CN105206379A - 一种降低铁磁性金属材料电阻率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低铁磁性金属材料电阻率的方法，包括以下步骤：S1、将待处理的铁磁性金属材料制备成样品；S2、将样品放入磁场中，测量并获取样品的静态磁滞回线，根据样品的静态磁滞回线确定对应的磁致饱和的磁场强度的最大值；S3、将待处理的铁磁性金属材料工件放入低频交变磁场中，该磁场的磁场强度大于或等于样品磁致饱和的磁场强度的最大值，磁场的频率为0.2Hz-20Hz，处理时间为20s-600s；S4、给工件施加一个大于或等于磁化处理的磁场强度的磁场，然后不断改变磁场的方向，并逐渐减小磁场强度到零值。本发明的方法处理效率高，处理过程消耗的能量小，并且处理过程中产品工件的尺寸稳定性好。

Description

一种降低铁磁性金属材料电阻率的方法

技术领域

本发明涉及一种降低铁磁性金属材料电阻率的方法。

背景技术

电阻率是用来表示物质电阻特性的物理量。在常温下(20℃时)，某种材料制成的长1m、横截面积是1mm²的导线的电阻，称为这种材料的电阻率。通常电阻率越大，物质导电性能越低。物质具有电阻率这一属性的本质原因是，当外加电场作用时金属中的自由电子在运动过程中不断与晶格节点上做热振动的正离子发生相互碰撞，使电子的运动受到阻碍，其外在表现为物质对电流具有了一定的阻碍作用。电阻率较低的材料被称作导体，常见的导体主要是金属。

降低电阻率对于提高材料导电性能、减少电阻热损耗具有十分重要的意义。实际工程中，通常可以通过改变温度、合金化、压力等方法改变材料的电阻率大小。然而上述方法一般存在着高能耗、高污染等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中降低铁磁性金属材料电阻率的方法能耗高且污染高的缺陷，提供一种低消耗、低排放、高效率的降低铁磁性金属材料电阻率的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种降低铁磁性金属材料电阻率的方法，包括以下步骤：

S1、将待处理的铁磁性金属材料制备成样品，样品的大小及形状根据工件的大小及形状来确定；

S2、将样品放入磁场中，测量并获取样品的静态磁滞回线，根据样品的静态磁滞回线确定所对应的磁致饱和的磁场强度的最大值；

S3、对工件进行磁化处理，将待处理的铁磁性金属材料工件放入低频交变磁场中，该磁场的磁场强度大于或等于样品磁致饱和的磁场强度的最大值，磁场的频率为0.2Hz-20Hz，处理时间为20s-600s；

S4、对磁化处理后的工件进行退磁处理，给工件施加一个大于或等于磁化处理的磁场强度的磁场，然后不断改变磁场的方向，并逐渐减小磁场强度到零值。

步骤S1中样品的形状为块状或环状。

块状样品的静态磁滞回线的测量使用振动样品磁强计进行测量。

环状样品的静态磁滞回线的测量使用静态磁滞回线测量仪进行测量。

步骤S2中样品磁致饱和的磁场强度最大值的确定方法具体为：

在样品的内部和外部均匀的选取n个取样点，计算每个取样点的静态磁滞回线所对应的磁致饱和的磁场强度，记作H₁、H₂、...、H_n，磁致饱和的磁场强度的最大值为max{H₁，H₂，...，H_n}。

步骤S4中退磁处理每次将磁场减小为原磁场强度的50％。

本发明产生的有益效果是：本发明的降低铁磁性金属材料电阻率的方法通过测量样品在磁场中的静态磁滞回线，得出其最大磁致饱和的磁场强度，并将待处理的工件放入大于或等于该最大磁致饱和的磁场强度的磁场中进行处理，以达到降低该铁磁性材料电阻率的目的；本方法处理效率高，处理过程消耗的能量小，并且处理过程中产品工件的尺寸稳定性好。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的降低铁磁性金属材料电阻率的方法的流程图；

图2是本发明实施例的降低铁磁性金属材料电阻率的方法的GCr9钢静态磁滞回线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明实施例的降低铁磁性金属材料电阻率的方法的流程图，包括以下步骤：

