磁性材料金属磁性材料部分.pptx
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1、什么是金属磁性材料?由金属、合金、及金属间化合物所组成的磁性材料。一般分为:金属软磁材料和金属永磁材料。分类原子内部结构晶态合金非晶态合金磁性能特点软磁合金 硬磁合金 矩磁合金 压磁合金(磁致伸缩材料)第1页/共113页金属软磁材料(HC800 A/M)应用:电力工业、通讯技术、自动控制、微波技术、雷达技术及磁记录方面不可缺少的关键材料。作用形式:能量转换;信息处理。特点:在外磁场作用下才显示磁性,去掉外磁场后不对外显示磁性。金属永磁材料应用:精密的仪器仪表;电讯、电声器件;工业设备;控制器件;其它器件。作用原理利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度;利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩,使电
2、能转化为机械能。特点充磁后,去掉外磁场后仍可保留磁性。第2页/共113页第二章金属磁性材的理论基础第二章金属磁性材的理论基础铁磁金属和合金的结构和磁性相变、脱溶和失稳分解金属软磁材料的理论基础金属磁性材料的损耗金属永磁材料的理论基础金属磁性材料的织构化第3页/共113页2.1铁磁金属和合金的结构和磁性一、铁磁金属的结构和磁性一、铁磁金属的结构和磁性(一)铁、镍、钴的晶体结构和磁性(一)铁、镍、钴的晶体结构和磁性Fe、Ni、Co的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构 Fe:常压下,温度910为体心立方(bcc),铁磁性的Fe,居里温度为770 ,易磁化方向为,难磁化方向为910
3、温度1400 面心立方,顺磁性的Fe 温度1400 体心立方 顺磁性的Fe第4页/共113页Ni:在常压下,在熔点以温范围内,均是面心立结构(fcc)为铁磁性的-Ni居里点为358易磁化方向为难磁化方向为 第5页/共113页Co:温度450 简单六方结构铁磁性的-Co居里点为1117易磁化方向为难磁化方向为和1010 温度450 至熔点面心立方-Co112010100001第6页/共113页3d过渡族元素的磁性来源Fe、Ni、Co:3d电子的交换相互作用,铁磁性(2.2B,0.6B,1.7B)Cr、Mn:3d电子的直接交换相互作用,反铁磁性Cr、Mn的合金或化合物:3d电子的超交换相互作用,亚
4、铁磁性或铁磁性第7页/共113页、稀土族元素的结构和磁性、稀土族元素的结构和磁性 结构 主要指原子序数为57(La)至71(Lu)的15个元素,加 上性质类似的Y和Sc;晶体结构大都为密排六方结构。磁性Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性,但磁 矩的取向随温度而变。Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁 磁性。Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素,但Y、Sc、Yb 的离子具有磁矩。第8页/共113页二、合金的组成和磁性二、合金的组成和磁性、相图的作用、相图的作用1、什么是相图?金属或合金所处的状态主要依赖于其成分
5、和外界条件(温度、压力)的变化。相图就是用图解的形式来表示金属或合金的组织随成分、温度、压力等变化的关系。注意:相图又称为相平衡图,反映的是合金在平衡条件下转变的规律。2、相图的构成单元系:成分不变,由压力-温度直角坐标平面图表示二元系:温度、压力、成分的立体图。由于一般情况下,压力常为恒定,相图简化为温度、成分的直角坐标平面图。三元系:(压力恒定)是一个立体图,底面呈正三角形(成分三角形),三条底边上-的含量百分数。垂直于底面的纵轴表示温度。(加图示)三角形内任何一点代表一定成分的三元合金。第9页/共113页2、相律和杠杆定理、相律 是指在平衡条件下,合金系统的组元数、相数和自由度数之间的关
6、系式。可以用下式表示:f=c-p+n f=c-p+1(常压)f:自由度数 c:组元数 p:平衡时相数 n:外界条件可变的数目应用:应用:分析系统中最多能有多少相可以平衡共存分析结晶是在恒温还是在一定温度范围内进行例如:二元系合金,C=2,令f=0,则p=3(三个平衡相)二元系合金,如结晶时,p=2,则f=2-2+1=1(变温)如结晶时,p=3,则f=2-3+1=0 (恒温)第10页/共113页(2)、杠杆定理合金在结晶过程中,各相的成分及其相对含量将发生变化。对于相图中的两相区,可以应用所谓杠杆定律求出这两相的成分及相对含量。在A-B二元系中,任选一合金p,它的成分是Xp(组元B的浓度),组元
