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钕铁硼磁性材料知识解析
钕铁硼磁性材料知识
培训资料
广东富远稀土新材料股份有限公司
二○一○年十月一日
本公司职工上岗培训材料
钕铁硼磁性材料知识
广东富远稀土新材料股份有限公司
组织编写
技术部
编写:
韩旗英
目 录
第一章磁性材料简介
一切物质是由原子组成的,而原子又是由原子核和核外电子组成的。
原子核和电子均由于运动而产生磁矩,但原子核的磁矩远小于电子磁矩,所以原子磁矩主要来源于电子磁矩,并且电子磁矩有包括电子轨道磁矩和电子自旋磁矩。
量子力学表明,原子的核外一般分布有若干个电子,并且当电子分布在几个层次上时,由于内层电子之间的磁矩相互抵消,所以只有外层电子才对原子磁矩起作用。
而只有3d过渡族金属和La系稀土金属等一些元素在一部分电子磁矩抵消以后,还剩余一部分电子磁矩没有被抵消。
这样,这些元素原子具有总的原子磁矩。
在此基础之上,由于“交换作用”的机理,这些原子磁矩得以按相同方向整齐排列起来,整个物体也就有了磁性。
当然,抵消以后由于原子磁矩大小的不同,最终磁体显示的磁性强弱也不同。
由于原子所带电子数不同(电子壳层结构不一样),使物质具有各种不同的性质。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质,抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。
从磁性来分类,物质大致可分为非磁性物质和磁性物质两种。
磁性物质的原子具有原子磁距µ原子,在通常情况下,由于这些µ原子是杂乱无章分布的,所以在宏观上不显示磁性。
当有外磁场存在时,这些µ原子磁距就会沿着磁场方向一致排列起来,对外界就显示很强的磁性,所以这类物质统称为磁性物质。
非磁性物质原子磁距为零(µ原子=0),所以有磁场或无磁场它均不显示磁性,一般把这类物质叫做非磁性物质。
一、磁性材料的分类
磁性材料主要是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。
磁性材料的种类很多,有不同的分类方法,
1、按材料组分可分为:
金属(如电工钢、坡莫合金、铝镍钴永磁、稀土钴永磁、钕铁硼永磁等)和非金属(铁氧体等(Ferrite))两类。
铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。
铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为:
尖晶石型(MFe2O4);石榴石型(R3Fe5O12);磁铅石型(MFe12O19);钙钛矿型(MFeO3)。
其中M指离子半径与Fe2+相近的二价金属离子,R为稀土元素。
按铁氧体的用途不同,又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。
2、按材料的性质可分为:
软磁材料(矫顽力≤1kA/m)(如电工钢、坡莫合金、软磁铁氧体等)、硬(永)磁材料(矫顽力>1kA/m)(如铝镍钴永磁(ALNiCO)、稀土钴永磁(SmCo)、钕铁硼永磁(Nd2Fe14B)、铁氧体永磁等)和功能磁性材料(如磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光性薄膜材料等)。
这是由于原子磁距的大小不一样及内部结构不同,使磁性物质的磁性能有很大的区别。
软磁材料:
磁性物质在外磁场中会显示很强的磁性,但当外磁场去掉后,它又没有磁性了,这种材料多用来作导磁材料用,如变压器铁芯、磁路轭铁等。
常见的有硅(矽)钢片(含硅1~4%)、工业纯铁、低碳钢、铁钴、铁镍合金等。
因材质是软的,通常称为软磁材料。
硬磁材料:
