材料物理课件 Chap7.37.4磁性材料

1、材料物理课件 Chap7.3-7.4磁性材料7.3.1 软磁材料概述 7.3.1.1 定义和应用范围 软磁材料是具有低矫顽力低矫顽力、高磁导率的合金高磁导率的合金。其磁滞回线是细长的。 HC 400A/m 叫软磁；叫软磁； HC：400-20000A/m 叫半永磁；叫半永磁； HC 20000A/m 叫永磁。叫永磁。 除少数用在直流磁化状态外，大多数用于交流磁化状态。例如，电磁铁极头、极靴、磁屏蔽、磁导体、电机和变压器铁心、继电器、扼流圈、电感器、磁头放大器等的铁心、磁头、微波器件等等。 功能：能量、信息的转换、传输和存储的作用。 矫顽力矫顽力是材料在正向加磁场使磁化强度达到饱和，然后去掉磁场

2、，再反向加磁场直到磁化强度为零，其相对应的磁场称为矫顽力HC。 7.3.1.4 影响软磁材料性能的冶金和物理因素 Ms、Tc、HK（各向异性场）等参数是结构不敏感参量，属内禀特性；磁导率、HC、损耗、剩磁比等参数是结构敏感参量，其性能与杂质含量、应力、晶体取向、晶粒大小、晶体缺陷、各向异性等参数有关，是由制备条件和工艺决定的，为非内禀特性。1）杂质）杂质 一般情况下，杂质对软磁性是有害的，特别是形成间隙固溶体的杂质（C、N、O、H等），因为晶格畸变造成的应力是畴壁移动的阻力。如果不固溶而形成化合物夹杂则更有害，使Hc提高，磁导率下降。若是代位固溶杂质（Mn、Cu、Si等）影响较小。 但并非一切

3、杂质都是有害的。在一定情况下也可起到有利的作用。如硅钢中的MnS、AlN等为有利夹杂，有利于获得再结晶织构。 在工业生产上要特别注意控制杂质的含量。原材料要纯净，采用真空熔炼，氢气退火等。2）合金元素）合金元素合金化是发展磁性合金的必由之路，因为纯金属显然不能满足磁性材料的各种特性要求。对于软磁合金来说，加入的合金元素应能满足以下条件之一。 (1)提高电阻率提高电阻率,减小涡流效应。减小涡流效应。例如在纯Fe中加入3%Si，提高了电阻率，发展成为硅钢片；在79%Ni-Fe合金中加入4-5%Mo发展成为钼坡莫合金。 (2)提高饱和磁感应强度。提高饱和磁感应强度。对于Ni基合金，加入Fe或Co可以

4、提高Bs值；对于Fe基合金，能提高其磁感的元素仅有Co，加入35%Co可使其Bs值从纯Fe的2.15T增加到2.4T以上，这是目前Bs值最高的合金。 (3)提高磁导率，降低矫顽力。提高磁导率，降低矫顽力。要求加入的合金元素应能使合金的磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数下降，最好能使两者或其中之一趋近于零。选择Fe-Ni、Fe-Si等系列的基本考虑即如此。3）晶体织构）晶体织构 利用晶体取向获得磁晶各向异性，可大大改善磁性能。如硅钢取得合理的织构可大大降低损耗，提高性能；Fe-Ni合金（Ni较低）形成（100）001的立方织构也可改善磁性。但并不是一切织构都好，如电机硅钢片要求各向同性，否则反而有害

5、。 4）有序）有序无序转变无序转变 合金发生有序无序转变时，磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数发生明显的变化。有序度不同，其值不同。通过热处理（冷却速率、Tc以下的保温时间等）可以改变有序度，使K1、s0，使软磁性能提高。有序结构的种类如图。 (1) CsCl型结构。型结构。如含50%(at)的Fe-Co合金，Co原子位子体心立方点阵的中心位置，Fe原子位于尖角端点，如图（a）所示。 (2) AuCu3型结构型结构。如含75%(at)的Ni-Fe合金，可形成Ni3Fe有序结构，其中Ni位于面心立方晶胞的面心位置，Fe原子位于晶胞的尖角位置，如图（b）所示。 (3) Fe3Al型有序结构型有序结构。