7、A的浓度为(1-Xp),在温度T时处于二相平衡,和两相中组元B的浓度分别为Xa和Xb,而组元A的浓度为()和(),设合金的重量为1,和的相对量分别为C的C。这样P点处两相中同一组元含量之和必等于合金P中相应组元的含,可得两个方程式:CXa+CXb=XpC(1-Xa)+C(1-Xb)=1-XpTT1ABabpXa Xp Xb第11页/共113页3 二元合金常见相图的类型和特征LL+L+L+LLL L+L+第12页/共113页(二)、合金的组成(二)、合金的组成1、基本概念合金:由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元:组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素,也
8、可以是化合物。相:合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀部分。组织:材料内部的微观形貌图象。2、合金的基本相 固溶体 金属间化合物据结构的基本特点可分为第13页/共113页固溶体定义:固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀固体。溶质只能以原子状态溶解,在结构上必须保持溶剂组元的点阵类型。分类据溶剂类型一次固溶体二次固溶体按固溶度有限固溶体无限固溶体按溶质原子的占位置换固溶体间隙固溶体按溶剂、溶质原子间相对分布无序固溶体有序固溶体第14页/共113页金属间化合物 合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大,或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限,就不可能形成固溶体,这时
9、,金属与金属、或金属与非金属之间常按一定比例和一定顺序,共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物统称为金属间化合物。稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物,其中许多是强磁性化合物,著名的高性能永磁合金SmCo5和Sm2Co17就是典型的例子。金属 间化合物可以大约写出其分子式,但不一定满足正常化合价平衡的规律。第15页/共113页(三)、合金的磁性3d过渡族合金的结构和磁性稀土族合金的结构和磁性固溶体的结构和磁性第16页/共113页1、3d过渡族合金的结构和磁性多为无序固溶体,且多显示铁磁性;合金的自发磁化与平均外层电子数(3d+4s)成函数关系(斯莱特-泡林曲线)
10、(图示)2.稀土族合金的结构和磁性多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料。晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合,而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。第17页/共113页3 固溶体的结构和磁性 磁性合金,大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体;少数有序固溶体;相当多的金属间化合物。形成 置换固溶体时,磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不同的交换作用,和非磁性组元间不存在交换作用,致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变,材料基本磁特性就改变。另一方面,由于溶质、溶剂原子尺寸的差别,引起晶格畸
11、变,存在应力,使材料的二次磁特性改变,特别对软磁不利。形成间隙固溶体时,产生的应力比置换固溶体的大,对二次磁特性影响很大。有序化对磁性的影响很大,一方面是有序和无序固溶体原子环境不同,其交换相互作用不同,使基本磁特性变化;另一方面,在有序核形成初期,晶格畸变,而有序化后,有、无序共存都会产生应力,使二次磁特性也改变。本征磁特性;二次磁特性back第18页/共113页2.2 相变、脱溶和失稳分解一、固态相变1、定义当外界条件(温度、压强)作连续变化时,固体物质在确定的条件下,其化学成分或浓度、结构类型、晶体组织、有序度、体积、形状、物理特性等一项或多项发生突变。2、相变的驱动力和阻力 相变的方向
12、 G0 G=G=VgVgv vVVVV 驱动力:VgVgv v 总的化学自由能 阻力:总界面能V和总应变能V3、金属磁性材料的固态相变主要通过热处理工艺来控制。对于软磁,常通过高温退火,让材料在室温附近保持均匀的单相,使界面能和应变能尽量降低,以获得高()和低(Hc),对于永磁常通过淬火和低温时效处理,让材料具有多相结构,来提高(Br)和(Hc)。第19页/共113页二、过饱和固溶体的脱溶二、过饱和固溶体的脱溶1、定义:过饱和固溶体析出第二相,而其母相仍然保留,但浓度由过饱和达到饱和的相变。条件:固溶度随温度、成份、压强变化。2、分类连续脱溶不连续脱溶3、脱溶过程 GP区 “:母相 GP区:溶
