1、 金屬磁性材料的發(fā)展是從由簡(jiǎn)到繁，性能不斷提高，功能逐步完善的過(guò)程。最早應(yīng)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(shí)間約是 1880年。由于材料性能上存在明顯缺點(diǎn)，如純鐵的磁性質(zhì)對(duì)雜質(zhì)很敏感，碳鋼的磁能積太低，通過(guò)不斷嘗試逐步發(fā)展出合金磁性材料，材料的構(gòu)成與結(jié)構(gòu)不斷復(fù)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。 常見(jiàn)鐵磁金屬的結(jié)構(gòu)與磁性 具有磁性的單質(zhì)元素主要有鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni) ，而且常見(jiàn)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(jié)構(gòu)與性質(zhì)對(duì)后面的討論會(huì)有所幫助，在此首先介紹鐵(F

2、e)、鈷(Co)、鎳(Ni) 的結(jié)構(gòu)與它們磁性質(zhì)。 Fe： 常壓下，溫度常壓下，溫度910為體心立方（為體心立方（bcc），）， 鐵磁性的鐵磁性的Fe，居里溫度為居里溫度為770 ， 易磁化方向?yàn)橐状呕较驗(yàn)? 難磁化方向?yàn)殡y磁化方向?yàn)?910 溫度溫度1400 為面心立方（為面心立方（fcc）, 順磁性的順磁性的Fe 溫度溫度1400 為體心立方（為體心立方（bcc），）， 順磁性的順磁性的Fe Ni: 常壓下，在熔點(diǎn)以上溫常壓下，在熔點(diǎn)以上溫度范圍內(nèi)，均是面心立度范圍內(nèi)，均是面心立結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)（fcc），為鐵磁性），為鐵磁性的的 - N i ， 居 里 點(diǎn) 為， 居 里 點(diǎn) 為358易磁化方

3、向?yàn)橐状呕较驗(yàn)殡y磁化方向?yàn)殡y磁化方向?yàn)?Co： 溫度溫度450 ，為簡(jiǎn)，為簡(jiǎn)單六方結(jié)構(gòu)，鐵磁性的單六方結(jié)構(gòu)，鐵磁性的- Co相。相。居里點(diǎn)為居里點(diǎn)為1117，易，易磁化方向?yàn)榇呕较驗(yàn)?，難磁化方向?yàn)殡y磁化方向?yàn)楹秃?010 溫度溫度450 至熔點(diǎn)至熔點(diǎn)為面心立方為面心立方 Co相。相。112010100001 Fe、Co、Ni的磁性都來(lái)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(qiáng)，居里溫度相對(duì)較高。它們每個(gè)原子具有的磁矩分別為2.2B、0.6B和和1.7B。 另外，過(guò)渡金屬中很多原子具有磁矩，但單質(zhì)材料中一般

4、是具有反鐵磁性的，如Mn、Cr等。 金屬軟磁材料 一、性能的基本要求 貯能高：高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 靈敏度高：初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率、脈沖磁導(dǎo)率大。 效率高：Hc低，電阻率高，損耗小。 回線矩形比高 穩(wěn)定性好：磁滯回線較窄 矯頑力小 磁導(dǎo)率高。 影響磁導(dǎo)率的因素 機(jī)理機(jī)理：根據(jù)技術(shù)磁化的分析，影響材料磁 導(dǎo)率的主要過(guò)程是可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和可逆疇 壁位移。 動(dòng)力動(dòng)力：飽和磁化強(qiáng)度，材料的飽和磁化強(qiáng)度越大，可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和可逆疇壁位移更容易發(fā)生。 阻力阻力：內(nèi)應(yīng)力、摻雜、空泡、晶界?？赡娲女犧D(zhuǎn)動(dòng)和可逆疇壁位移要受到上述材料中缺陷的阻礙。 提高磁導(dǎo)率的措施提高磁導(dǎo)率的措施 1、提高飽和磁化強(qiáng)度、提高飽和磁

