现代不锈钢材料:结构、性能、特点和应用

对不锈钢材料进行了概述,并详细论述了不锈钢材料的微观结构及其对性能的影响,及不锈钢的磁性能与其它性能之间的关系,并对影响不锈钢磁性能的因素进行了分析。接着,对现代铁素体不锈钢材料及其物理性能作了简要介绍,着重介绍了现代铁素体不锈钢材料的分类及描述其性能的主要技术参数,并把该材料与常用的几种软磁合金进行了对比,最后讨论了现代铁素体不锈钢材料的性能特点。在此基础上,对在使用现代铁素体不锈钢材料过程中人们普遍关心的几个问题进行了分析,如饱和磁化、耐蚀能力、易切削性、矫顽力等,并详细讨论了合金元素对材料性能的影响,以供设计人员和材料开发人员参考。

现代不锈钢材料:结构、性能、特点和应用

（续上期） 3现代不锈钢的微结构及分类 3.1不锈钢的组成及显微结构 通常将钢与铁合称为钢铁。我们知道,钢的主要成分是铁与碳,含碳量多少是区别钢铁材料的主要标准。一般碳元素和铁元素形成的化合物叫铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大,含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。

现代不锈钢材料:结构、性能、特点和应用

随着现代制造业、机电一体化和电气自动化技术的不断发展，在产品设计中对材料的综合性能提出了越来越高的要求，同时提高材料的综合性能也已成为当下研究的热点。另外，随着使用在苛刻环境中的材料的增多，对材料的耐蚀性能也提出了各种要求。软磁铁素体不锈钢对于许多机电装置的使用非常关键，只有为这些装置提供最佳的磁性能，才能保证正确的输出信号和响应时间，例如，汽车中的燃料喷射器、燃油泵、防抱死制动系统(ABS)的电磁铁和主动悬挂调整系统等等。铁素体不锈钢的其它重要用途还有工业电磁铁、控制腐蚀性液体流量的泵、各种类型的铁芯、电枢和继电器以及用于调节腐蚀性化学品流量的阀门等等。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料：结构、性能、特点和应用

2磁粉芯的磁学理论基础我们已经知道,金属软磁磁粉芯主要用来制作用于各个科技领域的各种高性能电感元件,其优异的性能来源于其独特的微观结构。磁粉芯的理论之所以复杂,并不是因为所涉及的理论有多么高深,而是因为涉及的领域比较多,一个人很难一下子就能懂这么多学科领域。涉及的行业也比较多,不是一个人很快就能熟悉的。

现代不锈钢材料:结构、性能、特点和应用

（续上期） 5现代铁素体不锈钢 5.1铁素体不锈钢的市场优势 随着机电一体化技术的发展,自动监控技术和远程控制操作技术等在包括家用电器的各个产业领域的应用日益增多,智能化产品的发展速度加快,特别是利用电磁力作为开关元件、控制单元的器件发展很快,如制动器、继电器、电磁阀等,材料的工作环境也越来越复杂。在这些单元使用的磁芯都要求有高的磁导率μr、低的矫顽力Hc等,

现代不锈钢材料:结构、性能、特点和应用

6铁素体不锈钢的主要特点6.1铁素体不锈钢的主要性能参数具有耐蚀能力的软磁合金必须在多种腐蚀环境中的关键控制装置和系统中工作而不受到损害，因此应该选择在维持最佳磁性能、成本和制备特性等的情况下能适应耐蚀环境的软磁合金。良好的耐蚀能力对许多工作在液体环境的部件也非常关键，特别是存在氯化物的场合，因为对像电磁阀这样的部件，会在其固有缝隙处引起腐蚀。如果有些产品在服务前必须存放在某些温和的腐蚀环境中，在设计时还应该考虑能否给这些合金提供产品的延长保存期，以保证在储存期间不生锈。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料：结构、性能、特点和应用

