铁铝硅软磁材料的应用及发展_黄宇
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氧化物法主要是以氧化铁为原料， 这种方 法原料便宜、 工艺简单， 是目前工业生产的主 要方法， 但是， 对于软磁材料尤其是高导磁率 材料， 因为时常有离子半径较大的杂质 （如 Bao、 SrO、 PbO 等 ） 存 在 ， 大 大 降 低 了 材 料 的 磁性性能。 而在铁基软磁材料的制备中， 由于 对材料的磁性性能要求较高， 直接使用高质铁
Fe - Al - Si 软磁材料具有很高的磁导率， 易 退磁， 磁滞损耗小， 适宜用于交变磁场中， 用 来制造电磁铁、 变压器、 电机和高频电磁元件 的铁心且广泛用于绿色照明、 电子产品的电感 和线圈、 太阳能光伏产业、 通信元器件、 磁头 等领域。 中国的磁性材料工业凭借丰富的资源 和劳动力的优势， 以及巨大的国内外市场的支 持， 从微不足道的产业一跃成为全球的前列。 纵观国际国内市场发展的需求， 磁性材料市场 前景十分光明。
的形态分析去研究一些断裂的基本问题： 如断 裂起因、 断裂性质、 断裂方式、 断裂机制、 断 裂韧性、 断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速 率等。 如果要求深入地研究材料的冶金因素和 环境因素对断裂过程的影响， 通常还要进行断 口表面的微区成分分析、 主体分析、 结晶学分 析和断口的应力与应变分析等。 通过对 Fe - Al Si 软磁材料 的 断 口 进 行 观 察 分 析 ， 得 到 该 材 料 断裂的机理及与断裂有关的相关信息， 进行材
1 国内外发展概述
1.1 国内概况 在国内， 由于具有良好的整机配置市场和
投资环境， 加速了日本、 欧美的铁氧体磁体制 造业向中国的转移。 2010 年中国的铁氧体磁 体 的产量将占全球产量的 60% 以上 （见图 1）， 钕 铁 硼 磁 体 占 全 球 的 80%。 中 国 目 前 拥 有 磁 性 材 料生产企业 1 096 家， 其中铁氧体生产企业 359
摘 要： 综述了铁铝硅软磁材料的生产现状、 性能检测及展望， 介绍了真空熔炼技术的优越性， 以及该技
术的发展方向及前景。
关键词： 铁铝硅软磁材料； 真空熔炼技术； 前景展望 中图分类号： TG132.2+71， TM271+.2 文献标识码： A 文章编号： 2095 - 5014 （2013） 02 - 0054 - 04
实验用钴磁仪测量 Fe - Al - Si 软磁材料的矫 顽力， 分析材料磁性性能。 同磁饱和强度相比 其矫顽力同软磁材料的力学性能更为密切， 可 用矫顽力间接评估材料的力学性能。 值得注意 的是： 矫顽力 Hcb 在数值上总是小于剩磁 Jr。
4 研究应用及发展展望
3 成品分析
3.1 Fe - Al - Si 软磁材料的断口分析法 实验用数显半自动冲击试验机， 通过断口
2 工艺与设备
2.1 粉末冶金工艺与氧化法的局限性 2.1.1 传统粉末冶金-软磁材料的制备方法
粉末冶金工艺是一种无切削工艺， 它通常 要经过以下工艺过程： 金属粉末压制成型 → 烧
图 2 磁头材料的产量与销售额
结 → 后 处 理［2］。 考 虑 到 绝 大 多 数 难 熔 金 属 及 其 化合物、 多孔材料等大多数材料都能用粉末冶 金方法来制造， 而且粉末冶金方法能压制成最 终尺寸的压坯， 而不需要或很少需要随后的机 械加工， 故能大大节约金属， 降低产品成本， 此外粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化 材料， 也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的 杂质， 保证材料成分配比的正确性和均匀性。 适宜于生产同一形状而数量多的产品， 特别是 齿轮等加工费用高的产品， 用粉末冶金法制造 能大大降低生产成本。 综合以上各方面的因素， Fe - Si - Al 软磁材料的生产在理论上是可 行 的 。 而通过相关实验论证， 因为铝的熔点为 660 ℃， 当压制胚体在真空炉烧结过程中， 烧结温度会 超过铝的熔点， 而导致铝融化， 材料不能成型， 故粉末冶金的方法在 Fe - Si - Al 软磁材料的制备 过程中存在局限性。 2.1.2 磁性材料的主要生产方法
