永磁铁氧体材料调查分析.doc

永磁铁氧体材料调查报告1 铁氧体简介1.1 铁氧体分类铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。按照磁学性质和应用情况的不同，铁氧体可分为：软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁等五种类型，在马达中铁氧体多数用作永磁材料。永磁铁氧体根据制造工艺的差别可以分为各向同性和各向异性材料。两种材料在成份上是相同的，各向异性永磁的性能高，它是采用磁场成型再烧成制得的，其颗粒的易磁化轴沿外场方向排列一致，因此，一般均采用各向异性材料。1.2 永磁铁氧体优缺点永磁铁氧体是一种具有单轴各向异性的六角结构的化合物。主要是钡、锶、铅三种铁氧体及其复合的固溶体。这类铁氧体材料在外界磁化场消失以后，仍能长久地保留着较强的恒定剩磁性质，可以用于对外部空间产生恒稳的磁场。永磁铁氧体具有以下优缺点：（1）具有很高的电阻率（=106m），能在高频场合下使用；（2）原料便宜，来源广泛，制造工艺简便，适于大量生产；（3）化学稳定性好，不存在氧化问题；（4）永磁铁氧体居里温度较低，故温度稳定性较差，不宜在要求严格的场合中使用。2 永磁铁氧体成分及工艺2.1 铁氧体基本组分目前，具有实用价值的永磁铁氧体是主轴型六角晶系铁氧体，其组成一般表示为：(M1O)1-x(M2O)xKFe2O3其中M1代表Ba、Sr、Pb；M2代表Ca；数字K在6附近。为改善磁性，还可添加Al、Si、Mn、Ca、Cr、Bi、Sn等的氧化物。常用的永磁铁氧体为钡和锶铁氧体。2.2 钡铁氧体及制备工艺钡铁氧体是用得最多的永磁材料，其化学式为BaO6Fe2O3（或BaFe12O19），在实际配料中BaO与Fe2O3的摩尔数比是小于6的，其原因是：（1）Fe2O3低于6的配方往往会在晶界呈现第二相BaO，有利于阻止晶粒长大；（2）当Fe2O3的比例低于6时，密度上升，Ms与Br增加，磁性提高；（3）补偿球磨时铁的加入及在烧结中碱土氧化物的挥发；（4）Fe2O3原料中常含杂质S，在铁氧体烧结过程中700时能与BaO生成稳定的化合物BaSO4，而铁氧体的生成需在800才开始，因此会多消耗掉一部分BaO，只有增加BaO的实际含量才能提高其磁性能；（5）对BaO5.5Fe2O3具高磁能积的分析发现其中存在一种新铁氧Ba3Fe42+Fe3+28O49，它在20时的磁性能为：Ms=398kA/m，HK=1540kA/m，Tc=451，这就导致了1:5.5比例的磁性最高。为保证原料中含杂质稍有变化时亦能获得较好的磁性能，一般在工业生产中采用5.5或更低的比例。制备钡铁氧体时，由于BaO很不稳定，一般采用BaCO3代替；若采用Ba(NO3)2与Fe(NO3)3做原材料，并采用盐酸混合热分解工艺，分解的氧化物活性好，可使反应更加均匀完全，有利于提高产品质量，但成本较高；为降低成本，可采用轧钢副产品铁鳞（主要成分为Fe3O4兼有FeO及Fe），它经氧化后变成Fe2O3，亦可获得良好的磁性。通常采用磁场取向成型法来制备各向异性铁氧体。磁场取向成型法有湿法和干法两种。湿法磁场成型是将二次球磨后的浆料直接置于模具中，在加压力成型时同时施加一定方向（垂直或平行与压力方向）的强磁场，使单畴晶粒做定向排列。在压型的同时用机械泵抽水，通过下冲头上的小孔将水分抽取。用湿法生产的铁氧体性能较好，即便由于成型要垫片、抽滤导致生产效率下降，这种方法依然得到普遍的应用。为提高生产效率，在生产中已采用干法磁场成型。即成型坯件时，所用粉料不再是含有大量水分的泥浆，而是掺加适当粘合剂的全干粉。粘合剂必须具有分散性、粘合性、润滑性三个条件以分别满足在干粉制备、坯件压制和脱模过程中的要求。干法磁场成型的产品磁性能比湿法的低，但是这种方法成型简易，效率高。2.3 锶铁氧体及制备工艺锶铁氧体的矫顽力、磁能积都比钡铁氧体高，磁性能较好。