第二章金屬磁性材料

第二章金屬磁性材料第1頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三金屬磁性材料的發(fā)展是從由簡到繁，性能不斷提高，功能逐步完善的過程。最早應用的金屬軟磁磁性材料是純鐵，金屬永磁磁性材料是碳鋼，時間約是1880年。由于材料性能上存在明顯缺點，如純鐵的磁性質對雜質很敏感，碳鋼的磁能積太低，通過不斷嘗試逐步發(fā)展出合金磁性材料，材料的構成與結構不斷復雜化，材料的軟磁與永磁性能也不斷提高，形成了全面的金屬磁性材料系列。第2頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

常見鐵磁金屬的結構與磁性具有磁性的單質元素主要有鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)，而且常見的磁性材料絕大部分是以它們?yōu)橹饕M成部分的合金或化合物。因此了解鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的結構與性質對后面的討論會有所幫助，在此首先介紹鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的結構與它們磁性質。第3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

Fe：

⑴常壓下，溫度＜910℃為體心立方（bcc），鐵磁性的α－Fe， 居里溫度為770℃，易磁化方向為<100>,難磁化方向為<111>⑵910℃＜溫度＜1400℃為面心立方（fcc）,順磁性的γ－Fe⑶溫度＜1400℃為體心立方（bcc），順磁性的δ－Fe第4頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

Ni:常壓下，在熔點以上溫度范圍內(nèi)，均是面心立結構（fcc），為鐵磁性的γ-Ni，居里點為358℃易磁化方向為<111>難磁化方向為<100>第5頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三Co：⑴溫度＜450℃，為簡單六方結構，鐵磁性的ε-Co相。 居里點為1117℃，易磁化方向為<0001>，難磁化方向為<2110>和1010>⑵溫度＞450℃至熔點 為面心立方γ–Co相。[1120][1010][0001]第6頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

Fe、Co、Ni的磁性都來自于它們的3d電子間的交換相互作用而形成的鐵磁性，由于金屬中相鄰原子間距較小，電子云重疊比較明顯，因此電子間的交換相互作用比較強，居里溫度相對較高。它們每個原子具有的磁矩分別為2.2μB、0.6μB和1.7μB。另外，過渡金屬中很多原子具有磁矩，但單質材料中一般是具有反鐵磁性的，如Mn、Cr等。第7頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

金屬軟磁材料

一、性能的基本要求貯能高：高的飽和磁感應強度。靈敏度高：初始磁導率、最大磁導率、脈沖磁導率大。效率高：Hc低，電阻率高，損耗小?；鼐€矩形比高穩(wěn)定性好：磁滯回線較窄矯頑力小磁導率高。第8頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

影響磁導率的因素機理：根據(jù)技術磁化的分析，影響材料磁導率的主要過程是可逆磁疇轉動和可逆疇壁位移。動力：飽和磁化強度，材料的飽和磁化強度越大，可逆磁疇轉動和可逆疇壁位移更容易發(fā)生。阻力：內(nèi)應力、摻雜、空泡、晶界?？赡娲女犧D動和可逆疇壁位移要受到上述材料中缺陷的阻礙。第9頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三提高磁導率的措施1、提高飽和磁化強度Ms2、有效方法，使K1→0，λs→03、高溫退火4、真空熱處理5、氫氣熱處理6、使材料雜質相對集中7、真空熔煉、精煉8、進行織構化第10頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三常見金屬軟磁材料工業(yè)純鐵鐵硅合金鐵鎳合金鐵鋁合金鋁硅鐵合金非晶及納米晶軟磁合金磁介質第11頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三工業(yè)純鐵

純度在99.8%以上的鐵，不含任何故意添加的合金元素。室溫性能：Bs=2.15(T)，居里溫度770℃，最大磁導率μm=20000，ρ=0.1×10-6(Ω.m)。工業(yè)純鐵的碳含量低，矯頑力低，磁導率高，導熱性和加工性好，有一定的耐腐蝕性和價格便宜。電阻率低，不能在交流磁場中應用。在直流磁場中，作為恒定磁場中的磁導體，如作磁極和磁屏蔽。第12頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三1、電解鐵

