磁性材料第三章课件.ppt

1、第三章第三章 永磁材料永磁材料定义：定义：被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留较强磁性的一类材料。较强磁性的一类材料。*基本要求：基本要求：（1）Br要高；（要高；（2）Hc要高要高；（3）(BH)max要高；要高；（4）材料稳定性要高。）材料稳定性要高。*种类：种类：（1）金属永磁材料：）金属永磁材料：Al-Ni-Co系和系和Fe-Cr-Co系永磁合金系永磁合金；（2）铁氧体永磁材料：以）铁氧体永磁材料：以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁为主要组元的复合氧化物强磁材料；特点：电阻率高，适合高频和微波领域应用；材料；特点：电阻率高，适合高频和微波

2、领域应用；（3）稀土永磁材料：以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合）稀土永磁材料：以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合金间化合物，包括金间化合物，包括SmCo5系、系、Sm2Co17系以及系以及Nd-Fe-B系。系。特点：磁能积高，应用领域广泛。特点：磁能积高，应用领域广泛。*发展史：发展史：1880年左右：碳钢，紧接着又发现钨钢、钴钢等金属永磁材料；年左右：碳钢，紧接着又发现钨钢、钴钢等金属永磁材料；1931年以来：年以来：Al-Ni-Fe系磁钢系磁钢(MK钢钢)和和Al-Ni-Co系磁钢，后者占系磁钢，后者占 据主导地位一直到据主导地位一直到60年代；年代；20世纪世纪30年代：铁氧体永磁

3、材料，材料便宜，工艺简单，磁性能年代：铁氧体永磁材料，材料便宜，工艺简单，磁性能 居中；同时居中；同时Fe-Cr-Co永磁合金问世，改善了永磁合金问世，改善了Al-Ni-Co机械性能差的缺点；机械性能差的缺点；20世纪世纪60年代：年代：Sm-Co系稀土永磁材料；系稀土永磁材料；20世纪世纪80年代：年代：Nd-Fe-B系稀土永磁材料；系稀土永磁材料；(BH)max460KJ/m3，称为称为“磁王磁王”；近年来：纳米双相永磁材料，近年来：纳米双相永磁材料，RE(稀土元素稀土元素)-Fe-N系永磁体。系永磁体。3.1 衡量永磁材料的重要指标衡量永磁材料的重要指标1、剩磁、剩磁Br*如果撤去外加磁

4、场，在磁铁两个磁极之间的空隙中便如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间的空隙中便产生恒定磁场（气隙磁场），对外界提供有用的磁能。产生恒定磁场（气隙磁场），对外界提供有用的磁能。*撤去外加磁场后，在退磁场作用下，永磁体将工作在撤去外加磁场后，在退磁场作用下，永磁体将工作在磁滞回线的第二象限。所以永磁材料性能的好坏，应该磁滞回线的第二象限。所以永磁材料性能的好坏，应该用退磁曲线上的有关物理量来表征。剩磁用退磁曲线上的有关物理量来表征。剩磁Br，矫顽力矫顽力HC，最大磁能积最大磁能积(BH)max等。等。*永磁体由于磁路中存在空隙，因此处于开路应用状态。永磁体由于磁路中存在空隙，因此处于开路应用状态。

5、此时工作点在退磁场作用下由此时工作点在退磁场作用下由Br点移到点移到D点，所以剩磁点，所以剩磁应该等于应该等于Bd（表观剩磁）。表观剩磁）。*工作点工作点D和坐标原点和坐标原点O的连线的连线OP称为开路磁导线，称为开路磁导线，OP的斜率称为磁导系数。的斜率称为磁导系数。NHBPdd1102、矫顽力、矫顽力HC*两种定义：两种定义：CBHCMH)(0HMB*第二象限中，第二象限中，H0，所以所以B-H退磁退磁曲线将位于曲线将位于 0M-H退磁曲线下方退磁曲线下方CBCMHH*当当B=0时，时，rCBMMHrCB0BH*的最高值不可能超过材料的剩磁值。的最高值不可能超过材料的剩磁值。CBH3、最大

