钕铁硼磁性材料知识解析

钕铁硼磁性材料知识
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广东富远稀土新材料股份有限公司
二○一○年十月一日
本公司职工上岗培训材料
钕铁硼磁性材料知识
广东富远稀土新材料股份有限公司
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技术部
编写：韩旗英
目 录
第一章磁性材料简介
一切物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和核外电子组成的。原子核和电子均由于运动而产生磁矩，但原子核的磁矩远小于电子磁矩，所以原子磁矩主要来源于电子磁矩，并且电子磁矩有包括电子轨道磁矩和电子自旋磁矩。量子力学表明，原子的核外一般分布有若干个电子，并且当电子分布在几个层次上时，由于内层电子之间的磁矩相互抵消，所以只有外层电子才对原子磁矩起作用。而只有3d过渡族金属和La系稀土金属等一些元素在一部分电子磁矩抵消以后，还剩余一部分电子磁矩没有被抵消。这样，这些元素原子具有总的原子磁矩。在此基础之上，由于“交换作用”的机理，这些原子磁矩得以按相同方向整齐排列起来，整个物体也就有了磁性。当然，抵消以后由于原子磁矩大小的不同，最终磁体显示的磁性强弱也不同。
软磁材料：磁性物质在外磁场中会显示很强的磁性，但当外磁场去掉后，它又没有磁性了，这种材料多用来作导磁材料用，如变压器铁芯、磁路轭铁等。常见的有硅（矽）钢片（含硅1～4%）、工业纯铁、低碳钢、铁钴、铁镍合金等。因材质是软的，通常称为软磁材料。
硬磁材料：磁性物质在外磁场中会显示磁性，被磁化后，去掉外磁场它仍保留一部分磁性，也就是说在没有磁场存在时，它仍有一定的磁性，要使这部分磁性去掉，则必须在原磁化方向上施加一与该材料内禀矫顽力相等的反向磁场，这时该材料便不显示磁性了，也就是说这种材料的磁性较硬，不加反向磁场它的磁性不会去掉，再者这类材料的材质都比较硬，故叫它为硬磁材料，但它具有永久保留磁性的特性，所以通常也叫永磁材料或恒磁材料。永磁材料有天然的和人工制造的两种。天然的叫磁石，即是铁磁矿石，它具有微弱的磁性，我们的祖先利用它做成指南针，这是人类最早利用永磁的发明。
退磁曲线的膝点：磁体退磁曲线上发生突变、明显发生弯曲的点。室温时退磁曲线呈直线的磁体，在温度升高到一定程度时都会出现膝点。如果磁体的工作点在膝点以下，磁体在动态磁路中工作时会产生不可逆损失。
负载线：连接工作点和退磁曲线坐标原点的一条直线。
磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，单位是安/米（A/m）。
m
韦（Wb）
108/
磁通
φ
麦克斯韦（韦伯）
韦（Wb）
108
磁矩
磁矩
安/米2（A/m2）
103
磁通密度或
磁感应强度
B
高斯（GS）
韦/米2或特[斯拉]（Wb/m2或T）
104
磁场强度
H
奥斯特（Oe）
安/米（A/m）
1/79.6
磁动势
磁通势
F、Fm
奥·厘米（Oe·cm）
安匝（A）
/10
磁化强度
M
高斯（GS）
磁饱和度：任何可导磁材料在一定条件下都可达到饱和的状态。铁磁材料在将其磁化时会达到饱和。钢铁的磁饱和度为16000到20000高斯。
稳定性：是衡量磁体抗退磁能力的物理量；影响磁体稳定性的因素有温度或外磁场等。
可逆温度系数：一个衡量由温度变化引起的磁性能可逆变化的物理量。
顺磁性材料：磁导率略大于1的材料。
5、稀土钴永磁（第二代）：到20世纪70年代末又研制成功Sm2（Co，Cu，Fe，Zr）17型稀土钴永磁，(BH)m可达30MGOe，常称第二代稀土永磁。
6、钕铁硼永磁（第三代）：到20世纪80年代末又研制成功迄今为止世界上最强的磁体，钕铁硼（Nd—Fe—B）永磁材料，Br为12000～15000Gs，(BH)m可达40～50MGOe，Hc12.0～30Koe，称为第三代稀土永磁。
磁轭：放置在磁体回路或两磁极中心、引导磁力线通过以减少磁通损失的高磁导率材料，一般为软磁铁、纯铁或低碳钢。
极靴：放置在磁极处的用来约束磁束的分布及改变其流向的铁磁性材料。
涡流：当磁场发生变化时，传导电流之中所产生的环形电流称之为涡流。涡流能产生反向磁场。涡流对于转动速度或者其它大多数磁路设计都是有害的，故涡流应尽量降低到最小。
铁磁材料：磁导率远大于1（几十到几千）且显示磁滞现象的材料。
永磁材料：具高矫顽力的磁性材料。永磁材料磁化时需较强的外磁场，且被磁化后磁性不容易消失，可对外部空间提供稳定磁场。