5、化強(qiáng)度Ms 2、有效方法，使、有效方法，使K10，s0 3、高溫退火、高溫退火 4、真空熱處理、真空熱處理 5、氫氣熱處理、氫氣熱處理 6、使材料雜質(zhì)相對(duì)集中、使材料雜質(zhì)相對(duì)集中 7、真空熔煉、精煉、真空熔煉、精煉 8、進(jìn)行織構(gòu)化、進(jìn)行織構(gòu)化 常見(jiàn)金屬軟磁材料常見(jiàn)金屬軟磁材料 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 鐵硅合金鐵硅合金 鐵鎳合金鐵鎳合金 鐵鋁合金鐵鋁合金 鋁硅鐵合金鋁硅鐵合金 非晶及納米晶軟磁合金非晶及納米晶軟磁合金 磁介質(zhì)磁介質(zhì) 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(dǎo)率m=20000，=0.110-6(.m)。

6、 工業(yè)純鐵的碳含量低，矯頑力低，磁導(dǎo)率高，導(dǎo)熱性和加工性好，有一定的耐腐蝕性和價(jià)格便宜。電阻率低，不能在交流磁場(chǎng)中應(yīng)用。在直流磁場(chǎng)中，作為恒定磁場(chǎng)中的磁導(dǎo)體，如作磁極和磁屏蔽。1、電解鐵含有0.050.02%C、 Mn 0.01%、 P0.005%、S0.004%、Al0.01%、Cu0.015%。 電磁性能：i=500、m=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.610-8 .m2、阿姆柯鐵 含C 0.025%、 Mn 0.035%、 P0.015%、S0.05%、Cu0.08%。 磁性能：i=20005000、m=600015000、 Hc=0.5 1.5(

7、79.6A/m)3、羰基鐵 由Fe（Co）5分解而成，純度高。 磁性能：i=20003000、m=2000021500、Br=0.5 1.0T、Hc=0.0879.6A/m、 =9.610-8 .m 由此可見(jiàn)，微量雜質(zhì)對(duì)純鐵的磁性影響明顯。 鐵硅合金 鐵硅合金，通常又稱(chēng)為硅鋼片、電工鋼。在變鐵硅合金，通常又稱(chēng)為硅鋼片、電工鋼。在變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備和通信設(shè)備中，壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備和通信設(shè)備中，它是最重要的鐵芯材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要它是最重要的鐵芯材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。的地位。19001930年，煉鋼和熱軋加工技術(shù)年，煉鋼和熱軋加工技術(shù)193460年年 晶

8、粒取向、熱處理、玻璃涂層晶粒取向、熱處理、玻璃涂層1983至今至今 輻射輻射 3.2%Si-Fe合金來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度從室溫上升到熔點(diǎn)的過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生任何結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并始終保持單一的體心立方結(jié)構(gòu)，這對(duì)在較高溫度下進(jìn)行再結(jié)晶退火十分有利，同時(shí)，當(dāng)溫度從高溫緩慢冷卻到室溫時(shí)，純鐵存在相變的干擾，而鐵硅不存在這樣的問(wèn)題，因此這種合金很容易制成單晶。 鐵硅合金的結(jié)構(gòu)對(duì)含 C 量十分敏感，對(duì)鐵硅合金，應(yīng)使含C下降到0.01%以下。 再結(jié)晶：再結(jié)晶：當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，變形金屬的顯微組織發(fā)生顯著的變化，破碎的、被拉長(zhǎng)的晶粒全部轉(zhuǎn)變成均勻而細(xì)小的等軸晶粒。 再結(jié)晶時(shí)金屬不發(fā)生晶格類(lèi)型的變化，而是形成無(wú)晶格畸和加工硬

9、化的新晶粒，晶粒的形狀和大小也發(fā)生了相應(yīng)的變化。 通過(guò)材料的再結(jié)晶工藝，可以改善材料的顯微結(jié)構(gòu)，減小缺陷和晶界對(duì)磁性能的影響，提高材料的磁性能。 硅的加入可以降低鐵硅合金的磁晶各向異性常數(shù)，同時(shí)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(duì)提高磁導(dǎo)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(duì)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(duì)減輕變壓器和電機(jī)的重量有利。 硅促進(jìn)鋼中碳的石墨化，退火時(shí)鋼的脫碳傾向增加，同時(shí)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(duì)溫度、振動(dòng)及應(yīng)

