第二章 磁性功能材料-第三節(jié)

1、第二章第二章 磁性功能材料磁性功能材料第三節(jié)第三節(jié) 永磁材料永磁材料l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6 雙相納米晶復合永磁材料l3.1 概述 （一）定義，基本要求，用途 （二）發(fā)展歷史 （三）分類l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6 雙相納米晶復合永磁材料 永磁材料 具有高矯頑力，高剩磁的磁性材料稱為永磁材永磁材料料，也叫硬磁硬磁或者恒磁材料恒磁材料。（一）定義，基本要求，

2、用途（一）定義，基本要求，用途 永磁材料的主要用途 利用永磁體在氣隙中產(chǎn)生足夠利用永磁體在氣隙中產(chǎn)生足夠強的磁場強的磁場，利用磁極與磁極的相互作用，磁場對帶電物體或載流導體的相互作用做功，實現(xiàn)能量，信息的轉(zhuǎn)換。Hg：磁場強度Bm ：磁感強度Hm：磁場強度Vm：磁鐵的體積 Vg：氣隙的體積最大磁能積(BH)max：退磁曲線上磁能積最大的一點，工程應用中通常將(BH)max稱為磁能積。2/10)(gmmmgVVHBH永磁材料的基本要求：1.Br要高2.Hc要高3.最大磁能積(BH)m要高4.Tc要高 l3.1 概述 （一）定義，基本要求，用途 （二）發(fā)展歷史 （三）分類l3.2 FeNiAl, A

3、lNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6 雙相納米晶復合永磁材料早期永磁材料是碳鋼，后來加入C,W，Cr，Al等形成磁鋼1931年，鑄造鐵鎳鋁合金，之后加入各種添加元素如鈷、銅、鈦、鈮等而發(fā)展成為牌號為AlNiCo5、AlNiCo8的鋁鎳鈷合金60年代初出現(xiàn)的稀土鈷永磁合金，RCo5(R代表稀土元素)稱為第一代稀土永磁1983年，出現(xiàn)了以Nd-Fe-B為代表的第三代稀土永磁材料間隙稀土金屬間化合物永磁材料；納米晶復合交換耦合永磁材料。R2CO17稱為第二代稀土永磁（三）永磁材料種類： 金屬永磁材料（FeNiAl，AlNiC

4、o等） 鐵氧體永磁材料（MOxFe2O3） 稀土永磁材料（Nd-Fe-B等） 雙相納米晶復合永磁材料l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6 雙相納米晶復合永磁材料3.2. FeNiAl和和AlNiCo永磁合金永磁合金 FeNiAl和AlNiCo： 在Fe-Ni-Al三元合金的基礎上發(fā)展起來的鑄造永磁合金 主要成分：Fe，Ni，Al，（可加入Co，Cu，或Mo，Ti） FeNiAl常用成分：Fe-25at%Ni-25%Al 1相是鐵磁相2相為NiAl弱磁相。相是Ni基弱磁相。圖上虛

5、線表示常用的Fe-Ni-Al合金成分，它在1400附近成相，900附近產(chǎn)生1+2轉(zhuǎn)變。Fe-5%Al47.5%Ni-AllAlNiCo合金：l相圖特征，相結(jié)構(gòu)，相轉(zhuǎn)變和磁硬化機理與FeNiAl合金相同 l各相存在的溫度范圍及居里溫度有所不同lAlNiCo5：24%Co，14%Ni，8%Al，3%Cu，余FelAlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余FeAlNiCo合金發(fā)生的調(diào)幅分解： 1(FeCo)+2(NiAl)1：BCC結(jié)構(gòu)，Ms比FeNiAl材料中的更高，Tc870。 2：NiAl根據(jù)冷卻過程中加或者不加磁場，可以得到磁各向異性或者各向同性的材料。磁場熱處