含有0.05~0.02%C、Mn≤0.01%、P≤0.005%、S≤0.004%、Al≤0.01%、Cu≤0.015%。電磁性能：μi=500、μm=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(×79.6A/m)、ρ=9.6×10-8Ω.m2、阿姆柯鐵含C≤0.025%、Mn≤0.035%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cu≤0.08%。磁性能：μi=2000~5000、μm=6000~15000、Hc=0.5~1.5(×79.6A/m)3、羰基鐵由Fe（Co）5分解而成，純度高。磁性能：μi=20003000、μm=20000~21500、Br=0.5~1.0T、Hc=0.08×79.6A/m、ρ=9.6×10-8Ω.m由此可見，微量雜質對純鐵的磁性影響明顯。第13頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三鐵硅合金

鐵硅合金，通常又稱為硅鋼片、電工鋼。在變壓器、電動機、發(fā)電機等電力設備和通信設備中，它是最重要的鐵芯材料，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。1900—1930年，煉鋼和熱軋加工技術1934—60年晶粒取向、熱處理、玻璃涂層1983—至今輻射第14頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

3.2%Si-Fe合金來說，當溫度從室溫上升到熔點的過程中，不會發(fā)生任何結構轉變，并始終保持單一的體心立方結構，這對在較高溫度下進行再結晶退火十分有利，同時，當溫度從高溫緩慢冷卻到室溫時，純鐵存在相變的干擾，而鐵硅不存在這樣的問題，因此這種合金很容易制成單晶。鐵硅合金的結構對含C量十分敏感，對鐵硅合金，應使含C下降到0.01%以下。第15頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三再結晶：當加熱溫度較高時，變形金屬的顯微組織發(fā)生顯著的變化，破碎的、被拉長的晶粒全部轉變成均勻而細小的等軸晶粒。再結晶時金屬不發(fā)生晶格類型的變化，而是形成無晶格畸和加工硬化的新晶粒，晶粒的形狀和大小也發(fā)生了相應的變化。通過材料的再結晶工藝，可以改善材料的顯微結構，減小缺陷和晶界對磁性能的影響，提高材料的磁性能。第16頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

硅的加入可以降低鐵硅合金的磁晶各向異性常數(shù)，同時隨著硅含量的增大，飽和磁致伸縮系數(shù)和可以逐漸趨于零，這對提高磁導率和降低矯頑力是有利的。

添加硅可以提高合金的電阻率。這對降低渦流損耗特別重要。鐵硅合金的密度隨含硅量增大而下降，制成鐵芯后，對減輕變壓器和電機的重量有利。第17頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

硅促進鋼中碳的石墨化，退火時鋼的脫碳傾向增加，同時還可以與鋼中的O2合成SiO2，使鋼脫氧。這樣可使損耗下降，磁性能改善，而且避免碳和氧所引起的老化現(xiàn)象。硅鋼的磁性對溫度、振動及應力等敏感性較少，具有較高的穩(wěn)定性。飽和磁感應強度和居里溫度均隨含硅量的增加而下降。硬度增加、延伸率、沖擊韌性下降。加工困難。第18頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

硅鋼片的制備非取向硅鋼片：熱軋硅鋼片或冷軋硅鋼片晶粒取向硅鋼片：單取向硅鋼片戈斯織構或雙取向硅鋼片立方織構。第19頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三立方織構硅鋼片主要的制備工藝采用純度盡可能高的鐵硅合金，材料的這種高純狀態(tài)是出現(xiàn)立方織構的重要先決條件。通過熱軋和冷軋，以及在適當?shù)臍夥罩羞M行中間退火，將材料軋到一定的厚度。在最后一道軋制完成后，通過退火發(fā)展（110）[001]或（120）[001]型的初次（或二次）織構。在嚴密控制的氣氛中進行最后退火,以便通過二次或三次再結晶發(fā)展立方織構。第20頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