在锶铁氧体配方中加入少量CaCO3代替SrCO3可改善磁性能，其最佳成分约为Sr0.95Ca0.05O5.6Fe2O3，锶铁氧体根据要求不同可分为以下两类：（1）高Br材料：少量的PbO可以作为助熔剂得到高密度铁氧体，同时PbO还有防止晶粒长大的作用，提高Br和(BH)max；（2）高Hc材料：在锶钙铁氧体或锶铁氧体中加入少量Al、Cr、Ga等三价离子置换铁，可使HCJ提高。在锶钙铁氧体中加入少量则可增加致密度，改善取向性，提高磁性能。2.4 复合铁氧体及制备工艺上述烧结铁氧体机械特性硬而脆，难以进行机械加工。为改善机械性能，常将永磁微粉与橡胶或塑料混合，制成塑料永磁体。但由于填充了体积为1015%的大量非磁性物质，塑料永磁体的磁性能不高。3 永磁铁氧体磁性能及工艺对磁性能的影响3.1 永磁铁氧体磁性能参数列表表3-1 永磁铁氧体牌号及磁性能参数牌号Br(mT)HCB(kA/m)HCJ(kA/m)(BH)max(kJ/m3)Y8T2002351251602102806.59.5Y22H31036022025028032020.024.0Y2536040013517014020022.528.0Y26H-136039020025022525523.028.0Y26H-236038026328831835024.028.0Y27H35038022524023526025.029.0Y2837040017521018022026.030.0Y28H-138040024026025028027.030.0Y28H-236038027129538240526.030.0Y28H-335538527830838041025.029.0Y29H-137039027530538041025.428.6Y3037040017521018022026.030.0Y30H-138040023027523529027.032.5Y30H-239541527530031033527.032.0Y30H-339041023026024327328.032.0Y30H-439041029032034537528.431.6Y30H-539041028531538541528.431.6Y3240042016019016519530.033.5Y32H-140042019023023025034.535.0Y32H-240044022424023025031.034.0Y3341043022025022525531.535.0Y33H41043025027025027531.535.0Y33H-241043028531530533531.835.0Y3442044020023020523532.536.0Y34H-142044023026024027032.435.6Y34H-242044024527526529532.435.6Y34H-342044027030027530532.435.6Y3543045021523921724133.138.2Y3644045024727125037435.138.3Y3844046028530529431036.640.6Y4045046033035434036037.641.8表3-2 几种永磁铁氧体的磁性能比较材料Br(mT)HCB(kA/m)(BH)max(kJ/m3)各向同性钡铁氧体2201438各向异性钡铁氧体40043515919030.435.2各向异性高Br锶铁氧体41045015119030.436.0各向异性高Hc锶铁氧体35040023926324.028.0各向异性CaLa铁氧体41014316328.831.2各向异性W型铁氧体44047012016729.634.43.2 烧结工艺对磁性能的影响在钡铁氧体的烧结过程中，BaO与Fe2O3首先生成中间化合物BaOFe2O3，在高温时它再与Fe2O3发生固相反应生成BaFe12O19。