磁性材料与器件-第五章-永磁材料.ppt

上节内容提要 软磁铁氧体的合成 传统固相烧结 上节内容提要 非晶态软磁材料 非晶态结晶化前的中间状态 亚稳态 冷却速度足够快且冷至足够低的温度 以致原子来不及形核结晶便凝固下来 上节内容提要 目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类 1 3d过渡金属 T 非金属系 其中T为Fe Co Ni等 非金属为B C Si P等 2 3d过渡金属 T 金属系 金属为Ti Zr Nb Ta等 3 过渡金属 T 稀土类金属 RE 系 其中T为Fe Co RE为Gd Tb Dy Nd等 上节内容提要 制备方法 非晶晶化法 非晶条带 在略高于非晶晶化温度下退火一定时间 使之纳米晶化 纳米晶软磁材料 FINEMET Fe Si B Nb Cu 典型成分Fe73 5Si13 5B9Nb3Cu1 Bs 1 0 1 2Tesla Tc9650C 纳米晶软磁材料 上节内容提要 第五章永磁材料 定义 被外加磁场磁化以后 除去外磁场 仍能保留较强磁性的一类材料 基本要求 1 Br要高 2 Hc要高 3 BH max要高 4 材料稳定性要高 种类 1 金属永磁材料 Al Ni Co系和Fe Cr Co系永磁合金 2 铁氧体永磁材料 以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料 特点 电阻率高 适合高频和微波领域应用 3 稀土永磁材料 以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合金间化合物 包括SmCo5系 Sm2Co17系以及Nd Fe B系 特点 磁能积高 应用领域广泛 01 02 03 04 05 06 第一节衡量永磁材料的重要指标 5 1衡量永磁材料的重要指标 如果撤去外加磁场 在磁铁两个磁极之间的空隙中便产生恒定磁场 气隙磁场 对外界提供有用的磁能 撤去外加磁场后 在退磁场作用下 永磁体将工作在磁滞回线的第二象限 所以永磁材料性能的好坏 应该用退磁曲线上的有关物理量来表征 剩磁Br 矫顽力HC 最大磁能积 BH max等 5 1衡量永磁材料的重要指标 1 剩磁Br 永磁体由于磁路中存在空隙 因此处于开路应用状态 此时工作点在退磁场作用下由Br点移到D点 所以剩磁应该等于Bd 表观剩磁 工作点D和坐标原点O的连线OP称为开路磁导线 OP的斜率称为磁导系数 5 1衡量永磁材料的重要指标 2 矫顽力HC 两种定义 第二象限中 H 0 所以B H退磁曲线将位于 0M H退磁曲线下方 当B 0时 的最高值不可能超过材料的剩磁值 5 1衡量永磁材料的重要指标 3 最大磁能积 BH max 若永磁体的尺寸比取 BH max的形状 则能保证永磁体单位体积的磁场能为最大 注 不同形状对应退磁场不同 磁能积不同 5 1衡量永磁材料的重要指标 可根据 BH max确定各种永磁体的最佳形状 BH max越高的永磁体 产生同样的磁场所需的体积越小 在相同体积下 BH max越高的永磁体获得的磁场越强 在矩形磁滞回线中 理论值 上式成立的条件 1 剩余磁化强度Mr MS 2 内禀矫顽力 5 1衡量永磁材料的重要指标 4 稳定性 受到温度 外磁场 冲击 振动等外界因素影响时 有关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力 变化率 措施 选择高的Hc 并可添加有益杂质 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 时效处理 进行人工老化 时效温度比工作温度高30 50摄氏度 温度循环处理 在比工作温度范围宽的温度 反复循环多次 交流退磁处理 