土木专业建筑学二磁性功能材料三随堂讲义

1、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 铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料l3.1 概述 （一）定义，基本要求，用途 （二）发展历史 （三）分类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 铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料 永磁材料 具有高矫顽力，高剩磁的磁性材料称为永磁材永磁材料料，也叫硬磁硬磁或者恒磁材料恒磁材料。（一）定义，基本要求，用途（一）定义，基本要求，用途 永磁材料的主要用途 利用永磁体在气隙

2、中产生足够利用永磁体在气隙中产生足够强的磁场强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或载流导体的相互作用做功，实现能量，信息的转换。Hg：磁场强度磁场强度Bm ：磁感强度磁感强度Hm：磁场强度磁场强度Vm：磁铁的体积：磁铁的体积 Vg：气隙的体积气隙的体积最大磁能积最大磁能积(BH)max：退磁曲线上磁能：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。称为磁能积。2/10)(gmmmgVVHBH永磁材料的基本要求：1.Br要高2.Hc要高3.最大磁能积(BH)m要高4.Tc要高 l3.1 概述 （一）定义，基本要求，用途 （二）发

3、展历史 （三）分类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 铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料早期永磁材料是碳钢，早期永磁材料是碳钢，后来加入后来加入C,W，Cr，Al等形成磁钢等形成磁钢1931年，铸造铁镍铝合年，铸造铁镍铝合金，之后加入各种添加金，之后加入各种添加元素如钴、铜、钛、铌元素如钴、铜、钛、铌等而发展成为牌号为等而发展成为牌号为AlNiCo5、AlNiCo8的的铝镍钴合金铝镍钴合金60年代初出现的稀土钴永年代初出现的稀土钴永磁合金，磁合金，RCo5(R代表稀土代表稀土元素元素)称为第一代稀土永

4、磁称为第一代稀土永磁1983年，出现了以年，出现了以Nd-Fe-B为为代表的第三代稀土永磁材料代表的第三代稀土永磁材料间隙稀土金属间化合物永磁材料；间隙稀土金属间化合物永磁材料；纳米晶复合交换耦合永磁材料。纳米晶复合交换耦合永磁材料。R2CO17称为第二代稀土永磁称为第二代稀土永磁（三）永磁材料种类：（三）永磁材料种类： 金属永磁材料（金属永磁材料（FeNiAl，AlNiCo等）等） 铁氧体永磁材料（铁氧体永磁材料（MOxFe2O3） 稀土永磁材料（稀土永磁材料（Nd-Fe-B等）等） 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料l3.1 概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金l3

5、.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料 FeNiAl和AlNiCo： 在Fe-Ni-Al三元合金的基础上发展起来的铸造永磁合金 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相是铁磁相相是铁磁相 2相为相为NiAl弱磁相。弱磁相。相是相是Ni基弱磁相。基弱磁相。图上虚线表示常用的图上虚线表示常用的Fe-Ni-Al合合金成分，它在金成分，它在1400附近成附近成 相，相，900附近产生附近产生1+ 2转变。转变。Fe-5%Al47.5%Ni-Al

6、lAlNiCo合金：l相图特征，相结构，相转变和磁硬化机理与FeNiAl合金相同 l各相存在的温度范围及居里温度有所不同lAlNiCo5：24%Co，14%Ni，8%Al，3%Cu，余FelAlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余FeAlNiCo合金发生的调幅分解：合金发生的调幅分解： 1(FeCo)+ 2(NiAl) 1：BCC结构，结构，Ms比比FeNiAl材料中的材料中的 更高，更高，Tc870。 2：NiAl根据冷却过程中加或者不加磁场，可以得到磁各向异性或根据冷却过程中加或者不加磁场，可以得到磁各向异性或者各向同性的材料。者各向同性的材料。磁场热处理磁

7、场热处理 Alnico5合金经冶炼、铸造合金经冶炼、铸造 固溶处理：固溶处理：200 冷却：冷却：1100-850：大于：大于0.1/s的速度冷却，的速度冷却，900-850：160-420kA/m的磁场的磁场，磁场磁场 中以中以(0.1-1.0/s)冷却至冷却至200回火：回火： 600回火回火5-10hr经磁场热处理后，经磁场热处理后， 1+ 2两相已经形成，两相已经形成，但成分差别较小，还需经过时效处理，使但成分差别较小，还需经过时效处理，使 1相更加富相更加富Fe、Co， 2相更加富相更加富Ni、Al，两相的成分差、磁性差加大，两相的成分差、磁性差加大，Hc提高。提高。AlNiCo永磁

