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          衡陽市金則利特種合金股份有限公司

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      4. 軟磁材料在高溫條件下的應用
        發布時間:2014-12-06 來源:本站 點擊數:488
        1概述
          對高溫應用的磁性材料開發倍受重視,因為它們是發展航空、航天和高技術武器系統成功的關鍵材料。
          據有關資料介紹[1~4],高溫磁性材料有下列應用:
          在航空、航天多電力飛行器(MEA)中做集成動力裝置(IPU),其工作溫度從現在的300℃,提高到500~600℃,高速旋轉的轉子還承受500~600Mpa的切應力。
          無人駕駛戰斗飛行器(UCAV)主推力發動機的內置起動器和發電機(IS/G)的定子、轉子,其工作溫度達400℃,并受825Mpa應力。
          宇宙飛船動力系統(SPS)氣體渦輪發動機的非接觸磁力軸承,包括推力軸承和徑向軸承的旋轉元件,工作溫度達550℃。
          定向高能量武器系統(DEWS)的高能量密度功率電源和儲能裝置。間隙式工作的武器系統,須提供峰值功率5MW,連續功率達350KW,儲藏的能量每20000rpm達25MJ。
          行星際航天飛行器用核電動力系統的工作溫度更達870℃。
          其它應用還有二次電源系統,無附加冷卻系統的機電傳動和控制元件等。
          上述各種應用的總體要求是整機系統及其所用元器件有高的可靠性和可維修性,承載能力大,重量輕,體積小以及成本低。
          2各類元器件對高溫軟磁材料的要求
          從以上各種用途的工作條件來看,高溫應用軟磁材料可分為兩類,一類是元器件在靜態條件下工作,如電機定子、功率電源及控制系統中的變壓器、飽和電抗器、磁放大器等;另一類是在高速旋轉狀態下應用,如電機轉子、非接觸磁力軸等。
          對第一類所用的鐵心材料的技術要求以高溫磁性為主,高溫力性為輔。對第二類所用鐵心材料的要求則相反。
          對高溫用于定子、變壓器等鐵心材料的具體要求是:
          a.在高溫時,在小的激勵磁場下有高的磁感應強度(Bm),例如 最好Bs≥2T;
          b.在高溫時有低的剩磁(Br),小的矯頑力(Hc)和磁滯損耗值;
          c.有較高的電阻率(ρ),整個鐵心的損耗小,如500℃時P2/5k≤480w/kg;
          d.有一般材料的力學性能,可進行機械加工;
          e.上述性能在長時間、高溫下有足夠的穩定性。時效試驗的條件過去為500℃,3000小時,現在則要求600℃,5000小時。
          對高溫用轉子鐵心材料的要求是:
          a.高溫時有高強度,高屈服點和高的彈性模量;
          b.在長時間高溫的環境中有低的蠕變量,如在超過300Mpa的應力下,在500~600℃經1萬小時的應變應在0.4%以下;
          c.在高溫時有足夠高的磁感應強度值,例如在工作溫度下Bm值應在0.8~1T以上,在1KHz以下的μ達102~103量級;
          d.在高溫高轉速的條件下,力性和磁性是穩定的;
          3磁參量與溫度的關系
          在高溫下使用的軟磁材料,首先必須有高的居里溫度(Tc)。表1列出了Tc高于700℃合金成分及基本性能。其中除傳統的FeSi、FeCo系合金外,新開發的納米晶軟磁合金Hitperm型合金引人注目。