6、单位晶胞如图（c）所示。在完全的Fe3Al有序结构中，Fe原子占据点阵中的a、c、d位置，Al原子占据b位置。在无序的Fe3Al中，a、b、c、d位置可以任意为Fe或Al原子占据。当Al原子数高于34%时，在合金中形成部分FeAl型有序结构。此时Fe原子占据a、c位置：Al原子占据b、d位置。 软磁合金中的有序结构5）磁场退火）磁场退火 磁性材料在居里温度以下退火时加外磁场有可能形成感生各向异性。即形成人工控制的磁各向异性，从而改变磁性能。 如65Ni-Fe合金 * 在缓冷时，K10。 * 纵向磁场退火后，沿外加磁场方向的磁滞回线为矩形（矩磁合金）。 * 垂直于磁场方向（横向退火）磁滞回线接近

7、直线-恒导磁。 65Ni-Fe合金经不同热处理后的磁滞回线（a）1000退火，快冷；（b）1000缓冷；（c）从1000在纵向磁场中冷却；（d）从1000横向磁场中冷却。6）应力）应力 当磁性材料加以宏观的弹性应力时，通过弹性应力和磁致伸缩的耦合而使磁化强度的方向发生变化。磁弹性能为： 对于正磁致伸缩材料，s0，施加张力（0）时，=0时，E最低。即易磁化方向沿张力方向；施加压力时，沿压力方向的磁化困难。s0的材料，结果正相反。注意：应力变形或退火使性能改善或恶化。而软磁材料残留应力则更为有害。因此软磁材料生产要注意成品退火以消除应力；使用中也要予以注意。7）塑性变形）塑性变形 软磁材料的生产大

8、多需要塑性变形。但变形后，晶格扭曲，产生应力将损害软磁性能。伴随塑性变形，必须配合以退火处理(中间退火、最终退火)，以保证应力减到最小。此外，变形产生的应力会造成感生各向异性，对磁性能产生明显的影响。 cos23sE7.3.2 电工纯铁电工纯铁 纯铁是最便宜、易加工、应用最早的软磁材料，也是其他软磁材料的原材料。纯铁包括：工业纯铁、电解铁、羟基铁工业纯铁、电解铁、羟基铁几类。工业纯铁是用电炉、平炉或转炉冶炼的，杂质总含量0.2%，C0.04%。电解铁是工业纯铁电解产物，纯度较高，C0.006%。羟基铁是化学提纯的产物，纯度高，但价格高，用作磁介质的原料。 电工纯铁的饱和磁感应强度为2.15T，

9、磁导率较高，矫顽力较低（70-90A/m），但电阻率低（ ），铁损较大。 纯铁主要用在直流磁场下。如电磁铁铁心和极头继电器铁心和衔铁、磁屏蔽罩等。 cm10纯铁的Bs高，但电阻率低，铁损大，使用受限制。Fe中加Si成为硅钢片成为用途最广、用量最大的软磁材料。世界年产几百万吨，占钢材总量的1%左右。主要用于电机、变压器铁心；电源变压器、脉冲变压器、磁放大器、继电器、电感线圈的铁心等。1.无取向硅钢无取向硅钢：热轧无取向硅钢片、冷轧无取向硅钢片；特点：特点：比热轧硅钢比热轧硅钢Bs高，铁损低，板性形表面质量好。应用在电机中。含高，铁损低，板性形表面质量好。应用在电机中。含Si量为量为1-3%。硅钢

10、片尽可能为各向同性。硅钢片尽可能为各向同性。2. 取向硅钢取向硅钢 各向同性的无取向硅钢片性能较低。为提高磁性能，采取获得晶体织构的方法，即利用Fe-Si合金的磁晶各向异性。Fe-Si合金的易磁化方向是100，难磁化方向是111。100方向有最佳的磁性能。工业用金属材料是多晶体，各晶粒取向是紊乱的。如果能把各晶粒的易磁化方向按一定方向规则排列，称之为晶体织构（也叫择优取向）。那么在该方向使用就有最佳磁性。Fe-Si合金有两种织构：高斯织构（110）001，单取向；通过二次冷轧和再结晶退火的工艺获得通过二次冷轧和再结晶退火的工艺获得的的立方织构（100）001，双取向。是由二次再结晶获得的。是由

