永磁材料-2(韩)教材

1、( (二二) )金属永磁材料金属永磁材料11章章-永磁材料永磁材料- - 韩满贵韩满贵内内 容容永磁材料永磁材料简介与简介与基础理论基础理论1 2金属金属永磁材料永磁材料 3铁氧体铁氧体永磁材料永磁材料 稀土永磁材料稀土永磁材料NdNd-Fe-B -Fe-B 4pBr或或Mr高；高；p矫顽力矫顽力HCJ和和HCB高；高；p(BH)max要大；要大；p曲线的退磁凸出系数趋于曲线的退磁凸出系数趋于 1；p稳定性好稳定性好 【温度稳定性、时间稳定性温度稳定性、时间稳定性】；p将永磁体选用在最佳工作点，即最大磁能积点将永磁体选用在最佳工作点，即最大磁能积点 附近；附近；p经济性好；经济性好；1. 对永

2、磁材料的性能要求v凸出系数的定义：凸出系数的定义： =（BH)max/(BrHc)描述退磁曲线形状的系数称为凸出系数，它等于永磁体最大磁能积与剩磁和矫顽力值乘积的比值， 是一个组织敏感参数。是永磁材料的晶体微观结构和磁结构的外观表现。可利用定向结晶，磁场及应力热处理等方法来提高。v =（Z/Z）100%v 不可逆变化不可逆变化自然变化自然变化v 可逆变化可逆变化当条件复原或重新充磁，永磁体的性能可以恢当条件复原或重新充磁，永磁体的性能可以恢复。如温度、外磁场干扰、机械冲击、振动等。复。如温度、外磁场干扰、机械冲击、振动等。永磁材料的稳定性永磁材料的稳定性过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱

3、溶，形成非均匀的混合固溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。1、概念、概念当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足 时，此固溶体就会失去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。2、特点、特点v 匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并非形核成长过程。v 浓度波幅度越来越大的涨落是依靠逆扩散来进行的。v 产生的两相和母相的晶格类型是相同 的，仅晶格常数稍有偏差。3、对金属永磁材料的影响、对金属永磁材料的影响分解时，控制磁性相成

4、单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高的矫顽力，具有优异的永磁特性。022cf2. 失稳分解失稳分解金属型永磁材料按造成高金属型永磁材料按造成高Hc的机理来划分的机理来划分v 淬火硬化型磁钢：淬火硬化型磁钢：这一类磁钢包括碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、铝钢等，其高矫顽力主要是通过高温淬火，钢中的奥氏体(-Fe 非磁性相）转变成马氏体(-Fe磁性相)并弥留在马氏体中产生很大的应力造成的。其矫顽力和磁能积都不高：Br = 0.65 -1.2 T, Hc = 3.98 22.3 kA/m(50 280 Oe), (B.H)m = 0.2 -1 MGOe (1.59 7.96 kJ/m3)，稳定性差。v

5、 析出硬化型磁钢：析出硬化型磁钢：包括Al-Ni-Fe系和Al-Ni-Co系合金。其矫顽力是在合金冷却过程中获得的，通过失稳分解沉淀(析出)近似单畴大小的伸长形成磁性相弥散分布在弱磁性相中，利用磁性相的形状各向异性，其反磁化依靠磁矩的非均匀转动。3. 高高Hc的机理的机理v时效硬化型永磁时效硬化型永磁；这类合金的高矫顽力是通过高温淬火后时效（回火），或塑性形变后再时效获得的。合金在时效处理过程中，发生失稳分解，析出近似单畴的磁性相，弥散分布于弱磁性性或非磁性相中。反磁化过程主要通过成核长大过程。若合金只由高温淬火或慢冷而不通过时效处理，都不能获得永磁性能。这类合金包括除单相型 RCo5合金以外

6、的所有稀土永磁合金和可加工磁铁，如Fe-Mo-Co合金，Fe-Co-V合金等。v有序硬化型永磁：有序硬化型永磁：；这类合金在高温下处于无序状态，经淬火以后回火时，由无序相中析出弥散状态的磁性有序相，从而获得高矫顽力。这类合金主要有Ag-Mn合金，Pt-Fe合金，Pt-Co合金，Mn-Al-C合金等。v单畴微粉型永磁：单畴微粉型永磁：这类永磁包括球形的和针状的微铁粉和微铁钴粉，以及MnBi合金，MnAl合金微粉等。在一定条件下磁场成型，微粉尺寸一般为0.01-1微米。反磁化主要利用单畴磁转动来获得高矫顽力。目前，其磁能积比理论值低得多，仅5MG.Oe左右，为理论值的1/10 1/3。v 永磁材料

7、磁性的优劣主要由最大磁能积永磁材料磁性的优劣主要由最大磁能积(BH)m判定，而判定，而(BH)m又又取决于取决于Br、Hc及退磁曲线的凸出系数及退磁曲线的凸出系数 。 一般一般Br变化范围小，如由变化范围小，如由0.2至至1.5T,仅相差约仅相差约8倍倍; Hc变化范围大变化范围大,如由如由4103至至8103安安/米米,相差相差200倍；倍； 可在可在0.025 0.85间变化。间变化。4. 提高永磁性能的措施提高永磁性能的措施v 提高提高MS (MS由成分决定，要想通过改变成分来大幅度提高材料的由成分决定，要想通过改变成分来大幅度提高材料的Ms是不太是不太可能的）可能的）v 对于成分给定的

