合金永磁材料课件

1、合金永磁材料合金永磁材料 Permanent Magnetic Materials材料科学与工程学院材料科学与工程学院李李 军军2主要内容主要内容合金永磁材料概述合金永磁材料概述 AlNiCo永磁合金永磁合金永磁铁氧体永磁铁氧体 稀土永磁材料稀土永磁材料3 现代科技正向现代科技正向集成化、超小型集成化、超小型化、轻量化、智能化化、轻量化、智能化方向发展方向发展，具有超高能密度的永磁材料，具有超高能密度的永磁材料有力地促进科技的发展。有力地促进科技的发展。 永磁体是一种能量密度很高的永磁体是一种能量密度很高的贮能器，利用它可高效实现能贮能器，利用它可高效实现能量的相互转换，而其本身并不量的相互转

2、换，而其本身并不消耗太多能量。消耗太多能量。 永磁体能量密度越高，在其气永磁体能量密度越高，在其气隙或周围空间产生一定磁场所隙或周围空间产生一定磁场所需磁体的体积就越小需磁体的体积就越小。VK-K100手机，机身仅有手机，机身仅有8.8mm厚，全机仅重厚，全机仅重53g三星三星Sense-X1型笔记本电脑，型笔记本电脑，机身仅厚机身仅厚19.2mm，仅重，仅重1.7kg4 20世纪以来，永磁材料的磁能积不断得到提高，其世纪以来，永磁材料的磁能积不断得到提高，其材料的基本成分和性能如表所示。材料的基本成分和性能如表所示。 20世纪永磁材料磁能积的进步世纪永磁材料磁能积的进步5 广泛应用的永磁材料

3、有广泛应用的永磁材料有AlNiCo永磁、铁氧体永磁、永磁、铁氧体永磁、稀土永磁和其他永磁材料等四大类。稀土永磁和其他永磁材料等四大类。 AlNiCo永磁永磁的的居里温度高，温度稳定性好。居里温度高，温度稳定性好。但它但它含含有较多的战略金属有较多的战略金属Co和和Ni。 铁氧体永磁铁氧体永磁的的原材料丰富，价格低原材料丰富，价格低，虽然磁性能不虽然磁性能不高高，仍在汽车、音响、家用电器、办公设备中广泛，仍在汽车、音响、家用电器、办公设备中广泛应用，近几年产量仍保持约应用，近几年产量仍保持约10的年增长率。的年增长率。AlNiCoAlNiCo永磁永磁铁氧体永磁铁氧体永磁6 Sm-Co系永磁系永磁

4、的的居里点高，温度稳定性好，磁性能居里点高，温度稳定性好，磁性能也较好，也较好，但含有较多金属但含有较多金属Co，原料成本价格偏高，原料成本价格偏高，应用受限。应用受限。 稀土铁系永磁材料，如稀土铁系永磁材料，如NdFeB系永磁材料系永磁材料，磁性能磁性能高，不含战略金属高，不含战略金属Co和和Ni，相对价格较低，相对价格较低，年增长年增长率达率达20-30，是目前，是目前最重要的一种永磁材料最重要的一种永磁材料。SmCo永磁永磁烧结烧结NdFeB永磁永磁7 产生相同磁场，需要产生相同磁场，需要NdFeB磁体的体积是马氏体磁钢的磁体的体积是马氏体磁钢的1/60，AlNiCo永磁体的永磁体的l/

5、5，SmCo磁体的磁体的2/3-1/2。应用粘结应用粘结NdFeB磁体的电机磁体的电机重量和体积仅为粘结铁氧体重量和体积仅为粘结铁氧体电机的电机的40和和36； 硬盘驱动器硬盘驱动器HDD电机中采电机中采用粘结用粘结NdFeB磁体，其重量磁体，其重量比采用粘结铁氧体的硬盘可比采用粘结铁氧体的硬盘可减少一个数量级甚至更多。减少一个数量级甚至更多。 产生相同磁场的不同磁体体积比较产生相同磁场的不同磁体体积比较1-C钢钢,2-W钢钢,3-Co钢钢,4-AlNiCo,5-TiConal,6-TiConalG,7-TiConalGG,8-TiConalXX,9-SmCo5,10-(Sm,Pr)Co5,1

6、1-Sm2Co17,12-NdFeB8AlNiCo永磁合金永磁合金9 工业永磁体最早从本多发明的工业永磁体最早从本多发明的MK钢钢(高钴碳素钢高钴碳素钢)开始，开始，1931年三岛年三岛发明的发明的MK钢钢(FeNiA1合金合金)矫顽力矫顽力比比KS钢高一倍，不需要淬火处理，钢高一倍，不需要淬火处理，成为铝镍钴磁钢的原型。成为铝镍钴磁钢的原型。 30年代末，年代末，AlNiCo磁钢开始出现。磁钢开始出现。到到20世纪世纪70年代，年代，AlNiCo在世界范在世界范围内普及，但目前其统治地位已被围内普及，但目前其统治地位已被铁氧体和稀土永磁取代，但其铁氧体和稀土永磁取代，但其优异优异的温度特性的

7、温度特性而应用于而应用于精密测量、仪精密测量、仪器仪表器仪表等领域。等领域。AlNiCo永磁永磁精密压力表精密压力表10 铝镍钴合金基本上都用铝镍钴合金基本上都用熔化铸造熔化铸造工艺制取。在熔铸工艺制取。在熔铸中采用中采用定向凝固技术定向凝固技术，形成晶轴沿，形成晶轴沿100方向的柱状方向的柱状晶，该方向正好与立方点阵金属的易磁化轴一致。晶，该方向正好与立方点阵金属的易磁化轴一致。 铸造后的铸造后的AlNiCo磁钢，锻造后在磁钢，锻造后在1000-1300温度温度经数分钟固溶处理，可使合金元素均匀化，形成单经数分钟固溶处理，可使合金元素均匀化，形成单相固溶体相固溶体()相。相。 AlNiCo磁