磁性物质在外磁场中会显示磁性,被磁化后,去掉外磁场它仍保留一部分磁性,也就是说在没有磁场存在时,它仍有一定的磁性,要使这部分磁性去掉,则必须在原磁化方向上施加一与该材料内禀矫顽力相等的反向磁场,这时该材料便不显示磁性了,也就是说这种材料的磁性较硬,不加反向磁场它的磁性不会去掉,再者这类材料的材质都比较硬,故叫它为硬磁材料,但它具有永久保留磁性的特性,所以通常也叫永磁材料或恒磁材料。
永磁材料有天然的和人工制造的两种。
天然的叫磁石,即是铁磁矿石,它具有微弱的磁性,我们的祖先利用它做成指南针,这是人类最早利用永磁的发明。
软磁材料按其组分分为A类—铁、B类—低碳软钢……I类—非晶软材料等9类;永(硬)材料按其组分分为Q类—磁致伸缩合金、R类永(硬)磁合金……T类—其他永(硬)磁材料(马氏体钢)等4类,粘结永(硬)磁材料按其制造工艺归在永(硬)磁材料的U类。
以上依据GB/T21219-2007/IEC60404-8-1:
2000磁性材料分类标准。
3、按生产工艺可分为:
热轧、冷轧、铸造、烧结、粘结等磁性材料。
4、从应用功能上分为:
软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。
软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料;而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了,因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应,导致金属磁性材料无法使用,而铁氧体的电阻率非常高,将有效的克服这一问题、得到广泛应用。
5、磁性材料从形态上分为:
粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。
我国稀土永磁产量结构:
二、磁性材料参数
反应磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。
各向同性磁体:
任何方向磁性能都相同的磁体。
各向异性磁体:
不同方向上磁性能会有不同;且存在一个方向,在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。
烧结钕铁硼永磁体是各向异性磁体。
取向方向:
各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向称为磁体的取向方向。
也称作“取向轴”,“易磁化轴”。
磁滞回线:
铁磁材料在经过充磁、退磁、反向充磁、再退磁周期性变化时,所获得的关于磁感应强度(横坐标)相对于磁场强度(纵坐标)变化的闭合曲线。
退磁曲线(即B-H曲线):
磁滞回线中,位于第二象限中的部分我们称之为退磁曲线,也即我们所说的B-H的曲线。
退磁曲线的膝点:
磁体退磁曲线上发生突变、明显发生弯曲的点。
室温时退磁曲线呈直线的磁体,在温度升高到一定程度时都会出现膝点。
如果磁体的工作点在膝点以下,磁体在动态磁路中工作时会产生不可逆损失。
负载线:
连接工作点和退磁曲线坐标原点的一条直线。
磁化强度:
指材料内部单位体积的磁矩矢量和,用M表示,单位是安/米(A/m)。
磁感应强度:
磁感应强度B的定义是:
B=μ0(H+M),其中H和M分别是磁化强度和磁场强度,而μ0是真空导磁率。
磁感应强度又称为磁通密度,即单位面积内的磁通量。
单位是特斯拉(T),CGS单位制中的单位为高斯(Gauss)。
磁通:
给定面积内的总磁感应强度。
当磁感应强度B均匀分布于磁体表面A时,磁通的一般算式为ξ=B×A。
磁通的SI单位是麦克斯韦。
漏磁通:
磁体回路中未能通过工作气隙而被泄漏的那部分磁通。
磁场强度:
指空间某处磁场的大小,用H表示,它的单位是安/米(A/m)。
相对磁导率:
媒介磁导率相对于真空磁导率的比值,即μr=μ/μo,在CGS单位制中,μo=1。
另外,空气的磁导率在实际使用中往往值取为1。
磁导:
磁通Φ与磁动势F的比值,类似于电路中的电导。
是反映材料导磁能力的一个物理量。
磁导系数Pc:
即为导磁率,磁感应强度Bd与其磁化强度的比率,即Pc=Bd/Hd。
