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1、第二章金属磁性材料第1页，共88页，编辑于2022年，星期二 金属磁性材料的发展是从由简到繁，性能不断提高，功能逐步完善的过程。最早应用的金属软磁磁性材料是纯铁，金属永磁磁性材料是碳钢，时间约是 1880年。由于材料性能上存在明显缺点，如纯铁的磁性质对杂质很敏感，碳钢的磁能积太低，通过不断尝试逐步发展出合金磁性材料，材料的构成与结构不断复杂化，材料的软磁与永磁性能也不断提高，形成了全面的金属磁性材料系列。第2页，共88页，编辑于2022年，星期二 常见铁磁金属的结构与磁性 具有磁性的单质元素主要有铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，而且常见的磁性材料绝大部分是以它们为主要组成部分的合金或化合物
2、。因此了解铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的结构与性质对后面的讨论会有所帮助，在此首先介绍铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的结构与它们磁性质。第3页，共88页，编辑于2022年，星期二 Fe：常压下，温度常压下，温度910为体心立方（为体心立方（bcc），），铁铁磁性的磁性的 Fe，居里温度为居里温度为770 ，易磁化方向为易磁化方向为,难磁化方向为难磁化方向为 910 温度温度1400 为面心立方（为面心立方（fcc）,顺磁性的顺磁性的 Fe 温度温度1400 为体心立方（为体心立方（bcc），），顺磁性的顺磁性的 Fe第4页，共88页，编辑于2022年，星期二 Ni:常常压压下下，在在
3、熔熔点点以以上上温温度度范范围围内内，均均是是面面心心立立结结构构（fcc），为为铁铁磁磁性性的的-Ni，居居里里点点为为358易易磁磁化化方方向向为为难难磁磁化化方方向向为为 第5页，共88页，编辑于2022年，星期二Co：温度温度450，为简单六方，为简单六方结构，铁磁性的结构，铁磁性的-Co相。相。居里点为居里点为1117，易磁化，易磁化方向为方向为，难磁化方，难磁化方向为向为和和1010 温度温度450 至熔点至熔点为面心立方为面心立方 Co相。相。112010100001第6页，共88页，编辑于2022年，星期二 Fe、Co、Ni的磁性都来自于它们的3d电子间的交换相互作用而形成的铁
4、磁性，由于金属中相邻原子间距较小，电子云重叠比较明显，因此电子间的交换相互作用比较强，居里温度相对较高。它们每个原子具有的磁矩分别为2.2 B、0.6 B和和1.7 B。另外，过渡金属中很多原子具有磁矩，但单质材料中一般是具有反铁磁性的，如Mn、Cr等。第7页，共88页，编辑于2022年，星期二 金属软磁材料 一、性能的基本要求 贮能高：高的饱和磁感应强度。灵敏度高：初始磁导率、最大磁导率、脉冲磁导率大。效率高：Hc低，电阻率高，损耗小。回线矩形比高 稳定性好：磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高。第8页，共88页，编辑于2022年，星期二 影响磁导率的因素 机理机理：根据技术磁化的分析，影响材料
5、磁 导率的主要过程是可逆磁畴转动和可逆畴 壁位移。动力动力：饱和磁化强度，材料的饱和磁化强度越大，可逆磁畴转动和可逆畴壁位移更容易发生。阻力阻力：内应力、掺杂、空泡、晶界。可逆磁畴转动和可逆畴壁位移要受到上述材料中缺陷的阻碍。第9页，共88页，编辑于2022年，星期二 提高磁导率的措施提高磁导率的措施 1、提高饱和磁化强度、提高饱和磁化强度Ms 2、有效方法，使、有效方法，使K10，s0 3、高温退火、高温退火 4、真空热处理、真空热处理 5、氢气热处理、氢气热处理 6、使材料杂质相对集中、使材料杂质相对集中 7、真空熔炼、精炼、真空熔炼、精炼 8、进行织构化、进行织构化第10页，共88页，编
