課件等-11 .永磁材料2金屬

(二)金屬永磁材料11章-永磁材料--韓滿貴內(nèi)容永磁材料簡介與基礎(chǔ)理論1

2金屬永磁材料

3鐵氧體永磁材料

稀土永磁材料Nd-Fe-B4Br或Mr高；矯頑力HCJ和HCB高；(BH)max要大；曲線的退磁凸出系數(shù)趨于→1；穩(wěn)定性好【溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性】；將永磁體選用在最佳工作點，即最大磁能積點附近；經(jīng)濟性好；1.對永磁材料的性能要求凸出系數(shù)的定義：=（B·H)max/(Br·Hc)描述退磁曲線形狀的系數(shù)稱為凸出系數(shù)，它等于永磁體最大磁能積與剩磁和矯頑力值乘積的比值，

是一個組織敏感參數(shù)。是永磁材料的晶體微觀結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)的外觀表現(xiàn)。可利用定向結(jié)晶，磁場及應力熱處理等方法來提高。η=（△Z/Z）×100%不可逆變化——自然變化可逆變化——當條件復原或重新充磁，永磁體的性能可以恢復。如溫度、外磁場干擾、機械沖擊、振動等。永磁材料的穩(wěn)定性過飽和固溶體的脫溶大部分為不連續(xù)的局部脫溶，形成非均勻的混合固溶體。但是當合金的成分、系統(tǒng)溫度、壓強、時效時間等條件綜合變化到適當?shù)臓顟B(tài)范圍，也可以發(fā)生全域性均勻的普遍脫熔，也就是發(fā)生勻相轉(zhuǎn)變。其中失穩(wěn)分解就是這種勻相轉(zhuǎn)變中的很重要的一類。1、概念

當均勻固溶體中自由能與成份的關(guān)系滿足時，此固溶體就會失去穩(wěn)定，而出現(xiàn)幅度越來越大的成分漲落，并最終分解為兩相。2、特點勻相轉(zhuǎn)變，全域性的均勻、連續(xù)分解，系統(tǒng)中各處幾乎是同時發(fā)生，并非形核成長過程。濃度波幅度越來越大的漲落是依靠逆擴散來進行的。產(chǎn)生的兩相和母相的晶格類型是相同的，僅晶格常數(shù)稍有偏差。3、對金屬永磁材料的影響

分解時，控制磁性相成單疇，或造成對疇壁的釘扎?？墒共牧汐@得極高的矯頑力，具有優(yōu)異的永磁特性。2.失穩(wěn)分解金屬型永磁材料按造成高Hc的機理來劃分

淬火硬化型磁鋼：這一類磁鋼包括碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼、鋁鋼等，其高矯頑力主要是通過高溫淬火，鋼中的奧氏體(-Fe非磁性相）轉(zhuǎn)變成馬氏體(-Fe磁性相)并彌留在馬氏體中產(chǎn)生很大的應力造成的。其矯頑力和磁能積都不高：Br=0.65-1.2T,Hc=3.98–22.3kA/m(50–280Oe),(B.H)m=0.2-1MGOe(1.59–7.96kJ/m3)，穩(wěn)定性差。

析出硬化型磁鋼：包括Al-Ni-Fe系和Al-Ni-Co系合金。其矯頑力是在合金冷卻過程中獲得的，通過失穩(wěn)分解沉淀(析出)近似單疇大小的伸長形成磁性相彌散分布在弱磁性相中，利用磁性相的形狀各向異性，其反磁化依靠磁矩的非均勻轉(zhuǎn)動。3.高Hc的機理時效硬化型永磁；這類合金的高矯頑力是通過高溫淬火后時效（回火），或塑性形變后再時效獲得的。合金在時效處理過程中，發(fā)生失穩(wěn)分解，析出近似單疇的磁性相，彌散分布于弱磁性性或非磁性相中。反磁化過程主要通過成核長大過程。若合金只由高溫淬火或慢冷而不通過時效處理，都不能獲得永磁性能。這類合金包括除單相型RCo5合金以外的所有稀土永磁合金和可加工磁鐵，如Fe-Mo-Co合金，F(xiàn)e-Co-V合金等。有序硬化型永磁：；這類合金在高溫下處于無序狀態(tài)，經(jīng)淬火以后回火時，由無序相中析出彌散狀態(tài)的磁性有序相，從而獲得高矯頑力。這類合金主要有Ag-Mn合金，Pt-Fe合金，Pt-Co合金，Mn-Al-C合金等。單疇微粉型永磁：這類永磁包括球形的和針狀的微鐵粉和微鐵鈷粉，以及MnBi合金，MnAl合金微粉等。在一定條件下磁場成型，微粉尺寸一般為0.01-1微米。反磁化主要利用單疇磁轉(zhuǎn)動來獲得高矯頑力。目前，其磁能積比理論值低得多，僅5MG.Oe左右，為理論值的1/10–1/3。

