功能材料課件：第二章-磁性材料二 永磁材料

1、第二章 磁性材料（二）永磁材料主要內(nèi)容一、概述二、幾種典型永磁合金 （一）鋁鎳鈷系永磁合金 （二）鐵鉻鈷永磁合金 （三）稀土永磁合金 （四）鐵氧體永磁材料三、永磁材料制備四、去磁方法一、概述一、概述永磁材料的發(fā)展永磁材料公元前4世紀(jì)，我國(guó)發(fā)現(xiàn)天然磁石（Fe3O4）公元前3世紀(jì)，指南針（司南） 永磁材料(硬磁材料、高矯頑力材料)：矯頑力在20kA/m以上的材料。用途：產(chǎn)生磁場(chǎng)。呂氏春秋九卷精通篇就有：“慈招鐵，或引之也?！?一、概述永磁材料特征參數(shù)(1)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 當(dāng)磁性材料磁化到飽和以后，再將磁化場(chǎng)下降到零，此時(shí)磁體中保留的磁感應(yīng)值稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，如右圖所示。其單位為T。Br

2、=0Mr，Mr為剩余磁化強(qiáng)度（單位A/m）。(2)矯頑力 矯頑力Hc是指在B-H飽和磁滯回線上，使Br變?yōu)榱闼柚创呕瘓?chǎng) ,單位為A/m 。 由M-H回線確定的矯頑力稱為內(nèi)稟矯頑力，以MHc表示。一、概述永磁材料特征參數(shù)永磁材料在被外磁場(chǎng)磁化后，去掉外磁場(chǎng)，仍保持很強(qiáng)的磁性。永磁材料都是在開路狀態(tài)下使用，利用永磁體氣隙產(chǎn)生磁場(chǎng)，作為磁場(chǎng)源。開口環(huán)形永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)Hg。一、概述永磁材料特征參數(shù)具有空氣隙的環(huán)形磁鐵Bm：磁鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度Hm：磁場(chǎng)強(qiáng)度Bg：空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度Hg：空氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度Vg：空氣隙體積一、概述永磁材料特征參數(shù)（3）最大磁能積：在B-H退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積成為磁

3、能積，代表永磁體能量密度，其最大值稱為最大磁能積，用（ BH ）max表示，單位J/m3。理想退磁曲線和最大磁能積一、概述永磁材料特征參數(shù)（4）隆起度W最大磁能積( BH )max除了與Br和Hc 有關(guān)，還與退磁曲線的形狀有關(guān)。定義：理想退磁曲線和最大磁能積永磁材料主要用途：提供永磁場(chǎng) 永磁體的“三要素”：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高矯頑力Hc高最大磁能積( BH )max大另外：高居里點(diǎn)高穩(wěn)定性隆起度等一、概述永磁材料特征參數(shù)一、概述永磁材料的發(fā)展19世紀(jì)末期，高碳鋼；后來鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼，磁能積8KJ/m3。1931年，F(xiàn)eNiAl合金，15KJ/m3；1932年，F(xiàn)eCoW（Mo）合金，12KJ

4、/m3， BaO6Fe2O3鐵氧體， 32KJ/m3；1960年代前， FeNiAlCo合金，80KJ/m3；1960年代后，SmCo5（1:5）合金，第一代稀土永磁合金，190KJ/m3； Sm2Co17（2:17）合金，第二代稀土永磁合金，240KJ/m3；1970年，F(xiàn)eCrCo，可加工，60KJ/m31983年，Nd-Fe-B第三代稀土永磁合金， 423KJ/m3以磁能積提高為標(biāo)志的永磁材料發(fā)展概況一、概述永磁材料的發(fā)展永磁材料發(fā)展年譜一、概述永磁材料分類1、按材料屬性來源：金屬永磁和鐵氧體永磁2、按工藝可加工鑄造燒結(jié)粘結(jié)4、按化學(xué)成分：高碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼、FeNiAl、FeCo

5、W(Mo）、BaO6Fe2O3鐵氧體、 FeNiAlCo、FeCrCo、RCo5、MnAl、Nb-Fe-B3、按磁硬化機(jī)理析出硬化型淬火硬化型單疇微粉型有序硬化型一、概述永磁材料分類二、幾種典型永磁合金二、幾種典型永磁合金幾種典型永磁合金 鋁鎳鈷系永磁合金 鐵鉻鈷永磁合金 稀土永磁合金 鐵氧體永磁材料鋁鎳鈷（AlNiCo）系合金成分：Co、Ni、Al等元素為主要成分，并加入Ti和 Cu等元素進(jìn)一步提高合金性能。典型合金：AlNiCo5，成分Co=24%、Ni=14%、Al=8%、Cu=3%、Fe余量。是由FeNiAl永磁合金發(fā)展而來。性能特點(diǎn)：具有高剩磁與低溫度系數(shù)，最大磁能積僅低于稀土永磁。