11、二次再结晶获得的。立方织构高硅钢在性能上优于高斯织构，表现为磁导率高，但难以批量立方织构高硅钢在性能上优于高斯织构，表现为磁导率高，但难以批量生产。生产。铁镍软磁合金的主要成分是铁、镍、铬、铝、铜等元素。在弱磁场及主要成分是铁、镍、铬、铝、铜等元素。在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，低的损耗。该合金加工性能良好，可轧成低的损耗。该合金加工性能良好，可轧成3 3mmmm厚的薄带，厚的薄带， 可可500500kHzkHz的的高频下应用。高频下应用。铁镍软磁合金与电工钢相比性能优越，被广泛地应用于电讯工业

12、，仪表，电子计算机，控制系统等领域，只是价格昂贵。此外，工艺参数变动对其磁性能影响很大，因此，产品性能不够稳定。 Fe-Ni合金有70多种成分，牌号300多个。按性能可分：1）一般软磁材料）一般软磁材料：（a）高导磁合金：70-80%Ni，加入Mo、Cr、Cu、V等。导磁率最高。有1J79（Ni79Mo4）、1J85（Ni80Mo5）、1J86（Ni81Mo6）、1J77（Ni77Mo5Cu4）等。（b）高导磁高磁感合金：45-65%Ni。如1J46（Ni46）、1J50（Ni50）等。2）热磁合金热磁合金：约30%Ni。居里点接近室温，Bs随温度线性下降，作温度补偿材料。有Ni30、Ni32

13、、Ni38Cr13等。3）矩磁合金）矩磁合金：65%Ni左右，Br/Bs1。1J65、1J67（Ni65Mo2）等。4 4）恒导磁合金）恒导磁合金：在一定磁场范围内，磁导率恒定（或变化很小），磁滞回线呈扁平状。Ni45Co25、Ni50、Ni65。 7.3.5 7.3.5 铁氧体铁氧体软磁材料软磁材料 铁氧体铁氧体:铁的氧化物和其它一种或几种金属氧化物组成的复合氧化物。 比如：Fe2O3MeO。材料产生的背景材料产生的背景：通讯业的快速发展，迫切需要适于更高频率下工作的，电阻率更高、涡流损耗更低的软磁材料。软磁铁氧体正是在这种背景下应运而生的。它的电阻率高，涡流损耗低。 电工纯铁，其电阻率只有

14、107m； 而NiZn铁氧体的电阻率可高达108m，涡流损耗小，适用于高频及超高频（微波领域）磁场条件下。基本特性：高起始磁导率i高品质因数Q高稳定性高截止频率fr晶型晶型分子式分子式代表材料代表材料 磁特性磁特性 尖晶石型MeFe2O4 Mn(Zn)Fe2O4, Ni(Zn) Fe2O4 软磁磁铅石型MeO6Fe2O3 Co2Z, BaO6Fe2O3, SrO6Fe2O3 软磁或永磁石榴石型 R3Fe15O12 Y3Fe15O12 旋磁铁氧体材料分类注：Me代表2价金属离子；R代表稀土离子。 主要用途：计算机、通讯、自动控制、航空航天、仪器仪表、医疗、汽车工业。铁氧体软磁晶体结构铁氧体软磁晶

15、体结构1. 具有尖晶石型晶体结构。vMeFe2O4中，2价金属离子Me可以是 Mn2，Zn2+，Ni2+，Mg2+，Co2+。v实用软磁铁氧体： Mn-Zn, Ni-Zn, Mg-Zn, Cu-Zn等体系。类型类型软磁特性软磁特性主要用途主要用途MnZnMnZn铁氧体铁氧体较高的饱和磁感应强较高的饱和磁感应强度，工作频率在度，工作频率在10103 3- -10106 6HzHz（低频段）（低频段）各种变压器，磁头各种变压器，磁头材料以及通讯用线材料以及通讯用线圈等。圈等。NiZnNiZn铁氧体铁氧体具有较高的电阻率，具有较高的电阻率，工作频率在工作频率在10105 5-10-108 8HzHz

