第三章金属磁性材料(软磁)

本节主要内容
• 3.1 金属软磁材料
– 3.1.1 软磁材料的重要指标 – 3.1.2 纯铁和低碳钢 – 3.1.3 铁硅合金 – 3.1.4 镍铁合金 – 3.1.5 非晶态软磁合金 – 3.1.6 软磁合金应用举例
概述
• 软磁材-soft magnetic material 具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软
2、阿姆柯铁
含C ≤ 0.025%、 Mn ≤0.035%、 P≤0.015%、S≤0.05%、 Cu≤0.08%。磁性能：μi=2000~5000、μm=6000~15000、 Hc=0.5 ~1.5(×79.6A/m)
3、羰基铁
由Fe（Co）5分解而成，纯度高。磁性能：μi=2000~3000、 μm=20000~21500、Br=0.5 ~1.0(T)、Hc=0.08(×79.6A/m)、 ρ=9.6(×10-8 Ω.m)
金属磁性材料
• 金属和合金组成的金属磁性材料 • 金属氧化物组成的铁氧体磁性材料 • 金属磁性的内部原子结构包括:晶态和非晶
态 • 金属磁性材料分为:软磁合金,硬磁合金,矩磁
合金和压磁合金. • 把矫顽力小于0.8kA/m的材料称为软磁合金，
而把矫顽力大于0.8kA/m的材料称为硬磁合 金。
3.1.1 软磁材料的重要指标
铁镍合金相图
铁镍合金相图
由相图可以看出
• 含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由单一的面 心立方结构的γ相组成。
• 在合金含量小于30%时，γ相在较低温度下可通过马氏体 相变转变为体心立方的α相，这种结构转变有明显的热滞 现象，即升温时的α→γ转变温度和降温时γ→α的转变温 度不重合。两相区难以确定。
心立方中铁原子间的间隙位置，导致晶格畸变， 产生内应力，使纯铁的磁导率下降、矫顽力上升。 析出物使磁性能不断变坏。
• 实验室采用真空熔炼、电子束容量和区域提纯。 工业采用氢气退火的方法。
• 工业纯铁的热轧或冷轧板材经退火，由于再结晶 和晶粒长大，可以使磁导率和矫顽力得到改善。
• 低碳钢指含碳量小于0.1wt％的铁碳合金。 • 实际用的低碳钢带，含碳量约0.05～0.8wt％。厚
• 涡流损耗-软磁材料在交流下磁化时,由于电阻率很低而
产生的强大涡电流,最后以焦耳热的形式散失的能量损耗.
• 降低涡流损耗的途径
– 将软磁合金扎制成薄片,薄片之间保持良好的绝缘,,做成 叠层铁心.
– 趋肤效应-铁片的厚度不能超过趋肤深度.
• 反常损耗-磁导率的变化,磁畴结构的变化导致局 部磁通的变化, 而形成微观涡流损耗.
磁性材料的性能可以采用两类不同的参量 来描述：
• 结构不灵敏量：饱和磁化强度Ms，居里温 度Tc，饱和磁致伸缩系数λs，磁晶各向异 性常数K1，K2，电阻率ρ，―材料的基本 常数―由材料的成分所决定.
• 结构灵敏量：磁导率μ，矫顽力Hc，铁芯功 率损耗P―由掺杂、晶粒取向、晶粒尺寸等 “外部”因素决定.
⑶温度＜1400℃ 体心立方 顺磁性的δ－Fe
硅对合金性能的影响
硅对合金性能的影响
• 硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大， 饱和磁致伸缩系数可以逐渐趋于零。这对提高磁导率和降低矫顽力是有利 的。
• 添加硅可以提高合金的电阻率。这对降低涡流损耗特别重要。 • 铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机
非晶态合金的获得
• 急冷
非晶态软磁合金的特性
非晶态软磁合金的缺点
非晶态软磁合金的应用
• 变压器 • 电机 • 开关电源 • 漏电保护器 • 磁屏蔽 • 磁分离介质
3.1.6 软磁合金应用举例
• 常用软磁元器件 • 电磁感应 • 磁屏蔽 • 磁性力 • 矩形磁滞回线
知识点
• 1.软磁材料的重要指标
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 。
软磁材料分类
• ①纯铁和低碳钢 • ②铁硅系合金 • ③铁铝系合金 • ④铁硅铝系合金 • ⑤镍铁系合金 • ⑥铁钴系合金 • ⑦软磁铁氧体 • ⑧非晶态软磁合金 • ⑨超微晶软磁合金
4、真空热处理
在真空气氛（乇以下）保护下进行高温退火，可消除材料 的应力，并去除部分杂质，比普通退火好。
作用：
– 防止材料在热处理中氧化 – 防止在材料热处理中渗入杂质 – 在热处理中帮助去除杂质，特别是气态杂质 – 消除应力
缺点：
– 在真空气氛下，合金某些成分易挥发，使成分偏离 – 工艺复杂，成本高
第三章 金属磁性材料(软磁)
上节内容回顾 本节主要内容
知识点 作业
上节内容回顾
• 1.1 原子的磁性 • 1.2 大块材料的磁性 • 1.3 交换作用与强磁性 • 1.4 强磁性形成条件及磁性的分类 • 1.5 磁性材料中的磁畴结构 • 1.6 多畴结构的成因 • 1.7 影响磁畴结构的因素 • 1.8 磁化过程 • 1.9 磁化过程的阻滞
硅钢片的制备
• 非取向硅钢片
– 热轧硅钢片 – 冷轧硅钢片
• 晶粒取向硅钢片
– 单取向硅钢片－戈斯织构 – (110)[001] – 双取向硅钢片－立方织构 – (100)[001]