6、辑于2022年，星期二 常见金属软磁材料常见金属软磁材料 工业纯铁工业纯铁 铁硅合金铁硅合金 铁镍合金铁镍合金 铁铝合金铁铝合金 铝硅铁合金铝硅铁合金 非晶及纳米晶软磁合金非晶及纳米晶软磁合金 磁介质磁介质第11页，共88页，编辑于2022年，星期二 工业纯铁 纯度在 99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。室温性能：Bs=2.15(T)，居里温度 770，最大磁导率m=20000，=0.110-6(.m)。工业纯铁的碳含量低，矫顽力低，磁导率高，导热性和加工性好，有一定的耐腐蚀性和价格便宜。电阻率低，不能在交流磁场中应用。在直流磁场中，作为恒定磁场中的磁导体，如作磁极和磁屏蔽。第12
7、页，共88页，编辑于2022年，星期二1、电解铁含有0.050.02%C、Mn 0.01%、P0.005%、S0.004%、Al0.01%、Cu0.015%。电磁性能：i=500、m=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.610-8.m2、阿姆柯铁 含C 0.025%、Mn 0.035%、P0.015%、S0.05%、Cu0.08%。磁性能：i=20005000、m=600015000、Hc=0.5 1.5(79.6A/m)3、羰基铁 由Fe（Co）5分解而成，纯度高。磁性能：i=20003000、m=2000021500、Br=0.5 1.0T、Hc=0.0
8、879.6A/m、=9.610-8.m 由此可见，微量杂质对纯铁的磁性影响明显。第13页，共88页，编辑于2022年，星期二 铁硅合金 铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动机、发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要的铁芯机、发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要的铁芯材料，在国民经济中占有重要的地位。材料，在国民经济中占有重要的地位。19001930年，炼钢和热轧加工技术年，炼钢和热轧加工技术193460年年 晶粒取向、热处理、玻璃涂层晶粒取向、热处理、玻璃涂层1983至今至今 辐射辐射第14页，共88页，编辑于2022年，星
9、期二 3.2%Si-Fe合金来说，当温度从室温上升到熔点的过程中，不会发生任何结构转变，并始终保持单一的体心立方结构，这对在较高温度下进行再结晶退火十分有利，同时，当温度从高温缓慢冷却到室温时，纯铁存在相变的干扰，而铁硅不存在这样的问题，因此这种合金很容易制成单晶。铁硅合金的结构对含 C 量十分敏感，对铁硅合金，应使含C下降到0.01%以下。第15页，共88页，编辑于2022年，星期二 再结晶：再结晶：当加热温度较高时，变形金属的显微组织发生显著的变化，破碎的、被拉长的晶粒全部转变成均匀而细小的等轴晶粒。再结晶时金属不发生晶格类型的变化，而是形成无晶格畸和加工硬化的新晶粒，晶粒的形状和大小也发
10、生了相应的变化。通过材料的再结晶工艺，可以改善材料的显微结构，减小缺陷和晶界对磁性能的影响，提高材料的磁性能。第16页，共88页，编辑于2022年，星期二 硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大，饱和磁致伸缩系数和可以逐渐趋于零，这对提高磁导率和降低矫顽力是有利的。添加硅可以提高合金的电阻率。这对降低涡流损耗特别重要。铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机的重量有利。第17页，共88页，编辑于2022年，星期二 硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的O2合成SiO2，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳
11、和氧所引起的老化现象。硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。第18页，共88页，编辑于2022年，星期二 硅钢片的制备 非取向硅钢片：热轧硅钢片或冷轧硅钢片 晶粒取向硅钢片：单取向硅钢片戈斯织构或双取向硅钢片立方织构。第19页，共88页，编辑于2022年，星期二 立方织构硅钢片主要的制备工艺 采用纯度尽可能高的铁硅合金，材料的这种高纯状态是出现立方织构的重要先决条件。通过热轧和冷轧，以及在适当的气氛中进行中间退火，将材料轧到一定的厚度。在最后一道轧制完成后，通过退火发展（110）00
