6.2硬磁材料

3、硬磁铁氧体
• 硬磁铁氧体包括钡铁氧体BaFe12O19锶铁氧 体SrFe12O19和铅铁氧体PbFe12O19。它具 有剩余磁通量小、矫顽力大、电阻率大、 密度小、重量轻、温度系数大、制造工艺 简单等特点，是硬磁材料中价格最低，用 量最大的一类磁体，其(BH)max为8～32 kJ ／m3。表6—7列出了TDK生产的硬磁铁氧 体材料的磁性能。
1. 2. 3. 4. 5.
剩磁Br和表观剩磁BD 矫顽力Hc 最大磁能积（BH）max和凸出系数γ 回复磁导率µrev 稳定性
1、剩磁Br和表观剩磁BD
• 磁性材料被磁化到相应于最大磁化场Hs后，再使 该磁化场为零时所剩留的磁感应强度称为剩余磁感 应强度，简称剩磁，用Br表示，单位T。在工作状 态下，永久磁铁的工作点在退磁场作用下将从Br点 移到D点，这时永磁体所具有的剩余磁感应强度， 称为表观剩磁BD。
• 可变形硬磁合金包括含碳(或钨、铬、钴)的 磁钢，Fe—Cr—Co系合金，Fe—Co—V系 合金，Pt—Co(Pt—Fe)系合金，Mn—Al— C系合金，Cu—Ni—Fe(或Cu—Ni—Co)合 金等。这类材料可通过热、冷塑性变形和 机械加工制成丝、带及其他各种形状的永 磁体，其(BH)max从碳钢的1.6 kJ／m3至 Pt—Co的80kJ／m3。
3、最大磁能积(BH)max和凸出系数γ
• 最大磁能积在数值上等于退磁曲线上各点所对应 的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值。当硬 磁材料的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max的那 一点时，为了提供相同的磁能所需要的材料体积 将最小。材料的(BH)max越大，永磁体性能越好。
• 另外，退磁曲线的形状与磁能积大小有密切关系。 退磁曲线的凸出程度和磁能积有关。如果有两种 不同的材料，虽然Br和Hc值都相同，但由于它们 的退磁曲线形状不同，它们的(BH)max值也不同。 退磁曲线凸出程度越大，则磁能积就越大。退磁 曲线的凸出程度可用凸出系数γ表示：
2、矫顽力Hc
• 永磁材料的矫顽力Hc有两种定义：一个是使磁感 应强度B=0所需的磁场值，常用BHc或Hc表示； 一个是使磁化强度M=0所需的磁场值，常用MHc 表示。永磁材料矫顽力的大小主要由各种因素(如 磁各向异性、掺杂、晶界等)对畴壁不可逆位移和 磁畴不可逆转动的阻滞作用的大小来决定，阻滞 越大，矫顽力就越大。
第三代稀土永磁合金
• 对于前两代稀土永磁合金而言，各组分配 比是提高材料磁性能的关键。在价格上由 于Co的原因往往较高。1983年日本首先报 导的用Nd取代Co的Nd—Fe—B合金在磁性 能上及价格上都优于稀土永磁铁材料，称 之为第三代永磁材料。Nd—Fe—B材料的 出现，立即引起广泛关注。
• 1985年日本生产的Nd—Fe—B材料，其 (BH)max为302．5 kJ／m3；1990年我国研 制的Nd—Fe—B材料(BH)max突破了390 kJ ／m3。第三代稀土永磁材料的最大缺点是 居里温度较低、温度稳定性和环境稳定性 较差。目前主要有通过材料的化学成分和 通过材料的表面处理两种抗腐蚀方法。
• 关于改变化学成分的研究，最近研究了成 分为(Nd，Dy)-(K，Co)-B系的永磁材料， 采用一般的粉末冶金方法制备样品，在 1050~1120℃烧结，然后在600℃附近退火。 有的样品还加少量的Al，Ga，Nb和Cu。磁 性测量结果表明，剩磁和矫顽力的温度系 数分别为-0.08％/K和-0.5％/K，可能应用到 250℃。在潮湿环境中的抗腐蚀能力比一般 的稀土永磁材料提高约100倍。
①铸造硬磁合金
• 铸造硬磁合金指铸造的Al—Ni—Co和Al— Ni—Co—Ti系等合金，是一种应用广泛、 高磁能积、高矫顽力的合金。其特点是质 脆而硬，只能通过铸造(或粉末冶金)成形和 磨削加工成磁体，其(BH)max从8～80 kJ／ m3。表6—6列出了这类材料的磁性能。
2．可变形硬磁合金
第四代永磁材料
• 处于研究阶段的第四代永磁材料主要有 Sm2Fe17Cx、Sm2Fe17Nx、Sm—Fe—Ti等， (BH)max的 理论值高达450 kJ／m3。
第四代永磁材料—钕铁氮硬磁材料 第四代永磁材料 钕铁氮硬磁材料