8、钢具有较高的矫顽力，这是磁钢具有较高的矫顽力，这是热处理中析热处理中析出的铁磁性粒子的形状各向异性引起出的铁磁性粒子的形状各向异性引起，而析出的铁而析出的铁磁性粒子是由磁性粒子是由spinodal分解分解(调幅分解调幅分解)产生。产生。11调幅分解调幅分解是利用高温下是利用高温下固溶体在一定温度下分解固溶体在一定温度下分解成成晶体结构相同、成分各异、浓度连续变化晶体结构相同、成分各异、浓度连续变化的的1和和2固溶体组成的细密组织固溶体组成的细密组织。固溶后的合金固溶后的合金900进行磁场热处理进行磁场热处理，单相，单相固溶体固溶体会分解析出会分解析出1(体心立方铁磁性相体心立方铁磁性相)和和2

9、(体心立方非体心立方非磁性相磁性相)，外加磁场使铁磁性，外加磁场使铁磁性1相沿磁场方向在非磁相沿磁场方向在非磁或弱磁的或弱磁的2相中整齐排列，在随后的分级时效中进相中整齐排列，在随后的分级时效中进行行上坡扩散上坡扩散，得到优良的永磁性能。，得到优良的永磁性能。)NiAl()FeFeCo()AlNiFe(21 12永磁铁氧体永磁铁氧体13 反铁磁体中，两个亚点阵反铁磁体中，两个亚点阵A和和B的磁矩方向相反且数值相等，的磁矩方向相反且数值相等，自发磁化强度为零；如果自发磁化强度为零；如果MA不等于不等于MB，存在自发磁化强，存在自发磁化强度，形成类同于铁磁性的物度，形成类同于铁磁性的物质，称为质，

10、称为“亚铁磁体亚铁磁体”。 亚铁磁体一般是亚铁磁体一般是Fe2O3与金属与金属氧化物组成的复合氧化物，氧化物组成的复合氧化物，称为称为“铁氧体铁氧体”。硬磁铁氧。硬磁铁氧体一般可表示为体一般可表示为MOxFe2O3，其中其中M为为Ba、Sr等。等。反铁磁晶胞反铁磁晶胞铁氧体永磁铁氧体永磁14 永磁铁氧体中不含有永磁铁氧体中不含有Ni、Co等高价格金属元素，价等高价格金属元素，价格十分低廉，化学稳定性好，尽管产值已被稀土水格十分低廉，化学稳定性好，尽管产值已被稀土水磁超过，但仍然占有很大的市场份额。磁超过，但仍然占有很大的市场份额。 在永磁铁氧体中，已实用化的有在永磁铁氧体中，已实用化的有BaO

11、-6Fe2O3，SrO-Fe2O3等等。 铁氧体具有三种不同的晶体结构：铁氧体具有三种不同的晶体结构：尖晶石型、石榴尖晶石型、石榴石型和磁铅石型石型和磁铅石型，永磁铁氧体一般为磁铅石型。，永磁铁氧体一般为磁铅石型。铁氧体永磁铁氧体永磁15 磁铅石铁氧体在层堆垛方磁铅石铁氧体在层堆垛方面具有交替出现六角和立面具有交替出现六角和立方密堆积结构，具有较强方密堆积结构，具有较强的磁晶各向异性。的磁晶各向异性。 Fe离子分布于离子分布于2a、2b、12k、4f1和和4f2五种位置，其磁五种位置，其磁矩来源为矩来源为(2a)、(2b)、(12k)三个次点阵的三个次点阵的Fe离子磁矩离子磁矩与与(4f1)、

12、(4f2)二个次点阵的二个次点阵的铁离子磁矩。这两种次点铁离子磁矩。这两种次点阵的磁矩反向平行，互相阵的磁矩反向平行，互相抵消一部分。抵消一部分。磁铅石型磁铅石型BaBa永磁铁氧体永磁铁氧体16 永磁铁氧体属于永磁铁氧体属于亚铁磁性亚铁磁性，内部存在较强的自发磁，内部存在较强的自发磁化；但铁氧体中的磁性离子被较大的氧离子隔离，化；但铁氧体中的磁性离子被较大的氧离子隔离，磁性离子间不存在直接的交换作用。磁性离子间不存在直接的交换作用。 铁氧体的自发磁化不是由于磁性离子之间的直接交铁氧体的自发磁化不是由于磁性离子之间的直接交换作用，而是换作用，而是通过夹在磁性离子之间的氧离子形成通过夹在磁性离子之

13、间的氧离子形成间接交换作用，称为超交换作用间接交换作用，称为超交换作用。这种。这种超交换作用超交换作用使每个亚点阵内的离子磁矩平行排列，两个亚点阵使每个亚点阵内的离子磁矩平行排列，两个亚点阵磁矩方向相反而大小不等磁矩方向相反而大小不等，抵消一部分，剩余部分，抵消一部分，剩余部分则为自发磁化强度。则为自发磁化强度。17 铁氧体的氧化物粉末比较容易粉碎，易得到单畴颗铁氧体的氧化物粉末比较容易粉碎，易得到单畴颗粒粉末，其永磁性能应较高。粒粉末，其永磁性能应较高。 铁氧体的制备工艺是球磨、预烧、再球磨、成型、铁氧体的制备工艺是球磨、预烧、再球磨、成型、烧结等，复杂的工艺烧结等，复杂的工艺难以保证材料性

14、能一致，而且难以保证材料性能一致，而且球磨在铁氧体颗粒表面产生大量缺陷和应力，容易球磨在铁氧体颗粒表面产生大量缺陷和应力，容易形成反磁化畴形成反磁化畴，降低磁体的矫顽力和永磁性能。，降低磁体的矫顽力和永磁性能。 原料的选择和管理、磁场的施加、粉碎颗粒的大小原料的选择和管理、磁场的施加、粉碎颗粒的大小及烧结中温度场的分布等因素对铁氧体的磁性能有及烧结中温度场的分布等因素对铁氧体的磁性能有很大的影响，必须严加控制。很大的影响，必须严加控制。18稀土系永磁材料稀土系永磁材料19 稀土永磁合金是稀土元素稀土永磁合金是稀土元素R(Sm，Nd，Pr等等)与过渡与过渡金属金属TM(Co，Fe等等)形成的一类