12、1或（120）001型的初次（或二次）织构。在严密控制的气氛中进行最后退火,以便通过二次或三次再结晶发展立方织构。第20页，共88页，编辑于2022年，星期二 铁镍合金 含Ni为30%90%的铁-镍系软磁合金一般统称为坡莫合金。铁镍合金的成份范围很窄，磁性能可以通过成份的控制和热处理工艺来调整，满足各种不同性能要求。加工性能好。低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力。第21页，共88页，编辑于2022年，星期二 含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由单一的面心立方结构的相组成。在合金含量小于30%时，相在较低温度下可通过马氏体相变转变为体心立方的相，这种结构转变有明显的热滞现象，
13、即升温时的转变a温度和降温时的转变温度不重合。两相区难以确定。在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有序和无序相转变。有序化转变温度在506。第22页，共88页，编辑于2022年，星期二镍铁合金成分对性质的影响第23页，共88页，编辑于2022年，星期二 电阻率的最大值出现在含Ni量为 3040%的范围。根据固体物理的理论，杂质散射是金属材料产生电阻的主要原因之一，在纯金属中加入杂质元素后，由于电子运动受到杂质的散射，它的自由程缩短，电阻率必然增加。加入的杂质元素愈多，则电阻率值愈高。对铁镍合金而言，含Ni35%以下，是Ni原子固溶在Fe中，晶体是具有体心立方结构的。而Ni35%
14、以上，是Fe原子固溶在Ni中，晶体是具有面心立方结构的。第24页，共88页，编辑于2022年，星期二镍铁合金的成分对磁性质的影响第25页，共88页，编辑于2022年，星期二 居里温度 在含Ni量为010%和65100%两个成分范围内，居里温度随镍含量的增加而下降。当含镍量为35%左右时，由于非磁性相的出现，居里温度急剧下降。在含镍量为67%附近，由于点阵距离刚好满足出现最大的交换能，故居里温度出现最大值。第26页，共88页，编辑于2022年，星期二 饱和磁感应强度 由于镍原子的玻尔磁子数比铁小，所以Ni含量在020%之间，Bs 随含镍量的增加而下降。在2035%Ni范围内，由于出现了非磁性相，
15、Bs发生突变而迅速下降。含镍量 35%以上时，由于新的磁性相的出现，Bs 随含镍量的增加而增大，但在含镍量50%以上时，由于Ni对Fe的替代，Bs 随含镍量的增加而减小。第27页，共88页，编辑于2022年，星期二 热处理对铁镍合金磁性的影响 获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单相的固溶体、低的K1和 s值、高的Bs。为了避免有序化，同时减少内应力。一般采用双重热处理的方法：将坡莫合金退火后，从600 将样品放在铜板上，在空气中急冷，或在随炉冷却后，再加热到600 ，然后快速冷却，即进行双重热处理。将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却，或进行磁场热处理，在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均呈
16、出矩形磁滞回线，而在垂直方向上为平直的磁化曲线。第28页，共88页，编辑于2022年，星期二 多元系坡莫合金 在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元系坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速度适当，其初始磁导率可比二元系坡莫合金高几倍。而且电阻率也比Ni含量为78.5%坡莫合金要高3倍，为0.6010-3.m，但饱和磁感应强度从1.3T 降到0.60.8T。第29页，共88页，编辑于2022年，星期二 合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能镍铁合金因为只有两个元素，在材料改性方面就会受到许多限制，因此在很多应用中，因为性能提高的要求，会在合金中加入其它的金属或非金属元素。合金成分设计的基本原