10、力等敏感性較少，具有較高的穩(wěn)定性。 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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。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：?jiǎn)稳∠蚬桎撈晁箍棙?gòu)或雙取向硅鋼片立方織構(gòu)。 立方織構(gòu)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(gòu)的重要先決條件。 通過(guò)熱軋和冷軋，以及在適當(dāng)?shù)臍夥罩羞M(jìn)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(guò)退火發(fā)展（110）001或（120）001型的初次（或二次）織構(gòu)。 在嚴(yán)密控制的氣氛中進(jìn)行最后退火,以便通過(guò)二次或三次再結(jié)晶發(fā)展立方織構(gòu)。 鐵鎳合金 含

11、Ni為30%90%的鐵-鎳系軟磁合金一般統(tǒng)稱(chēng)為坡莫合金。 鐵鎳合金的成份范圍很窄，磁性能可以通過(guò)成份的控制和熱處理工藝來(lái)調(diào)整，滿足各種不同性能要求。 加工性能好。 低和中等磁場(chǎng)下具有較高的磁導(dǎo)率和很低的矯頑力。 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(jié)構(gòu)的相組成。 在合金含量小于30%時(shí)，相在較低溫度下可通過(guò)馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的相，這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有明顯的熱滯現(xiàn)象，即升溫時(shí)的轉(zhuǎn)變a溫度和降溫時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度不重合。兩相區(qū)難以確定。 在相當(dāng)于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分處會(huì)發(fā)生有序和無(wú)序相轉(zhuǎn)變。有序化轉(zhuǎn)變溫度在506。鎳鐵合金成分對(duì)性質(zhì)的影響 電阻率的最大值出現(xiàn)在含N

12、i量為 3040% 的范圍。根據(jù)固體物理的理論，雜質(zhì)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(zhì)元素后，由于電子運(yùn)動(dòng)受到雜質(zhì)的散射，它的自由程縮短，電阻率必然增加。加入的雜質(zhì)元素愈多，則電阻率值愈高。對(duì)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(jié)構(gòu)的。而Ni35%以上，是Fe原子固溶在Ni中，晶體是具有面心立方結(jié)構(gòu)的。鎳鐵合金的成分對(duì)磁性質(zhì)的影響 居里溫度 在含Ni量為010%和65100%兩個(gè)成分范圍內(nèi)，居里溫度隨鎳含量的增加而下降。 當(dāng)含鎳量為35%左右時(shí)，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(diǎn)陣距離剛好滿足出現(xiàn)最大

13、的交換能，故居里溫度出現(xiàn)最大值。 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 由于鎳原子的玻爾磁子數(shù)比鐵小，所以Ni含量在020%之間，Bs 隨含鎳量的增加而下降。在2035%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(shí)，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(shí)，由于Ni對(duì)Fe的替代，Bs 隨含鎳量的增加而減小。 熱處理對(duì)鐵鎳合金磁性的影響 獲得高磁導(dǎo)率的材料，要使軟磁材料呈單相的固溶體、低的K1和 s值、高的Bs。為了避免有序化，同時(shí)減少內(nèi)應(yīng)力。一般采用雙重?zé)崽幚淼姆椒ǎ簩⑵履辖鹜嘶鸷?，?00 將樣品放在銅板上，在空氣中急冷，或在隨爐冷卻后，再加

14、熱到600 ，然后快速冷卻，即進(jìn)行雙重?zé)崽幚怼?將坡莫合金在其居里溫度附近加磁場(chǎng)冷卻，或進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，在平行所加磁場(chǎng)的方向上測(cè)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。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(jìn)行急冷處理，只要冷卻速度適當(dāng)，其初始磁導(dǎo)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0.6010-3.m，但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度從1.3T 降到0.60.8T。 合金元素對(duì)高磁導(dǎo)率Fe-Ni合金性能鎳鐵合金因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)元素，在材料改性方面就會(huì)受到許多限制，因此在很多應(yīng)用中，因?yàn)樾阅芴岣叩囊?，?huì)在

