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1、NdFeBNdFeB材料基础知识材料基础知识联系方式：联系方式：主主 要要 内内 容容一.一.磁学的基本概念与永磁磁参量磁学的基本概念与永磁磁参量二.NdFeBNdFeB稀土永磁材料稀土永磁材料三三.NdFeBNdFeB磁粉制造工艺磁粉制造工艺磁与文明磁与文明人类的进步和磁密切相关人类的进步和磁密切相关n四大发明之一：指南针 罗盘（航海）n第二次工业革命：电力的应用发电机u中国是最早发现磁现象的国家u炎黄之战（史记）u司南（梦溪笔谈）uMagnesia稀土永磁材料应用现状稀土永磁材料应用现状 n稀土永磁钕铁硼材料最重要的应用领域之一是支撑现代电子信息产业的重要基础材料，与人们的生活息息相关，小
2、到手表、照相机、录音机、CD机、VCD机、计算机硬盘、光盘驱动器，大到汽车、发电机、医疗仪器等，永磁材料无所不在。n1、微特电机（家电、VCM、航空、航天、军工、卫星等）n2、汽车工业（40-100颗永磁电机/辆）n3、电动汽车（0.5-3kg/辆）n4、电动自行车（0.3kg/辆）n5、现代医疗设备（核磁共振成像仪，0.5-3吨/台）n6、扬声器、耳机等电声元件n7、磁悬浮列车（10吨/辆）一些基本概念 磁磁场场是一种看不是一种看不见见、摸不着的特殊物、摸不着的特殊物质质，磁，磁场场不是由原子或分子不是由原子或分子组组成的，但磁成的，但磁场场是客是客观观存在的。存在的。磁磁铁铁或或电电流周流
3、周围围存在磁存在磁场场，磁体磁体间间的相互作用就是以磁的相互作用就是以磁场场作作为为媒媒介介的。的。磁力线磁力线：在磁在磁场场中画一些中画一些曲曲线线，曲，曲线线上任何一点的切上任何一点的切线线方向都跟方向都跟这这一点的磁一点的磁场场方向相同方向相同（且磁感（且磁感线线互不交叉），互不交叉），这这些曲些曲线线叫磁力叫磁力线线。磁力。磁力线线是是闭闭合曲合曲线线。规规定小磁定小磁针针的的北极所指的方向北极所指的方向为为磁力磁力线线的方向。磁的方向。磁铁铁周周围围的磁力的磁力线线都是从都是从N N极出来极出来进进入入S S极，在极，在磁体磁体内部磁力内部磁力线线从从S S极到极到N N极。极。磁场
4、：磁场：u磁中性状态磁中性状态：磁体处于磁感应强度B和磁场强度H都为零的状态u磁化过程磁化过程：处于热退磁状态的磁体在外磁场中磁化，当磁场由零逐渐增加时，磁体的M或B也逐渐的增加的过程。u反磁化过程反磁化过程：磁体在外磁场磁化到饱和后，逐步降低磁场并沿反方向增加磁场，其磁化状态变化的过程。技术磁参量技术磁参量u剩磁剩磁BrBru矫顽矫顽力力HcHcu最大磁能最大磁能积积（BH)mBH)mu其它其它n剩磁剩磁：简单简单来来讲讲就是磁体磁化就是磁体磁化饱饱和后，取消外加磁和后，取消外加磁场场后磁体剩下后磁体剩下的磁的磁场场强强度度各微晶磁畴之间具有阻碍其磁矩转向的“摩擦”作用，故当外磁场减弱时,磁
