钕铁硼基本知识自行整理

1、 钕铁硼基本知识入门知识肖忠洋2015.03.16磁学基础知识 钕铁硼介绍 磁钢运用磁学基础知识什么是永磁材料？ 可用于制造磁功能器件的强磁性材料称为磁性材料。 磁性材料包括：硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致收缩材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、磁致冷材料、以及磁蓄冷材料等。其中用量最大、用途最广的是硬磁材料和软磁材料。硬磁材料与软磁材料的区别在于硬磁材料的各向异性场(HA)高，矫顽力(Hc)高，这就意味着软磁材料很容易退磁，而硬磁材料可以长期保存很强的磁性，因此硬磁材料又成为永磁材料。永磁材料分类 现代工业与科学技术的广泛应用的永磁材料有铸造永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其他

2、永磁材料等四大类。铸造永磁材料是指AlNiCo（铝镍钴）系永磁材料；铁氧体永磁材料包括：Ba铁氧体永磁，Sr铁氧体永磁；稀土永磁材料包括：稀土钴系永磁材料和稀土铁系永磁材料；其他永磁材料主要有Fe-Cr-Co系，Fe-Ni-Gu系，Pt-Co系，Fe-Pt系.稀土钴系包括：1:5型Sm-Co永磁，2:17型Sm-Co永磁和粘结Sm-Co永磁。 稀土铁系包括：烧结Nd-Fe-B系永磁，粘结Nd-Fe-B永磁，2:17与1:12型间隙化合物永磁，纳米符合型永磁和热变型永磁。永磁材料的性能对照表永磁材料的主要磁性能指标是那些？永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁（Jr，Br）、矫顽力（Hcb）、内禀矫顽

3、力（Hcj）、磁能积(BH)m。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度（Tc）、可工作温度（Tw）、剩磁及内禀矫顽力的温度系数（、）、回复导磁率（rec）退磁曲线方形度（Hk/Hcj）、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。永磁材料技术磁参量永磁材料的技术磁参量可分为非结构敏感参量（即内禀磁参量）如饱和磁化强度Ms、居里温度Tc等，和结构敏感参量如剩磁 Mr或Br、Hcb、(BH)m等。前者主要有材料的化学成分和晶体结构来决定；后者除了与内禀参量有关外，还与晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷、参杂物等因素有关。1、饱和磁化强度Ms饱和磁化强度Ms是用此材料

4、极为重要的磁参量。用此材料均要求Ms强度越高越好。饱和磁化强度决定于组成材料的磁性原子数、原子磁矩和温度。2、居里温度Tc强铁磁体有铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称此为居里温度或居里点Tc。Tc是磁性材料的重要参数，Tc高的材料的工作温度可提高，也有利于提高磁性材料的温度稳定性。3、各向异性场HA对于单晶体，热退磁状态下的原子磁矩均沿易磁化方向排列。对于立方晶体，则可能沿多个方向分布，也就会出现易磁化方向和难磁化方向，沿难磁化轴时铁磁体磁化到饱和所需要的磁化场称为各向异性HA场。HA是用此材料的重要参量，是内禀磁特性，是娇顽力的极限值。4、剩磁Br铁磁体磁化到饱和并去掉磁场后，在磁化方

5、向保留的Mr或Br简称为剩磁。Mr称为剩余磁化强度，Br称为剩余磁感应强度。Mr是由Ms到Mr的反磁化过程来决定的。剩磁是组织敏感参量，它对晶体取向和畴结构十分敏感。为了获得高剩磁，首先应该选用高Ms的材料，并常采取获得晶体结构和磁结构的办法来提高剩磁。 5、矫顽力Hc铁磁体磁化到饱和以后，使它的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向磁场成为娇顽力，分别记作Hcj和Hcb，前者又称为内禀娇顽力，后者称为感应娇顽力。娇顽力与体磁体由Mr到M=0的反磁化过程的难易度有关。由此可知，娇顽力越大的磁体，其反磁化能力越强，也就意味着它更稳定。6、磁能积(BH) m永磁材料用作磁场源或磁力源，主要是利用

