粉末冶金铁基软磁材料的发展与应用.pdf

第 2 O卷第 2 期 2 0 1 0年 4月 粉末 冶金 工业 POW DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 0 No ． 2 ADr ． 2 O1 0 粉末冶金铁基软磁材料 的发展与应用 Ka l a t h u r Na r a s i mh a n ， F r a n c i s Ha n e j k o， a n d Mi c h a e l L ． Ma r u c c Ho e g a n a e s Co r p o r a t i o n 1 0 0 1 Ta y l o r s La n e Ci n n a mi n s o n， NJ 0 8 0 7 7 摘 要 用粉末冶金工艺制作的软磁材料 ， 在电动机 、 压缩机及其他旋转装置中得到 了广泛应 用 。烧 结软磁 材料 广 泛应 用 于汽 车和 非汽 车领 域 。 为 了进 一 步发 展 粉 末 冶金 产 业 ， 近 年 来 开 发 了许 多 材 料 。 新 近 开 发 出 了 具 有 优 良 磁 感 应 强 度 与 矫 顽 力 的 ，高 密 度 软 磁 材 料 An c o r I a m 。其 于 8 8 0 MP a的压 力 下压 制 时 ， 生坯 密度 为 7 ． 5 5 g ／ c m。 ， 矫 顽 力为 3 1 0 A／ m， 电 阻率 为 8 0 0 0 mi c r o o h m c m， 及 生坯 强度 为 1 O 0 MP a 。这篇 文章 将 讨论 这 些材料 的 应 用。 关键 词 粉 末 冶金 ； 软 磁 材料 ； An c o r L a m； 发展 ； 绝缘铁 粉 中图分 类号 T F1 2 5 ． 8 文 献标识 码 A 文章 编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 O 1 0 0 2 0 0 4 3 0 4 GRoW T H OPPORTU NI TI ES W I T H PM SoFT M AGNETI C M ATERI ALS Ka l a t h u r Na r a s i mh a n， F r a n c i s Ha n e j k o， a n d Mi c h a e l L ． Ma r u c c i Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n 1 0 0 1 T a y l o r s L a n e C i n n a mi n s o n ， NJ 0 8 0 7 7 Ab s t r a c t So f t m a g ne t i c m a t e r i a l p r o du c e d b y us i ng po wde r m e t a l l ur gi c a l t e c hn i qu e s a r e ga i ni n g wi de s p r e a d us e i n m o t o r s ， c o mpr e s s o r s a nd ot he r r ot a t i ng d e vi c e s ． Si nt e r e d s o f t ma g ne t i c ma t e r i a l s a r e us e d e x t e n s i v e l y i n a ut omo t i v e a nd no n a u t o mot i ve a p pl i c a t i ons ． To f ur t h e r gr o w t h e PM i nd us t r y a nu m b e r o f ma t e r i a l s ha v e be e n d e v e l o pe d i n t he pa s t s e ve r a l ye a r s ． M o r e r e c e n t l y a hi g h d e ns i t y s o f t m a g ne t i c ma t e r i a l Anc o r La m wa s d e v e l o pe d wi t h e x c e l l e n t i n d u c t i o n a n d c o e r c i v e f o r c e ． A g r e e n d e n s i t y o f 7 ． 5 5 g ／ c m。a t 8 8 0 MPa ， c o e r c i v i t y o f 3 1 0 A／ m， r e s i s t i v i t y o f 8 0 0 0 mi c r o o h m c m， a n d a g r e e n s t r e n g t h o f i 0 0 MPa a r e a c hi e ve d ． Thi s p r e s e nt a t i o n wi l l di s c u s s a ppl i c a t i o n o f t he s e m a t e r i a l s ． Ke y wo r d s p owd e r me t a l l a r gy； s of t m a gne t i e ma t e r i a l ； A n c o r La m ； d e v e l o pme nt ； i n s u l a t e d i r on p owd e r 1 概 述 在 软磁 材料 中 ， 硅 钢 与铁 氧体 占 主导 地 位 。