在比干扰场稍大的交流磁场中退磁 正确选择永磁体的工作点 5 1衡量永磁材料的重要指标 第二节提高永磁体性能的途径 5 2提高永磁体性能的途径 永磁材料磁性的优劣主要由最大磁能积 BH m判定 而 BH m又取决于Br和Hc 一般Br变化范围小 如由0 2至1 5T 仅相差约8倍 而Hc变化范围大 如由4 10至8 103安 米 相差200倍 5 2 1提高材料的剩磁 提高MS MS由成分决定 对于成分给定的永磁材料 提高Br Bs的比值定向结晶磁场热处理磁场成型结晶定向 磁畴定向 5 2 1提高材料的剩磁 定向结晶 控制铸件的冷却条件 不同的晶粒结构快冷时沿热流相反的方向会生长出柱状晶 柱状晶晶粒长大方向往往就是它的易磁化方向 定向凝固装置 在定向凝固过程中获得单向柱状晶的基本条件是使浇入铸型中的金属液在很高的温度梯度和单向传热条件下 于某一型壁上开始成核 并沿其垂直方向凝固 而生长成平行的柱状晶组织 定向凝固装置 金属熔液注入铸模后在加热器内停留数分钟 铸件凝固时的散热主要靠水冷结晶器的热传导 开始于水冷结晶器表面生成一层晶体 并在固液界面上建立起比较稳定的热交换 然后铸型按预定的速度从挡板中移出 并将固液界面保持在挡板附近 5 2 1提高材料的剩磁 定向凝固铸锭的典型组织1 表层激冷区2 中间柱状晶区3 中心等轴晶区 5 2 1提高材料的剩磁 塑性变形多晶体材料拔丝 轧扳 挤压 压缩等塑性变形 晶粒转动 晶粒的晶体学方位会发生一定程度的定向排列 即择优取向 织构等 可诱导磁各向异性 磁场成型加工成型时 施加外磁场 使易磁化轴沿磁场方向取向 经高温烧结及回火以后 可得较高的Br 5 2 1提高材料的剩磁 磁场处理外部磁场中热处理 可控制磁性颗粒的析出形态 沿外场方向呈细长状生长 使磁矩沿磁场方向择优取向 磁场热处理后的组织 5 2 1提高材料的剩磁 5 2 2提高材料的矫顽力 形成HC的原因 畴壁的不可逆移动和不可逆畴转决定HC大小的因素 各种因素 磁各向异性 掺杂 晶界等 对上述行为的阻滞作用的大小 某些永磁材料 铁磁性微细颗粒 单畴 非磁性或弱磁性基体 1 磁畴的不可逆转动 磁各向异性 磁晶各向异性 形状各向异性 应力各向异性 5 2 2提高材料的矫顽力 N 和N 分别为沿短轴和长轴所对应的退磁因子a b c是和晶体结构颗粒取向分布有关的系数 若材料MS较高 最好通过第二项来提高HC方法 增加颗粒细长比 N N 增加 5 2 2提高材料的矫顽力 若K1 S高 应主要考虑第1 3项当颗粒取向完全一致时 a 2 c 1当颗粒取向完全混乱时 a 0 64 立方晶体 a 0 96 单轴晶体 c 0 48所以颗粒易磁化方向完全平行排列时 永磁性好 5 2 2提高材料的矫顽力 2 畴壁的不可逆位移 晶体缺陷 杂质 晶界等的存在 在这些区域由于内应力或内退磁场的作用 磁化矢量很难改变方向 当晶体磁化到饱和时 这些区域的磁化仍沿着相反的方向 材料内部存在着磁化在反方向的磁畴 在反磁化时 它们构成反磁化核 在反磁场作用下长大成反磁化畴 为畴壁位移做了准备 5 2 2提高材料的矫顽力 反向磁场必须大于大多数畴壁出现不可逆位移的临界磁场 而临界磁场的大小则依赖于各种因素对畴壁移动的阻滞 方法 增加对畴壁不可逆位移产生阻滞的因素 提高临界磁场 5 2 2提高材料的矫顽力 当反磁化开始时材料内不存在反磁化核时该怎么办 传统磁性材料 适当增大非磁性掺杂含量并控制其形状 最好是片状掺杂 和弥散度 使掺杂尺寸和畴壁宽度相近 选择高磁晶各向异性的材料 增加材料中内应力的起伏 选择 S大的材料 新发展的永磁合金如Nd Fe B 强烈的畴壁钉扎效应可提高HC 晶体中各种点缺陷 位错 晶界 堆垛层错 相界等都是畴壁钉扎点的重要来源 反向磁场必须超过钉扎场 畴壁才移动 钉扎中心 