金属软磁材料课件

关于金属软磁材料第1页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三1.软磁材料2.铁硅系合金3.铁硅铝系合金第2页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三一.软磁材料第3页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三概述软磁材料-softmgneticmaterial具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。如硅钢片、纯铁等。特点是易磁化、易去磁且磁滞回线较窄。软磁材料常用来制作电机、变压器、电磁铁等电器的铁心。软磁材料易于磁化，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。第4页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三简史RalphHadfield在英国中部Sheffield市，他父亲的钢铁厂工作时，注意到一对转动着的齿轮，由于生产上的错误，使硅含量过高(超过1.5%)而损坏。经过多年的试验后，W.F.Barrett，W.Brown和B.A.Haffield在1900~1903年间，写出了揭示硅铁的重要性的一系列论文。他们指出:加入硅和铝可有效的降低铁的磁滞损失并增加导磁率和电阻率。虽然铝对铁的影响和硅相似，但因铝含有氧化物，使铝铁不能成为工业用的重要产品。据上述的原因，制造者们都竞相生产工业上理想的铁硅合金。生产工业用理想的硅钢制品的能力，是世界电力工业发展的重要因素。第5页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三软磁材料-应用1.强电流器件的应用，一般在准静态或低频，大电流下使用；如电磁铁，功率变压器，电机等的铁芯。2.弱电流器件的应用，一般在频率较高，弱电流下使用。如通讯设备中接收天线线圈的磁芯，电子线路中的小变压器铁芯等。第6页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三软磁材料-性能由于软磁材料在不同的情况下使用，因此，根据不同使用条件，它应具备下面的不同性质。在准静态或低频电流下，它应具备的性能为：1.在低磁场下，就能磁化达到它的饱和磁化强度的百分之80-90，即它的起始磁导率要高，而且饱和磁化强度也要高。2.没有（尽可能小）晶体各向异性。3.磁致神缩常数要小，避免应力使它产生各向异性；这类大都是金属或合金软磁材料。第7页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三如在交变磁场中使用，软磁材料的磁滞迴线应尽可能小。因磁损失和磁滞迴线的面积成正比。低频时，要求软磁材料有高起始磁导率，高饱和磁化强度和低矫顽力。但在较高频率使用时，饱和磁化强度高的要求要受限制。在十分高频使用时，由于涡流损失与频率的平方成正比，故要求软磁材料有高电阻是最重要的；大都使用铁氧体软磁材料第8页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三软磁材料-类别1.纯铁和铁硅钢，其矫顽力在2-100奥斯特之间；起始磁导率和饱和磁化强度的乘积等于1.6-2.3（T).2.铁鈷软磁合金，其矫顽力在15-100奥斯特之间；起始磁导率和饱和磁化强度的乘积等于1.8-2.4（T).3.铁镍合金：其矫顽力在0.5-10奥斯特之间。起始磁导率和饱和磁化强度的乘积等于0.6-1.5（T).4.软磁铁氧体，其矫顽力在2-100之间，起始磁导率和饱和磁化强度的乘积等于0.1-0.4（T).第9页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三上世纪后期出现的非晶和微晶软磁材料发展很快。主要因为这类软磁没有磁各向异性；而且电阻率高，非晶的矫顽力只有0.1奥斯特，仅为铁硅钢的十分之一，磁滞迴线和损失都小。所以发展很快。而且还在发展中。第10页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三二.铁硅合金第11页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅合金Fe-Sialloy