鐵鎳合金含Ni為30%~90%的鐵-鎳系軟磁合金一般統(tǒng)稱為坡莫合金。

鐵鎳合金的成份范圍很窄，磁性能可以通過成份的控制和熱處理工藝來調(diào)整，滿足各種不同性能要求。加工性能好。低和中等磁場下具有較高的磁導率和很低的矯頑力。第21頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

含鎳量從30%到100%的鎳鐵合金在室溫下是由單一的面心立方結構的γ相組成。在合金含量小于30%時，γ相在較低溫度下可通過馬氏體相變轉變?yōu)轶w心立方的α相，這種結構轉變有明顯的熱滯現(xiàn)象，即升溫時的α→γ轉變a溫度和降溫時γ→α的轉變溫度不重合。兩相區(qū)難以確定。在相當于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分處會發(fā)生有序和無序相轉變。有序化轉變溫度在506℃。第22頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三鎳鐵合金成分對性質的影響第23頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

電阻率的最大值出現(xiàn)在含Ni量為30~40%的范圍。根據(jù)固體物理的理論，雜質散射是金屬材料產(chǎn)生電阻的主要原因之一，在純金屬中加入雜質元素后，由于電子運動受到雜質的散射，它的自由程縮短，電阻率必然增加。加入的雜質元素愈多，則電阻率值愈高。對鐵鎳合金而言，含Ni35%以下，是Ni原子固溶在Fe中，晶體是具有體心立方結構的。而Ni35%以上，是Fe原子固溶在Ni中，晶體是具有面心立方結構的。第24頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三鎳鐵合金的成分對磁性質的影響第25頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

居里溫度在含Ni量為0~10%和65~100%兩個成分范圍內(nèi)，居里溫度隨鎳含量的增加而下降。當含鎳量為35%左右時，由于非磁性相的出現(xiàn)，居里溫度急劇下降。在含鎳量為67%附近，由于點陣距離剛好滿足出現(xiàn)最大的交換能，故居里溫度出現(xiàn)最大值。第26頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

飽和磁感應強度

由于鎳原子的玻爾磁子數(shù)比鐵小，所以Ni含量在0~20%之間，Bs隨含鎳量的增加而下降。在20~35%Ni范圍內(nèi)，由于出現(xiàn)了非磁性相，Bs發(fā)生突變而迅速下降。含鎳量35%以上時，由于新的磁性相的出現(xiàn)，Bs隨含鎳量的增加而增大，但在含鎳量50%以上時，由于Ni對Fe的替代，Bs隨含鎳量的增加而減小。第27頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三熱處理對鐵鎳合金磁性的影響

獲得高磁導率的材料，要使軟磁材料呈單相的固溶體、低的K1和λs值、高的Bs。為了避免有序化，同時減少內(nèi)應力。一般采用雙重熱處理的方法：將坡莫合金退火后，從600℃將樣品放在銅板上，在空氣中急冷，或在隨爐冷卻后，再加熱到600℃，然后快速冷卻，即進行雙重熱處理。

將坡莫合金在其居里溫度附近加磁場冷卻，或進行磁場熱處理，在平行所加磁場的方向上測量的磁化曲線均呈出矩形磁滯回線，而在垂直方向上為平直的磁化曲線。第28頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

多元系坡莫合金

在Ni-Fe合金中加入鉬、鉻、銅等元素的多元系坡莫合金，可不進行急冷處理，只要冷卻速度適當，其初始磁導率可比二元系坡莫合金高幾倍。而且電阻率也比Ni含量為78.5%坡莫合金要高3倍，為0.60×10-3Ω.m，但飽和磁感應強度從1.3T降到0.6~0.8T。第29頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