6、理磁場熱處理 Alnico5合金經(jīng)冶煉、鑄造 固溶處理：200 冷卻：1100-850：大于0.1/s的速度冷卻，900-850：160-420kA/m的磁場，磁場 中以(0.1-1.0/s)冷卻至200回火： 600回火5-10hr經(jīng)磁場熱處理后，1+2兩相已經(jīng)形成，但成分差別較小，還需經(jīng)過時效處理時效處理，使1相更加富Fe、Co，2相更加富Ni、Al，兩相的成分差、磁性差加大，Hc提高。AlNiCo永磁體的制備工藝簡圖24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁場熱處理）Br=0.87T,

7、Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3（未經(jīng)過磁場熱處理）l磁場處理能夠提高AlNiCo磁性能的原因：100是1和2相的慣習面如果不進行磁場處理，則1相是相互正交1相的Tc高于磁場處理和相分解溫度， 1相一析出就是鐵磁性1相優(yōu)先沿與磁場方向平行的2相的(100)面析出，與磁場垂直或成一定角度的那些(100)面上的1相的析出受到一定程度的抑制得到了伸長形的1相顆粒沿磁場方向規(guī)則排列的顯微組織得到各向異性的AlNiCo永磁體，其磁性能大大地提高)(1 )()(1 (2221DDMMMNNpApHpsdLciA：取向因子p：2相體積百分數(shù)NL、Nd：1相長軸和短軸方向的退磁因子M

8、1、M2：1相和2相的飽和磁化強度Ms：合金的飽和磁化強度Dp：相單疇粒子由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界尺寸D：1相單疇顆粒的尺寸回火處理的目的是擴大（NL-Nd）和（M1-M2)的差值，從而進一步提高矯頑力。矯頑力：lAlNiCo8： 在AlNiCo5合金的基礎上，提高Co含量，同時加入少量的Ti，同時調(diào)整Ni和Al的含量就可以得到FeNiCo8合金。lAlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余FelAlNiCo8的固溶溫度一般為1300左右，為了避免相的析出，AlNiCo8的冷卻速度要比AlNiCo5的冷速快，以約200/min的冷速冷到850，施加160kA-4

9、20KA/m，冷卻到800 左右進行等溫磁場處理。（由于Co含量的增加，亞穩(wěn)分解速度減小，故在800左右進行等溫磁場處理）。AlNiCo永磁體的制備工藝簡圖改進AlNiCo鑄造方式，采用蜂窩狀的鑄模。在高溫鑄模內(nèi)鋼液自下而上結(jié)晶，從而得到平行棒狀樣品軸向的柱狀晶。對于AlNiCo合金來說100是優(yōu)先生長方向，因此柱狀晶的100軸與樣品軸平行。在磁場處理時，沿樣品軸向加磁場，從而提高了1相的取向因子A，并擴大了(NL-Nd)的差值，因此柱狀品AlNiCo樣品的磁性能大大提高。24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m

10、=17.1kJ/m3（未經(jīng)過磁場熱處理）Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁場熱處理）Br=1.33T，Hcb=56.064.0kA/m, (BH)m=5664kJ/m3（柱晶）l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6 雙相納米晶復合永磁材料3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金l70年代發(fā)展起來的永磁材料l基本成分為：2033Cr，325Co，其余為鐵l改變組分含量、特別是Co含量或添加其他元素如Ti等，可改善其永磁性能l

11、通常添加的元素有Mo、Si、V、Nb、Ti、W等l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金 （一）簡介 （二）SmCo5永磁材料 （三）NdFeB永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6 雙相納米晶復合永磁材料（一）簡介 稀土永磁合金的特點：l磁晶各向異性能（K）和磁彈性能（）很大 六角晶系，四方晶系，強烈的單軸各向異性（二） SmCo5稀土永磁合金SmCo5型晶體結(jié)構(gòu)（a）和單位晶胞（b）SmCo5的性能：Br=0.80.95T，Hcb=557756kA/m, (BH)m=135159kJ/m3 若采用強磁場取向