13、质原子偏聚区 、“:过渡相:新相 平衡相:应变能最小,界面能最高;过渡相;应变能居中而偏高,界面能居中而偏低GP区:界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响 、金属软磁合金使杂质从合金中脱熔;控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用,特别是析出硬化磁钢。第20页/共113页3、脱溶过程 GP区 “:母相 GP区:溶质原子偏聚区 、“:过渡相 :新相 平衡相:应变能最小,界面能最高;过渡相;应变能居中而偏高,界面能居中而偏低GP区:界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响 、金属软磁合金使杂质从合金中脱熔;控制杂质的分布状态。可以有效地
14、改善合金的软磁特性。金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用,特别是析出硬化磁钢第21页/共113页三、失稳分解三、失稳分解过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶,形成非均匀的混合固溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化到适当的状态范围,也可以发生全域性均匀的普遍脱熔,也就是发生匀相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。1、概念当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足 时,此固溶体就会失去稳定,而出现幅度越来越大的成分涨落,并最终分解为两相。2、特点匀相转变,全域性的均匀、连续分解,系统中各处几乎是同时发生,并非形核成长过程。浓度波幅度越来越大的涨落
15、是依靠逆扩散来进行的。产生的两相和母相的晶格类型是相同 的,仅晶格常数稍有偏差。3、对金属永磁材料的影响分解时,控制磁性相成单畴,或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高的矫顽力,具有优异的永磁特性。第22页/共113页2.3 金属磁性材料的织构化一、织构化的概念一、织构化的概念一、织构化的概念一、织构化的概念在材料结构一定的情况下,其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排列的状态,称为织构。使多晶材料产生织构就是织构化。织构的种类:结晶织构结晶织构 磁性织构磁性织构 双重织构双重织构第23页/共113页二、磁性织构的形成、磁场热处理将磁性材料加热到居里温度附近,这时加上直流磁场,让磁性材料在磁场中保温一
16、定时间并慢冷(或控速冷却)到室温。所加磁场的方向为该材料的宏观易磁化方向。磁伸缩理论能解释部分材料的磁场热处理效果纯金属s0,无磁场热处理效果合金s0,却仍然磁场热处理效果好奈耳谷口原子对方向性有序化理论、磁场成型将具有形状各向异性的非单畴永磁粉末,在磁场中压制或成型(挤压、注塑)制成粘结体,或再经适当温度烧结成永磁体,这些永磁体就具有磁性织构。第24页/共113页二、结晶织构的形成二、结晶织构的形成、反复冷轧热处理 应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列、定向结晶使磁性合金从熔融状态开始,严格控制温度梯度进行冷却,让结晶沿一定方向进行,从而得到定向结晶。冷金属板法发热铸型法蜂巢铸型法
17、第25页/共113页概述理论基础工业纯铁铁硅合金铁镍合金铁粉芯纳米晶软磁合金第三章金属软磁材料第26页/共113页3.1 3.1 概述概述一、性能的基本要求贮能高高的饱和磁感应强度灵敏度高初始磁导率,最大磁导率,脉冲磁导率效率高Hc低,电阻率高,损耗小回线矩形比高稳定性好 磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高第27页/共113页二、金属软磁材料的理论基础影响磁导率的因素;提高磁导率的措施;损耗(一)、影响磁导率的因素机理:可逆磁畴转动 可逆畴壁位移动力:饱和磁化强度阻力:内应力、参杂、空泡、晶界1、可逆磁畴转动2、可逆畴壁位移 其中畴壁厚度杂质直径杂质体积浓度第28页/共113页(二)、提高磁导率
18、的措施 1、提高饱和磁化强度Ms 2、有效方法,使K10,s0 3、高温退火 4、真空热处理 5、氢气热处理 6、使材料杂质相对集中 7、真空熔炼、精炼 8、进行织构化第29页/共113页1、提高饱和磁化强度MsMs主要由材料的成分决定,而所有软磁材料都含有铁,要想在很大程度上提高饱和磁化强度是不可能的。提高Ms不能作为改善磁性能的主要途径。例如:含镍量为79%左右的镍铁合金经特殊的热处理后,初始磁导率和最大磁导率可以比铁-硅合金高几倍至几百倍,但其Ms却只有后者的一半左右。第30页/共113页2 2、有效方法,使、有效方法,使K1K100,ss00 控制成分,使控制成分,使K1K1K1K10
