建筑工程類(lèi)磁性功能材料第二節(jié)(課堂講義)

1、第二章第二章 磁性功能材料磁性功能材料 第二節(jié)第二節(jié) 軟磁材料軟磁材料l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料l2.1 概述 （一）發(fā)展歷史 （二）定義，基本要求 （三）分類(lèi)l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料既容易磁化，又容易退磁功能：能量、信息的轉(zhuǎn)換、傳輸和存儲(chǔ)的作用。（一）發(fā)展歷史能夠迅速的響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，低損耗的獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)用廣泛，使用最多電工純鐵

2、，硅鋼，坡莫合金：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子變壓器、電感器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯軟磁鐵氧體：變壓器、磁頭、開(kāi)關(guān)等非晶，納米晶l2.1 概述 （一）發(fā)展歷史 （二）定義，基本要求 （三）分類(lèi)l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料軟磁材料是具有低矯頑力、高磁導(dǎo)率的材料。軟磁材料是具有低矯頑力、高磁導(dǎo)率的材料。（二）定義，基本要求基本要求：基本要求：（1）高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（2）低的矯頑力（3）高的磁導(dǎo)率（i，max）（4）穩(wěn)定性要好（5）損耗低l2.1 概述 （一）發(fā)展歷史 （二）定義，基

3、本要求 （三）分類(lèi)l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料（三）軟磁材料的分類(lèi)：（三）軟磁材料的分類(lèi)：按材料的成分電工純鐵Fe-Si合金Ni-Fe合金Fe-Al合金Fe-Co合金 晶態(tài)非晶態(tài)納米晶l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼（一）電工純鐵（二）電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料指純度在99.8%以上的鐵，且不含有任何故意添加的合金化元素。最早，最常用最早，最常用 資源豐富、價(jià)格低廉，

4、具有良好的可加工性。表2-3 國(guó)產(chǎn)純鐵的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）牌號(hào)名稱(chēng)化學(xué)成分不大于CSiMnSPNiCrCuAlDT1沸騰純鐵0.040.030.100.0300.0150.200.100.15DT2高純度沸騰純鐵0.0250.020.0350.0250.0150.200.100.15DT3鎮(zhèn)靜純鐵0.040.200.200.0150.0200.200.100.200.55DT4無(wú)時(shí)效鎮(zhèn)靜純鐵0.0250.200.150.0150.0150.200.100.200.200.55（一）（一）電工純鐵電工純鐵表2-4 國(guó)產(chǎn)電工純鐵的磁性（YB200-75）磁性等級(jí)牌號(hào)Hc/ Am-1 不大于

5、m 不小于磁感應(yīng)值（T）不小于B400B800B2000B4000B8000普通DT3、DT4、DT5、DT6、DT89660001.41.51.671.711.8高級(jí)DT3A、DT4A、DT5A、DT6A、DT8A727000特級(jí)DT4E489000超級(jí)DT4C、DT6C3212000影響電工純鐵性能的主要因素影響電工純鐵性能的主要因素 1. 雜質(zhì)元素 C, N, O, Mn, S, P, Ni, Cr，Cu，Al 等。在高溫時(shí)固溶的碳成為過(guò)飽和的間隙原子，造成晶格畸變，產(chǎn)生附加的內(nèi)應(yīng)力；以Fe3C的微粒析出，釘扎疇壁磁時(shí)效現(xiàn)象：磁時(shí)效現(xiàn)象：電工純鐵在長(zhǎng)期使用過(guò)程中磁導(dǎo)率逐步下降，矯頑力上升

6、（有時(shí)可達(dá)30%-50%）的現(xiàn)象。 高溫，氫氣中退火 降低金屬中C含量； 緩慢退火，F(xiàn)e3C足夠的時(shí)間長(zhǎng)大； 人工時(shí)效防止磁時(shí)效發(fā)生的途徑：2. 冷加工在材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力，導(dǎo)致矯頑力提高，磁導(dǎo)率下降。 再結(jié)晶退火對(duì)于其他雜質(zhì)，改進(jìn)熔煉工藝，鋼液真空處理，盡量減少雜質(zhì)用途：直流電機(jī)和電磁鐵鐵芯，繼電器鐵芯，永久磁路中的導(dǎo)磁體和磁屏蔽，電話中磁屏蔽，電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極等。直流電機(jī)鐵芯l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼（一）電工純鐵（二）電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料（二）電工鋼（

7、二）電工鋼（Fe-Si合金）合金） Fe-Si合金主要指低C（C0.015%，最好是0.005%與低Si（Si+Al1%） 和Si含量在0.5%-6.5%范圍內(nèi)的Fe-Si軟磁合金。（C0.02%，Si: 1.5%4.5%的合金）Si在Fe的溶解度為15%，存在、（FeSi）、（Fe5Si3）相。只有是鐵磁性的。Fe-Si相圖BCC結(jié)構(gòu)，方向易磁化方向，難磁化方向 性能與Si含量有關(guān)影響影響Fe-Si合金磁性能的因素合金磁性能的因素1.Si的含量 磁性能 機(jī)械性能 普通取向硅鋼 偏離角 7，Bs=1.82-1.85T高磁感取向硅鋼 偏離角3， Bs=1.92-1.95T2. 雜質(zhì)元素越低越好3