永磁材料磁性的優(yōu)劣主要由最大磁能積(BH)m判定，而(BH)m又取決于Br、Hc及退磁曲線的凸出系數(shù)。

一般Br變化范圍小，如由0.2至1.5T,僅相差約8倍;Hc變化范圍大,如由4×103至8×103安/米,相差200倍；

可在0.025~0.85間變化。4.提高永磁性能的措施

提高MS(MS由成分決定，要想通過改變成分來大幅度提高材料的Ms是不太可能的）

對于成分給定的永磁材料，提高Br/Bs的比值的途徑：1.定向結(jié)晶（鋁鎳鈷系列）

永磁合金經(jīng)熔煉進行鑄造時，設(shè)法控制鑄件的冷卻條件，冷卻后可以得到不同晶粒結(jié)構(gòu)。一般來說，快冷時沿熱流相反的方向會生長出柱狀晶，緩慢冷卻時形成等軸晶。柱狀晶的磁性能往往介于單晶材料和普通等軸材料之間。這是由于柱狀晶晶粒長大的方向往往是它的易磁化方向。2.磁場熱處理（鋁鎳鈷系列）

可以控制熱處理過程中鐵磁相顆粒的析出形態(tài)，并使磁矩沿磁場方向擇優(yōu)取向；3.磁場成型

使磁性顆粒的易磁化軸沿磁場方向取向，經(jīng)高溫燒結(jié)及回火后，可以改善永磁體的矩形比特性，得到較高的剩磁Br;4.塑性變形

多晶體金屬材料經(jīng)拔絲、軋板、擠壓、壓縮等塑性變形，由于晶粒的轉(zhuǎn)動等

晶粒的晶體學方向會發(fā)生一定的定向排列，稱其為擇優(yōu)取向、織構(gòu)等。剩磁Br或Mr的控制不可逆壁移；磁疇的不可逆轉(zhuǎn)動；是使殘余磁感應強度變?yōu)榱銜r所需的反向磁場的大小，主要依賴增加疇壁位移和疇轉(zhuǎn)的阻力增大Hc值；如果Hc是由壁移機制決定的，可在合金內(nèi)增加應力梯度及非磁性相來增加Hc。這種機制只能獲得較低的Hc值；若Hc是由疇轉(zhuǎn)過程決定的，則磁疇在不可逆轉(zhuǎn)動過程中受到的阻力就是Hc值的度量。這時依賴于造成單疇粒子或彌散的單疇脫溶相及其三種各向異性（磁晶、應力及形狀）來增加疇轉(zhuǎn)的阻力，從而獲得高的Hc值。矯頑力Hc的控制疇壁釘扎：是指在材料反磁化過程中，當反向磁場低于某一釘扎場Hp時，疇壁基本上固定不動。只有當反向磁場超過釘扎場Hp時，疇壁才能掙脫束縛，開始發(fā)生不可逆位移。點缺陷、位錯、晶界、堆垛、層錯等有關(guān)的局域性交換作用和局域性各向異性起伏等都可以是疇壁釘扎點的重要來源選擇高的Hc，高Tc

配方，并可添加有益雜質(zhì)，以及利用不同系列合金，正負溫度等效互相補償來提高穩(wěn)定性。人工時效處理：在高于室溫的某一適當溫度下，把永磁體保溫若干時間，以加速自然時效過程，也就是在短時間內(nèi)的熱時效來完成長時間的常溫時效。

機制有兩種：微觀組織的穩(wěn)定處理；磁微觀組織的穩(wěn)定處理；溫度循環(huán)處理：在比工作溫度范圍寬的溫度，反復循環(huán)多次。交流退磁處理：經(jīng)飽和充磁后的磁體，為了降低不可逆變化，將永磁體放在交流(50Hz)磁場中退磁。磁接觸穩(wěn)定處理：在許多場合下，當永磁材料裝配和運輸時，永磁體互相接觸是頻繁的，所以預先進行磁接觸處理以提高穩(wěn)定性是必要的。

處理方式有：(1)磁體與磁體相吸方向摩擦;(2)磁體與磁體相斥方向摩擦；(3)磁體與鐵板滑動；(4)磁體與鐵板滾動；提高穩(wěn)定性的措施5.典型的金屬型永磁材料---析出硬化型永磁材料(AlNiCo)

析出硬化型永磁材料，又稱沉淀硬化型磁鋼，包括Al-Ni-Fe系合金和Al-Ni-Co系合金。其矯頑力是在合金冷卻過程中獲得的，通過失穩(wěn)分解沉淀出近似單疇大小的伸長形磁性相彌散分布于弱磁性相中，利用磁性相的形狀各向異性，其反磁化依靠磁矩的非均勻轉(zhuǎn)動。 從制造工藝上又可分為鑄造型和燒結(jié)型磁鋼。

