功能材料课件：第二章-磁性材料二 永磁材料

1、第二章 磁性材料（二）永磁材料主要内容一、概述二、几种典型永磁合金 （一）铝镍钴系永磁合金 （二）铁铬钴永磁合金 （三）稀土永磁合金 （四）铁氧体永磁材料三、永磁材料制备四、去磁方法一、概述一、概述永磁材料的发展永磁材料公元前4世纪，我国发现天然磁石（Fe3O4）公元前3世纪，指南针（司南） 永磁材料(硬磁材料、高矫顽力材料)：矫顽力在20kA/m以上的材料。用途：产生磁场。吕氏春秋九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。” 一、概述永磁材料特征参数(1)剩余磁感应强度Br 当磁性材料磁化到饱和以后，再将磁化场下降到零，此时磁体中保留的磁感应值称为剩余磁感应强度Br，如右图所示。其单位为T。Br

2、=0Mr，Mr为剩余磁化强度（单位A/m）。(2)矫顽力 矫顽力Hc是指在B-H饱和磁滞回线上，使Br变为零所需之反磁化场 ,单位为A/m 。 由M-H回线确定的矫顽力称为内禀矫顽力，以MHc表示。一、概述永磁材料特征参数永磁材料在被外磁场磁化后，去掉外磁场，仍保持很强的磁性。永磁材料都是在开路状态下使用，利用永磁体气隙产生磁场，作为磁场源。开口环形永磁铁产生的磁场Hg。一、概述永磁材料特征参数具有空气隙的环形磁铁Bm：磁铁内磁感应强度Hm：磁场强度Bg：空气隙磁感应强度Hg：空气隙磁场强度Vg：空气隙体积一、概述永磁材料特征参数（3）最大磁能积：在B-H退磁曲线上任何一点的B和H的乘积成为磁

3、能积，代表永磁体能量密度，其最大值称为最大磁能积，用（ BH ）max表示，单位J/m3。理想退磁曲线和最大磁能积一、概述永磁材料特征参数（4）隆起度W最大磁能积( BH )max除了与Br和Hc 有关，还与退磁曲线的形状有关。定义：理想退磁曲线和最大磁能积永磁材料主要用途：提供永磁场 永磁体的“三要素”：剩余磁感应强度Br高矫顽力Hc高最大磁能积( BH )max大另外：高居里点高稳定性隆起度等一、概述永磁材料特征参数一、概述永磁材料的发展19世纪末期，高碳钢；后来钨钢、铬钢、钴钢，磁能积8KJ/m3。1931年，FeNiAl合金，15KJ/m3；1932年，FeCoW（Mo）合金，12KJ

4、/m3， BaO6Fe2O3铁氧体， 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，FeCrCo，可加工，60KJ/m31983年，Nd-Fe-B第三代稀土永磁合金， 423KJ/m3以磁能积提高为标志的永磁材料发展概况一、概述永磁材料的发展永磁材料发展年谱一、概述永磁材料分类1、按材料属性来源：金属永磁和铁氧体永磁2、按工艺可加工铸造烧结粘结4、按化学成分：高碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、FeNiAl、FeCo

5、W(Mo）、BaO6Fe2O3铁氧体、 FeNiAlCo、FeCrCo、RCo5、MnAl、Nb-Fe-B3、按磁硬化机理析出硬化型淬火硬化型单畴微粉型有序硬化型一、概述永磁材料分类二、几种典型永磁合金二、几种典型永磁合金几种典型永磁合金 铝镍钴系永磁合金 铁铬钴永磁合金 稀土永磁合金 铁氧体永磁材料铝镍钴（AlNiCo）系合金成分：Co、Ni、Al等元素为主要成分，并加入Ti和 Cu等元素进一步提高合金性能。典型合金：AlNiCo5，成分Co=24%、Ni=14%、Al=8%、Cu=3%、Fe余量。是由FeNiAl永磁合金发展而来。性能特点：具有高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低于稀土永磁。

6、 Tc：757907、 (BH)max：1672 kJ/m3, Br：0.781.30T1、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金1、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金Fe-Ni-Al-Co四元系Co=24%和Al=8%纵断面AiNiCo合金的相组成1：富Fe和Co的强磁相2：富Ni和Al的弱磁相1 弥散分布在2 上调幅（spinodal）分解磁硬化机理1、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金形成单一固溶体，快速冷却，避免相析出在Tc温度以下降温同时施加磁场，发生调幅分解，控制析出相形状成分扩散，加大两相磁性差，提高性能成分特点：以铁、铬（23.527.5%）、钴（11.521.0%）为主；加入适量硅、钼

7、、钛。通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。2、铁铬钴（FeCrCo）系永磁合金（FeCrCo）系永磁合金可加工永磁合金制备方法：定向凝固+磁场处理(结晶与磁双重织构)，以及塑性变形与适当热处理的方法(形变时效)显著提高合金性能。2、铁铬钴（FeCrCo）系永磁合金2、铁铬钴（FeCrCo）系合金铁铬钴合金磁硬化机理：定向凝固+磁场处理：结晶与磁双重织构形变时效态：加工织构/畴壁钉扎铸造态：Spinodal分解1强磁相2弱磁相稀土永磁合金3、稀土永磁材料Re-Co永磁铁基稀土永磁1: 5型Re-Co磁体SmCo5单相与多相合金第一代稀土永磁，二十世纪六十年代2:17型Re