6、 Tc：757907、 (BH)max：1672 kJ/m3, Br：0.781.30T1、鋁鎳鈷（AlNiCo）系永磁合金1、鋁鎳鈷（AlNiCo）系永磁合金Fe-Ni-Al-Co四元系Co=24%和Al=8%縱斷面AiNiCo合金的相組成1：富Fe和Co的強(qiáng)磁相2：富Ni和Al的弱磁相1 彌散分布在2 上調(diào)幅（spinodal）分解磁硬化機(jī)理1、鋁鎳鈷（AlNiCo）系永磁合金形成單一固溶體，快速冷卻，避免相析出在Tc溫度以下降溫同時(shí)施加磁場(chǎng)，發(fā)生調(diào)幅分解，控制析出相形狀成分?jǐn)U散，加大兩相磁性差，提高性能成分特點(diǎn)：以鐵、鉻（23.527.5%）、鈷（11.521.0%）為主；加入適量硅、鉬

7、、鈦。通過成分調(diào)節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平。2、鐵鉻鈷（FeCrCo）系永磁合金（FeCrCo）系永磁合金可加工永磁合金制備方法：定向凝固+磁場(chǎng)處理(結(jié)晶與磁雙重織構(gòu))，以及塑性變形與適當(dāng)熱處理的方法(形變時(shí)效)顯著提高合金性能。2、鐵鉻鈷（FeCrCo）系永磁合金2、鐵鉻鈷（FeCrCo）系合金鐵鉻鈷合金磁硬化機(jī)理：定向凝固+磁場(chǎng)處理：結(jié)晶與磁雙重織構(gòu)形變時(shí)效態(tài)：加工織構(gòu)/疇壁釘扎鑄造態(tài)：Spinodal分解1強(qiáng)磁相2弱磁相稀土永磁合金3、稀土永磁材料Re-Co永磁鐵基稀土永磁1: 5型Re-Co磁體SmCo5單相與多相合金第一代稀土永磁，二十世紀(jì)六十年代2:17型Re

8、-Co磁體Sm2Co17基合金第二代稀土永磁，二十世紀(jì)七十年代第三代稀土永磁，二十世紀(jì)八十年代Nd2Fe14B合金為代表的Re-Fe-B系永磁材料（1）稀土鈷永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料稀土鈷永磁材料是稀土金屬和3d過渡族金屬鈷按一定比例組成的金屬間化合物： ReCo5(CuCa5結(jié)構(gòu))和Re2Co17(Th2Zn17結(jié)構(gòu))。ReCo5Re2Co17Re2Co17 的飽和磁化強(qiáng)度高于ReCo5；輕稀土鈷化物（原子序數(shù)小于Gd）的飽和磁化強(qiáng)度比重稀土鈷化物高。3、稀土永磁材料（1）稀土鈷永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料（1）稀土鈷永磁材料（Re-Co）（1）稀土鈷永磁材料（Sm-

9、Co）3、稀土永磁材料SmCo5和Sm2Co17SmCo5：理論磁能積199kJ/m3。采用強(qiáng)磁場(chǎng)取向等靜壓和低氧工藝，SmCo5的 (BH)max達(dá)196kJ/m3； 居里溫度為724，可在-50150的溫度范圍內(nèi)工作。缺點(diǎn)：含有較多的戰(zhàn)略金屬鈷(w(Co)66%)和蘊(yùn)藏量稀少的稀土金屬元素Sm，原材料昂貴。3、稀土永磁材料Sm2Co17 ：理論磁能積286kJ/m3，優(yōu)于SmCo5； Tc為930，可在-60350范圍工作，磁感溫度系數(shù)也優(yōu)于SmCo5。隨著Fe含量的增多，內(nèi)稟飽和磁化強(qiáng)度迅速提高 Sm-Co-Cu系Sm-Co-Cu-Fe系Sm-Co-Cu-Fe-M系(M=Zr,Ti,Hf

10、,Ni)加入Cu提高合金矯頑力，但飽和磁化強(qiáng)度偏低，居里溫度也顯著降低，不能實(shí)用。加入少量的Zr,Ti,Hf,Ni等元素，進(jìn)一步提高磁性能 商業(yè)化材料3、稀土永磁材料用Pr、Ce或Mm(混合稀土)取代部分Sm，可適當(dāng)降低成本。Nd-Fe-B和Pr-Fe-B系；3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型Nb2Fe14B晶體結(jié)構(gòu)Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物為基的一種不含Co的高性能永磁材料。1983年日本住友公司發(fā)明。Nd2Fe14B晶體結(jié)構(gòu)（右圖）：一個(gè)單胞由4個(gè)Nd2Fe14B化合物分子組成，空間群P42/