12、等工藝：Br=1.07T，Hcb=851.7kA/m, (BH)m=227.6kJ/m3成分對SmCo5的性能的影響： 生產(chǎn)上采用富Sm成分，避免Sm2Co17的生成 富Sm時燒結(jié)性好，容易獲得高密度 已經(jīng)實用的燒結(jié)永磁體： SmCo5，CeCo5，PrCo5 ReCo5的缺點：磁感溫度系數(shù)過高 改進：用重稀土元素部分地取代RECo5中的輕稀土元素（三）（三） Nd-Fe-B永磁合金永磁合金Sm-Co永磁局限性：Sm（在稀土礦中Sm含量僅有0.53）含有昂貴的戰(zhàn)略金屬Co1983年日本住友金屬公司發(fā)現(xiàn)NdFeB系永磁材料l優(yōu)點： 1. 磁能積高磁能積高， (BH)m =290kJm3 (BH)

13、m433.62kJ m3 2. 矯頑力矯頑力達到了2400kAm 3. 價格便宜價格便宜，Nd和Fe的資源豐富(在稀土礦中含有1320%的Nd)，價格便宜。l缺點： 居里溫度低居里溫度低：Tc3l0 溫度穩(wěn)定性差溫度穩(wěn)定性差 耐蝕性，抗氧化性差耐蝕性，抗氧化性差（1）Nd-Fe-B 的相結(jié)構(gòu)和組成 Nd-Fe-B優(yōu)異的性能主要來源于成分為Nd2Fe14B的磁性相。實際上，許多稀土元素都和Fe，B形成類似的相。該相為四方相，每個單胞由4個Nd2Fe14B分子組成。B的作用：少量的B進入NdFe合金后，不僅使得結(jié)構(gòu)從六角結(jié)構(gòu)變成四角，而且易磁化軸也轉(zhuǎn)到C軸上，從而使釹鐵硼成為高性能永磁材料。（2）

14、 Nd-Fe-B的微觀組織的微觀組織1. Nd2Fe14B 基體相 2. Nd1+Fe4B4（富B相）3. 富Nd相（Nd1-xFex）lNdFeB合金的矯頑力 理論值5.571MA/m，實際值 1.5MA/m，27%lNdFeB合金矯頑力來源： 1. 由晶界或者相界的釘扎場決定 2. 由反磁化疇的形核場決定l合金化改善性能：l提高提高Tc： 加入Co取代部分Fel提高抗腐蝕性能提高抗腐蝕性能： 加入Cr，V，Ni等l改善溫度穩(wěn)定性改善溫度穩(wěn)定性： 加入Al，Nb，Ga等（3） Nd-Fe-B 磁體的制備 磁粉的制備 a. 熔體快淬法熔體快淬法熔體快淬法冷速：105-106K/s美國GM公司非

15、晶態(tài)至微晶b. 氣體霧化法氣體霧化法日本神戶制鋼所和美國坩堝應用磁性公司表面光滑，呈球狀粒徑為410umc. 機械合金化機械合金化西門子公司充Ar氣的高能球磨機將原料進行球磨，利出產(chǎn)生的高溫讓原料發(fā)生固相反應； 也可在氬氣中加氫氣，讓磨碎的粉末吸氫使晶粒細化，平均晶粒尺寸減到1um左右，然后對合金粉進行熱處理。 d. HDDR法（氫爆）法（氫爆）HDDR流程及所伴隨的反應得到粒徑為300nm的細小晶粒 Nd-Fe-B 磁體的制備磁體的制備 a. 粘結(jié)法粘結(jié)法電子，電氣設備的小型化領域Nd-Fe-B 磁體的制備磁體的制備 b. 燒結(jié)法燒結(jié)法l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 鐵氧體永磁材料l3.6雙相納米晶復合永磁材料3.5 鐵氧體永磁材料鐵氧體永磁材料 鐵氧體永磁材料是由鐵的氧化物和鍶(或鋇等)化合物按一定比例混合，經(jīng)預燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結(jié)和加工而成。當前應用的永磁鐵氧體主要為六角晶系的磁鉛石型鐵氧體，其化學式為MOxFe203。其中MBa，Sr，Ca或Pb等。在水磁鐵氧體中，已達實用化的主要有BaO6Fe2O3，SrO6Fe