ABSTRACT： The present situation， material production， performance testing and prospect of Fe - Al - Si soft magnetic material are summarized. The advantages of vacuum melting technology are reviewed. Finally the development direction and foreground of the technology are prospected. KEY WORDS： Fe - Al - Si soft magnetic material； vacuum melting technology； foreground prospect
2013 年第 2 期
黄 宇等： 铁铝硅软磁材料的应用及发展
57
状器件［5］ 将成为今后开发的重点。 随着我国电子、 电子产业的快速崛起， 在
内需刺激下， 国内下游应用市场持续向好， 汽 车产业继续发展， 汽车电子市场还有较大潜力； 消费电子产品市场更新换代加快， 市场容量不 断 扩 大 ； 3G 通 讯 进 一 步 发 展 ， 市 场 有 一 定 空 间； 节能照明工程市场将在整合中快速发展； 新能源应用市场产业发展将是持续亮点。 我国 已成为全球最大的生产和消费国， 在不久的将 来， 全球一半以上的磁性材料都将用于供应中 国市场。 未来发展前景十分广阔。
在制取 Fe - Al - Si 软磁材料的过程中， 为了 获得高质量的产品， 对真空熔炼工艺进行改进。 因为充气熔炼时气相压强将对［i］ → i 气产生阻 碍作用， 在熔炼过程中， 根据各种金属三相转 变的温度不同， 适时充入惰性气体， 从而达到 了减少有益金属元素的挥发， 减低了生产成本 的目的。 去气过程中， 去气效果主要取决于气 泡内外的分压差， 在真空熔炼过程中， 通入惰 性气体， 去气速度比挥发去气要快得多， 从而 降低了熔炼液中有害气体含量， 减少了铸锭过 程中材料的气泡与夹渣物的含量， 提高了材料 的性能和质量。
目前工业生产软磁材料的主要方法是氧化 法 。 用 Fe2+和 M2+ 的 水 溶 液 ， 加 入 碱 溶 液 （ 如 NaOH） ， 形 成 含 有 中 间 沉 淀 物 的 胶 体 悬 浮 液 ， 加热悬浮液 60 ~ 90 ℃ 保温， 均匀吹入纯净空气， 促使中间沉淀物氧化反应， 直至中间沉淀物消 失， 完全转变为尖晶铁氧体。
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金属材料与冶金工程
Vol.41 No.1
粉为基体， 再加 入 Al、 Si、 Co 等 制 成 Fe - Al Si 软磁材料 ， 这 就 局 限 了 氧 化 法 的 使 用 ， 而 必 须采用能制备高品质材料的真空熔炼法。 2.2 真空熔炼工艺的优越性
真空熔炼包括熔炼、 铸造， 是生产难溶、 稀有和活性金属的基本方法， 是获得高纯度、 高质量金属材料的现代技术。 真空熔炼的优越 性在于为金属材料的提纯提供了有利的热力学 和动力学条件； 顺序凝固熔铸的方式有利于不 挥发的不溶杂质上浮， 并能改善铸锭组织； 提 纯作用强， 表现为杂质易挥发， 去气效果好， 脱氧能力强， 部分氮氧化物及氢氧化物可热分 解； 铁铝是活性难溶金属化学活性强， 在大气 下熔铸时会急剧氧化和氮化， 形成大量夹渣以 致不能加工成材， 采用真空熔铸法可获得质量 好的产品。
实 验 用 LEICA VMHT 30 型 显 微 硬 度 计 ， 采用压入法类型进行显微硬度的测量， 得到材 料硬度， 通过测量值的大小分析 Fe - Al - Si 软磁 材料表面抵抗塑性变形的能力。 显微硬度计的 特点： 试验力小， 对薄形样品或涂层均可测试； 压痕小， 可认为无损检测， 同时可在极小范围 内进行多点测试。 3.4 Fe - Al - Si 软磁材料的矫顽力的测量