8、体的制备工艺简图永磁体的制备工艺简图24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：）性能：Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁场热处理）（磁场热处理）Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3（未经过磁场热处理）（未经过磁场热处理）l磁场处理能够提高AlNiCo磁性能的原因：100是是 1和和 2相的惯习面相的惯习面如果不进行磁场处理，则如果不进行磁场处理，则 1相是相互正交相是相互正交 1相的相的Tc高于磁场处理和相分解温度，高于磁场处理和相分解温度， 1相一析出就是铁相一析出就是铁磁性磁性 1

9、相优先沿与磁场方向平行的相优先沿与磁场方向平行的 2相的相的(100)面析出，与磁场面析出，与磁场垂直或成一定角度的那些垂直或成一定角度的那些(100)面上的面上的 1相的析出受到一定相的析出受到一定程度的抑制程度的抑制得到了伸长形的得到了伸长形的 1相颗粒沿磁场方向规则排列的显微组织相颗粒沿磁场方向规则排列的显微组织得到各向异性的得到各向异性的AlNiCo永磁体，其磁性能大大地提高永磁体，其磁性能大大地提高)(1 )()(1 (2221DDMMMNNpApHpsdLciA：取向因子取向因子p： 2相体积百分数相体积百分数NL、Nd： 1相长轴和短轴方向的退磁因子相长轴和短轴方向的退磁因子M1

10、、M2： 1相和相和 2相的饱和磁化强度相的饱和磁化强度Ms：合金的饱和磁化强度合金的饱和磁化强度Dp： 相单畴粒子由铁磁性转变为顺磁性的临界尺寸相单畴粒子由铁磁性转变为顺磁性的临界尺寸D： 1相单畴颗粒的尺寸相单畴颗粒的尺寸回火处理的目的是扩大（回火处理的目的是扩大（NL-Nd）和（）和（M1-M2)的差的差值，从而进一步提高矫顽力。值，从而进一步提高矫顽力。矫顽力：矫顽力：lAlNiCo8： 在AlNiCo5合金的基础上，提高Co含量，同时加入少量的Ti，同时调整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FelA

11、lNiCo8的固溶温度一般为1300左右，为了避免相的析出，AlNiCo8的冷却速度要比AlNiCo5的冷速快，以约200/min的冷速冷到850，施加160kA-420KA/m，冷却到800 左右进行等温磁场处理。（由于Co含量的增加，亚稳分解速度减小，故在800左右进行等温磁场处理）。AlNiCo永磁体的制备工艺简图永磁体的制备工艺简图改进改进AlNiCo铸造方式，采用蜂窝状的铸铸造方式，采用蜂窝状的铸模。模。在高温铸模内钢液自下而上结晶，从而在高温铸模内钢液自下而上结晶，从而得到平行棒状样品轴向的柱状晶。对于得到平行棒状样品轴向的柱状晶。对于AlNiCo合金来说合金来说100是优先生长方

12、向，是优先生长方向，因此柱状晶的因此柱状晶的100轴与样品轴平行。在轴与样品轴平行。在磁场处理时，沿样品轴向加磁场，从而磁场处理时，沿样品轴向加磁场，从而提高了提高了 1相的取向因子相的取向因子A，并扩大了，并扩大了(NL-Nd)的差值，因此柱状品的差值，因此柱状品AlNiCo样品的样品的磁性能大大提高。磁性能大大提高。24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能：）性能：Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3（未经过磁场热（未经过磁场热处理）处理）Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁场热处理

13、）（磁场热处理）Br=1.33T，Hcb=56.064.0kA/m, (BH)m=5664kJ/m3（柱晶）（柱晶）l3.1 概述概述l3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金稀土永磁合金l3.5 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料l70年代发展起来的永磁材料l基本成分为：2033Cr，325Co，其余为铁l改变组分含量、特别是Co含量或添加其他元素如Ti等，可改善其永磁性能l通常添加的元素有Mo、Si、V、Nb、Ti、W等l3.1 概述概述l3.2 FeNi

14、Al, AlNiCo永磁合金永磁合金l3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金可加工永磁合金l3.4 稀土永磁合金稀土永磁合金 （一）简介（一）简介 （二）（二）SmCo5永磁材料永磁材料 （三）（三）NdFeB永磁合金永磁合金l3.5 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料l3.6 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料（一）简介（一）简介 稀土永磁合金的特点：l磁晶各向异性能（K）和磁弹性能（）很大 六角晶系，四方晶系，强烈的单轴各向异性SmCo5型晶体结构（型晶体结构（a）和单位晶胞（）和单位晶胞（b）SmCo5的性能：的性能：Br=0.80.95T，Hcb=557756kA/m, (BH)m