8、-Co磁体Sm2Co17基合金第二代稀土永磁，二十世纪七十年代第三代稀土永磁，二十世纪八十年代Nd2Fe14B合金为代表的Re-Fe-B系永磁材料（1）稀土钴永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料稀土钴永磁材料是稀土金属和3d过渡族金属钴按一定比例组成的金属间化合物： ReCo5(CuCa5结构)和Re2Co17(Th2Zn17结构)。ReCo5Re2Co17Re2Co17 的饱和磁化强度高于ReCo5；轻稀土钴化物（原子序数小于Gd）的饱和磁化强度比重稀土钴化物高。3、稀土永磁材料（1）稀土钴永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料（1）稀土钴永磁材料（Re-Co）（1）稀土钴永磁材料（Sm-

9、Co）3、稀土永磁材料SmCo5和Sm2Co17SmCo5：理论磁能积199kJ/m3。采用强磁场取向等静压和低氧工艺，SmCo5的 (BH)max达196kJ/m3； 居里温度为724，可在-50150的温度范围内工作。缺点：含有较多的战略金属钴(w(Co)66%)和蕴藏量稀少的稀土金属元素Sm，原材料昂贵。3、稀土永磁材料Sm2Co17 ：理论磁能积286kJ/m3，优于SmCo5； Tc为930，可在-60350范围工作，磁感温度系数也优于SmCo5。随着Fe含量的增多，内禀饱和磁化强度迅速提高 Sm-Co-Cu系Sm-Co-Cu-Fe系Sm-Co-Cu-Fe-M系(M=Zr,Ti,Hf

10、,Ni)加入Cu提高合金矫顽力，但饱和磁化强度偏低，居里温度也显著降低，不能实用。加入少量的Zr,Ti,Hf,Ni等元素，进一步提高磁性能 商业化材料3、稀土永磁材料用Pr、Ce或Mm(混合稀土)取代部分Sm，可适当降低成本。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晶体结构Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能永磁材料。1983年日本住友公司发明。Nd2Fe14B晶体结构（右图）：一个单胞由4个Nd2Fe14B化合物分子组成，空间群P42/

11、mnm，共有68个原子，其中8个Nb原子、56个Fe原子和4个B原子。Nd2Fe14B优点最大磁能积超过400kJ/m3，矫顽力2244.7kA/m。是目前磁性能最高的实用化永磁材料，被誉为“磁王”。原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴（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型双相纳米复合磁体：把纳米级的软磁和硬磁颗粒复合，将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点，获得磁能积比现有最好的NdFeB高一倍的新型纳米永磁材料。如： -Fe / NdFeB、Fe3B/SmFeN/磁体。 纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间的交换耦合作用，使剩磁和最

12、大磁能积明显增大。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、 永磁铁氧体性能特点及应用：Tc：450460，具有高矫顽力和低剩磁，但最大磁能积偏低, 不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用。主要种类：钡铁氧体(BaO6Fe2O3)锶铁氧体(SrO6Fe2O3)晶体结构均属六角晶系。三、永磁材料制备技术 永磁体的制备方法主要包括铸造法、烧结法（粉末冶金法）粘结法。 铸造法：铝镍钴和铁铬钴合金烧结法和粘结法：稀土永磁材料和永磁铁氧体三、永磁材料制备技术 不足

13、之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。 真空熔炼制粉 铸锭破碎磨粉 粉末磁场取向与成型平行取向垂直取向烧结（磁场下）热处理、磁体加工烧结磁体元件烧 结 法：三、永磁材料制备技术 三、永磁材料制备技术根据成型过程中加磁场与否，烧结铁氧体材料可制成各向同性磁体和各向异性磁体。各向异性磁体是在压制成型过程中加上强磁场，使铁氧体的单畴粒子在磁场下转动，得到易磁化轴与磁场方向一致的强各向异性磁体。此类材料具有高的磁晶各向异性常数。烧结SmCo永磁体烧结NbFeB永磁体六、永磁材料制备技术 粘 结 法：磁粉与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂混合压制、挤出或注射成型，固化粘结磁体性能特点：尺寸精度高、形状

14、自由度大、机械强度好、易于调整磁性能、易于批量生产施加取向磁场各向异性粘结磁体粘结磁体的磁性能：取决于磁粉的性能和磁体的相对 密度。粘结磁体的力学性能：取决于粘结剂的性质与粘结工 艺。三、永磁材料制备技术 三、永磁材料制备技术 三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术粘结NbFeB磁体三、 永磁材料制备技术 四、去磁方法 永磁材料去磁方法1.加热法2.敲击法3.加反向磁场4.加交变衰减的磁场四、 去磁方法 1.加热法当铁磁质的温度升高到居里温度Tc以上时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质。当温度低于Tc时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度 Tc = 770C 利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，使铁磁质失去磁性。四、 去磁方法 2.