也即我们所说的“负载线”或磁体的工作点。
导磁率可用来衡量磁性材料被磁化的容易程度,或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。
磁导系数可用来估计各种条件下的磁通值。
在磁路中,近似有:
Bd/Hd=lm/Lg,其中lm是磁体的长度;Lg是相对应磁体气隙的长度。
因此Pc是磁路设计中的一个重要的物理量。
居里温度:
对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。
一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列由有序变成无序。
在此温度以下,原子磁矩一致排列,产生自发磁化,材料呈铁磁性。
磁路:
磁通流经的回路称为磁路。
永磁体和磁轭、气隙、极靴等构成闭合磁路。
气隙:
磁回路中磁导率为1的间隙部分,一般为空气间隙,但是也可为其它介质。
气隙长度-Lg:
磁路中气隙的长度。
磁动势-F:
它是磁路中任意两点间磁势的差值,类似于电路中的电压。
磁阻-R:
磁动势与磁通的比值称为磁阻,即R=F/ξ(类似于欧姆定律),其中F是磁动势,ξ是磁通(CGS单位制)。
类同于电路中的电阻。
磁轭:
放置在磁体回路或两磁极中心、引导磁力线通过以减少磁通损失的高磁导率材料,一般为软磁铁、纯铁或低碳钢。
极靴:
放置在磁极处的用来约束磁束的分布及改变其流向的铁磁性材料。
涡流:
当磁场发生变化时,传导电流之中所产生的环形电流称之为涡流。
涡流能产生反向磁场。
涡流对于转动速度或者其它大多数磁路设计都是有害的,故涡流应尽量降低到最小。
磁饱和度:
任何可导磁材料在一定条件下都可达到饱和的状态。
铁磁材料在将其磁化时会达到饱和。
钢铁的磁饱和度为16000到20000高斯。
稳定性:
是衡量磁体抗退磁能力的物理量;影响磁体稳定性的因素有温度或外磁场等。
可逆温度系数:
一个衡量由温度变化引起的磁性能可逆变化的物理量。
顺磁性材料:
磁导率略大于1的材料。
铁磁材料:
磁导率远大于1(几十到几千)且显示磁滞现象的材料。
永磁材料:
具高矫顽力的磁性材料。
永磁材料磁化时需较强的外磁场,且被磁化后磁性不容易消失,可对外部空间提供稳定磁场。
常用磁学量的SI与CGS单位制的换算
磁学量名称
磁学量符号
CGS单位
SI单位
换算比(SI单位的数值乘以此数即得CGS单位数值)
磁极强度
m
韦(Wb)
108/
磁通
φ
麦克斯韦(韦伯)
韦(Wb)
108
磁矩
磁矩
安/米2(A/m2)
103
磁通密度或
磁感应强度
B
高斯(GS)
韦/米2或特[斯拉](Wb/m2或T)
104
磁场强度
H
奥斯特(Oe)
安/米(A/m)
1/79.6
磁动势
磁通势
F、Fm
奥·厘米(Oe·cm)
安匝(A)
/10
磁化强度
M
高斯(GS)
安/米(A/m)
10-3
相对磁化率
相对导磁率
1
退磁因子
N(CGS)、D(SI)
真空导磁率
1
磁阻
Rm
(奥·厘米)/麦克斯韦
安匝/韦(A/Wb)
·10-9
磁晶各向异性常数
erg/
焦/米3(J/m3)
10
磁能积
(B·H)
高·奥(GOe)
焦/米3(J/m3)
109/7.96
畴壁能密度
erg/
焦/米2(J/m2)
103
三、磁性材料发展简史
1、钴钢:
1930年,人类最早制造的磁石材料,磁性虽然比天然磁石强了许多,但仍旧是低性能永磁材料。
2、Alnico铸造永磁:
后来人们利用Al、Ni、Co和Fe按比例配制成更强的永磁材料,Br可达12000~13000高斯,(BH)m可达5~10MGOe,Hc为500~6000e。
3、恒磁铁氧体:
20世纪50年代利用氧化铁粉研制成功金属陶瓷永磁材料,一般Br为3000~4000Gs,(BH)m为3.0~5.0MGOe,Hc为1500~30000e。
由于是氧化铁粉,所以成本较低,价格便宜。
4、稀土钴永磁(第一代):
在20世纪70年代前后研制成功稀土钴永磁,Br可达0.9~11.0KGs,(BH)m为18~20MGOe,Hcj可达30K以上。
