1、第二章 磁性功能材料,第三节 永磁材料,3.1 概述 3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金 3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6 双相纳米晶复合永磁材料,3.1 概述（一）定义，基本要求，用途（二）发展历史（三）分类 3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金 3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6 双相纳米晶复合永磁材料,永磁材料具有高矫顽力，高剩磁的磁性材料称为永磁材料，也叫硬磁或者恒磁材料。,（一）定义，基本要求，用途,永磁材料的主要用途利用永磁体在气隙中产生足够强的磁
2、场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或载流导体的相互作用做功，实现能量，信息的转换。,Hg：磁场强度 Bm ：磁感强度 Hm：磁场强度 Vm：磁铁的体积 Vg：气隙的体积 最大磁能积(BH)max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。,永磁材料的基本要求： Br要高 Hc要高 最大磁能积(BH)m要高 Tc要高,3.1 概述（一）定义，基本要求，用途（二）发展历史（三）分类 3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金 3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6 双相纳米晶复合永磁材料,早期永磁材料是碳
3、钢，后来加入C,W，Cr，Al等形成磁钢,1931年，铸造铁镍铝合金，之后加入各种添加元素如钴、铜、钛、铌等而发展成为牌号为AlNiCo5、AlNiCo8的铝镍钴合金,60年代初出现的稀土钴永磁合金，RCo5(R代表稀土元素)称为第一代稀土永磁,1983年，出现了以Nd-Fe-B为代表的第三代稀土永磁材料,间隙稀土金属间化合物永磁材料； 纳米晶复合交换耦合永磁材料。,R2CO17称为第二代稀土永磁,（三）永磁材料种类：金属永磁材料（FeNiAl，AlNiCo等）铁氧体永磁材料（MOxFe2O3）稀土永磁材料（Nd-Fe-B等）双相纳米晶复合永磁材料,3.1 概述 3.2 FeNiAl, AlN
4、iCo永磁合金 3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6 双相纳米晶复合永磁材料,3.2. FeNiAl和AlNiCo永磁合金,FeNiAl和AlNiCo：在Fe-Ni-Al三元合金的基础上发展起来的铸造永磁合金主要成分：Fe，Ni，Al，（可加入Co，Cu，或Mo，Ti）FeNiAl常用成分：Fe-25at%Ni-25%Al,1相是铁磁相 2相为NiAl弱磁相。 相是Ni基弱磁相。,图上虚线表示常用的Fe-Ni-Al合金成分，它在1400附近成相，900附近产生1+2转变。,AlNiCo合金： 相图特征，相结构，相转变和磁硬化机理与FeNi
5、Al合金相同 各相存在的温度范围及居里温度有所不同AlNiCo5：24%Co，14%Ni，8%Al，3%Cu，余Fe AlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余Fe,AlNiCo合金发生的调幅分解：1(FeCo)+2(NiAl)1：BCC结构，Ms比FeNiAl材料中的更高，Tc870。 2：NiAl根据冷却过程中加或者不加磁场，可以得到磁各向异性或者各向同性的材料。,磁场热处理 Alnico5合金经冶炼、铸造固溶处理：200冷却： 1100-850：大于0.1/s的速度冷却， 900-850：160-420kA/m的磁场，磁场中以(0.1-1.0/s)冷却至20
6、0 回火： 600回火5-10hr,经磁场热处理后，1+2两相已经形成，但成分差别较小，还需经过时效处理，使1相更加富Fe、Co，2相更加富Ni、Al，两相的成分差、磁性差加大，Hc提高。,24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能： Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁场热处理） Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3（未经过磁场热处理）,磁场处理能够提高AlNiCo磁性能的原因：,100是1和2相的惯习面 如果不进行磁场处理，则1相是相互正交 1相的Tc高于磁场处理和相分解温度， 1相一
7、析出就是铁磁性 1相优先沿与磁场方向平行的2相的(100)面析出，与磁场垂直或成一定角度的那些(100)面上的1相的析出受到一定程度的抑制 得到了伸长形的1相颗粒沿磁场方向规则排列的显微组织 得到各向异性的AlNiCo永磁体，其磁性能大大地提高,A：取向因子 p：2相体积百分数 NL、Nd：1相长轴和短轴方向的退磁因子 M1、M2：1相和2相的饱和磁化强度 Ms：合金的饱和磁化强度 Dp：相单畴粒子由铁磁性转变为顺磁性的临界尺寸 D：1相单畴颗粒的尺寸回火处理的目的是扩大（NL-Nd）和（M1-M2)的差值，从而进一步提高矫顽力。,矫顽力：,AlNiCo8：在AlNiCo5合金的基础上，提高C
8、o含量，同时加入少量的Ti，同时调整Ni和Al的含量就可以得到FeNiCo8合金。AlNiCo8：35%Co，14%Ni，7%Al，4%Cu，5%Ti，余Fe,AlNiCo8的固溶温度一般为1300左右，为了避免相的析出，AlNiCo8的冷却速度要比AlNiCo5的冷速快，以约200/min的冷速冷到850，施加160kA-420KA/m，冷却到800 左右进行等温磁场处理。（由于Co含量的增加，亚稳分解速度减小，故在800左右进行等温磁场处理）。,改进AlNiCo铸造方式，采用蜂窝状的铸模。 在高温铸模内钢液自下而上结晶，从而得到平行棒状样品轴向的柱状晶。对于AlNiCo合金来说100是优先
