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。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。一、第1把火——退火：1、退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達到平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準(zhǔn)備。

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。下面我們就一起來了解一下：一、保護氣氛：保護氣氛分為還原性氣氛和中性氣氛，還原性氣氛又分為氫氣和分解氨。

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。

密煉機和捏合機的區(qū)別

密閉式煉膠機簡稱密煉機，主要用于橡膠的塑煉和混煉。密煉機是一種設(shè)有一對特定形狀并相對回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、在可調(diào)溫度和壓力的密閉狀態(tài)下間隙性地對聚合物材料進行塑煉和混煉的機械，主要由密煉室、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子密封裝置、加料壓料裝置、卸料裝置、傳動裝置及機座等部分組成。二、第二把火——正火：1、正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

　　密煉機是在開煉機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高強度間隙性的混煉設(shè)備。自1916年出現(xiàn)真正意義上的Banbury（本伯里）型密煉機后，密煉機的威力逐漸被人們所認識，它在橡膠混煉過程中顯示出來比開煉機優(yōu)異的一系列特征，如：混煉容量大、時間短、生產(chǎn)效率高；較好的克服粉塵飛揚，減少配合劑的損失，改善產(chǎn)品質(zhì)量與工作環(huán)境；粉末冶金零件生坯具有適當(dāng)?shù)膹姸仁潜匾?，以便壓坯從陰模中脫出和將其運送到燒結(jié)爐而不會損壞。操作安全便利，減輕勞動強度；有益于實現(xiàn)機械與自動化操作等。因此，密煉機的出現(xiàn)是橡膠機械的一項重要成果，至今仍然是塑煉和混煉種的典型的重要設(shè)備，仍在不斷的發(fā)展和完善。

　　捏合機是由一對互相配合和旋轉(zhuǎn)的葉片（通常呈Z形）所產(chǎn)生強烈剪切作用而使半干狀態(tài)的或橡膠狀粘稠塑料材料能使物料迅速反應(yīng)從而獲得均勻混合攪拌的設(shè)備。是各種高粘度的彈塑性物料的混煉、捏合、破碎、分散、重新聚合各種化工產(chǎn)品的理想設(shè)備，具有攪拌均勻、無死角、捏合效率高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高粘度密封膠、硅橡膠、中性酸性玻璃膠、口香糖、泡泡糖、紙漿、纖維素、亦用于電池、油墨、顏料、染料、樹脂、塑料、橡膠、化妝品等行業(yè)。⑤馬氏體：鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織，常用M表示,馬氏體是體心正方結(jié)構(gòu)。

　　捏合機可制成普通型、壓力型、真空型、高溫型四種，調(diào)溫形式采用夾套、蒸汽加熱、油加熱、水冷卻等方法，采用液壓翻缸及啟蓋。出料方式有液壓、翻缸傾倒、球閥出料，螺桿擠壓等。并可通過PLC實時控制及記錄生產(chǎn)中的溫度、時間、粘度等相關(guān)數(shù)據(jù)。缸體及漿葉與物料接觸部分均采用不銹鋼制成，確保產(chǎn)品質(zhì)量。氫氣在一定的溫度條件下具有很強的滲透性，是一種化學(xué)活性較強的可燃性無毒氣體，常在鎢、硬質(zhì)合金、不銹鋼等難熔粉末冶金制品的燒結(jié)中作為保護氣氛。

　　捏合機主要由捏合部分、機座部分、液壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等六大部分組成。捏合部分由缸體、漿軸、墻板、缸蓋等組成。液壓系統(tǒng)由一臺液壓站來操縱兩只小油缸和兩個大油缸，來完成啟閉大蓋、翻動攪拌缸功能。電控系統(tǒng)有手動、自動電控系統(tǒng)，由用戶任意選擇和要求，操作方便、可靠。傳動系統(tǒng)由電機、減速機和齒輪組成、根據(jù)捏合機型號配套電機。七、噴砂噴砂:是采用壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料高速噴射到需處理工件表面，使工件表面的外表面的外表或形狀發(fā)生變化，獲得一定的清潔度和不同的粗糙度的一種工藝。在傳動過程中，可由電機同步轉(zhuǎn)速，經(jīng)彈性聯(lián)軸器至減速機后，由輸出裝置傳動快漿，使其達到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，也可由變頻器進行調(diào)速。

粉末注射成型技術(shù)彎道超車

粉末注射成型適用不銹鋼，鐵基合金，磁性材料，鎢合金，硬質(zhì)合金，精細陶瓷等系列。所制備的零件廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、汽車業(yè)、兵工業(yè)、醫(yī)用器械、機械行業(yè)、日用品等領(lǐng)域。那么粉末注射成型和其他成形工藝特點的比較，哪個更具優(yōu)勢呢?