15、金属间化合物。按过形成的一类金属间化合物。按过渡族金属不同可分为渡族金属不同可分为RCo系和系和RFe系永磁合金。系永磁合金。 RCo系包括系包括SmCo5型磁体和型磁体和Sm2(CoFeCuZr)17型磁体型磁体；RFe系磁体主要包括系磁体主要包括NdFeB、SmFeN系磁体。系磁体。 SmCo5型磁体的型磁体的(BH)m达到达到160kJ/m3，为第一代稀土，为第一代稀土永磁；永磁；Sm2Co17型磁体的型磁体的(BH)m达到达到200-240kJ/m3，为，为第二代稀土永磁；第二代稀土永磁；NdFeB磁体的磁体的(BH)m达到达到240-460kJ/m3，为第三代稀土永磁；间隙稀土铁化合

16、物，为第三代稀土永磁；间隙稀土铁化合物SmFeN有望成为第四代稀土永磁。有望成为第四代稀土永磁。20稀土钴永磁稀土钴永磁 第一代稀土永磁体第一代稀土永磁体RT5中中，T取室温下晶体结构为取室温下晶体结构为hcp的的Co最具代表性。最具代表性。 SmCo5永磁体具有较高的永磁体具有较高的温度稳定性，温度稳定性，RCo5的温的温度稳定性如图所示。度稳定性如图所示。 在在RCo5金属间化合物中金属间化合物中，SmCo5和和GdCo5的居里的居里温度达到温度达到1000K，R-T系金属间化合物的居里点系金属间化合物的居里点21金属间化合物金属间化合物YCo5CeCo5PrCo5SmCo5饱和磁化强度饱

17、和磁化强度Ms/T1.060.871.120.95磁晶各向异性常数磁晶各向异性常数K1/(MJ/m2)5.57.38.09.5各向异性场各向异性场0HA/T12.921.016.025.0居里温度居里温度Tc/K9737379121020最大磁能积最大磁能积(BH)m/(kJ/m3)224150249179RCo5金属间化合物的磁性金属间化合物的磁性22 Y不含有不含有4f电子，显示出的是六方点阵电子，显示出的是六方点阵Co的磁性；的磁性；对于对于CeCo5来说，来说，Ce的的4f电子是不稳定的，其磁性电子是不稳定的，其磁性不如不如YCo5; PrCo5的的Js较高；较高；SmCo5显示出优良

18、的单显示出优良的单轴各向异性；轴各向异性； 由于由于轻稀土的储量比重稀土多轻稀土的储量比重稀土多，从工业应用角度看，从工业应用角度看SmCo5是有利的。是有利的。 作为永磁体，作为永磁体，SmCo5也具有优良的磁学特性，也具有优良的磁学特性，目前目前已制造出已制造出(BH)m达达228kJ/m3的的SmCo5永磁体。永磁体。23 与与SmCo5中中Sm的质量比为的质量比为33.8相对，相对，Sm2Co17金属金属间化合物间化合物Sm的质量比为的质量比为23.1，Sm可节约可节约30。 Co含量增加，含量增加，Sm2Co17的居里温度达到的居里温度达到1200，温，温度特性更加优异；而且，度特性

19、更加优异；而且，Sm2Co17的的Js可达可达1.4T， 为节约为节约Co，研究过用，研究过用Fe置换置换Co，尽管，尽管Js增加，但各增加，但各向异性场却急剧下降；而且向异性场却急剧下降；而且R2Fe17居里温度太低。居里温度太低。 已经制造出已经制造出(BH)m达到达到297kJ/m3的的Sm2Co17永磁体。永磁体。24 Sm2Co17磁体具有与磁体具有与SmCo5不同的微观显微组织，不同的微观显微组织，磁化特性是磁化特性是钉扎型钉扎型。 磁化中钉扎磁化中钉扎Sm2Co17磁体畴壁移动的是磁体畴壁移动的是磁体中析出磁体中析出的均匀微细的组织的均匀微细的组织。这些析出组织是在高温为均匀。这

20、些析出组织是在高温为均匀的的RT7不规则相，经过不规则相，经过900以下长时间低温退火，以下长时间低温退火，分解成规则化的新相组织分解成规则化的新相组织 在在R2T17相中产生相中产生Co及及Fe的富集是铁磁性的，而的富集是铁磁性的，而RT5相产生相产生Ni及及Cu的富集是弱磁性或非磁性的。的富集是弱磁性或非磁性的。51727RT3TR2RT7 25RT7相的二维模型相的二维模型(不规则不规则)RT7相分解成相分解成R2T17相和相和RT5相相的二维模型的二维模型26 Sm2Co17稀土永磁的烧结中，稀土永磁的烧结中，利用利用Cu置换部分置换部分Co，不但降低合金成本，而且在烧结中产生富，不但

21、降低合金成本，而且在烧结中产生富Cu的的液相，使烧结易于进行，容易得到致密磁体；液相，使烧结易于进行，容易得到致密磁体； 通过通过添加添加Ti、Zr及及Hf等合金元素等合金元素，使液相成分向，使液相成分向Cu与与Co及及Fe的化合物过共晶一侧偏移，防止的化合物过共晶一侧偏移，防止Fe及及Co从亚共晶侧以初晶的形式析出。从亚共晶侧以初晶的形式析出。27NdFeB永磁合金永磁合金28 由于由于Co和和Sm资源短缺，资源短缺，Sm2Co17型稀土永磁的工型稀土永磁的工业化生产到业化生产到20世纪世纪70年代末已有些无以为济。年代末已有些无以为济。 1984年，年，佐川真仁制备了佐川真仁制备了NdFe