16、民用电器设备中的民用电器设备中的电感器，棒状天线电感器，棒状天线等。等。MgZnMgZn铁氧体铁氧体工作频率最高，工作工作频率最高，工作频率在频率在10108 8-10-109 9 HzHz微波通讯领域。微波通讯领域。数微米数十微米的晶粒和晶界构成数微米数十微米的晶粒和晶界构成例子例子:MnZn:MnZn铁氧体的显微组织铁氧体的显微组织Co2Z 铁氧体的截止频率为1.5GHz, 用IrO2取代Co2Z中的铁，截止频率可以达到8GMz。2. 具有六角晶系铁氧体结构。7.4永磁材料7.4.1 永磁材料的基本指标 7.4.2 提高永磁体性能的途径7.4.3 金属永磁材料7.4.4 铁氧体永磁材料7.

17、4.5 稀土永磁材料7.4.1 永磁材料的基本指标 永磁材料是指被外加磁场磁化后，除去外磁场，仍能保持较强磁性的一类材料。永磁材料的基本要求：（1）剩余磁感应强度Br要高（2）矫顽力Hc(MHC, BHC)要高（3）最大磁能积（BH）max要高（4）材料稳定性要高在理想条件下的永磁体（矩形磁滞回线，MHC充分大）（BH）max=0MS2/47.4.2 提高永磁体性能的途径永磁体的最大磁能积（BH）max是表征永磁体性能的最主要指标，因此要求Br和矫顽力Hc尽可能大。7.4.2.1 提高材料的剩磁Br （Br/Bs接近1） 定向结晶定向结晶柱状晶的磁性能往往介于单晶材料和普通等轴晶之间，柱状晶晶

18、粒长大方向往往是它的易磁化轴方向。（例如：AlNiCo合金）2. 通过塑性变形形成织构通过塑性变形形成织构Fe-Cr-Co永磁合金制作薄板或细丝时，通过塑性加工，使析出物产生织构而诱导磁各向异性。3. 磁场成型磁场成型在永磁体加工成型过程中加外磁场，使磁性颗粒的易磁化轴沿外磁场方向取向，再高温烧结和回火，得到较高的Br.4. 磁场热处理磁场热处理将材料在外磁场中热处理，控制铁磁相的析出形态，使磁距沿外磁场方向择优取向。7.4.2.2 提高材料的矫顽力Hc材料的矫顽力主要是由畴壁不可逆移动和不可逆转动形成的。其大小是由各种因素（如磁各向异性、掺杂、晶界等）对畴壁不可逆位移和磁畴不可逆转动的阻滞作

19、用的大小来决定的。1. 磁畴的不可逆转动某些永磁材料是由非常细小的颗粒粘结而成，其中的许多颗粒可能只含有一个磁畴，即单畴颗粒。单畴的临界尺寸为：2029ScMr式中，为单位面积的畴壁能。磁畴内的磁化矢量要从一种取向转动到另一个取向，必须克服来自各种磁各向异性对转动的阻滞。在永磁合金中磁各向异性主要有三种：磁晶各向异性、形状各向异性、和应力各向异性。如果单畴颗粒之间的相互作用可以忽略不计，并且各个磁畴内磁化矢量的转动属于一致转动，则材料的总矫顽力为：SSSSCMcMNNbMKaH001)(长轴短轴上式中，右边三项依次为磁晶各向异性、形状各向异性、和应力各向异性的贡献。N是退磁因子，a、b、c是和

20、颗粒的晶体结构取向分布有关的函数。（1）对于高Ms的单畴材料最好通过形状各向异性来提高矫顽力，希望磁体的细长比越大越好，以增大（N短轴-N长轴）值。（2）对于高K1和S的材料应该利用磁晶各向异性和应力各向异性来提高矫顽力。（3）各单畴颗粒取向状况（反映在系数a、b、c 的相对大小）单畴颗粒取向完全一致时，a=2, c=1;单畴颗粒取向完全混乱分布时，a=0.64(立方晶系，K11）或a=0.96(单轴晶体），c=0.48。所以在大块单畴材料中，当所有单畴颗粒的易磁化轴（长轴）方向完全排列时，材料的永磁性能最高。由单畴颗粒的磁各向异性产生的高矫顽力的永磁材料中，属于形状磁各向异性机制有：Al-N

