建筑工程類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、傳輸和存儲的作用。（一）發(fā)展歷史能夠迅速的響應外磁場的變化，低損耗的獲得高磁感應強度應用廣泛，使用最多電工純鐵

2、，硅鋼，坡莫合金：發(fā)電機和電動機的定子和轉(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、高磁導率的材料。軟磁材料是具有低矯頑力、高磁導率的材料。（二）定義，基本要求基本要求：基本要求：（1）高的飽和磁感應強度（2）低的矯頑力（3）高的磁導率（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：（三）軟磁材料的分類：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、價格低廉，

4、具有良好的可加工性。表2-3 國產(chǎn)純鐵的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）牌號名稱化學成分不大于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無時效鎮(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 國產(chǎn)電工純鐵的磁性（YB200-75）磁性等級牌號Hc/ Am-1 不大于

5、m 不小于磁感應值（T）不小于B400B800B2000B4000B8000普通DT3、DT4、DT5、DT6、DT89660001.41.51.671.711.8高級DT3A、DT4A、DT5A、DT6A、DT8A727000特級DT4E489000超級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。在高溫時固溶的碳成為過飽和的間隙原子，造成晶格畸變，產(chǎn)生附加的內(nèi)應力；以Fe3C的微粒析出，釘扎疇壁磁時效現(xiàn)象：磁時效現(xiàn)象：電工純鐵在長期使用過程中磁導率逐步下降，矯頑力上升

6、（有時可達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足夠的時間長大； 人工時效防止磁時效發(fā)生的途徑：2. 冷加工在材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷和應力，導致矯頑力提高，磁導率下降。 再結(jié)晶退火對于其他雜質(zhì)，改進熔煉工藝，鋼液真空處理，盡量減少雜質(zhì)用途：直流電機和電磁鐵鐵芯，繼電器鐵芯，永久磁路中的導磁體和磁屏蔽，電話中磁屏蔽，電機中用以導引直流磁通的磁極等。直流電機鐵芯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）項目類別硅含量（wt%）公稱厚度/mm熱軋硅鋼板（無取向）熱軋低硅鋼（熱軋電機鋼）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冷軋電工鋼板無取向電工鋼（冷軋電機鋼）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，s=0Ni含

10、量在76%左右時，K=0Ni含量在50%左右時，Bs=1.6T 最高在Ni3Fe成分點附近，有一個有序-無序轉(zhuǎn)變，緩冷時形成Ni3Fe有序相，使得K增大，磁導率下降。高初始磁導磁合金：高磁感應強度合金：通過調(diào)整Ni含量、添加第三、第四組元，或者采用磁場熱處理（形成縱向或橫向疇結(jié)構(gòu)）、應力熱處理等手段，Ni-Fe合金可作成高導磁合金，高起始導磁率合金，高矩形比合金，恒導磁率合金等。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序的Ni3（FeMo）合金，使得s，K趨于0，大大提高其磁導率。 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)過真空軋制和縱向磁場熱（在TTc附近的溫度施加一定強度的磁場，磁場方向與軋制方向即應用方向平行）處理后，可獲得矩形磁滯回線的合金。磁存儲材料是電子計算機存儲器所用的磁性材料。較早應用的是磁滯回線接近矩形的矩磁材料，利用其兩個剩磁態(tài)+Br和-Br表示計算機中的“1”和“0”狀態(tài) 低剩磁和恒導磁合金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)橫向橫向磁場處理磁場處理（在TTc附近的溫度施加一定強度的磁場，磁場方向與軋面方向平行但與軋制方向垂直）后，即可獲得恒導磁和低剩磁的合金。磁學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的分類及記號材料名組成（Fe為余量）初始磁導率i最大磁導率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）高磁導率材料，具有優(yōu)良的信號保真性（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、高磁導率材料（變換器等）第2種（PD-2）高電阻率材料，磁導率的上升率小（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，K趨于0，s可高達100 x10-6，可作為磁致伸縮材料。l缺點：冷加工困難Fe-Al系軟磁合金合金牌號品種厚度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Co含量為40%時，Bs約為2.4T，Tc高達980l缺點：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合氧化物等，是具有亞鐵磁性的強磁性材料。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率、高Ms、低Hc、低損耗、高電阻率和高溫度穩(wěn)定性等。在使用時由于用途不同，對性能的要求有所側(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，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，周期性排列遠程無序，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長程無序 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