软磁材料作为一种功能材料已在国民经济 的各个领域得到广泛应用， 而且几乎覆盖了已 有各种频段的整机、 分机或元器件， 与人们的 日常生活密切相关。 由于电子信息技术的迅猛 发展， 对软磁材料的产量和品种需求日渐增多。 例如， 因为开关电源迅速推广和向小型化， 推 动了电子元件片式化的高速发展。 由于数字式 技术发展引起抗电磁干扰器件和脉冲变压器磁 芯需求增长， 单片阵列式、 小型、 薄型、 宽频 带、 多功能的抗 EMI 元器件。 以磁性粉末为原 料， 通过颗粒表面绝缘化处理和粉末冶金工艺 获得的软磁复合材料 （简 称 SMCs）， 具 有 良 好 的磁各向同性、 电阻率高以及易于制备复杂形
图 1 2010 年世界和中国磁性材料产量
1.2 国外概况 早 在 20 世 纪 30 年 代 ， 荷 兰 和 日 本 首 次 研
制成功了软磁铁氧体材料， 进入 40 年代后发达 国家就实现了软磁铁氧体材料生产的工业化， 并完成了基础技术的发展工作， 而大多数国家 （包括中国） 软磁铁氧体材料的工业化生产是在 20 世纪 50 年代。 而就目前形势而言， 目前全球 磁性材料磁体的生产主要集中在亚洲， 日本以 高档磁体为主体； 中国以中低档磁体为主体， 并分割部分的高档产品市场； 其他东南亚国家 分 割 部 分 中 低 档 产 品 市 场 。 其 中 ， 磁 头 用 Fe Al - Si 软磁材料， 在国内仅有一家生产厂家， 同 时由于生产成本高、 铸锭有较高的气孔和夹杂 物 的 缺 陷 ， 材 料 利 用 率 低 ， 但 是 ， 国 内 对 Fe Al - Si 软磁材料的需 求 却 很 大 （见 图 2）， 目 前 的生产规模远远不能满足用户的需求。
收稿日期： 2013 - 01 - 06 作者简介： 黄 宇， 男， 本科在读。
2013 年第 2 期
黄 宇等： 铁铝硅软磁材料的应用及发展
55
家 ， 稀 土 磁 体 和 金 属 磁 体 生 产 企 业 226 家 ， 其 余为配套设备生产企业和辅助原料生产企业。 永 磁 铁 氧 体 生 产 企 业 197 家 ， 产 量 为 41 万 t （烧结磁体 36 万 t， 粘结磁体 5 万 t）， 软磁铁氧 体生产企业 162 家， 产量为 30 万 t （锰锌 26 万 t、 镍锌和镁锌 4 万 t）， 钕铁硼磁体 4 万 t， 铝镍钴 金属磁体 0.35 万 t［1］。 随着我国电子、 电子产业 的快速崛起， 我国已成为全球最大的生产和消 费国， 在不久的将来， 全球一半以上的磁性材 料都将用于供应中国市场。 伴随节能环保产业 的快速发展， 未来发展前景十分广阔。
料 性 能 分 析 ［3］。 3.2 Fe - Al - Si 软磁材料的金相组织分析
实验用莱卡显微镜对 Fe - Al - Si 软磁材料的 金相组织进行分析［4］， 莱卡金相显微镜 （德国徕 卡全手动正置型） DM2500M 主要特点： 可选配 带角度调节的目镜筒， 大大降低操作者的疲劳； 目 镜 视 野 直 径 22 mm； 物 镜 直 径 32 mm， 使 光 通 量 提 高 了 40% ， 拥 有 更 高 的 分 辨 率 和 景 深 ； 物镜转换手动控制； 可升级选配变倍器， 有 1.5X、 1.6X、 2X 三种可选； 明场、 暗场、 偏光、 干涉 观察方式手动转换。 观察其组织形态， 各相形 状， 大小、 分布及相对量等。 3.3 Fe - Al - Si 软磁材料的显微硬度测量
第 41 卷 第 2 期 2013 年 4 月
金属材料与冶金工程 METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
Vol.41 No.2 Apr 2013
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
铁铝硅软磁材料的应用及发展
黄 宇，敬 勇，孙 钦，杨 重
（湖南工业大学 冶金工程学院， 湖南 株洲 412007）
Application and Development of Fe - Al - Si Soft Magnetic Material.
