土木专业建筑学磁性功能材料二第一课时随堂讲义

第二章磁性功能材料第二节软磁材料2.1概述2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料2.1概述（一）发展历史（二）定义，基本要求（三）分类2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料既容易磁化，又容易退磁功能：能量、信息的转换、传输和存储的作用。（一）发展历史能够迅速的响应外磁场的变化，低损耗的获得高磁感应强度应用广泛，使用最多电工纯铁，硅钢，坡莫合金：发电机和电动机的定子和转子变压器、电感器、继电器和镇流器的铁芯软磁铁氧体：变压器、磁头、开关等应用广泛，使用最多非晶，纳米晶2.1概述（一）发展历史（二）定义，基本要求（三）分类2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料软磁材料是具有低矫顽力、高磁导率的材料。（二）定义，基本要求基本要求：（1）高的饱和磁感应强度（2）低的矫顽力（3）高的磁导率（μi，μmax）（4）稳定性要好（5）损耗低2.1概述（一）发展历史（二）定义，基本要求（三）分类2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料（三）软磁材料的分类：按材料的成分电工纯铁Fe-Si合金Ni-Fe合金Fe-Al合金Fe-Co合金……晶态非晶态纳米晶2.1概述2.2电工纯铁和电工钢（一）电工纯铁（二）电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料指纯度在99.8%以上的铁，且不含有任何故意添加的合金化元素。最早，最常用资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。表2-3国产纯铁的化学成分（质量分数）（%）牌号名称化学成分不大于CSiMnSPNiCrCuAlDT1沸腾纯铁0.040.030.100.0300.0150.200.100.15DT2高纯度沸腾纯铁0.0250.020.0350.0250.0150.200.100.15DT3镇静纯铁0.040.200.200.0150.0200.200.100.200.55DT4无时效镇静纯铁0.0250.200.150.0150.0150.200.100.200.20~0.55（一）电工纯铁表2-4国产电工纯铁的磁性（YB200-75）磁性等级牌号Hc/A·m-1不大于μm不小于磁感应值（T）不小于B400B800B2000B4000B8000普通DT3、DT4、DT5、DT6、DT89660001.41.51.671.711.8高级DT3A、DT4A、DT5A、DT6A、DT8A727000特级DT4E489000超级DT4C、DT6C3212000影响电工纯铁性能的主要因素1.杂质元素C,N,O,Mn,S,P,Ni,Cr，Cu，Al等。在高温时固溶的碳成为过饱和的间隙原子，造成晶格畸变，产生附加的内应力；以Fe3C的微粒析出，钉扎畴壁磁时效现象：电工纯铁在长期使用过程中磁导率逐步下降，矫顽力上升（有时可达30%-50%）的现象。高温，氢气中退火降低金属中C含量；缓慢退火，Fe3C足够的时间长大；人工时效防止磁时效发生的途径：2.冷加工在材料内部产生缺陷和应力，导致矫顽力提高，磁导率下降。再结晶退火对于其他杂质，改进熔炼工艺，钢液真空处理，尽量减少杂质用途：直流电机和电磁铁铁芯，继电器铁芯，永久磁路中的导磁体和磁屏蔽，电话中磁屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极等。直流电机铁芯2.1概述2.2电工纯铁和电工钢（一）电工纯铁（二）电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料（二）电工钢（Fe-Si合金）Fe-Si合金主要指低C（C≤0.015%，最好是≤0.005%与低Si（Si+Al≤1%）和Si含量在0.5%-6.5%范围内的Fe-Si软磁合金。（C0.02%，Si:1.5%～4.5%的合金）Si在Fe的溶解度为15%，存在、、（FeSi）、（Fe5Si3）相。只有是铁磁性的。Fe-Si相图BCC结构，001方向易磁化方向，111难磁化方向性能与Si含量有关影响Fe-Si合金磁性能的因素1.Si的含量磁性能机械性能普通取向硅钢偏离角7°，Bs=1.82-1.85T高磁感取向硅钢偏离角3°，Bs=1.92-1.95T2.杂质元素——越低越好3.晶粒的取向类型和取向度主要工艺普通取向硅钢高磁感取向硅钢（A）方案（B）方案抑制剂MnS（或MnSe）AlN+MnSMnSe+Sb铸坯加热温度/℃1350～13701280～14001350～1370常化温度/℃不常化或900～9501100～1150900～950第一次冷轧压下率/%7085～8760-70中间退火温度/℃850～950850～950第二次冷轧压下率/%50～5560～70脱碳退火温度/℃800～850（在湿H2+N2中）高温退火温度/℃1180～12001180～1200（820～900）×50hr+（1180～1200）项目类别硅含量（wt%）公称厚度/mm热轧硅钢板（无取向）热轧低硅钢（热轧电机钢）1.0-2.50.50热轧高硅钢（热轧变压器钢）3.0-4.50.35和0.50冷轧电工钢板无取向电工钢（冷轧电机钢）低碳电工钢0.50.35和0.50硅钢0.5~3.20.35和0.50取向硅钢（冷轧变压器钢）普通取向硅钢2.9~3.30.20,0.23,0.270.30和0.50高磁感取向硅钢2.9~3.3电工钢板的分类2.1概述2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料2.3Ni-Fe系软磁合金是指含镍量在35%至90%的镍铁合金。