6、磁能积、最大磁能积(BH)max*若永磁体的尺寸比取若永磁体的尺寸比取(BH)max的形状，则能保证永磁体的形状，则能保证永磁体单位体积的磁场能为最大。单位体积的磁场能为最大。注：不同形状对应退磁场不同，磁能积不同。注：不同形状对应退磁场不同，磁能积不同。*可根据可根据(BH)max确定各种永磁体的最佳形状。确定各种永磁体的最佳形状。(BH)max越越高的永磁体，产生同样的磁场所需的体积越小；在相同高的永磁体，产生同样的磁场所需的体积越小；在相同体积下，体积下，(BH)max越高的永磁体获得的磁场越强。越高的永磁体获得的磁场越强。注：注：(BH)max是评价永磁体强度的最主要指标。是评价永磁体

7、强度的最主要指标。稀土永磁体稀土永磁体(BH)max450KJ/m3；普通磁钢；普通磁钢(BH)max8KJ/m3*在矩形磁滞回线中，理论值：在矩形磁滞回线中，理论值：*上式成立的条件：上式成立的条件：（1）剩余磁化强度）剩余磁化强度Mr=MS（2）内禀矫顽力）内禀矫顽力2/CMSMH 4)()(20maxSMBH4、稳定性、稳定性*受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时，受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时，有关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力。有关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力。*变化率：变化率：%100ZZCdrHBBZ或,3.2 提高永磁体性能的途径提高永磁

8、体性能的途径*(BH)max是表征永磁体性能的最主要指标。为使是表征永磁体性能的最主要指标。为使其其尽可能尽可能大大，要求要求Br和和HC要高。要高。3.2.1 如何提高材料的剩磁如何提高材料的剩磁Br*要求要求MS高，高，同时同时矩形比矩形比BrBS应接近于应接近于1。提高提高BrBS的基本途径：的基本途径：1、定向结晶、定向结晶控制铸件的冷却条件控制铸件的冷却条件不同的晶粒结构不同的晶粒结构*快冷时沿热流相反的方向会生长出柱状晶，柱状晶晶粒长大方向快冷时沿热流相反的方向会生长出柱状晶，柱状晶晶粒长大方向往往就是它的易磁化方向。往往就是它的易磁化方向。2、塑性变形、塑性变形*多晶体材料多晶体

9、材料拔丝、轧扳、挤压、压缩等塑性变形拔丝、轧扳、挤压、压缩等塑性变形晶粒转动晶粒转动晶粒的晶体晶粒的晶体学方位会发生一定程度的定向排列，即择优学方位会发生一定程度的定向排列，即择优取向、织构等取向、织构等可诱导磁各向异性可诱导磁各向异性3、磁场成型、磁场成型*加工成型时，施加外磁场，使易磁化轴沿磁场方向取向，加工成型时，施加外磁场，使易磁化轴沿磁场方向取向，经高温烧结及回火以后，可得较高的经高温烧结及回火以后，可得较高的Br。4、磁场处理、磁场处理*外部磁场中热处理，可控制磁性颗粒的析出形态，沿外外部磁场中热处理，可控制磁性颗粒的析出形态，沿外场方向呈细长状生长，场方向呈细长状生长，使磁矩沿磁

10、场方向择优取向。使磁矩沿磁场方向择优取向。3.2.2 如何提高如何提高HC*形成形成HC的原因：的原因：畴壁的不可逆移动和不可逆畴转畴壁的不可逆移动和不可逆畴转*决定决定HC大小大小的因素的因素：各种因素：各种因素(磁各向异性、掺杂、晶界磁各向异性、掺杂、晶界等等)对上述行为的阻滞作用的大小。对上述行为的阻滞作用的大小。*某些永磁材料：某些永磁材料：铁磁性微细颗粒铁磁性微细颗粒(单畴单畴)非磁性或弱磁性基体非磁性或弱磁性基体1、磁畴的不可逆转动、磁畴的不可逆转动*磁晶各向异性：磁晶各向异性：磁晶各向异性形状各向异性应力各向异性磁晶各向异性形状各向异性应力各向异性N 和和N 分别为分别为沿短轴和

11、长轴所对应的退磁因子沿短轴和长轴所对应的退磁因子a，b，c是是和晶体结构颗粒取向分布有关的系数。和晶体结构颗粒取向分布有关的系数。*若材料若材料MS较高，较高，最好通过第二项来提高最好通过第二项来提高HC 方法：增加颗粒细长比方法：增加颗粒细长比 （N N）增加）增加*若若K1，S高，应主要考虑第高，应主要考虑第1、3项项 当颗粒取向完全一致时，当颗粒取向完全一致时，a=2，c=1 当颗粒取向完全混乱时当颗粒取向完全混乱时，a=0.64(立方晶体立方晶体)，a=0.96(单轴单轴 晶体晶体)，c=0.48 所以颗粒易磁化方向完全平行排列时，永磁性好所以颗粒易磁化方向完全平行排列时，永磁性好2、