17、则是使s 0，通过调整材料的热处理工艺使K1 0，而获得高磁导率。常见的添加元素有钼、铜、铬、硅、碳、锰、钛等。第30页，共88页，编辑于2022年，星期二 1、钼 钼小于15%时，在Ni大于50%铁-镍合金中完全固溶，它使：i.电阻率上升。ii.含78.5%Ni的铁-镍合金的K1和s更接近零。iii.钼可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的冷却速度。iv.钼使K1=0的合金镍含量增加。4Mo-79Ni 5Mo-80Ni 6Mo-81Ni。v.降低合金的Ms和居里温度。第31页，共88页，编辑于2022年，星期二 铜铜 改善合金的冷加工性能改善合金的冷加工性能 铜铜使合金的使合金
18、的a及及m值值提高，且降低了磁提高，且降低了磁导导率率对对成分成分的敏感性，即当合金成分偏离最佳成分的敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时时，对对a及及m值值影响不大。影响不大。铜铜可抑制合金中有序相可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降的形成，因而可以降低低热处热处理的冷却速度。理的冷却速度。降低合金的降低合金的Ms和居里温度。和居里温度。第32页，共88页，编辑于2022年，星期二 其它元素 锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、脱氧、改善热加工性能。铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的形成，提高合金的电阻率值 钒、铌、钛等可提高合金的硬度，改善耐磨性。碳可以脱氧，但C含量大于
19、0.05%时使磁性急剧下降。硅加入0.05%左右对合金磁性有利，因其和锰可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。磷大于0.06%时，使合金的值急剧下降。第33页，共88页，编辑于2022年，星期二 磁介质 磁介质是将铁磁体粉粒与绝缘介质混合压制成的磁性材,常称为铁粉芯.在磁介质中,每一铁磁颗粒间在电与磁方面彼此分隔,故可隔断涡流。磁介质的磁导率 铁磁体的磁导率 Fe磁介质的磁导率 g绝缘介质所占体积的比值第34页，共88页，编辑于2022年，星期二磁介质实例的磁性质第35页，共88页，编辑于2022年，星期二磁介质的制备工艺第36页，共88页，编辑于2022年，星期二 磁介质的种类 电解铁粉芯工艺简单
20、，磁特性稳定，损耗较大。坡莫合金粉芯磁导率高、损耗低、但价格贵。羰基铁粉芯性能稳定，高频特性好，可用于几百MHz场合。铝硅铁粉芯磁导率中等，可具有负温度系数。随着软磁铁氧体的发展，磁介质的生产大大减少了。只有在高温、大功率、高频等特殊场合仍然离不开它。第37页，共88页，编辑于2022年，星期二 最早作为金属永磁材料使用的是碳钢，可以追溯到 1880 年，但碳钢的最大磁能积只有1.6kJ/m3。1931年发现了铝镍钴磁钢，初始最大磁能积为14.3kJ/m3，后通过合金成分的调整与工艺的完善，最大磁能积达到39.8kJ/m3，成为金属永磁材料的主导，直到1960年代第一代稀土永磁材料SmCo发明
21、之后。第38页，共88页，编辑于2022年，星期二 第一代稀土永磁材料SmCo5合金的发现，将金属永磁材料的最大磁能积提高到150kJ/m3以上。到1970年代，第二代稀土永磁材料SmCo17的发现，将金属永磁材料的最大磁能积提高到250kJ/m3以上。1983年日本人发现了新型第三代稀土永磁材料NdFeB合金，它的最大磁能积达到到400kJ/m3以上。由于NdFeB材料中不含战略物资Co，而且Nd又是含量较丰富的稀土元素，因此NdFeB永磁材料在金属永磁材料中起主导作用。第39页，共88页，编辑于2022年，星期二永磁磁能积的进展第40页，共88页，编辑于2022年，星期二 衡量永磁材料的技
