软磁材料介绍

第二章软磁材料定义：能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料。特点：既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。*对软磁材料的基本要求有：（1）初始磁导率i和最大磁导率max要高；（2）矫顽力Hc要小；（3）饱和磁感应强度MS要高；（4）功率损耗P要低;（5）高的稳定性。*主要的软磁材料：（1）合金－－如硅钢（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙台斯特合金（Fe-Si-Al）；（2）软磁铁氧体－－Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等；（3）非晶态、纳米晶、薄膜等。*发展史：（1）铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信各领域。优点：其MS远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、电机等至今仍是Fe-Si合金材料。缺点：涡流损耗限制了其在高频段的应用。（2）20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。（3）1970年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，1988年，Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世，90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁氧体的新的竞争对手。优点：性能上远优于铁氧体；缺点：性价比上尚处于劣势。2.1衡量软磁材料的重要指标1、起始磁导率位转iii2SiMSiK1,111,1i主要因素：基本上不随加工条件和应用情况变化。,,,1sSKM次要因素：会随加工条件和应用情况而变化。,,2、矫顽力HC量级：10-1A/m~102A/m*材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响HC的主要因素。*降低HC的方法与提高i的方法相一致。3、饱和磁感应强度MS*高的MS高的i值；节省资源，实现器件的小型化*提高MS的方法：选择适当的配方成分，但实际上MS值一般不可能有很大的变动。4、磁损耗*软磁材料多用于交流磁场，因此动态磁化造成的磁损耗不可忽视。5、稳定性*高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高，减落要小，随时间的老化要尽可能地小，以保证其长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。*影响软磁材料稳定工作的因素：低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等2.2提高起始磁导率的途径必要条件：提高MS并降低K1、S的值充分条件：降低杂质浓度，提高密度，增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应力和气孔的影响。1、提高MS*选择合适的配方可提高材料的MS值，但往往变动不大。2SiM*选择配方时更要考虑K1、S对i的作用。*例：CoFe2O4、Fe3O4的MS虽然较高，但其K1和S值太大，因而不宜作为配方的基本成分。2、降低K1和S*提高i的最有效方法从配方和工艺上使K10、S0*铁氧体软磁材料：配方时选择K1和S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正负K1、S补偿或添加非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用。*例：Fe-Ni合金质量分数Ni81%时，S0；Ni76%时，K10；Ni78.5%Fe-Ni合金经过热处理后，i可达104*选择适当合金成分和热处理条件可以控制K1和S在较低值3、改善材料的显微结构*材料的显微结构是指结晶状态(晶粒大小、完整性、均匀性、织构等)、晶界状态、杂质和气孔的大小与分布等。*杂质、气孔的含量与分布是影响i的重要因素。降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择*平均晶粒尺寸对i的影响很大，晶粒尺寸增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小，i升高。例：MnZn铁氧体尺寸5m以下时，i～500；尺寸在5m以上时，i～3000*晶粒尺寸长大的方法：适当提高烧结温度，但温度过高，便会形成气孔，导致i下降。*材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高i4、降低内应力*根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：(1)磁致伸缩引起的内应力，与S成正比，可通过降低S来减小此应力。(2)烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变，产生内应力。可采用低温退火处理来消除应力。(3)气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部产生应力。可通过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除。2.3金属软磁材料2.3.1电工纯铁*纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素。*制备方法：平炉冶炼时，首先用氧化渣除去碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，并在出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。经过退火热处理i（300~500）,max（6000~12000）,HC（39.8~95.5）*含碳量是影响磁性能的主要因素。除碳方法：高温用H2处理除碳，以消除铁中碳对畴壁移动的阻碍作用。*电工纯铁存在时效现象原因：高温时铁固溶体内溶解有较多的碳或氮，产品快速冷却到室温时，溶解度减小，Fe3C或Fe4N由固溶体中以细微弥散形式析出，从而HC增加，i降低。消除方法：保温后，采用缓慢冷却到100-300℃的退火措施，这样在650-300℃之间Fe3C有足够的时间析出、长大为对磁性能影响不大的大颗粒夹杂物。*应用：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感应式和电磁式测量仪表的各种零件，扬声器的各种磁路，电话中的振动膜、磁屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金原料等。2.3.2硅钢（硅钢片或电工钢片）*在纯铁中加入少量硅，形成固溶体，这样提高了合金电阻率，减少了材料的涡流损耗。*缺点：电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作时涡流损耗大。*碳的质量分数在0.02％以下，硅的质量分数为1.5％-4.5％。