(续上期)2.2退磁场和退磁因子从磁性理论上讲,由于磁偶极矩的存在,处在外磁场Happ中有限大小的磁体在磁化后,其内部都会产生一个与外磁场Happ方向相反的场,这个场就叫退磁场Hd。退磁场只依赖于两个因素:材料中的磁化强度M、样品的形状(也就是由样品几何形状决定的磁极间隔)。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期)6.3.2纳米晶磁粉芯在软磁材料中,磁粉芯具有极大的潜力,并且其软磁性能可以在一个很大的范围内进行调节,主要方法是选择合适成分的软磁合金粉末、调整铁磁颗粒的体积和无磁绝缘介质的体积的相对含量等。如果不添加任何涂覆材料,纯铁烧结软磁体的磁导率可达2900~4700,加入Ni后磁导率可进一步提高,Fe-50%Ni烧结材料的磁导率更是高达21000。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期)5.2固体碳还原法生产铁粉5.2.1固体碳还原铁粉用还原剂还原金属氧化物及盐类来生产金属粉末是一种最广泛采用的制粉方法。还原剂可以是固态、气态及液态物质。例如,用固体碳(C)可以还原很多金属氧化物,通过这些氧化物可以制取相应的金属颗粒,如Fe、Mn、Cu、Ni、W等。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期)3磁粉芯的制备工艺过程磁粉芯的制备工艺主要是基于粉末冶金工艺,文献中甚至就叫PM工艺,即粉末冶金工艺。这主要是因为,磁粉芯的制备工艺是从粉末烧结软磁体过渡而来的。我们知道,粉末烧结软磁体的生产工艺就是典型的粉末冶金工艺,只是在制备粉末烧结软磁体时未对粉末进行绝缘包覆处理,而在制备磁粉芯时,增加了一道粉末颗粒表面绝缘处理工艺,但是整个工艺过程还是沿用了粉末冶金的工艺路线。

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3.2绝缘剂、粘结剂和润滑剂选择好适用的软磁粉末之后,就可以对软磁粉末进行绝缘处理了。对磁性合金粉末包覆绝缘粘结剂是制造磁粉芯的关键工序之一。一般情况下,绝缘剂同时也是粘结剂,如果有必要,还要加入偶联剂和润滑剂等。原则上虽然可以通过许多方法来制备磁粉芯,但是,为了与电工钢片竞争,在商业上只有几种技术可以利用,而且这些技术都涉及到利用介电材料。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期)2.4损耗磁芯损耗定义为磁芯在施加的交变(AC)场中吸收的功率,也就是磁芯在交流磁场作用下耗散在磁芯中的功率。这些损耗大都变为了热能,使磁芯的温度升高,工作效率降低,甚至损坏绝缘层。因此,在AC应用中对磁性材料进行评估时考虑的最重要的一个因素是就是功耗Pc。此外,一般地,对能量效率最大化的追求要求功耗越低越好。而随着电讯业和信息技术产业等的发展,需要软磁材料能够在愈来愈高的频率下工作。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

在完成了对软磁颗粒的制备和绝缘剂包覆工序之后,就需要把软磁粉末压制成一定的形状,从而制备出所需形状的磁粉芯。压制成型就是把经绝缘处理的磁性金属或合金粉末压制成一定形状的过程。压制一般是在模具中完成,因此也叫压模压制。压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后,压制成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的生坯的过程。磁粉芯的形状,通常为环形,现在也已经可以制备出其它异形的磁粉芯,如EI形、EE形等等,甚至出现了把线圈和磁粉压制为一体,直接压制成磁性器件的产品。这里要提醒的是,尽管加有粘结剂,刚成型的生毛坯还是非常易碎的,操作时要非常小心。

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(续上期)1.2磁粉芯发展的历史和技术史1.2.1磁粉芯在软磁材料中的地位和作用传统磁性材料,如高频电路中用来制作扼流圈的软磁铁氧体磁芯等,由于其低的Ms,导致磁芯的直流叠加性能比较差。而一般工作在强场下的电工钢等合金材料,由于已经处于高场区,因此其直流叠加性能也不佳。专门生产的恒导磁合金的应用频率一般都不高。