8、. 晶粒的取向類(lèi)型和取向度主要工藝普通取向硅鋼高磁感取向硅鋼（A）方案（B）方案抑制劑MnS（或MnSe）AlN+MnSMnSe+Sb鑄坯加熱溫度/135013701280140013501370?；瘻囟?不?；?0095011001150900950第一次冷軋壓下率/%70858760-70中間退火溫度/850950850950第二次冷軋壓下率/%50556070脫碳退火溫度/800850（在濕H2+N2中）高溫退火溫度/1180120011801200（820900）50hr+（11801200）項(xiàng)目類(lèi)別硅含量（wt%）公稱(chēng)厚度/mm熱軋硅鋼板（無(wú)取向）熱軋低硅鋼（熱軋電機(jī)鋼）1.0-2

9、.50.50熱軋高硅鋼（熱軋變壓器鋼）3.0-4.50.35和0.50冷軋電工鋼板無(wú)取向電工鋼（冷軋電機(jī)鋼）低碳電工鋼0.53.20.35和0.50取向硅鋼（冷軋變壓器鋼）普通取向硅鋼2.93.30.20,0.23,0.270.30和0.50高磁感取向硅鋼2.93.3電工鋼板的分類(lèi)l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料2.3 Ni-Fe系軟磁合金系軟磁合金 是指含鎳量在35%至90%的鎳鐵合金。 Fe-Ni合金的磁性能隨成分變化關(guān)系圖：Ni含量在81%左右時(shí)，s=0Ni含

10、量在76%左右時(shí)，K=0Ni含量在50%左右時(shí)，Bs=1.6T 最高在Ni3Fe成分點(diǎn)附近，有一個(gè)有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變，緩冷時(shí)形成Ni3Fe有序相，使得K增大，磁導(dǎo)率下降。高初始磁導(dǎo)磁合金：高磁感應(yīng)強(qiáng)度合金：通過(guò)調(diào)整Ni含量、添加第三、第四組元，或者采用磁場(chǎng)熱處理（形成縱向或橫向疇結(jié)構(gòu)）、應(yīng)力熱處理等手段，Ni-Fe合金可作成高導(dǎo)磁合金，高起始導(dǎo)磁率合金，高矩形比合金，恒導(dǎo)磁率合金等。l79Ni-46Mo-Fel矩形磁滯回線Ni-Fe-M多元系軟磁合金l低剩磁和恒導(dǎo)磁合金l硬坡莫合金l 幾種有代表性的Ni-Fe-M合金l79Ni-46Mo-Fe 少量Mo代替Fe，使得電阻率提高，Tc和Bs稍有下降，

11、但是Ni3Fe有序化溫度也有所下降，抑制了有序化，從而可以用一般的冷速得到無(wú)序的Ni3（FeMo）合金，使得s，K趨于0，大大提高其磁導(dǎo)率。 矩形磁滯回線Ni-Fe-M多元系軟磁合金65Ni-2Mo（Mn）-Fe合金Tc較高（約600），經(jīng)過(guò)真空軋制和縱向磁場(chǎng)熱（在TTc附近的溫度施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向與軋制方向即應(yīng)用方向平行）處理后，可獲得矩形磁滯回線的合金。磁存儲(chǔ)材料是電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器所用的磁性材料。較早應(yīng)用的是磁滯回線接近矩形的矩磁材料，利用其兩個(gè)剩磁態(tài)+Br和-Br表示計(jì)算機(jī)中的“1”和“0”狀態(tài) 低剩磁和恒導(dǎo)磁合金65Ni-1Mn-Fe合金，經(jīng)真空冶煉，冷軋到一定厚度的薄帶后，

12、經(jīng)橫向橫向磁場(chǎng)處理磁場(chǎng)處理（在TTc附近的溫度施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向與軋面方向平行但與軋制方向垂直）后，即可獲得恒導(dǎo)磁和低剩磁的合金。磁學(xué)特性制作工藝條件按JIS C2531， 各種坡莫合金的特色及用途按JIS2531的分類(lèi)及記號(hào)材料名組成（Fe為余量）初始磁導(dǎo)率i最大磁導(dǎo)率max飽和磁通密度Bs/T矯頑力Hc(A/m)電阻率(/(.m)坡莫合金78坡莫合金Fe78.5Ni8000100 0000.8640.16600急冷坡莫合金PB（wt：4050%）45坡莫合金Fe45Ni2 50025 0001.62.40.451050退火第1種（PB-N）高磁通密度材料（繼電器，變換器等）Hip