Fe-Ni合金的磁性能随成分变化关系图：Ni含量在81%左右时，λs=0Ni含量在76%左右时，K=0Ni含量在50%左右时，Bs=1.6T最高在Ni3Fe成分点附近，有一个有序-无序转变，缓冷时形成Ni3Fe有序相，使得K增大，磁导率μ下降。高初始磁导磁合金：高磁感应强度合金：通过调整Ni含量、添加第三、第四组元，或者采用磁场热处理（形成纵向或横向畴结构）、应力热处理等手段，Ni-Fe合金可作成高导磁合金，高起始导磁率合金，高矩形比合金，恒导磁率合金等。79Ni-4~6Mo-Fe矩形磁滞回线Ni-Fe-M多元系软磁合金低剩磁和恒导磁合金硬坡莫合金……几种有代表性的Ni-Fe-M合金79Ni-4~6Mo-Fe少量Mo代替Fe，使得电阻率提高，Tc和Bs稍有下降，但是Ni3Fe有序化温度也有所下降，抑制了有序化，从而可以用一般的冷速得到无序的Ni3（FeMo）合金，使得λs，K趋于0，大大提高其磁导率。矩形磁滞回线Ni-Fe-M多元系软磁合金65Ni-2Mo（Mn）-Fe合金Tc较高（约600℃），经过真空轧制和纵向磁场热（在T≤Tc附近的温度施加一定强度的磁场，磁场方向与轧制方向即应用方向平行）处理后，可获得矩形磁滞回线的合金。磁存储材料是电子计算机存储器所用的磁性材料。较早应用的是磁滞回线接近矩形的矩磁材料，利用其两个剩磁态+Br和-Br表示计算机中的“1”和“0”状态低剩磁和恒导磁合金65Ni-1Mn-Fe合金，经真空冶炼，冷轧到一定厚度的薄带后，经横向磁场处理（在T≤Tc附近的温度施加一定强度的磁场，磁场方向与轧面方向平行但与轧制方向垂直）后，即可获得恒导磁和低剩磁的合金。磁学特性制作工艺条件按JISC2531，各种坡莫合金的特色及用途按JIS2531的分类及记号材料名组成（Fe为余量）初始磁导率μi最大磁导率μmax饱和磁通密度Bs/T矫顽力Hc(A/m)电阻率(ρ/(μΩ.m)坡莫合金78坡莫合金Fe78.5Ni80001000000.8640.16600℃急冷坡莫合金PB（wt：40～50%）45坡莫合金Fe45Ni2500250001.62.40.451050℃退火第1种（PB-N）高磁通密度材料（继电器，变换器等）HipemikFe50Ni4000700001.60.40.41200℃氢气氛退火MonimaxFe-47Ni-3Mo2000350001.50.80.81125℃氢气氛退火第2种（PC-S）高磁导率材料，高磁通密度材料（继电器，变换器等）SinimaxFe-43Ni-3Si3000350001.10.80.9RadiometalFe-45Ni-5Cu2000200001.53.20.61050℃退火坡莫合金PC（wt%70~80%之外，还含有其他一些特殊成分1040AlloyFe-72Ni-14Cu-3Mo400001000000.60.20.61100℃氢气氛退火第1种（PC-N）高磁导率材料，变换器，磁屏蔽等）MumetalFe-77Ni-5Cu-2Cr200001000000.5240.61175℃氢气氛退火Mo坡莫合金Fe-79Ni-4Mn200001000000.870.50.551000℃退火+合适冷却速度第2种（PC-S）超高磁导率材料（环形铁芯，变换器等）超坡莫合金Fe-79Ni-5Mo100006000000.630.160.61300℃退火+合适冷却速度第3种（PC-T）高磁导率材料，具有优良的信号保真性（磁头等）坡莫合金PD(wt%:35~40%)36坡莫合金Fe-36Ni3000200001.51.60.75第1种（PD-1）高电阻率，高磁导率材料（变换器等）第2种（PD-2）高电阻率材料，磁导率的上升率小（变换器等）坡莫合金PE（wt%45%~55%)Permenom5000ZFe-50Ni500400001.50.8-2.40.498%以上的冷轧变形+退火（再结晶组织(001)[001],矩形磁滞回线第1种（PE-1）矩形磁滞回线材料（环型铁芯，变换器等）DeltamaxFe-50Ni50020001.50.80.4第2种（PE-2）矩形磁滞回线刺啦（变换器等）2.1概述2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金在纯铁的基础上加入（0-33wt%）Al形成α-Fe（Al）固溶体，具有BCC结构。在13.9%和32.6%处形成有序化合物Fe3Al和FeAl。在12%Al附近，处于有序态时，K趋于0，λs可高达100x10-6，可作为磁致伸缩材料。缺点：冷加工困难Fe-Al系软磁合金合金牌号品种厚度μiμmaxHc（A/m)B(T)Bs(T)λs1316热轧薄板0.356000300003.980.65（B30）0.41313热轧带材0.35360-6605000～10000501.1（B30）35x10-61312热轧带材0.35250025000121.2（B30）0.5116冷轧带0.52000～550015000～50000481.35（B30）0.5在Fe中加入Co，可使合金的Bs提高，当Co含量为40%时，Bs约为2.4T，Tc高达980℃缺点：昂贵，加工性能较差少量添加元素如V，Cr可改善冷加工性能Fe-Co系软磁合金2.1概述2.2电工纯铁和电工钢2.3Fe-Ni合金2.4Fe-Al系和Fe-Co系软磁合金2.5铁氧体软磁材料2.6非晶，纳米晶软磁材料2.5铁氧体软磁材料铁氧体是指铁的氧化物和其他一种或几种金属氧化物组成的复合氧化物等，是具有亚铁磁性的强磁性材料。如Mn-Zn系、Ni-Zn系，Mg-Zn系、Li-Zn系和Cu-Zn系等。软磁铁氧体材料一般要求有高磁导率、高Ms、低Hc、低