21、i-Co合金、Fe-Cr-Co合金；属于磁晶各向异性机制的而又Nd2Fe14B、钡氧体。2. 畴壁的不可逆位移（1）对畴壁的不可逆位移产生阻滞（增强阻滞）增大非磁相掺杂含量并控制形状（最好是片状掺杂）和弥散度（使掺杂尺寸和畴壁宽度相近），同时应选择高磁晶各向异性材料；或增加材料的内应力的起伏，同时选择高磁致伸缩材料。（2）应有强烈的畴壁钉杂效应（提高钉杂场）材料在反磁化过程，当反向场低于钉杂场时，畴壁基本固定不动，只有反向场超过钉杂场时，畴壁才能挣脱束缚发生不可逆位移。晶体中各种缺陷、位错、晶界、堆垛层错、相界等都是畴壁钉杂点的重要来源。7.4.3 金属永磁材料淬火硬化型磁钢淬火硬化型磁钢 包

22、括碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、铝钢等。它们的矫顽力主要是通过高温淬火手段，把奥氏体组织转变成马氏体。矫顽力和磁能积比较低。 2. 析出硬化型磁钢析出硬化型磁钢（1）Fe-Cu系合金，应用于铁簧继电器；（2）Fe-Co系合金，应用于半固定装置的存储元件；（3）AlNiCo系合金（FeNiAl），应用最广泛。3. 时效硬化型永磁合金时效硬化型永磁合金 它的矫顽力是通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得。它的加工性能好。4. 有序硬化型永磁合金有序硬化型永磁合金 包括锰铝、钴铂、铁铂、锰铝和锰铝碳的合金。它的特点是在高温下处于无序状态，经过适当的淬火和回火后，无序相析出弥散分布的有序相，从而提高合金的矫

23、顽力。一般用来制造磁性弹簧、小型仪表元件和小型磁力马达的磁系统。7.4.4 铁氧体永磁材料工业上得到广泛应用的永磁铁氧体材料主要有钡铁氧体钡铁氧体(BaO6Fe2O3)、锶铁氧体锶铁氧体(SrO6Fe2O3)两大类。铅铁氧体(PbO6Fe2O3)用得较少。和金属永磁材料一样，硬磁铁氧体材料也要求具有高矫顽力、高剩磁和高磁能积。硬磁铁氧体的磁性能与配方(成分)、工艺、显微组织结构有关。磁性能主要由下列因素来决定磁性能主要由下列因素来决定: :(1)，硬磁铁氧体的矫顽力由单畴粒子的磁晶各向异性常数来决定，铁氧体的孤立单畴粒子的临界尺寸为dc=0.90m，而许多同类颗粒的集合体中，其单畴临界尺寸是d

24、c的2-3倍。为获得高矫顽力最好将其晶粒尺寸控制在几个m范围内，为此须合理地控制烧结温度和烧结时间。虽然提高烧结温度和延长烧结时间可提高其致密度，有利于剩磁的提高，但烧结温度过高，烧结时间过长，要引起晶粒长大，而导致矫顽力显著下降；(2)，应使其相对密度达到98%以上；(3)，尽可能使六角晶体的C轴沿取向轴方向平行取向，当取向度达到100%时，其剩磁可达到Br=0Ms；(4)，这也是提高其剩磁和最大磁能积的重要途径。 第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代稀土永磁SmCo5Sm2Co17Nd2Fe14B ?晶体结构CaCu5型六角晶系六角或菱方结构四方晶系低对称晶系Js(T) oMs

