磁性材料

第一章磁性材料简介
第一节、磁性参数
1.1、磁参数名称：
恒磁：Br, Hc, Hcj, (BH)max, Tc, Tw, D, Hk, Hd, Bd,
Brα﹪/℃, Hcjβ﹪/℃。

(解释见附件)
软磁：Bs, Br, Hc, f, μi ,μ〞,L, Q, Z。

1.2、磁参数来源：
θψB =∫∫BcoSθds=∫∫Bds=Bnds
在闭合回路中,单位面积通过的磁力线强度(密度) Br:剩余磁感应强度
I ψH=∫∫HcosθdI
dL=∫∫H
dI
dL=H
dI
dL
在闭合回路中,单位长度电流产生的磁场.
Hcb:矫顽力---- 在退磁曲线上,反向磁场H增大到某一值磁感应强度B为0时,称此时的反向磁场(H—Hcb)为矫顽力.表示抵抗外部反向磁场的能力.
H B----Hc曲线表示
Hcj:内禀矫顽力---在退磁曲线上,当反向磁场增加到磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和等于零时,这时的反向磁场H---Hcj表示抵抗外部反向磁场的能力.
B---Hcj曲线表示
BH(max):磁能积----表示剩磁Br与矫顽力Hcb的综合性能.
1.3、单位制及换算
CGS制(磁学单位制) SIA制(国际单位制)
Br 高斯(Gs) T或mT (特或毫特)
Hcb/Hcj 奥斯特(Oe) A/M (安培/米)
BH(max) 兆高奥(MGOe) KJ/m3(焦尔/米3) 单位换算:
104Gs=T Gs=10-4T
Oe 1 kA 1 kA
4πM Oe4πM
8MGOe=KJ/m3 MGOe=1/8 KJ/m3
T 103mT(10-4 Wb/cm2 )PP
第二节、磁性材料的制作工艺
2.1﹑铁氧体类：
2.1.1、铁氧体永磁粉制作：
原材料：SrCo3，BaCo3，Fe2O3及CaCo3,高岭土(Ae2O3．SiO2)等.
Sr系:SrFe Ba系:BaFe
工艺流程:
配料混合球磨预烧结粉碎加入添加剂球磨烘干制粉检测
SrFe: Hcb较高,BH偏高,温度稳定性较好,粘结磁多采用SrFe.
BaFe:磁性略低于SrFe,但价格更便宜,磁记录多采用该系材料.
2.1.2、铁氧体软磁的制作：
原材料：MnO, ZnO, NiO, Fe2O3, CaCO3, CuO等化合物。

配方：55﹪Fe2O3, 35﹪MnO, 10﹪NiO
配方设计：需兼顾Bs, Br, Hc, f, μ′μ〞,L, Q, Z
工艺流程：配料混合球磨(一次) 烘干预烧粉碎再球磨(二次)
烘干造粒烧结
Mn－Zn 功率可达KW,频率达500KHz
软磁铁氧体
N－Zn 宽带频
铁氧体类Sr系(BH)max为2.5~4.5MGOe，Hcb偏高，温度稳定性较好，
粘结磁多采用SrFe。

Ba系(BH)max为1~2.5MGOe，磁性略低于SrFe，但价格更恒磁铁氧体偏宜，磁纪录，橡胶磁、塑料磁多采用该系材料。

锶、钡铁氧体配方成本3~4元/Kg
磁粉4~6元/Kg
售价
磁体8~30元/Kg(随性能变化)
恒磁铁氧体粉的用途：
橡胶磁----用量很大
塑料磁----用量很大
制作成磁流体
铁氧体粘结磁
NdFeB粘结磁调配
恒磁铁氧体的特性：温度稳定好,磁性较低。