合金元素對高磁導率Fe-Ni合金性能

鎳鐵合金因為只有兩個元素，在材料改性方面就會受到許多限制，因此在很多應用中，因為性能提高的要求，會在合金中加入其它的金屬或非金屬元素。合金成分設計的基本原則是使λs≈0，通過調(diào)整材料的熱處理工藝使K1≈0，而獲得高磁導率。常見的添加元素有鉬、銅、鉻、硅、碳、錳、鈦等。第30頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三1、鉬鉬小于15%時，在Ni大于50%鐵-鎳合金中完全固溶，它使：i.電阻率上升。ii.含78.5%Ni的鐵-鎳合金的K1和λs更接近零。

iii.鉬可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低熱處理的冷卻速度。iv.鉬使K1=0的合金鎳含量增加。4Mo-79Ni5Mo-80Ni6Mo-81Ni。v.降低合金的Ms和居里溫度。第31頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

銅改善合金的冷加工性能銅使合金的μa及μm值提高，且降低了磁導率對成分的敏感性，即當合金成分偏離最佳成分時，對μa及μm值影響不大。銅可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降低熱處理的冷卻速度。降低合金的Ms和居里溫度。第32頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

其它元素錳可提高電阻率、降低矯頑力值，可以脫硫、脫氧、改善熱加工性能。鉻使鐵鎳合金的居里溫度降低，抑制有序相的形成，提高合金的電阻率值釩、鈮、鈦等可提高合金的硬度，改善耐磨性。碳可以脫氧，但C含量大于0.05%時使磁性急劇下降。硅加入0.05%左右對合金磁性有利，因其和錳可復合脫氧，使脫氧顆粒呈大顆粒。磷大于0.06%時，使合金的μ值急劇下降。第33頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

磁介質磁介質是將鐵磁體粉粒與絕緣介質混合壓制成的磁性材,常稱為鐵粉芯.在磁介質中,每一鐵磁顆粒間在電與磁方面彼此分隔,故可隔斷渦流。磁介質的磁導率μ——鐵磁體的磁導率μFe——磁介質的磁導率g——絕緣介質所占體積的比值第34頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三磁介質實例的磁性質第35頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三磁介質的制備工藝第36頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

磁介質的種類電解鐵粉芯工藝簡單，磁特性穩(wěn)定，損耗較大。坡莫合金粉芯磁導率高、損耗低、但價格貴。羰基鐵粉芯性能穩(wěn)定，高頻特性好，可用于幾百MHz場合。

鋁硅鐵粉芯磁導率中等，可具有負溫度系數(shù)。

隨著軟磁鐵氧體的發(fā)展，磁介質的生產(chǎn)大大減少了。只有在高溫、大功率、高頻等特殊場合仍然離不開它。第37頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三最早作為金屬永磁材料使用的是碳鋼，可以追溯到1880年，但碳鋼的最大磁能積只有1.6kJ/m3。1931年發(fā)現(xiàn)了鋁鎳鈷磁鋼，初始最大磁能積為14.3kJ/m3，后通過合金成分的調(diào)整與工藝的完善，最大磁能積達到39.8kJ/m3，成為金屬永磁材料的主導，直到1960年代第一代稀土永磁材料SmCo發(fā)明之后。第38頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

第一代稀土永磁材料SmCo5合金的發(fā)現(xiàn)，將金屬永磁材料的最大磁能積提高到150kJ/m3以上。到1970年代，第二代稀土永磁材料SmCo17的發(fā)現(xiàn)，將金屬永磁材料的最大磁能積提高到250kJ/m3以上。1983年日本人發(fā)現(xiàn)了新型第三代稀土永磁材料NdFeB合金，它的最大磁能積達到到400kJ/m3以上。由于NdFeB材料中不含戰(zhàn)略物資Co，而且Nd又是含量較豐富的稀土元素，因此NdFeB永磁材料在金屬永磁材料中起主導作用。第39頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三永磁磁能積的進展第40頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