S1、样品制备：将待处理的铁磁性金属材料制备成样品，样品的大小及形状根据工件的大小及形状来确定，可制成块状或环状；

S2、静态磁滞回线测量：将样品放入磁场中，测量并获取样品的静态磁滞回线，根据样品的静态磁滞回线确定所对应的磁致饱和的磁场强度的最大值。

由静态磁滞回线图可以看出，当外磁场强度H较小时，磁感应强度B随磁场强度H的增加而迅速增加；当H增加到某一数值时，B基本不再变化，我们认为这时的磁场强度H为样品磁致饱和时的磁场强度。

对于块状样品，使用振动样品磁强计(VSM)测量静态磁滞回线，样品在磁极中间感应线圈正中心的连线处并且被安装在振动杆上，其在感应线圈范围内垂直于磁场的方向进行振动。对于环状样品，使用仪器为静态磁滞回线测量仪，样品上面均匀的绕两组线圈，分别为初级和次级线圈，初级线圈由电路通入电流。最终获得块状或环状样品的静态磁滞回线。

静态磁滞回线的测量目的用于确定磁处理时的磁场强度。考虑到实际样品或工件组织成分不均匀性，对每个样品或工件选取n处进行取样，取样点包括样品或工件内部和外部，且分布均匀。设n个取样点的静态磁滞回线所对应的磁致饱和的磁场强度分别为：H₁、H₂、...、H_n，那么，磁处理的磁场强度应不小于它们的最大值，即磁场强度H≥max{H₁，H₂，...，H_n}。

S3、磁场处理：对工件进行磁化处理，将待处理的铁磁性金属材料工件放入低频交变磁场中，该磁场的磁场强度大于或等于样品磁致饱和的磁场强度的最大值，不计金属材料各向异性电阻率，磁场方向可任意选取，磁场的频率为0.2Hz-20Hz，处理时间为20s-600s；

S4、退磁处理：对磁化处理后的工件进行退磁处理，给工件施加一个大于或等于磁化处理的磁场强度的磁场，然后不断改变磁场的方向，并逐渐减小磁场强度到零值。

可将磁化处理后的工件，置放于电磁铁的两磁极之间，其磁场很强，足以使零件达到磁致饱和状态；然后以小的分档逐级降低磁场，每降一档切换一次磁场方向，直到电流降到零为止；每档应为前一档的50％，分档应尽可能小。

运用本方法可以快速有效地降低铁磁性金属材料的电阻率，其原理作如下阐述。金属合金电阻率服从Matthiessen定则，即在室温条件下，金属电阻率可以表示为：

ρ＝ρ₀+Δρ_i+Δρ_v+Δρ_ia+Δρ_d+Δρ_gb

其中，ρ₀为声子(描述晶格简谐振动的能量量子)对电子散射引起的电阻率，称为本征电阻率，依赖于温度；Δρ_i、Δρ_v、Δρ_ia、Δρ_d、Δρ_gb分别为第二相粒子、空位、间隙原子、位错和晶界等杂质和缺陷引起的电阻率增值，称为剩余电阻率，与温度无关。在低频磁场处理中，可忽略涡流热效应，因此此处只考虑与温度无关的剩余电阻率。在剩余电阻率的各影响因素中，其中点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷和面缺陷的影响大。金属晶体中存在着大量空穴、间隙原子等点缺陷。在磁场能量作用下，原子的动能更容易超越它与其他原子形成的势垒，更多的原子就会从晶格点阵碰出，由此所形成的离位原子在运动过程中与“临近”空位发生湮灭，降低了局部应力，并很快达到新的动态平衡，并使点缺陷的分布更加均匀。因此，经过磁场处理后，会使金属的电阻率降低。

磁场处理时间很短，在保证有效降低电阻率的前提下，消耗能源少。所选磁场频率为低频，磁场涡流效应和集肤效应等现象不明显，能有效减小电磁感应发热造成的能量损失。再者，本发明方法处理环境为室温，处理对象的尺寸稳定性极好。因此，本发明方法具有高效、节能、环保、产品尺寸稳定性好等优点，同时也避免了传统的通过改变温度、合金化、压力等方法改变材料的电阻率大小问题引发的高能耗、高污染等各种不良后果。