22、术指标 对永磁材料而言，一旦被磁化，其磁化状态应具有难以失去的特性。永磁体一旦被磁化到饱和后，撤去外磁场，磁体的两个磁极之间会产生恒定磁场，对外界提供磁场能量。这个磁场能量用永磁材料的最大磁能积(BH)max表示，除此之外，描述永磁材料特性的主要技术指标还有剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc等。这些参量都可以从永磁材料的退磁曲线中获得。第41页，共88页，编辑于2022年，星期二永磁材料的磁化曲线与退磁曲线第42页，共88页，编辑于2022年，星期二 剩余磁感应强度Br 永磁材料磁化到饱和后，外加磁化场撤去之后，材料所具有的磁感应强度，称为剩余磁感应强度Br。如果是具有一定形状的开路磁体，那么外磁
23、场撤去之后，由于存在退磁场的作用，此时材料所具有的磁感应强度比 Br小，一般称之为表观剩余磁感应强度Bd。对永磁材料来说，Br越大，它可以提供的磁场也越大，因此希望材料的 Br尽可能大。第43页，共88页，编辑于2022年，星期二 矫顽力Hc 永磁材料磁化到饱和后，外加磁化场撤去之后，材料的磁感应强度B或磁化强度M并不减小到零。要使B或M减小到零，必须施加反向磁场。当使B或M减小到零时所对应的磁场称为矫顽力Hc。但B和M并不是同时达到零的，因此为了区分矫顽力对应的是B或M达到零，常标记为bHc或mHc，后者又称内禀矫顽力。矫顽力是表征材料对外磁场的抗干扰能力，希望越大越好。第44页，共88页，
24、编辑于2022年，星期二 最大磁能积(BH)max 永磁材料的退磁曲线上任一点都对应一个B和H，两者的乘积就是磁能积。在所有的磁能积中，最大的就是最大磁能积(BH)max，如下图所示。最大磁能积表征的是永磁体磁化后所能提供的最大磁场能量，是表征永磁体性能的一个综合指标。产生相同的磁场，磁体最大磁能积越大，所需要的磁体的体积越小，因此对永磁体来说，最大磁能积(BH)max 越大越好。第45页，共88页，编辑于2022年，星期二永磁材料的退磁曲线与最大磁能积第46页，共88页，编辑于2022年，星期二 稳定性 永磁体的稳定性是指磁体的相关磁性能在长时间使用的过程中或是温度、外磁场、冲击、振动等外界
25、因素的影响而保持不变的能力，它与材料工作的可靠性紧密相关。如果磁性能参量为Z，稳定性表示为：永磁体的稳定性自然是越小越好。第47页，共88页，编辑于2022年，星期二 永磁材料的性能是标志其优劣的重要指标，在材料制造中自然希望提高材料的性能，这样不仅可以节约资源，而且也可以提高生产企业的经济效应。当然材料的性能提高还是受到其结构与组成的限制，但通过适当的成分调整与工艺的改进，材料性能还是可以有一定程度提高。第48页，共88页，编辑于2022年，星期二 提高材料的Br 要提高永磁材料的剩磁Br，一方面是提高材料的饱和磁化强度Ms，另一方面是提高材料磁滞回线的矩行比Br/Bs。常见的方法包括：定向
26、结晶、塑性形变、磁场成型和磁场处理等，其基本目的就是让材料的晶粒具有特定取向或形成特定的织构结构，这样沿易磁化轴方向上Br会得到明显提高，当然垂直于易磁化轴方向上 Br 一般会明显减小的。第49页，共88页，编辑于2022年，星期二 提高的Hc方法 永磁材料的磁化过程中，主要经过畴壁的可逆与不可逆移动和磁畴的可逆与不可逆转动。矫顽力由畴壁的不可逆的移动和磁畴不可逆的转动形成，磁畴壁在移动或磁畴转动的过程中，会受到晶界、杂质和磁晶各向异性的阻滞作用，这种作用越明显，磁畴壁运动或磁畴转动就越困难，材料的固有磁化状态就不容易改变，矫顽力就越大。因此提高Hc就从控制畴壁的不可逆的移动和磁畴不可逆的转动
27、入手。第50页，共88页，编辑于2022年，星期二 磁畴的不可逆的转动 一般在晶粒尺寸小于磁畴单畴尺寸的材料中，每个晶粒中只有一个磁畴，不存在畴壁，因此矫顽力主要是磁畴的不可逆 转动的贡献。磁畴中的磁化强度矢量要改变方向，各种磁各向异性对磁矢量的转动都有阻滞作用。包括磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向异性。根据材料的具体情况来有针对性采取措施，如AlNiCo合金中形状各向异性起主导 作用，在工艺中就要形成细长晶粒来提高材料的矫顽力。第51页，共88页，编辑于2022年，星期二 畴壁的不可逆的移动 材料中由于存在不均匀性，磁化到饱和后也有可能存在少量的反磁化磁畴。反方向磁化时，反磁化磁畴通过畴