衡量永磁材料的技術指標對永磁材料而言，一旦被磁化，其磁化狀態(tài)應具有難以失去的特性。永磁體一旦被磁化到飽和后，撤去外磁場，磁體的兩個磁極之間會產(chǎn)生恒定磁場，對外界提供磁場能量。這個磁場能量用永磁材料的最大磁能積(BH)max表示，除此之外，描述永磁材料特性的主要技術指標還有剩余磁感應強度Br、矯頑力Hc等。這些參量都可以從永磁材料的退磁曲線中獲得。第41頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三永磁材料的磁化曲線與退磁曲線第42頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

剩余磁感應強度Br

永磁材料磁化到飽和后，外加磁化場撤去之后，材料所具有的磁感應強度，稱為剩余磁感應強度Br。如果是具有一定形狀的開路磁體，那么外磁場撤去之后，由于存在退磁場的作用，此時材料所具有的磁感應強度比Br小，一般稱之為表觀剩余磁感應強度Bd。對永磁材料來說，Br越大，它可以提供的磁場也越大，因此希望材料的Br盡可能大。第43頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三矯頑力Hc永磁材料磁化到飽和后，外加磁化場撤去之后，材料的磁感應強度B或磁化強度M并不減小到零。要使B或M減小到零，必須施加反向磁場。當使B或M減小到零時所對應的磁場稱為矯頑力Hc。但B和M并不是同時達到零的，因此為了區(qū)分矯頑力對應的是B或M達到零，常標記為bHc或mHc，后者又稱內(nèi)稟矯頑力。矯頑力是表征材料對外磁場的抗干擾能力，希望越大越好。第44頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

最大磁能積(BH)max永磁材料的退磁曲線上任一點都對應一個B和H，兩者的乘積就是磁能積。在所有的磁能積中，最大的就是最大磁能積(BH)max，如下圖所示。最大磁能積表征的是永磁體磁化后所能提供的最大磁場能量，是表征永磁體性能的一個綜合指標。產(chǎn)生相同的磁場，磁體最大磁能積越大，所需要的磁體的體積越小，因此對永磁體來說，最大磁能積(BH)max越大越好。第45頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三永磁材料的退磁曲線與最大磁能積第46頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

穩(wěn)定性永磁體的穩(wěn)定性是指磁體的相關磁性能在長時間使用的過程中或是溫度、外磁場、沖擊、振動等外界因素的影響而保持不變的能力，它與材料工作的可靠性緊密相關。如果磁性能參量為Z，穩(wěn)定性表示為：永磁體的穩(wěn)定性自然是越小越好。第47頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三永磁材料的性能是標志其優(yōu)劣的重要指標，在材料制造中自然希望提高材料的性能，這樣不僅可以節(jié)約資源，而且也可以提高生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效應。當然材料的性能提高還是受到其結構與組成的限制，但通過適當?shù)某煞终{(diào)整與工藝的改進，材料性能還是可以有一定程度提高。第48頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