6、它在空气隙中产生的磁场。磁能积(BH) m主要取决于磁铁内部的Bm、Hm的乘积，同时它与Ms还有加工工艺有密切联系。磁能积越强，在空气隙中产生的磁场就会越大，最次要求永磁体的磁能积越大?NdFeB烧结磁体的矫顽力（Hcb）与哪些因素有关？NdFeB烧结磁体的矫顽力Hcb的大小既不可能大于剩磁Br的绝对值，也不可能大于内禀矫顽力Hcj，所以对于内禀矫顽力Hcj较高的磁体，Hcb主要取决于剩磁Br；而对于内禀矫顽力Hcj较低的磁体，Hcb主要取决于Hcj。由于NdFeB烧结磁体的内禀矫顽力Hcj的温度系数较大，随温度的升高，Hcj降低的很快，因此通常在高温下使用的磁体需要有较高的内禀矫顽力Hcj才

7、行。 磁体的宏观磁极化强度J是磁体内部磁畴磁极化强度的矢量和，一切宏观磁行为都与磁体的磁畴结构有关。理论与实践均表明：在NdFeB烧结磁体退磁过程中，磁极化强度J的变化完全取决于磁体内部形成反向磁畴的情况。若在退磁过程中各个主相晶体内部的反向磁畴不是同时形成、反向磁畴又容易生成的话，J退磁曲线的方形度Hk/Hcj就会很差。从磁体的显微结构来看，磁体的主相晶粒越细小，尺寸分布越均匀、取向度越高、晶粒与晶粒之间的弥散磁场就越小，这样每个晶粒内部形成反向磁畴的难度就越大，几率就越小，J退磁曲线方形度Hk/Hcj就越好。因此，NdFeB烧结磁体的退磁曲线是一个纯组织敏感参量，它主要决定于磁体的主相取向

8、度、晶粒度极其均匀性。在NdFeB烧结磁体的B退磁曲线和J退磁曲线上，任意一点都应满足（1-1）式。因此，J退磁曲线的方形度Hk/Hcj与B退磁曲线的方形度是相互关联的。影响J退磁曲线的方形度Hk/Hcj的因素，都影响B退磁曲线的方形度rec。什么叫NdFeB永磁体，它分几大类？NdFeB永磁体是1982年发现的迄今为止磁性能最强的永磁材料。其主要化学成分Nd(钕)、Fe(铁)、B(硼)，其主相晶胞在晶体学上为四方结构，分子式为Nd2Fe14B（简称：2：14：1）。除主相Nd2Fe14B外，NdFeB永磁体中还含有少量的富Nd相，富B相等其它相。其中主相和富Nd相是决定NdFeB磁体永磁特性

9、的最重要的二个相。今天，NdFeB永磁体已广泛应用于计算机、医学器械、通讯器件、电子器件、磁力机械等领域。NdFeB磁体分为烧结和粘结二大类。通常的NdFeB烧结磁体是粉末冶金方法制造的各向异性致密磁体；而通常的NdFeB粘结磁体是用激冷的方法获得微晶粉末，每个粉末内含有多个NdFeB微晶晶粒，再用聚合物或其它粘结剂将粉末粘成大块磁体，因而通常的NdFeB粘结磁体是非常致密的各向同性磁体。因此，通常的NdFeB烧结磁体的磁性能远高于NdFeB粘结磁体，但NdFeB粘结磁体有着许多NdFeB烧结磁体不可替代的优点：可以用压结、注射等成型方法制作尺寸小、形状复杂、几何精度高的永磁体，并容易实现大规

10、模自动化生产；另外，NdFeB粘结磁体，还便于任意方向充磁，能方便制作多极乃至无数极的整体磁体，而这对于NdFeB烧结磁体来说是通常很难实现；由于NdFeB粘结磁体中主相Nd2Fe14B呈微晶状态，因此它还具有比烧结磁体耐蚀性好等优点。什么叫Nd2Fe14B主相？主相Nd2Fe14B是NdFeB永磁体中唯一具有单轴各方向异性的硬磁性相，其体积分数占磁体中各相的90以上，因而称为主相。其晶体结构如图3所示：晶体常数a0.882nm,c=1.224nm,c轴为易磁化轴，每个但胞含有4个分子的68个原子。Nd2Fe14B的内禀性是：居里温度Tc585K，室温各向异性常数K1=4.2MJ/m3,各项异