HUANG Yu， JING Yong， SUN Qin， YANG Chong
（School of Metallurgical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China）
Fe - Al - Si 软磁材料具有很高的磁导率， 易 退磁， 磁滞损耗小， 适宜用于交变磁场中， 用 来制造电磁铁、 变压器、 电机和高频电磁元件 的铁心且广泛用于绿色照明、 电子产品的电感 和线圈、 太阳能光伏产业、 通信元器件、 磁头 等领域。 中国的磁性材料工业凭借丰富的资源 和劳动力的优势， 以及巨大的国内外市场的支 持， 从微不足道的产业一跃成为全球的前列。 纵观国际国内市场发展的需求， 磁性材料市场 前景十分光明。
的形态分析去研究一些断裂的基本问题： 如断 裂起因、 断裂性质、 断裂方式、 断裂机制、 断 裂韧性、 断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速 率等。 如果要求深入地研究材料的冶金因素和 环境因素对断裂过程的影响， 通常还要进行断 口表面的微区成分分析、 主体分析、 结晶学分 析和断口的应力与应变分析等。 通过对 Fe - Al Si 软磁材料 的 断 口 进 行 观 察 分 析 ， 得 到 该 材 料 断裂的机理及与断裂有关的相关信息， 进行材
1 国内外发展概述
1.1 国内概况 在国内， 由于具有良好的整机配置市场和
投资环境， 加速了日本、 欧美的铁氧体磁体制 造业向中国的转移。 2010 年中国的铁氧体磁 体 的产量将占全球产量的 60% 以上 （见图 1）， 钕 铁 硼 磁 体 占 全 球 的 80%。 中 国 目 前 拥 有 磁 性 材 料生产企业 1 096 家， 其中铁氧体生产企业 359
摘 要： 综述了铁铝硅软磁材料的生产现状、 性能检测及展望， 介绍了真空熔炼技术的优越性， 以及该技
术的发展方向及前景。
关键词： 铁铝硅软磁材料； 真空熔炼技术； 前景展望 中图分类号： TG132.2+71， TM271+.2 文献标识码： A 文章编号： 2095 - 5014 （2013） 02 - 0054 - 04
实验用钴磁仪测量 Fe - Al - Si 软磁材料的矫 顽力， 分析材料磁性性能。 同磁饱和强度相比 其矫顽力同软磁材料的力学性能更为密切， 可 用矫顽力间接评估材料的力学性能。 值得注意 的是： 矫顽力 Hcb 在数值上总是小于剩磁 Jr。
4 研究应用及发展展望
3 成品分析
3.1 Fe - Al - Si 软磁材料的断口分析法 实验用数显半自动冲击试验机， 通过断口
2 工艺与设备
2.1 粉末冶金工艺与氧化法的局限性 2.1.1 传统粉末冶金-软磁材料的制备方法
粉末冶金工艺是一种无切削工艺， 它通常 要经过以下工艺过程： 金属粉末压制成型 → 烧
图 2 磁头材料的产量与销售额
结 → 后 处 理［2］。 考 虑 到 绝 大 多 数 难 熔 金 属 及 其 化合物、 多孔材料等大多数材料都能用粉末冶 金方法来制造， 而且粉末冶金方法能压制成最 终尺寸的压坯， 而不需要或很少需要随后的机 械加工， 故能大大节约金属， 降低产品成本， 此外粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化 材料， 也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的 杂质， 保证材料成分配比的正确性和均匀性。 适宜于生产同一形状而数量多的产品， 特别是 齿轮等加工费用高的产品， 用粉末冶金法制造 能大大降低生产成本。 综合以上各方面的因素， Fe - Si - Al 软磁材料的生产在理论上是可 行 的 。 而通过相关实验论证， 因为铝的熔点为 660 ℃， 当压制胚体在真空炉烧结过程中， 烧结温度会 超过铝的熔点， 而导致铝融化， 材料不能成型， 故粉末冶金的方法在 Fe - Si - Al 软磁材料的制备 过程中存在局限性。 2.1.2 磁性材料的主要生产方法