提高材料的Br要提高永磁材料的剩磁Br，一方面是提高材料的飽和磁化強度Ms，另一方面是提高材料磁滯回線的矩行比Br/Bs。常見的方法包括：定向結晶、塑性形變、磁場成型和磁場處理等，其基本目的就是讓材料的晶粒具有特定取向或形成特定的織構結構，這樣沿易磁化軸方向上Br會得到明顯提高，當然垂直于易磁化軸方向上Br一般會明顯減小的。第49頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三提高的Hc方法永磁材料的磁化過程中，主要經(jīng)過疇壁的可逆與不可逆移動和磁疇的可逆與不可逆轉動。矯頑力由疇壁的不可逆的移動和磁疇不可逆的轉動形成，磁疇壁在移動或磁疇轉動的過程中，會受到晶界、雜質和磁晶各向異性的阻滯作用，這種作用越明顯，磁疇壁運動或磁疇轉動就越困難，材料的固有磁化狀態(tài)就不容易改變，矯頑力就越大。因此提高Hc就從控制疇壁的不可逆的移動和磁疇不可逆的轉動入手。第50頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三磁疇的不可逆的轉動一般在晶粒尺寸小于磁疇單疇尺寸的材料中，每個晶粒中只有一個磁疇，不存在疇壁，因此矯頑力主要是磁疇的不可逆轉動的貢獻。磁疇中的磁化強度矢量要改變方向，各種磁各向異性對磁矢量的轉動都有阻滯作用。包括磁晶各向異性、形狀各向異性和應力各向異性。根據(jù)材料的具體情況來有針對性采取措施，如AlNiCo合金中形狀各向異性起主導作用，在工藝中就要形成細長晶粒來提高材料的矯頑力。第51頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三疇壁的不可逆的移動材料中由于存在不均勻性，磁化到飽和后也有可能存在少量的反磁化磁疇。反方向磁化時，反磁化磁疇通過疇壁的移動來實現(xiàn)磁化矢量的反向。如果有目的地在材料中引入一些面缺陷，當疇壁運動到此處時，由于能量較低，疇壁被釘扎，阻滯了它的運動，只有在較大的外磁場的作用下才能繼續(xù)運動。NdFeB材料中的強的矯頑力就是來源于材料中的強的疇壁釘扎效應。第52頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三最大磁能積(BH)max的提高最大磁能積(BH)max是永磁材料的一個綜合參數(shù)，如果材料的剩磁Br和矯頑力Hc都得到了提高，那么最大磁能積(BH)max自然也就提高了。在永磁材料的實際應用中，由于設計的問題，材料的工作點不一定在最大磁能積點，這樣材料的特性就不能得到充分的發(fā)揮。因此在具體工作中，要將永磁體的工作點取在最大磁能積點附近。第53頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)定性的提高永磁體的穩(wěn)定性包括溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。一般對溫度穩(wěn)定性，可采用提高材料的居里溫度，適當?shù)碾x子替代以及利用不同系列合金，正負溫度等效互相補償來提高穩(wěn)定性。

對時間穩(wěn)定性，可以通過時效處理，進行人工老化，或者溫度循環(huán)處理，在比工作溫度范圍寬的溫度，反復循環(huán)多次，可以提高時間穩(wěn)定性。第54頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

常見的金屬永磁材料一、鐵鈷鎳基合金磁鋼：1、淬火硬化型磁鋼；2、析出硬化型磁鋼；3、時效硬化型磁鋼；4、有序硬化型磁鋼。二、稀土合金磁鋼：1、釤鈷合金；2、釹鐵硼合金。第55頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三淬火硬化型磁鋼淬火硬化型磁鋼包括碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼、鋁鋼等，是一類最早獲得應用的金屬永磁材料。這類材料的矯頑力是通過合金的高溫淬火手段，把材料中原來的奧氏體組織轉變?yōu)轳R氏體組織而獲得的。淬火硬化型磁鋼的矯頑力一般都比較低，最大磁能積也比較小，這類永磁材料目前已經(jīng)基本上不再使用了。第56頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三淬火硬化型磁鋼的典型磁性能第57頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三析出硬化型磁鋼析出硬化型磁鋼的典型代表就是AlNiCo合金。AlNiCo合金經(jīng)熔化鑄造，形成均勻的體心立方相。經(jīng)過磁場中的熱處理過程中，從均勻合金中會析出磁性相和非磁性相，磁性相在外磁場作用下，形成長的柱狀晶粒，有序排列在非磁性相中。正是這種柱狀晶粒的各向異性，導致了AlNiCo合金具有較大的矯頑力。目前AlNiCo合金在一些儀器儀表仍在使用。第58頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三AlNiCo合金的典型磁性能第59頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三時效硬化型磁鋼時效硬化型磁鋼的矯頑力通過淬火、塑性形變和時效變化工藝獲得。這類材料的種類較多，如鐵鉬鈷合金、鐵錳鈦合金、銅基合金和鐵鉻鈷合金等，以FeCrCo合金為典型代表。這中永磁合金的優(yōu)點是加工性能好，可以進行各種形式機械加工，而且FeCrCo合金的磁性質與中等AlNiCo合金相當，因此仍然有一定的使用。第60頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三鐵鉻鈷合金的典型磁性能第61頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三有序硬化型磁鋼有序硬化型磁鋼包括銀錳鋁合金、鈷鉑合金、鐵鉑合金、錳鋁合金、錳鋁碳合金等。這類合金的顯著特點就是在高溫下，合金處于無序狀態(tài)，經(jīng)過適當?shù)拇慊鸹蚧鼗鹛幚?，由無序相中析出彌散分布的有序相，從而提高合金的矯頑力。它們主要應用與磁性彈簧中，另外由于鉑的合金具有很好的耐腐蝕性，適合應用于具有較強腐蝕性的場合。第62頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三有序硬化型磁鋼的典型磁性能第63頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三稀土永磁合金稀土永磁合金是目前具有最高永磁特性的永磁材料，主要應用于大磁場的行波管聚焦磁鐵、微型永磁馬達和發(fā)電機及微型高靈敏度儀表等。常見的稀土永磁合金有以下三類：1、始于1960年代的1:5型Re-Co永磁；2、始于1970年代的2:17型Re-Co永磁；3、始于1980年代的Re-Fe-B永磁；第64頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

