1、( (二二) )金屬永磁材料金屬永磁材料11章章-永磁材料永磁材料- - 韓滿貴韓滿貴內內 容容永磁材料永磁材料簡介與簡介與基礎理論基礎理論1 2金屬金屬永磁材料永磁材料 3鐵氧體鐵氧體永磁材料永磁材料 稀土永磁材料稀土永磁材料NdNd-Fe-B -Fe-B 4pBr或或Mr高；高；p矯頑力矯頑力HCJ和和HCB高；高；p(BH)max要大；要大；p曲線的退磁凸出系數趨于曲線的退磁凸出系數趨于 1；p穩定性好穩定性好 【溫度穩定性、時間穩定性溫度穩定性、時間穩定性】；p將永磁體選用在最佳工作點，即最大磁能積點將永磁體選用在最佳工作點，即最大磁能積點 附近；附近；p經濟性好；經濟性好；1. 對永

2、磁材料的性能要求v凸出系數的定義：凸出系數的定義： =（BH)max/(BrHc)描述退磁曲線形狀的系數稱為凸出系數，它等于永磁體最大磁能積與剩磁和矯頑力值乘積的比值， 是一個組織敏感參數。是永磁材料的晶體微觀結構和磁結構的外觀表現?？衫枚ㄏ蚪Y晶，磁場及應力熱處理等方法來提高。v =（Z/Z）100%v 不可逆變化不可逆變化自然變化自然變化v 可逆變化可逆變化當條件復原或重新充磁，永磁體的性能可以恢當條件復原或重新充磁，永磁體的性能可以恢復。如溫度、外磁場干擾、機械沖擊、振動等。復。如溫度、外磁場干擾、機械沖擊、振動等。永磁材料的穩定性永磁材料的穩定性過飽和固溶體的脫溶大部分為不連續的局部脫

3、溶，形成非均勻的混合固溶體。但是當合金的成分、系統溫度、壓強、時效時間等條件綜合變化到適當的狀態范圍，也可以發生全域性均勻的普遍脫熔，也就是發生勻相轉變。其中失穩分解就是這種勻相轉變中的很重要的一類。1、概念、概念當均勻固溶體中自由能與成份的關系滿足 時，此固溶體就會失去穩定，而出現幅度越來越大的成分漲落，并最終分解為兩相。2、特點、特點v 勻相轉變，全域性的均勻、連續分解，系統中各處幾乎是同時發生，并非形核成長過程。v 濃度波幅度越來越大的漲落是依靠逆擴散來進行的。v 產生的兩相和母相的晶格類型是相同 的，僅晶格常數稍有偏差。3、對金屬永磁材料的影響、對金屬永磁材料的影響分解時，控制磁性相成

4、單疇，或造成對疇壁的釘扎?？墒共牧汐@得極高的矯頑力，具有優異的永磁特性。022cf2. 失穩分解失穩分解金屬型永磁材料按造成高金屬型永磁材料按造成高Hc的機理來劃分的機理來劃分v 淬火硬化型磁鋼：淬火硬化型磁鋼：這一類磁鋼包括碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼、鋁鋼等，其高矯頑力主要是通過高溫淬火，鋼中的奧氏體(-Fe 非磁性相）轉變成馬氏體(-Fe磁性相)并彌留在馬氏體中產生很大的應力造成的。其矯頑力和磁能積都不高：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)，穩定性差。v

5、 析出硬化型磁鋼：析出硬化型磁鋼：包括Al-Ni-Fe系和Al-Ni-Co系合金。其矯頑力是在合金冷卻過程中獲得的，通過失穩分解沉淀(析出)近似單疇大小的伸長形成磁性相彌散分布在弱磁性相中，利用磁性相的形狀各向異性，其反磁化依靠磁矩的非均勻轉動。3. 高高Hc的機理的機理v時效硬化型永磁時效硬化型永磁；這類合金的高矯頑力是通過高溫淬火后時效（回火），或塑性形變后再時效獲得的。合金在時效處理過程中，發生失穩分解，析出近似單疇的磁性相，彌散分布于弱磁性性或非磁性相中。反磁化過程主要通過成核長大過程。若合金只由高溫淬火或慢冷而不通過時效處理，都不能獲得永磁性能。這類合金包括除單相型 RCo5合金以外

6、的所有稀土永磁合金和可加工磁鐵，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：；這類合金在高溫下處于無序狀態，經淬火以后回火時，由無序相中析出彌散狀態的磁性有序相，從而獲得高矯頑力。這類合金主要有Ag-Mn合金，Pt-Fe合金，Pt-Co合金，Mn-Al-C合金等。v單疇微粉型永磁：單疇微粉型永磁：這類永磁包括球形的和針狀的微鐵粉和微鐵鈷粉，以及MnBi合金，MnAl合金微粉等。在一定條件下磁場成型，微粉尺寸一般為0.01-1微米。反磁化主要利用單疇磁轉動來獲得高矯頑力。目前，其磁能積比理論值低得多，僅5MG.Oe左右，為理論值的1/10 1/3。v 永磁材料