是第一代稀土永磁。
主要是SmCo5,SmPrCo5等牌号。
5、稀土钴永磁(第二代):
到20世纪70年代末又研制成功Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17型稀土钴永磁,(BH)m可达30MGOe,常称第二代稀土永磁。
6、钕铁硼永磁(第三代):
到20世纪80年代末又研制成功迄今为止世界上最强的磁体,钕铁硼(Nd—Fe—B)永磁材料,Br为12000~15000Gs,(BH)m可达40~50MGOe,Hc12.0~30Koe,称为第三代稀土永磁。
四、各种永磁产品的性能比较
铁氧体磁铁:
铁氧体主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。
通过陶瓷工艺法制造而成,质地比较硬,属脆性材料,由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中,已成为应用最为广泛的永磁体。
铝镍钴磁铁:
铝镍钴是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。
铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状,可加工性很好。
铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数,工作温度可高达600摄氏度以上。
铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。
钐钴磁铁由于含有战略物质Co和较稀少的Sm,很高的价格妨碍了大规模推广应用。
其不但有着较高的磁能积(14~28MGOe)、可靠的矫顽力和良好的温度特性,与钕铁硼磁钢相比,钐钴磁铁更适合工作在高温环境中。
钕铁硼拥有极高的磁性能其最大磁能积(BHmax),其本身的机械加工性能亦相当之好,而且其质地坚硬,性能稳定,有很好的性价比,故其应用极其广泛。
但因为其化学活性很强,所以必须对其表面凃层处理(如镀Zn,Ni,电泳、钝化等)。
其温度性能不佳,在高温下使用磁损失较大,最高工作温度较低。
一般为80摄氏度左右,在经过特殊处理的磁铁,其最高工作温度才可达200摄氏度。
各种永磁产品的性能比较如下表:
类别
铝镍钴
铁氧体
稀土永磁材料
第一代
第二代
第三代
钐钴
NdFeB
代号
AlNiCO
Ferrite
SmCo5
Sm2Co17
Nd2Fe14B
问世年代
20世纪30年代
20世纪50年代末
60年代中期
70年代初
1983年
Br(T)
0.5~1.35T
0.20~0.44T
~1.05
~1.15T
~1.5T
HcB(kA/m)
<160
128~320
~800
~840
~1035
HcJ(kA/m)
-
-
>2300
>2300
>2300
(BH)max(kJ/m3)
9~85
6.4~33.4
≤199
≤262
<400
αBr(%/℃)
-0.02
-0.18~-0.20
-0.05
-0.03
-0.13
γHcJ(%/℃)
-
+0.40~+0.60
-0.3
-0.35
-0.6~0.7
居里温度Tc(℃)
~860
~450
~750
~880
310
最大工作温度(℃)
550
300
300
450
220
退磁曲线
非线性
接近直线
直线
直线
①HcJ<1800kA/m下半部为折线
②其余为直线
密度(g/cm3)
6.7~7.4
4~5.2
8.1~8.2
8.1~8.4
7.3~7.6
加工性能
难
一般
难
难
一般
热稳定性
好
低温差
最好
最好
差
耐腐蚀性能
好
最好
好
好
最差
价格
中高
低
较高
较高
中下
表面处理
不需要
不需要
不需要
不需要
①环氧树脂
②电泳
③电镀
用途
仪器仪表
电机
广泛,特别适合电真空器件
工业和民用
五、各种永磁产品的磁能积和性价比
材料
磁能积(MGOe)