鑄型配料熔煉澆注清砂熱處理磨加工檢驗制粉壓制燒結(jié)熱處理磨加工檢驗鑄造型磁鋼的工藝流程

燒結(jié)型磁鋼的工藝流程5.1.AlNiCo永磁材料主配方：Fe,Co,Ni,Al,Cu等；其它合金元素：在合金中添加Nb(0.5～1%)，B(0.05%)元素可提高密度和磁性能；添加S(<0.5%)、Hf(0.5%)元素可減低合金脆性，改善加工性能；添加Si(<1%)、Bi(0.13%)和Te(0.5～3.0%)元素則可促進柱狀晶長大，磁性能提高；配料：成分優(yōu)化設(shè)計熔煉：均勻化固溶化處理：形成單相固溶體α磁場熱處理：發(fā)生失穩(wěn)分解（α1、α2

），同時形成磁性織構(gòu)時效處理：調(diào)整兩相間化學成分的濃度，提高永磁性能5.2.AlNiCo永磁材料的制備

在實際應用中，AlNiCo合金有AlNiCo5和AlNiCo8兩種:AlNiCo5的成份為14.5%Ni-8%Al-24%Co-3%Cu,余Fe(at.%);AlNiCo8的成份為14～15%Ni,7～8%Al,34%Co,3%Cu,5%Ti,余Fe(at.%)合金從高溫冷卻到900℃附近時，為α單相固溶體，繼續(xù)冷卻并適當控制冷速的情況下，于850℃以下發(fā)生失穩(wěn)分解，其析出相α1和基體相α2是共晶格的，分解初期沒有明顯的相界面，α1和α2兩相均仍屬體心立方，其晶格常數(shù)a都為2.87?左右，合金內(nèi)部形成組元濃度周期性起伏的調(diào)幅結(jié)構(gòu)。當于600℃進行回火時，合金中不僅發(fā)生α1相長大(呈伸長形)，同時由于α2相中過溶的Fe和Co在回火溫度下容易向α1相中擴散，即發(fā)生回溶現(xiàn)象，另一方面，α1相又將過溶的Ni和Al擴散到α2相，發(fā)生Ni、Al的脫溶，使合金中1和2相之間的成份和磁化強度差別增大，從而導致合金獲得良好的永磁性能。如果冷卻速度過小，將在a相的界面上生成r相，r相的存在，將降低材料的鐵磁性能，所以要避免它的生成。研究表明，高溫固熔后的AlNiCo合金在900～780℃的控速冷卻過程中，如果對合金外加磁場，即進行磁場熱處理，則合金的磁滯回線將發(fā)生顯著的變化，尤其是退磁曲線的凸出系數(shù)明顯提高，這是由于合金中形成了磁性織構(gòu)的緣故，α1相的長軸順著磁場方向排列，具有感生單軸各向異性，影響磁場熱處理效果的因素有三個：①磁場熱處理的有效溫度范圍；②冷卻速度；③外加磁場大小5.3.AlNiCo在永磁家族中的地位（永磁相）AlNiCo永磁性能主要通過控制其中永磁相的形狀各向異性來實現(xiàn)晶粒取向與磁場平行！5.4.各向異性AlNiCo永磁體鑄造鋁鎳鈷合金永磁的磁能比較??！鑄造AlNiCo磁體6.其它金屬型永磁材料

AlNiFe系合金：主要成份是Fe55-70at%，Ni20～35at%,Al10～16at%，還可添加少量其他元素。含有50～60%Fe的AlNiFe三元合金在1000℃以上是單相的α固溶體，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，a=2.87?;在900℃以下時，分解為兩相α1＋α2，其中鐵磁性相α1顆粒尺寸很小，近似單疇尺寸，且具有形狀各向異性，α1相均勻彌散分布于弱磁性α2相基體中，由α2相將α1相分割包圍，使得磁化和反磁化過程只有通過磁化矢量的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，故而獲得高矯頑力。特別注意的是，在AlNiFe系合金的制造工藝中，可以通過控制冷卻速度來實現(xiàn)α→α1+α2析出或分解過程的控制，而獲得最佳永磁特性的冷卻速度稱為臨界冷卻速度，它與α相分解的相變溫度和合金成份兩個因素有關(guān)6.1.AlNiFe系合金6.2.碳鋼、鎢鋼、鈷鋼和鋁鋼這一類材料主要包括碳鋼、鎢鋼、鈷鋼和鋁鋼等；矯頑力主要通過高溫淬火手段這類材料已很少使用屬于時效硬化型永磁合金;這類合金機械性能好，可通過沖壓、軋制、車削等手段加工成各種帶材、片材和板材；介紹幾種有代表