• NdFeB永磁的下一代产品钕铁氮永磁材料 具有比钕铁硼永磁更好的性能：热稳定性 好、耐蚀、高剩磁、低稀土金属含量等优 点，成本低30%。由于烧结工艺会导致N脱 离晶格，因此只能作粘结磁体，从稀土永 磁发展来看，粘结磁发展迅猛，尤其在IT行 业和家用电器行业是粘结磁体的主要用户。
永磁材料的用途
硬磁材料的应用
扬声器
硬（永）磁直流步进电机
用于变速控制系统
可变形永磁合金
铁钴钼永磁合金 铁钴钒永磁合金 铁铬钴永磁合金
永磁材料的用途- 1．机电类
• 稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化。 这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的 电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁心，磁 体体积较原来磁场极所占空间小，没有损耗，不发热，因 此为得到同样输出功率整机的体积，重量可减小30%以上， 或者同样体积、重量，输出功率大50%以上。 永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约几亿台之多， 主要用在汽车、办公自动化设备和家用电器中。所使用的 多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。
• 这类材料的种类划分上人们习惯于把已批 量生产的RECo5称为第一代永磁材料， RE2Co17称为第二代永磁材料。例如钐钴合 金(SmCo5)，(BH)max为195.9~222.9kJ／m3， Br为1 000mT，Hc为788.2 kA／m。与第一 代永磁材料相比，第二代永磁材料用Fe、 Cu、Zr取代部分Co，如 Sm(Co0.61Mn0.12Zr0.01Hf0.01Fe0.15)8.2合金性 能好，Sm含量少，成本低，(BH)max为 297.7 kJ／m3，Br为1 260 mT。
5、稳定性
• 硬磁材料的稳定性是指它的有关磁性能在 长时间使用过程中或者受到温度、外磁场、 冲击、振动等外界因素影响时，保持不变 的能力。用变化率η来表示：
二、硬磁材料种类和应用
• • • • • • • 硬磁材料可分成以下几类： ①铸造硬磁合金； ②可变形硬磁合金； ③稀土硬磁合金； ④硬磁铁氧体； ⑤粘结磁体等。 表6—5列出了几种常用硬磁材料及其性能。
第三代稀土永磁合金的制备方法
• 钕铁硼硬磁制造方法分为烧结和粘结两种， 专利所有者分别为住友特殊金属株式会社 （日本）和麦格昆磁（MQ）公司（美国）。 同时MQ公司又是全球唯一的粘结钕铁硼原 材料（磁粉）供应商。
• 1．粉末冶金烧结工艺制备的烧结磁体； • 2．还原扩散制粉或氢碎处理粉末及粉末冶金烧结工艺制 备的烧结磁体 • 3．快速凝固制粉或氢碎制粉（HDDR），粉末模压粘结 工艺制备的粘结磁体 • 4．快速凝固制粉或氢碎（HDDR）粉末的注射工艺制备 的注射磁体； • 5．快速凝固制粉或氢碎（HDDR）粉末的热压法制备的 热压磁体； • 6．用热压磁体再进行热变形压工艺制备的各向异性热变 形压磁体 • 7．将热变形压磁体磨制成粉，再采用模压或注射等方法 制备成各向异性粘结磁体。
• 最早的稀土硬磁合金是稀土钴磁铁，可以 用RExMy表示。RE属于周期表的第3族，包 括从原子序号为57(La)到71(ILu)和39(Y)表 示的稀土元素；M表示铁族的过渡元素。稀 土钴磁铁的Br值大致与铝镍钴合金的接近， 其矫顽力约为铁氧体的三倍。稀土钴磁铁 还具有小体积可以产生大磁场，稳定性好， 不易受外磁场的影响，高温下使用不会退 磁等特点。
4、回复磁导率µrev
•如果一块永磁材料去掉磁化 场之后，剩磁Br在纵坐标轴 上A点位置上，当受外界各 种因素影响时，永磁体的剩 磁沿着退磁曲线降到某一位 置M。这些影响相当于退磁 场的作用，当这些退磁场除ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ去之后，磁性不再回复到A 位置，而是到一个新的位置 M‘。
• 如果循环地改变在M-M’之 间的退磁场，永磁体特性 将按照回复曲线来改变。 这时得到一个狭窄的局部 磁滞回线。因为，回线的 面积很小，通常可用回复 曲线来代替，并用仰角α的 正切表示它的特性，被称 为回复磁导率µrev，以下式 来表示：
6.2 硬磁材料