12、畴壁的不可逆位移、畴壁的不可逆位移*永磁材料的反磁化过程如果由畴壁的永磁材料的反磁化过程如果由畴壁的不不可逆位移所控制，可逆位移所控制，有两种情况：有两种情况：（1）反）反磁化时材料内部存在着磁化在反方向的磁畴磁化时材料内部存在着磁化在反方向的磁畴晶体缺陷、杂质、晶界等的存在，在这些区域由于内应力晶体缺陷、杂质、晶界等的存在，在这些区域由于内应力或内退磁场的作用。磁化矢量很难改变方向。当晶体磁化或内退磁场的作用。磁化矢量很难改变方向。当晶体磁化到饱和时，这些区域的磁化仍沿着相反的方向。到饱和时，这些区域的磁化仍沿着相反的方向。在反磁化时，它们构成反磁化核，在反磁场作用下长大成在反磁化时，它们构

13、成反磁化核，在反磁场作用下长大成反磁化畴，为畴壁位移做了准备。反磁化畴，为畴壁位移做了准备。反向磁场必须大于大多数畴壁出现不可逆位移的临界磁场，反向磁场必须大于大多数畴壁出现不可逆位移的临界磁场，而临界磁场的大小则依赖于各种因素对畴壁移动的阻滞。而临界磁场的大小则依赖于各种因素对畴壁移动的阻滞。方法：增加对畴壁不可逆位移产生阻滞的因素方法：增加对畴壁不可逆位移产生阻滞的因素提高临界提高临界磁场磁场（2）反）反磁化开始时材料内不存在反磁化核磁化开始时材料内不存在反磁化核方法：可通过阻止反磁化核的出现提高方法：可通过阻止反磁化核的出现提高HC传统磁性材料：适当增大非磁性掺杂含量并控制其形状传统磁性

14、材料：适当增大非磁性掺杂含量并控制其形状(最最好是片状掺杂好是片状掺杂)和弥散度和弥散度(使掺杂尺寸和畴壁宽度相近使掺杂尺寸和畴壁宽度相近)；选；选择高磁晶各向异性的材料；增加材料中内应力的起伏；选择高磁晶各向异性的材料；增加材料中内应力的起伏；选择择 S大的材料。大的材料。新发展的永磁合金如新发展的永磁合金如Nd-Fe-B，强烈的畴壁钉扎效应可提高强烈的畴壁钉扎效应可提高HC晶体中各种点缺陷、位错、晶界、堆垛层错、相界等都是晶体中各种点缺陷、位错、晶界、堆垛层错、相界等都是畴壁钉扎点的重要来源。反向磁场必须超过钉扎场，畴壁畴壁钉扎点的重要来源。反向磁场必须超过钉扎场，畴壁才移动。钉扎中心才移

15、动。钉扎中心HC3.3 金属永磁材料金属永磁材料特点：特点：HC高高根据形成高根据形成高HC的机理，可将金属永磁材料分为：的机理，可将金属永磁材料分为：一、淬火硬化型磁钢一、淬火硬化型磁钢碳钢、钨钢、铬钢、钴钢和铝钢等。碳钢、钨钢、铬钢、钴钢和铝钢等。*通过高温淬火手段，把已经加工过的零件中的原始奥氏体通过高温淬火手段，把已经加工过的零件中的原始奥氏体组织转变为马氏体组织来获得高组织转变为马氏体组织来获得高HC。缺点：矫顽力和磁能积比较低，这类永磁体己很少使用。缺点：矫顽力和磁能积比较低，这类永磁体己很少使用。二、析出硬化型磁钢二、析出硬化型磁钢三类：三类：Fe-Cu系合金；系合金；Fe-Co