11、mnm，共有68個(gè)原子，其中8個(gè)Nb原子、56個(gè)Fe原子和4個(gè)B原子。Nd2Fe14B優(yōu)點(diǎn)最大磁能積超過400kJ/m3，矯頑力2244.7kA/m。是目前磁性能最高的實(shí)用化永磁材料，被譽(yù)為“磁王”。原材料豐富，價(jià)格便宜，其價(jià)格只相當(dāng)于釤鈷（SmCo）合金的50%左右。 3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型雙相納米復(fù)合磁體：把納米級(jí)的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合，將綜合軟磁Ms高，硬磁Hc高的優(yōu)點(diǎn)，獲得磁能積比現(xiàn)有最好的NdFeB高一倍的新型納米永磁材料。如： -Fe / NdFeB、Fe3B/SmFeN/磁體。 納米復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)：納米尺寸軟磁相與永磁相之間的交換耦合作用，使剩磁和最

12、大磁能積明顯增大。ThMn12型化合物Sm-Fe-C和Sm-Fe-N 3、稀土永磁材料（3）其他稀土永磁合金4、 永磁鐵氧體性能特點(diǎn)及應(yīng)用：Tc：450460，具有高矯頑力和低剩磁，但最大磁能積偏低, 不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產(chǎn)量極大的家用電器、音響設(shè)備、揚(yáng)聲器、電機(jī)、電話機(jī)、笛簧接點(diǎn)元件和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械等方面得到普遍應(yīng)用。主要種類：鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。三、永磁材料制備技術(shù) 永磁體的制備方法主要包括鑄造法、燒結(jié)法（粉末冶金法）粘結(jié)法。 鑄造法：鋁鎳鈷和鐵鉻鈷合金燒結(jié)法和粘結(jié)法：稀土永磁材料和永磁鐵氧體三、永磁材料制備技術(shù) 不足

13、之處在于硬度高、脆性大、難以進(jìn)行機(jī)械加工。 真空熔煉制粉 鑄錠破碎磨粉 粉末磁場(chǎng)取向與成型平行取向垂直取向燒結(jié)（磁場(chǎng)下）熱處理、磁體加工燒結(jié)磁體元件燒 結(jié) 法：三、永磁材料制備技術(shù) 三、永磁材料制備技術(shù)根據(jù)成型過程中加磁場(chǎng)與否，燒結(jié)鐵氧體材料可制成各向同性磁體和各向異性磁體。各向異性磁體是在壓制成型過程中加上強(qiáng)磁場(chǎng)，使鐵氧體的單疇粒子在磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，得到易磁化軸與磁場(chǎng)方向一致的強(qiáng)各向異性磁體。此類材料具有高的磁晶各向異性常數(shù)。燒結(jié)SmCo永磁體燒結(jié)NbFeB永磁體六、永磁材料制備技術(shù) 粘 結(jié) 法：磁粉與樹脂、塑料或低熔點(diǎn)合金等粘結(jié)劑混合壓制、擠出或注射成型，固化粘結(jié)磁體性能特點(diǎn)：尺寸精度高、形狀

14、自由度大、機(jī)械強(qiáng)度好、易于調(diào)整磁性能、易于批量生產(chǎn)施加取向磁場(chǎng)各向異性粘結(jié)磁體粘結(jié)磁體的磁性能：取決于磁粉的性能和磁體的相對(duì) 密度。粘結(jié)磁體的力學(xué)性能：取決于粘結(jié)劑的性質(zhì)與粘結(jié)工 藝。三、永磁材料制備技術(shù) 三、永磁材料制備技術(shù) 三、永磁材料制備技術(shù)三、永磁材料制備技術(shù)粘結(jié)NbFeB磁體三、 永磁材料制備技術(shù) 四、去磁方法 永磁材料去磁方法1.加熱法2.敲擊法3.加反向磁場(chǎng)4.加交變衰減的磁場(chǎng)四、 去磁方法 1.加熱法當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度升高到居里溫度Tc以上時(shí)，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度 Tc = 770C 利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點(diǎn)，可將其制作溫控元件，如電飯鍋?zhàn)詣?dòng)控溫。原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動(dòng)加劇，使鐵磁質(zhì)失去磁性。四、 去磁方法 2.