HC 5 2 2提高材料的矫顽力 1880年 碳钢 1931年 铝镍铁 铝镍钴等20世纪30年代 铁氧体20世纪60年代 Sm Co系稀土永磁材料20世纪80年代 Nd Fe B系稀土永磁材料近年来 交换耦合作用机制的纳米双相永磁材料RE Fe N系永磁体 发展概述 第三节金属永磁材料 淬火硬化型磁钢析出硬化型磁钢时效硬化型磁钢有序硬化型磁钢 金属永磁材料 5 3 1淬火硬化型磁钢 碳钢 钨钢 铬钢 钴钢和铝钢等 通过高温淬火手段 把已经加工过的零件中的原始奥氏体组织转变为马氏体组织来获得高HC 缺点 矫顽力和磁能积比较低 这类永磁体己很少使用 5 3 2析出硬化型磁钢 这一类材料主要包括Fe Cu Fe Co和Al Ni Co三类 Fe Cu主要用于铁簧继电器等方面 Fe Co主要用于某些存储单元 Fe Al Ni Co系在20世纪70年代几乎成了永磁材料的代名词 为金属永磁材料中最主要 应用最广泛的一类 5 3 2析出硬化型磁钢 5 3 2析出硬化型磁钢 AlNiCo磁钢 主要成分为Fe Ni Al 再加入Co Cu或Mo Ti等适当热处理 各向同性的永磁合金 经磁场热处理或定向结晶处理 各向异性永磁合金 相变过程 铁磁性相非磁性相 可以通过控制冷却速度来实现 1 2析出或分解过程的控制 而获得最佳永磁特性的冷却速度称为临界冷却速度 5 3 2析出硬化型磁钢 铁磁性相 以单畴微粒子的形式析出 产生形状各向异性高HC 5 3 2析出硬化型磁钢 各向异性铝镍钴永磁体的制备工艺如下 主要包括配料 熔炼 固溶化处理 热处理等 5 3 2析出硬化型磁钢 AlNiCo5的成份为14 5 Ni 8 Al 24 Co 3 Cu 余Feat AlNiCo8的成份为14 15 Ni 7 8Al 34 Co 3 Cu 5 Ti 余Feat 5 3 3时效硬化型永磁合金 通过淬火 塑性变形和时效硬化的工艺获得高HC 优点 机械性能较好 分类 1 铁基合金包括CoMo FeWCo FeMoCo合金缺点 磁能积较低 用途 电话接收机 2 FeMnTi特点 磁性能相当于低Co钢 但不需要战略资源Co应用 指南针 仪表零件 5 3 3时效硬化型永磁合金 FeCoV合金特点 时效硬化永磁合金中性能较高的一种应用 微型电机 录音机磁性零件 3 铜基合金种类 CuNiFe CuNiCo两种应用 测速仪和转速计 5 3 3时效硬化型永磁合金 4 Fe Cr Co系永磁合金特点 主要应用的另一类金属硬磁合金 磁性能相当于中等性能的A1NiCo永磁合金 但可进行变形加工 机械加工 制成管材 片材或线材等 应用 扬声器 电度表 转速表 陀螺仪 空气滤波器 磁显示器 5 3 4有序硬化型永磁合金 种类 AgMnAl CoPt FePt MnAl MnAlC合金特点 高温下处于无序状态 经适当的淬火和回火后 由无序相中析出弥散分布的有序相 提高HC 应用 磁性弹簧 小型仪表元件 小型磁力马达FePt合金 耐腐蚀性 第四节铁氧体永磁材料 主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体化学式 MO xFe2O3M Ba Sr Ca Pb等常用的为钡铁氧体 BaO 6Fe2O3 锶铁氧体 SrO 6Fe2O3 和铅铁氧体 PbO 6Fe2O3 5 4 1铁氧体永磁材料基本结构 5 4 1铁氧体永磁材料基本结构 M型钡铁氧体BaFe12O19 BaM Ca Sr Pb的离子半径与Ba的离子半径大致相同 它们可以互相替代而形成不同的永磁铁氧体 这种类型的铁氧体的磁晶各向异性大 因此矫顽力大 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 1 原料对磁性能的影响铁氧体是由Fe2O3和Ba