16、系合金；系合金；AlNiCo系合金系合金*后者为金属永磁材料中最主要，应用最广泛的一类后者为金属永磁材料中最主要，应用最广泛的一类*AlNiCo磁钢：主要成分为磁钢：主要成分为Fe、Ni、Al，再加入，再加入Co、Cu或或Mo、Ti等适当热处理等适当热处理各向同性的永磁合金，经磁场各向同性的永磁合金，经磁场热处理或定向结晶处理热处理或定向结晶处理各向异性永磁合金各向异性永磁合金*高高HC的机理：的机理：铁磁性析出粒子的形状各向异性铁磁性析出粒子的形状各向异性，*spinodal分解相变过程分解相变过程*后者为非磁性相，前者为铁磁性相，以单畴微粒子的形后者为非磁性相，前者为铁磁性相，以单畴微粒子

17、的形式析出，产生形状各向异性高式析出，产生形状各向异性高HC*AlNiCo合金硬度高，很难加工，通常采用铸造方式加工，合金硬度高，很难加工，通常采用铸造方式加工，熔化采用高频感应炉。熔化采用高频感应炉。三、时效硬化型永磁合金三、时效硬化型永磁合金*通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得高通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得高HC。*优点：机械性能较好优点：机械性能较好*分类：分类：（1）铁基合金铁基合金 包括包括CoMo、FeWCo、FeMoCo合金合金 缺点：磁能积较低；用途：电话接收机缺点：磁能积较低；用途：电话接收机（2）FeMnTi和和FeCoV合金合金 特点：磁性能相当于低特点：磁

18、性能相当于低Co钢，但不需要战略资源钢，但不需要战略资源Co 应用：指南针、仪表零件应用：指南针、仪表零件 特点：时效硬化永磁合金中性能较高的一种特点：时效硬化永磁合金中性能较高的一种 应用：微型电机、录音机磁性零件应用：微型电机、录音机磁性零件（3）铜基合金铜基合金 种类：种类：CuNiFe、CuNiCo两种两种 应用：测速仪和转速计应用：测速仪和转速计（4）Fe-Cr-Co系永磁系永磁合金合金 特点：主要应用的另一类金属硬磁合金。磁性能相当于特点：主要应用的另一类金属硬磁合金。磁性能相当于中等性能的中等性能的A1NiCo永磁合金，但可进行变形加工，机械加工，永磁合金，但可进行变形加工，机械

19、加工，制成管材、片材或线材等。制成管材、片材或线材等。应用：应用：扬声器、电度表、转速表、陀螺仪扬声器、电度表、转速表、陀螺仪、空、空气滤波器气滤波器、磁显示器磁显示器四、有序硬化型永磁合金四、有序硬化型永磁合金*种类：种类：AgMnAl、CoPt、FePt、MnAl、MnAlC合金合金*特点：特点：高温下处于无序状态，经适当的淬火和回火后，高温下处于无序状态，经适当的淬火和回火后，由无序相中析出弥散分布的有序相，提高由无序相中析出弥散分布的有序相，提高HC。*应用：磁性弹簧、小型仪表元件、小型磁力马达应用：磁性弹簧、小型仪表元件、小型磁力马达*FePt合金：耐腐蚀性合金：耐腐蚀性3.4 铁氧

20、体永磁材料铁氧体永磁材料*主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体*化学式：化学式：MO xFe2O3 M=Ba，Sr，Ca，Pb等等 实用化的有实用化的有BaO 6Fe2O3，SrO 6Fe2O3等等*缺点：综合磁性能较低缺点：综合磁性能较低*优点：性价比高；工艺简便成熟；抗退磁性能优良；不优点：性价比高；工艺简便成熟；抗退磁性能优良；不存在氧化问题。存在氧化问题。*目前约占永磁材料总产值的目前约占永磁材料总产值的40。*分类：各向同性永磁；各向异性永磁（分类：各向同性永磁；各向异性永磁（成型时施加外磁场，成型时施加外磁场，使颗粒的易磁化轴定向排列，材料的剩磁和磁能积得到

21、使颗粒的易磁化轴定向排列，材料的剩磁和磁能积得到大大大大提高提高）。）。*应用领域：电机应用领域：电机(50%)，电声，电声(20)，测量与控制器件，测量与控制器件(20%)，其余，其余(10)。3.5 稀土永磁材料稀土永磁材料*由由稀土元素稀土元素RE与过渡金属与过渡金属TM（Fe，Co等）形成等）形成RE：15个，个，La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu常把第常把第III副族元素钪副族元素钪(Sc)和钇和钇(Y)也列入稀土元素之中。也列入稀土元素之中。3.5.1 概述概述*问题问题：纯稀土合金居里温度低。：纯稀土合金居里温度低。Fe、Co

