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(fù)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(fù)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(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)的磁場(chǎng)，利用磁極與磁極的相互作用，磁場(chǎng)對(duì)帶電物體或載流導(dǎo)體的相互作用做功，實(shí)現(xiàn)能量，信息的轉(zhuǎn)換。Hg：磁場(chǎng)強(qiáng)度Bm ：磁感強(qiáng)度Hm：磁場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)，工程應(yīng)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(fù)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(hào)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(fù)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(fù)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(fù)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(chǔ)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(jī)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(chǎng)，可以得到磁各向異性或者各向同性的材料。磁場(chǎng)熱處

6、理磁場(chǎng)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(chǎng)，磁場(chǎng) 中以(0.1-1.0/s)冷卻至200回火： 600回火5-10hr經(jīng)磁場(chǎng)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(shí)效處理時(shí)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(jiǎn)圖24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁場(chǎng)熱處理）Br=0.87T,

7、Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3（未經(jīng)過磁場(chǎng)熱處理）l磁場(chǎng)處理能夠提高AlNiCo磁性能的原因：100是1和2相的慣習(xí)面如果不進(jìn)行磁場(chǎng)處理，則1相是相互正交1相的Tc高于磁場(chǎng)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(chǎng)方向平行的2相的(100)面析出，與磁場(chǎng)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(zhǎng)形的1相顆粒沿磁場(chǎng)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?jǐn)?shù)NL、Nd：1相長(zhǎng)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(qiáng)度Ms：合金的飽和磁化強(qiáng)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(kuò)大（NL-Nd）和（M1-M2)的差值，從而進(jìn)一步提高矯頑力。矯頑力：lAlNiCo8： 在AlNiCo5合金的基礎(chǔ)上，提高Co含量，同時(shí)加入少量的Ti，同時(shí)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(jìn)行等溫磁場(chǎng)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(jìn)行等溫磁場(chǎng)處理）。AlNiCo永磁體的制備工藝簡(jiǎn)圖改進(jìn)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(duì)于AlNiCo合金來說100是優(yōu)先生長(zhǎng)方向，因此柱狀晶的100軸與樣品軸平行。在磁場(chǎng)處理時(shí)，沿樣品軸向加磁場(chǎng)，從而提高了1相的取向因子A，并擴(kuò)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(chǎng)熱處理）Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁場(chǎng)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(fù)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(jiǎn)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(fù)合永磁材料（一）簡(jiǎn)介 稀土永磁合金的特點(diǎn)：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(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)取向

12、等工藝：Br=1.07T，Hcb=851.7kA/m, (BH)m=227.6kJ/m3成分對(duì)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(shí)燒結(jié)性好，容易獲得高密度 已經(jīng)實(shí)用的燒結(jié)永磁體： SmCo5，CeCo5，PrCo5 ReCo5的缺點(diǎn)：磁感溫度系數(shù)過高 改進(jìn)：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?jī)H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(diǎn)： 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(dá)到了2400kAm 3. 價(jià)格便宜價(jià)格便宜，Nd和Fe的資源豐富(在稀土礦中含有1320%的Nd)，價(jià)格便宜。l缺點(diǎn)： 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(shí)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(gè)單胞由4個(gè)Nd2Fe14B分子組成。B的作用：少量的B進(jìn)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(shí)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(chǎng)決定 2. 由反磁化疇的形核場(chǎng)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(guó)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(guó)坩堝應(yīng)用磁性公司表面光滑，呈球狀粒徑為410umc. 機(jī)械合金化機(jī)械合金化西門子公司充Ar氣的高能球磨機(jī)將原料進(jìn)行球磨，利出產(chǎn)生的高溫讓原料發(fā)生固相反應(yīng)； 也可在氬氣中加氫氣，讓磨碎的粉末吸氫使晶粒細(xì)化，平均晶粒尺寸減到1um左右，然后對(duì)合金粉進(jìn)行熱處理。 d. HDDR法（氫爆）法（氫爆）HDDR流程及所伴隨的反應(yīng)得到粒徑為300nm的細(xì)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(shè)備的小型化領(lǐng)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(fù)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(yù)燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結(jié)和加工而成。當(dāng)前應(yīng)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(xué)式為MOxFe203。其中MBa，Sr，Ca或Pb等。在水磁鐵氧體中，已達(dá)實(shí)用化的主要有BaO6Fe2O3，SrO6Fe