          一般而言,傳統結晶態鐵磁材料的飽和磁化強度隨溫度的上升按一定的規律緩慢下降,在較低的溫度范圍遵守“布洛赫T3/2”定律。圖1示出一些能在高溫下應用合金的磁感應強度B與溫度關系。當溫度達到Tc時,鐵磁性消失。新型納米晶軟磁合金的Js-T曲線則因鐵磁晶化相析出而不同。
          磁晶各向異性常數(K1)和飽和磁致伸縮系數(λs)與飽和磁化強度一樣都是鐵磁材料的基本磁性常數。它們決定著磁化過程。當溫度升高時K1和λs也下降,但K1對溫度的敏感比Bs和λs大的多。分子場理論指出:K1隨T的變化K1(T)/K1(0)約是與Js~T變化Js(T)/ Js(0)的6-10次方成比例。
          磁導率(μ)、矯頑力(Hc)、損耗(P)是技術磁參數,它們取決于上述三個基本磁性參數和合金的組織結構。一般來講,當溫度升高時μ增加而Hc和P下降。但是磁導率隨溫度的變化相對而言顯得更為復雜。在一定溫度以下,μ(T)關系主要取決于K1(T)關系,當溫度升高時,K1減小,μ增加 ;當超過一定溫度以后,特別是接近Tc時,Bs(T)的關系成為主要的影響因素,當T升高時,由于Bs大大下降使μ也下降。
        因此,在μ(T)曲線特別是初始磁導率μi(T)上會有一個峰值。
          從上述簡單分析可知,當溫度升高時,由于磁特性的改變,影響器件的特性,例如由于Bs下降,使器件的輸出功率或電壓下降,又由于μ值的增加和Hc的減小,使器件處于較靈敏的工作狀態。
          在高溫下長時間工作的鐵心材料還必須考慮有序-無序轉變,α-γ相變,晶粒長大,第二相的析出,氧化等的影響。對納米晶軟磁材料而言則還要考慮晶化相析出,納米晶尺寸變化等因素對磁性和力學性能的影響。
          4高溫用軟磁材料及其發展
          表2列出可以做定子、變壓器等鐵心材料的性能,其中FeCo合金的工作溫度最高。為了提高Co50V2合金的力學性能,可以適當降低退火溫度,或加0.025~0.05%C,或加少量Mo(V+Mo=1.5~2.5%),使合金在不太降低磁性的前提下,提高強度。表3和圖2列出了Co50V2(HiperCo50)在較低溫度退火后的力性和損耗[5]。
          最近的研究發現HiperCo27合金的磁性更適宜在高溫下使用[6]。圖3列出三個FeCo系合金在500℃時效2000小時后,損耗(P1.8/1k)與溫度的關系(其中HiperCo50HS是含0.3%Nb的Co50V2合金)。HiperCo27合金的損耗不僅小,而且隨著溫度的提高進一步減小。圖4是該三個合金在500℃時效時Hc隨時間的變化。HiperCo27的磁性最為穩定。研究還表明Co50V2型合金在600℃時效時,由于富V的第二相析出使Bs下降,而Hc增加(見圖5)[7]。
          這一類在靜態條件下使用的材料的實際應用如下:定子材料用雙取向SiFe(600℃以下)和HiperCo27(450~800℃);變壓器鐵心材料用取向SiFe(450℃以下)、HiperCo27和Supermendur合金(450~800℃);飽和電抗器和磁放大器用取向SiFe和Supermendur合金;磁極材料可用鑄態1.25%Si-Fe或50%Co-Fe合金(450~760℃)。
          另一類是高速旋轉的轉子或磁力軸材料,主要要求有好的高溫力學性能,其次是有一定的磁性。屬于這類的材料有:
          a.沉淀硬化型高溫轉子材料:包括以Fe為基的馬氏體時效鋼,H-11工具鋼以及析出A3B型金屬間化合物沉淀相的以Co基、Fe-Co基或Fe-Ni-Co基多元合金。
          b.彌散硬化型高溫轉子材料:在Co或FeCo(27-35%)為基的合金中加入堅硬的第二相,如B化物、ThO2或Al2O3等顆粒進行彌散強化,控制合適的第二相粒子尺寸和體積分數以及粒子間距,在矯頑力增加不多的前提下,大大增強合金基體的高溫力性,特別是蠕變強度。這類材料的工作溫度高于上述沉淀硬化型合金。