22、、Ni室温下有很室温下有很强的铁磁性，居里温度高。强的铁磁性，居里温度高。设想：稀土元素设想：稀土元素Fe、Co、Ni等等 合金合金 TC高？高？*稀土合金的优势：原子磁矩大；稀土合金的优势：原子磁矩大；K1、s大；结构为六角晶大；结构为六角晶系和四方晶系，具强烈的单轴各向异性。系和四方晶系，具强烈的单轴各向异性。*分类：第一代稀土永磁材料分类：第一代稀土永磁材料 60年代开发，年代开发，SmCo5 第二代稀土永磁材料第二代稀土永磁材料 70年代开发，年代开发，Sm2Co17 优点：永磁性能好，优点：永磁性能好，(BH)max大大 缺点：原材料供应和价格问题（缺点：原材料供应和价格问题（Co，

23、Sm储量少）储量少）第三代稀土永磁材料第三代稀土永磁材料 1983年开发，年开发，Nd2Fe14B(四方四方)特点特点：1、磁性能高，、磁性能高，2、价格属中下水平，、价格属中下水平，3、力学、力学 性能好，性能好，4、TC低，温度稳定性差，化学稳定性欠佳低，温度稳定性差，化学稳定性欠佳 第四点可通过调整化学成分和采取其他措施改善第四点可通过调整化学成分和采取其他措施改善3.5.2 Co基稀土永磁材料基稀土永磁材料*系列：系列：Sm-Co系，系，Pr-Co系，系，Ce-Co系系 Sm-Co系是永磁材料发展史上的里程碑。系是永磁材料发展史上的里程碑。1、第一代、第一代SmCo5*六角结构六角结构

24、*优点：综合磁性能好；缺点：优点：综合磁性能好；缺点：原材料价格昂贵，储量少原材料价格昂贵，储量少*特点特点：a、成分对成分对永永磁性能磁性能影响影响大，若大，若按化学计量按化学计量比比配配不可能获得优异的磁性能不可能获得优异的磁性能，Sm含含量量为过计量时，才为过计量时，才可可能能获得优异的磁性能。获得优异的磁性能。b、只有、只有Sm含含量量为过计量时，才为过计量时，才可可能能获得获得致密的致密的SmCo5合金。合金。c、室温室温HC随回火温度变化。随回火温度变化。2、第二代、第二代Sm2Co17*高温：六角；低温：菱方高温：六角；低温：菱方*优点：优点：MS高，高，TC高高 缺点：缺点：H

25、C偏低，很难成为实用的永磁材料偏低，很难成为实用的永磁材料*改进方法：改进方法：（1）三元）三元Sm2(Co1-xFex)17合金系中添加其他元素合金系中添加其他元素 如：如：Sm2(Co0.8Fe0.05Mn0.15)17，Sm2(Co0.8Fe0.09Cr0.11)17 优点：优点：HC得到了提高得到了提高 缺点：温度稳定性差；制造工艺不易掌握，重复性差。缺点：温度稳定性差；制造工艺不易掌握，重复性差。两种合金没有在工业上得到应用。两种合金没有在工业上得到应用。（2）三元系）三元系Sm-Co-Cu为基础的合金为基础的合金 Sm-Co-Cu系，系，Sm-Co-Cu-Fe系，系，Sm-Co-C

26、u-Fe-M系系 M=Zr,Ti,Hf,Ni等等*目前工业上广泛应用的是第三个系列。目前工业上广泛应用的是第三个系列。其优点：磁性能稳定（抗氧化能力强，磁性随温度变化较小）其优点：磁性能稳定（抗氧化能力强，磁性随温度变化较小）3.5.3 Nd-Fe-B永磁材料永磁材料一、磁体的制备一、磁体的制备两类：粘结永磁体；烧结永磁体两类：粘结永磁体；烧结永磁体1、粘结、粘结Nd-Fe-B磁体的制备磁体的制备(1)、磁粉的制备、磁粉的制备a、熔体快淬法、熔体快淬法真空感应真空感应炉炉熔炼母合金熔炼母合金 惰性惰性气体保护气体保护 熔化熔化的母合金在的母合金在氩气压力下经石英管喷出氩气压力下经石英管喷出 喷