8、永磁材料，提高对于成分给定的永磁材料，提高Br/Bs的比值的途径的比值的途径：1. 定向结晶（铝镍钴系列）定向结晶（铝镍钴系列） 永磁合金经熔炼进行铸造时，设法控制铸件的冷却条件，冷却后可以得到不同晶粒结构。一般来说，快冷时沿热流相反的方向会生长出柱状晶，缓慢冷却时形成等轴晶。柱状晶的磁性能往往介于单晶材料和普通等轴材料之间。这是由于柱状晶晶粒长大的方向往往是它的易磁化方向。2. 磁场热处理磁场热处理 （铝镍钴系列）（铝镍钴系列） 可以控制热处理过程中铁磁相颗粒的析出形态，并使磁矩沿磁场方向择优取向；3. 磁场成型磁场成型 使磁性颗粒的易磁化轴沿磁场方向取向，经高温烧结及回火后，可以改善永磁体

9、的矩形比特性，得到较高的剩磁Br;4. 塑性变形塑性变形 多晶体金属材料经拔丝、轧板、挤压、压缩等塑性变形，由于晶粒的转动等 晶粒的晶体学方向会发生一定的定向排列，称其为择优取向、织构等。剩磁剩磁Br或或Mr的控制的控制v 不可逆壁移；v 磁畴的不可逆转动；v 是使残余磁感应强度变为零时所需的反向磁场的大小，主要依赖增加畴壁位移和畴转的阻力增大Hc值；v 如果Hc是由壁移机制决定的，可在合金内增加应力梯度及非磁性相来增加Hc。这种机制只能获得较低的Hc值；v 若Hc是由畴转过程决定的，则磁畴在不可逆转动过程中受到的阻力就是Hc值的度量。这时依赖于造成单畴粒子或弥散的单畴脱溶相及其三种各向异性（

10、磁晶、应力及形状）来增加畴转的阻力，从而获得高的Hc值。矫顽力矫顽力Hc的控制的控制v畴壁钉扎：是指在材料反磁化过程中，当反向磁场低于某一钉扎场Hp时，畴壁基本上固定不动。只有当反向磁场超过钉扎场Hp时，畴壁才能挣脱束缚，开始发生不可逆位移。v点缺陷、位错、晶界、堆垛、层错等有关的局域性交换作用和局域性各向异性起伏等都可以是畴壁钉扎点的重要来源u选择高的Hc，高Tc 配方 ，并可添加有益杂质，以及利用不 同系列合金，正负温度等效互相补偿来提高稳定性。p 人工时效处理人工时效处理：在高于室温的某一适当温度下，把永磁体保温若干时间，以加速自然时效过程，也就是在短时间内的热时效来完成长时间的常温时效

11、。 机制有两种：微观组织的稳定处理；磁微观组织的稳定处理；p 温度循环处理：在比工作温度范围宽的温度，反复循环多次。p 交流退磁处理：经饱和充磁后的磁体，为了降低不可逆变化，将永磁体放在交流(50 Hz)磁场中退磁。p 磁接触稳定处理：在许多场合下，当永磁材料装配和运输时，永磁体互相接触是频繁的，所以预先进行磁接触处理以提高稳定性是必要的。 处理方式有处理方式有：(1)磁体与磁体相吸方向摩擦; (2)磁体与磁体相斥方向摩擦； (3) 磁体与铁板滑动； (4)磁体与铁板滚动；提高稳定性的措施提高稳定性的措施5. 典型的金属型永磁材料典型的金属型永磁材料- 析出硬化型永磁材料析出硬化型永磁材料(A

12、lNiCo)析出硬化型永磁材料，又称沉淀硬化型磁钢，包括析出硬化型永磁材料，又称沉淀硬化型磁钢，包括Al-Ni-Fe系合系合金金和和Al-Ni-Co系合金系合金。其矫顽力是在合金冷却过程中获得的，通。其矫顽力是在合金冷却过程中获得的，通过过失稳分解失稳分解沉淀出近似单畴大小的伸长形磁性相沉淀出近似单畴大小的伸长形磁性相弥散分布于弱磁弥散分布于弱磁性相中，利用磁性相的形状各向异性，其反磁化依靠磁矩的性相中，利用磁性相的形状各向异性，其反磁化依靠磁矩的非均非均匀转动匀转动。从制造工艺上又可分为从制造工艺上又可分为铸造型铸造型和和烧结型烧结型磁钢。磁钢。 铸型配料熔炼浇注清砂热处理磨加工检验制粉压制