性价比(元/MGOe)
参巧价格(万元/吨)
铝镍钴永磁
5-8
60
铁氧体永磁
2-5
5
钐钴永磁
18-30
20
粘结稀土永磁体
8.5-9.8
15
烧结钕铁硼永磁
30-50
4.5
注:
表中价格是中国的平均价/磁能积,也是中国的销售价。
由表可见:
烧结钕铁硼永磁体性能价格比是最好的。
六、磁性材料标准汇编
国家标准
1
2GB/T2521-1996
冷轧晶粒取向、无取向磁性钢带(片)
2
GB/T2522-1988
电工钢片(带)层间电阻;涂层附着性;叠装系数测试方法
3
GB/T2900.60-1992
电工术语电磁学(eqvIEC60050(121):
1998)
4
GB/T3217-1992
永磁(硬磁)材料磁性试验方法(neqIEC60404-5:
1992)
5
GB/T3655-2000
用爱泼斯坦方圈测量电工钢片(带)磁性能的方法
6
GB/T3657-1983
软磁合金直流磁性能测量方法
7
GB/T3658-1990
软磁合金交流磁性能测量方法
8
GB/T4180-2000
稀土钴永磁材料系列
9
GB/T9637-2001
电工术语磁性材料与元件
10
GB/T10129-1988
钢的直流磁性能测量方法
11
GB/T12796-1991
永磁铁氧体总规范
12
GB/T13560-2000
烧结钕铁硼永磁材料
13
GB/T13789-1992
单片电工钢片(带)磁性能测量方法(暂缺)
14
GB/T13888-1992
在开磁路中测量磁性材料矫顽力的方法(IEC60404-7:
1982)
15
GB/T14986-1994
耐蚀软磁合金技术条件
16
GB/T14987-1994
高硬度电阻高磁导合金
17
GB/T14988-1994
磁滞合金冷轧带
18
GB/T14989-1994
铁钴钒永磁合金
19
GB/T14990-1994
铁钴钼磁滞合金热轧(或锻)棒材
20
GB/T15001-1994
软磁尺寸、外形、表面质量、试验方法和检验规的一般规定
21
GB/T15002-1994
高饱和磁感应强度软磁合金技术条件
22
GB/T15003-1994
恒磁导率合金技术条件
23
GB/T15004-1994
铁铝软合金技术条件
24
GB/T15005-1994
磁温度补偿合金技术条件
25
GB/T17951-200×
硬磁材料一般技术条件(报批稿)
26
GB/T19289-2003
电工钢片(带)的密度、电阻率和叠装系数的测量方法
国家军用标准
1
GJB1647-1993
铝镍钴磁钢规范
2
GJB1912-1994
永磁体表面磁场均匀性测试方法
行业标准
1
JB/T8986-1999
永磁材料温度系数测量方法
2
2JB/T10102-2001
磁性材料分类(idtIEC60404-8-1:
2000)
3
3YB/T5224-1993
晶粒取向硅钢薄带
国际电工委员会(IEC)标准
1
IEC60404-1:
2000
磁性材料分类(见JB/T10129)
2
IEC60404-1-1:
2000
电工钢片、带和叠片的表面绝缘
3
IEC60404-2:
1996
用爱泼斯坦法测量电工钢片和钢带磁性能的方法(见GB/T3655)
4
IEC60404-3:
2002
用单片仪测量磁性钢片和钢带磁性能的方法
5
IEC60404-4:
1995
铁和钢直流磁性能的测量方法
6
IEC60404-5:
1993
永磁(硬磁)材料磁性测量方法(见GB/T3217)
7
IEC60404-6:
2003
在20Hz~200kHz频率范围内用环形试样测量软磁金属材料和粉末冶金软磁材料磁性能的测量方法
8
IEC60404-7:
1982
开磁路中磁性材料矫顽力的测量方法(见GB/T13888)
9
IEC60404-8-1:
2001
硬磁材料(见GB/T17951)
10
IEC60404-8-2:
1998
以半工艺状态交货的冷轧磁性合金钢带的规范
11
IEC60404-8-3:
1998
以半工艺状态交货的冷轧磁性非合金钢带的规范