常温下，Si在Fe中的固溶度大约为15％，但Fe-Si系合金随Si含量的增加加工性能变差（变脆），因此硅质量百分含量5％为一般硅钢制品的上限。*随硅含量的增加，不足之处在于：BS和TC降低；好处：K1和S降低i增加，HC降低，增加降低铁损*按照材料的生产方法、结晶织构和磁性能，电工用硅钢片可分为：热轧非织构(无取向)、冷轧非织构(无取向)、冷轧高斯织构(单取向)、冷轧立方织构(双取向)的硅钢片。*例：高斯织构符号(110)[001]；立方织构符号(100)[001]。*电工硅钢片制造工艺：热轧和冷轧两种，以在结晶温度为区分点。*应用：电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。2.3.3坡莫合金*1913年被开发出来，镍的质量分数为30％-90％的镍铁合金。*优点：很高的磁导率，成分范围宽，而且磁性能可通过改变成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。*缺点：BS低，Ni是高价金属。*Ni：75％~83%范围时，具有最佳的综合磁性能，但这一范围时BS较低。*应用：可用作在弱磁场下具有很高的铁芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁导率的脉冲变压器材料；还可用作各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等。2.3.4其它软磁合金*应用：由于价格优势，常用作Fe-Ni合金的替代品。1、铁铝合金*优点：价格低；通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料；合金具有较高的电阻率；具有较高的硬度、强度和耐磨性；合金密度低，可减轻元件重量；对应力不敏感，适于在冲击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好。2、铁硅铝合金*1932年在日本仙台被开发出来，因此又称为仙台斯特合金，成分为Fe－9.6Si－5.4Al。该成分时，K1和S几乎同时趋于零，且具有高和低HC。不需要高价的Co和Ni，且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想。*应用：直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定子材料、电话受话器的振动膜片，磁致伸缩材料。3、铁钴合金*优点：高的MS；Co~50％，同时有高的MS，i，max*缺点：加工性能较差；电阻率低，不适合在高频场合用；Co价格贵2.4铁氧体软磁材料*最早由荷兰菲利普实验室Snock于1935年研制成功。其磁性来源于亚铁磁性，故MS较金属低，但比金属的要高很多，因此具有良好的高频特性。*软磁铁氧体材料的特性要求（四高）：高i，高品质因数Q，高（时间、温度）稳定性，高截止频率fr。*除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求。比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好。*按晶体结构进行分类：*MnZn铁氧休是具有尖晶石结构的mMnFe2O4•nZnFe2O4与少量Fe3O4组成的单相固溶体。*低频段应用极广（～500kHz以下），优点：磁滞损耗低，相同磁导率情况下居里温度较NiZn高，i高(可达4×104～1×105)，价格低廉。*NiZn铁氧体：高频软磁材料，1－100MHz。1MHz以下时，其性能不如MnZn铁氧体，而在1MHz以上时，优于MnZn铁氧体，因它具有多孔性及高电阻率。*特点：频带宽，体积小，重量轻；起步晚，与国外差距大；Ni价格高，小于30MHz时，可用MgZn铁氧体替代（性能稍差）。*立方晶系铁氧体的使用频率：数百兆赫之下；平面型六角晶系铁氧体：在i值相同的情况下，fr较立方晶系高5－10倍。*从应用角度软磁铁氧体大致可分为：（1）高磁导率材料，i104；（2）低损耗、高稳定性材料，高Q值，低DF值；（3）高频、大磁场用的材料；（4）高饱和Bs低功耗材料（功率铁氧体）；（5）甚高频六角铁氧体；（6）其他铁氧体：如温感、湿感、电波吸收、电极等材料。2.5纳米晶软磁材料*特征：（1）短程有序，长程无序；（2）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；（3）电阻率比同种晶态材料高，适用高频(涡流损耗小)；（4）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；（5）机械强度较高且硬度较高；（6）抗化学腐蚀能力强，抗射线及中子等辐射能力强。2.5.1非晶态软磁材料(具有优良的综合磁性能)一、非晶态软磁材料的结构和性能*目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：1)3d过渡金属(T)－非金属系。其中T为Fe，Co，Ni等；非金属为B，C，Si、P等。铁基：BS较高；铁镍基：磁导率较高；钴基：适宜作为高频开关电源变压器。2)3d过渡金属(T)－金属系。金属为Ti，Zr，Nb，Ta等。3)过渡金属(T)－稀土类金属(RE)系。其中T为Fe，Co；RE为Gd，Tb，Dy，Nd等。二、制备与应用非晶态：结晶化前的中间状态，亚稳态。冷却速度足够快且冷至足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来。制备方法：1、气相沉积法晶态材料原子（离解）气相（无规沉积）到低温冷却基体上形成非晶态此类技术主要有：真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等2、液相急冷法（大多采用此法）熔融合金（用加压惰性气体）液态合金从石英喷嘴中喷出形成均匀的熔融金属细流连续喷射到高速旋转的冷却辊表面液态合金以106～108K/S高速冷却形成非晶态3、高能粒子注入采用大功率高能粒子输入加热晶态材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶态。高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄层非晶材料，常用于改善表面特性。*铁基非晶带的损耗仅为传统Fe-Si合金的1/3，但由于成本较高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用。钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）2.5.2纳米晶软磁材料1988年，日本日立金属公司的Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）。特点：高BS，高i，低损耗，铁基原材料成本低廉；晶粒尺寸减小，矫顽力降低*目前已经开发或正在开发研究的系统：Fe-Cu-M-Si-B（M为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）Fe-M-C和Fe-M-V（M为Ta等耐热金属）最著名的为Finemet纳米微晶软磁材料，其组成为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，晶粒尺寸约为10nm。*制备方法：非晶晶化法非晶条带，在略高于非晶晶化温度下退火一定时间，使之纳米晶化。