27、射到喷射到 高速旋转的铜辊上快高速旋转的铜辊上快速速冷却冷却凝固凝固 将得到的薄带粉末化后得磁粉将得到的薄带粉末化后得磁粉*旋转辊速旋转辊速度：调节产物晶体结构，即从非晶到数微米晶粒度：调节产物晶体结构，即从非晶到数微米晶粒尺寸变化；影响材料的磁性能。尺寸变化；影响材料的磁性能。b、HDDR法法*此法可获得平均粒径为此法可获得平均粒径为0.3 m的细小晶粒的细小晶粒 HCc、气体喷雾法、气体喷雾法Nd-Fe-B溶液溶液 高速喷嘴高速喷嘴 雾化成细小的金属液滴雾化成细小的金属液滴 射向粉碎射向粉碎盘盘 获得极细的非晶和微晶粉末获得极细的非晶和微晶粉末d、机械合金化法、机械合金化法Nd-Fe-B合

28、金铸锭破碎成粗粉合金铸锭破碎成粗粉 长时间高能球磨长时间高能球磨 产物产物 退火退火处理处理 得到与快淬法相同的微观组织得到与快淬法相同的微观组织优点：成本低优点：成本低(2)、磁体的制备、磁体的制备永磁体粉末与橡胶、塑料等粘结材料相混合，按用求直接永磁体粉末与橡胶、塑料等粘结材料相混合，按用求直接成型为各种形状的永磁部件。成型为各种形状的永磁部件。缺陷：由于粘结剂的加入，永磁体的磁学性能会有一定程缺陷：由于粘结剂的加入，永磁体的磁学性能会有一定程度的下降。度的下降。2、烧结、烧结Nd-Fe-B磁体的制备磁体的制备磁粉磁粉 压缩成型压缩成型 高温烧结高温烧结 热处理热处理 表面处理表面处理二、

29、二、Nd-Fe-B磁体的磁性能磁体的磁性能*四角晶系，具单轴各向异性，四角晶系，具单轴各向异性，C轴为易磁化轴轴为易磁化轴1、Nd-Fe-B相结构与内禀磁性相结构与内禀磁性*相结构决定内禀磁特性相结构决定内禀磁特性（1）交换作用：）交换作用：Fe-Fe原子对间的相互作用是最主要的，原子对间的相互作用是最主要的，它与原子间距有关，有些为正，有些为负它与原子间距有关，有些为正，有些为负 TC较低；较低；（2）单轴磁晶各向异性；）单轴磁晶各向异性；（3）MS主要由主要由Fe原子磁矩贡献，原子磁矩贡献，Nd也有一定贡献。也有一定贡献。*内禀磁性参数：内禀磁性参数：TC=585K，各向异性场，各向异性场

30、 0Ha=6.7T，室，室温饱和磁极化强度温饱和磁极化强度JS=1.61T。2、Nd-Fe-B磁体的性能磁体的性能(受微观结构、成分配方、制备工艺影响受微观结构、成分配方、制备工艺影响)微观结构：微观结构：主要为硬磁的主要为硬磁的Nd2Fe14B相，还包括富相，还包括富Nd相和富相和富B相（室温下为非磁性），还有一些相（室温下为非磁性），还有一些Nd氧化物和氧化物和-Fe、FeB、FeNd、Fe17Nd2等软磁相等软磁相。磁性主要由前者决定，后者具有。磁性主要由前者决定，后者具有隔离或减弱主相磁性耦合的作用，可提高隔离或减弱主相磁性耦合的作用，可提高HC，但降低了，但降低了MS和和Br。成分配

31、方：成分配方：只有永磁合金的只有永磁合金的Nd和和B的含量分别比的含量分别比Nd2Fe14B化合物的化合物的Nd和和B含量多时，才能获得较好的永磁性能。含量多时，才能获得较好的永磁性能。在在Nd-Fe-B永永磁材料成分设计时磁材料成分设计时应应考虑如考虑如下下原则：原则：为获得为获得高高矫顽力，除矫顽力，除B含量适当外，含量适当外，可适当可适当提提高高Nd含量。含量。为获得为获得高高磁能积，应尽可能使磁能积，应尽可能使B和和Nd的含量向的含量向Nd2Fe14B 四四方相的成分靠近，尽可能的提高合金的方相的成分靠近，尽可能的提高合金的Fe含含量。量。制备工艺：制备工艺：制备工艺会影响晶粒的大小、