11、性场0H7.3T,室温磁饱和强化强度Js1.61T。Nd2Fe14B的基本磁畴结构参数为：畴壁能密度30MJ/m3,畴壁厚度5.2nm,单畴粒子临界尺寸Dc0.26m。 若磁体的成分中添加了合金元素，主相的晶体结构不会发生改变，但其内禀磁性会发生改变，添加合金元素的目的是改善磁体的内禀矫顽力或其他特性。值得注意的是：在磁体中加入任何合金元素都会降低Nd2Fe14B的饱和磁极化强度Js。钕铁硼介绍烧结钕铁硼（NdFeB）系永磁材料制造原理和技术烧结钕铁硼（NdFeB）制造流程：确定性能要求选择原料熔炼铸锭制粉取向压型烧结表面处理充磁成品检测包装磁性检测后加工出货检测1、原材料选择、烧结钕铁硼（N

12、dFeB）系用此材料的磁性能主要有Nd2Fe14B基本相决定的，因为其磁极化强度Js和各向异性场HA主要取决于Nd2Fe14B的化学成分，Js、HA直接与剩磁Br、内禀娇顽力Hci和磁能积(BH)m有关。所以合金成分社及和原材料的选择是至关重要的。实践表明，纯Nd原料中稀土元素中 Ce、La、Gd、Sm等对NdFeB磁性都是有害的，因此原材料中这些元素的含量要尽量低。铁以外的其它金属如：Si、Mn、Cr、Ni、V、Al、W、Mo、C、N、S、P、O等都会将第磁性能，所以纯铁原料中这些元素应该尽量少。而在重稀土元素中Dy或Tb比Nd的HA高出两倍多，因此NdFeB在NdFeB添加Dy或Tb能有效

13、提高娇顽力。2、熔炼熔炼的目的是将金属料溶化，并确保合金液“清、准、均、净”。3、铸锭技术铸锭组织不仅对制粉、取向、烧结工艺有重要影响，还会影响粉末的性质和最终烧结磁性能造成很大影响。铸锭的结晶过程是铸锭的关键所在，通常情况下，要求结晶过程快，也就是常说的“速冷”，这就要求提高冷却能力和铸锭模具导热性能良好。4、制粉原理和技术制粉目的是将大块合金锭破碎到一定尺寸的粉末体，包括粗破和磨粉两个工艺过程。粗破：粗破一般有两种方法，一种是氢破碎（用HD表示），另一种是机械破碎。HD是NdFeB永磁工业生产的主要方法。它是将合金锭放入不锈钢容器，然后抽真空到10-2Pa以下，然后充入高纯氢气，压力达到1

14、05Pa(大约相当于一个大气压)左右，经过2030分钟后，就会听到合金锭的爆裂声和容器温度升高。HD处理可将NdFeB合金锭破碎到45355m范围的颗粒，大部分是125m左右的颗粒。磨粉：磨粉方法有机械球磨粉和气流磨粉技术，目前比较常用，效果比较好的方法的是气流磨粉。气流磨粉是利用高速喷嘴喷出超音速气流，加速颗粒运动碰撞破裂。（具体原理将会在设备篇中详述）烧结NdFeB要求粉末达到1m7m之间，最好3m4m的颗粒占80%以上，呈球状、无缺陷、无杂质。5、粉末磁场取向与压型原理和技术粉末磁场取向：烧结NdFeB系永磁体的磁性能主要来源于具有四方结构的Nd2Fe14B基本相。它是单轴晶体，c轴为易

15、磁化轴，a轴为难磁化抽。对于但晶体来说，取向对其剩磁Br和磁能积(BH)m均有重大影响，因此粉末磁场取向是制造高性能烧结NdFeB永磁体的关键技术之一。NdFeB永磁体的晶体取向的程度受多方面因素影响，如：取向磁场的强度、粉末颗粒的形状与尺寸、成型方式、取向场与成型压力的相对方向，以及取向的粉末的送装密度等，其中取向场的强度至关重要。粉末压型：粉末压型的目的有两个，一是按照客户需求将粉末压制成一定的形状与尺寸的压坯；二是保持磁场取向中所获得的晶体取向度。目前普遍采用的压型方法有：模压法；模压加冷等静压；橡皮模压。也可分为干压和湿压，所谓湿压就是将粉末与某种介质混合，处于胶泥状或半湿状进行压型，