2.2﹑金属磁：
特点：金属类需高、中苹真空(或自然)熔炼制粉压制成型
低温/高温烧结退火/时效
金属软磁(硅钢﹑FeCrAl﹑FeZn﹑FeNi﹑FeCo合金) 利用它们各自的特点,如变
压器﹑记忆磁铁伸缩﹑温度稳定性﹑抗干扰能力等.
金属磁类AlNiCo (BH)max 8~10MGOe, Tc=760℃，售价500~600元/Kg
使用温度高易退磁也易充磁。

金属恒磁SmCo5 烧结磁
Sm Co Sm2Co17烧结磁
稀土恒磁粘结磁
烧结磁
NdFeB
粘结磁
烧结稀土恒磁：
2.2.1、NdFeB烧结恒磁：原材料: Nd, Fe, Bfe, Dy, Co, Zr, Al, Cu
配方式: Nd2Fe14B
工艺流程: 中苹真空熔炼破碎球磨制粉定向成型烧结(真空，氩气保护) 时效
批产磁性能如下：
BH(max)高﹑材料成本低42元/kg,工艺要求不算高,使用温度可达150℃容易被器件制造商认可.但是NdFeB烧结磁抗氧化能力差,采用着装工艺来抵抗氧化,使它在有效的使用温度范围内,得到充分利用.
2.2.2、SmCo烧结恒磁：原材料Sm, Co, Cu, Fe, Gd, Ga, Zr, Hf
配方式R2Co17
工艺流程原材料整理配方
制粉定向成型烧结(真空，氩气保护) 时效
批产最高性能如下：
1. 抗氧化﹑耐腐蚀﹑BH(max)中等,使用温度高400℃,工艺要求高,原材料成本380元/kg.
2.2.3、粘结永磁粉的制作及工艺流程：
2.2.
3.1、铁氧体粘结永磁制作工艺如前(略)
2.2.
3.2、稀土永磁制做工艺：
2.2.
3.2.1、Sm Co粘结磁粉制作:
原材料:Sm Pr Co Cu Zr Sn Fe Nb等
配方式:Sm2 Co17 (SmCo5相似)
工艺流程:
配料熔炼固熔处理时效控制粒度制粉
特点:温度特性好,可工作到胶体老化.
缺点:原材料价贵380元/kg,BH(max)低,市场前景不很好.
2.2.
3.2.2、NdFeB粘结磁粉制作:
工艺方式:热轧﹑铸造﹑氢爆(淬)HDDR﹑快淬(MQ).
(a).热轧工艺
配方式:Nd2Fe14B
原材料:Nd BFe Fe Al等
工艺流程:
配方熔炼铸造包装
优点:磁性能BH(max)28MGOe
缺点:工艺复杂,难控制,最终得到有用材料较少,工艺成本高,未进入市场.
(b).铸造工艺
配方式: Nd2Fe14B
原材料:Pr BFe Fe Cu等.
工艺流程:
配方熔炼铸造退火机械加工
优点:磁性能BH(max)最高达35Mgoe(实验室)
缺点:磁性能主要取决于机械加工程度﹑速度﹑加工成本较高,可得的材料少,未进入市场.
(c).氢爆(淬)工艺磁粉制作(HDDR)
根据报道，粘结磁粉的(BH)max=30MGOe，磁体(BH)max可做到20MGOe,而实际上量产(BH)max=16MGOe。