7、磁性的優劣主要由最大磁能積永磁材料磁性的優劣主要由最大磁能積(BH)m判定，而判定，而(BH)m又又取決于取決于Br、Hc及退磁曲線的凸出系數及退磁曲線的凸出系數 。 一般一般Br變化范圍小，如由變化范圍小，如由0.2至至1.5T,僅相差約僅相差約8倍倍; Hc變化范圍大變化范圍大,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間變化。間變化。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由成分決定，要想通過改變成分來大幅度提高材料的由成分決定，要想通過改變成分來大幅度提高材料的Ms是不太是不太可能的）可能的）v 對于成分給定的

8、永磁材料，提高對于成分給定的永磁材料，提高Br/Bs的比值的途徑的比值的途徑：1. 定向結晶（鋁鎳鈷系列）定向結晶（鋁鎳鈷系列） 永磁合金經熔煉進行鑄造時，設法控制鑄件的冷卻條件，冷卻后可以得到不同晶粒結構。一般來說，快冷時沿熱流相反的方向會生長出柱狀晶，緩慢冷卻時形成等軸晶。柱狀晶的磁性能往往介于單晶材料和普通等軸材料之間。這是由于柱狀晶晶粒長大的方向往往是它的易磁化方向。2. 磁場熱處理磁場熱處理 （鋁鎳鈷系列）（鋁鎳鈷系列） 可以控制熱處理過程中鐵磁相顆粒的析出形態，并使磁矩沿磁場方向擇優取向；3. 磁場成型磁場成型 使磁性顆粒的易磁化軸沿磁場方向取向，經高溫燒結及回火后，可以改善永磁體

9、的矩形比特性，得到較高的剩磁Br;4. 塑性變形塑性變形 多晶體金屬材料經拔絲、軋板、擠壓、壓縮等塑性變形，由于晶粒的轉動等 晶粒的晶體學方向會發生一定的定向排列，稱其為擇優取向、織構等。剩磁剩磁Br或或Mr的控制的控制v 不可逆壁移；v 磁疇的不可逆轉動；v 是使殘余磁感應強度變為零時所需的反向磁場的大小，主要依賴增加疇壁位移和疇轉的阻力增大Hc值；v 如果Hc是由壁移機制決定的，可在合金內增加應力梯度及非磁性相來增加Hc。這種機制只能獲得較低的Hc值；v 若Hc是由疇轉過程決定的，則磁疇在不可逆轉動過程中受到的阻力就是Hc值的度量。這時依賴于造成單疇粒子或彌散的單疇脫溶相及其三種各向異性（

10、磁晶、應力及形狀）來增加疇轉的阻力，從而獲得高的Hc值。矯頑力矯頑力Hc的控制的控制v疇壁釘扎：是指在材料反磁化過程中，當反向磁場低于某一釘扎場Hp時，疇壁基本上固定不動。只有當反向磁場超過釘扎場Hp時，疇壁才能掙脫束縛，開始發生不可逆位移。v點缺陷、位錯、晶界、堆垛、層錯等有關的局域性交換作用和局域性各向異性起伏等都可以是疇壁釘扎點的重要來源u選擇高的Hc，高Tc 配方 ，并可添加有益雜質，以及利用不 同系列合金，正負溫度等效互相補償來提高穩定性。p 人工時效處理人工時效處理：在高于室溫的某一適當溫度下，把永磁體保溫若干時間，以加速自然時效過程，也就是在短時間內的熱時效來完成長時間的常溫時效

11、。 機制有兩種：微觀組織的穩定處理；磁微觀組織的穩定處理；p 溫度循環處理：在比工作溫度范圍寬的溫度，反復循環多次。p 交流退磁處理：經飽和充磁后的磁體，為了降低不可逆變化，將永磁體放在交流(50 Hz)磁場中退磁。p 磁接觸穩定處理：在許多場合下，當永磁材料裝配和運輸時，永磁體互相接觸是頻繁的，所以預先進行磁接觸處理以提高穩定性是必要的。 處理方式有處理方式有：(1)磁體與磁體相吸方向摩擦; (2)磁體與磁體相斥方向摩擦； (3) 磁體與鐵板滑動； (4)磁體與鐵板滾動；提高穩定性的措施提高穩定性的措施5. 典型的金屬型永磁材料典型的金屬型永磁材料- 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，又稱沉淀硬化型磁鋼，包括析出硬化型永磁材料，又稱沉淀硬化型磁鋼，包括Al-Ni-Fe系合系合金金和和Al-Ni-Co系合金系合金。其矯頑力是在合金冷卻過程中獲得的，通。其矯頑力是在合金冷卻過程中獲得的，通過過失穩分解失穩分解沉淀出近似單疇大小的伸長形磁性相沉淀出近似單疇大小的伸長形磁性相彌散分布于弱磁彌散分布于弱磁性相中，利用磁性相的形狀各向異性，其反磁化依靠磁矩的性相中，利用磁性相的形狀各向異性，其反磁化依靠磁矩的非均非均勻轉動勻轉動。從制造工藝上又可分為從制造工藝上又可分為鑄造型鑄造型和和燒結型燒結型磁鋼。磁鋼。 鑄型配料熔煉澆注清砂熱處理磨加工檢驗制粉壓制