5、畴不会按原来变化规律退回原状态,使铁磁物质的磁化强度与外磁场强度不成线性关系,出现磁滞现象。当外磁场消失后,磁畴仍偏离随机分布,保留下部分被磁化时的排列形式,而使其留下部分宏观磁性,表现为剩磁现象 剩磁一般用剩磁一般用Br或或Mr来表示来表示。剩磁剩磁矫顽力矫顽力n概念：矫顽力指在磁铁饱和磁化后，对其消磁，使其磁感应强度或磁化强度减到零所需要的磁场强度。n矫顽力分为两种，Hcb和和Hcj。第一种，Hcb,称为磁感矫顽力，也可以简称为矫顽力，它指的是使磁体的磁感应强度磁感应强度降到0所需要的外加磁场，采用这种方法，撤销外磁场后磁铁仍具有磁性；第二种，Hcj,称为内禀矫顽力,它指的是使磁体的磁化强
6、度磁化强度降到0所需要的外加磁场，采用这种方法，撤销外磁场后磁铁不再有磁性。n矫顽矫顽力反映了磁化力反映了磁化强强度从剩磁度从剩磁MrMr减到减到M=0M=0反磁化反磁化过过程的程的难难易程度。易程度。矫顽矫顽力代表力代表磁性材料抵抗退磁的能力，也就是阻止畴壁反向运磁性材料抵抗退磁的能力，也就是阻止畴壁反向运动动的能力。的能力。最大磁能积最大磁能积(BH)m(BH)mn概念：就是把退磁曲线上每一个点的纵坐标概念：就是把退磁曲线上每一个点的纵坐标B B值和横坐标值和横坐标H H值乘起来，乘积最大的那一个就值乘起来，乘积最大的那一个就是最大磁能积。是最大磁能积。n永磁材料主要利用的就是它在气隙中产
7、生的永磁材料主要利用的就是它在气隙中产生的磁场，而该磁场的大小是与磁能积成正比的，磁场，而该磁场的大小是与磁能积成正比的，磁能积越大，磁铁产生的磁场越大。磁能积越大，磁铁产生的磁场越大。(BH)m主要取决于剩磁Br和矫顽力Hc的大小，剩磁越大，矫顽力越大，磁铁的磁能积越大。磁稳定性磁稳定性n定义：指磁体能够保持剩余磁化强度的程度。指磁体能够保持剩余磁化强度的程度。n稳定性是永磁材料的重要参数。稳定性是永磁材料的重要参数。n稳定性分类：稳定性分类：温度稳定性温度稳定性化学稳定性化学稳定性时间稳定性时间稳定性外磁场稳定性外磁场稳定性u外界条件的变化主要引起磁性能两方面的变化：一种是磁畴结构外界条件
8、的变化主要引起磁性能两方面的变化：一种是磁畴结构的变化，这种变化是可逆的，即是可恢复的；另一种是永磁体组织的变化，这种变化是可逆的，即是可恢复的；另一种是永磁体组织结构的变化，这种变化是不可恢复的。结构的变化，这种变化是不可恢复的。温度稳定性温度稳定性n温度稳定性：温度稳定性：指由所处环境温度改变而指由所处环境温度改变而引起的永磁体磁性能的变化程度引起的永磁体磁性能的变化程度B0B0段为不可逆损失，B1B0段为可逆损失 n磁体温度稳定性衡量方法：剩磁温度系数BrBr矫顽力温度系数HcjHcj磁通不可逆损失hirrhirrn公式为：在20100范围，NdFeB三元合金的剩磁可逆温度系数 为-0.