配方式: Nd2Fe14B
原材料: Nd , BFe , Fe ,Cu , Al等
工艺流程:
配方熔炼氢爆除氢重组
优点:工艺较简单, BH(max)达16MGOe,产量容易作大.
缺点:氢在磁粉颗粒内部不易彻底清除,制作成产品容易自然爆裂,目前已得到解决，市场也认可,开始批量生产,销售.
(d).快淬(MQ)工艺磁粉制作:
配方式: Nd2Fe14B
原材料: Nd BFe Fe Co Zr Cu Al dy
工艺流程:
配方破碎垂熔快淬制粉晶化分选检测包装
优点: 用此种工艺制作的磁粉,BH(max)最高17Mgoe,得到市场的广泛认同,市场需求量很大,尤其是快淬NdFeB磁粉的国际专利(2006年)失效后,磁粉与磁体在大陆市场将有一个量的飞跃,最后就看谁的质量好,磁性能高,产能大去占领世界市场.
缺点：由于配方中加入了Co、Zr等元素,材料成本较高,会影响今后市场的竞争力.
补救方法：提升磁粉颗粒质量,进一步探索能替代Co.Zr的元素.
2.3﹑关于快淬NdFeB工艺中,破碎与不破碎两种方法的差异,这里讲的工艺流程前后都相同,只
是在快淬流程段,第一种方法是破碎后再重熔快淬;第二种方法是直接将铸锭料,重熔快淬.
破碎: 垂熔快淬,BH(max)最高14.5MGOe(中国大陆)
直接垂熔快淬,BH(max)最高17MGOe(美国、日本)
为什么直接垂熔快淬,工艺环节少,在配方相同情况下BH(max)要高17.2%.
原因:
(1). MQ快淬薄带的厚度约80nm，而磁粉颗粒的晶体尺寸约60nm，磁粉颗粒与晶体尺
寸几乎相等，颗粒的晶体缺陷近似于零，故磁性能高；国产快淬带厚40nm，磁粉颗粒与晶体的尺寸差别较大，颗粒的晶体缺陷较大(比MQ磁粉的晶体缺陷大近1/2)，故磁性能较低。

(2).减少工艺过程的氧化机会.
(3).快淬时合金薄带,比破碎后重熔快淬带厚30μm左右,制成粉的颗粒度(形状、流速、
嵩重)较好,分布较集中,100~200目占72%;80~200目占92.1%.
(4).磁粉的流动性好,便于粘结磁体生产过程的调配,而受粘结磁体厂商广泛信任.
为什么大陆磁粉厂不采用直接重熔快淬方法?
原因:
(1).直接垂熔快淬设备属MQ的专利, 2000年前不买给大陆,而且设备很贵,现在的价250
万美元/台,产能1.5T/日,正常工作20天/月.
(2).大陆的破碎垂熔快淬设备，属于美国70年代，非磁性材料采用的快淬实验设备,而
改造仿制出来的.所以只能用于破碎重熔快淬.2004年大陆厂商(北京、成都),成功
仿制MQ快淬设备(称感应快淬),目前有两种.一种是小型机,即返复加料,出料,产
量200~500kg/日.另一种是较大型机,加料不影响快淬,日产1T.
2.4、NdFeB快淬磁粉配方中各元素对磁性参数的作用:
2.4.1从配方式Nd2Fe14B看:
Fe作用于Br,主相Nd2Fe14B,付相富Nd相,且富Nd相包围主相, Nd作用于Hcb.Hcj B 起稳定配方成份作用.
2.4.2从实际配方NdFeBCoZr看:
降低Nd,增加Fe,可提高Br和BH(max),但是会引走Hcb.Hcj下降,综合考虑,调整Co.Zr含量使BH(max)最高, Hcb和Hcj也较好.
配方中,Co抗氧化对Br有帮助作用,Zr.Cu.Al.对Hcb. Hcj有贡献.三元系NdFeB磁粉抗氧化能力差,在高温潮湿的空气中暴露的时间要尽可能短.
2.5、如何防止快淬NdFeB磁粉与磁体的氧化：
NdFeB磁体(烧结、快淬)易氧化，是众所周知的事实，所以人们总是在不断克服和解决这一问题。

NdFeB合金体，其Nd、Fe、B离子化学键特别活跃，与氧离子的化学键亲密，在空气中，Nd离子很容易与氧离子结合，并发生反应，致使金属态的Nd离子变性成为氧化态的NdO。