ABSTRACT： The present situation， material production， performance testing and prospect of Fe - Al - Si soft magnetic material are summarized. The advantages of vacuum melting technology are reviewed. Finally the development direction and foreground of the technology are prospected. KEY WORDS： Fe - Al - Si soft magnetic material； vacuum melting technology； foreground prospect
2013 年第 2 期
黄 宇等： 铁铝硅软磁材料的应用及发展
57
状器件［5］ 将成为今后开发的重点。 随着我国电子、 电子产业的快速崛起， 在
内需刺激下， 国内下游应用市场持续向好， 汽 车产业继续发展， 汽车电子市场还有较大潜力； 消费电子产品市场更新换代加快， 市场容量不 断 扩 大 ； 3G 通 讯 进 一 步 发 展 ， 市 场 有 一 定 空 间； 节能照明工程市场将在整合中快速发展； 新能源应用市场产业发展将是持续亮点。 我国 已成为全球最大的生产和消费国， 在不久的将 来， 全球一半以上的磁性材料都将用于供应中 国市场。 未来发展前景十分广阔。
在制取 Fe - Al - Si 软磁材料的过程中， 为了 获得高质量的产品， 对真空熔炼工艺进行改进。 因为充气熔炼时气相压强将对［i］ → i 气产生阻 碍作用， 在熔炼过程中， 根据各种金属三相转 变的温度不同， 适时充入惰性气体， 从而达到 了减少有益金属元素的挥发， 减低了生产成本 的目的。 去气过程中， 去气效果主要取决于气 泡内外的分压差， 在真空熔炼过程中， 通入惰 性气体， 去气速度比挥发去气要快得多， 从而 降低了熔炼液中有害气体含量， 减少了铸锭过 程中材料的气泡与夹渣物的含量， 提高了材料 的性能和质量。
目前工业生产软磁材料的主要方法是氧化 法 。 用 Fe2+和 M2+ 的 水 溶 液 ， 加 入 碱 溶 液 （ 如 NaOH） ， 形 成 含 有 中 间 沉 淀 物 的 胶 体 悬 浮 液 ， 加热悬浮液 60 ~ 90 ℃ 保温， 均匀吹入纯净空气， 促使中间沉淀物氧化反应， 直至中间沉淀物消 失， 完全转变为尖晶铁氧体。
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金属材料与冶金工程
Vol.41 No.1
粉为基体， 再加 入 Al、 Si、 Co 等 制 成 Fe - Al Si 软磁材料 ， 这 就 局 限 了 氧 化 法 的 使 用 ， 而 必 须采用能制备高品质材料的真空熔炼法。 2.2 真空熔炼工艺的优越性
真空熔炼包括熔炼、 铸造， 是生产难溶、 稀有和活性金属的基本方法， 是获得高纯度、 高质量金属材料的现代技术。 真空熔炼的优越 性在于为金属材料的提纯提供了有利的热力学 和动力学条件； 顺序凝固熔铸的方式有利于不 挥发的不溶杂质上浮， 并能改善铸锭组织； 提 纯作用强， 表现为杂质易挥发， 去气效果好， 脱氧能力强， 部分氮氧化物及氢氧化物可热分 解； 铁铝是活性难溶金属化学活性强， 在大气 下熔铸时会急剧氧化和氮化， 形成大量夹渣以 致不能加工成材， 采用真空熔铸法可获得质量 好的产品。
实 验 用 LEICA VMHT 30 型 显 微 硬 度 计 ， 采用压入法类型进行显微硬度的测量， 得到材 料硬度， 通过测量值的大小分析 Fe - Al - Si 软磁 材料表面抵抗塑性变形的能力。 显微硬度计的 特点： 试验力小， 对薄形样品或涂层均可测试； 压痕小， 可认为无损检测， 同时可在极小范围 内进行多点测试。 3.4 Fe - Al - Si 软磁材料的矫顽力的测量