9、126%/，矫顽力温度系数 为-0.5%/-0.7%/化学稳定性化学稳定性n化学稳定性：所谓化学稳定性是指永磁材料的抗氧化抗氧化和耐腐蚀耐腐蚀程度nNdFeB磁体的腐蚀主要来自两个方面：化学腐蚀(即氧化)和电化学腐蚀，其中电化学腐蚀是主要的n对于NdFeB磁体，红锈、白锈就是属于明显的化学腐蚀n提高磁体化学稳定性的方法：提高磁体化学稳定性的方法：改变成分:添加某些合金元素如Co、Ni、Al和Cr等，同时在工艺中尽量提高密度、减少气孔；对磁体进行表面处理，如电镀、化学镀等表面处理，可使磁体获得实用的耐腐蚀性能,银河采用就是电泳加喷涂的方法对磁体进行涂层时间稳定性时间稳定性n时间稳定性：将永磁体放
10、在一定的温度下长期放置，测量其磁性能随时间的变化N40烧结NdFeB磁体20磁时效数据n一般说来，永磁体充磁饱和后，只是在初始的12小时内略有下降，其后即使经过510年磁性能也基本不变。其时间稳定性数值依成分、实验条件、和尺寸比的不同略有差异外磁场稳定性外磁场稳定性n外磁场稳定性：磁体在动态退磁场中的稳定性n电机用磁体，在工作过程中会受到电枢磁动势对其反向退磁的影响，由于工作点是在回复线上往返变化，就使得磁体处于循环退磁状态。要求我们在做电机磁路设计时，不但要考虑温度变化的影响，还要考虑到动态退磁的附加影响稀土永磁材料稀土永磁材料u什么是稀土永磁材料？稀土永磁材料是不同的稀土族元素（如Sm、N
11、d、Pr等）和过渡族金属（如Fe、Co、Ni等）组成的金属间化合物。u 为什么要选用稀土永磁材料？稀土元素能够产生很高的矫顽力，而3d族元素能够产生很高的剩磁，同时有很高的居里温度，二者的结合有望得到综合性很好的永磁合金。u 稀土永磁材料有什么特点？稀土永磁体不仅具有很高的剩磁感应强度，很高的磁能积，而且具有很高的矫顽力，这一点是当今任何永磁材料所无法相比的。u 稀土元素分类：轻稀土（又称铈组）包括镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd；重稀土（又称钇组）包括铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu、钪Sc、钇Y 稀土永磁材料的发展史n尽管人类对磁性材料的
12、认识历程已有两千多年，但磁性材料的发展与应用取得重大进步源于十九世纪末二十世纪初。n从十九世纪初到现在，永磁体的最大磁能积取得飞跃式的发展。到现在为止稀土永磁材料已经发展了三代。n1967年，K.J.Strnat用粉末冶金方法成功的制备了1:51:5型钐钴型钐钴永磁材料，这标志着第一代稀土永磁材料第一代稀土永磁材料的诞生。n七十年代，第二代是2:172:17型钐钴型钐钴永磁材料诞生，其最大磁能积可达30 MGOe。n八十年代，第三代稀土永磁材料为NdFeBNdFeB永磁材料永磁材料诞生，具有剩磁高、矫顽力高、磁性能高等优点，被誉为“磁王”。稀土永磁材料的分类SmCoSmCo永磁材料永磁材料：包
13、括SmCo5 和 Sm2Co17 两大类；NdFeBNdFeB永磁材料永磁材料；稀土铁氮（RE-Fe-N系）或稀土铁碳（RE-Fe-C系）永磁材料nSmCo磁体的磁能积在1530MGOe之间，有着优良的优良的温度特性和耐腐蚀性。SmCo磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和稀缺、昂贵的战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。n在航空航天器件的应用中，对SmCo磁体的最高使用温度提出新的要求高达450。我国稀土永磁行业的发展始于60年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为630吨，我国为90.5吨（包括SmCo磁粉），主要用于军工技术。nSmCo磁体的剩磁