Sr Pb等氧化物或加热易分解形成氧化物的盐类 混合烧结时固相反应而形成的 其中BaO不稳定 因此用BaCO3代替BaO BaCO3在900 1000分解成BaO和CO2 分解出来的BaO活性较好 有利于化学反应 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 铁氧体原材料主要是 Fe2O3用铁鳞 未充分氧化的Fe3O4 和铁红 Fe2O3 Ba及Sr用碳酸盐 原料配比为 BaO与Fe2O3分子比一般在1 5至1 5 7 纯的BaO 6Fe2O3矫顽力很低 为了提高矫顽力 应适当提高Ba含量和加入质量分数为1 5 的添加剂 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 钡铁氧体的添加剂有Bi2O3 SiO2 CaSiO3 B2O3 BaSiO3 KCl等 锶铁氧体的添加剂主要有SiO2 Al2O3 CaO SrCl2等 这些添加剂起到助熔使用 可使铁氧体在较低温度烧成 具有高密度 而且能防止晶粒的长大 因此Br和Hc都较高 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 2 烧结温度对磁性能的影响铁氧体的密度大小影响Br 提高密度可使Br增加 一般情况下 不能靠提高烧结温度来获得高密度 因为烧结温度提高 使晶粒长大 粒子尺寸超过单畴临界直径时 则形成畴壁 使Hc下降 为提高密度而不降低Hc 采用预烧再球磨工艺 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 预烧工艺 将已磨好的粉料压成饼块或造粒后 在1300左右高温下烧结数小时 由于温度高时间长 这些原料已化合成较完全的铁氧体 一般预烧后的料称为铁氧体一次料 一次料晶粒已长得很大 为使晶粒小 保证微粒直径小于单畴尺寸 保证得到大的HC 必须把预烧后的饼块或小球粒进行破碎 再球磨成直径小的粉末 把这些粉末压成型再烧结 烧结时化学反应完全 且晶粒均匀 可获得永磁性能较好的永磁铁氧体 3 磁场成型为了让单畴粒子定向排列制造各向异性铁氧体 应采用磁场成型 磁场成型是在压制成型时施加磁场 使微粉颗粒的易磁化轴沿磁场方向排列 形成各向异性 施加磁场强度越大 取向度越高 磁体的磁性越好 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 5 4 2铁氧体永磁材料制备工艺 我国永磁铁氧体牌号和性能 缺点 综合磁性能较低优点 性价比高 工艺简便成熟 抗退磁性能优良 不存在氧化问题 目前约占永磁材料总产值的40 5 4 3铁氧体永磁材料性能 应用领域 电机 50 电声 20 测量与控制器件 20 其余 10 上节内容提要 永磁材料 被外加磁场磁化以后 除去外磁场 仍能保留较强磁性的一类材料 1 剩磁Br 表观剩磁 2 矫顽力HC 磁导系数 指标参数 上节内容提要 3 最大磁能积 BH max 4 稳定性 可根据 BH max确定各种永磁体的最佳形状 变化率 上节内容提要 提高永磁体性能的途径 1 提高剩磁提高MS MS由成分决定 对于成分给定的永磁材料 提高Br Bs的比值定向结晶磁场热处理磁场成型磁畴定向 上节内容提要 2 提高矫顽力 若材料MS较高 最好通过第二项来提高HC方法 增加颗粒细长比 N N 增加若K1 S高 应主要考虑第1 3项 适当增大非磁性掺杂含量并控制其形状 最好是片状掺杂 和弥散度 使掺杂尺寸和畴壁宽度相近 上节内容提要 金属永磁材料 淬火硬化型磁钢 碳钢 钨钢 铬钢 钴钢和铝钢等 AlNiCo磁钢 主要成分为Fe Ni Al 再加入Co Cu或Mo Ti等适当热处理 各向同性的永磁合金 