在氧化过程中，高温潮湿加速氧化反应，在粘结磁体制造工艺过程中，磁粉尽可能少的与大气直接接触，避免灰尘进入磁粉颗粒，磁粉的分选，破碎，需恒温，恒湿，工作人员要穿防尘装(人的预防与料粉的预防)，工作场地应保持干燥，干净。

磁粉混胶均匀，彻底，胶量适宜，保证让每一粒磁粉颗粒都均匀地被胶液覆盖。

产品致密，无气孔，无非金属物杂质。

表面处理(电镀、喷涂、含浸、真空蒸镀),其中真空蒸镀较彻底，但成本较高，量产有一定地局限。

第三节、快淬N dFeB磁粉，磁体在中国大陆地情况：
3.1 磁粉国内状况：
快淬N dFeB磁粉、磁体的生产状况，中小型厂较多，规模化的磁粉，磁体厂较少。

在快淬NdFeB磁粉，磁体行业的厂大约20家左右。

下面列出的是较具规模的厂家：
快淬磁粉：
麦格昆磁(天津，美国独资MQ粉) ≒3000T/年(10台快淬炉)
上海纪元(中资NP粉) ≒1600T/年
浙江朝日科(股份制ZRK粉) ≒1200T/年(5台快淬炉)
四川新亚科技(股份制SK粉) ≒400T/年
四川会凌(股份制Dx粉) ≒100T/年
夹江圜通≒100T/年
绵阳西磁科技≒200T/年
3.2粘结NdFeB磁体：
四川银河≒350~500T/年(250台压机)
天津津滨≒200T/年
浙江韵升≒200T/年
上海爱普生1000T/年(连烧结体)
附件：
一、恒磁：
Br 剩余磁感应强度；系指永磁材料在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后，再撤消外磁场时，永磁材料的磁极化强度J和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失，而会保持一定大小的值，该值即称为该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br，统称剩磁
Hcb 系指矫顽力；系指在永磁材料的退磁曲线上，当反向磁场H增大到某一值bHc时，磁体的磁感应强度B为0，称该反向磁场H值为该材料的矫顽力bHc Hcj 系指内禀矫顽力；系指当反向磁场H增大到某一值jHc时，磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和为0，称该反向磁场H值为该材料的内禀矫顽力jHc
(BH)max 系指最大磁能积；系指磁体在某一状态下（BmHm）的值最大，表示此时磁体对外做功的能力最大，称为该磁体的最大磁能积，或简称磁能积，记为(BH)max 或(BH)m
Tc 系指随着温度的升高，由于物质内部基本粒子的热振荡加剧，磁性材料内部的微观磁偶极矩的排列逐步紊乱，宏观上表现为材料的磁极化强度J随着温度的升高而减小，当温度升高至某一值时，材料的磁极化强度J降为0，此时磁性材料的磁特性变得同空气等非磁性物质一样，将此温度称为该材料的居里温度Tc
Tw 系指在某一温度下永磁材料的磁性能指标与室温相比降低一规定的幅度，将该温度称为该磁体的可工作温度Tw
D 系指材料或产品的密度
Bd 系指在B----H曲线中，从Br至Hk点(Br-Hk)剩磁的下降表示磁滞曲线
的矩形度
Hk 系指Bd点对应的矫顽力值，表示磁滞曲线的矩形度
Hd Hk---Hcj之差，表示抗退磁性
Brα﹪/℃剩余磁感应强度(Br)随温度变化的系数
Hcjβ﹪/℃内禀矫顽力(Hcj)随温度变化的系数
二、软磁：
Bs 饱和磁化强度(一般在500mT以下)
Br 剩余磁感应强度(200mT以内)
Hc 矫顽力(≦50A/m)
f 频率(KHz-MHz)
μi 磁导率(10000左右)
μ〞回复磁导率
L 电感
Q 品质因子(Q值)
Z 阻抗(在多种材料器件和电路中，衡量设计合理性参数) Tc 300℃以内。