铁粉基软磁材料介绍.doc

铁粉基软磁材料介绍1材料种类海绵铁从1910年开始生产,但直到1946年瑞典赫格纳斯公司才建立起世界第一家铁粉厂,现在铁粉生产已成为一种工业。60年代建立起雾化制粉工艺,整个铁粉工业年产铁粉逾80万。这种材料大部分用于粉末冶金工业,按严格技术要求生产终形制品。高纯度与高压缩性铁粉的开发,为粉末冶金制品开辟了软磁应用领域。采用粉末冶金技术,压制铁粉并在高温下烧结,可得到相当于纯铁铸件的软磁部件。不损害压缩性的合金化方法的开发,提供了大量的合金化材料。合金添加剂提高电阻率,导致较低的涡流损耗。合金化材料在高温下烧结也可得到高磁导率。可是,合金添加剂也降低饱和磁感,而且合金含量在商业使用上还有一个限度。一般认为,这些材料适合于直流电应用,或很低频率的应用。减少铁颗粒涡流损耗的另一种方法是在颗粒之间引入绝缘层。绝缘层可以是有机树脂材料或无机材料,因而这些材料是软磁复合材料。绝缘层可以有效地降低涡流损耗,但绝缘层的作用像气隙一样,因而也降低了磁导率。通常用降低绝缘层厚度、压制到高密度和进行热处理消除或减少应力来部分地恢复磁导率。性能的变化取决于所使用的频率。因而最近几年迅速发展了一系列材料与工艺。软磁复合材料的最新开发,旨在生产可在较低频率下使用的部件。像电机一类通常是在50-60频率下工作,但微型化趋势可能将频率增加到100或 300。将低频应用的烧结软磁材料与50应用的软磁复合材料对比一下是有趣的。这种对比是在50与0 5条件下进行的,因为在较高磁感下的涡流损耗比例相当大,对于烧结材料性能的测定是困难的 。高电阻率的烧结材料在50下的总损耗接近于软磁复合材料的总损耗。而烧结材料的总损耗中涡流损耗占有很高比例,而软磁复合材料的总损耗几乎全是磁滞损耗。对比 软磁复合材料的直流磁滞曲线与50时的磁滞曲线,这些曲线实际上是相同的,因而证实总损耗几乎全是磁滞损耗。一种高电阻率材料(含3%的烧结铁)在直流和在0 05、0 5和50交流时的磁滞曲线的面积随频率的增加而增加,证实存在着涡流损耗。低频到中频应用的传统材料是叠层钢片。堆叠钢片或堆叠前将钢片表面绝缘,可降低堆叠方向上的涡流。平行于钢片方向上显示出金属合金的高磁导率和损耗值。在低到中频使用的粉末材料几乎都是雾化铁粉。烧结材料要经受高达1250的高温,这保证了扩散与良好的颗粒接触。软磁复合材料在不高于500的温度进行热处理,因而它本身限制了烧结材料那样的颗粒接触。表面绝缘的效果：纯铁粉与添加0 5%的绝缘粉500,均在800压制(密度7 34/3)并在空气中于500热处理30。结果表明：在50时的总损耗是相似的,但纯铁的总损耗由于较高比例的涡流损耗比例而从 60开始迅速增大。表面绝缘层能耐500热处理,并保持低的涡流损耗 。2工艺参数对性能的影响现在可由市场上买到低、中频应用的基于软磁复合材料技术的一系列材料。对比了三种低、中频材料,它们都是基于雾化铁粉添加0 5%,800压制,500空气中热处理30。一种材料是100 32,粒度小于150(100目),具有无机表面绝缘层。另两种材料是550,粒度小于400(40目)和500, 粒度小于150(100目)。这两种材料具有相同的无机表面绝缘层,并说明了较大粒度对总损耗的影响。550具有较高的总损耗,最大直流磁导率为550,而500具有较低的总损耗,最大直流磁导率为500。0 65厚的1018叠层钢与冷轧硅钢用于对比。混粉,压制与热处理的粉末冶金工艺 ,将决定所能达到的力学与磁学性能。以500为例,说明不同工艺的影响。在混粉阶段添加润滑剂有两种选择。润滑剂用于传统压制,1是一种润滑粘结剂,用于传统压制和温压。为得到较高的强度,在混粉阶段也可加入有机粘结剂。可是,因为大多数粘结剂并非有效的润滑剂,因而工业生产上既需要粘结剂也需要润滑剂。最低的润滑剂添加量,如0 5%和最低的粘结剂添加量,如0 5%,可能导致总有机添加量为1%,在压制后使密度降低。这种材料通常用作1到1的高频铁芯。在低频应用的情形中,为获得高磁感,高密度是很重要的。像1一类润滑粘结剂,当在混粉阶段加入时,既起润滑作用又起粘结作用,在固化后可达到较高的横向断裂强度(100)。因而总的有机添加量可限制到0 6%。不使用粘结剂也可达到高横向断裂强度(100到200)。这种高横向断裂强度是用蒸汽处理得到的,通常它是用于改善烧结材料耐腐蚀性能的一种技术。这样处理的材料,适合于低频应用,因为这种处理增大了涡流损耗 。工艺路线也影响磁性能。所选取的润滑剂或粘结剂需进行固化或热处理。