f i n e m e t 纳米品磁粉芯的制备方法及原理3 8 2 3 1f i n e m e t 磁粉芯制备的工艺流程3 8 x 东北大学博士学位论文目录 2 3 2 磁粉的制备3 9 2 3 3 磁场退火4 0 2 3 4 样品的性能测量4 0 参考文献4 l 第三章f e s ial 磁粉芯的制备与性能研究4 3 3 1 引言4 3 3 2 样品的制备4 3 3 3 结果与讨论4 4 3 3 1 粉末粒度对磁粉芯性能的影响4 4 3 3 1 1 粉末粒度对f e s i a i 磁粉芯性能的影响4 4 3 3 1 2f e s i a l 磁粉的粒度配比4 5 3 3 2 绝缘包覆对f e s i a l 磁粉芯性能的影响一4 7 3 3 2 1 绝缘剂对f e s i a l 磁粉芯磁导率的影响4 7 3 3 2 2 绝缘剂对f e s i a l 磁粉芯损耗的影响4 8 3 3 2 3 绝缘剂对f e s i a l 磁粉芯品质因数的影响4 9 3 3 3 成型压力对f e s i a l 磁粉芯性能的影响5 2 3 3 3 1 成型压力对f e s i a l 磁粉芯磁导率的影响5 2 3 3 3 2 成型压力对f e s i a l 磁粉芯损耗的影响5 5 3 3 3 3 成型压力对f e s i a l 磁粉芯压溃强度的影响5 6 3 3 4 热处理对f e s i a l 磁粉芯性能的影响5 7 3 3 4 1 退火温度对f e s i a i 磁粉芯磁导率的影响一5 8 3 3 4 2 退火温度对f e s i a l 磁粉芯损耗和矫顽力的影响5 9 3 3 5 磁场退火对f e s i a i 磁粉芯性能的影响6 1 3 4 结论6 5 参考文献6 6 第四章f e ，。c r ：m o ：s n ：p ，。c ：si 。b 。非晶磁粉芯的制备与性能研究6 7 4 1 引言6 7 4 2 样品的制备6 7 4 3 结果与讨论6 7 x i 东北大学博士学位论丈 目录 4 3 1f c 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p l o c 2 s i 4 8 4 非晶粉末粒度对磁粉芯性能的影响6 7 4 3 1 1 非晶粉末粒度对磁粉芯性能的影响6 8 4 3 1 2 非晶磁粉的粒度配比。7 0 4 3 2 绝缘包覆对f c 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p l o c 2 s i 4 8 4 非晶磁粉芯性能的影响7 l 4 3 2 1 绝缘剂对非晶磁粉芯磁导率的影响7 1 4 3 2 2 绝缘剂对非晶磁粉芯损耗的影响7 2 4 3 2 3 绝缘剂对非晶磁粉芯品质因数的影响7 3 4 3 3 成型压力对f e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p j o c 2 s u b 4 非晶磁粉芯性能的影响7 5 4 3 3 1 成型压力对非晶磁粉芯密度和磁导率的影响7 5 4 3 3 2 成型压力对非晶磁粉芯损耗和矫顽力的影响7 6 4 3 4 热处理对f e 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p l o c 2 s u b 4 非晶磁粉芯性能的影响7 7 4 - 3 4 1 退火温度对非晶磁粉芯磁导率的影响7 8 4 3 4 2 退火温度对非晶磁粉芯损耗的影响7 9 4 3 5 磁场退火对f c 7 4 c r 2 m 0 2 s n 2 p l o c 2 s i 4 8 4 非晶磁粉芯性能的影响8 l 4 4 结论8 3 参考文献8 3 第五章f in e m e t 纳米晶磁粉芯的制备与性能研究8 5 5 1 引言8 5 5 2 样品的制备8 5 5 3 结果与讨论8 6 5 3 1 两种制备工艺制各纳米晶磁粉芯的性能对比8 6 5 3 1 1 磁粉粒度对纳米晶磁粉芯性能的影响8 6 5 3 1 2 两种工艺制备纳米晶磁粉芯的对比8 8 5 3 2 球磨工艺对纳米晶磁粉芯性能的影响9 l 5 3 2 1 不同球磨时间对磁粉形貌和粒度尺寸的影响9 l 5 3 2 2 不同球磨时问对磁粉芯磁性能的影响9 4 5 3 3 磁场退火对f i n e m e t 纳米晶磁粉芯性能的影响一9 7 5 4l 右论10 0 参考文献1 0 l x i i 东北大学博士学位论文目录 第六章结论1 0 3 博士期间发表论文1 0 5 致j 射10 7 x i i i 东北大学博士学位论文 目录 x i v 东北大学博士学位论文 第一章前言 1 1 软磁材料 第一章前言 软磁材料在国民经济和同常生活中具有十分重要和非常广泛的应用。