15、=135159kJ/m3 若采用强磁场取向等工艺：若采用强磁场取向等工艺：Br=1.07T，Hcb=851.7kA/m, (BH)m=227.6kJ/m3成分对成分对SmCo5的性能的影响：的性能的影响： 生产上采用富生产上采用富Sm成分，避免成分，避免Sm2Co17的生成的生成 富富Sm时烧结性好，容易获得高密度时烧结性好，容易获得高密度 已经实用的烧结永磁体： SmCo5，CeCo5，PrCo5 ReCo5的缺点：磁感温度系数过高 改进：用重稀土元素部分地取代RECo5中的轻稀土元素Sm-Co永磁局限性：永磁局限性：Sm（在稀土矿中（在稀土矿中Sm含量仅有含量仅有0.53）含有昂贵的战略金

16、属含有昂贵的战略金属Co1983年日本住友金属公司发现年日本住友金属公司发现NdFeB系永磁材料系永磁材料l优点： 1. 磁能积高磁能积高， (BH)m =290kJm3 (BH)m433.62kJ m3 2. 矫顽力矫顽力达到了2400kAm 3. 价格便宜价格便宜，Nd和Fe的资源丰富(在稀土矿中含有1320%的Nd)，价格便宜。l缺点： 居里温度低居里温度低：Tc3l0 温度稳定性差温度稳定性差 耐蚀性，抗氧化性差耐蚀性，抗氧化性差（1）Nd-Fe-B 的相结构和组成的相结构和组成 Nd-Fe-B优异的性能主要来源于成分为优异的性能主要来源于成分为Nd2Fe14B的的磁性相。实际上，许多

17、稀土元素都和磁性相。实际上，许多稀土元素都和Fe，B形成类似形成类似的相。该相为四方相，每个单胞由的相。该相为四方相，每个单胞由4个个Nd2Fe14B分子分子组成。组成。B的作用：的作用：少量的少量的B进入进入NdFe合金合金后，不仅使得结构从六后，不仅使得结构从六角结构变成四角，而且角结构变成四角，而且易磁化轴也转到易磁化轴也转到C轴上，轴上，从而使钕铁硼成为高性从而使钕铁硼成为高性能永磁材料。能永磁材料。（2） Nd-Fe-B的微观组织的微观组织1. Nd2Fe14B 基体相基体相 2. Nd1+ Fe4B4（富（富B相）相）3. 富富Nd相相（Nd1-xFex）lNdFeB合金的矫顽力

18、理论值5.571MA/m，实际值 1.5MA/m，27%lNdFeB合金矫顽力来源： 1. 由晶界或者相界的钉扎场决定 2. 由反磁化畴的形核场决定l合金化改善性能：l提高提高Tc： 加入Co取代部分Fel提高抗腐蚀性能提高抗腐蚀性能： 加入Cr，V，Ni等l改善温度稳定性改善温度稳定性： 加入Al，Nb，Ga等（3） Nd-Fe-B 磁体的制备磁体的制备 磁粉的制备磁粉的制备 a. 熔体快淬法熔体快淬法熔体快淬法熔体快淬法冷速：冷速：105-106K/s美国美国GM公司公司非晶态至微晶非晶态至微晶b. 气体雾化法气体雾化法日本神户制钢所和美国坩埚应用磁性公司日本神户制钢所和美国坩埚应用磁性公

19、司表面光滑，呈球状表面光滑，呈球状粒径为粒径为410umc. 机械合金化机械合金化西门子公司西门子公司充充Ar气的高能球磨机将原料进行气的高能球磨机将原料进行球磨，利出产生的高温让原料发生球磨，利出产生的高温让原料发生固相反应；固相反应； 也可在氩气中加氢气，让磨碎的也可在氩气中加氢气，让磨碎的粉末吸氢使晶粒细化，平均晶粒尺粉末吸氢使晶粒细化，平均晶粒尺寸减到寸减到1um左右，然后对合金粉进左右，然后对合金粉进行热处理。行热处理。 d. HDDR法（氢爆）法（氢爆）HDDR流程及所伴随的反应流程及所伴随的反应得到粒径为得到粒径为300nm的的细小晶粒细小晶粒电子，电气设备的小型化领域电子，电气设备的小型化领域Nd-Fe-B 磁体的制备磁体的制备 b. 烧结法烧结法l3.1 概述