经磁场热处理或定向结晶处理 各向异性永磁合金 析出硬化型磁钢 第五节稀土永磁材料 5 5 1稀土永磁材料概述 稀土永磁材料由稀土元素RE与过渡金属TM Fe Co等 形成RE 15个 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu常把第III副族元素钪 Sc 和钇 Y 也列入稀土元素之中 5 5 1稀土永磁材料概述 问题 纯稀土合金居里温度低 Fe Co Ni室温下有很强的铁磁性 居里温度高 设想 稀土元素 Fe Co Ni等 合金 TC高 纯稀土合金的优势 原子磁矩大 K1 s大 结构为六角晶系和四方晶系 具强烈的单轴各向异性 5 5 1稀土永磁材料概述 第一代稀土永磁材料 60年代开发 SmCo5第二代稀土永磁材料 70年代开发 Sm2Co17优点 永磁性能好 BH max大缺点 原材料供应和价格问题 Co Sm储量少 第三代稀土永磁材料 1983年开发 Nd2Fe14B 四方 特点 1 磁性能高 2 价格属中下水平 3 力学性能好 4 TC低 温度稳定性差 化学稳定性欠佳 5 5 1稀土永磁材料概述 5 5 1稀土永磁材料概述 5 5 1稀土永磁材料概述 5 5 1稀土永磁材料概述 5 5 2第一代SmCo5 这类稀土永磁中最先出现的是SmCo5 其永磁性能优良 但由于其中含稀缺 昂贵的Sm和Co 造成SmCo5价格较高 故而人们努力用储量较多的富稀土元素取代Sm 用Cu Fe等取代Co 因此又相继发展了PrCo5 SmPr Co5以及Ce Co Cu Fe 5等永磁材料 5 5 2第一代SmCo5 特点 a 成分对永磁性能影响大 若按化学计量比配不可能获得优异的磁性能 Sm含量为过计量时 才可能获得优异的磁性能 b 只有Sm含量为过计量时 才可能获得致密的SmCo5合金 c 室温HC随回火温度变化 5 5 2第一代SmCo5 Sm Co之间可形成七种金属间化合物 Sm2Co17 SmCo5 Sm2Co7 SmCo3 SmCo2 Sm4Co9 5 5 2第一代SmCo5 RCo5型稀土永磁材料属六角晶系 由Co原子层和Co R混合原子层相间重叠而成 其C轴为易磁化轴 5 5 2第一代SmCo5 在RCo5型中 SmCo5具有最高的磁晶各向异性常数 K 15 19 103kJ m 3 HA 31840kA m 1 Tc 740 Ms 890kA m 1SmCo5永磁性能 Br 1 07T BHc 851 7kA m 1 MHc 1273 6kA m 1 BH max 227 6kJ m 3可在 50 150 范围内工作 5 5 2第一代SmCo5 矫顽力理论SmCo5单畴临界尺寸为d0 0 3 1 6 m 而实际获得最高矫顽力的颗粒尺寸D 5 20 m 晶界 晶体缺陷和第二相对畴壁的钉扎效应由反磁化畴的形核与长大的临界场Hs决定 认为是由于第二相 如沉淀相Sm2Co7 成为反磁化核 故而材料的MHc由反磁化畴的形核与长大的临界场决定 计算得知沉淀相的形核场Hn大约为796k m 1 这与实验值吻合很好 由此看来 反磁化核主要在沉淀相的相界面形成 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 注意的问题 由于稀土元素容易挥发和氧化 在配方时应补足可能发生的损失量 以免成份偏析 制粉应在介质 如甲苯 航空汽油等 保护下进行振动球磨 烧结中应添加适量的液相合金 60wt Sm 40wt Co 并注意控制烧结温度和降温模式 5 5 2第一代SmCo5 5 5 2第一代SmCo5 上节内容提要 铁氧体永磁材料 主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体化学式 MO