当温度较低时，固相反应不完全，HCJ与Br值均较低；随着温度的上升，反应趋于完全，密度逐渐增加，HCJ与Br亦上升；在某一温度，HCJ达到最大值；当温度继续升高，晶粒长大；当晶粒直径超过临界值时，HCJ趋于降低，但由于密度上升，Br值还会继续增大，直到某一温度Br达到最大值；此后，由于铁氧体分解产生气泡或另相而使Br下降。在预烧中的晶粒生长并存着低温和高温两个区域，低温区域的生长速率小些，高温区域的大些。如在配方中加入少量Bi2O3，则会促进低温区域的生长，而延缓高温区域的生长，晶粒生长的尺寸也会相应减小。一次烧结后的材料，如温度过低则化学反应不完全，磁性能差；如温度过高，则晶粒尺寸超过单畴临界尺寸时，磁性能也差。因此为保证产品以单畴晶粒存在，从而获得优良稳定的磁性能，一般采用两次烧结，即预烧再球磨，再烧结。3.3 添加剂对永磁铁氧体磁性能的影响在钡铁氧体中加入起助熔作用或起矿化作用的添加剂，如高岭土Al2O3(SiO2)2H2O、Bi2O3、B2O3以及PbO、WO3等可是样品在较低温度下烧成而具有高密度。有些添加剂还能抑制大晶粒生长，因此，加入这些添加剂即可提高Br又可提高Hc。加入0.51%的高岭土，可使Hc上升15%，(BH)max上升30%，适量加入磷酸或碱金属磷酸盐，也能使钡铁氧体的磁性能提高。在锶铁氧体中加入适量高岭土Al2O3(SiO2)2H2O、Bi2O3等也可起降低烧结温度、细化晶粒、提高密度的作用，调整烧结温度可提高其性能。3.4 其它工艺因素对永磁铁氧体磁性能的影响铁氧体的亚铁磁性决定了它的饱和磁感应强度不高，如钡铁氧体的Bs=0.475T，因此Br较低，对于晶粒紊乱的多晶体，则有Br=Bs/2；同时由于烧结铁氧体包含的气孔及由此造成的退磁作用，使各向同性材料的Br=106/=106以上所述是从利用永磁铁氧体的单畴、单轴各向异性特性来提高其磁性能。除此之外，还可利用离子代换来改善性能。例如，对BaFe12O19用三价金属离子M3+（Al3+、Ga3+或Cr3+）取代Fe3+，形成BaFe12-xMxO19铁氧体，当x3时，HCJ显著上升。为改善Br的温度特性，用M2+M4+取代2Fe3+，或用2M2+M5+取代3Fe3+如用（Cu2+、Ge4+）、（Cu2+、Si4+）、（Cu2+、V5+）、（Cu2+、Nb5+）或（Cu2+、Ta5+）取代Fe3+时，BaFe12O19在室温和100之间的Br由-0.2%/下降到-0.1%/左右。尤其是用（Cu2+、Nb5+）取代Fe3+时，在室温和50之间几乎可以做到Br没有变化。4 永磁铁氧体物理性能及工艺对物理性能的影响除前文所述Hc、Br及(BH)max等参数外，稳定性也是永磁材料很重要的参数，其中最主要的是温度稳定性。在特殊技术条件下，还要满足时间稳定性和受磁、热、机械冲击等的稳定性。4.1 温度系数温度系数一般指工作温度范围内（-40+80）剩磁Br和矫顽力Hc随温度可逆变化的系数，定义为Br= Br/BrT和HC= Hc/HcT，它是由材料本身的性质决定的。一般永磁铁氧体的Br值在-0.18-0.20%之间，其Br值随温度升高而下降，Hc也有所下降，因而（BH）max亦下降。由于永磁铁氧体的温度系数较大，因而限制了它的应用范围。4.2 组织老化组织老化指永磁铁氧体材料随着时间的变化，其内部结构发生不可逆的变化过程。这种变化将使磁性下降。因此，最好在使用前将材料存放一段时间，以减轻在使用过程中磁性下降的影响。4.3 磁性老化磁性老化指由于撞击、震动、时间、温度的变化以及外界杂散磁场的影响而引起的磁性下降。这种老化是一种可逆的变化过程。在重新磁化后，磁性可得到恢复。一般常采用人工老化的方法，使磁性略有降低，以增加其稳定性。4.4 居里温度居里温度是磁性材料从铁磁性到顺磁性的转变温度，在这个温度磁性材料的磁性将变得很小或消失。一般定义随着温度升高，磁导率下降到最大值的80%及20%时，两点的联线，延长到与温度轴的交点即为居里温度。材料的居里温度Tc越高，应用条件下Br、Hc随温度的变化越小，温度稳定性越