在本发明的另一个实施例中，通过磁场处理降低GCr9钢(材料供货态)的电阻率，其具体步骤为：

(1)将测量静态磁滞回线的样品制成块状，测量磁场处理前后材料的电阻率所需样品，即待处理的铁磁性金属材料工件，制成Φ5的圆柱状。

(2)测量GCr9钢的静态磁滞回线，磁滞回线示例如图2所示。由磁滞回线图可以得出5个取样点磁致饱和状态时的磁场强度，根据磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}的原则确定此材料磁处理时的磁场强度为10000A/m-14000A/m；磁场频率范围为0.5Hz-5Hz、磁场处理时间范围为20s-50s。

(3)将GCr9钢制成的Φ5圆柱状工件，即待处理的铁磁性金属材料工件，置于上述磁场中，按照上述工艺参数对其进行磁场处理。

(4)对磁场处理过的GCr9钢工件作退磁处理。

测量GCr9钢样品电阻率大小，具体为通过电压降的大小计算得到所需电阻率测量值。测量仪器为电性能测定仪。电阻率在给定输入电压2V，输入电流100mA的条件下进行测定，测出输出电压值U(mV)，计算出材料的电阻率(μΩ·cm)。

ρ＝2×3.14×0.2×U/(0.586×100)

针对本实施例中的GCr9轴承钢圆柱工件，取两份不同的大小的样品：样品1和样品2，分别测试其电阻率的变化。

在样品1上随机抽取5个点作为测量点，磁场处理前、后对样品1电阻率测量结果表明，磁场处理前的样品1在室温下五个点的电阻率均值为19.9μΩ·cm，磁场处理后的样品1在室温下五个点的电阻率均值为17.8μΩ·cm，均值降低了10.6％。

在样品2上随机抽取5个点作为测试点，磁场处理前、后对样品2电阻率测量结果表明，磁场处理前的样品2室温下五个点的电阻率均值为19.4μΩ·cm，磁场处理后的样品2在室温下五个点的电阻率均值为17.4μΩ·cm，均值降低了10.3％。

由此可见，经磁场处理后GCr9钢工件电阻率降低。

在本发明的另一个实施例中，通过磁场处理降低35CrMnSiA钢(880油淬，265回火)的电阻率，其具体步骤为：

(1)将测量静态磁滞回线的样品制成块状，测量磁场处理前后材料的电阻率所需样品制成Φ5的圆柱状。

(2)测量35CrMnSiA钢样品的静态磁滞回线，并由磁滞回线图可以得出5个取样点磁致饱和状态时的磁场强度，根据磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}的原则确定此材料磁处理时的磁场强度为12000A/m-16000A/m；磁场频率范围为0.5Hz-5Hz、磁场处理时间范围为20s-50s。

(3)将35CrMnSiA钢制成的Φ5圆柱状工件，即待处理的铁磁性金属材料工件，置于上述磁场中，按照上述工艺参数对其进行磁场处理。

(4)对磁场处理后的35CrMnSiA钢工件作退磁处理。

测量35CrMnSiA钢工件电阻率大小。结果表明，磁场处理前的工件在室温下五个取样点的电阻率均值为21.4μΩ·cm，磁场处理后的工件在室温下五个取样点的电阻率均值为18.3μΩ·cm，均值降低了14.5％。由此可见，经磁场处理后35CrMnSiA钢工件电阻率降低。

在本发明的另一个实施例中，通过磁场处理降低40钢(850水淬火，300回火)的电阻率，其具体步骤为：

(1)将测量静态磁滞回线的样品制成块状，测量磁场处理前后材料的电阻率所需样品制成Φ5的圆柱状。

(2)测量40钢的静态磁滞回线，并由磁滞回线图可以得出5个样品磁致饱和状态时的磁场强度，根据磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}的原则确定此材料磁处理时的磁场强度为11000A/m-15000A/m；磁场频率范围为0.5Hz-5Hz、磁场处理时间范围为20s-50s。