32、形状及其取向制备工艺会影响晶粒的大小、形状及其取向 影响到晶影响到晶粒间的耦合程度粒间的耦合程度 从而影响宏观磁性能从而影响宏观磁性能二、二、影响影响Nd-Fe-B永磁体性永磁体性能的因能的因素素近邻原子间的交换相互作用是物质磁性的来源近邻原子间的交换相互作用是物质磁性的来源 物质结物质结构各层次间的相互作用与材料磁性能密切相关构各层次间的相互作用与材料磁性能密切相关1、添加元素的影响、添加元素的影响*前两种置换影响主相的内禀特性；后两种掺杂影响磁体前两种置换影响主相的内禀特性；后两种掺杂影响磁体微结构微结构 改善磁性能改善磁性能2、磁粉和晶粒度的影响、磁粉和晶粒度的影响*细而均匀细而均匀的磁

33、粉的磁粉 烧结后得细而均烧结后得细而均匀匀的晶粒的晶粒 HC提高提高*控制磁粉的含氧量，含氧量增加控制磁粉的含氧量，含氧量增加 烧结后晶粒尺寸下降烧结后晶粒尺寸下降3、定向度的影响、定向度的影响*定向度可影响定向度可影响Br、(BH)max*通过增大通过增大模具内模具内定向磁场、在能成型的前提下减小磁粉的定向磁场、在能成型的前提下减小磁粉的磁凝集、采用低成型压力等措施，可磁凝集、采用低成型压力等措施，可提高提高定向度。定向度。4、含氧量的影响、含氧量的影响*对含对含Co的的Nd-Fe-B磁磁体，适度的氧对提高体，适度的氧对提高HC和温度稳定性和温度稳定性有利，另一方面，含氧量高，抗蚀性好。有利

34、，另一方面，含氧量高，抗蚀性好。*对对不含不含Co的的Nd-Dy-Fe-Al-B磁体磁体，与前者相反，与前者相反，HC随含氧随含氧量量增大而减小。增大而减小。5、磁体的热稳定性、磁体的热稳定性*提高磁体提高磁体工工作温度作温度的的两条途径：提两条途径：提高高居里温度和提高居里温度和提高室室温温(25)下的矫下的矫顽顽力。可分别用添加力。可分别用添加Co和和Dy来实现来实现。3.5.4 双相纳米晶复合永磁材料双相纳米晶复合永磁材料*问题提出：能否得到一种磁体，使其既具有硬磁性相的高问题提出：能否得到一种磁体，使其既具有硬磁性相的高内禀矫顽力又具有软磁性相的饱和磁化强度高、易充磁的内禀矫顽力又具有

35、软磁性相的饱和磁化强度高、易充磁的优点。另一方面综合磁性能好的硬磁材料中含稀土元素，优点。另一方面综合磁性能好的硬磁材料中含稀土元素，提高了成本，降低了化学稳定性（易腐蚀）。提高了成本，降低了化学稳定性（易腐蚀）。*解决方案：多相复合磁体即硬解决方案：多相复合磁体即硬磁相基磁相基体体中均匀分布有软中均匀分布有软磁相颗粒磁相颗粒，可全面解决上述问题。，可全面解决上述问题。一、理论基础一、理论基础交换交换耦合耦合作用作用*Stoner-Wohlfarth理论：描述单轴晶系多晶永磁体的磁学理论：描述单轴晶系多晶永磁体的磁学性质，即性质，即Mr与与MS的关系。的关系。*1988年，年，Clemette

36、在在Nd-Fe-B-Si系合系合金中得到了与上述理金中得到了与上述理论不符的结果。论不符的结果。Br/BS=0.6*解释：解释：“交换耦合作用交换耦合作用”“交换耦合区域交换耦合区域”*晶晶粒内部，磁化强度平行于易磁化轴，而粒内部，磁化强度平行于易磁化轴，而在在晶粒边界处有晶粒边界处有一一层层“交换耦合区交换耦合区域域”，该区域内，该区域内磁磁化强度受周围晶粒的化强度受周围晶粒的影响偏离了易磁化轴，呈现磁影响偏离了易磁化轴，呈现磁紊乱紊乱状态。剩磁状态状态。剩磁状态下下，必，必然有然有一一些些晶晶粒的易磁化轴与原外加磁场方向粒的易磁化轴与原外加磁场方向致，这些致，这些晶晶粒中的磁化强度会使得粒