软磁材料是应 用最广泛、种类最多的一类磁性材料【l 】。它们是具有强磁性的铁磁性或亚铁磁性的一类 物质，容易磁化也容易退磁，矫顽力低于l o o a m 。软磁材料要求具备四“高”四“低”的 基本特点：高的磁导率，高的饱和磁通密度，高电阻率以及高的稳定性；低矫顽力，低 损耗，低磁致伸缩系数和低磁晶各向异性。软磁材料被广泛的应用于各种电力设备与电 子器件中，电力、电子设备的小型化、轻量化、节能、高灵敏度使人们生活更加便利， 对环境的影响越来越小。软磁材料的性能可以用两种不同的参数来描述1 2 j 。一类是结构 不敏感参数，主要包括材料的饱和磁化强度m 。，居里温度t c ，饱和磁致伸缩系数k ，磁 晶各向异性常数k l 等，这些参数属于材料的基本参数，主要由材料的成分决定。另一 类是结构敏感参数，如磁导率“，矫顽力h 。等，它们在很大程度上取决于诸如掺杂、晶 粒取向、晶粒尺寸等结构因素以及厚度、表面光洁度、温度、辐射和应力等“外部” 因素，这些外部因素对制备工艺的依赖性型很大。 软磁材料的种类很多，大致可分为金属软磁材料及软磁铁氧体【3 】。为了在外加弱磁 场下磁性体的磁化强度发生巨大变化，首先要保证磁性体的饱和磁化强度大，其次是阻 碍磁化强度变化的阻力要很小。磁化机制的唯象理论认为，磁化是通过畴壁位移和磁矩 转动进行的。表示金属和合金的磁各向异性大小的物理量是磁晶各向异性常数k l 以及 磁滞伸缩系数k 。首先，软磁材料应选择其成分处于磁晶各向异性常数k 和饱和磁致伸 缩k 为零或接近于零区域，这样才能获得高导磁率、低矫顽力的高性能软磁材料。按照 这一准则实际开发的材料是坡莫合会和s e n d u s t 合金。其次，通过将材料形态非晶化， 非晶态材料没有晶粒，也就就是磁品各向异性常数k i 为零，由此研究出非品和纳米晶 厶企【4 】 口司无 o 1 1 1 金属软磁材料 目前工业上大量生产和应用的金属软磁( 合会) 材料主要分为铁基软磁合金、坡莫 合金、非晶态及纳米晶软磁合金材料三大类。 1 1 1 1 铁基软磁合金 铁基软磁材料，是指以铁为主要组成元素的软磁合金( 不包括非晶念的新型铁基软 东北大学博士学位论文 第一章前言 磁合金) 。主要有电工纯铁、f e - s i 软磁合金( 硅钢) 、f e a l 与f e s i a l 软磁合金。这类 软磁合金发展较早，至今在工频、尤其在强磁场条件下的工程应用中占主导地位。 1 电工纯铁 工业纯铁主要组成元素是铁，常存元素碳的质量分数不高于0 0 4 。另含一些难于 完全去除的杂质，如氮、氢、氧、硫、磷等。此外，还有一些冶炼过程中加入的少量元 素的残留，包括脱氧用的a l 、s i 等。工业纯铁作为软磁材料，突出特点是：饱和磁感 高( 室温下约为2 1 6 t ) ，资源丰富，价格低廉，其电阻率低，室温下约为1 0 p o c r l l ，这种 特性限制了它主要用于直流场中，如直流电机和电磁铁的铁芯及轭铁等。 2 f e - s i 软磁合金 作为软磁材料的f e s i 合金，又称硅钢或矽钢，是使用量最大的软磁材料，其产量 为总钢产量的1 左右。硅钢指的是碳的质量分数在0 0 2 以下，硅的质量分数一般为 0 5 6 5 的铁合金。添加硅元素能够数倍的提高该软磁合金的电阻率，大幅度降低其 涡流损耗。电工用硅钢片按材料生产方法，织构和磁性能可分为以下四类【5 】：热轧非 织构( 无取向) 的硅钢片；冷轧非织构( 无取向) 的硅钢片；冷轧高斯织构( 单取 向) 的硅钢片；冷轧立方织构( 双取向) 的硅钢片。 硅钢片主要用于各种形式的电机、发电机和变压器中，在扼流圈、电磁机构、继电 器、测量仪表中也大量使用。硅钢具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度( 2 o t 以 上) ，作为变压器铁芯使用时可以在很高的幅值磁通密度( b m ) 下工作。但是，硅钢在常用 的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁j 卷冈损耗太大而发热，它的使用频率不高， 一般只能工作在2 0 k h z 以下。硅钢片的生产工艺复杂，其机械性能与硅含量、晶粒大小、 织构、有害杂质( 碳，氧，氢) 含量分布状况以及钢板厚度有关；在很大程度上取决于 有害杂质含量、冶炼方法、轧制的压下制度、退火温度和介质以及钢板表面状况等。硅 钢片的磁性能同样与硅含量、冶炼过程、热处理工艺、晶粒大小有关。 3 f e a l 与f e s i a l 软磁合金 f e a l 软磁合会中，铝的质量分数c o ( a 1 ) _ 1 6 。铝的添加能