　　(一)與傳統(tǒng)粉末冶金工藝比較

　　粉末注射成型作為一種制造高質(zhì)量精密零件的近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金方法無法比擬的優(yōu)勢。MIM能制造許多具有復(fù)雜形狀特征的零件：如各種外部切槽，外螺紋，錐形外表面，交叉通孔、盲孔，凹臺與鍵銷，加強筋板，表面滾花等等，具有以上特征的零件都是無法用常規(guī)粉末冶金方法得到的。金屬表面發(fā)黑（發(fā)藍）處理工藝鋼制件的表面發(fā)黑處理，也有被稱之為發(fā)藍處理。

　　(二)與比精密鑄造比較

　　精密鑄造對于熔點相對較低的金屬或合金，精密鑄造也可以成形三維復(fù)雜形狀的零件。但對于難熔金屬和合金、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷等卻無能為力，這是精密鑄造的本質(zhì)所決定的。另外，對于尺寸小、壁薄、大批量的零件采用精密鑄造是十分困難或不可行的。

　　(三)與機加工比較

　　傳統(tǒng)機械加工法，近來靠自動化而提升其加工能力，在效率和精度上有極大的進步，但是基本的程序上仍脫不開逐步加工(車削、刨、銑、磨、鉆孔、拋光等)完成零件形狀的方式。

　　機械加工方法的加工精度遠優(yōu)于其他加工方法，但是因為材料的有效利用率低，且其形狀的完成受限于設(shè)備與刀具，有些零件無法用機械加工完成。相反的，粉末注射成型可以有效利用材料，形狀自由度不受限制。對于小型、高難度形狀的精密零件的制造，粉末注射成型工藝比較機械加工而言，其成本較低且效率高，具有很強的競爭力。MIM技術(shù)彌補了傳統(tǒng)加工方法在技術(shù)上的不足或無法制作的缺憾，并非與傳統(tǒng)加工方法競爭。粉末注射成型技術(shù)可以在傳統(tǒng)加工方法無法制作的零件領(lǐng)域發(fā)揮其特長。捏合機是由一對互相配合和旋轉(zhuǎn)的葉片（通常呈Z形）所產(chǎn)生強烈剪切作用而使半干狀態(tài)的或橡膠狀粘稠塑料材料能使物料迅速反應(yīng)從而獲得均勻混合攪拌的設(shè)備。

荷蘭公司用金屬3D打印制造超級摩托車電機冷卻

荷蘭超級摩托車制造商Electric Superbike Twente與金屬3D打印公司K3D合作，為其電動自行車的電機生產(chǎn)新的冷卻外殼。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)的電機冷卻外殼并不適合高性能摩托車，因此雙方在設(shè)計第二輛電動摩托車后不久就開始合作。三、空氣氣氛：這種燒結(jié)氣氛主要是在燒結(jié)爐內(nèi)通過一定空氣氣體，也可以看作是在常壓狀態(tài)下燒結(jié)，一般在金屬復(fù)合材料和陶瓷材料的燒結(jié)制品中應(yīng)用。

傳統(tǒng)制造的局限性

超級摩托車團隊的技術(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。而且另外一個問題是，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機。所以，電機的功率低于預(yù)期，有時需要放慢速度以使電動機不會過熱。液壓系統(tǒng)由一臺液壓站來操縱兩只小油缸和兩個大油缸，來完成啟閉大蓋、翻動攪拌缸功能?！?

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

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)計自由，“由于采用薄壁設(shè)計，內(nèi)部通道具有zui佳的冷卻性能，只有金屬3D打印才能實現(xiàn)極佳設(shè)計自由度。重要的是，該部件的設(shè)計重量最輕。該部件打印非常準(zhǔn)確，無需任何后處理即可直接使用。實際操作中，需要注意的是工件發(fā)黑前除銹和除油的質(zhì)量，以及發(fā)黑后的鈍化浸油?！?

這不是3D打印初次用于制造電動摩托車。總部位于德國的BigRep已經(jīng)制造出功能齊全的3D打印電動摩托車，但該自行車僅用于設(shè)計目的，目前還不是一種可行的商業(yè)產(chǎn)品。另外，寶馬今年早些時候推出了3D打印概念車架，用于BMW S1000RR運動自行車。2、退火的目的：①改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，防止工件變形、開裂。

電動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行測試并最終曝光。