15、合金中加入其它的金屬或非金屬元素。合金成分設(shè)計(jì)的基本原則是使s 0，通過(guò)調(diào)整材料的熱處理工藝使K1 0，而獲得高磁導(dǎo)率。 常見(jiàn)的添加元素有鉬、銅、鉻、硅、碳、錳、鈦等。 1、鉬 鉬小于15%時(shí)，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s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-79Ni 5Mo-80Ni 6Mo-81Ni。 v. 降低合金的Ms和居里溫度。 銅銅 改善合金的冷加工性能改善合金的冷加工性能 銅使合金的銅使合金的a及及m值

16、提高，且降低了磁導(dǎo)率對(duì)值提高，且降低了磁導(dǎo)率對(duì)成分的敏感性，即當(dāng)合金成分偏離最佳成分時(shí)，成分的敏感性，即當(dāng)合金成分偏離最佳成分時(shí)，對(duì)對(duì)a及及m值影響不大。值影響不大。 銅可抑制合金中有序相銅可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可的形成，因而可以降低熱處理的冷卻速度。以降低熱處理的冷卻速度。 降低合金的降低合金的Ms和居里溫度。和居里溫度。 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(shí)使磁性急劇下降。 硅加入0.05%

17、左右對(duì)合金磁性有利，因其和錳可復(fù)合脫氧，使脫氧顆粒呈大顆粒。 磷大于0.06%時(shí)，使合金的值急劇下降。 磁介質(zhì) 磁介質(zhì)是將鐵磁體粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制成的磁性材,常稱(chēng)為鐵粉芯.在磁介質(zhì)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(zhì)的磁導(dǎo)率 鐵磁體的磁導(dǎo)率 Fe磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率 g絕緣介質(zhì)所占體積的比值132313FeFegg磁介質(zhì)實(shí)例的磁性質(zhì)磁介質(zhì)的制備工藝 磁介質(zhì)的種類(lèi) 電解鐵粉芯工藝簡(jiǎn)單，磁特性穩(wěn)定，損耗較大。 坡莫合金粉芯磁導(dǎo)率高、損耗低、但價(jià)格貴。 羰基鐵粉芯性能穩(wěn)定，高頻特性好，可用于幾百M(fèi)Hz場(chǎng)合。 鋁硅鐵粉芯磁導(dǎo)率中等，可具有負(fù)溫度系數(shù)。 隨著軟磁鐵氧體的發(fā)展，磁介

18、質(zhì)的生產(chǎn)大大減少了。只有在高溫、大功率、高頻等特殊場(chǎng)合仍然離不開(kāi)它。 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(guò)合金成分的調(diào)整與工藝的完善，最大磁能積達(dá)到39.8kJ/m3，成為金屬永磁材料的主導(dǎo)，直到1960年代第一代稀土永磁材料SmCo發(fā)明之后。 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)

19、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(dá)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(dǎo)作用。永磁磁能積的進(jìn)展 衡量永磁材料的技術(shù)指標(biāo) 對(duì)永磁材料而言，一旦被磁化，其磁化狀態(tài)應(yīng)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(chǎng)，磁體的兩個(gè)磁極之間會(huì)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，對(duì)外界提供磁場(chǎng)能量。這個(gè)磁場(chǎng)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(shù)指標(biāo)還有剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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。永磁材料的磁化曲線與退磁

