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(jià)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(gè)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(gè)電子都在作循軌和自旋運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)的磁性就是由于電子的這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。對于金屬來說，金屬是由點(diǎn)陣的離子和自由電子構(gòu)成。MIM技術(shù)起源于歐洲部分國家，開始用于軍事裝備部件開發(fā)并得到應(yīng)用。在磁場的作用下電子運(yùn)動(dòng)會產(chǎn)生抗磁磁矩，與此同時(shí)，點(diǎn)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(jià)增加時(shí)逐步向共價(jià)結(jié)合過渡，而共價(jià)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(jià)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(qiáng)，這是因?yàn)檫@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(qiáng)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(qiáng)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(gè)個(gè)小的“自發(fā)磁化區(qū)”，我們稱之為“磁疇”。

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

重新回到問題的起點(diǎn)，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(gè)小區(qū)域內(nèi)的各個(gè)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。5倍，同時(shí)考慮到齒輪高度縱向密度的均勻性，因此粉末冶金齒輪的厚度也是很重要的。

鐵磁性金屬與非鐵磁性金屬的磁化機(jī)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。

數(shù)碼電子MIM注射陶瓷未來發(fā)展和趨勢

MIM注射成型助力數(shù)碼電子設(shè)備精密零件發(fā)展的同時(shí)，也促進(jìn)了粉末冶金行業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長，目前粉末冶金注射成型主要還是應(yīng)用不銹鋼、鐵、銅、鋁等金屬零件材質(zhì)，陶瓷以及鈦合金材質(zhì)相對來說少很多，

MIM陶瓷手機(jī)后蓋

一：數(shù)碼電子注射陶瓷未來發(fā)展和趨勢

1：高質(zhì)量的手機(jī)背板注塑用陶瓷喂料已取得突破，喂料的均勻性和穩(wěn)定性可保證；

2：隨著5G通訊的臨近和對非金屬材料背板的需求，陶瓷注塑手機(jī)背板將逐漸進(jìn)入智能手機(jī)終端市場，成為未來陶瓷背板的主流制備技術(shù)之一。

3：智能穿戴外觀件基本都已采用陶瓷注塑，例如可無線充電的蘋果手表陶瓷背蓋，華米手表陶瓷表圈；

4：高精度凈尺寸陶瓷背板的連續(xù)化注塑生產(chǎn)線已開發(fā)，其產(chǎn)能和效率高于其他工藝；

5：新開發(fā)的注塑陶瓷材料的抗沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性已大幅提高，高于玻璃背板，而且具有更高的硬度和耐磨性。

數(shù)碼電子發(fā)展速度非?？?，對于精密零件的性能以及外形復(fù)雜程度的需求也是越來越高，MIM注射成型技術(shù)也在不斷的發(fā)展和進(jìn)步，助力各行各業(yè)的發(fā)展，聚鑫MIM已自主研發(fā)了5000多個(gè)粉末冶金結(jié)構(gòu)件，涵蓋汽車、家電、五金、數(shù)碼電子、醫(yī)用器材，5G通訊等領(lǐng)域。缺點(diǎn)：目前顏色受限制，只有黑色、灰色等較成熟，鮮艷顏色目前難以實(shí)現(xiàn)。

荷蘭公司用金屬3D打印制造超級摩托車電機(jī)冷卻

荷蘭超級摩托車制造商Electric Superbike Twente與金屬3D打印公司K3D合作，為其電動(dòng)自行車的電機(jī)生產(chǎn)新的冷卻外殼。目前大部分金屬喂料都有專業(yè)的供應(yīng)商，有些比較有實(shí)力的大型工藝使用商也在喂料生產(chǎn)領(lǐng)域積極探索，試圖降低生產(chǎn)成本的同時(shí)生產(chǎn)出適合更多適合自身生產(chǎn)需要的喂料。這是Electric Superbike Twente使用的一款3D打印金屬組件，在此前的產(chǎn)品開發(fā)中，他們意識到使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的電機(jī)冷卻外殼并不適合高性能摩托車，因此雙方在設(shè)計(jì)第二輛電動(dòng)摩托車后不久就開始合作。

