金屬的磁性怎么來的

為什么只有少數(shù)的金屬有磁性？

可以等價于問：為什么只有少數(shù)金屬是鐵磁性的，而大部分金屬是非鐵磁性（即抗磁性和順磁性）？

這個得從金屬磁化的物理本質(zhì)說起：近代物理證明，構(gòu)成物質(zhì)的原子由原子核和電子所構(gòu)成，每個電子都在作循軌和自旋運動，物質(zhì)的磁性就是由于電子的這些運動產(chǎn)生的。對于金屬來說，金屬是由點陣的離子和自由電子構(gòu)成。粘結(jié)劑是MIM技術(shù)的核心，MIM與常規(guī)粉末冶金方法相比的一個重要差異即粘結(jié)劑含量高。在磁場的作用下電子運動會產(chǎn)生抗磁磁矩，與此同時，點陣的離子和自由電子會產(chǎn)生順磁磁矩。

下面，我們分析下各種金屬的磁特性。

1、金屬的抗磁性和順磁性（金屬的非鐵磁性）

金屬中銅（Cu）、銀（Ag）、金(Au)、?（Cd）、等，它們的離子所產(chǎn)生的抗磁性大于自由電子的順磁性，因此是抗磁性物質(zhì)。

在元素周期表中接近非金屬的一些金屬元素，如銻（Sb）、鉍（Bi）、與錫（Sn）等，它們的自由電子在原子價增加時逐步向共價結(jié)合過渡，而共價電子的磁矩互相抵消，因此表現(xiàn)出異常的抗磁性。

所有堿金屬都是順磁性物質(zhì)，堿土金屬（除“鈹”外）也都是順磁性的，這是由于它們的自由電子所產(chǎn)生的順磁性占主導(dǎo)地位。

堿金屬指元素周期表ⅠA族元素中所有的金屬元素，包括鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）六種。

堿土金屬指元素周期表中Ⅱ A族元素，包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種。

三價金屬鋁（Al）、硒(Se)、鑭(La)也是順磁性，它們的順磁性主要是由自由電子或離子的順磁性所決定。

稀土金屬也是順磁性，而且磁性較強，這是因為這些元素的原子4f層或5d層沒有填滿，存在著未能抵消的自旋磁矩所造成。

鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）等過渡族元素，它們的3d層未被填滿，自旋磁矩未被抵消或而產(chǎn)生強烈的順磁性。

2、金屬的鐵磁性

對于鐵磁性金屬來說，不大的外磁場便會使它強烈磁化，很容易被磁鐵吸附。

鐵磁性金屬的原子磁矩主要來源于電子的自旋磁矩，即使在沒有外磁場的條件下，就可以形成一個個小的“自發(fā)磁化區(qū)”，我們稱之為“磁疇”。

正是由于在每個磁疇中原子的磁矩已完全排列起來，所以在一個不太強的外磁場，就可以產(chǎn)生一個很強的磁化強度，即樓主認(rèn)為的“有磁性”。

重新回到問題的起點，金屬的磁性是由其原子結(jié)構(gòu)特性決定的，常溫下，只有少數(shù)的金屬可以形成自發(fā)磁化區(qū)----“磁疇”，所有只有少數(shù)金屬有磁性

至于鐵磁性金屬為什么會形成磁疇的原因，涉及量子力學(xué)理論：鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子之間有一種靜電交換作用，正是這種靜電交換作用迫使各原子的磁矩平行或者反向平行排列，使得一個小區(qū)域內(nèi)的各個原子的磁矩按同一方向排列，最終形成自發(fā)磁化區(qū)域----磁疇。對于混煉時粉末和粘結(jié)劑的加入順序也有比較嚴(yán)格的規(guī)定，加料的順序一般是先加入高熔點組元熔化，然后降溫，加入低熔點組元，然后分批加入金屬粉末。

鐵磁性金屬與非鐵磁性金屬的磁化機制有著很大差異，由于不能自發(fā)形成磁化區(qū)域，所以非鐵磁性金屬（常見的有鎂、鋁、銅、鈦、奧氏體不銹鋼）的磁性很弱，無法形成明顯的SN兩極。

什么情況下合采用MIM工藝

MIM工藝的制程技術(shù)、材料和設(shè)備在國內(nèi)已經(jīng)越來越成熟，應(yīng)用范圍也非常廣。

零件形狀復(fù)雜、尺寸較小以及產(chǎn)量大，這些都是MIM工藝的優(yōu)勢。

這些強項，使其在電子數(shù)碼產(chǎn)品、手表、手工工具、牙齒矯正支架、汽車發(fā)動機零件、電子密封件、切削工具及運動器械中得到了大量的應(yīng)用。

那么，如何判定一個產(chǎn)品是否應(yīng)該選擇MIM工藝，也就是選擇MIM工藝的準(zhǔn)則是什么呢？

目前主要有下列主要事項，選擇MIM工藝前需要考慮清楚。

1.