22、B系金属间化合物系金属间化合物，无论从资源角度还是性能角度，无论从资源角度还是性能角度，NdFeB合金都占合金都占有明显优势，市场潜力十分看好，迅速成为第三有明显优势，市场潜力十分看好，迅速成为第三代稀土永磁的代表。代稀土永磁的代表。用于核磁共振的烧结用于核磁共振的烧结NdFeBNdFeB永磁永磁用于永磁电机的烧结用于永磁电机的烧结NdFeBNdFeB永磁永磁29NdFeB磁体晶体结构磁体晶体结构 Nd2Fe14B相具有正方结构，晶相具有正方结构，晶格 常 数格 常 数 a = 0 . 8 8 2 n m ，c=1.224nm，具有单轴各向异，具有单轴各向异性，易磁化轴为性，易磁化轴为c轴。轴

23、。 单胞有单胞有68个原子：个原子：8个个Nd原子原子，56个个Fe原子，原子，4个个B原子。原子。 Nd原子占据原子占据(4f，4g)两个晶位两个晶位，Fe原子占据原子占据(16k1，16k2，8j1，8j2，4e，4c)6个晶位，个晶位，B原原子占据子占据(4g)一个晶位。一个晶位。Nd2Fe14B单胞内的单胞内的原子排列原子排列30Nd2Fe14B的内禀磁特性的内禀磁特性 Nd2Fe14B的内禀磁性：的内禀磁性：居里温度居里温度Tc=585K，室温室温K1=4.2MJ/m2，各向异性场各向异性场0HA6.7T，室温室温Js1.61T。高性能的烧结高性能的烧结NdFeBNdFeB永磁永磁3

24、1 Nd2Fe14B相的居里温度相的居里温度Tc由不同晶位上的由不同晶位上的Fe-Fe原子原子对和对和Fe-Nd原子对的交换作用决定，但原子对的交换作用决定，但R-T之间的交之间的交换作用仅为换作用仅为T-T之间交换作用的之间交换作用的1/3。不同晶位上不同晶位上Fe-Fe原子对的间距大于原子对的间距大于0.25nm时，时，3d电子云电子云有重叠，存在正的交换作用；有重叠，存在正的交换作用；当原子距离小于当原子距离小于0.25nm时，电子云重叠过多，如时，电子云重叠过多，如16k2-8j1和和16k2-16k2之间，交换作用为负。之间，交换作用为负。 正负相互作用部分抵消，使正负相互作用部分抵

25、消，使Nd2Fe14B硬磁相的居里硬磁相的居里温度较低，仅有温度较低，仅有580K左右。左右。 Co、Ni、Si取代取代Fe原子，正交换作用加强；原子，正交换作用加强；Cr、Al、Mn取代取代Fe原子，负交换作用加强；原子，负交换作用加强； 32 Nd2Fe14B相在室温条件下具有单轴磁各向异性，相在室温条件下具有单轴磁各向异性，c轴为易磁化轴。轴为易磁化轴。NdFeB的各向异性是由的各向异性是由R亚点阵和亚点阵和Fe亚点阵所贡献，亚点阵所贡献，两者分别由两者分别由4f和和3d电子轨道磁矩和晶场的相互作用引电子轨道磁矩和晶场的相互作用引起。起。特别是稀土原子所处的晶场是不对称的，其特别是稀土原

26、子所处的晶场是不对称的，其4f电电子云的形状发生不对称性变化，从而产生各向异性，子云的形状发生不对称性变化，从而产生各向异性，各向异性场各向异性场0HA=6.7T。 Y、La、Ce取代取代Nd原子，原子，Co取代取代Fe原子，各向原子，各向异性场下降很快；异性场下降很快；Dy、Tb取代取代Nd原子，少量原子，少量Al、Si、Mn取代取代Fe原子，各向异性场有所增加。原子，各向异性场有所增加。33 Nd2Fe14B晶粒的饱和磁化强晶粒的饱和磁化强度主要由度主要由Fe原子磁矩决定。原子磁矩决定。 Fe原子磁矩最大原子磁矩最大2.80B，最，最小小1.95B，平均，平均2.10B。 Nd原子磁矩达原

27、子磁矩达1.49B，且其，且其磁矩与磁矩与Fe原子磁矩平行，属原子磁矩平行，属铁磁性耦合，对铁磁性耦合，对Nd2Fe14B的的磁矩也有一定贡献。磁矩也有一定贡献。 Nd2Fe14B室温饱和磁化强度室温饱和磁化强度可达可达1.61T。Nd2Fe14B中原子磁矩的耦合方式中原子磁矩的耦合方式S自旋电子磁矩；自旋电子磁矩；L轨道电子磁矩；轨道电子磁矩；J稀土金属原子磁矩稀土金属原子磁矩34 NdFeB磁体的微结构及磁性随成分及制备工艺的不磁体的微结构及磁性随成分及制备工艺的不向有很大区别，磁体磁性能取值范围是：向有很大区别，磁体磁性能取值范围是：本征矫顽力从本征矫顽力从0Hcj约为约为1.2-2.5

28、T；剩余磁极化强度剩余磁极化强度Jr从从0.8T(各向同性粘结磁体各向同性粘结磁体)到到1.2-1.5T(取向烧结磁体取向烧结磁体)；最大磁能积最大磁能积(BH)m的工业水平分别为的工业水平分别为80-160kJ/m2(粘结磁粘结磁体体)及及240-400kJ/m3(烧结磁体烧结磁体)，实验室水平已达到，实验室水平已达到410-460kJ/m3。在在25-100范围内剩磁温度系数约为范围内剩磁温度系数约为0.1-0.2，矫顽，矫顽力的温度系数约为力的温度系数约为-0.4。35烧结烧结NdFeB磁体的制备磁体的制备 烧结烧结NdFeB磁体的制备工艺为：磁体的制备工艺为： 原材料准备原材料准备冶炼