傳統(tǒng)制造的局限性

超級摩托車團(tuán)隊(duì)的技術(shù)經(jīng)理Feitse Krekt 評論說：“首輛超級摩托車的冷卻外殼由多個(gè)部件組成，這些部件使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，如車削和銑削，很難生產(chǎn)。對于這些生產(chǎn)方法，需要大量的材料，因此最終產(chǎn)品變得非常沉重。濃型放熱氣氛的碳勢較高一些，可用作防止粉末冶金鐵基、銅基零件的的氧化和減少鐵基零件的脫碳。而且另外一個(gè)問題是，由于車削過程，壁厚需要高于常規(guī)，我們無法盡可能高效地冷卻電動(dòng)機(jī)。所以，電機(jī)的功率低于預(yù)期，有時(shí)需要放慢速度以使電動(dòng)機(jī)不會過熱?！?

因此，超級摩托車決定聯(lián)系K3D，K3D是荷蘭一家從Additive Industries購買了metalFab1 金屬3D打印機(jī)的公司，自2016年以來已生產(chǎn)超過35,000種產(chǎn)品。

△用于生產(chǎn)冷卻外殼的metalFab1 3D金屬打印機(jī)

K3D的首席技術(shù)官Jaap Bulsink解釋說，使用K3D生產(chǎn)的部件使他們能夠享受傳統(tǒng)制造技術(shù)無法提供的設(shè)計(jì)自由，“由于采用薄壁設(shè)計(jì)，內(nèi)部通道具有zui佳的冷卻性能，只有金屬3D打印才能實(shí)現(xiàn)極佳設(shè)計(jì)自由度。重要的是，該部件的設(shè)計(jì)重量最輕。吸熱型氣氛與放熱型氣氛相比較，是一種還原性更強(qiáng)、碳勢更高的可控氣氛，在粉末冶金中主要用于鐵基零件和銅基零件燒結(jié)時(shí)作保護(hù)氣氛，有時(shí)也作為滲碳劑使用。該部件打印非常準(zhǔn)確，無需任何后處理即可直接使用。”

這不是3D打印初次用于制造電動(dòng)摩托車?？偛课挥诘聡腂igRep已經(jīng)制造出功能齊全的3D打印電動(dòng)摩托車，但該自行車僅用于設(shè)計(jì)目的，目前還不是一種可行的商業(yè)產(chǎn)品。對粉末冶金生坯強(qiáng)度的這種解釋就將重點(diǎn)放在了建立顆粒之間原子與原子的金屬接觸。另外，寶馬今年早些時(shí)候推出了3D打印概念車架，用于BMW S1000RR運(yùn)動(dòng)自行車。

電動(dòng)超級摩托車目前正在組裝，之后將于2019年5月24日在荷蘭恩斯赫德進(jìn)行測試并最終曝光。

我國近十年來粉末冶金成形新技術(shù)綜述

粉末冶金是一項(xiàng)集材料制備與零件成形于一體，節(jié)能、節(jié)材、高效、最終成形、少污染的先進(jìn)制造技術(shù)，在材料和零件制造業(yè)中具有不可替代的地位和作用，已經(jīng)進(jìn)入當(dāng)代材料科學(xué)的發(fā)展前沿。

   目前粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、低成本方向發(fā)展，本文著重介紹幾種近十年來粉末冶金零件的成形新技術(shù)。

   一、溫壓技術(shù)