现代不锈钢材料:结构、性能、特点和应用

软磁不锈钢所具有的优良综合性能与合金元素是密不可分的，所以很有必要结合合金元素对材料的性能进行分析。当然，想要对主要合金元素对材料性能的主要贡献及其影响有理解，先要知道这些元素和性质之间的关系。除Fe和C之外，在合金钢中使用的元素有很多，其中很重要的元素包括Al、Ti、Nb、N、S、Se、Mn、Ni、Cr、Mo、V、W、Si、Cu、Co和B等。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期)3.4热处理压制好生坯之后,就可根据工艺要求对生坯进行热处理了。热处理是磁粉芯的制造工艺中最关键的一步,因为通过这个工艺过程,产品将获得最终的磁性和机械性能等。热处理过程的三个主要因素是时间、温度和气氛。材料不同,热处理温度也不相同。所使用的热处理炉的不同、最终产品的尺寸大小不同,所需的烧结时间也很不相同。对于粉末烧结软磁体,这个过程也叫烧结过程。对于磁粉芯,有时也叫退火,但习惯上也叫烧结,虽然温度远达不到烧结温度。但由于经过这个过程,磁粉芯将最终成型,这个过程也涉及到磁粉芯中粘结绝缘剂的固化,使磁粉芯获得足够的强度,因此,不严格地,也叫烧结过程。有时烧结结束,还要进行二次退火。在烧结过程中磁粉芯将收缩到最终的尺寸。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

6.3磁粉芯的研究方向现在已经明确,磁粉芯未来主要有两个发展方向:(1)瞄准更低频的应用,特别是工作频率在50/60 Hz即工频的那些应用。磁粉芯的磁性能会受到软磁颗粒材料和工艺过程的影响。同一种粉末,可以探索两种途径:从理论上讲,典型的方法是通过优化粘结剂的含量,获得更高的密度,相应地就会增强磁粉芯的磁性能,如增大μr和Ms。第二种方案是综合使用绝缘材料和粉末基润滑材料促进成型过程。而且,正在研究不使用热压而能维持好的磁性能的方法。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期) 6磁粉芯的应用及发展趋势 软磁磁粉芯是研究开发最早的软磁材料之一,到现在为止,已经有一百多年的发展历程。从1980年以后,软磁磁粉芯开始在电源领域中大量应用。这里的“磁粉”,不仅仅是“金属软磁磁粉”,也包括非晶合金和纳米晶合金磁粉,甚至有可能包括金属氧化物磁性颗粒。

软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用

(续上期)5.5磁性粉末的种类粉末烧结软磁体是由软磁粉末压制烧结而成,磁粉芯是由软磁合金粉末与作为绝缘体的黏结相组成,是一种软磁复合材料。最终制品都是由软磁粉末压制成型与烧结后,直接得到的致密材料或零件。

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5磁粉芯材料我们从前面已经知道,粉末冶金制品(包括粉末烧结体和磁粉芯等)的生产工艺流程都是从制取原料——粉末开始的。这些软磁粉末可以是纯铁,也可以是其它软磁合金和化合物等。生产上制取粉末的方法有很多种,采用哪种方法制取粉末,或者用哪种粉末制备软磁粉末烧结体和磁粉芯,不仅取决于技术上有可能使用的这些制粉方法(如还原、研磨、电解等),而且还由于粉末及其制品的质量在很大程度上取决于采用的制粉方法。我们知道,粉末的颗粒大小、颗粒分布、形貌、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等都取决于制粉的方法。因此,有必要对这些方法及其原理做一些简单的了解,当然,由于涉及的方法有很多,无法一一列举,这里只能对常见的方法做一些简单介绍,更专业的知识可参看相关的书籍和资料。