25、1.141.251.61.8Tc (oC)727920320300HA(T)25-446.57 7(BH)m(kJ/m3)200(259)*250(310)462(512) 600*( ) 代表(BH)m理论值。纳米复合稀土永磁纳米复合稀土永磁（BH)m(理论理论） 800（kJ/m3)工艺：速凝；氢爆；双合金工艺：速凝；氢爆；双合金7.4.5 稀土永磁材料 7.4.5.1 稀土过渡族金属间化合物的结构和磁性 从周期表中电子轨道的特殊性看，与磁性有缘的元素： 3d过渡族过渡族（TM）Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、V； 4f过渡族过渡族（R）：包括Y在内的稀土元素。稀土和3d过渡族可组成多

26、种比例的金属间化合物，包括：RTM2、RTM5、R2TM19等。从RTM2到RTM5间有 (n+2) / (5n+4)的关系式。n=0 RTM2 n=1 RTM3 n=2 R2TM7 n=3 R5TM19 n=4 RTM4 n=无穷大 RTM5其中，3d只有Fe、Co、Ni、Mn的R-TM金属间化合物有磁矩。研究得知，R-Mn化合物或为低Tc的亚铁磁性，或为反铁磁性；R-Ni化合物的磁矩很低，R-Fe化合物为铁磁性活亚铁磁性，但一般Tc低；R-Co化合物大多数为铁磁性，Ms高，Tc高，成为永磁的可能最大。7.4.5.2 SmCo5永磁合金第一代稀土永磁SmCo5永磁合金是用烧结方法制备的。工艺

27、流程工艺流程：冶炼制粉成型烧结热处理切磨加工检验。由于稀土永磁容易氧化，所以冶炼、制粉、成型、烧结和热处理等工序要在Ar气中进行。 SmCo5的磁化曲线和退磁曲线如图。由磁化曲线看出，随外磁场增加，磁化强度很快达到饱和。但未磁化到饱和就反磁化时，Hc很低。说明无论是磁化还是反磁化，畴壁易移动。未饱和时呈现残余畴壁的状态，很小的反磁化场就使畴壁移动，所以Hc很低。当磁化到饱和时，畴壁消失，Hc达到最高。说明反磁化畴的形成必须在高场下形核并长大，Hc受形核场控制。此矫顽力机制叫形核机制。 7.4.5.3 Sm2Co17永磁合金-第二代稀土永磁Sm2Co17的饱和磁化强度比SmCo5更大，有希望性能

28、更高。但磁晶各向异性常数小于SmCo5，矫顽力不高。研究发现，往Sm2Co17中加入Cu，可分解成两相- Sm(Co、Cu)5和Sm2(Co，Cu)17。利用此开发了Sm2(Co,Cu)17 和Sm2(Co,Cu,Fe)17型永磁-第二代稀土永磁。加入Fe是为了提高饱和磁化强度，但过量会降低矫顽力，因此Fe控制在低于5%。若再加入Ti不仅矫顽力提高，还可将Fe含量提高一倍以上。后来又发现Zr、 Hf也很有效。以此Sm2(Co,Cu,Fe,M)17 (M=Ti、Zr、Hf、Ni)合金投入生产。 2-17型合金的Tc高达850，Br可逆温度系数为-0.036%/。不可逆损失很小，150时，低于-2

29、%。磁温度稳定性仅次于Alnico合金。2-17型合金的成分实际为Sm(Co,Cu,Fe,M)Z，其中Z=6.6-7.8。 2-17型合金的显微结构为胞状结构，约500的富Fe、Co的Sm2(Co,Cu,Fe,M)17主相（2-17相）被富Sm、Cu的100厚的Sm(Co,Cu,Fe,M)5相（1-5相）包围。 由于1-5和2-17相的畴壁能不同，在磁化和反磁化时2-17相中的畴壁被1-5相钉扎，矫顽力受钉扎场控制。从其磁化曲线和反磁化曲线看出，由于畴壁钉扎随磁化场增加，磁化曲线升高缓慢，当外磁场大于钉扎场时才迅速磁化到饱和。未磁化到饱和便反磁化时也有较高的矫顽力。说明该合金的矫顽力完全由畴壁