19、000,ssss0000,甚至同时为零。使磁导率大大,甚至同时为零。使磁导率大大提高。提高。控制有序相和无序相的比例。控制有序相和无序相的比例。控制配方控制配方 控制冷速控制冷速3 3、高温退火、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,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。得到接近平衡组织的热处理过程。作用:作用:消除应力,改善金属和合金的内部组织结构。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 恢复恢复原子在晶粒范围
20、内活动,晶格恢复完整,晶粒大小不原子在晶粒范围内活动,晶格恢复完整,晶粒大小不变。变。再结晶再结晶在高温下,晶粒长大,材料应力进一步下降。在高温下,晶粒长大,材料应力进一步下降。第31页/共113页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32页/共113页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
21、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6、使材料杂质相对集中7、真空熔炼、精炼8、进行织构化第33页/共113页三、常见金属软磁材料三、常见金属软磁材料工业纯铁工业纯铁铁硅合金铁硅合金铁镍合金铁镍合金铁铝合金铁铝合金铝硅铁合金铝硅铁合金非晶及纳米晶软磁合金非晶及纳米晶软磁合金磁介质磁介质第34页/共113页3.2 3.2 工业纯铁工业纯铁一、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f=770,m=20000,=0.110-6(.m)。杂质对其性能有较大影响,见表(5.1.1 252页)。碳含量低矫顽力低磁导率高导热性和
22、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二、应用作金属磁性材料的重要原料在直流磁场中,作为恒定磁场中的磁导体。如作磁极和磁屏蔽。第35页/共113页三、分类1、电解铁含有0.050.02%C、Mn 0.01%、P0.005%、S0.004%、Al0.01%、Cu0.015%。电磁性能:i=500、m=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.6(10-8.m)2、阿姆柯铁含C 0.025%、Mn 0.035%、P0.015%、S0.05%、Cu0.08%。磁性能:i=20005000、m=600015000、Hc=0.5 1.5(79.6A
23、/m)3、羰基铁由Fe(Co)5分解而成,纯度高。磁性能:i=20003000、m=2000021500、Br=0.5 1.0(T)、Hc=0.08(79.6A/m)、=9.6(10-8.m)第36页/共113页3.3 3.3 铁硅合金铁硅合金铁硅合金,通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动机、和发电机等电力设备和通信设备中,它是最重要的铁芯材料,在国民经济中占有重要的地位。19001930年,炼钢和热轧加工技术193460年 晶粒取向、热处理、玻璃涂层1983至今年 辐射第37页/共113页一、铁硅合金相图第38页/共113页由相图可以看出随着合金含硅量的增加,的转变温度上升,的转变温度下
24、降,两者在大约2.5%Si处相交,形成一封闭的“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和 转变的干扰,因此这种合金很容易制成单晶。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。第39页/共113页再结晶:当加热温度较高时,变形金属的显微组织发生显著的变化,破碎的、被拉长的晶粒全部转变成均匀而细小的等轴晶粒。再结晶时金属不发生晶格类型的变化,而是形成无晶格畸和加工硬化的新晶粒,晶粒的形状和大
25、小也发生了相应的变化。BACK第40页/共113页二、硅对合金性能的影响第41页/共113页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,饱和磁致伸缩系数和可以逐渐趋于零。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
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