可 是 ， 和叠 层 硅钢 与低 碳钢 相 比 ， 粉 末冶 金 工艺具 有 可 成形 最终 形 状 的优 势 ， 而且 ， 在很 大 程 度上 ， 可 省 掉 后续作业 ， 诸 如 冲压 ， 磨加工 ， 珩磨 ， 钻孑 L 等。近 几 年 ， 用铁矿粉还原与水雾化法生产 的铁粉 ， 在磁性材 料 生产 中都 得到 了广 泛 应 用 。特 别 是 铁 粉 芯 ， 烧 结 收稿 日期 作者 简介 铁与铁合金及绝缘铁粉压制件尤其值得注意。表 1 示 粉末 冶 金软 磁材 料 的构 成 。 表 1 粉末冶 金软磁 材料的构成 *所有数据都是在外加磁场 1 5 Oe 1 1 9 A／ m 下测定 的。 铁 粉芯 是将 铁 粉弥 散 于塑料 或 聚合物 中压制成 2 00 9 0 6 1 0 Ka l a t h u r Na r a s i m h a n ， 博士 ， Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n副总裁兼首席技术官 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 粉末冶金工业 第 2 O卷 各种形状制成的。这些铁粉芯在很宽的频率范围内 磁导率恒定 。铁粉 芯是 铁氧体的成本最低 的替代 品 ， 而且其磁感应强度 比软磁铁氧体的高。铁粉芯 的应用包括有 ， 电源波型转换开关 ， 电感线圈及其他 的高频宽带应用。 烧结铁粉与铁一 磷合金粉材料能 和用于各种场 合 的低碳 钢进 行有 利地竞 争 。表 2中列 出了粉末 冶 金 磁性 材料 的典 型性能Ⅲ 。 表 2 在不 同温度下烧结的铁粉材料的典型磁性能 合金 系 典型密度 ／ g c m一 大体的相对 价格比值 ⋯ H B⋯ ／ k A m ／ T 电阻率 ／ un c In 1 8 0 0 ／ 3 5 0 0 2 5 0 0 ／ 6 0 0 0 2 0 0 0 ／ 5 0 0 0 5 0 0 ／1 0 0 0 5 0 0 0 ／ 1 5 0 0 0 水雾化铁粉可用于制作在磁通迥路 ， 传感器， 磁 解氨气氛中烧结。表 3中列出了这些材料能达到的 性螺线管及可动铁芯中用的磁性零件。这些在传统 典型磁性能。 的直流电中应用的零件需要经压制成形和在氢或分 表 3 不 同温度下烧结铁粉材料的典型磁 性能 材料 烧结温度 压制压力 烧结体密度H B 1 1 9 A／ m ／ c ／ MP a ／ g c m 。 ／ k A m一 ／ T 纯铁粉 *所 有 数 据 都 是 在外 加 磁 场 1 5 Oe 1 1 9 A／ mF 测 定 的 。 在需要较高的电阻率与磁感应强度时， 广泛采 用铁一 磷合金 ] 。通常使用的磷含量为 0 ． 4 5 ， 而在 某些场合， 磷含量为 0 ． 8 。磷有助于减小矫顽力 和增高烧结体密度 。添加磷还可改进材料的力学性 能 ， 诸 如屈 服强度 、 抗拉 强度 以及拉 伸伸长 率 。 一 种名 为“ ANC O RD E NS E ’ 的工 艺 现 在通 称 之为“ 温压 ” 可 较 大 的改 进 烧 结 软 磁 材 料 的性 能 。 温压是 ， 将铁粉与可能添加的磷铁粉和一种独特 的 润滑剂 系统 混合后 ， 于温 度 1 3 5 ～1 4 5 ℃下 进 行压 制 成形。这 使 制得 的 烧结 体 密度 比常规 压 制高 得 多_ 2 ] ， 烧 结体密 度可 高达 7 ． 5 7 g ／ c m。 并且 最 大磁 感 应强度 可达 1 5 5 0 0 0 G a u s s 1 ． 5 5 T 。虽然 ， 应用 中 有各种各样的烧结粉末合金 ， 但使用的范围较小 ， 例 如 F e S i ， Ni Mo ， F e S i AI 等 。 兹将 这几 种材 料 的应 用说 明如下 2 烧结铁一 磷产 品 铁一 磷预混合粉材料通常是在 1 I 2 0 C下， 于氢 或氮一 氢气氛中烧结。由于碳会使材料 的磁性能恶 化 ， 故 在 烧 结 时 应 避 免 吸 收 碳 。其 含 磷 量 一 般 为 0 ． 4 5 ％。可采用较高的含磷量 ， 但不得超过 0 ． 8 。 在 生产加 工含 磷量较 高 的材料 时 ， 必须 注意 ， 以免 产 生脆 化 问题 。这种 材料 的特性 和应用 如下 磁 感应 强度较 高 ， 但 电阻率 中常 ； 强度 与硬 度 良好 ； 有韧性 ， 可进行铆接 。 用作 低 速 步进 电动 机 的定 子 与 转子 ； 电起 动 机 ； 磁极 罩 ； 阀 控 制 的 致 动 器 ； 防抱 死 制 动 系 统 AB S 传感 器 。 3 铁一 硅合金 铁一 硅合 金 的含硅 量 通 常 为 1 ． 