30、移动困难控制，属典型的钉扎机制。 2-17型合金的制造工艺与SmCo5大体相同，不同的只是烧结和热处理。特别是热处理采用固溶处理、等温（或分级）时效的方法。固溶温度为1130-1170，以获得均匀的单相化合物固溶体。在经过800以下的等温（或分级）时效，分解成尺寸适当、成分差别较大的胞状结构。 7.4.5.4 稀土铁永磁合金第三代稀土永磁寻找铁基永磁合金具有R-Co合金的优异性能是一直追寻的目标。但由于R-Fe（RFe5）化合物的六方结构不稳定，R2Fe17化合物的居里温度(Nd2Fe17:54)太低，都不适于永磁合金。因此，从多元R-Fe-X化合物入手。 自l980年开始，Croat、Koo

31、n等人广泛研究了Pr-Fe、Nd-Fe系微晶永磁，并把B作为类金属元素加入，将新型稀土永磁材料研究引入到R-Fe-B系方向。在l983年几乎是同时，Croat、Hadjipanyis、Koon等人先后用快淬快淬和随后热处理的办法将R-Fe-B做出具有高矫顽力的永磁体，其磁硬相最终确定为R2Fel4B相。日本Sagawa等人则另辟蹊径，首先用粉末冶金法粉末冶金法研制出更高性能的Nd-Fe-B永磁体，磁能积高达288 kJ/m3，从而宣告了具有重大意义的新一代稀土永磁材料的诞生。随后，各国学者一直致力于其磁性能的提高。1993年10月美国金属学会年会上，住友公司又宣布己中试规模生产出磁能积高达43

32、3.6 kJ/m3的磁体。到目前为止，Nd-Fe-B是永磁材料中磁性能最高的。R-Fe-B系永磁材料具有异常优异的磁性能，且原料资源丰富，是一种具有广阔发展前景的永磁材料，目前正逐步取代Sm-Co系永磁体和铸造永磁体，能否取代铁氧体永磁体，则取决于它的成本能否进一步降低。 7.4.5.4.1、R-Fe-B化合物的结构与磁性最典型的是Nd2Fe14B化合物。它属于四方晶系，空间群为P42/mnm，单胞的空间结构示于图中。它由四个Nd2Fe14B分子组成。在一个晶胞内有68个原子，其中有8个Nd原子、56个Fe原子、4个B原子。这些原子分布在9个晶位上：Nd原子占据4f、4g两个晶位，B原子占据4

33、g晶位，Fe原子占据6个不同的晶位，即16K1、16K2、8j1、8j2、4e和4c晶位。Nd2Fe14B具有单轴各向异性，易磁化轴为C轴，有很强的磁晶各向异性。在293K测得的Nd2Fe14B化合物的磁晶各向异性常数K1的平均值为5.0MJ/m3，K2的平均值为0.66MJ.m3 。Nd2Fe14B的饱和磁化强度最高，为1.6T。其次是Pr、Sm、La、Ce，重稀土的较低。其各向异性场以Pr、Tb、Dy为最高，随温度升高，HA降低。相对于Co基合金，R2Fe14B化合物的居里温度都不高。 5.4.2 Nd-Fe-B磁体制备工艺目前，Nd-Fe-B磁体的制备工艺主要有：烧结法和粘结法 。 1.

34、烧结法1983年由日本住友特殊金属公司Sagawa等人首先制备成烧结Nd-Fe-B永磁体。烧结Nd-Fe-B系永磁体采用传统粉末冶金工艺，工艺流程为：冶炼铸锭 破碎制粉（平均粒径约为3m） 磁场取向成型 （800kA/m，压力约200MPa） 烧结(1080) 回火(600左右) 机械加工与表面处理 检测 Nd2Fe14B是经包晶反应包晶反应生成的。 1270: 结晶出初次晶Fe Tp：1185 Fe+L Nd2Fe14B（T1）+L TB：1090： Nd2Fe14B+LNd2Fe14B+富B相（T2）+L TN=655 ： L+Nd2Fe14B+T2Nd2Fe14B +T2+Nd 冷却速度