13、燒結熱處理磨加工檢驗鑄造型磁鋼的工藝流程鑄造型磁鋼的工藝流程 燒結型磁鋼的工藝流程燒結型磁鋼的工藝流程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%)元素可減低合金脆性，改善加工性能；元素可減低合金脆性，改善加工性能；添加添加Si(1%)、Bi(0.13%)和和Te(0.53.0%)元素則可促進柱狀晶長大，磁性元素則可促進柱狀晶長大，磁性能提高；能提高； 配料配料：成分

14、優化設計：成分優化設計熔煉熔煉：均勻化：均勻化固溶化處理固溶化處理：形成單相固溶體：形成單相固溶體磁場熱處理磁場熱處理：發生失穩分解（：發生失穩分解（ 1 1、 2 2 ），同時形成磁性織構），同時形成磁性織構時效處理時效處理：調整兩相間化學成分的濃度，提高永磁性能：調整兩相間化學成分的濃度，提高永磁性能5.2. AlNiCo永磁材料的制備永磁材料的制備n 在實際應用中，在實際應用中，AlNiCo合金有合金有AlNiCo5和和AlNiCo8兩種兩種:AlNiCo5的成份為的成份為14.5%Ni-8%Al-24%Co-3%Cu, 余余Fe (at.%); AlNiCo8的成份為的成份為1415%

15、Ni, 78%Al , 34% Co , 3% Cu ,5% Ti, 余余Fe(at. %) n合金從高溫冷卻到900附近時，為單相固溶體，繼續冷卻并適當控制冷速的情況下，于850以下發生失穩分解，其析出相1和基體相2是共晶格的，分解初期沒有明顯的相界面，1和2兩相均仍屬體心立方，其晶格常數a都為2.87左右，合金內部形成組元濃度周期性起伏的調幅結構。n當于600進行回火時，合金中不僅發生1相長大(呈伸長形)，同時由于2相中過溶的Fe和Co在回火溫度下容易向1相中擴散，即發生回溶現象，另一方面，1相又將過溶的Ni和Al擴散到2相，發生Ni、Al的脫溶，使合金中1和2相之間的成份和磁化強度差別增

16、大，從而導致合金獲得良好的永磁性能。 如果冷卻速度如果冷卻速度過小，將在過小，將在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，將降低存在，將降低材料的鐵磁性材料的鐵磁性能，所以要避能，所以要避免它的生成。免它的生成。n研究表明，高溫固熔后的研究表明，高溫固熔后的AlNiCo合金在合金在900780的控速冷卻過程中，如的控速冷卻過程中，如果對合金外加磁場，即進行磁場熱處理，則合金的磁滯回線將發生顯著的果對合金外加磁場，即進行磁場熱處理，則合金的磁滯回線將發生顯著的變化，尤其是退磁曲線的凸出系數明顯提高，這是由于合金中形成了磁性變化，尤其是退磁曲線的凸出系數明顯提高，這是由于合金中形

17、成了磁性織構的緣故，織構的緣故，1相的長軸順著磁場方向排列，具有感生單軸各向異性，影相的長軸順著磁場方向排列，具有感生單軸各向異性，影響磁場熱處理效果的因素有三個：響磁場熱處理效果的因素有三個：n磁場熱處理的有效溫度范圍；磁場熱處理的有效溫度范圍；n冷卻速度；冷卻速度；n外加磁場大小外加磁場大小 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過控制主要通過控制其中永磁相的形狀各向異性來其中永磁相的形狀各向異性來實現實現晶粒取向與磁場平行！晶粒取向與磁場平行！5.4. 各向異性AlNiCo 永磁體n鑄造鋁鎳鈷合金永磁的磁能鑄造鋁鎳鈷合金永磁的磁能比

18、較！鑄造AlNiCo磁體6. 其它金屬型永磁材料其它金屬型永磁材料n AlNiFe系合金：主要成份是系合金：主要成份是Fe55-70at%，Ni 2035at%, Al 1016at%，還可添加少，還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以上是單相的以上是單相的固溶體，晶體結構為體心固溶體，晶體結構為體心立方結構，立方結構，a=2.87;n在在900以下時，分解為兩相以下時，分解為兩相12，其中鐵磁性相，其中鐵磁性相1顆粒尺寸很小，近似單疇尺寸，顆粒尺寸很小，近似單疇尺寸，且具有形狀各向異性，且具有形狀各向異性，1相均勻彌散分布于弱磁性相均勻彌散分布于弱磁性2相基體中，由相基體中，由2相將相將1相分割包相分割包圍，使得磁化和反磁化過程只有通過磁化矢量的轉動來實現，故而獲得高矯頑力。圍，使得磁化和反磁化過程只有通過磁化矢量的轉動來實現，故而獲得高矯頑力。n特別注意的