软磁材料作为一种功能材料已在国民经济 的各个领域得到广泛应用， 而且几乎覆盖了已 有各种频段的整机、 分机或元器件， 与人们的 日常生活密切相关。 由于电子信息技术的迅猛 发展， 对软磁材料的产量和品种需求日渐增多。 例如， 因为开关电源迅速推广和向小型化， 推 动了电子元件片式化的高速发展。 由于数字式 技术发展引起抗电磁干扰器件和脉冲变压器磁 芯需求增长， 单片阵列式、 小型、 薄型、 宽频 带、 多功能的抗 EMI 元器件。 以磁性粉末为原 料， 通过颗粒表面绝缘化处理和粉末冶金工艺 获得的软磁复合材料 （简 称 SMCs）， 具 有 良 好 的磁各向同性、 电阻率高以及易于制备复杂形
图 1 2010 年世界和中国磁性材料产量
1.2 国外概况 早 在 20 世 纪 30 年 代 ， 荷 兰 和 日 本 首 次 研
制成功了软磁铁氧体材料， 进入 40 年代后发达 国家就实现了软磁铁氧体材料生产的工业化， 并完成了基础技术的发展工作， 而大多数国家 （包括中国） 软磁铁氧体材料的工业化生产是在 20 世纪 50 年代。 而就目前形势而言， 目前全球 磁性材料磁体的生产主要集中在亚洲， 日本以 高档磁体为主体； 中国以中低档磁体为主体， 并分割部分的高档产品市场； 其他东南亚国家 分 割 部 分 中 低 档 产 品 市 场 。 其 中 ， 磁 头 用 Fe Al - Si 软磁材料， 在国内仅有一家生产厂家， 同 时由于生产成本高、 铸锭有较高的气孔和夹杂 物 的 缺 陷 ， 材 料 利 用 率 低 ， 但 是 ， 国 内 对 Fe Al - Si 软磁材料的需 求 却 很 大 （见 图 2）， 目 前 的生产规模远远不能满足用户的需求。
收稿日期： 2013 - 01 - 06 作者简介： 黄 宇， 男， 本科在读。
2013 年第 2 期
黄 宇等： 铁铝硅软磁材料的应用及发展
55
家 ， 稀 土 磁 体 和 金 属 磁 体 生 产 企 业 226 家 ， 其 余为配套设备生产企业和辅助原料生产企业。 永 磁 铁 氧 体 生 产 企 业 197 家 ， 产 量 为 41 万 t （烧结磁体 36 万 t， 粘结磁体 5 万 t）， 软磁铁氧 体生产企业 162 家， 产量为 30 万 t （锰锌 26 万 t、 镍锌和镁锌 4 万 t）， 钕铁硼磁体 4 万 t， 铝镍钴 金属磁体 0.35 万 t［1］。 随着我国电子、 电子产业 的快速崛起， 我国已成为全球最大的生产和消 费国， 在不久的将来， 全球一半以上的磁性材 料都将用于供应中国市场。 伴随节能环保产业 的快速发展， 未来发展前景十分广阔。
料 性 能 分 析 ［3］。 3.2 Fe - Al - Si 软磁材料的金相组织分析
实验用莱卡显微镜对 Fe - Al - Si 软磁材料的 金相组织进行分析［4］， 莱卡金相显微镜 （德国徕 卡全手动正置型） DM2500M 主要特点： 可选配 带角度调节的目镜筒， 大大降低操作者的疲劳； 目 镜 视 野 直 径 22 mm； 物 镜 直 径 32 mm， 使 光 通 量 提 高 了 40% ， 拥 有 更 高 的 分 辨 率 和 景 深 ； 物镜转换手动控制； 可升级选配变倍器， 有 1.5X、 1.6X、 2X 三种可选； 明场、 暗场、 偏光、 干涉 观察方式手动转换。 观察其组织形态， 各相形 状， 大小、 分布及相对量等。 3.3 Fe - Al - Si 软磁材料的显微硬度测量
第 41 卷 第 2 期 2013 年 4 月
金属材料与冶金工程 METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
Vol.41 No.2 Apr 2013
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
铁铝硅软磁材料的应用及发展
黄 宇，敬 勇，孙 钦，杨 重
（湖南工业大学 冶金工程学院， 湖南 株洲 412007）
Application and Development of Fe - Al - Si Soft Magnetic Material.
HUANG Yu， JING Yong， SUN Qin， YANG Chong
（School of Metallurgical Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China）