28、壁的移动来实现磁化矢量的反向。如果有目的地在材料中引入一些面缺陷，当畴壁运动到此处时，由于能量较低，畴壁被钉扎，阻滞了它的运动，只有在较大的外磁场的作用下才能继续运动。NdFeB 材料中的强的矫顽力就是来源于材料中的强的畴壁钉扎效应。第52页，共88页，编辑于2022年，星期二 最大磁能积(BH)max的提高 最大磁能积(BH)max是永磁材料的一个综合参数，如果材料的剩磁 Br和矫顽力Hc都得到了提高，那么最大磁能积(BH)max自然也就提高了。在永磁材料的实际应用中，由于设计的问题，材料的工作点不一定在最大磁能积点，这样材料的特性就不能得到充分的发挥。因此在具体工作中，要将永磁体的工作点取
29、在最大磁能积点附近。第53页，共88页，编辑于2022年，星期二 稳定性的提高 永磁体的稳定性包括温度稳定性和时间稳定性。一般对温度稳定性，可采用提高材料的居里温度，适当的离子替代以及利用不同系列合金，正负温度等效互相补偿来提高稳定性。对时间稳定性，可以通过时效处理，进行人工老化，或者温度 循环处理，在比工作温度范围宽的温度，反复循环多次，可以提高时间稳定性。第54页，共88页，编辑于2022年，星期二 常见的金属永磁材料 一、铁钴镍基合金磁钢：1、淬火硬化型磁钢；2、析出硬化型磁钢；3、时效硬化型磁钢；4、有序硬化型磁钢。二、稀土合金磁钢：1、钐钴合金；2、釹铁硼合金。第55页，共88页，编
30、辑于2022年，星期二 淬火硬化型磁钢 淬火硬化型磁钢包括碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、铝钢等，是一类最早获得应用的金属永磁材料。这类材料的矫顽力是通过合金的高温淬火手段，把材料中原来的奥氏体组织转变为马氏体组织而获得的。淬火硬化型磁钢的矫顽力一般都比较低，最大磁能积也比较小，这类永磁材料目前已经基本上不再使用了。第56页，共88页，编辑于2022年，星期二淬火硬化型磁钢的典型磁性能第57页，共88页，编辑于2022年，星期二 析出硬化型磁钢 析出硬化型磁钢的典型代表就是AlNiCo合金。AlNiCo合金经熔化铸造，形成均匀的体心立方相。经过磁场中的热处理过程中，从均匀合金中会析出磁性相和非磁性相，
31、磁性相在外磁场作用下，形成长的柱状晶粒，有序排列在非磁性相中。正是这种柱状晶粒的各向异性，导致了AlNiCo合金具有较大的矫顽力。目前AlNiCo合金在一些仪器仪表仍在使用。第58页，共88页，编辑于2022年，星期二AlNiCo合金的典型磁性能第59页，共88页，编辑于2022年，星期二 时效硬化型磁钢 时效硬化型磁钢的矫顽力通过淬火、塑性形变和时效变化工艺获得。这类材料的种类较多，如铁钼钴合金、铁锰钛合金、铜基合金和铁铬钴合金等，以FeCrCo合金为典型代表。这中永磁合金的优点是加工性能好，可以进行各种形式机械加工，而且FeCrCo合金的磁性质与中等AlNiCo合金相当，因此仍然有一定的使
32、用。第60页，共88页，编辑于2022年，星期二铁铬钴合金的典型磁性能第61页，共88页，编辑于2022年，星期二 有序硬化型磁钢 有序硬化型磁钢包括银锰铝合金、钴铂合金、铁铂合金、锰铝合金、锰铝碳合金等。这类合金的显著特点就是在高温下，合金处于无序状态，经过适当的淬火或回火处理，由无序相中析出弥散分布的有序相，从而提高合金的矫顽力。它们主要应用与磁性弹簧中，另外由于铂的合金具有很好的耐腐蚀性，适合应用于具有较强腐蚀性的场合。第62页，共88页，编辑于2022年，星期二有序硬化型磁钢的典型磁性能第63页，共88页，编辑于2022年，星期二 稀土永磁合金 稀土永磁合金是目前具有最高永磁特性的永磁
33、材料，主要应用于大磁场的行波管聚焦磁铁、微型永磁马达和发电机及微型高灵敏度仪表等。常见的稀土永磁合金有以下三类：1、始于1960年代的1:5型Re-Co永磁；2、始于1970年代的2:17型Re-Co永磁；3、始于1980年代的Re-Fe-B永磁；第64页，共88页，编辑于2022年，星期二 1:5型Re-Co永磁 1:5型Re-Co永磁主要包括Sm-Co系、Pr-Co系、Ce-Co系等几种永磁系列，不同稀土元素构成的合金具有不同的磁性质，以Sm-Co系最具代表意义。稀土合金的f电子因为被屏蔽，交换作用较弱，因此形成铁磁性的居里温度低于室温。而将稀土与过渡元素混合形成合金，首先得到了 1:5
