软磁复合材料(SMC)

软磁复合材料(SMC)

■ 耀德讲堂 / 邱耀弘 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.080)

前言

本文参考日本微射出成型株式会社(Micro MIM Japan, µ-MIM®)的网上资料，包含图形以及部分内容的翻译。和硬磁（即永久磁石，含天然与人造）材料有很大的区别，所谓的软磁性材料是其具备低磁性且具有高导磁率的材料。尽管这些材料暴露在外加强磁场时会变得具有强的磁化，但在该外加磁场去除之后能够恢复没有磁性（消除磁力）导致它们是特别有价值，因为电磁共生的效应，我们控制电流发生磁场，便可达到关闭与开启磁场，这在电子电路版上有非常多的应用场景。软磁材料的零件已用于家用电器、计算机相关办公设备、通用工业设备，如气动设备、机动车燃油喷射装置中的电磁阀、电磁阀芯、喷油器芯、柱塞和扭矩传感器芯以及各种传感器。在软磁零件对高精度或复杂形状的频繁需求中，当前的方法涉及使用切割和粉末冶金方法制造，但也带来了许多问题。作为回应，日本的µ-MIM®公司其技术引领了制造研究工作，作为研究MIM如何应用于磁性零件的工作的一部分（2008年：METI，战略性基础技术改进支援运营；2011年全面采用并商业化）。

在前面Dr. Q和赵硕士已经很详细的介绍MIM工艺，通过MIM工艺可以优化金属零件小型化、处理复杂形状、大批量生产以及提高材料产量的方式。此外，日本µ-MIM®公司拥有其µ-MIM®技术可以应用于制造近净形、高精度的软磁零件。如图1所示，这些包含金属与金属氧化物所制作的小型软磁零件，被广泛用在前述的应用场景中。

图1：日本日本微射出成型株式会社(Micro MIM Japan, µ-MIM®)的软磁零件产品，包含许多的金属与非金属的材质

MIM的工艺优势

使用MIM工艺最重要的是这种方法为无磁干扰的生产铺平了道路，消除了薄壁形状或轴的变形风险，过去的工艺对于这些薄壁的形状在消磁退火过程中容易变形。我们的生产范围包括铁素体不锈钢、Fe-3Si和坡莫合金。此外，与传统机加工相比（取决于所涉及的形状和数量），可以大幅降低每件产品的成本。

• 适合几何形状复杂的设计（优越的设计自由度），对于电子被动元件有很大的弹性；
• 高尺寸精度，成型与脱脂烧结后不容易变形，消除传统粉末干压(PM)的密度不均匀问题；
• 快速验证并可短时间大量生产，射出成型机比粉末压机容易控制。

软磁材料在压制法与粉末注射成型的工艺区别如表1所表示。在未来微性化软磁元件的激增下，MIM工艺的优势是非常明显的。对于磁感值越精确，软磁元件的用量可减少且将低电路板重量和发热量。

表1：PM/MIM工艺制作产品区别

MIM工艺在材料选择的优势

MIM工艺可以选择很多种的材料作为磁性功能的应用，有关软磁材料性质描述，对于MIM从业人员最熟悉莫过于不锈钢17-4PH（201与之接近）与316L（304L与之接近），这两牌号不锈钢通常普遍的用于MIM产业，Dr. Q也列出给读者参考。建议使用他们来做为软磁性应用时要考虑电磁特性，可能是电磁波屏蔽使用的好材料。以下三个材料的性质表请参考表2、3及4。

表2：材料磁性能表

表3：可提供MIM工艺制作的材料化学成分表

表4：可提供MIM工艺制作的材料机械性质表

（网络上的数据可能会有些许误差，建议读者们在查询资料时可以多找几篇进行比对）

SUS 410/430 /不锈钢410/430

铁素体形成元素（如Cr、Mo和Si）的适当配置意味着，即使铁素体经过热处理，甚至在高温下磁性也会保留。该材料具有良好的可焊性、比奥氏体不锈钢有更小的热膨胀系数以及对含硫气体有优异的耐高温腐蚀性。该材料适用于高达800°C的高温零件和化工设备。