含硅0.5%～4.5%的铁合金。为硅在铁中的置换固溶体，属立方晶系。饱和磁感应强度为1.6～1.9T，铁损1～8W/kg。除了冲片使用外，常做成薄带，卷绕成铁芯。采用冷轧或进而热处理的方法获取结构(晶粒定向排列)。电力工业中用于电机、变压器等。电子工业中主要用于电源变压器、磁放大器等。第12页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三第13页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅相图第14页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三产品规格①硅钢片为减少涡流损耗，需将铁硅合金热轧成0.35或0.5毫米的片材，冲成一定形状，叠片使用，因此一般称为硅钢片。它在电力工业中的用量最大，所以也常叫电工钢。②冷轧铁硅合金带，在沿轧制方向形成高斯织构，在轧制方向使用时能充分利用其磁性能，降低损耗。根据使用频率不同，带的厚度也不同（一般为0.02—0.2毫米）。实际应用时要将冷轧铁硅合金带绝缘，卷绕，最后制成一定形状（如E形，C形等）的磁芯。第15页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅合金铁芯第16页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三电机变压器第17页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三电源变压器磁放大器第18页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅合金的磁性能铁心损耗随Si含量上升而下降，其主要原因是可降低磁晶各向异性能，通过高温退火可消除有害杂质和缺陷（因压缩γ相范围）以及提高电阻率。在高饱和磁感应强度材料中，Si含量对损耗的影响明显。铁硅合金的饱和磁致伸缩系数λs、电阻率ρ、饱和磁感应强度Bs、磁晶各向异性常数K1、居里温度TC等磁性能随硅质量分数的变化第19页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三几种不同混合比例且经退火处理的铁硅混合粉末与商用Fe87Si13混合粉末在不同频率下的磁导率给出了5.85～8.2GHz频段铁硅混合粉末的磁导率。除了Fe87Si13混合粉末之外，其他样品均为机械混合，并对其进行300℃的退火处理。其中Fe75Si25的磁导率最高，接近于纯铁，而工业品的Fe87Si13却很低，这表明铁硅合金的磁性能与制造工艺也有很大关系。第20页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三

当Si含量为6.5wt%时，其磁导率高，矫顽力低，磁滞损耗低，电阻率高，磁致伸缩极小，经过单辊（gǔn）法淬火处理的铁硅合金可用作变压器铁心。研究发现，铸造出的合金不具有取向性，1373K的温度下处理1h，可使合金再结晶，形成再结晶组织，从而改善合金的磁性能，提高了磁导率并且降低了矫顽力。

铁硅合金晶体的[001]方向是易磁化方向，因此，除了提高硅含量、减小片材厚度及控制磁畴结构等方法可以降低铁损外，还可通过冷轧和退火的办法获得[001]方向的择优取向来获得高性能取向硅钢片。同时退火温度和速率也会影响到Fe87Si13的磁性能，其中500℃油淬火样品的磁性能最优，损耗低，相对磁导率高。第21页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三当代研究成果展示铁硅合金的放电等离子烧结行为：以雾化Fe粉和FeSi合金粉末为原料,采用放电等离子烧结(SPS)制备Fe-6.5%Si高硅硅钢片,通过XRD,SEM等测试手段对样品进行分析。结果表明,铁硅合金的烧结过程可以分为4个阶段;当温度为1100℃时气孔率为1.48%;烧结过程中主要发生以Fe3Si颗粒为核心反应扩散,烧结初期为颗粒间的紧密结合,烧结中期颗粒的界面处有Fe3Si相生成,形成FeSi过渡层,烧结后期直接形成了Fe(Si)的单一固溶体相。

第22页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三当代研究成果展示低能离子束方法制备磁性Fe-Si合金薄膜：利用质量分离的低能离子束技术,获得了磁性FeSi合金薄膜。利用俄歇电子能谱法(AES)、X射线衍射法(XRD)以及交变梯度样品磁强计(AGM)测试了样品的组分、结构以及磁特性。测试结果表明在室温下制备的FeSi合金是Fe组分渐变的非晶薄膜,具有室温铁磁性。当衬底温度为300℃时制备的非晶FeSi薄膜中有Fe硅化物FeSi相产生,样品的铁磁性被抑制。第23页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三当代研究成果展示Fe-Si合金的机械合金化及其相变研究：为了探讨机械合金化法制备Fe-Si合金的有效性,研究了Fe-Si的机械合金化及其相变.用扫描电子显微镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪研究了Fe-Si粉体的机械合金化过程,结果表明:球磨初期,韧性的Fe粉体磨成块状,脆性的Si粉体磨成小颗粒;随着球磨强度的增加,韧性的Fe粉体形成层片状而脆性的Si颗粒则分布在Fe的层片间或层片上;最后,Fe-Si粉体通过原子扩散实现机械合金化.因此,Fe,Si粉体在球磨机转速400r/min、球料比40∶1的条件下,球磨15h可以合金化.机械合金化后的Fe-Si合金经过1243K退火1h可得到单相的α-FeSi2;机械合金化后的Fe-Si合金经过1243K退火1h再冷却到1073K保温1h可得到单相的β-FeSi2.因而,单相的α-FeSi2或β-FeSi2可通过对机械合金化的Fe-Si合金进行热处理获得.第24页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三当代研究成果展示