29、冶炼铸锭冷却铸锭冷却破碎与制粉破碎与制粉磁场取向与压型磁场取向与压型烧结烧结回火回火机加工与表面机加工与表面处理处理检测检测。36原料准备原料准备 材 料 的 磁 极 化 强 度材 料 的 磁 极 化 强 度 Js和 各 向 异 性 场和 各 向 异 性 场 HA取 决 于取 决 于Nd2Fe14B相的化学成分，所以相的化学成分，所以合金成分设计和原材合金成分设计和原材料选择是至关重要的料选择是至关重要的。 除金属除金属Nd外，其他稀土金属元素，如外，其他稀土金属元素，如Ce、La、Gd、Sm、Er等对等对NdFeB磁体的磁性能均有害，在合金磁体的磁性能均有害，在合金中含量应尽可能低；中含量应

30、尽可能低； Fe以外的其他金属或非金属元素，如以外的其他金属或非金属元素，如C、N、S、P和和O等都是降低等都是降低Js、Tc或或HA的，因此纯的，因此纯Fe中的其他元素中的其他元素含量也应尽量低。含量也应尽量低。37 设计成分时，应使磁体成分接近化学计量成分设计成分时，应使磁体成分接近化学计量成分Nd2Fe14B，以增大主相的体积分数。，以增大主相的体积分数。 熔炼中熔炼中Nd元素十分容易挥发和氧化损失元素十分容易挥发和氧化损失(总称为烧总称为烧损损)，并且烧结中如果液相，并且烧结中如果液相(富富Nd相相)减少，不能形减少，不能形成足够的晶界相，将导致烧结不允分，烧结体密成足够的晶界相，将导

31、致烧结不允分，烧结体密度下降。度下降。 为此，需要采用偏离化学计量的成分，为此，需要采用偏离化学计量的成分，Nd和和B含含量均比化学计量比高，量均比化学计量比高，如如Nd15Fe77B8等。等。38熔炼熔炼 熔炼是将纯金属熔炼是将纯金属Nd、B-Fe、Dy等熔化，熔炼应确保合金液等熔化，熔炼应确保合金液“清清、准、均、净、准、均、净”。 “清清”是将所有金属料熔清是将所有金属料熔清，防，防止未熔料出现。一些合金元素如止未熔料出现。一些合金元素如Ti、V和和Nb等熔点较高，应设法等熔点较高，应设法使它们完全熔清。使它们完全熔清。 “准准”是确保熔炼后成分准确是确保熔炼后成分准确，成分不准是因为金

32、属烧损，为此成分不准是因为金属烧损，为此需真空保护气氛熔炼和设计过量需真空保护气氛熔炼和设计过量。真空感应熔炼炉真空感应熔炼炉金属的熔炼金属的熔炼39 “均均”是指成分均匀是指成分均匀。一般。一般采用中频感应炉熔炼，待炉采用中频感应炉熔炼，待炉料熔清后，用大功率电磁搅料熔清后，用大功率电磁搅拌，以保证成分均匀。拌，以保证成分均匀。 “净净”是确保合金液干净，是确保合金液干净，防止夹杂物和气体污染防止夹杂物和气体污染。金。金属料要预处理以去除氧化物属料要预处理以去除氧化物和其他杂质。和其他杂质。熔炼中也要采熔炼中也要采取相关措施，如取相关措施，如Ca合金脱合金脱氧、泡沫陶瓷过滤等措施氧、泡沫陶瓷

33、过滤等措施。NdFeB合金熔炼中的合金熔炼中的脱氧除杂工艺脱氧除杂工艺40铸锭冷却铸锭冷却 铸锭组织是制约磁体性能的关键：铸锭组织是制约磁体性能的关键：柱状晶尺寸细小柱状晶尺寸细小；富；富Nd相沿晶界均匀分布，没有大块富相沿晶界均匀分布，没有大块富Nd相；铸相；铸锭中不存在锭中不存在-Fe晶体晶体。 合金液体过热，冷却速度较低，先析出合金液体过热，冷却速度较低，先析出Fe很容易在很容易在铸锭中富集，出现黑色形如鱼骨状的铸锭中富集，出现黑色形如鱼骨状的-Fe枝晶，另枝晶，另外富外富Nd相较粗大，且分布不均匀。相较粗大，且分布不均匀。NdFeB三元系合金铸锭组织三元系合金铸锭组织 a-铸锭冷却速度

34、较慢；铸锭冷却速度较慢；b-铸锭冷却速度足够快铸锭冷却速度足够快41 为得到高性能合金，为得到高性能合金，需将铸锭在需将铸锭在1050进行长时间等温退火进行长时间等温退火，使，使析 出 的析 出 的 - F e 与 富与 富 N d 相 和相 和Nd1.1Fe4B4相生成相生成Nd2Fe14B相。相。 铸锭冷却速度足够快，铸锭冷却速度足够快，-Fe枝晶枝晶被抑制，直接从合金液中析出被抑制，直接从合金液中析出Nd2Fe14B相。相。 用用铸片工艺铸片工艺来取代传统铸锭冷却来取代传统铸锭冷却工艺，获得的铸片具有均匀的微工艺，获得的铸片具有均匀的微观组织，观组织，-Fe枝晶偏析很少。枝晶偏析很少。三

35、德公司铸片机中的三德公司铸片机中的Cu辊辊铸片工艺简图铸片工艺简图42制粉制粉 制粉是将大块合金锭破碎至一定尺寸的粉末，包括制粉是将大块合金锭破碎至一定尺寸的粉末，包括粗破碎和磨粉两个工艺过程。粗破碎和磨粉两个工艺过程。 粗破碎方法有两种，一种是粗破碎方法有两种，一种是机械破碎机械破碎，另一种是，另一种是吸吸氢氢HD破碎破碎。 机械破碎机械破碎是将封闭式的颚式破碎机串连，在高纯是将封闭式的颚式破碎机串连，在高纯N2保护下，将大块合金铸锭破碎至保护下，将大块合金铸锭破碎至1-3mm的粗颗粒。的粗颗粒。 容易引入杂质，破碎效果也较差。容易引入杂质，破碎效果也较差。43 HD破碎破碎是利用是利用Nd