5 ～ 3 ． 0 。为 避免减低压缩性 ， 不采用预合金化铁一 硅合金粉 ， 而 是 ， 先将高达 3 3 的硅与铁经熔炼制成母合金 ， 然 后 ， 将 母合金 粉与铁 粉相混 合。于 1 2 6 0 ℃下 ， 在 1 0 0 9 ／ 5 H 的气氛气体下， 烧结预混合粉材料 ， 以使硅 扩散到铁中。这个合金系可用于下列场合。 对于中常频率 ， F e - S i 比 F e - P烧结零件更适应； F e s i 合金可用于涉及冲击的致动器 ； ∞ R 姗 ～T～ ∞ 趵～ 日 ／一 L _ 二L L L L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 Ka l a t h u r Na r a s i mh a n等 粉末冶金铁基软磁材料的发展与应用 4 5 F e S i 合金 可用 于 冲击 式打 印机 头 。 4 铁一 镍 合金 铁一 镍合 金 的 含 镍 量 通 常 为 5 0 ， 采 用 预 合 金 化粉 末 。这种 预 合 化 F e Ni 合 金 粉 的 压 缩 性 低 ， 可 于氢 或真 空气 氛 中 ， 在 1 2 6 0 ℃下烧 结 。这个 合 金 系 可用于下列场合 磁感应强度较低 ； 磁导率较高 ； 使 着在很 小 的 外 加 磁 场 下 可 以致 动 ； P e r me n d u r e 铁 钴 磁 性合 金 钴 5 0 ， 钒 1 ． 8 一 2 ． 1 9 ／ 6 ， 其 余 F e 可 产 生最高磁饱和感应 强度 。但是价格昂贵； 难以生产 加工 ； 在腐蚀重要 的场合 ， 4 0 9与 4 3 4 I 都是广泛用 于磁性传感器的不锈钢牌号 ； 一般而言 ， 其磁感应强 度 比 F e 或 F e P系材 料低 。 在磁性应用 中使用这些材料 时， 若烧结后需要 诸 如切 削加 工或 精 整 之 类 作业 时 ， 应 注 意使 零 件在 8 1 5 ℃下 退火 1 5 mi n ， 以消除应 力 。 当将 铁 磁性 材 料 用 于 因 时 间变 化 的 磁场 中 时 ， 诸 如在 交流 磁场 中 应 用 ， 必 须 考 虑 到 频 率对 磁性 材 料性 状 的影 响 。频 率 的 变 化会 影 响测 量 的磁 导 率 。 另外 ， 还 必须 考虑 到 处 于 变 化 磁 场 中 的材 料 相 关 的 “ 损耗” 。有关铁芯损耗和导磁率的概念详见参考文 献 [ 5 ] 。 5 绝缘铁粉 5 ． 1 制 备工 艺 粉末冶金学家一直希望用粉末金属零件替代层 叠 钢材 。层 叠钢 片 材需 冲压 成形 后 ， 叠层 及焊 接 ， 而 粉末金 属零 件可 一 步直 接成 形 。替 代层 叠钢 的粉 末 金 属工 艺 的开发 ， 是 受 到可 将 铁 芯 的涡 流 损 耗 限 定 在 涂敷 以电绝缘 层 的单个 颗 粒之 内的启发 。这种 材 料 主要 用 于诸如 电动机 ， 电感 线 圈铁 芯 ， 致 动 器等装 置 中 。 关 于这 种工 艺 ， Ho e g a n a e s 公 司 开 发 出 了涂 敷 以聚合 物 的铁粉 _ 3 ] 。这些 粉末 需 要 将 粉末 与 模具 加 热到 高温 。 为涂敷一个个铁粉颗粒 ， 开发了一种涂敷工艺 。 在制作零件时， 这种新粉末不需要将粉末进行加热 ， 而且使用 的是 中常模具 温度。这种粉 末 叫做 An c o r I a m 。新 开发 的这 种绝 缘铁 粉是 用 于 9 3 ℃下 加 热 的模具 进行 压制 成 形 。于 压制 压 力 8 0 0 MP a下 ， 压坯 密度 可 高达 7 ． 5 g ／ c m。 ， 电阻率 超 过 l 5 0 0 0 mi c r o O h m c m。这 些 压 坯 的 生 坯 强 度 取 决 于压 制 压 力 ， 于 8 0 0 MP a下 压 制 的 压 坯 ， 生 坯 强 度 约 为 1 0 0 M Pa。 为生产圆环生坯 ， 在绝缘铁粉中混入了润滑剂 ， 然后 压制 到 密度 7 ． 5 g ／ c m。 。圆 环 内径 对 外径 之 比 为 0 ． 6 7 。将 圆环 坯 在 氮 气 氛 中 ， 于 4 5 0 ℃ 下 固 化 1 h 。用 工业 用磁 滞 曲线 绘 制仪 测 定 铁 芯 的性 能 。直 流部分曲线是依据 AS TM A 7 7 3 ／ 7 7 3 一 M1和交流部 分曲线是依据 AS TM A 9 2 7 ／ M9 9绘制的。 5 ． 2性 能和应 用 图 1 示 用 直流 J b J J u 磁场 测 定 的磁 滞 曲线 。图 2 示 在不 同的交 流磁 场 中测定 的磁滞 回线 的 比较 。迥 线接近于完全重合 ， 这暗示一个个颗粒绝缘 良好 ， 涡 流损耗部分很小 。 鹱 琶 越 疆 餐 餐 ‘ ．U 1 ． 5 l-f l ■ u J ／ } 5 O 1 0 ， _ 一 ld J U 磁场／ O e 图 1 压 制到密度为 7 ． 5 g ／ c m 。的绝 缘铁粉的 直流磁滞回线 外加磁场为 O e 外加磁场／ O e 图 2叠加在直流磁 滞迥线上的 。 