質(zhì)量、切削量：對于在切削加工和磨削加工中材料損耗非常、加工非常耗時的零件，MIM在降低生產(chǎn)成本上極有優(yōu)勢；

2.

總需求量：模具費和研發(fā)費用對于低需求量的產(chǎn)品，分?jǐn)傁聛砗笫呛茈y以承受的。因此，當(dāng)產(chǎn)品的年需求量達到或超過2萬件時，可以考慮選擇MIM工藝。

3.

材料：MIM工藝是一種近凈成形技術(shù)，對于由鈦、不銹鋼及鎳合金之類難易切削的材料設(shè)計的零件，MIM最有吸引力。

4.

產(chǎn)品復(fù)雜性：MIM工藝最適合制造幾何形狀復(fù)雜的、在切削加工中需要變換很多次加工工位的多軸零件、多基準(zhǔn)零件。

5.

使用性能：基于MIM產(chǎn)品的高密度，如果使用性能有需求，則MIM的高密度形成的性能有競爭力。

6.

表面粗糙度：表面粗糙度反映了粉末顆粒的大小。

7.

公差（精度要求）：MIM燒結(jié)件的公差大概為±0.3%，如果產(chǎn)品要求的公差很嚴(yán)格，MIM燒結(jié)件就需要二次加工，如CNC，數(shù)控車等，MIM的成本也趨向于增加，需要評估比較。

8.

組合：為了節(jié)省庫存與組裝費用，可見多個零件固結(jié)為一個零件。

9.

缺陷：必須使MIM固有的缺陷處于非關(guān)鍵位置，或制造成型后可以除去，例如澆口印跡，頂針印跡或結(jié)合線。

10.

新型組合材料：MIM可制造出傳統(tǒng)工藝難以制造的新型組合材料，例如疊片的或兩種材料結(jié)構(gòu)的或耐磨耗用的混合的金屬-陶瓷材料。

MIM常用材料的種類很多，但有幾種是主要的。若材料難以切削加工，諸如工具鋼、鈦、鎳合金或不銹鋼，對于MIM最終成型來說，是最有利的，MIM工藝可以一次性成型復(fù)雜的幾何形狀特征。

在不同的生產(chǎn)地點之間，用MIM可達到的性能是不同的。我們在設(shè)計之前，需要的許多性能參數(shù)都匯總與技術(shù)手冊中。

現(xiàn)在，我們看到了很多為MIM設(shè)計的新的材料，其中有疊片結(jié)構(gòu)的（硬磁-軟磁，磁性的-非磁性的，傳導(dǎo)性的-絕緣的）、泡沫金屬及孔新建，這些可選擇的項目，都將MIM推進到了幾乎沒有工藝可替代的領(lǐng)域。

影響MIM不銹鋼喂料的流動性的三大因素

金屬注射成形工藝(簡稱MIM)是將金屬粉末和有機粘結(jié)劑經(jīng)過混煉、造粒成混合料顆粒，再通過注射成形的方式制造成特定性狀制品的方法，特別適合于小型、復(fù)雜精密金屬零件的制造，也得到了相當(dāng)所的精密零件制造商的認(rèn)可和使用，在當(dāng)今金屬制品成形領(lǐng)域占有重要地位。MIM技術(shù)是目前金屬零部件成型最科學(xué)的精凈成型技術(shù)，其特點在于成本低，性能優(yōu)異，可根據(jù)不同需求靈活調(diào)整各項性能指數(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