          表4列出上述二類典型材料的性能和工作溫度。
          c.纖維強化型高溫轉子材料。用難熔金屬纖維如W纖維或C纖維來強化高Tc高Bs的軟磁合金[7]。圖6為Co50Fe-W復合材料的強度(σs)和Bs值與W纖維量的關系。退火后由于晶粒長大,內應力消除使Hc和磁滯損耗大為改進(見圖7)。此外,該材料在600Mpa應力、550℃時的蠕變幾乎可忽略不計,大大優于商用HiperCo50HS合金(見圖8)。
          顯然,對這類材料而言,基體合金的選擇、纖維含量、尺度及分布狀態是最重要的。
          1998年在美國軍方的支持下,Willard M.A等公布了可用于高溫的納米晶軟磁合金,典型成分為Fe44Co44Zr7B4Cu1,名為Hitperm型合金[8.9]。該合金是用熔體快淬法先獲得0.02-0.05mm厚的非晶薄帶,再在晶化溫度以上適當溫度退火,形成在非晶基體上析出尺寸約為10-15nm的α-FeCo(FCC) 或α'-FeCo(B2有序相)納米晶結構,從而獲得高的Bs值(>2.0T)和Tc值(>965℃)。圖9列出Hitperm型納米軟磁合金的差熱分析曲線??芍赥x1=510℃析出α(或α')-FeCo結晶相,在Tx2=700℃時析出(FeCo)3Zr相,在大約985℃處發生α→γ相變。圖10列出二個納米合金的磁化強度隨溫度的變化。Fe44Co44Zr7B4Cu1在500℃時析出高Bs的FeCo相使磁化強度不降反升,直到985℃處由于鐵磁性α-FeCo相轉變為順磁性γ-FeCo相,磁化強度才大降。該合金在很寬的溫度范圍保持高的磁化強度。另一個名為Nanoperm的Fe88Zr7B4Cu1合金,由于在非晶態時其Tc在室溫附近,所以當溫度升高時磁化強度很快降為零,到約500℃時,由于析出α-Fe相使磁化強度值大增,到770℃α-Fe的居里點處磁化強度又降為零。這個合金Bs值約為1.6T。相比之下,高溫磁性不如上述Hitperm型合金。圖11列出Hitperm合金的磁滯回線、損耗及交流磁導率與頻率的關系曲線。
          表5列出了可用于高溫的三個納米軟磁合金的性能[9~12]。此外,改變Hitperm型合金的Fe/Co比,如0.05/0.95、0.7/0.3或用Nb、Hf、Ta、Mo部分代替Zr也可獲得高Bs高Tc納米軟磁合金,其磁化強度與溫度的關系曲線與圖10中的Fe44Co44Zr7B4Cu1合金一樣[11~15]。還發現Fe45Co45Zr3.7Hf3.7B3.6Cu1合金在500~600℃納米晶化后又在500℃等溫退火700小時,仍能保持較低的矯頑力(Hc<50A/m),說明由于微晶生長抑制劑-Hf的存在,使納米軟磁合金具有良好的熱穩定性[16]。(Fe0.7Co0.3)88Hf7B4Cu1合金也具有良好的高溫磁性和熱穩定性[17]。
        由上可知與通用的FeCo系晶態合金相比,高Bs高Tc的納米軟磁合金由于λs小,電阻率(ρ)高,帶薄等,應具有良好的交直流磁性,另外納米晶結構會有更好的力學性能。納米軟磁合金薄帶的制備工藝簡單,Co含量低,成本也就低。
          現在美、日、歐洲各國都在大力開發高溫大功率用納米晶軟磁合金,盡管公開的性能數據不全,但是美國軍方認為該類材料是目前航空、航天多電力飛行器集成動力裝置(MEA-IPU)等高速高溫發電、配電、用電系統的首選新型材料。
          文章來源互聯網,轉載請注明磁性材料生產廠家http://www.mymajidwrite.com/!



        衡陽市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營電磁不銹鋼,為湖南省高新技術企業。公司自成立以來,即致力于電磁不銹鋼的研發。公司已具備年產電磁不銹鋼1萬噸的生產能力。

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