xFe2O3 常用的为钡铁氧体 BaO 6Fe2O3 锶铁氧体 SrO 6Fe2O3 和铅铁氧体 PbO 6Fe2O3 缺点 综合磁性能不如稀土永磁优点 性价比高 工艺简便成熟 抗退磁性能优良 不存在氧化问题 Fe Co Ni室温下有很强的铁磁性 居里温度高 稀土元素 Fe Co Ni等 合金 稀土永磁材料 纯稀土合金的优势 原子磁矩大 K1 s大 结构为六角晶系和四方晶系 具强烈的单轴各向异性 但是居里温度低 上节内容提要 上节内容提要 稀土永磁材料 第一代稀土永磁材料 SmCo5 SmCo5具有最高的磁晶各向异性常数 K 15 19 103kJ m 3 Br 1 07T BHc 851 7kA m 1 MHc 1273 6kA m 1 BH max 227 6kJ m 3 可在 50 150 范围内工作 5 5 3第二代Sm2Co17 R2TM17多数属于菱方晶系 5 5 3第二代Sm2Co17 Sm2Co17是稀土永磁合金中磁稳定性最好的一种 居里温度很高 Tc 926 对于高温下的应用具有重要的意义 5 5 3第二代Sm2Co17 以Sm Co Cu三元系为基础发展起来的2 17型稀土永磁 是时效硬化型材料 其中 Sm Co Cu Fe M系2 17型永磁 代表第二代稀土永磁 已在工业上得到广泛应用 其中Sm2 Co Cu Fe Zr 17合金的磁性能最好 并已商品化 5 5 3第二代Sm2Co17 5 5 3第二代Sm2Co17 这种合金的成分可表达为 Sm Coz u v wCuuFevMw 其中 z 7 0 8 3 W 0 01 0 03 u 0 05 0 08 v 0 15 0 30 M Zr Hf Ti Ni等金属原子 Sm2 Co Cu Fe Zr 17合金磁性能最好 Br0 9 1 197T BHc493 5 796kA m 1 MHc525 3 2388kA m 1 BH max175 1 251 5kJ m 3 Tc840 870 Br 0 002 1 可在 60 350 范围工作缺点是Sm和Co的含量仍然较高 并且工艺复杂 5 5 3第二代Sm2Co17 5 5 3第二代Sm2Co17 Sm2 Co Cu Fe Zr 17永磁合金的热处理1190 1220 烧结1 2h1130 1175 固溶处理0 5 2h后快冷750 850 等温时效0 5 10h分级时效或控速冷却 25 5Sm 50Co 8Cu 15Fe 1 5Zr合金磁性能随时效处理的变化 5 5 3第二代Sm2Co17 5 5 4Nd 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1983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 5 5 4Nd Fe B系稀土永磁 从制造方法上来说 Nd Fe B系永磁材料主要包括 烧结永磁和粘结永磁 5 5 4Nd Fe B系稀土永磁 磁粉粒度 粘结剂的添加量 成形压力和固化温度等都是影响磁体最终性能的重要因素 粘结Nd Fe B永磁体可一次成型 具有尺寸精度高 不变形 无需二次加工 便于大批量自动化生产 磁性能一致 机械强度高 密度小 耐腐蚀等 广泛应用于办公自动化 仪器仪表 计算机 通讯 汽车等领域 5 5 4Nd Fe B系稀土永磁 5 5 4Nd Fe B系稀土永磁 烧结Nd Fe B永磁材料的生产技术与性能已基本趋于完善 磁能积的实验值己达到理论值的80 以上 烧结Nd Fe B永磁材料已经在汽车 计算机 通讯 医疗 仪器仪表 家用电器等领域中得到广泛应用 随着工业自动化和信息技术的蓬勃发展 钦铁硼永磁材料在计算机 工业自动化 通讯 交通 医疗 航空航天等的领域得到广泛应用 在高新技术领域 