36、元素吸放氢的特性，元素吸放氢的特性，沿富沿富Nd相晶相晶界形成众多均匀的裂纹界形成众多均匀的裂纹，粉末容易沿富，粉末容易沿富Nd相裂开。相裂开。HD破碎效果好，获得的磁粉粒径细小均匀，有效克服传破碎效果好，获得的磁粉粒径细小均匀，有效克服传统制粉工艺的缺陷；统制粉工艺的缺陷；粉末细小均匀，在磁场中取向后具有高取向度；粉末细小均匀，在磁场中取向后具有高取向度；HD破碎中引入的杂质较少，破碎中引入的杂质较少， HD法已成为法已成为NdFeB永磁生产采用的主要破碎方法。永磁生产采用的主要破碎方法。HBHFeNdH21BFeNdx142x142 44 将将246-175m的粉末研磨至的粉末研磨至3-4

37、m细粉，一般采用细粉，一般采用球磨制粉球磨制粉或或气流磨制粉气流磨制粉两种方法。两种方法。 球磨制粉有滚动球磨、振动磨、高能球磨等。振动球磨制粉有滚动球磨、振动磨、高能球磨等。振动球磨的粉末形状不规则，不利于磁场取向；高能球球磨的粉末形状不规则，不利于磁场取向；高能球磨的粉末颗粒尺寸分布离散，也用得较少。磨的粉末颗粒尺寸分布离散，也用得较少。高能球磨高能球磨行星球磨行星球磨45 目前多数目前多数NdFeB生产多采生产多采用用气流磨气流磨粉碎磁粉。粉碎磁粉。 气流磨制粉是气流磨制粉是利用气流将利用气流将粉末颗粒加速到超音速使粉末颗粒加速到超音速使之相互对撞而破碎之相互对撞而破碎，制粉，制粉效率是

38、传统工艺的两倍以效率是传统工艺的两倍以上上(产量为产量为15kg/h 提高到提高到30-35kg/h)。工业生产用气流磨工业生产用气流磨46 气流磨磁粉粒度分布较窄，气流磨磁粉粒度分布较窄，90%的粉末分布在的粉末分布在2.8-3.2m之间之间，制作的烧结磁体平均晶粒直径约为，制作的烧结磁体平均晶粒直径约为6m，粒度分布也比较窄，位于最佳粒径范围内，粒度分布也比较窄，位于最佳粒径范围内 (3-10m) 。 用平均粒径为用平均粒径为3m的球磨磁粉制作烧结磁体，平的球磨磁粉制作烧结磁体，平均晶粒直径为均晶粒直径为12m，粒径分布也宽，粒径分布也宽(5-18m)。 用这两种粒度分布的同一成分的磁粉制

39、作磁体，用这两种粒度分布的同一成分的磁粉制作磁体，前者矫顽力比后者高前者矫顽力比后者高160kA/m。47取向取向 粉末颗粒的粉末颗粒的c轴取向程度对磁体的轴取向程度对磁体的Br和和(BH)m均有重均有重要影响。粉末磁场取向是制造高性能烧结要影响。粉末磁场取向是制造高性能烧结NdFeB永永磁体的关键技术之一。磁体的关键技术之一。 晶体取向程度受多方面因素的影响，如取向磁场强晶体取向程度受多方面因素的影响，如取向磁场强度、粉末颗粒形状与尺寸、成型方式及粉末松装密度、粉末颗粒形状与尺寸、成型方式及粉末松装密度等，度等，取向磁场强度是最重要的取向磁场强度是最重要的。 取向磁场设备取向磁场设备48Nd

40、FeB粉末磁场取向的过程粉末磁场取向的过程a-H=0；b-畴壁位移；畴壁位移；c-粉末颗粒转动；粉末颗粒转动；d-三个粉末颗粒的三个粉末颗粒的c轴沿取向轴取向轴沿取向轴取向49 假定每个颗粒有两个磁畴，箭头表示磁矩方向。在假定每个颗粒有两个磁畴，箭头表示磁矩方向。在取向磁场为零时，由于取向磁场为零时，由于颗粒间静磁场的相互作用，颗粒间静磁场的相互作用，粉末颗粒会出现团聚现象，粉末颗粒会出现团聚现象，形成二次粉末颗粒，形成二次粉末颗粒，NdFeB磁粉的流动性变差。磁粉的流动性变差。沿箭头方向施加一个向上的取向磁场，为降低系统静磁能沿箭头方向施加一个向上的取向磁场，为降低系统静磁能，各个颗粒的，各

41、个颗粒的a畴将扩大，畴将扩大，b畴将缩小，畴将缩小，随着取向磁场的提高，随着取向磁场的提高，a磁畴将吞并磁畴将吞并b磁畴。磁畴。各粉末颗粒变各粉末颗粒变成单畴体，成单畴体，这是磁场取向的第一阶段。这是磁场取向的第一阶段。50 在磁场作用下，各颗粒倾向于转动到在磁场作用下，各颗粒倾向于转动到0的方向上的方向上，粉末颗粒的，粉末颗粒的c轴将沿取向磁场方向排列，轴将沿取向磁场方向排列，第二阶段第二阶段是粉末颗粒转动过程。是粉末颗粒转动过程。 粉末颗粒在转动中将遇到粉末颗粒在转动中将遇到阻力阻力，阻力主要来自粉末，阻力主要来自粉末间的静磁相互作用力：间的静磁相互作用力：团聚力、粉末颗粒间的摩擦团聚力、

42、粉末颗粒间的摩擦力以及粉末形状不规则造成的机械阻力力以及粉末形状不规则造成的机械阻力。 阻力的存在使粉末无法达到阻力的存在使粉末无法达到100%的取向度。的取向度。 51 为减少粉末之间的摩擦和机械阻力，为减少粉末之间的摩擦和机械阻力，粉末可采用球粉末可采用球型之类的规则形状型之类的规则形状； 为减少成型摩擦，为减少成型摩擦，采用适量润滑剂采用适量润滑剂也可使成型的摩也可使成型的摩擦大幅减少；但如果磁粉间的成型摩擦太小将使磁擦大幅减少；但如果磁粉间的成型摩擦太小将使磁粉的成型性不好，应将粉的成型性不好，应将成型摩擦控制在能使粉末成成型摩擦控制在能使粉末成型的程度型的程度。 定向度随定向场强度提