37、中的磁化强度会使得周周围围晶晶粒中粒中交换耦合交换耦合区域内的磁化区域内的磁化强度也大致停留在剩磁方向强度也大致停留在剩磁方向上上，从，从而而使得剩余磁化强度有使得剩余磁化强度有了了明明显的提高。显的提高。*若晶粒尺寸过大，则交换耦合区域所占的体积分数太小，若晶粒尺寸过大，则交换耦合区域所占的体积分数太小，交换耦合作用不明显。只有在纳米尺度内（交换耦合作用不明显。只有在纳米尺度内（600/min)将非晶带升温到硬磁相晶化将非晶带升温到硬磁相晶化温度进行短时间保温，并快速冷却，让硬磁相和软磁相同时温度进行短时间保温，并快速冷却，让硬磁相和软磁相同时析出。析出。有利于减小有利于减小-Fe相的晶粒尺

38、寸相的晶粒尺寸3）磁场热处理法）磁场热处理法*外加磁场可以细化晶粒，并使晶化相均匀分布外加磁场可以细化晶粒，并使晶化相均匀分布3.5.5 Sm-Fe-N系永磁材料系永磁材料*Nd-Fe-B永磁材料永磁材料优点：磁性能好，价格低廉，资源丰富优点：磁性能好，价格低廉，资源丰富 缺点：磁性温度稳定性差；抗腐蚀性差缺点：磁性温度稳定性差；抗腐蚀性差*Sm2Fe17Nx：MS1.54T，TC470，各向异性场为，各向异性场为14T Nd-Fe-B：MS1.6T，TC312，各向异性场为，各向异性场为8T一、一、Sm2Fe17Nx合金的晶体结构和磁性能合金的晶体结构和磁性能*具有具有与其母与其母合金合金S

39、m2Fe17相同的菱形相同的菱形Th2Zn17型结构，只是型结构，只是点阵常数点阵常数a、c和晶胞体积和晶胞体积V发生了变化发生了变化 对磁性有很大影对磁性有很大影响响*通常情况下，由于氮化过程进行的不完全，通常情况下，由于氮化过程进行的不完全，一般用般用Sm2Fe17Nx(0 x 3)来表示氮化后的产物。来表示氮化后的产物。二二、Sm2Fe17化合物化合物的氮化过程的氮化过程*此气此气-固反应包括以下几个过程：固反应包括以下几个过程：1)N2或或NH3在气相中扩散并且在金属表面产生物理吸附。在气相中扩散并且在金属表面产生物理吸附。2)N2或或NH3分解出分解出N原子和原子和H原子，原子，N原

40、子和原子和H原子在金属表原子在金属表面产生化学吸附。面产生化学吸附。3)N原子和原子和H原子进入金属内部。原子进入金属内部。4)N原子和原子和H原子在金属内部扩散。原子在金属内部扩散。5)形成氮化相。形成氮化相。6)N原子从氮化相中向原子从氮化相中向N原子含量低的相中扩散。原子含量低的相中扩散。*Sm2Fe17Nx化合物是化合物是Sm2Fe17与含氮气体发生气相与含氮气体发生气相-固相反应固相反应而生成的，含氮气体可以是而生成的，含氮气体可以是N2，N2H2，NH3，或，或NH3H2。*反应温度提高反应温度提高 扩散系数扩大；氮化产物的分解扩散系数扩大；氮化产物的分解综合考虑两种因素，氮化温度

41、一般选择在综合考虑两种因素，氮化温度一般选择在500左右。但此左右。但此时扩散系数小，氮化速度缓慢，为了缩短氮化时间，氮化前时扩散系数小，氮化速度缓慢，为了缩短氮化时间，氮化前必须把必须把Sm2Fe17化合物研磨至化合物研磨至10 m左右。左右。*难题：如何在短时间内氮化得到高性能的难题：如何在短时间内氮化得到高性能的Sm2Fe17Nx磁体。磁体。三三、Sm2Fe17的制造工艺的制造工艺*Sm2Fe17Nx磁粉只能用于制造粘结永磁体磁粉只能用于制造粘结永磁体(高温时氮化物分解高温时氮化物分解)制造方法：熔体快淬法、机械合金化法、制造方法：熔体快淬法、机械合金化法、HDDR法、粉末冶法、粉末冶金法金法