20、曲線 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 永磁材料磁化到飽和后，外加磁化場(chǎng)撤去之后，材料所具有的磁感應(yīng)強(qiáng)度，稱(chēng)為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 。如果是具有一定形狀的開(kāi)路磁體，那么外磁場(chǎng)撤去之后，由于存在退磁場(chǎng)的作用，此時(shí)材料所具有的磁感應(yīng)強(qiáng)度比 Br小，一般稱(chēng)之為表觀剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Bd。對(duì)永磁材料來(lái)說(shuō)， Br越大，它可以提供的磁場(chǎng)也越大，因此希望材料的 Br盡可能大。 矯頑力Hc 永磁材料磁化到飽和后，外加磁化場(chǎng)撤去之后，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)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(chǎng)。當(dāng)使B或M減小到零時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)稱(chēng)為矯頑力Hc 。但B和M并不是同時(shí)達(dá)到零的，因此為了區(qū)分矯頑力對(duì)應(yīng)的是B或M達(dá)到零，

21、常標(biāo)記為bHc或mHc ，后者又稱(chēng)內(nèi)稟矯頑力。矯頑力是表征材料對(duì)外磁場(chǎng)的抗干擾能力，希望越大越好。 最大磁能積(BH)max 永磁材料的退磁曲線上任一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)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(chǎng)能量，是表征永磁體性能的一個(gè)綜合指標(biāo)。產(chǎn)生相同的磁場(chǎng)，磁體最大磁能積越大，所需要的磁體的體積越小，因此對(duì)永磁體來(lái)說(shuō)，最大磁能積(BH)max 越大越好。 永磁材料的退磁曲線與最大磁能積 穩(wěn)定性 永磁體的穩(wěn)定性是指磁體的相關(guān)磁性能在長(zhǎng)時(shí)間使用的過(guò)程中或是溫度、外磁場(chǎng)、沖擊、振動(dòng)等外界因素的影響

22、而保持不變的能力，它與材料工作的可靠性緊密相關(guān)。如果磁性能參量為Z，穩(wěn)定性表示為：%100zz永磁體的穩(wěn)定性自然是越小越好。 永磁材料的性能是標(biāo)志其優(yōu)劣的重要指標(biāo)，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(jì)效應(yīng)。當(dāng)然材料的性能提高還是受到其結(jié)構(gòu)與組成的限制，但通過(guò)適當(dāng)?shù)某煞终{(diào)整與工藝的改進(jìn)，材料性能還是可以有一定程度提高。 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(qiáng)度Ms，另一方面是提高材料磁滯回線的矩行比Br /Bs。常見(jiàn)的方法包括：定向結(jié)晶、塑性形變、磁場(chǎng)成型和磁場(chǎng)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

23、特定的織構(gòu)結(jié)構(gòu)，這樣沿易磁化軸方向上Br會(huì)得到明顯提高，當(dāng)然垂直于易磁化軸方向上 Br 一般會(huì)明顯減小的。 提高的Hc方法 永磁材料的磁化過(guò)程中，主要經(jīng)過(guò)疇壁的可逆與不可逆移動(dòng)和磁疇的可逆與不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。矯頑力由疇壁的不可逆的移動(dòng)和磁疇不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)形成，磁疇壁在移動(dòng)或磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)受到晶界、雜質(zhì)和磁晶各向異性的阻滯作用，這種作用越明顯，磁疇壁運(yùn)動(dòng)或磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)和磁疇不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)入手。 磁疇的不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng) 一般在晶粒尺寸小于磁疇單疇尺寸的材料中，每個(gè)晶粒中只有一個(gè)磁疇，不存在疇壁，因此矯頑力主要是磁疇的

24、不可逆 轉(zhuǎn)動(dòng)的貢獻(xiàn)。磁疇中的磁化強(qiáng)度矢量要改變方向，各種磁各向異性對(duì)磁矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)都有阻滯作用。包括磁晶各向異性、形狀各向異性和應(yīng)力各向異性。根據(jù)材料的具體情況來(lái)有針對(duì)性采取措施，如AlNiCo合金中形狀各向異性起主導(dǎo) 作用，在工藝中就要形成細(xì)長(zhǎng)晶粒來(lái)提高材料的矯頑力。 疇壁的不可逆的移動(dòng) 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(shí)，反磁化磁疇通過(guò)疇壁的移動(dòng)來(lái)實(shí)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(dāng)疇壁運(yùn)動(dòng)到此處時(shí)，由于能量較低，疇壁被釘扎，阻滯了它的運(yùn)動(dòng)，只有在較大的外磁場(chǎng)的作用下才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。NdFeB 材料中的強(qiáng)的矯頑力就是來(lái)源于材料中