常用磁学量的SI与CGS单位制的换算
磁学量名称
磁学量符号
CGS单位
SI单位
换算比（SI单位的数值乘以此数即得CGS单位数值）
磁极强度
安/米（A/m）
10-3
相对磁化率
相对导磁率
1
退磁因子
N（CGS）、D（SI）
真空导磁率
1
磁阻
Rm
(奥·厘米)/麦克斯韦安匝/来自（A/Wb）·10-9
磁晶各向异性常数
erg/
焦/米3（J/m3）
10
磁能积
（B·H）
高·奥(GOe)
焦/米3（J/m3）
109/7.96
畴壁能密度
erg/
焦/米2（J/m2）
103
三、磁性材料发展简史
1、钴钢：1930年，人类最早制造的磁石材料，磁性虽然比天然磁石强了许多，但仍旧是低性能永磁材料。
2、Alnico铸造永磁：后来人们利用Al、Ni、Co和Fe按比例配制成更强的永磁材料，Br可达12000～13000高斯，(BH)m可达5～10MGOe，Hc为500～6000e。
3、恒磁铁氧体：20世纪50年代利用氧化铁粉研制成功金属陶瓷永磁材料，一般Br为3000～4000Gs，(BH)m为3.0～5.0 MGOe，Hc为1500～30000e。由于是氧化铁粉，所以成本较低，价格便宜。
4、稀土钴永磁（第一代）：在20世纪70年代前后研制成功稀土钴永磁，Br可达0.9～11.0KGs，(BH)m为18～20MGOe，Hcj可达30K以上。是第一代稀土永磁。主要是SmCo5，SmPrCo5等牌号。
四、各种永磁产品的性能比较
铁氧体磁铁：铁氧体主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通过陶瓷工艺法制造而成，质地比较硬，属脆性材料，由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中，已成为应用最为广泛的永磁体。
铝镍钴磁铁：铝镍钴是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，可加工性很好。铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温度可高达600摄氏度以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。
钐钴磁铁由于含有战略物质Co和较稀少的Sm，很高的价格妨碍了大规模推广应用。其不但有着较高的磁能积（14～28MGOe）、可靠的矫顽力和良好的温度特性，与钕铁硼磁钢相比，钐钴磁铁更适合工作在高温环境中。
钕铁硼拥有极高的磁性能其最大磁能积(BHmax)，其本身的机械加工性能亦相当之好，而且其质地坚硬，性能稳定，有很好的性价比，故其应用极其广泛。但因为其化学活性很强，所以必须对其表面凃层处理(如镀Zn,Ni,电泳、钝化等)。其温度性能不佳，在高温下使用磁损失较大，最高工作温度较低。一般为80摄氏度左右，在经过特殊处理的磁铁，其最高工作温度才可达200摄氏度。
漏磁通：磁体回路中未能通过工作气隙而被泄漏的那部分磁通。
磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单位是安/米（A/m）。
相对磁导率：媒介磁导率相对于真空磁导率的比值，即μr=μ/μo，在CGS单位制中，μo=1。另外，空气的磁导率在实际使用中往往值取为1。
磁导：磁通Φ与磁动势F的比值，类似于电路中的电导。是反映材料导磁能力的一个物理量。
一、磁性材料的分类
磁性材料主要是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料的种类很多，有不同的分类方法，
1、按材料组分可分为：金属（如电工钢、坡莫合金、铝镍钴永磁、稀土钴永磁、钕铁硼永磁等）和非金属（铁氧体等（Ferrite））两类。
铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（MFe12O19）；钙钛矿型（MFeO3）。其中M指离子半径与Fe2＋相近的二价金属离子，R为稀土元素。按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。
居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列由有序变成无序。在此温度以下，原子磁矩一致排列，产生自发磁化，材料呈铁磁性。
磁路：磁通流经的回路称为磁路。永磁体和磁轭、气隙、极靴等构成闭合磁路。
3、按生产工艺可分为：热轧、冷轧、铸造、烧结、粘结等磁性材料。