3.1.4 镍铁合金
一、概述 含Ni为30%~90%的铁-镍系软磁合金一般 统称为坡莫合金（或叵姆合金）。
1、特点
• 在相当于Ni3Fe成分处会发生有序和无序相转变。有序化 转变温度在506℃。
合金成分对电磁性能的影响
合金成分对电磁性能的影响
合金成分对电磁性能的影响
• 居里温度
– 在含Ni量为0~10%和65~100%两个成分范围内，居里温 度随镍含量的增加而下降。
– 当含镍量为35%左右时，由于非磁性相的出现，居里温 度急剧下降。
的重量有利。 • 硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的
O2合成SiO2，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳和 氧所引起的老化现象。 • 硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。 • 饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。 • 硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。
度为0.5mm和0.65mm两种。
工业纯铁
一、特点
纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。 室温性能：Bs=2.15(T),居里点Tc=770℃,μm=20000, ρ=0.1×10-6(Ω·m)。 杂质对其性能有较大影响。
碳含量低 矫顽力低 磁导率高 导热性和加工性好 有一定的耐腐蚀性和价格便宜 电阻率低，不能在交流磁场中应用
5、氢气热处理
在H2气氛保护下进行高温退火
作用：
– 防止材料在热处理中氧化 – 防止在材料在热处理中渗入杂质 – 在热处理中去除杂质 – 消除应力
缺点：
– 要求氢气纯高，成本高 – 温度和氢气流量较难控制
3.1.2 纯铁和低碳钢
• 纯铁－纯度在99.8wt％以上的铁。 • C、N、O和S杂质对纯铁影响最大，它们占据体
• γ回线的大小对合金的含C量十分敏感。对铁硅合金，应 使含C下降到0.01%以下。
Fe的晶体结构
⑴ 常压下，温度＜910℃, 为体心立方（bcc）， 铁磁性的α－Fe， 居里温度为770 ℃ ， 易磁化方向为<100>, 难磁化方向为<111>
⑵910 ℃ ＜温度＜1400℃ 面心立方, 顺磁性的γ－Fe
铁硅合金相图
由相图可以看出
• 随着合金含硅量的增加，α→γ的转变温度上升，γ→δ的 转变温度下降，两者在大约2.5% Si处相交，形成一封闭 的“γ回线”。
• 3.2%Si-Fe合金来说，当温度从室温上升到熔点的过程中， 不会发生任何结构转变，并始终保持单一的体心立方结构， 这对在较高温度下进行再结晶退火十分有利，同时，当温 度从高温缓慢冷却到室温时，又不会象纯铁那样受到 δ→γ和γ →α转变的干扰，因此这种合金很容易制成单晶。
3、高温退火
将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温， 得到接近平衡组织的热处理过程。 作用： – 消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。 退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶 – 恢复——原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。 – 再结晶——在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。
3.1.1 软磁材料的重要指标
• 静态应用：
– 磁化曲线 – 饱和磁感应强度 – 磁导率（初始磁导率和最大磁导率）
• 动态应用：
– 高的饱和磁感应强度 – 磁导率 – 较低的能量损耗
交流应用中的能量损耗
• 磁滞损耗-软磁材料在交流下磁化时,每周期所损耗的部
分能量可用磁滞回线的面积来衡量.P=K·A·f; P=C·f·Bm1.6.
某些软磁合金的典型磁性能（合金已完全退火）
工业纯铁的室温性能
3.1.3 铁硅合金
• 铁硅合金也称硅钢、硅钢片或电工钢片。是最 重要的铁芯材料。
• 铁硅合金作为铁芯材料，具有比纯铁更低的铁 芯损耗。
• 1900—1930年，炼钢和热轧加工技术 • 1934~60年 晶粒取向、热处理、玻璃涂层 • 1983~至今年 辐射
• 2.交流应用中的能量损耗和较低能量损耗的 方法
• 3.铁硅合金－硅钢 • 4.镍铁合金－坡莫合金－permalloy • 5. 非晶态软磁合金
作业
• 1．简述软磁材料的重要指标及提高软磁性 能的措施
• 2．简述铁硅合金
– 成份范围很窄，性能可以通过成份和热处理工 艺来调整，可以满足各种要求
– 加工性能好 – 低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫
顽力
镍铁合金-分类
含Ni量：低镍合金小于45% 中镍合金45%~70% 高镍合金70%~80%