25、的強(qiáng)的疇壁釘扎效應(yīng)。 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(gè)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(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)計(jì)的問(wèn)題，材料的工作點(diǎn)不一定在最大磁能積點(diǎn)，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(diǎn)取在最大磁能積點(diǎn)附近。 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(shí)間穩(wěn)定性。一般對(duì)溫度穩(wěn)定性，可采用提高材料的居里溫度，適當(dāng)?shù)碾x子替代以及利用不同系列合金，正負(fù)溫度等效互相補(bǔ)償來(lái)提高穩(wěn)定性。 對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性，可以通過(guò)時(shí)效處理，進(jìn)行人工老化，或者溫度 循環(huán)處

26、理，在比工作溫度范圍寬的溫度，反復(fù)循環(huán)多次，可以提高時(shí)間穩(wěn)定性。 常見(jiàn)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(shí)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。 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(lèi)最早獲得應(yīng)用的金屬永磁材料。這類(lèi)材料的矯頑力是通過(guò)合金的高溫淬火手段，把材料中原來(lái)的奧氏體組織轉(zhuǎn)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(lèi)永磁材料目前已經(jīng)基本上不再使用了。淬火硬化型磁鋼的典型磁性能 析出硬化型磁鋼 析出硬化型磁鋼的典

27、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(guò)磁場(chǎng)中的熱處理過(guò)程中，從均勻合金中會(huì)析出磁性相和非磁性相，磁性相在外磁場(chǎng)作用下，形成長(zhǎng)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(dǎo)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。AlNiCo合金的典型磁性能 時(shí)效硬化型磁鋼 時(shí)效硬化型磁鋼的矯頑力通過(guò)淬火、塑性形變和時(shí)效變化工藝獲得。這類(lèi)材料的種類(lèi)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(diǎn)是加工性能好，可以進(jìn)行各種形式機(jī)械加工，而且FeCrCo合金

28、的磁性質(zhì)與中等AlNiCo合金相當(dāng)，因此仍然有一定的使用。鐵鉻鈷合金的典型磁性能 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(lèi)合金的顯著特點(diǎn)就是在高溫下，合金處于無(wú)序狀態(tài)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)拇慊鸹蚧鼗鹛幚?，由無(wú)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(yīng)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(yīng)用于具有較強(qiáng)腐蝕性的場(chǎng)合。有序硬化型磁鋼的典型磁性能 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(yīng)用于大磁場(chǎng)的行波管聚焦磁鐵、微型永磁馬達(dá)和發(fā)電機(jī)及微型高靈敏度儀表等。常見(jiàn)的稀土永磁合金有以下三類(lèi)： 1、始于

29、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； 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(gòu)成的合金具有不同的磁性質(zhì)，以Sm-Co系最具代表意義。稀土合金的f電子因?yàn)楸黄帘危粨Q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(guò)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。Sm-Co的二元合金相圖 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

30、金，而在永磁材料中只關(guān)心Sm含量較少的2:17型Sm-Co 合金和1:5型Sm-Co合金。它們?cè)谒械?Sm-Co二元合金中具有最高的飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度，具有成為優(yōu)質(zhì)永磁材料的先決條件。此處主要討論1:5型Sm-Co合金的結(jié)構(gòu)、制備工藝和磁性質(zhì)， 2:17型Sm-Co 合金將在后文中討論。 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(jié)構(gòu)的晶體，它有兩種不同的原子層構(gòu)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(diǎn)陣常數(shù)a=5.002 ，c=3.694 。晶體結(jié)構(gòu)的低對(duì)稱(chēng)性決定了它具有較高的磁晶各向異性，K1=1.5103k