4、从应用功能上分为：软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料；而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了，因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，将有效的克服这一问题、得到广泛应用。
气隙：磁回路中磁导率为1的间隙部分，一般为空气间隙，但是也可为其它介质。
气隙长度-Lg：磁路中气隙的长度。
磁动势-F：它是磁路中任意两点间磁势的差值，类似于电路中的电压。
磁阻-R：磁动势与磁通的比值称为磁阻，即R=F/ξ（类似于欧姆定律），其中F是磁动势，ξ是磁通（CGS单位制）。类同于电路中的电阻。
软磁材料按其组分分为A类—铁、B类—低碳软钢……I类—非晶软材料等9类；永（硬）材料按其组分分为Q类—磁致伸缩合金、R类永（硬）磁合金……T类—其他永（硬）磁材料（马氏体钢）等4类，粘结永（硬）磁材料按其制造工艺归在永（硬）磁材料的U类。
以上依据GB/T21219-2007/ IEC 60404-8-1:2000磁性材料分类标准。
2、按材料的性质可分为：软磁材料（矫顽力≤1kA/m）（如电工钢、坡莫合金、软磁铁氧体等）、硬（永）磁材料（矫顽力＞1kA/m）（如铝镍钴永磁（ALNiCO）、稀土钴永磁(SmCo)、钕铁硼永磁（Nd2Fe14B）、铁氧体永磁等）和功能磁性材料（如磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光性薄膜材料等）。这是由于原子磁距的大小不一样及内部结构不同，使磁性物质的磁性能有很大的区别。
磁导系数Pc：即为导磁率，磁感应强度Bd与其磁化强度的比率，即Pc=Bd/Hd。也即我们所说的“负载线”或磁体的工作点。导磁率可用来衡量磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。磁导系数可用来估计各种条件下的磁通值。在磁路中，近似有：Bd/Hd=lm/Lg，其中lm是磁体的长度；Lg是相对应磁体气隙的长度。因此Pc是磁路设计中的一个重要的物理量。
取向方向：各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向称为磁体的取向方向。也称作“取向轴”，“易磁化轴”。
磁滞回线：铁磁材料在经过充磁、退磁、反向充磁、再退磁周期性变化时，所获得的关于磁感应强度（横坐标）相对于磁场强度（纵坐标）变化的闭合曲线。
退磁曲线（即B-H曲线）：磁滞回线中，位于第二象限中的部分我们称之为退磁曲线，也即我们所说的B-H的曲线。
5、磁性材料从形态上分为：粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。
我国稀土永磁产量结构：
二、磁性材料参数
反应磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。
各向同性磁体：任何方向磁性能都相同的磁体。
各向异性磁体：不同方向上磁性能会有不同；且存在一个方向，在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。烧结钕铁硼永磁体是各向异性磁体。
磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=μ0(H+M)，其中H和M分别是磁化强度和磁场强度，而μ0是真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，即单位面积内的磁通量。单位是特斯拉（T），CGS单位制中的单位为高斯（Gauss）。
磁通：给定面积内的总磁感应强度。当磁感应强度B均匀分布于磁体表面A时，磁通的一般算式为ξ=B×A。磁通的SI单位是麦克斯韦。
由于原子所带电子数不同（电子壳层结构不一样），使物质具有各种不同的性质。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。从磁性来分类，物质大致可分为非磁性物质和磁性物质两种。磁性物质的原子具有原子磁距µ原子，在通常情况下，由于这些µ原子是杂乱无章分布的，所以在宏观上不显示磁性。当有外磁场存在时，这些µ原子磁距就会沿着磁场方向一致排列起来，对外界就显示很强的磁性，所以这类物质统称为磁性物质。非磁性物质原子磁距为零（µ原子=0），所以有磁场或无磁场它均不显示磁性，一般把这类物质叫做非磁性物质。