14、为0.8-1.2T，最大工作温度为250-350，剩磁温度系数为-0.040.01。SmCo磁体的特点NdFeBNdFeB永磁材料的特点永磁材料的特点n NdFeBNdFeB磁体的特点磁体的特点 钕铁硼稀土永磁材料是由铁（Fe，64%）、硼(B，1%)和稀土钕（Nd，32%）、镨(Pr)、镝(Dy)等元素构成的合金，具有高剩磁、高高剩磁、高磁能积磁能积、高矫顽力高矫顽力、质量轻质量轻、成本低成本低等特性，被誉为“磁王磁王”，是迄今为止性价比最高的磁体材料，有利于磁性元件向轻型化、薄型化、小型化及高效化发展，产值占据世界稀土永磁材料产值的90%左右，是永磁材料市场中的主导者。烧结钕铁硼磁体的理论
15、磁能积为512kJ/m3，约为64MGOe，是稀土永磁材料中最有代表性的一类材料，也是目前实现产业化磁能积最高的一类磁体n NdFeB 晶体结构是四方晶系。四方晶系。整个晶体可看作是富Nd和富B原子层以及富Fe原子层交替组成的。NdFeB永磁材料具有很强的单轴各向异性，其易磁化方向是【001】方向 Ms=1.6T Ms=1.6T、TcTc=312=312、H HA A=5840kA/m=5840kA/mNdFeBNdFeB磁体的生产工艺磁体的生产工艺n 块体块体NdFeBNdFeB磁性材料的生产方法磁性材料的生产方法p烧结法，又称为粉末冶金法烧结法，又称为粉末冶金法烧结NdFeB磁体占稀土永磁
16、材料市场份额的80-90%。p粘接法粘接法粘结NdFeB磁体占稀土永磁材料市场份额的10-15%，快淬磁粉是用来生产粘结磁体的主要原料。p热压法，又叫热变形法、热流变法热压法，又叫热变形法、热流变法具有很大的发展潜力，其磁性能可以与烧结NdFeB磁体相媲美，同时具有烧结磁体没有的一些优势。n 粉体粉体NdFeBNdFeB磁性材料的生产方法磁性材料的生产方法p快淬法快淬法在真空快淬炉中，将母合金熔液细流喷射到一个旋转冷却辊上制成非晶或部分非晶的快淬薄带的方法pHDDRHDDR法法把母合金铸锭装入容器中，抽真空后通入氢气加热发生一系列反应最后生成磁粉的方法p机械合金化法机械合金化法利用高能球磨机将
17、原料进行球磨，利用它产生的高温让其发生固相反应生成磁粉的方法p磁控溅射法、气体雾化法等磁控溅射法、气体雾化法等n在实验室制备的烧结NdFeB磁体能够达到的最佳磁性能为：(BH)m=59.5 MGOe，Br=15.55 kGs,Hcj=8.2 kOe。n开发高性能永磁体的重要措施是提高主相（Nd2Fe14B）的体积百分含量，同时严格控制磁体的微观结构，以保持较高的矫顽力。合理的成分设计、严格的低氧工艺、先进的制粉手段、适当的热处理制度等工艺方法是生产高性能烧结NdFeB磁体的必要条件。n烧结Nd2Fel4B永磁材料具有优良的磁性能，但是烧结磁体也存在缺点，如磁体太脆，机械加工性能不好，从而使烧结
18、钕铁硼的应用受到了一定的限制烧结法制备烧结法制备NdFeBNdFeB磁体磁体粘结法制备粘结法制备NdFeBNdFeB磁体磁体n粘结NdFeB磁体的优势：具有成本低成本低、生产效率高生产效率高、可加工性好可加工性好、尺寸精尺寸精度高度高、易于大批量自动化生产易于大批量自动化生产等特点，能够很好的满足电子信息整机“轻薄短小化”的要求。n粘结钕铁硼磁体目前主要采用注射成型注射成型和压缩成型压缩成型两种工艺，它的性能，不仅取决于磁粉的性能及其制造技术，而且也与粘合剂、助剂、原料配方、混炼技术、磁粉取向技术、成型工艺设备、模具设计、充磁技术密切相关。n粘结磁体的剩磁Br和磁能积(BH)m较低，从而限制了