35、为103/s，初晶和包晶反应被抑制，直接从液相中结晶出Nd 2Fe14B 铸 态 组 织成分为Nd15Fe77B8的烧结磁体是多相组织，包括：Nd2Fe14B、Nd1+Fe4B4（富B相）、富Nd相（Nd95Fe5）。主相的平均粒径约为10m，占整个体积的85%以上。富B相以孤立块状或颗粒存在于角隅处。富Nd相存在于晶界处，它是低熔点化合物，熔点大约为580。烧 结 后 组 织 富富NdNd相的作用相的作用： 在粉末冶金中富Nd相成为液相时磁体致密化； 退火时使晶粒表面光滑，减少反向畴的形核点，提高材料的Hc。 需要指出的是，合金只有主相，材料的Hc几乎为零。现达到430kJ/m3(54MGO

36、e)的合金成分是Nd13Fe80B7。 技术的改进技术的改进:橡皮模等静压（RIP）技术和铸带工艺（Strip Casting Process）技术的出现再次挖掘了烧结Nd-Fe-B永磁材料的磁性能潜力。由于RIP技术所需压力较低，压坯形状规则和尺寸精确，可实现自动化生产，生产效率高。模具制造方便，造价较低，有利于生产批量小品种多的产品。通过铸带工艺可以获得没有-Fe析出的，晶粒结构微细而且均匀的薄带。它能生产（BH）max高于400 kJ/m3的磁体，也能得到高Hci的磁体。它已经用于大规模生产高性能Nd-Fe-B磁体。 烧结烧结Nd-Fe-B永磁材料优点是：永磁材料优点是： 高磁能积。理论

37、磁能积为512 kJ/m3（64 MGOe），比Sm-Co合金高。机械强度比Sm-Co合金好。成本较低、原料资源丰富且不含战略金属Co和Ni等。烧结烧结Nd-Fe-B永磁材料缺点是：永磁材料缺点是：居里温度低，温度稳定性差。Tc=312,限制了使用范围。一般最高使用温度低于150。耐蚀性、抗氧化性差。易生锈。通过合金化或表面包覆（镀Ni、Zn，电泳处理等）处理解决。由于脆性大而很难以加工，除简单形状（方形、瓦形等）外，复杂外形加工几乎不可能，而且加工过程损耗大，增加了烧结Nd-Fe-B器件的生产成本。 通过合金化来改善通过合金化来改善NdFeB材料的缺点：材料的缺点： Co：加Co取代Fe，可

38、以提高合金的Tc。 Dy：加Dy取代Nd，使材料的矫顽力提高、矫顽力温度系数减小。原因是提高了材料的各向异性场。但加入Dy使材料的Br降低。 Al：加入Al使材料的各向异性场降低，但材料的iHc提高了近两倍。这是由于显微组织的变化引起的。加入Al，烧结时，减小了主相与液相间 的浸润角。改变了边界相。 Nb、Ga：有效提高了iHc和温度稳定性。Ga的作用比Al、Dy更大。 矫顽力机制矫顽力机制：结NdFeB的矫顽力机制主要是形核机制，畴壁钉扎为次要作用。 根据根据：晶粒尺寸远大于单畴尺寸，晶粒为多畴； 热退磁状态，在较小的外场下畴壁易移动，畴壁光滑平整，晶界处有钉扎作用。 2. 粘结法粘结永磁体

39、是将永磁材料粉末与粘结剂和其它添加剂按一定比例均匀混合，然后用压制，挤出或注射成型等方法成型后，（经固化处理）制备而成的。与烧结磁体相比，粘结磁体具有如下优点：（1）能制成复杂形状的磁体；（2）能制成薄壁和不规则形状的磁体；（3）可与其它器件一体成型，做成复合元器件；（4）可制成内外圆多极磁体；（5）尺寸精度高，无需后加工；（6）成品合格率高，材料利用率高；（7）生产效率高等。缺点缺点是：磁性能低于烧结磁体、耐热性较差、硬度和压缩强度小、以及单位磁性能价格高等。 A、粘结NdFeB磁粉的制备工艺 Nd-Fe-B粘结磁体是众多粘结永磁材料中性能最好、发展最快的。粘结 Nd-Fe-B永磁材料所用磁粉的制造方法主要有： (1)快淬法；(2)HDDR法；(3)气体喷雾法；(4)机械合金