16、优点是减少粉末的氧化，缺点是在烧结时对真空系统有影响。6、烧结原理压坯的相对密度只要50%70%，孔隙率达50%30%，颗粒间的接触基本上是机械接触，结合强度低，当压力过大时，相互接触的粉末颗粒有的已经变形，因此不具备高永磁性能的显微组织。为了进一步提高密度，改善颗粒间的接触性质，提高强度，使其符合高永磁性能的纤维组织特征，需要将压坯加热到粉末基本相融点以下的温度，进行一段时间的热处理，这一过程称为烧结。烧结过程使压坯发生一系列的物理化学变化。首先是颗粒表面吸附的气体备排出，有机物蒸发或挥发，应力相处，颗粒表面氧化还原，变形颗粒回复和再结晶。接着是原子的扩散，物质迁移，颗粒间由机械接触转化为物

17、理化学接触，形成金属键和共价键的结合，其结果是烧结体收缩和致密化。7、抗腐蚀与表面处理烧结NdFeB系永磁材料的抗腐蚀性能较差，改善其抗腐蚀性是生产和使用中的重要问题。烧结NdFeB系永磁材料的腐蚀主要来自于两个方面：一是氧化，即化学腐蚀；另一个是点化学腐蚀。对于烧结NdFeB系永磁材料，含Cl粒子的磁体和暴露在潮湿空气氧化尤为严重，磁体表面越光滑其氧化速度约低。通过添加元素可以起到一定的抗腐蚀作用，但对磁性损失也很大，因此通常采取表面处理的办法主要是表面涂层。表面涂层可根据需求来确定，工艺主要有三种：金属镀层；电泳涂层；气相沉积涂层。8、充磁充磁顾名思义是对NdFeB进行磁化处理，使其获得相

18、应的磁性能。9、性能检测对于成品，通常要使用专用的设备来检测其是否符合设计的磁学和力学性能，以及是否符合工作稳定性要求。运用领域电动汽车的发展及钕铁硼在电动汽车中的运用随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。电动汽车由于具有环保特性，因此代表着汽车产业未来的发展方向。目前，各国在电动汽车上的研发基本处在同一起跑线上，彼此间的差距不是很大。 据相关资料显示（以下有此摘编有关电子及纸质资料）：我国虽然在传统汽车领域落后于发达国家近二三十年，失

19、去了追赶的机会，但在电动汽车领域，我国与国外的技术水平和产业化程度差距相对较小，基本处在同一起跑线上，并有机会在该领域获得重要席位。这也为我国汽车工业技术实现跨越发展提供了一次历史性的机遇，更重要的是我国还有后发优势。目前，我国电动汽车的研发已具备一定的基础，一些企业在20世纪90年代中期就推出了电动汽车样车。从中国的能源资源和环境条件，也要求中国未来的汽车工业必须探求新的思路。我国“八五”以来电动汽车被正式列入国家攻关项目，对电动汽车的投入显著增加。我国的汽车企业和高校、科研院所等200多家单位投入了大量的人力、财力和物力研发电动汽车，并取得了一系列科研成果。“九五”期间，列入国家重大科技产

20、业工程项目，开发电动汽车项目也列入了国家“十五”与“十一五”期间，电动汽车被列入“863”计划12个重大专项之一,全国汽车标准化技术委员会于1998年新组建了电动汽车车辆标准化分技术委员会。科技部又于2001年启动了电动汽车重大科技专项，使我国电动汽车技术水平和产业化程度与国外处在同一起跑线上。目前，我国在燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车等多个领域的自主研发中不断取得突破，已经具备了一定的基础，在车用电池的攻关上已经取得了群体性突破，使我国在电动汽车领域初步构建起自主知识产权技术体系，通过开发自己的电动汽车，申请专利，制定相关技术标准，保护自己的汽车工业，并有望为中国汽车工业开拓新的

21、增长点，展示了电动汽车技术的未来发展前景。我国在电动汽车的商业化运作上，无论从产品技术还是从市场开发方面，都还面临着众多亟待解决的问题，如电动汽车的成本要比同等级汽油版的车型要高出许多，这是其一直迟迟不能批量生产的主要原因，这就需要政府的大力支持。比如，加快制定相关技术标准，出台对节能、环保汽车的税费减免和补贴措施，在基础设施建设上提供便利条件等。稀土永磁电机的运用稀土永磁电机是钕铁硼磁体最大的应用领域，约占磁体总量的70，计算机硬盘配套的圈电机(VCM)占4050，所以计算机产业是永磁电机的最大用户。 采用稀土永磁电机可以明显减轻电机的重量，如10kW普通发电机，重量为220kg，而稀永磁发