1:5型Re-Co永磁1:5型Re-Co永磁主要包括Sm-Co系、Pr-Co系、Ce-Co系等幾種永磁系列，不同稀土元素構成的合金具有不同的磁性質，以Sm-Co系最具代表意義。稀土合金的f電子因為被屏蔽，交換作用較弱，因此形成鐵磁性的居里溫度低于室溫。而將稀土與過渡元素混合形成合金，首先得到了1:5型Re-Co永磁合金，永磁最大磁能積獲得突破，因此它的發(fā)現(xiàn)具有里程碑意義。第65頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三Sm-Co的二元合金相圖第66頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三從Sm-Co的二元合金相圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種金屬可以形成多中合金，而在永磁材料中只關心Sm含量較少的2:17型Sm-Co合金和1:5型Sm-Co合金。它們在所有的Sm-Co二元合金中具有最高的飽和磁化強度和居里溫度，具有成為優(yōu)質永磁材料的先決條件。此處主要討論1:5型Sm-Co合金的結構、制備工藝和磁性質，2:17型Sm-Co合金將在后文中討論。第67頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三1:5型Sm-Co永磁體

1:5型確Sm-Co永磁體是一種具有六角結構的晶體，它有兩種不同的原子層構成，一層是呈六邊形排列的Co原子，另一層是有稀土原子與Co原子按1:2的比例排列而成。點陣常數(shù)a=5.002?，c=3.694?。晶體結構的低對稱性決定了它具有較高的磁晶各向異性，K1=1.5×103kJ/m3，飽和磁化強度Ms=890kA/m，理論上的最大磁能積達到240kJ/m3。第68頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三SmCo5的晶體結構與晶胞第69頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

從合金的分子式分析可知，Sm占16.66%摩爾比，實際上由于Sm在制備過程中，約有1~2wt%被氧化，Sm含量在16.85~17.04%摩爾比可獲得最佳效果。而且合金的磁性質對Sm含量很敏感，小于16.3%時磁性能很差。正常燒結的SmCo5磁體的磁性能為：Br=0.8~0.95T，bHc=560~760kA/m，最大磁能積(BH)max=135~160kJ/m3，Tc=740

℃

。采用強磁場取向，等靜壓與低氧等工藝，SmCo5磁體最高磁性能已經(jīng)達到Br=1.07T，bHc=850kA/m，(BH)max=227kJ/m3。第70頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

