1 材料種類
海綿鐵從1910年開始生產,但直到1946年瑞典赫格納斯公司才建立起世界*家鐵粉廠,現(xiàn)在鐵粉生產已成為一種工業(yè)。60年代建立起霧化制粉工藝,整個鐵粉工業(yè)年產鐵粉逾80萬ｔ。這種材料大部分用于
粉末冶金工業(yè),按嚴格技術要求生產終形制品。高純度與高壓縮性鐵粉的開發(fā),為粉末冶金制品開辟了軟磁應用領域。
采用粉末冶金技術,壓制鐵粉并在高溫下燒結,可得到相當于純鐵鑄件的軟磁部件。不損害壓縮性的合金化方法的開發(fā),提供了大量的合金化材料。合金添加劑提高電阻率,導致較低的渦流損耗。合金化材料在高溫下燒結也可得到高磁導率(圖1)。可是,合金添加劑也降低飽和磁感,而且合金含量在商業(yè)使用上還有一個限度。一般認為,這些材料適合于直流電應用,或很低頻率的應用。
減少鐵顆粒渦流損耗的另一種方法是在顆粒之間引入絕緣層。絕緣層可以是有機樹脂材料或無機材料,因而這些材料是軟磁復合材料。絕緣層可以有效地降低渦流損耗,但絕緣層的作用像氣隙一樣,因而也降低了磁導率。通常用降低絕緣層厚度、壓制到高密度和進行熱處理消除或減少應力來部分地恢復磁導率。性能的變化取決于所使用的頻率。因而*近幾年迅速發(fā)展了一系列材料與工藝。
軟磁復合材料的*新開發(fā),旨在生產可在較低頻率下使用的部件。像電機一類通常是在50-60Ｈｚ頻率下工作,但微型化趨勢可能將頻率增加到100Ｈｚ或300Ｈｚ。將低頻應用的燒結軟磁材料與50Ｈｚ應用的軟磁復合材料對比一下是有趣的。這種對比是在50Ｈｚ與0 5Ｔ條件下進行的,因為在較高磁感下的渦流損耗比例相當大,對于燒結材料性能的測定是困難的(圖2)。
由圖2可以看到,高電阻率的燒結材料在50Ｈｚ下的總損耗接近于軟磁復合材料的總損耗。而燒結材料的總損耗中渦流損耗占有很高比例,而軟磁復合材料的總損耗幾乎全是磁滯損耗。
圖3對比了軟磁復合材料的直流磁滯曲線與50Ｈｚ時的磁滯曲線,這些曲線實際上是相同的,因而證實總損耗幾乎全是磁滯損耗。圖4為一種高電阻率材料(含3%Ｓｉ的燒結鐵)在直流和在0 05Ｈｚ、0 5Ｈｚ和50Ｈｚ交流時的磁滯曲線[1]。磁滯曲線的面積隨頻率的增加而增加,證實存在著渦流損耗。
低頻到中頻應用的傳統(tǒng)材料是疊層鋼片。堆疊鋼片或堆疊前將鋼片表面絕緣,可降低堆疊方向上的渦流。平行于鋼片方向上顯示出金屬合金的高磁導率和損耗值(圖5)。在低到中頻使用的粉末材料幾乎都是霧化鐵粉。燒結材料要經(jīng)受高達1250℃的高溫,這保證了擴散與良好的顆粒接觸(圖6)。軟磁復合材料在不高于500℃的溫度進行熱處理,因而它本身限制了燒結材料那樣的顆粒接觸(圖7)。
圖8說明了表面絕緣的效果,這里純鐵粉與添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ的絕緣粉Ｓｏｍａｌｏｙ500,均在800ＭＰａ壓制(密度7 34ｇ/ｃｍ3)并在空氣中于500℃熱處理30ｍｉｎ。
圖9示出在50Ｈｚ時的總損耗是相似的,但純鐵的總損耗由于較高比例的渦流損耗比例而從60Ｈｚ開始迅速增大。表面絕緣層能耐500℃熱處理,并保持低的渦流損耗[2]。圖9 圖8中50Ｈｚ到200Ｈｚ間隔的放大圖
2 工藝參數(shù)對性能的影響
現(xiàn)在可由市場上買到低、中頻應用的基于軟磁復合材料技術的一系列材料。圖10對比了三種低、中頻材料,它們都是基于霧化鐵粉添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ,800ＭＰａ壓制,500℃空氣中熱處理30ｍｉｎ。一種材料是ＡＢＭ100 32,粒度小于150μｍ(100目),具有無機表面絕緣層。另兩種材料是Ｓｏｍａｌｏｙ550,粒度小于400μｍ(40目)和Ｓｏｍａｌｏｙ500,粒度小于150μｍ(100目)。這兩種材料具有相同的無機表面絕緣層,并說明了較大粒度對總損耗的影響。Ｓｏｍａｌｏｙ550具有較高的總損耗,*大直流磁導率為550,而Ｓｏｍａｌｏｙ500具有較低的總損耗,*大直流磁導率為500。0 65ｍｍ厚的1018疊層鋼與冷軋硅鋼用于對比。
混粉,壓制與熱處理的粉末冶金工藝(圖11),將決定所能達到的力學與磁學性能。以Ｓｏｍａｌｏｙ500為例,說明不同工藝的影響。在混粉階段添加潤滑劑有兩種選擇。Ｋｅｎｏｌｕｂｅ潤滑劑用于傳統(tǒng)壓制,ＬＢ1是一種潤滑粘結劑,用于傳統(tǒng)壓制和溫壓。