• 硬磁材料是具有强的抗退磁能力和高的剩 余磁感应强度的强磁性材料,又称永磁材料、 恒磁材料（磁铁） 恒磁材料（磁铁） 。 • 表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感 应强度Br、矫顽力Hc和最大磁能积(BH)max 三者愈高，硬磁材料性能越好。 • 由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。
4、稀土硬磁合金
• 作为一个工业永磁体，并不光看剩磁多少， 更重要的是，由于不同的“开口”方法， 相对于剩余磁场Br，是损失了多少磁通量。 这就意味着永磁体的能积（BH）要尽可能 高，所以（BH）max要求越高越好，另外， 矫顽力Hc和剩磁Br也要求高一些，这就给 永磁材料提出了研究发展的方向：使退磁 化曲线呈鼓肚状，获得高的剩磁感应和高 可利用能量。稀土类材料就是这种高能积、 高剩磁、高矫顽力的材料。
• 70年代后期发展起来。磁能积最高 RE ：稀土元素英文缩写 • 主要是稀土元素与Fe、Co、Cu、Zn或B、 （rare earth metals ） C、N等非金属元素组成的金属间化合物。 国际惯例
– 60年代起经历了四个发展阶段 – RECo5系 六十年代末开始，第一代 – RE2Co17系 第二代 – Nd-Fe-B系 1983年日本首先报道的，第三代 – R-Fe-N系和R-Fe-C系 第四代
• 作为NdFeB材料换代产品的NdFeN， NdFeB的市场也就是它的市场。NdFeB粘 结磁体市场增长率很高，推动力是IT行业的 硬盘驱动器、CD—ROM、VCD、DVD， 其次是家用电器，随着成本降低将加速在 汽车电机中应用。近年来NdFeB粘结磁体 总产值约2亿美元，平均价格在0.1～0.08美 元/克左右（折合80～60万元/吨）。预计 2004年可达到8.7亿美元产值。
• TDK是一个著名的电子工业品牌，一直在电子原材料及元 器件上占有领导地位。TDK的创始人加藤与五郎博士和武 井武两博士在东京发明了铁氧体后，于1935年创办了东京 电气化学工业株式会社。1983年，该名字正式更名为如今 的TDK株式会社，取的是原名称Tokyo（东京） Denki （电气） Kagaku（化学）的首字母，开始从事该磁性材 料的商业开发和运营。此后，公司继续致力于研究其它不 同类型电子材料技术，及精密生产工艺。公司对磁性材料 的高度权威专业科技，更研制出家喻户晓的TDK磁带。随 著业务的多元化发展，公司的名称也取简称易为TDK(或 中文公司译名：东电化)。今天，TDK集团已经发展为世 界首屈一指的电子组件与纪录媒体制造商，在全球21个国 家设有开发、生产和销售基地，拥有超过三万名员工。 TDK在中国的苏州，厦门，与大连等地设有工厂或办事处。
• 关于表面处理研究，最近研究了防腐蚀的 涂层或镀层方法，试验采用两层保护层(下 层用Ni层，上层用Cr层)、Ni／Cu／Ni／Cr 多层保护层、Zn层、亮Ni层、亮Au层和环 氧树脂暗层的表面保护层，以防止Nd— Fe—B永磁体受腐蚀。试验结果表明，在这 几种保护层中，以Ni／Cr两层保护层的防 腐蚀效果最好，而且对永磁性能的不利影 响也小。
当一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在它 两端出现的自由磁极将产生一个与磁化强度方 向相反的磁场，该磁场被称为退磁场
• 由此可见，硬磁材料性能好坏，应该由退磁曲线 上的有关物理量来衡量。剩余磁感应强度Br、表 观磁感应强度BD、矫顽力Hc 、最大磁能积 (BH)max、回复磁导率µrev等都是硬磁材料的特征 值。
磁性材料的硬和软
• 磁性材料的硬和软， 确切的方法是用磁滞 回线形状区分硬磁材 料和软磁材料，磁性 材料的软硬程度可以 用Br·Hc乘积来度量。
一、硬磁材料的特征值
• 硬磁材料主要用于制造永久磁铁。永久磁铁一旦经外加磁 场饱和磁化后，如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间 的空隙中便可产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。然 而，与此同时，磁铁本身将受到退磁场作用，退磁场的方 向和原来外加磁场的方向是相反的，因此，永磁体的工作 点将从剩磁Br点移到磁滞回线第二象限，即退磁曲线的某 一点上，如图6—2所示，永久磁铁的实际工作点用D表示。