31、J/m3，飽和磁化強(qiáng)度Ms=890kA/m，理論上的最大磁能積達(dá)到240kJ/m3。SmCo5的晶體結(jié)構(gòu)與晶胞 從合金的分子式分析可知，Sm占16.66%摩爾比，實(shí)際上由于Sm在制備過(guò)程中，約有12wt%被氧化， Sm含量在 16.8517.04%摩爾比可獲得最佳效果。而且合金的磁性質(zhì)對(duì)Sm含量很敏感，小于 16.3%時(shí)磁性能很差。正常燒結(jié)的SmCo5磁體的磁性能為： Br=0.80.95 T， bHc=560760 kA/m，最大磁能積(BH)max=135160 kJ/m3，Tc=740 。采用強(qiáng)磁場(chǎng)取向，等靜壓與低氧等工藝， SmCo5磁體最高磁性能已經(jīng)達(dá)到Br=1.07 T， bHc=

32、850 kA/m， (BH)max=227 kJ/m3。 SmCo5 永磁的制備工藝 1. 粉末冶金法： 配料熔煉磨粉磁場(chǎng)成型燒結(jié)熱處理磨加工檢驗(yàn) 2.還原擴(kuò)散法： 原料準(zhǔn)備混料還原擴(kuò)散去除鈣和氧化鈣磨料干燥磁場(chǎng)成型燒結(jié)熱處理磨加工檢驗(yàn) SmCo5 合金永磁的磁晶各向異性強(qiáng)，因此如果材料中的晶粒尺寸小于單疇尺寸時(shí)，矯頑力應(yīng)該是磁晶各向異性所控制的。實(shí)際上獲得最大矯頑力時(shí)晶粒尺寸比單疇尺寸大，因此存在明顯的疇壁釘扎效應(yīng)。結(jié)合材料的熱處理工藝和顯微結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)矯頑力較大時(shí)，材料在處理工程中會(huì)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(zhǎng)大和釘扎疇壁的作用，從而使材料的矯頑力提高。 2

33、: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(jié)構(gòu)，而低溫下是菱方結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)可以看成是在三個(gè)SmCo5 合金晶胞的基礎(chǔ)上用兩個(gè)鈷原子替代了一個(gè)稀土原子，并在基面上滑移而成的。室溫下的晶體點(diǎn)陣常數(shù)a=8.395 ，c=12.216 ，飽和磁化強(qiáng)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(dá)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。Sm2Co17合金的高溫與低溫晶體結(jié)構(gòu) Sm2Co17 合金雖然飽和磁化強(qiáng)度高，但矯頑力較低，很難成為實(shí)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

34、分Fe替代Co的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(zhǎng)大的臨界場(chǎng)所決定。這類(lèi)材料的缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差，而且制造工藝不易控制，重復(fù)性低，在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有得到應(yīng)用。 二、在用部分 Cu替代 Co的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加其它元素來(lái)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(shuō)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(yīng)強(qiáng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的抗氧化能力強(qiáng)，材料性

35、質(zhì)可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。 Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17永磁合金的熱處理 1、11901220/燒結(jié)12h； 2、11301175/固溶處理0.52h后快冷； 3、750850/等溫時(shí)效0.510h； 4、分級(jí)時(shí)效或控速冷卻。 在850以下進(jìn)行時(shí)效處理，磁體內(nèi)形成細(xì)微菱形胞狀組織，胞內(nèi)是具有菱方結(jié)構(gòu)2:17相，具有鐵磁性，胞壁是具有立方結(jié)構(gòu)1:5相，因?yàn)楦患疌u為非磁性或弱磁性，矯頑力普遍認(rèn)為是弱磁相對(duì)疇壁的釘扎所致。 R-Fe-B系稀土永磁 第三代鐵基稀土永磁，不含戰(zhàn)略物質(zhì)Co和Ni； 自1983年開(kāi)發(fā)以來(lái)，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(jié)法、熔體快淬法、粘結(jié)法、機(jī)械合金化法等。 它能吸起相當(dāng)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。 Nd-Fe-B合金的分子式可以表示為Nd2Fe14B，屬于四角晶系，晶體點(diǎn)陣常數(shù)a=8.820 ，c=12.24 ，具有單軸各向