為得到較高的強度,在混粉階段也可加入有機粘結劑。可是,因為大多數(shù)粘結劑并非有效的潤滑劑,因而工業(yè)生產上既需要粘結劑也需要潤滑劑。*低的潤滑劑添加量,如0 5%和*低的粘結劑添加量,如0 5%,可能導致總有機添加量為1%,在壓制后使密度降低。這種材料通常用作1ｋＨｚ到1ＭＨｚ的高頻鐵芯。在低頻應用的情形中,為獲得高磁感,高密度是很重要的。像ＬＢ1一類潤滑粘結劑,當在混粉階段加入時,既起潤滑作用又起粘結作用,在固化后可達到較高的橫向斷裂強度(100ＭＰａ)。因而總的有機添加量可限制到0 6%。
不使用粘結劑也可達到高橫向斷裂強度(100ＭＰａ到200ＭＰａ)。這種高橫向斷裂強度是用蒸汽處理得到的,通常它是用于改善燒結材料耐腐蝕性能的一種技術。這樣處理的材料,適合于低頻應用,因為這種處理增大了渦流損耗[3]。
如圖12所示,工藝路線也影響磁性能。所選取的潤滑劑或粘結劑需進行固化或熱處理。500℃熱處理溫度將消除一定程度的應力。有機粘結劑必須在較低的溫度下固化,起不到或很少起到應力消除作用,因而磁滯損耗較高,導致總損耗較高。
如果材料用于高頻范圍,則也可使用ＬＢ1和低固化溫度。圖13對比了添加0 6%ＬＢ1,分別在400,600和800ＭＰａ壓制和在175℃固化60ｍｉｎ的Ｓｏｍａｌｏｙ500材料的磁導率。頻率在大約≤100ｋＨｚ下,磁導率大致保持不變,因而可以用作鐵芯。
3 應用技術要求
傳統(tǒng)上,電機在50Ｈｚ或60Ｈｚ下工作,但有向高頻(低于400Ｈｚ)發(fā)展的趨勢。這些頻率遠低于鐵粉芯傳統(tǒng)上使用的1ｋＨｚ到1ＭＨｚ的頻率范圍。具有高純度,良好壓縮性和*小氣隙的廣泛的軟磁復合材料,適合于這些應用[4,5]。
像熱傳導率一類性能對馬達的應用是令人感興趣的,因為馬達的工作溫度可能高達150℃。由于銅繞組絕緣的限制因素,通常溫度不能更高。與疊片鋼不同,軟磁復合材料的熱傳導性是三維的,而疊片鋼在疊片方向上的熱傳導率很低,當材料處于熱循環(huán)周期時,有機粘結劑的存在可導致熱傳導率的不可逆變化。
表1對比了添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ和在500℃熱處理的Ｓｏｍａｌｏｙ500與添加0 6%ＬＢ1和進行傳統(tǒng)壓制以及在275℃固化的Ｓｏｍａｌｏｙ500的熱傳導率。由表1可見,添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ的Ｓｏｍａｌｏｙ的熱傳導率很穩(wěn)定,而添加0 6%ＬＢ1的Ｓｏｍａｌｏｙ500的熱傳導率隨熱循環(huán)而變化。
某些應用如汽車上的應用,可能要求在由制冷到高溫的一個很大的溫度范圍內工作。由于馬達的精度要求,在設計階段需要像線性熱膨脹一類的資料。圖14對比了添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ、800ＭＰａ壓制和500℃熱處理的Ｓｏｍａｌｏｙ500與鐵的熱膨脹系數(shù)(1/Ｋ·10-6)。
疲勞強度是與軟磁復合材料工業(yè)應用相關的另一個問題。
圖15示出添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ、800ＭＰａ壓制、空氣中500℃熱處理30ｍｉｎＳｏｍａｌｏｙ500的疲勞強度。電機約在≤150℃的溫度下運行,若高于此溫度,對繞組等進行絕緣較為困難。圖15對比了室溫下與150℃下測定的疲勞強度。這種材料具有相對低的橫向斷裂強度,但疲勞強度比預料的要高。
4 應用
圖16與圖17是某些軟磁燒結材料的直流與很低頻率交流的應用[1]。圖16是ＡＢＳ制動器的輪速傳感環(huán),這種應用可選用鐵、鐵/磷或鐵素體不銹鋼材料。需要有一定的耐蝕性,因此在使用鐵或鐵/磷的情況中,部件必須有保護涂層。圖17是脈沖調制電路,如計算機的打印頭。
軟磁復合材料絕緣顆粒用于制作電機,大多需要3維馬達設計。一種橫向磁通電機便是一例(圖18)[5]。馬達的重新設計,特別是永磁電機的重新設計,可以利用3維傳熱的優(yōu)點。圖19中的單齒伺服馬達設計便是一例[5]�？s小齒面積導致較短端繞組,緊湊的馬達,減少銅線繞組體積并提高了熱性能。
這僅僅是英格蘭紐卡斯爾大學鑒定的近20個原型設計中的兩個。
參考文獻
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