对高性能钦铁硼磁体的需求日益增长 用它制成的器件具有性能优异 重量轻 体积小 能量大 节能 增效等一系列优点 5 5 4 1Nd Fe B成分和结构 Nd11 76 xFe82 35 x yB5 88 y 大约为Nd15Fe77B8 以Nd2Fe14B化合物为基 并富B和富Nd 5 5 4 1Nd Fe B成分和结构 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 磁粉的制备a 熔体快淬法真空感应炉熔炼母合金惰性气体保护 熔化的母合金在氩气压力下经石英管喷出喷射到 高速旋转的铜辊上快速冷却凝固 将得到的薄带粉末化后得磁粉 单辊快淬步骤 感应线圈将坩埚内NdFeB母合金加热熔化成熔体 通过气阀调节窄缝氩气压力将熔体从坩埚下端的窄缝直接喷射到高速旋转的紫铜辊表面 熔体被冷却并随铜辊的旋转被甩出 成带状 紫铜辊的作用 其内部通冷却水冷却 可将喷射到其表面的合金液以105 106 s的速度冷却并甩出 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 旋转辊速度 调节产物晶体结构 即从非晶到数微米晶粒尺寸变化 影响材料的磁性能 厚度 30 80um 宽度 1 3mm 长度 取决于坩埚容量 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 当x 0 07 淬速v 15 25m s时磁性能最佳 淬速过慢 晶化态合金 晶粒粗大 分布不均匀 永磁性差淬速过快 非晶态合金 呈软磁性 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 b HDDR法 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 工艺 将NdFeB合金铸锭装入不锈钢容器 抽真空至10 2Pa 通入高纯氢气至105Pa左右 升温加热 合金发生HD反应 加热到650 900 保温一段时间 使合金锭完全发生歧化反应 抽真空至2 10Pa 脱氢 在650 900 保温一段时间 再化合 此工艺过程即为氢化 歧化 脱氢 再化合反应 即HDDR反应 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 原理 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 磁体性能特点 得到的磁体矫顽力高如果将NdFeB合金铸锭直接破碎成细小粉末 其矫顽力很低 一般 160kA m NdFeB的HDDR磁粉其矫顽力可达1 194MA m目前HDDR工艺已成为生产高矫顽力NdFeB磁体的重要方法 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 影响HDDR磁粉性质的因素 歧化时间 歧化温度 再化合温度 再化合时间 加热速度 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 1 Nd2Fe14B主相与歧化温度范围的关系 确定歧化时间 可见 随Nd2Fe14B主相体积分数的 歧化温度范围 即在一定得加热速度下 合金成分中主相越多完成歧化所需的时间t越长 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 2 歧化温度与晶粒尺寸的关系 确定歧化温度 可见 对于不同状态的磁体 当其晶粒尺寸 10um时 随晶粒尺寸 其歧化温度T 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 3 磁性能与再化合温度的关系 可见 