43、高而提高：为打破磁粉之间定向度随定向场强度提高而提高：为打破磁粉之间的凝聚力，的凝聚力，取向场应大于取向场应大于1.5T，但没必要将定向场但没必要将定向场提得很高。提得很高。 52压制压制 粉末压型目的：粉末压型目的：按需求将粉末压制成一定形状和尺寸的压坯，增加粉末按需求将粉末压制成一定形状和尺寸的压坯，增加粉末之间的接触面积，有利于烧结之间的接触面积，有利于烧结；保持在磁场取向中获得的晶体取向度保持在磁场取向中获得的晶体取向度。 压型方法目前普遍采用三种，即模压法、冷等静压压型方法目前普遍采用三种，即模压法、冷等静压和橡皮模压。和橡皮模压。四柱油压机四柱油压机冷等静压机冷等静压机53 成型压

44、力太大使磁体产生明显的应力各向异性，因成型压力太大使磁体产生明显的应力各向异性，因此压力是磁粉取向的阻力，超过一定成型压力后，此压力是磁粉取向的阻力，超过一定成型压力后，压力越大，定向度越低。压力越大，定向度越低。 成型应在能得到成型体的最低压力下进行成型应在能得到成型体的最低压力下进行。粉末冶金压制成型粉末冶金压制成型54烧结烧结 为提高磁体永磁性能，改进粉末颗粒之间的接触性为提高磁体永磁性能，改进粉末颗粒之间的接触性质，提高磁体强度，质，提高磁体强度，需将压坯加热到粉末基体相熔需将压坯加热到粉末基体相熔点以下的温度点以下的温度(约约0.70-0.85T熔熔)进行保温热处理，这进行保温热处理

45、，这一过程称为烧结一过程称为烧结。真空烧结炉真空烧结炉55 烧结使压坯发生一系列的物理化学变化。烧结使压坯发生一系列的物理化学变化。粉末颗粒表面吸附气体的排除，有机物的挥发，应力的消粉末颗粒表面吸附气体的排除，有机物的挥发，应力的消除，变形粉末颗粒的回复和再结晶；除，变形粉末颗粒的回复和再结晶；原子的扩散，物质的迁移，颗粒间由机械接触转化为物理原子的扩散，物质的迁移，颗粒间由机械接触转化为物理化学接触，形成金属键或共价键结合；化学接触，形成金属键或共价键结合；接触面扩大，出现烧结颈和烧结颈长大，密度提高，晶粒接触面扩大，出现烧结颈和烧结颈长大，密度提高，晶粒长大等。长大等。烧结颈形成示意图烧结

46、颈形成示意图56 由于烧结中有由于烧结中有液相流动液相流动，再加上，再加上液相扩散液相扩散，烧结组，烧结组织十分致密，空隙很少。织十分致密，空隙很少。 从从TEM图谱中可知，液相流动可使白色的富图谱中可知，液相流动可使白色的富Nd相薄相薄层均匀分布在主相周围，硬磁晶粒之间彼此被孤立层均匀分布在主相周围，硬磁晶粒之间彼此被孤立，有利于提高磁体矫顽力。，有利于提高磁体矫顽力。烧结烧结NdFeBNdFeB磁体的磁体的TEMTEM图谱图谱致密烧结致密烧结NdFeBNdFeB磁体的微观组织磁体的微观组织57回火回火 NdFeB永磁合金烧结快冷后磁性能较低。回火处理永磁合金烧结快冷后磁性能较低。回火处理可

47、显著提高可显著提高NdFeB合金的磁性能，尤其是矫顽力。合金的磁性能，尤其是矫顽力。 回火温度对合金性能的影响与富回火温度对合金性能的影响与富Nd相的数量、形相的数量、形貌和分布有关。貌和分布有关。通过回火可进一步提高富通过回火可进一步提高富Nd相分相分布的均匀性，有利于获得高矫顽力的显微组织布的均匀性，有利于获得高矫顽力的显微组织，同同时提高合金磁性对温度的稳定性时提高合金磁性对温度的稳定性。 但回火时间不能太长，防止形成过量的富但回火时间不能太长，防止形成过量的富Nd相及相及其聚集，降低合金的矫顽力。其聚集，降低合金的矫顽力。58NdFeB磁体微观结构磁体微观结构 烧结烧结NdFeB磁体的

48、磁性主要由硬磁相磁体的磁性主要由硬磁相Nd2Fe14B相决相决定。此外，磁体中还有富定。此外，磁体中还有富Nd相和富相和富B相相(室温下呈非室温下呈非磁性磁性)，-Fe、Fe3B、Nd2Fe17等软磁性相。等软磁性相。 在理想情况下，在理想情况下，主相晶粒应被非磁性的晶界相完全主相晶粒应被非磁性的晶界相完全分离开分离开，这就要求在烧结中有足够的畜，这就要求在烧结中有足够的畜Nd相。弱磁相。弱磁性相及非磁性相的存在具有隔离主相的作用，提高性相及非磁性相的存在具有隔离主相的作用，提高磁体的矫顽力，但降低饱和磁极化强度和剩磁。磁体的矫顽力，但降低饱和磁极化强度和剩磁。59 烧结烧结NdFeB磁体应当

49、由磁体应当由具有单畴尺寸具有单畴尺寸(0.3 m)且大小且大小均匀的椭球状晶粒构成，硬磁性晶粒结构完整，没均匀的椭球状晶粒构成，硬磁性晶粒结构完整，没有缺陷，磁矩完全平行取向，晶粒之间被非磁性相有缺陷，磁矩完全平行取向，晶粒之间被非磁性相隔离，彼此无相互作用。隔离，彼此无相互作用。 实际制备的磁体实际制备的磁体Nd2Fe14B相晶粒表面是主相与非磁相晶粒表面是主相与非磁性相的过渡层，晶格结构及原子组成不同于晶粒内性相的过渡层，晶格结构及原子组成不同于晶粒内部，为部，为晶粒边界结构缺陷晶粒边界结构缺陷。 晶粒边界结构缺陷既容易成为反磁化的成核区域，晶粒边界结构缺陷既容易成为反磁化的成核区域，但同