    該工藝需要事先準(zhǔn)備好注射料，也就是常說的MIM喂料，且對喂料的流變性有著比較苛刻的要求。MIM當(dāng)前常用的兩種喂料是鐵基喂料（如Fe2Ni，F(xiàn)e8Ni）和不銹鋼喂料（如SUS316L，SUS630即17-4，SUS304等），隨著近年來不銹鋼制品的需求越來越大，關(guān)于不銹鋼喂料的研究也迅速升溫。發(fā)黑時所需溫度的寬容度較大，大概在135攝氏度到155攝氏度之間都可以得到不錯的表面，只是所需時間有些長短而已。

    喂料的特性，直接影響后續(xù)所有工藝的參數(shù)以及成品的品質(zhì)特性。今天小編就已常用的不銹鋼為例為例，和大家一起來看一下生產(chǎn)工藝參數(shù)中影響不銹鋼喂料流動性的三大因素。

一， 粉末裝載量。粉末裝載量是一個比值，指的是粉末體積占喂料總體積的百分?jǐn)?shù)。粉末裝載量越大，說明喂料中粉末所占的比重越大，此時喂料的粘度增大，流變性相應(yīng)變差;當(dāng)粉末裝載量變小時，粘結(jié)劑所占比重相應(yīng)變大，此時喂料的粘度減小，流動性轉(zhuǎn)好。但也不是粘結(jié)劑越多越好。還要考慮粘結(jié)劑的量對后續(xù)其他工藝的影響。2、能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除了毛刺的危害，提高了工件的檔次。

二， 剪切速率。在注射成形過程中，不銹鋼喂料在高的剪切速率下而流動，所以喂料受到高剪切力發(fā)熱，發(fā)熱之后粘度降低，因此流動性強;反之當(dāng)喂料在低的剪切速率下流動，受到較低的剪切力發(fā)熱較慢，粘度不會明顯降低，流動性也相應(yīng)比較差。

三， 溫度。這里主要指的是注射成形時的注射溫度以及進入模腔后的溫度。不過，可以通過后處理或復(fù)合涂層獲得不同的顏色，以提高載重汽車零部件的裝飾性和匹配性。溫度的影響對于不銹鋼喂料來講是個加熱的過程，溫度通過對著喂料粘度的影響而影響其流動性，當(dāng)溫度升高時，喂料的粘度會變小，相應(yīng)的流動性變強，當(dāng)溫度降低時，喂料粘度變大，流動性也會比較差

我國粉末冶金行業(yè)集中度高

根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，34家國內(nèi)大中型粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)(占53 家企業(yè)數(shù)量的64%)的累計產(chǎn)量長期占53家企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量的占比高達85%，其中大多數(shù)汽車粉末冶金零部件生產(chǎn)商集中在這34 家企業(yè)中。過去十年，受益于汽車產(chǎn)量的增長，汽車用粉末冶金零部件需求也呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。未來，除了汽車行業(yè)本身的增長，粉末冶金零件需求也將受益于進口替代和對機加工零件替代的雙重替代，單車的粉末冶金用量將明顯提升，保障傳統(tǒng)汽車粉末冶金零部件的需求將保持平穩(wěn)增長。從某種程度上正在以驚人的速度取代CNC精加工等傳統(tǒng)成型技術(shù)，且該技術(shù)在突破核心技術(shù)攻堅后，質(zhì)量穩(wěn)定，便于大批量生產(chǎn)，客戶滿意度高，企業(yè)回報率高。

　　從行業(yè)趨勢來看，進入2008 年以后，由于價格的優(yōu)勢，世界粉末冶金的生產(chǎn)中心逐步往中國轉(zhuǎn)移，日本本土的產(chǎn)量出現(xiàn)了明顯的下降。根據(jù)中國粉末冶金協(xié)會的統(tǒng)計，以34 家粉末冶金企業(yè)產(chǎn)量為基數(shù)，2009/2010/2011 車用粉末冶金的單車用量分別為3.1/3.6/3.76kg/輛，用量增長趨勢明顯，在經(jīng)歷了2012 年短暫的下滑后，2013年又重回3.71kg/輛的水平。金屬注射成形（metalInjectionMolding，MIM）是一種適于生產(chǎn)小型、三維復(fù)雜形狀以及具有特殊性能要求制品的近凈成形工藝。產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)認(rèn)為，考慮到車輛節(jié)能、輕量化及產(chǎn)品精度化的訴求，伴隨未來中國粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模做大，技術(shù)加強和依舊強勁的成本優(yōu)勢，車用粉末冶金零件進口替代趨勢下的需求增長仍將持續(xù)發(fā)生