太阳能专用铁硅合金软磁材料及其制造方法：本发明涉及磁性物体的制造方法,尤其涉及种太阳能专用铁硅合金软磁材料及其制造方法。太阳能专用铁硅合金软磁材料,该铁硅合金软磁材料由以下的组分压制成型：铁硅粉末,其中Si的重量含量为2%～8%,余量为Fe；对铁硅粉末表面处理的磷酸,为铁硅合金粉末重量的1.0%～1.5%；酚醛树脂,为铁硅合金粉末重量的0.3%～0.8%。本发明具有以下优点：1、制作工艺简单,使用设备简单；2、采用价低的铁硅粉末,生产成本大大降低；3、采用此种方法制作的产品,具有良好的电感量,较高的品质因数,较低的功率损耗值；4、在较高的温度条件下,铁硅合金仍能保持优异的软磁性能。第25页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三当代研究成果展示铁硅合金(XFLUX®)提供中低频率的电感器和扼流圈下一种经济型的高饱和度(1.6T)解决方案。高饱和度有利于在负载設計下电感是关鍵的应用，如使用新能源(太阳能/风能/混合动力)的变频器，功率因数校正推动，和不间断电源UPS。铁硅合金磁粉芯具有分布式气隙，由6.5％的硅铁粉末制成，其磁芯损耗比铁粉芯更低。第26页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅(Fe-Si)合金复合磁粉芯第27页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三三.铁硅铝合金第28页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅铝合金是由85%铁,9%硅,6%铝的合金粉末,经过特殊工艺处理.压制成环状或E型磁粉芯，市场上通常称之为KoolMμ磁粉芯或Sendust磁粉芯.在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。第29页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁硅铝系合金具有高起始磁导率的软磁合金。典型成分为含硅、铝、铁。铁硅铝系合金分为Sendust合金和Supersendust合金两类。前者的标准成分是9.6%Si一5.4%Al一Fe，后者的标准成分是6%Si一4%Al一3.2%Ni一Fe。Sendust合金的磁性对成分、合金的纯度以及热处理工艺极为敏感。它与高Ni坡莫合金一样。Supersendust合金对磁场处理敏感。应用Fe一51一Al系合金由于价廉，起始磁导率和饱和磁感强度Bs较高，硬度（HV）和电阻率户也高，耐磨性好，适合用作磁头材料，特别是与高矫顽力的金属磁带匹配使用的录音或录象磁头；也可作价廉的磁卡磁头芯片材料。第30页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三第31页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三基本特征1.铁硅铝合金原材料中不含贵金属,如Ni,M0,成本低于含Ni的高磁通磁粉芯和铁镍钼磁粉芯。价格比铁粉芯略贵些。磁滞系数低,可制成低噪声滤波器。2.铁硅铝合金磁粉芯，温度稳定性好,温度系数可与其他电容构成复合部件，有很好的温度补偿作用。第32页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三3.铁硅铝合金磁粉芯最大磁感应强度达到10500高斯。4.铁硅铝合金磁粉芯损耗低,远低于铁粉芯。高频工作条件下，磁粉芯的温升还远低于铁粉芯,可以和MPP和HighFlux磁粉芯相比。5.铁硅铝合金磁粉芯有很好的直流迭加特性，可在大电流状态下工作。第33页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三第34页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三应用1)开关调整器电感.EMB最适合于用在开关电源储能源电感中。有高达10500高斯和磁感比开口铁氧体的能量储存能力高，磁粉芯温升比铁粉芯低得多,在同样应用前提下,比铁粉芯尺寸小。2)线性噪声滤波器EMB磁粉芯是可做的理想的线性噪声滤波器,它与铁氧体磁芯相比有较小的尺寸，可用较少的线圈，磁芯的伸缩接近于零,所以用在音频范围内,降低噪声。3)功率因数校正脉冲变压器和回扫变压器，由于EMB磁粉芯具有高频低损耗的特点,所以成功应用于功率因数校正器中,同时也适合于脉冲变压器和回扫变压器.第35页，讲稿共41页，2023年5月2日，星期三铁-硅-铝合金吸波材料以高纯铁、硅、铝粉为原料,采用机械合金化(MA)法制备了铁-硅-铝合金粉,用XRD和矢量网络分析仪分别研究了不同球磨时间粉体的物相组成和铁-硅-铝合金吸波材料在1~18GHz频率范围内的电磁性能。结果表明:用MA法制备铁-硅