12
IEC60404-8-4:
1998
冷轧无取向磁性钢片和钢带的规范
13
IEC60404-8-5:
1989
具有规定机械性能和磁导率的钢片和钢带的规范
14
IEC60404-8-6:
1999
软磁金属材料
15
IEC60404-8-7:
1998
全工艺状态的晶粒取向磁钢片和钢带的规范
16
IEC60404-8-8:
1991
中频用薄磁钢带规范
17
IEC60404-8-9:
1994
烧结软磁材料的标准规范
18
IEC60404-8-10:
1994
继电器用磁性材料(钢和铁)规范
19
IEC60404-9:
1987
磁性钢片和钢带几何特性的测定方法
20
IEC60404-10:
1988
磁性钢片和钢带在中频下磁性能的测量方法
21
IEC60404-11:
1991
测定磁性钢片和钢带表面抗绝缘的试验方法
22
IEC60404-12:
1992
绝缘层各层间温度测试方法的导则
23
IEC60404-13:
1995
电工钢片和钢带的密度、电阻率和叠装系数的测量方法(见GB/T19289)
24
IEC60404-14:
2002
用提拉或旋转测量铁磁材料极偶磁矩的方法
七、稀土永磁材料的开发年表
稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。
现分为第一代(RECo5)、第二代(RE2TM17)和第三代稀土永磁材料(NdFeB)。
随着计算机、通讯等产业的发展,稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速发展,从而促进了稀土行业的发展,所以了解稀土永磁的发展对我们今后稀土行业的发展方向有着极其重要的作用。
1、钐钴稀土永磁材料的开发年表
1968年,一些研究人员看到文献报道国外的稀土永磁材料后,自发成立了研究小组开始研究第一代稀土永磁材料。
研究的重点是第一代稀土永磁材料钐钴合金(RECo5)的成份、工艺等对性能的影响。
1969年,成份为64%的Co-Sm合金,用粉末冶金工艺得到Br=9590G,bHc=8400Oe,iHc=12100Oe,(BH)max=21.7MGOe的磁性。
1971年9月,由当时的冶金部军工办组织成立了“会战小组”,成员有北京钢铁研究总院、包头冶金研究所、武汉冶金研究所等单位。
经过几年的研究,制得了SmCo5、SmPrCo5、Ce(CoCuFe)等合金,并且很快在航天和雷达等多项军事工程中得到了应用。
此时我国用粉末冶金工艺制备钐钴合金系列已经比较成熟。
与此同时,北京大学、吉林大学、北京钢铁学院、东北工学院及沈阳金属研究所等一些高等院校和科研单位也开展了相应的基础理论研究工作。
1974年,制备的PrCo5磁体得到(BH)max=26MGOe的高磁性。
1975年,制备的(SmPr)Co5磁体得到(BH)max=25.7MGOe的高磁性。
研究了还原扩散法制备钐钴永磁合金粉,1980年该项目在上海跃龙化工厂得到推广并至今一直在生产。
1976年,制备的(MMSm)Co5磁体得到(BH)max=22.8MGOe的高磁性。
同年开始研究第二代稀土永磁材料(RE2Co17)。
1978年,用液相烧结制备的磁体,磁性能为:
Br=11000G,bHc=6100Oe,iHc=12100Oe,(BH)max=31MGOe,最大磁能积已达到国际先进水平。
用还原扩散法制备的(RE2Co17)粉末,经烧结后制备的磁体的最大磁能积达到29MGOe。
经过几年的研究,一些单位取得了可观的科研结果。
1978年,全国科学大会上获得全国科学大会奖的项目有:
北京钢铁研究总院的"稀土永磁材料工艺的研究"和"稀土钴永磁材料测量技术"、北京有色金属研究总院的"稀土钴永磁合金材料的研制和应用"、西南应用磁学研究所的"YX-24型高性能钐镨钴永磁合金"和首钢总公司冶金研究院的"高性能稀
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