13、烧结热处理磨加工检验铸造型磁钢的工艺流程铸造型磁钢的工艺流程 烧结型磁钢的工艺流程烧结型磁钢的工艺流程5.1. AlNiCo永磁材永磁材料料主配方：主配方：Fe, Co, Ni, Al, Cu等；等；其它合金元素：在合金中添加其它合金元素：在合金中添加Nb (0.51%)，B(0.05%)元素可提高密度和磁元素可提高密度和磁性能；性能；添加添加S(0.5%)、Hf(0.5%)元素可减低合金脆性，改善加工性能；元素可减低合金脆性，改善加工性能；添加添加Si(1%)、Bi(0.13%)和和Te(0.53.0%)元素则可促进柱状晶长大，磁性元素则可促进柱状晶长大，磁性能提高；能提高； 配料配料：成分

14、优化设计：成分优化设计熔炼熔炼：均匀化：均匀化固溶化处理固溶化处理：形成单相固溶体：形成单相固溶体磁场热处理磁场热处理：发生失稳分解（：发生失稳分解（ 1 1、 2 2 ），同时形成磁性织构），同时形成磁性织构时效处理时效处理：调整两相间化学成分的浓度，提高永磁性能：调整两相间化学成分的浓度，提高永磁性能5.2. AlNiCo永磁材料的制备永磁材料的制备n 在实际应用中，在实际应用中，AlNiCo合金有合金有AlNiCo5和和AlNiCo8两种两种:AlNiCo5的成份为的成份为14.5%Ni-8%Al-24%Co-3%Cu, 余余Fe (at.%); AlNiCo8的成份为的成份为1415%

15、Ni, 78%Al , 34% Co , 3% Cu ,5% Ti, 余余Fe(at. %) n合金从高温冷却到900附近时，为单相固溶体，继续冷却并适当控制冷速的情况下，于850以下发生失稳分解，其析出相1和基体相2是共晶格的，分解初期没有明显的相界面，1和2两相均仍属体心立方，其晶格常数a都为2.87左右，合金内部形成组元浓度周期性起伏的调幅结构。n当于600进行回火时，合金中不仅发生1相长大(呈伸长形)，同时由于2相中过溶的Fe和Co在回火温度下容易向1相中扩散，即发生回溶现象，另一方面，1相又将过溶的Ni和Al扩散到2相，发生Ni、Al的脱溶，使合金中1和2相之间的成份和磁化强度差别增

16、大，从而导致合金获得良好的永磁性能。 如果冷却速度如果冷却速度过小，将在过小，将在a相的界面上生相的界面上生成成r相，相， r相的相的存在，将降低存在，将降低材料的铁磁性材料的铁磁性能，所以要避能，所以要避免它的生成。免它的生成。n研究表明，高温固熔后的研究表明，高温固熔后的AlNiCo合金在合金在900780的控速冷却过程中，如的控速冷却过程中，如果对合金外加磁场，即进行磁场热处理，则合金的磁滞回线将发生显著的果对合金外加磁场，即进行磁场热处理，则合金的磁滞回线将发生显著的变化，尤其是退磁曲线的凸出系数明显提高，这是由于合金中形成了磁性变化，尤其是退磁曲线的凸出系数明显提高，这是由于合金中形

17、成了磁性织构的缘故，织构的缘故，1相的长轴顺着磁场方向排列，具有感生单轴各向异性，影相的长轴顺着磁场方向排列，具有感生单轴各向异性，影响磁场热处理效果的因素有三个：响磁场热处理效果的因素有三个：n磁场热处理的有效温度范围；磁场热处理的有效温度范围；n冷却速度；冷却速度；n外加磁场大小外加磁场大小 5.3. AlNiCo在永磁家族中的地位（永磁相）（永磁相）AlNiCo永磁性能永磁性能主要通过控制主要通过控制其中永磁相的形状各向异性来其中永磁相的形状各向异性来实现实现晶粒取向与磁场平行！晶粒取向与磁场平行！5.4. 各向异性AlNiCo 永磁体n铸造铝镍钴合金永磁的磁能铸造铝镍钴合金永磁的磁能比

18、较！铸造AlNiCo磁体6. 其它金属型永磁材料其它金属型永磁材料n AlNiFe系合金：主要成份是系合金：主要成份是Fe55-70at%，Ni 2035at%, Al 1016at%，还可添加少，还可添加少量其他元素。量其他元素。n含有含有5060%Fe的的AlNiFe三元合金在三元合金在1000以上是单相的以上是单相的固溶体，晶体结构为体心固溶体，晶体结构为体心立方结构，立方结构，a=2.87;n在在900以下时，分解为两相以下时，分解为两相12，其中铁磁性相，其中铁磁性相1颗粒尺寸很小，近似单畴尺寸，颗粒尺寸很小，近似单畴尺寸，且具有形状各向异性，且具有形状各向异性，1相均匀弥散分布于弱磁性相均匀弥散分布于弱磁性2相基体中，由相基体中，由2相将相将1相分割包相分割包围，使得磁化和反磁化过程只有通过磁化矢量的转动来实现，故而获得高矫顽力。围，使得磁化和反磁化过程只有通过磁化矢量的转动来实现，故而获得高矫顽力。n特别注意的