22、电机为92k8。德国西门子研制的1095kW、230rpm六级永磁同步电动机，用于舰船的进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60左右，总损耗降低20。 我国每年生各种电动机3600万kW，其中18.5kW以下小型电动机约占50，而稀土永磁高效节能电机在型电机中节电效果最为显著。稀土永磁电机在信息产业、机电一体化、汽车、摩托车、冶金山设备、风机、水泵、油田设备、纺织机械、家用电器等领域有着广泛应用，其中自起动稀永磁高效节能电动机正在油田抽油机、风机、水泵方面逐步推广应用，并已形成系列化产品。 我国电动机保有量约4亿kW以上，年产3600万kW，年消耗电能占总电量的60。中风机、水泵配套电动机

23、占总量的55，年消耗电能占总发电量的40，而目前风机、水泵产品电能利用率非常低。据国家统计局1989年统计，我国有各种泵类、风机3700多万台，配套装机容量1.1×105MW，实际运行效率不到50，系统运行效率不到30，每年浪费电大约200亿kW·h。据电力部门估算，煤炭行业的风机、水泵，50、60年代的老。设备约占1/3，其本身运行效率只有3040，系统运行效率大约为20，如，用量大的5kW水泵，常要配7.5kW电机，但经常在3kW负载下运行，实测效率只有38，造成巨大的能源浪费，种电机若采用稀土永磁专用电机，电机成本只增加3050，运行效率可提高到50%55%，从根本上

24、改变能源浪费状况，如果每年生产300万kW稀土永磁电机，每年可为国家节省电力投资6亿元，节省电费3亿元。 目前，稀土永磁电机的开发和应用进入一个新阶段，一方面，原有研发成果在国防、工农业和日常生活等领域获得大量应用，另方面，正向大功率化（高转速，高转矩）、高功能化和，微型化方向发展，扩展新的电机品种和应用领域。 1 完善和发展了稀土永磁电机的理论研究体系 稀土永磁电机性能优异，结构特殊而多种多样，传统电机的设计理论、计算方法和设计参数已不能适应设计研制高性能电机的要求，近年来，运用现代设计方法完善和发展了稀土永磁电机的设计理论、磁路结构、计算方法，检测技术和制造工艺。在此基础上建立了工程实用的

25、电磁设计计算程序和计算机辅助计算软件包，包括电磁场分析计算，电感参数计算、动态性能仿真和优化设计。 2 在钕铁硼永磁电机防失磁的技术关键问题上有所突破 钕铁硼永磁在高温情况下退磁曲线不能保证是直线，在永磁同步电动机中，起动、刹车或故障情况下电流激增，有可能发生不可逆退磁。 在最大电流时永磁体的工作点必须设计在高于最大工作温度时退磁曲线的膝点。用传统的计算方法计算的最大退磁工作点是平均值，用有限元法计算最大退磁情况下各局部工作点。 3 开发出性能价格比高的新样机 抽油机用永磁电机具有高起动转矩，在实际应用中可替代比它大2个功率等级的异步电动机。节电率大于20%。 1120 KW永磁同步电动机（是

26、目前世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机）效率高于96.5%。（同规格电机效率为95%），功率因数0.94，可以替代比它大12个功率等级的普通电动机。 用JS138-4旧异步电动机仅改变转子而成的300KW永磁电机，效率为94.7%，功率因数为0.966。与改制前相比，有功节电率为7.2%。 超高效永磁同步电动机的效率比美国预计于2007年生产的最高效电动机的效率高2-4个百分点，而且小一个机座号。 随着永磁材料的迅速发展，电力电子和控制技术的进步，稀土永磁电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常的乐观。稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构更为复杂，计算结果更加精确，制造工艺更加先进适用，需运用多学科理论和系统工程进行优化设计，提高性价比，促进电机学科和行业进一步发展。金力磁已成功运用于风力发电机烧结钕铁硼永磁体主要用于制造永磁直驱或半直驱风力发电机，高性能钕铁硼的使用，使得风力发电机的重