NdFeB合金在870 歧化60min 在740 780 之间进行再化合处理 HDDR粉具有较高的Hc 在820 进行再化合处理时 其Hc显著降低 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 4 磁性能与再合化时间的关系 可见 再合化处理40 60min可获得较高的Hc 随着t Hc有所 5 加热速度与矫顽力的关系 可见 当加热速度为40 50 h时 可获得较高矫顽力 当加热速度200 h时 其矫顽力显著降低 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 c 气体喷雾法Nd Fe B溶液高速喷嘴 雾化成细小的金属液滴射向粉碎盘 获得极细的非晶和微晶粉末 d 机械合金化法Nd Fe B合金铸锭破碎成粗粉长时间高能球磨 产物退火处理 得到与快淬法相同的微观组织优点 成本低 5 5 4 2粘结Nd Fe B磁体制备 2 磁体的制备永磁体粉末与橡胶 塑料等粘结材料相混合 按用求直接成型为各种形状的永磁部件 缺陷 由于粘结剂的加入 永磁体的磁学性能会有一定程度的下降 5 5 4 3烧结Nd Fe B磁体制备 磁粉 压缩成型 高温烧结 热处理 表面处理 烧结温度一般应控制在1070 1080 温度偏低时 液相烧结不充分 磁体不能充分致密化 烧结温度过高时 会导致晶粒长大 使矫顽力降低 为了消除应力 改善显微组织 冷却后的磁体需要进行退火处理 5 5 5Nd Fe B磁体的性能 Nd Fe B相结构与内禀磁性 相结构决定内禀磁特性 1 交换作用 Fe Fe原子对间的相互作用是最主要的 它与原子间距有关 有些为正 有些为负 TC较低 2 单轴磁晶各向异性 3 MS主要由Fe原子磁矩贡献 Nd也有一定贡献 内禀磁性参数 TC 585K 各向异性场 0Ha 6 7T 室温饱和磁极化强度JS 1 61T 5 5 5Nd Fe B磁体的性能 微观结构主要为硬磁的Nd2Fe14B相 还包括富Nd相和富B相 室温下为非磁性 还有一些Nd氧化物和 Fe FeB FeNd Fe17Nd2等软磁相 磁性主要由前者决定 后者具有隔离或减弱主相磁性耦合的作用 可提高HC 但降低了MS和Br 5 5 5Nd Fe B磁体的性能 成分配方 只有永磁合金的Nd和B的含量分别比Nd2Fe14B化合物的Nd和B含量多时 才能获得较好的永磁性能 在Nd Fe B永磁材料成分设计时应考虑如下原则 为获得高矫顽力 除B含量适当外 可适当提高Nd含量 为获得高磁能积 应尽可能使B和Nd的含量向Nd2Fe14B四方相的成分靠近 尽可能的提高合金的Fe含量 制备工艺 制备工艺会影响晶粒的大小 形状及其取向 影响到晶粒间的耦合程度 从而影响宏观磁性能 5 5 5Nd Fe B磁体的性能 5 5 6影响Nd Fe B磁体性能的因素 近邻原子间的交换相互作用是物质磁性的来源 物质结构各层次间的相互作用与材料磁性能密切相关 1 添加元素的影响前两种置换影响主相的内禀特性 后两种掺杂影响磁体微结构 改善磁性能 2 磁粉和晶粒度的影响细而均匀的磁粉 烧结后得细而均匀的晶粒 HC提高控制磁粉的含氧量 含氧量增加 烧结后晶粒尺寸下降 5 5 6影响Nd Fe B磁体性能的因素 5 5 6影响Nd Fe B磁体性能的因素 3 定向度的影响定向度可影响Br BH max通过增大模具内定向磁场 在能成型的前提下减小磁粉的磁凝集 采用低成型压力等措施 可提高定向度 4 磁体的热稳定性提高磁体工作温度的两条途径 提高居里温度和提高室温 25 下的矫顽力 可分别用添加Co和Dy来实现 5 5 6影响Nd Fe B磁体性能的因素 5 含氧量的影响对含Co的Nd Fe B磁体 适度的氧对提高HC和温度稳定性有利 另一