(3)将40钢制成的Φ5圆柱状工件，即待处理的铁磁性金属材料工件，置于上述磁场中，按照上述工艺参数对其进行磁场处理。

(4)对磁场处理后的40钢工件作退磁处理。

测量40钢工件电阻率大小。结果表明，磁场处理前的工件在室温下五个取样点的电阻率均值为23.8μΩ·cm，磁场处理后的工件在室温下五个取样点的电阻率均值为21.6μΩ·cm，均值降低了9.2％。由此可见，经磁场处理后40钢工件电阻率降低。

在本发明的另一个实施例中，通过磁场处理降低Si5A钢(冷拉拔状态)的电阻率，其具体步骤为：

(1)将测量静态磁滞回线的样品制成块状，测量磁场处理前后材料的电阻率所需样品制成Φ5的圆柱状。

(2)测量Si5A钢的静态磁滞回线，并由磁滞回线图可以得出5个样品磁致饱和状态时的磁场强度，根据磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}的原则确定此材料磁处理时的磁场强度为8000A/m-12000A/m；磁场频率范围为0.5Hz-5Hz、磁场处理时间范围为20s-50s。

(3)将Si5A钢制成的Φ5圆柱状工件，即待处理的铁磁性金属材料工件，置于上述磁场中，按照上述工艺参数对其进行磁场处理。

(4)对磁场处理后的Si5A钢工件作退磁处理。

测量Si5A钢工件电阻率大小。结果表明，磁场处理前的工件在室温下五个取样点的电阻率均值为21.4μΩ·cm，磁场处理后的工件在室温下五个取样点的电阻率均值为18.3μΩ·cm，均值降低了14.5％。由此可见，经磁场处理后Si5A钢工件电阻率降低。

通过大量实验研究发现，利用低频磁场处理技术可以明显降低铁磁性金属材料的电阻率，其基本原理与磁场修复金属微观材料组织缺陷、改变材料性能相关。磁场处理引起的金属内部点阵缺陷改变是电阻率下降的主要原因，在磁场处理后，合金晶体点阵缺陷发生了明显变化，所以导致材料的电阻率降低。利用磁场处理技术快速降低铁磁性金属材料电阻率是一项先进新颖的材料处理方法，它效果明显、方法简单，并且具有低消耗、低排放、高效率等特点，符合国家中长期发展规划中发展高新技术实现“减量化、再利用、资源化”的原则和可持续发展的要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种降低铁磁性金属材料电阻率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待处理的铁磁性金属材料制备成样品，样品的大小及形状根据工件的大小及形状来确定；

S2、将样品放入磁场中，测量并获取样品的静态磁滞回线，根据样品的静态磁滞回线确定所对应的磁致饱和的磁场强度的最大值；

S3、对工件进行磁化处理，将待处理的铁磁性金属材料工件放入低频交变磁场中，该磁场的磁场强度大于或等于样品磁致饱和的磁场强度的最大值，磁场的频率为0.2Hz-20Hz，处理时间为20s-600s；

S4、对磁化处理后的工件进行退磁处理，给工件施加一个大于或等于磁化处理的磁场强度的磁场，然后不断改变磁场的方向，并逐渐减小磁场强度到零值。

2.根据权利要求1所述的降低铁磁性金属材料电阻率的方法，其特征在于，步骤S1中样品的形状为块状或环状。

3.根据权利要求2所述的降低铁磁性金属材料电阻率的方法，其特征在于，块状样品的静态磁滞回线的测量使用振动样品磁强计进行测量。

4.根据权利要求2所述的降低铁磁性金属材料电阻率的方法，其特征在于，环状样品的静态磁滞回线的测量使用静态磁滞回线测量仪进行测量。

5.根据权利要求1所述的降低铁磁性金属材料电阻率的方法，其特征在于，步骤S2中样品磁致饱和的磁场强度最大值的确定方法具体为：

在样品的内部和外部均匀的选取n个取样点，计算每个取样点的静态磁滞回线所对应的磁致饱和的磁场强度，记作H₁、H₂、...、H_n，磁致饱和的磁场强度的最大值为max{H₁，H₂，...，H_n}。

6.根据权利要求1所述的降低铁磁性金属材料电阻率的方法，其特征在于，步骤S4中退磁处理每次将磁场减小为原磁场强度的50％。