1 材料种类
海绵铁从1910年开始生产,但直到1946年瑞典赫格纳斯公司才建立起世界*家铁粉厂,现在铁粉生产已成为一种工业。60年代建立起雾化制粉工艺,整个铁粉工业年产铁粉逾80万ｔ。这种材料大部分用于
粉末冶金工业,按严格技术要求生产终形制品。高纯度与高压缩性铁粉的开发,为粉末冶金制品开辟了软磁应用领域。
采用粉末冶金技术,压制铁粉并在高温下烧结,可得到相当于纯铁铸件的软磁部件。不损害压缩性的合金化方法的开发,提供了大量的合金化材料。合金添加剂提高电阻率,导致较低的涡流损耗。合金化材料在高温下烧结也可得到高磁导率(图1)。可是,合金添加剂也降低饱和磁感,而且合金含量在商业使用上还有一个限度。一般认为,这些材料适合于直流电应用,或很低频率的应用。
减少铁颗粒涡流损耗的另一种方法是在颗粒之间引入绝缘层。绝缘层可以是有机树脂材料或无机材料,因而这些材料是软磁复合材料。绝缘层可以有效地降低涡流损耗,但绝缘层的作用像气隙一样,因而也降低了磁导率。通常用降低绝缘层厚度、压制到高密度和进行热处理消除或减少应力来部分地恢复磁导率。性能的变化取决于所使用的频率。因而*近几年迅速发展了一系列材料与工艺。
软磁复合材料的*新开发,旨在生产可在较低频率下使用的部件。像电机一类通常是在50-60Ｈｚ频率下工作,但微型化趋势可能将频率增加到100Ｈｚ或300Ｈｚ。将低频应用的烧结软磁材料与50Ｈｚ应用的软磁复合材料对比一下是有趣的。这种对比是在50Ｈｚ与0 5Ｔ条件下进行的,因为在较高磁感下的涡流损耗比例相当大,对于烧结材料性能的测定是困难的(图2)。
由图2可以看到,高电阻率的烧结材料在50Ｈｚ下的总损耗接近于软磁复合材料的总损耗。而烧结材料的总损耗中涡流损耗占有很高比例,而软磁复合材料的总损耗几乎全是磁滞损耗。
图3对比了软磁复合材料的直流磁滞曲线与50Ｈｚ时的磁滞曲线,这些曲线实际上是相同的,因而证实总损耗几乎全是磁滞损耗。图4为一种高电阻率材料(含3%Ｓｉ的烧结铁)在直流和在0 05Ｈｚ、0 5Ｈｚ和50Ｈｚ交流时的磁滞曲线[1]。磁滞曲线的面积随频率的增加而增加,证实存在着涡流损耗。
低频到中频应用的传统材料是叠层钢片。堆叠钢片或堆叠前将钢片表面绝缘,可降低堆叠方向上的涡流。平行于钢片方向上显示出金属合金的高磁导率和损耗值(图5)。在低到中频使用的粉末材料几乎都是雾化铁粉。烧结材料要经受高达1250℃的高温,这保证了扩散与良好的颗粒接触(图6)。软磁复合材料在不高于500℃的温度进行热处理,因而它本身限制了烧结材料那样的颗粒接触(图7)。
图8说明了表面绝缘的效果,这里纯铁粉与添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ的绝缘粉Ｓｏｍａｌｏｙ500,均在800ＭＰａ压制(密度7 34ｇ/ｃｍ3)并在空气中于500℃热处理30ｍｉｎ。
图9示出在50Ｈｚ时的总损耗是相似的,但纯铁的总损耗由于较高比例的涡流损耗比例而从60Ｈｚ开始迅速增大。表面绝缘层能耐500℃热处理,并保持低的涡流损耗[2]。图9 图8中50Ｈｚ到200Ｈｚ间隔的放大图
2 工艺参数对性能的影响
现在可由市场上买到低、中频应用的基于软磁复合材料技术的一系列材料。图10对比了三种低、中频材料,它们都是基于雾化铁粉添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ,800ＭＰａ压制,500℃空气中热处理30ｍｉｎ。一种材料是ＡＢＭ100 32,粒度小于150μｍ(100目),具有无机表面绝缘层。另两种材料是Ｓｏｍａｌｏｙ550,粒度小于400μｍ(40目)和Ｓｏｍａｌｏｙ500,粒度小于150μｍ(100目)。这两种材料具有相同的无机表面绝缘层,并说明了较大粒度对总损耗的影响。Ｓｏｍａｌｏｙ550具有较高的总损耗,*大直流磁导率为550,而Ｓｏｍａｌｏｙ500具有较低的总损耗,*大直流磁导率为500。0 65ｍｍ厚的1018叠层钢与冷轧硅钢用于对比。
混粉,压制与热处理的粉末冶金工艺(图11),将决定所能达到的力学与磁学性能。以Ｓｏｍａｌｏｙ500为例,说明不同工艺的影响。在混粉阶段添加润滑剂有两种选择。Ｋｅｎｏｌｕｂｅ润滑剂用于传统压制,ＬＢ1是一种润滑粘结剂,用于传统压制和温压。