19、粘结磁体的应用和发展。n既不失去粘结永磁材料的便利性，又能具备高磁性能的各向异性磁体就为人们所期待，这就导致了人们对各向异性粘结磁体各向异性粘结磁体的需求。粘结NdFeB磁体的应用领域全球粘结NdFeB磁体产量分布热压法制备热压法制备NdFeBNdFeB磁体磁体n热压法具备粘结磁体的易成型特点，又具备烧结磁体的全密度各向异性等特点，并且生产时间短、成本低，是制备全密度各向异性NdFeB磁体的重要方法n热压法根据工艺分为一步热变形法、热压/热变形法、SPS热压/热变形法、电流辅助热压/热变形法等。n根据不同的原料磁粉，热压法通常又可分为：快淬-热压-热变形法、机械合金化-热压-热变形法、HDDR
20、-热压-热变形法等。其中NdFeB快淬磁粉是生产热压（热流变）磁体最重要的原料。n热压法制备的高性能NdFeB磁体的最大磁能积(BH)m可达到54.4 MGOe，其矫顽力Hcj为12.5 kOe。母合金熔炼快淬制粉热压 650C热变形热压法制备NdFeB磁体热压热变形=1/79.6Oe1kJ/m3=1/7.96MGOeCGS单位制单位制SI单位制单位制SI单位制换算单位制换算至至CGS单位制单位制磁粉生产各工序的功能1.铸片熔炼2.快淬3.晶化铸片熔炼熔炼技术真空感应熔炼法（最常用）真空电弧熔炼法（多用于实验室研究）真空热还原扩散法（近年来得到发展）真空感应熔炼：利用电磁感应在金属炉料内产生涡
21、电流，从而电热炉料并获得足够高的温度，使炉内多种金属或合金原料熔化，在熔融状态下通过原子扩散形成所需合金的过程真空热还原法：用金属钙还原稀土氧化物，并且与钴、铁等过渡金属相互扩散，直接直接制取稀土永磁合金的方法，特点是制备的稀土永磁合金价格低廉。感应炉的熔炼特点1、感应电流的分布特征集肤效应：交变电流通过导体时，电流密度由表面向中心依次减弱，即电流有趋于金属表面的现象邻近效应：感应线圈中的交变电流与炉料导体中的感应电流的方向相反，在相互影响下使两导体中的电流在邻近侧面处聚集圆环效应：感应电流的最大电流密度出现在线圈导体的内侧炉料的最佳尺寸范围穿透深度：当电磁波由导体表面向导体内部传播时，经过一
22、定距离，其值衰减到表面值的1/e，这段距离称为导体的穿透深度通常炉料直径为穿透深度的3-6倍电流频率（Hz）501501000250040008000穿透深度（mm)7342161086最佳炉料直径（mm)219-438126-25248-9630-6024-4818-36坩埚内的温度分布及布料准则合理的布料准则：考虑料块尺寸及熔点和坩埚内温度分布相适应感应熔炼的电磁搅拌作用电磁搅拌：感应炉熔炼时，导电熔体在电磁力的作用下处于不断搅拌中，这种现象称为电磁搅拌。电磁搅拌优点：有利于合金快速熔化和原子的扩散，有利于熔体化学成分、温度的均匀和熔体的夹杂物上浮。增强电磁搅拌办法提高电流频率增设辅助电源
23、搅拌真空熔炼过程的特点氩气保护：隔断了氮气、氧气等危险气体的进入；减少了合金元素的挥发；可不必进行使用高真空系统，缩短抽真空的时间真空脱气：主要是去除合金当中的氢和氮 熔炼时，由于熔池表面低压条件和电磁搅拌的作用，非金属杂质上浮，在熔池表面形成一层氧化膜，称为夹杂物。夹杂物防止：减少污染源炉料需进行表面清理控制有害杂质含量；提高炉子的真空度，减少漏气速度，提高氩气纯度原材料的选择标准：使成分符合技术要求；控制原料带入的有害杂质金属钕的选择：1.注意碳含量是否偏高；2.少量镨可以，其它稀土元素对磁性能不利；3.生产高性能NdFeB磁体要求：Ce/RE0.05%；Nd/RE99.5%；总稀土99.