34、型Re-Co永磁合金，永磁最大磁能积获得突破，因此它的发现具有里程碑意义。第65页，共88页，编辑于2022年，星期二Sm-Co的二元合金相图第66页，共88页，编辑于2022年，星期二 从Sm-Co的二元合金相图中可以发现，两种金属可以形成多中合金，而在永磁材料中只关心Sm含量较少的2:17型Sm-Co 合金和1:5型Sm-Co合金。它们在所有的 Sm-Co二元合金中具有最高的饱和磁化强度和居里温度，具有成为优质永磁材料的先决条件。此处主要讨论1:5型Sm-Co合金的结构、制备工艺和磁性质，2:17型Sm-Co 合金将在后文中讨论。第67页，共88页，编辑于2022年，星期二 1:5 型Sm
35、-Co永磁体 1:5 型确Sm-Co永磁体是一种具有六角结构的晶体，它有两种不同的原子层构成，一层是呈六边形排列的Co原子，另一层是有稀土原子与Co原子按1:2的比例排列而成。点阵常数a=5.002 ，c=3.694 。晶体结构的低对称性决定了它具有较高的磁晶各向异性，K1=1.5103kJ/m3，饱和磁化强度Ms=890kA/m，理论上的最大磁能积达到240kJ/m3。第68页，共88页，编辑于2022年，星期二SmCo5的晶体结构与晶胞第69页，共88页，编辑于2022年，星期二 从合金的分子式分析可知，Sm占16.66%摩尔比，实际上由于Sm在制备过程中，约有12wt%被氧化，Sm含量在
36、 16.8517.04%摩尔比可获得最佳效果。而且合金的磁性质对Sm含量很敏感，小于 16.3%时磁性能很差。正常烧结的SmCo5磁体的磁性能为：Br=0.80.95 T，bHc=560760 kA/m，最大磁能积(BH)max=135160 kJ/m3，Tc=740 。采用强磁场取向，等静压与低氧等工艺，SmCo5磁体最高磁性能已经达到Br=1.07 T，bHc=850 kA/m，(BH)max=227 kJ/m3。第70页，共88页，编辑于2022年，星期二 SmCo5 永磁的制备工艺 1.粉末冶金法：配料熔炼磨粉磁场成型烧结热处理磨加工检验 2.还原扩散法：原料准备混料还原扩散去除钙和氧
37、化钙磨料干燥磁场成型烧结热处理磨加工检验 第71页，共88页，编辑于2022年，星期二 SmCo5 合金永磁的磁晶各向异性强，因此如果材料中的晶粒尺寸小于单畴尺寸时，矫顽力应该是磁晶各向异性所控制的。实际上获得最大矫顽力时晶粒尺寸比单畴尺寸大，因此存在明显的畴壁钉扎效应。结合材料的热处理工艺和显微结构分析，发现矫顽力较大时，材料在处理工程中会有析出相，而且析出相弥散分布在晶界中，它们起到了阻止晶粒长大和钉扎畴壁的作用，从而使材料的矫顽力提高。第72页，共88页，编辑于2022年，星期二 2:17 型Sm-Co永磁体 2:17 型Sm-Co永磁体在高温下是稳定的六角结构，而低温下是菱方结构。其结
38、构可以看成是在三个SmCo5 合金晶胞的基础上用两个钴原子替代了一个稀土原子，并在基面上滑移而成的。室温下的晶体点阵常数a=8.395 ，c=12.216 ，饱和磁化强度Ms=960kA/m，易磁化轴沿 c方向。2:17 型Sm-Co永磁体的居里温度高达926，是稀土永磁中稳定性最好的磁体，特别是高温环境中具有不可替代作用。第73页，共88页，编辑于2022年，星期二Sm2Co17合金的高温与低温晶体结构第74页，共88页，编辑于2022年，星期二 Sm2Co17 合金虽然饱和磁化强度高，但矫顽力较低，很难成为实用的永磁体。提高合金的矫顽力，一般采用两种途径：一、在用部分Fe替代Co的基础上，
39、通过添加其它元素，如Mn、Cr等提高磁体的矫顽力，获得高性能永磁体。矫顽力由反磁化核的形核与长大的临界场所决定。这类材料的缺点是温度稳定性差，而且制造工艺不易控制，重复性低，在实际生产中没有得到应用。第75页，共88页，编辑于2022年，星期二 二、在用部分 Cu替代 Co的基础上，通过添加其它元素来改善材料的磁性。工业上常用的是添加Fe和Ni、Hf、Zr等，我们所说的第二代稀土永磁体就是Sm2(Co，Cu，Fe，M)17 合金，它不仅磁性能优异，而且具有最好的温度稳定性，在25-400 的温度范围内，磁感应强度 B 的温度系数只有 -0.034%/，矫顽力的温度系数也较低。另一个优点是它的抗