50、时又是阻碍畴壁运动的钉扎部位，但同时又是阻碍畴壁运动的钉扎部位，对磁体的矫对磁体的矫顽力有决定性影响。顽力有决定性影响。60烧结烧结NdFeB磁体磁性能影响因素磁体磁性能影响因素 稀土稀土-过渡族金属化合物中，过渡族金属化合物中，R亚晶格与亚晶格与TM亚晶格亚晶格之间的交换相互作用影响各向异性和磁化行为等内之间的交换相互作用影响各向异性和磁化行为等内禀磁性，晶粒之间的相互作用影响磁体的矫顽力、禀磁性，晶粒之间的相互作用影响磁体的矫顽力、剩磁和磁能积等宏观磁性。剩磁和磁能积等宏观磁性。 凡是影响凡是影响Nd2Fe14B晶粒中晶粒中R、TM两种亚晶格之间以两种亚晶格之间以及晶粒之间相互作用的因素都

51、会对及晶粒之间相互作用的因素都会对NdFeB磁体性能磁体性能产生影响产生影响。61合金元素合金元素 添加元素既可影响主相内禀特性，又可影响微观结构添加元素既可影响主相内禀特性，又可影响微观结构 一是一是替换元素，主要作用是改变主相的内禀特性替换元素，主要作用是改变主相的内禀特性；替换元素替换元素 正效果正效果原因原因 负效果负效果 原因原因 Co代换代换Fe Tc提高提高Br提高提高抗蚀性提高抗蚀性提高Co的的Tc比比Fe高，高，Nd3Co晶界相代替晶界相代替原来易蚀的富原来易蚀的富Nd相相 Hcj下降下降 新 的 晶 界 相新 的 晶 界 相Nd2Co或或Nd(Fe，Co)2是软磁相，是软磁

52、相，不起磁去耦作用不起磁去耦作用Dy、Tb代换代换Nd Hcj提高提高Dy细化主相晶粒，细化主相晶粒，Dy2Fe14B的的HA比比Nd2Fe14B的高的高 Br下降下降(BH)m下降下降 Dy与与Fe呈亚铁磁呈亚铁磁性耦合，使主相性耦合，使主相Ms下降下降 替换元素所起作用及其原因替换元素所起作用及其原因62 二是二是掺杂元素，阻碍晶粒长大，使畴壁移动困难掺杂元素，阻碍晶粒长大，使畴壁移动困难。掺杂元素掺杂元素 正效果正效果原因原因 负效果负效果 原因原因 晶界改进晶界改进元素元素Cu、Al、Ga、Zn等等 Hcj提高提高抗蚀性抗蚀性提高提高形成非磁性晶界相，使形成非磁性晶界相，使主相磁去耦，

53、同时还抑主相磁去耦，同时还抑制主相晶粒长大，代替制主相晶粒长大，代替原来易蚀的富原来易蚀的富Nd相相 Br下降下降(BH)m下降下降 非磁性元素局非磁性元素局部溶于主相代部溶于主相代替替Fe，使主相，使主相Ms下降下降 难熔元素难熔元素Nb、Mo、V、W、Cr、Zr、Ti等等 Hcj提高提高抗蚀性抗蚀性提高提高抑制抑制-Fe、Nd(Fe,Co)2相生成，增强磁去耦，相生成，增强磁去耦，抑制主相晶粒长大，新抑制主相晶粒长大，新的硼化物晶界相代替原的硼化物晶界相代替原来富来富Nd相相 Br下降下降(BH)m下降下降 在晶界或晶粒在晶界或晶粒内生成非磁性内生成非磁性硼化物，使主硼化物，使主相体积分数

54、下相体积分数下降降 掺杂元素所起作用及其原因掺杂元素所起作用及其原因63定向度定向度 提高烧结磁体定向度的方法：提高烧结磁体定向度的方法： 增大定向磁场到一定值；增大定向磁场到一定值； 在成型前提下减小磁粉的内摩擦，采用低成型压力；在成型前提下减小磁粉的内摩擦，采用低成型压力； 控制成分，增大主相比例，减小磁粉粒径及其分布范控制成分，增大主相比例，减小磁粉粒径及其分布范围，控制晶粒生长等围，控制晶粒生长等。 通过这些方法，通过这些方法，工业磁体的生产取向可达工业磁体的生产取向可达96%以上以上。64含氧量含氧量 磁体制作中不可避免带入氧，对磁体性能造成巨大磁体制作中不可避免带入氧，对磁体性能造

55、成巨大影响。当氧含量从影响。当氧含量从0.12%增大到增大到0.65%时，富时，富Nd晶界晶界相氧化成为反磁化畴成核中心，磁体的相氧化成为反磁化畴成核中心，磁体的Hc j从从1066kA/m下降到下降到716kA/m。 控制氧含量是控制晶粒尺寸的有效方法控制氧含量是控制晶粒尺寸的有效方法。用含氧量。用含氧量分别为分别为0.12%，0.4%，0.53%和和0.65%(质量分数质量分数)的的3m磁粉制作的磁体，平均晶粒尺寸为磁粉制作的磁体，平均晶粒尺寸为7.5、7.0、6.9和和6.2m，呈下降趋势。，呈下降趋势。65热稳定性热稳定性 提高提高NdFeB磁体的工作温度途径：磁体的工作温度途径： 提高居里温度和室温矫顽力，分别用添加提高居里温度和室温矫顽力，分别用添加Co和和Dy来来实现。实现。在高温在高温(175)下较高的下较高的Hcj对降低不可逆退磁对降低不可逆退磁是必要的。是必要的。添加添加0.02(摩尔分数摩尔分数)以上的以上的Dy对提高对提高Hcj十分有效十分有效。 调整合金成分，降低调整合金成分，降低Hcj也是提高工作温度的一个有也是提高工作温度的一个有效途径效途径。66提高提高