24、8%工业纯铁的选择：DT1,ZDT2是比较合适的原料硼铁的选择：电驴法生产的较好，硼含量波动和偏析小于1.5%-1.9%真空感应熔炼工艺1、装料：炉料码放整齐；符合布料原则2、抽真空，充氩气预抽真空至要求真空度预热炉料当真空再次达到要求真空度时，停止抽真空充氩3、熔炼，精炼逐步加大功率（使炉料均匀受热，防止搭桥）（当Nd熔化下沉Fe等高熔点金属开始熔化时）加大功率使炉料迅速熔化稍降功率开始精炼（保温3-5分钟）加大功率精炼2分钟，以加强电磁搅拌，保证合金均匀4、浇注熔炼后降低功率，熔体不再翻腾后停止送电熔体冷却到一定温度（不超过合金熔点200）进行浇注铸片熔炼炉NdFeB合金的熔炼是指：根据成
25、分配比把金属材料及其它辅助材料投入熔炼炉加热熔化，使炉料在高温发生反应，生成Nd2Fe14B相、-Fe相、富Nd相、富B相等产物的过程，具体产物依配方而定。熔炼的方法有：铸锭熔炼、平板熔炼、铸片熔炼前两种金属模铸锭工艺，冷速不够，难以消除-Fe铸片熔炼的方法使合金熔体浇注在一定转速的水冷铜辊上，在102-104/s的冷速下形成厚度在0.03-10mm的合金薄片我们公司的铸片的生产方法为铸片熔炼，一般称为速凝工艺（SC），其优点是：冷速快，抑制成分偏析关键参数有：铸片厚度的一致性；铸片的颜色（氧含量）；铸片的表面平整度；铸片的微观组织结构快淬快淬分为感应快淬和电弧快淬，都称为熔体快淬法，熔体快淬
26、就是在真空或保护气体状态下，将熔融的金属或合金注射或溢流到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，形成非晶或微晶的过程比较优缺点n感应快淬炉n水冷铜坩埚电弧溢流式快淬炉感应快淬炉感应快淬炉优点磁粉晶粒细小，微观组织均匀；磁粉呈片状，厚度一致性好；磁粉表面平整，基本没有小颗粒结晶的现象缺点：工艺复杂，控制较难；最大问题是喷嘴容易堵塞电弧快淬炉电弧快淬炉优点工艺简单，设备成本低，容易批量化生产不存在喷嘴堵塞问题缺点：磁粉微观组织结构控制较难；磁粉厚度一致性不够好关键点：快速稳定的冷却，使其形成非晶或微晶结构关键点：快速稳定的冷却，使其形成非晶或微晶结构溢流法原理溢流法的原理为：重熔的钢液从
27、坩埚侧面特定形状的浇口边沿溢出，与高速旋转的水冷辊轮接触后，被拉成薄膜而快速凝固成快淬带。在溢流法快淬过程中，钢液与辊轮接触点剪切区特性由熔体性质和轮速决定，材料的脱离速度主要由熔体流速控制。实际过程中的主要控制条件是液面高度、辊轮转速、各种温度参数等。晶化就理论而言，快淬钕铁硼磁粉的纳米晶结构可通过快淬工艺直接得到，但由于快淬是一非平衡过程，对各种工艺参数极其敏感，批量生产中要严格控制这些参数在最佳范围内是非常困难的，采用电弧溢流法更不可能，因为其生产的快淬带本身就是不均匀的。因此，批量生产中一半采用较高的淬速，使条带处于过淬状态，然后通过适当的晶化热处理得到所需的纳米晶结构。控制各种晶化热处理参数，得到均匀、细小的纳米晶结构是快淬NdFeB磁粉生产的一个关键。晶化快淬NdFeB磁粉的晶化是指通过在一定温度对磁粉进行热处理，使磁粉由非晶转化为晶粒、或者极细小的微晶长大的过程。为什么要这么做？因为非晶和太小的微晶都是呈顺磁性，没有我们常说的磁性能晶化的温度如何设定的？NdFeB材料的由非晶转变为晶体的温度在560-680，具体数值因成分而异晶化的关键是什么呢？快速升温，快速冷却，防止不希望情况的发生，包括中间相或亚稳相的出现、大晶粒吞噬小晶粒而导致局部过分长大对于我们的配方，稀土含量较低，重点在于抑制-Fe晶粒的优先长大