在 不同交流频率下 测定 的磁 滞迥线 外 加磁 场为 O e 。 新 开 发 的 绝 缘 铁 粉 的 饱 和 磁 感 应 强 度 高 达 1 ． 9 T。图 3示 在 不 同频 率 与 磁 感 应 强 度 水 平 下 的 铁芯损耗。由图 3可看 出， 频率 高于 1 0 0 0 Hz时， 涡 流损 耗增 大 ， 这 暗示 铁 粉 的 绝 缘 层 已不 敷 需 要 。 当频率接近 1 0 0 0 0 Hz时， 铁芯 的总损耗显著。为 在较高频率下 ， 达到较小的铁芯损耗 ， 需要进一步进 行开 发 。 图 4对 An c o r L a m 和 0 ． 3 5 mm 工业 叠 层 钢 的 铁芯 损 耗 进 行 了 比较 。将 An c o r L a m 压 制 到 了密 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 0卷 1 0 0 0 0 。 D 1 0 0 0 壶1 0 0 曩 0 O l O o 0 1 O 1 磁感应强度， r 图 3铁 心 总 损 耗 和磁 感 应 强 度 与频 率 的 关 系 度 7 ． 4 5 g ／ c m。 。铁芯损耗 的数据是在 1 T Te s l a 磁感应 强度下 测 定 的 。值得 注 意 的是 ， 在 较 高频 率 下， An c o r L a m 的优 良使用性能。 下 芝 均 悠 频率／ H z 图 4 铁心损耗 与频率的关 系 它的主要应用包括， 用 A n c o r L a m 0 作汽车的电 感线圈铁 芯。这种 产 品很 有希 望用 于 柴油 机 的喷 油 咀。绝缘铁粉压制品的磁感应强度较高， 这使其可替 代使用高频装置的电子应用中的软磁铁氧体。通过控 制绝缘涂层厚度， 绝缘铁粉制品可用于高达 2 0 k Hz 。 用绝缘铁粉制品取代电动机中的叠层硅钢片时， 相 比 之下 叠层钢 片利 用 的则是 钢片轧制方 向 的择优 磁通 ， 为利用绝缘铁粉绝缘制品的三维磁， 电动机需要重新 设计 。绝 缘 铁 粉 材 料 还 可 能 应 用 在 无 刷 直 流 电动 机l_ 6 ] ， 有刷直流电动机， 步进电动机， 爪极式电动机， 开 关磁阻电动机 等的定子 。对 于在 高于 4 0 0 H z的频率 下工作的装置， 绝缘铁粉制品特别有用__ 7 。 6 结 论 1 烧结软磁材料在汽车传感器与制动器 中找 到 了应用 。 2 新 开发 的绝缘 铁粉 An c o r L a m ， 用 加热 到 9 3 ℃的模具 可压 制 到 高密 度 ， 具 有 优 良的生 坯 强度 与 电 阻 率 。铁 芯 损 耗 的 数 据 表 明 ， 在 频 率 高 于 1 0 0 0 Hz 时 ， 涡 流损 耗是 主要 的 。为减 低铁 芯 损耗 ， 正在进 行进 一步 改进 。 参考文献 E l i [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 3 [ 8 ] E 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [- 1 5 ] Na r a s i mha n K S．Re c e nt a d va n c e s i n Fe r r ou s Powde r Me t a l l u r g y [ c ] ． Kl u w e r A c a d e mi c P u b l i s h e r s ， N e t h e r 一 1 a n d s ， Ad v a n c e d P e r f o r m a n c e M a t e r i a l s ， 1 9 9 6 ， 3， 7～ 2 7． Do u g a n M J ， Mo r a t o J ． S i n t e r e d S o f t Ma g n e t i c Ma t e r i a l s f o r L o w a n d Hi g h F r e q u e n c y Ap p l i c a t i o n s [ C] ． PM 2TEC， 2 00 4， Pa r t 1 0， pp2 05 21 7 ． Ru t z H G， Ha n e j k o F G． US Pa t e n t No ． 5， 0 6 3， 0 1 1 No v 5， 1 9 91 ． Ru t z H G， Ol i v e r C， Ha h e j k o F G， Qu i n B． US P a t e n t No ． 5， 2 6 8， 1 4 0 De c 7 ， 1 9 9 3 ． Ol i ve r C G a nd Rut z H G．Powde r M e t a l l ur g i n El e c t r o n i c Ap p 1 i c a t i o n s [ c ] ． A d v a n c e s i n P o wd e r Me t a l l u r gy a nd Pa r t i c ul a t e M a t e r i al s，Vo 1 ． 3，pa r t 1 1，pp ．