   溫壓技術(shù)是粉末冶金領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，可生產(chǎn)出高密度、高強(qiáng)度，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。所謂溫壓技術(shù)就是采用te制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將加有特殊潤滑劑的預(yù)合金粉末和模具等加熱至130～150℃，并將溫度波動(dòng)控制在±2．5℃以內(nèi)，然后和傳統(tǒng)粉末冶金工藝一樣進(jìn)行壓制、燒結(jié)而制得粉末冶金零件的技術(shù)。3、清楚前處理時(shí)遺留的殘污，提高工件的光潔度，能使工件露出均勻一致的金屬本色，使工件外表更美觀，好看。其技術(shù)關(guān)鍵：一是溫壓粉末制備，二是溫壓系統(tǒng)。

   與傳統(tǒng)工藝相比，溫壓成形的壓坯密度約有0.15～0.30g／cm3的增幅，其密度可達(dá)7.45g／cm3。在相同的壓制壓力下，溫壓材料的屈服強(qiáng)度比傳統(tǒng)工藝平均高11％，極限拉伸強(qiáng)度平均高13．5％，沖擊韌性可提高33％。另外，溫壓零件的生坯強(qiáng)度高，可達(dá)2O～30MPa，比傳統(tǒng)方法提高50—100％，不僅降低生坯搬運(yùn)過程中的破損率而且能對生坯進(jìn)行機(jī)加工，表面光潔度好。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。此外，溫壓工藝的壓制壓力低和脫模力小，同時(shí)零件性能均一，產(chǎn)品精度高，材料利用率高。

   溫壓工藝還有一個(gè)特點(diǎn)是工藝簡單，成本低廉。研究表明，假如一次壓制、燒結(jié)的普通粉末冶金工藝的成本為1.0，則粉末鍛造的相對成本為2.0，復(fù)壓復(fù)燒的相對成本為1.5，滲銅的相對成本為1.4，而溫壓技術(shù)的相對成本為1．25。目前，采用溫壓技術(shù)生產(chǎn)的粉末冶金零件已達(dá)200多種，零件重量在5—1200g。例如，德國SinterstahlGmbH公司用溫壓技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜的摩擦傳動(dòng)用同步齒環(huán)，在美國新奧爾蘭舉行的PM2TEC2001國際會議上獲獎(jiǎng)。施加壓力使接觸面積增大，不管顆粒形狀和表面粗糙度如何，這種接觸面積大體上正比于施加的壓力。該零件的齒部密度超過7.3g／cm，環(huán)體密度超過7.1g／cm，生坯強(qiáng)度達(dá)到28MPa。采用了擴(kuò)散合金化的燒結(jié)硬壓粉末，zui低抗拉強(qiáng)度為850MPa。由于使用了溫壓技術(shù)和采用粉末冶金零件，使得綜合成本降低了38％。

   二、流動(dòng)溫壓技術(shù)

   流動(dòng)溫壓技術(shù)(Warm Flow Compaction，簡稱WFC)是在粉末壓制、溫壓成形工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合了金屬粉末注射成形工藝的優(yōu)點(diǎn)而提出來的一種新型粉末冶金零部件近凈成形技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)是提高混合粉末的流動(dòng)性。它通過提高了混合粉末的流動(dòng)性、填充能力和成形性，從而可以在8O～130~C溫度下，在傳統(tǒng)壓機(jī)上精密成形具有復(fù)雜幾何外形的零件，如帶有與壓制方向垂直的凹槽、孔和螺紋孔等零件，而不需要其后的二次機(jī)加工。MIM用粘結(jié)劑應(yīng)滿足如下要求：與粉末接觸角小，粘附力強(qiáng)且不與粉末反應(yīng)。WFC技術(shù)既克服了傳統(tǒng)粉末冶金在成形復(fù)雜幾何形狀方面的不足，又避免了金屬注射成形技術(shù)的高成本，是一項(xiàng)極具潛力的新技術(shù)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

   WFC技術(shù)作為一種新型的粉末冶金零部件近凈成形技術(shù)，其主要特點(diǎn)如下：(1)可成形具有復(fù)雜幾何形狀的零件；(2)壓坯密度高、密度均勻；(3)對材料的適應(yīng)性較好；(4)工藝簡單，成本低。