SmCo5永磁的制備工藝1.粉末冶金法：配料→熔煉→磨粉→磁場成型→燒結→熱處理→磨加工→檢驗2.還原擴散法：原料準備→混料→還原擴散→去除鈣和氧化鈣→磨料→干燥→磁場成型→燒結→熱處理→磨加工→檢驗第71頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三SmCo5合金永磁的磁晶各向異性強，因此如果材料中的晶粒尺寸小于單疇尺寸時，矯頑力應該是磁晶各向異性所控制的。實際上獲得最大矯頑力時晶粒尺寸比單疇尺寸大，因此存在明顯的疇壁釘扎效應。結合材料的熱處理工藝和顯微結構分析，發(fā)現(xiàn)矯頑力較大時，材料在處理工程中會有析出相，而且析出相彌散分布在晶界中，它們起到了阻止晶粒長大和釘扎疇壁的作用，從而使材料的矯頑力提高。第72頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三2:17型Sm-Co永磁體2:17型Sm-Co永磁體在高溫下是穩(wěn)定的六角結構，而低溫下是菱方結構。其結構可以看成是在三個SmCo5合金晶胞的基礎上用兩個鈷原子替代了一個稀土原子，并在基面上滑移而成的。室溫下的晶體點陣常數(shù)a=8.395?，c=12.216?，飽和磁化強度Ms=960kA/m，易磁化軸沿c方向。2:17型Sm-Co永磁體的居里溫度高達926℃，是稀土永磁中穩(wěn)定性最好的磁體，特別是高溫環(huán)境中具有不可替代作用。第73頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三Sm2Co17合金的高溫與低溫晶體結構第74頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三Sm2Co17合金雖然飽和磁化強度高，但矯頑力較低，很難成為實用的永磁體。提高合金的矯頑力，一般采用兩種途徑：一、在用部分Fe替代Co的基礎上，通過添加其它元素，如Mn、Cr等提高磁體的矯頑力，獲得高性能永磁體。矯頑力由反磁化核的形核與長大的臨界場所決定。這類材料的缺點是溫度穩(wěn)定性差，而且制造工藝不易控制，重復性低，在實際生產(chǎn)中沒有得到應用。第75頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三二、在用部分Cu替代Co的基礎上，通過添加其它元素來改善材料的磁性。工業(yè)上常用的是添加Fe和Ni、Hf、Zr等，我們所說的第二代稀土永磁體就是Sm2(Co，Cu，F(xiàn)e，M)17合金，它不僅磁性能優(yōu)異，而且具有最好的溫度穩(wěn)定性，在25--400℃的溫度范圍內(nèi)，磁感應強度B的溫度系數(shù)只有-0.034%/℃，矯頑力的溫度系數(shù)也較低。另一個優(yōu)點是它的抗氧化能力強，材料性質可以保持長期穩(wěn)定。第76頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17永磁合金的熱處理1、1190~1220℃/燒結1~2h；2、1130~1175℃/固溶處理0.5~2h后快冷；3、750~850℃/等溫時效0.5~10h；4、分級時效或控速冷卻。在850℃以下進行時效處理，磁體內(nèi)形成細微菱形胞狀組織，胞內(nèi)是具有菱方結構2:17相，具有鐵磁性，胞壁是具有立方結構1:5相，因為富集Cu為非磁性或弱磁性，矯頑力普遍認為是弱磁相對疇壁的釘扎所致。第77頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

R-Fe-B系稀土永磁第三代鐵基稀土永磁，不含戰(zhàn)略物質Co和Ni；自1983年開發(fā)以來，已由R-Fe-B三元系發(fā)展到(Nd、HR)-FeM1M2-B七元系合金；生產(chǎn)工藝多種多樣，如燒結法、熔體快淬法、粘結法、機械合金化法等。它能吸起相當于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍；居里溫度不高，穩(wěn)定性差。第78頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

Nd-Fe-B合金的分子式可以表示為Nd2Fe14B，屬于四角晶系，晶體點陣常數(shù)a=8.820?，c=12.24?，具有單軸各