500热处理温度将消除一定程度的应力。有机粘结剂必须在较低的温度下固化,起不到或很少起到应力消除作用,因而磁滞损耗较高,导致总损耗较高。如果材料用于高频范围,则也可使用1和低固化温度。 对比了添加0 6%1,分别在400,600和800压制和在175固化60的500材料的磁导率。频率在大约100下,磁导率大致保持不变,因而可以用作铁芯。 3应用技术要求 传统上,电机在50或60下工作,但有向高频(低于400)发展的趋势。这些频率远低于铁粉芯传统上使用的1到1的频率范围。具有高纯度,良好压缩性和最小气隙的广泛的软磁复合材料,适合于这些应用 。像热传导率一类性能对马达的应用是令人感兴趣的,因为马达的工作温度可能高达150。由于铜绕组绝缘的限制因素,通常温度不能更高。与叠片钢不同,软磁复合材料的热传导性是三维的,而叠片钢在叠片方向上的热传导率很低,当材料处于热循环周期时,有机粘结剂的存在可导致热传导率的不可逆变化。 对比了添加0 5%和在500热处理的500与添加0 6%1和进行传统压制以及在275固化的500的热传导率。 添加0 5%的的热传导率很稳定,而添加0 6%1的500的热传导率随热循环而变化。某些应用如汽车上的应用,可能要求在由制冷到高温的一个很大的温度范围内工作。由于马达的精度要求,在设计阶段需要像线性热膨胀一类的资料。疲劳强度是与软磁复合材料工业应用相关的另一个问题。添加0 5%、800压制、空气中500热处理30500的疲劳强度。电机约在150的温度下运行,若高于此温度,对绕组等进行绝缘较为困难。这种材料具有相对低的横向断裂强度,但疲劳强度比预料的要高。4应用某些软磁烧结材料可在直流与很低频率交流的应用， 如制动器的轮速传感环,这种应用可选用铁、铁/磷或铁素体不锈钢材料。需要有一定的耐蚀性,因此在使用铁或铁/磷的情况中,部件必须有保护涂层。软磁复合材料绝缘颗粒用于制作电机,大多需要3维马达设计。一种横向磁通电机便是一例。马达的重新设计,特别是永磁电机的重新设计,可以利用3维传热的优点。如单齿伺服马达设计便是一例。缩小齿面积导致较短端绕组,紧凑的马达,减少铜线绕组体积并提高了热性能。硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电子电路中的记忆元件等。 软磁材料 soft magnetic material 具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等 。软磁材料种类繁多，通常按成分分为： 纯铁和低碳钢。含碳量低于0.04，包括电磁纯铁 、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。 铁硅系合金。含硅量 0.5 4.8，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。 铁铝系合金 。含铝616，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。 铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。 镍铁系合金。镍含量3090，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。 铁钴系合金。钴含量2750。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。 软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-21010m ），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。 非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。 超微晶软磁合金。20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。 剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。 矩形比：BrBs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率i、最大磁导率m、微分磁导率d、振幅磁导率a、有效磁导率e、脉冲磁导率p。 居里温度Tc：