Fe-Ni alloy/铁镍合金

又被称坡莫合金。用镍含量为35%至80%的镍铁合金来提高初始磁导率，该术语反映了磁导率和合金的结合。它对微小磁场变化的敏感性回应了它在许多电磁阀和磁头应用中的用途。还可以通过添加铜、铬、钼等来改变磁特性。

Fe-Si alloy/铁硅（硅）合金

铁硅材料其实是马达电机中用的硅钢片，以作为电磁导引的基底，和永磁互相作用使马达轴高速悬浮且能旋转，在铁中添加硅意味着比纯铁的共旋力更小，并且由于电阻增加，铁损耗最小，从而形成一种优秀的软磁材料。然而，材料的硬脆特性阻碍了可加工性。因此在粉末基础上，利用MIM有望实现净形零件的生产。此外，在保留所有磁性的同时，它正在开发表面改性、复合技术和检测微量附加元素，以弥补其强度和耐腐蚀性差的缺点。

Fe-Co alloy/铁钴合金

波门杜尔铁钴合金或称HiperCo是一种软磁材料，其特点是铁和钴的合金比例为1:1，其突出特点是最高的磁通密度。它用于电磁透镜、电子显微镜、最新的打印头和线性脉冲电机；所有这些都要求高可靠性。然而，在退火和常规加工过程中，材料容易脆化或变形。MIM通常可以解决复杂形状或薄壁零件的高精度批量生产等问题。此材料中加入V(0.8-1.2%)是为了改善材料的硬脆性。

另有其他MIM材料可以做为磁阻特性及较新的导磁材料，包含：

• 如铜、黄铜、铝等，这是可以使用MIM工艺制作的磁阻材料；
• 钴铬钼合金(ASTM F75)是2018年起美国苹果公司使用在手机后摄像镜头保护片的新材料，其导磁率高、无磁化特性、不易生锈，且硬度高，适合制作成薄件，但材料价格较为昂贵；
• 非金属的铁氧体包含锰锌、镍锌铁氧体，这些是用来作为电感元件的中芯材料；
• 最新的铁系非晶合金也已经使用MIM工艺制作软磁元器件。

应用说明

如图2所示的产品和应用范例。我们把其中的磁轭拿出来说明，这个元件几乎在进过银行的人都听过它发出的声音，没错就是打印支票和传票的打印头控制器的部分，这是一个非圆形对称的金属零件，其中细长的磁性柱销在深的凹槽，原来加工方式采用冲压的本体并以焊接方式将磁性柱一根根的焊上去，非常耗费人工，采用MIM工艺后使用一模4穴或8穴来制作高导磁并防锈的不锈钢材料，可以轻松的每月完成10万件的订单（原来采用手工焊接磁性柱销必须要大量人工），如图3所示的产品。

图2：MIM工艺制作的各种软磁零件，尤其是各种软磁轭(Yoke)几乎所有电磁装置与开关都会用上

图3：MIM工艺解决传统焊接法之软磁轭铁的产能问题（本图采用Indo-MIM产品图例）

Dr. Q的提醒

所有MIM制品的烧结都着重在于控制碳含量，尤其是烧结软磁磁材料更为重要，维持最低的碳含量甚至必须有氢气协助脱脂进行低温脱碳(<600℃)，这是比较好的选择。批次式石墨热场的烧结炉具有真空脱脂能力，当然也可以烧软磁材料，可以恰当的利用粉末起始氧含量来脱碳。

小结

汽车行业已迎来重大技术创新，如电动车、油电混合车并具有自动驾驶和联网的功能，他们的动力传动系统全面电气化，从控制系统到传感器系统，各种软磁材料的使用正在增加。我们可以戏称把平板计算机或是笔记本计算机装上轮子在道路上跑，变成行走的3C产品，不同的是我们人类是坐在这个大设备中。

此外，随着控制系统的发展，在机器人工业和人工智能的引领下，未来对高性能、小型化、高精度和复杂形状的软磁组件的需求将不断增加，并在更广泛的应用中不断发展。我们未来持续利用MIM的工艺技术，开发新产品以满足这些需求。有关其他软磁材料、新合金系统和复合材料的更多详细信息，Dr. Q会不定期的更新与提供给各位读者。

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