13、emikFe50Ni4 00070 0001.60.40.41200氫氣氛退火MonimaxFe-47Ni-3Mo2 00035 0001.50.80.81125氫氣氛退火第2種（PC-S）高磁導(dǎo)率材料，高磁通密度材料（繼電器，變換器等）SinimaxFe-43Ni-3Si3 00035 0001.10.80.9Radio metal Fe-45Ni-5Cu2 00020 0001.53.20.61050退火坡莫合金PC（wt%7080%之外，還含有其他一些特殊成分1040 AlloyFe-72Ni-14Cu-3Mo40 000100 0000.60.20.61100氫氣氛退火第1種（PC-N

14、）高磁導(dǎo)率材料，變換器，磁屏蔽等）MumetalFe-77Ni-5Cu-2Cr20 000100 0000.5240.61175氫氣氛退火Mo坡莫合金 Fe-79Ni-4Mn20 000100 0000.870.50.551000退火+合適冷卻速度第2種 （PC-S）超高磁導(dǎo)率材料（環(huán)形鐵芯，變換器等）超坡莫合金 Fe-79Ni-5Mo10 000600 0000.630.160.61300退火+合適冷卻速度第3種（PC-T）高磁導(dǎo)率材料，具有優(yōu)良的信號(hào)保真性（磁頭等）坡莫合金PD(wt%:3540%)36坡莫合金Fe-36Ni3000200001.51.60.75第1種（PD-1）高電阻率，

15、高磁導(dǎo)率材料（變換器等）第2種（PD-2）高電阻率材料，磁導(dǎo)率的上升率小（變換器等）坡莫合金PE（wt% 45%55%)Permenom 5000ZFe-50Ni50040 0001.50.8-2.40.498%以上的冷軋變形+退火（再結(jié)晶組織(001)001,矩形磁滯回線第1種（PE-1）矩形磁滯回線材料（環(huán)型鐵芯，變換器等）DeltamaxFe-50Ni5002 0001.50.80.4第2種（PE-2）矩形磁滯回線刺啦（變換器等）l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材

16、料2.4 Fe-Al系和系和Fe-Co系軟磁合金系軟磁合金l在純鐵的基礎(chǔ)上加入（0-33wt%）Al形成-Fe（Al）固溶體，具有BCC結(jié)構(gòu)。l在13.9%和32.6%處形成有序化合物Fe3Al和FeAl。在12%Al附近，處于有序態(tài)時(shí)，K趨于0，s可高達(dá)100 x10-6，可作為磁致伸縮材料。l缺點(diǎn)：冷加工困難Fe-Al系軟磁合金合金牌號(hào)品種厚度imaxHc （A/m)B(T)Bs(T)s1316熱軋薄板0.356000300003.980.65（B30）0.41313熱軋帶材0.35360-660500010000501.1（B30）35x10-61312熱軋帶材0.35250025000

17、121.2（B30）0.5116冷軋帶0.5200055001500050000481.35（B30）0.5l在Fe中加入Co，可使合金的Bs提高，當(dāng)Co含量為40%時(shí)，Bs約為2.4T，Tc高達(dá)980l缺點(diǎn)：昂貴，加工性能較差l少量添加元素如V，Cr可改善冷加工性能Fe-Co系軟磁合金l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料2.5 鐵氧體軟磁材料鐵氧體軟磁材料 鐵氧體是指鐵的氧化物和其他一種或幾種金屬氧化物組成的復(fù)合氧化物等，是具有亞鐵磁性的強(qiáng)磁性材料。如Mn-Zn系、N

18、i-Zn系，Mg-Zn系、Li-Zn系和Cu-Zn系等。軟磁鐵氧體材料一般要求有高磁導(dǎo)率、高M(jìn)s、低Hc、低損耗、高電阻率和高溫度穩(wěn)定性等。在使用時(shí)由于用途不同，對(duì)性能的要求有所側(cè)重。lMnZn鐵氧體，在500kHz以下使用性能優(yōu)越lNiZn鐵氧體，在1MHz以上使用時(shí)，性能優(yōu)越lCo2Zn鐵氧體，在幾百兆赫茲以上使用l2.1 概述l2.2 電工純鐵和電工鋼l2.3 Fe-Ni合金l2.4 Fe-Al系和Fe-Co系軟磁合金l2.5 鐵氧體軟磁材料l2.6 非晶，納米晶軟磁材料2.6 納米晶，非晶軟磁材料納米晶，非晶軟磁材料傳統(tǒng)晶態(tài)軟磁材料非晶軟磁材料1970年前后10-5103K /s108K /s鍛造，熱軋，冷軋快淬成薄帶有序，周期性排列遠(yuǎn)程無(wú)序，近程有序（一）非晶軟磁材料l鐵磁性：近鄰原子間的電子靜電交換作用l長(zhǎng)程無(wú)序 磁晶各向異性為零l近程有序 磁致伸縮不為零非晶材料的軟磁特性主要取決于磁致伸縮的大小l非晶態(tài)軟磁合金的