9、生长方向，因此柱状晶的100轴与样品轴平行。在磁场处理时，沿样品轴向加磁场，从而提高了1相的取向因子A，并扩大了(NL-Nd)的差值，因此柱状品AlNiCo样品的磁性能大大提高。,24Co-14Ni-8Al-3Cu-Fe（AlNiCo5）性能： Br=0.87T, Hcb=47.2kA/m, (BH)m=17.1kJ/m3（未经过磁场热处理） Br=1.29T，Hcb=52.0kA/m, (BH)m=40.0kJ/m3（磁场热处理） Br=1.33T，Hcb=56.064.0kA/m, (BH)m=5664kJ/m3（柱晶）,3.1 概述 3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金 3.3
10、Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6 双相纳米晶复合永磁材料,3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金,70年代发展起来的永磁材料 基本成分为：2033Cr，325Co，其余为铁 改变组分含量、特别是Co含量或添加其他元素如Ti等，可改善其永磁性能 通常添加的元素有Mo、Si、V、Nb、Ti、W等,3.1 概述 3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金 3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金（一）简介（二）SmCo5永磁材料（三）NdFeB永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6 双相纳米晶复合永磁材料,（一）简介,稀土永
11、磁合金的特点： 磁晶各向异性能（K）和磁弹性能（）很大六角晶系，四方晶系，强烈的单轴各向异性,（二） SmCo5稀土永磁合金,SmCo5型晶体结构（a）和单位晶胞（b）,SmCo5的性能： Br=0.80.95T，Hcb=557756kA/m, (BH)m=135159kJ/m3 若采用强磁场取向等工艺： Br=1.07T，Hcb=851.7kA/m, (BH)m=227.6kJ/m3,成分对SmCo5的性能的影响：生产上采用富Sm成分，避免Sm2Co17的生成富Sm时烧结性好，容易获得高密度,已经实用的烧结永磁体：SmCo5，CeCo5，PrCo5ReCo5的缺点：磁感温度系数过高改进：用重
12、稀土元素部分地取代RECo5中的轻稀土元素,（三） Nd-Fe-B永磁合金,Sm-Co永磁局限性： Sm（在稀土矿中Sm含量仅有0.53） 含有昂贵的战略金属Co1983年日本住友金属公司发现NdFeB系永磁材料,优点：1. 磁能积高， (BH)m =290kJm3 (BH)m433.62kJ m32. 矫顽力达到了2400kAm3. 价格便宜，Nd和Fe的资源丰富(在稀土矿中含有1320%的Nd)，价格便宜。,缺点：居里温度低：Tc3l0 温度稳定性差 耐蚀性，抗氧化性差,（1）Nd-Fe-B 的相结构和组成Nd-Fe-B优异的性能主要来源于成分为Nd2Fe14B的磁性相。实际上，许多稀土元
13、素都和Fe，B形成类似的相。该相为四方相，每个单胞由4个Nd2Fe14B分子组成。,B的作用： 少量的B进入NdFe合金后，不仅使得结构从六角结构变成四角，而且易磁化轴也转到C轴上，从而使钕铁硼成为高性能永磁材料。,（2） Nd-Fe-B的微观组织,1. Nd2Fe14B 基体相 2. Nd1+Fe4B4（富B相） 3. 富Nd相（Nd1-xFex）,NdFeB合金的矫顽力理论值5.571MA/m，实际值 1.5MA/m，27% NdFeB合金矫顽力来源：1. 由晶界或者相界的钉扎场决定2. 由反磁化畴的形核场决定,合金化改善性能：提高Tc： 加入Co取代部分Fe 提高抗腐蚀性能： 加入Cr，
14、V，Ni等 改善温度稳定性： 加入Al，Nb，Ga等,（3） Nd-Fe-B 磁体的制备,磁粉的制备a. 熔体快淬法,熔体快淬法,冷速：105-106K/s,美国GM公司,非晶态至微晶,b. 气体雾化法,日本神户制钢所和美国坩埚应用磁性公司,表面光滑，呈球状 粒径为410um,c. 机械合金化,西门子公司,充Ar气的高能球磨机将原料进行球磨，利出产生的高温让原料发生固相反应；也可在氩气中加氢气，让磨碎的粉末吸氢使晶粒细化，平均晶粒尺寸减到1um左右，然后对合金粉进行热处理。,d. HDDR法（氢爆）,HDDR流程及所伴随的反应,得到粒径为300nm的细小晶粒,Nd-Fe-B 磁体的制备 a.
15、粘结法,电子，电气设备的小型化领域,Nd-Fe-B 磁体的制备 b. 烧结法,3.1 概述 3.2 FeNiAl, AlNiCo永磁合金 3.3 Fe-Cr-Co可加工永磁合金 3.4 稀土永磁合金 3.5 铁氧体永磁材料 3.6双相纳米晶复合永磁材料,3.5 铁氧体永磁材料,铁氧体永磁材料是由铁的氧化物和锶(或钡等)化合物按一定比例混合，经预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和加工而成。当前应用的永磁铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体，其化学式为MOxFe203。其中MBa，Sr，Ca或Pb等。在水磁铁氧体中，已达实用化的主要有BaO6Fe2O3，SrO6Fe203等。,3.6 双相纳米晶复合永磁材料,Nd-Fe-B系 Sm-Fe-N系,Nd4Fe80B20：Bs=1.6T, Br=1.4T，Hc=240KA/m,Sm7Fe93Nx：Br=1.4T，Hc=310KA/m, （BH）max=205kJ/m3,Spinodal分解也叫斯皮诺达尔分解，亚稳分解，调幅分解，增幅分解，拐点分解。1+2,调幅分解和一般的相变相比还有一些特点: 不需要形核和形核功，也不需要孕育期; 一种自发的分解过程; 上坡扩散 ,