8 7 1 02。 1 ． Hu a n g H ．De b r u z z i M ． Ri s o T． A No v e 1 S t a t o r Co n s t r u c t i o n f o r Hi g h e r P o we r De n s i t y a n d Hi g h E f f i c i e n c y P e r ma n e n t M a g n e t B r u s h l e s s DC M o t o r s ． S AE Te c h ni e a 1 Pa p er No ．9 31 0 08 ． J a n s s o n P ． S MC Ma t e r i a l s I n c l u d i n g P r e s e n t a n d Fu t u r e Ap p l i c a t i o n s[ C]． P M2 TE c C o n f e r e n c e ， 2 0 0 0 ， p p8 7 9 7． Ya ma mo t o M ， Ts u c h i y a H ， Na k a u r a S ． De v e l o p me n t o f El e c t r i c Power S t e e r i n g To r q ue Se ns or Us i n g I n s ul a t e d I r o n P o w d e r s [ C ]． 2 0 0 2 wo r l d C o n g r e s s ， P a r t ， 1 4 ， p p8 0 8 5． As a ka K． I s h i h a r a C．Te c h ni c a 1 Tr e n ds i n So f t M a g ne t i c P a r t s a n d Ma t e r i a l s [ J ] ， Hi t a c h i P o w d e r e d Me t a l s Te c hni c a 1 Re por t ， 20 05， 4 3 9． Le f e bv r e L P， Ge l i n as C， M o ng e on P E． Co ns ol i d a t i on o f Lub r i c at e d Fer r oma g ne t i c Powde r M i x f o r AC So f t Ma g n e t i c a p p l i c a t i o n s [ c ] ． 2 0 0 2 wo r l d C o n g r e s s ， P a r t ， 1 4， pp 86 97 ． Ge l i n a s C， Cr o s J ， L e f e b v r e L P， S t L o u i s A， Du b e J Y．Us e o f I n s ul a t e d I r on Powde r s i n a Bi c yc l e Pe r ma n e n t Ma g n e t E l e c t r i c Mo t o r [ C ． P M2 T E C， 2 0 0 4 ， P a r t 1 2， pp l5 - 26 ． Hu h ma n L O， J a c k A G． S o f t Ma g n e t i c Co mp o s i t e s Mo t o r D e s i g n I s s u e s a n d A p p l i c a t i o n s [ C] ． P M2 T E c， 2 0 04， Pa r t 1 0， pp l9 4 2 0 4． Pe r s s o n M ， No r d G， Pe n n a n d e r L O， At k i n s o n G， J a c k A． De v e l op me nt of S oma l oy Co mpo ne n t s f or a BLDC Mo t o r i n a S c r o l l C o mp r e s s o r Ap p l i c a t i o n [ c ] ． 2 0 0 6 PM W o r l d Co n g r e s s 。 p p 8 0 4 8 0 5 ． Sl u s a r e k B， Dl ug i e wi c z I ．Ap pl i c a t i o n of S of t a n d Ha r d Ma g n e t i c P o w d e r s i n S ma l l E l e c t r i c Ma c h i n e s E c] ． pM 2 TEC。 20 06， Pa r t 1 2 p p3 6 47． En g q u i s t J ，W e g n e r E． US P a t e n t No ． 6，9 5 6 ，3 0 7 0c t ．1 8， 2 00 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m