40、氧化能力强，材料性质可以保持长期稳定。第76页，共88页，编辑于2022年，星期二 Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17永磁合金的热处理 1、11901220/烧结12h；2、11301175/固溶处理0.52h后快冷；3、750850/等温时效0.510h；4、分级时效或控速冷却。在850以下进行时效处理，磁体内形成细微菱形胞状组织，胞内是具有菱方结构2:17相，具有铁磁性，胞壁是具有立方结构1:5相，因为富集Cu为非磁性或弱磁性，矫顽力普遍认为是弱磁相对畴壁的钉扎所致。第77页，共88页，编辑于2022年，星期二 R-Fe-B系稀土永磁 第三代铁基稀土永磁，不含战略物质Co和Ni；自198
41、3年开发以来，已由R-Fe-B三元系发展到(Nd、HR)-FeM1M2-B七元系合金；生产工艺多种多样，如烧结法、熔体快淬法、粘结法、机械合金化法等。它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍；居里温度不高，稳定性差。第78页，共88页，编辑于2022年，星期二 Nd-Fe-B合金的分子式可以表示为Nd2Fe14B，属于四角晶系，晶体点阵常数a=8.820 ，c=12.24 ，具有单轴各向异性，易磁化轴为 c轴。Nd-Fe-B结构的一个晶胞中包含4个Nd2Fe14B分子，具有 68个原子，分别占居不同的晶格位置。材料的铁磁性主要来自于Fe-Fe的交换作用，不同晶格位的Fe
42、的磁矩大小不同。Nd-Fe-B合金饱和磁化强度Ms=1450kA/m，各向异性场Ha=6400kA/m，但它的居里温度只有310，温度稳定性较差。第79页，共88页，编辑于2022年，星期二Nd2Fe14B的结构示意图第80页，共88页，编辑于2022年，星期二 Nd-Fe-B永磁体的制备 Nd-Fe-B永磁体的制备有两类方法，一类是粘结磁体，另一类是烧结磁体，后者的磁性能一般比前者高。首先是Nd-Fe-B合金粉体的制备，常见的方法有机械破碎法、熔体快淬法、HDDR法、气体喷雾法和机械化合金法。不同方法具有不同的优点与缺点，高温方法要有气氛保护防止氧化，低温方法设备简单，但粉体特性较差。第81
43、页，共88页，编辑于2022年，星期二HDDR法的流程图第82页，共88页，编辑于2022年，星期二 粘结磁体是将永磁体粉与塑料、橡胶等粘结剂混合，按要求直接成型为各种形状的磁体。由于粘结剂的加入，磁体的最大磁能积和磁化强度等都会有一定的下降。烧结磁体则是将永磁体粉在一定的压力下压制成一定形状，然后进行高温烧结，再进行热处理，得到烧结磁体。由于Nd-Fe-B永磁体在空气环境中容易氧化，所以磁体最后都必须进行防腐蚀处理，一般在磁体表面涂防腐漆或电镀Zn、Ni等。第83页，共88页，编辑于2022年，星期二Nd-Fe-B永磁体制备流程图第84页，共88页，编辑于2022年，星期二 Nd-Fe-B永
44、磁体的主要成分是Nd2Fe14B相，也还存在一些富Nd相、富B相及FeB、FeNd等软磁相。Nd-Fe-B永磁体的磁性质主要由Nd2Fe14B相所决定，但纯Nd2Fe14B相的永磁性能很低。杂相的存在隔离或减弱了主相之间的磁耦合作用，可以提高材料的矫顽力，但降低了饱和磁化强度和剩磁。对材料的矫顽力一般认为由于畴壁位移机理引起的。但到底是成核型硬化还是钉扎型硬化目前尚有争论。第85页，共88页，编辑于2022年，星期二 掺杂对Nd-Fe-B永磁体性能的影响 Nd-Fe-B 永磁体的优势在于它的饱和磁化强度高，但矫顽力相对较低，而且居里温度也不是太高。为了进一步提高磁体的永磁特性，通过替代或掺杂改
45、性是一种常见的手段。对Nd-Fe-B而言,主要是以 Dy、Tb替代Nd或以Co替代Fe，目的是提高材料的抗腐蚀能力和居里温度；掺杂主要目的是改变 晶界相的磁性质，或者是抑制烧结过程中晶粒的长大，提高永磁体的矫顽力。第86页，共88页，编辑于2022年，星期二掺杂对Nd-Fe-B永磁体磁性能的影响第87页，共88页，编辑于2022年，星期二 其它稀土永磁体 Nd-Fe-B永磁体价格低，磁性能优异，但其缺点是容易腐蚀，温度稳定性较差。研究发现，Sm2Fe17合金的居里温度只有116，但氮化后居里温度可以提高到470，比Nd-Fe-B永磁体高很多，而且它的饱和磁化强度与Nd-Fe-B相当，各向异性场也比Nd-Fe-B大许多，有作为高性能永磁体的潜力。但Sm2Fe17Nx合金在600 以上会发生分解，只适合于制造粘结磁体。第88页，共88页，编辑于2022年，星期二