为得到较高的强度,在混粉阶段也可加入有机粘结剂。可是,因为大多数粘结剂并非有效的润滑剂,因而工业生产上既需要粘结剂也需要润滑剂。*低的润滑剂添加量,如0 5%和*低的粘结剂添加量,如0 5%,可能导致总有机添加量为1%,在压制后使密度降低。这种材料通常用作1ｋＨｚ到1ＭＨｚ的高频铁芯。在低频应用的情形中,为获得高磁感,高密度是很重要的。像ＬＢ1一类润滑粘结剂,当在混粉阶段加入时,既起润滑作用又起粘结作用,在固化后可达到较高的横向断裂强度(100ＭＰａ)。因而总的有机添加量可限制到0 6%。
不使用粘结剂也可达到高横向断裂强度(100ＭＰａ到200ＭＰａ)。这种高横向断裂强度是用蒸汽处理得到的,通常它是用于改善烧结材料耐腐蚀性能的一种技术。这样处理的材料,适合于低频应用,因为这种处理增大了涡流损耗[3]。
如图12所示,工艺路线也影响磁性能。所选取的润滑剂或粘结剂需进行固化或热处理。500℃热处理温度将消除一定程度的应力。有机粘结剂必须在较低的温度下固化,起不到或很少起到应力消除作用,因而磁滞损耗较高,导致总损耗较高。
如果材料用于高频范围,则也可使用ＬＢ1和低固化温度。图13对比了添加0 6%ＬＢ1,分别在400,600和800ＭＰａ压制和在175℃固化60ｍｉｎ的Ｓｏｍａｌｏｙ500材料的磁导率。频率在大约≤100ｋＨｚ下,磁导率大致保持不变,因而可以用作铁芯。
3 应用技术要求
传统上,电机在50Ｈｚ或60Ｈｚ下工作,但有向高频(低于400Ｈｚ)发展的趋势。这些频率远低于铁粉芯传统上使用的1ｋＨｚ到1ＭＨｚ的频率范围。具有高纯度,良好压缩性和*小气隙的广泛的软磁复合材料,适合于这些应用[4,5]。
像热传导率一类性能对马达的应用是令人感兴趣的,因为马达的工作温度可能高达150℃。由于铜绕组绝缘的限制因素,通常温度不能更高。与叠片钢不同,软磁复合材料的热传导性是三维的,而叠片钢在叠片方向上的热传导率很低,当材料处于热循环周期时,有机粘结剂的存在可导致热传导率的不可逆变化。
表1对比了添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ和在500℃热处理的Ｓｏｍａｌｏｙ500与添加0 6%ＬＢ1和进行传统压制以及在275℃固化的Ｓｏｍａｌｏｙ500的热传导率。由表1可见,添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ的Ｓｏｍａｌｏｙ的热传导率很稳定,而添加0 6%ＬＢ1的Ｓｏｍａｌｏｙ500的热传导率随热循环而变化。
某些应用如汽车上的应用,可能要求在由制冷到高温的一个很大的温度范围内工作。由于马达的精度要求,在设计阶段需要像线性热膨胀一类的资料。图14对比了添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ、800ＭＰａ压制和500℃热处理的Ｓｏｍａｌｏｙ500与铁的热膨胀系数(1/Ｋ·10-6)。
疲劳强度是与软磁复合材料工业应用相关的另一个问题。
图15示出添加0 5%Ｋｅｎｏｌｕｂｅ、800ＭＰａ压制、空气中500℃热处理30ｍｉｎＳｏｍａｌｏｙ500的疲劳强度。电机约在≤150℃的温度下运行,若高于此温度,对绕组等进行绝缘较为困难。图15对比了室温下与150℃下测定的疲劳强度。这种材料具有相对低的横向断裂强度,但疲劳强度比预料的要高。
4 应用
图16与图17是某些软磁烧结材料的直流与很低频率交流的应用[1]。图16是ＡＢＳ制动器的轮速传感环,这种应用可选用铁、铁/磷或铁素体不锈钢材料。需要有一定的耐蚀性,因此在使用铁或铁/磷的情况中,部件必须有保护涂层。图17是脉冲调制电路,如计算机的打印头。
软磁复合材料绝缘颗粒用于制作电机,大多需要3维马达设计。一种横向磁通电机便是一例(图18)[5]。马达的重新设计,特别是永磁电机的重新设计,可以利用3维传热的优点。图19中的单齿伺服马达设计便是一例[5]。缩小齿面积导致较短端绕组,紧凑的马达,减少铜线绕组体积并提高了热性能。
这仅仅是英格兰纽卡斯尔大学鉴定的近20个原型设计中的两个。
参考文献
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