磁性材料.ppt
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1、磁性材料磁性材料*发展史:发展史:1880年左右:碳钢,紧接着又发现钨钢、钴钢等金属永磁材料;年左右:碳钢,紧接着又发现钨钢、钴钢等金属永磁材料;1931年以来:年以来:Al-Ni-Fe系磁钢系磁钢(MK钢钢)和和Al-Ni-Co系磁钢,后者占系磁钢,后者占 据主导地位一直到据主导地位一直到60年代;年代;20世纪世纪30年代:铁氧体永磁材料,材料便宜,工艺简单,磁性能年代:铁氧体永磁材料,材料便宜,工艺简单,磁性能 居中;同时居中;同时Fe-Cr-Co永磁合金问世,改善了永磁合金问世,改善了Al-Ni-Co机械性能差的缺点;机械性能差的缺点;20世纪世纪60年代:年代:Sm-Co系稀土永磁材
2、料;系稀土永磁材料;20世世纪纪80年年代代:Nd-Fe-B系系稀稀土土永永磁磁材材料料;(BH)max460KJ/m3,称为称为“磁王磁王”;近年来:纳米双相永磁材料,近年来:纳米双相永磁材料,RE(稀土元素稀土元素)-Fe-N系永磁体。系永磁体。3.1 衡量永磁材料的重要指标衡量永磁材料的重要指标1、剩磁、剩磁Br*如如果果撤撤去去外外加加磁磁场场,在在磁磁铁铁两两个个磁磁极极之之间间的的空空隙隙中中便便产产生恒定磁场(气隙磁场),对外界提供有用的磁能。生恒定磁场(气隙磁场),对外界提供有用的磁能。*撤撤去去外外加加磁磁场场后后,在在退退磁磁场场作作用用下下,永永磁磁体体将将工工作作在在磁
3、磁滞滞回回线线的的第第二二象象限限。所所以以永永磁磁材材料料性性能能的的好好坏坏,应应该该用用退退磁磁曲曲线线上上的的有有关关物物理理量量来来表表征征。剩剩磁磁Br,矫矫顽顽力力HC,最大磁能积最大磁能积(BH)max等。等。*永永磁磁体体由由于于磁磁路路中中存存在在空空隙隙,因因此此处处于于开开路路应应用用状状态态。此此时时工工作作点点在在退退磁磁场场作作用用下下由由Br点点移移到到D点点,所所以以剩剩磁磁应该等于应该等于Bd(表观剩磁)。表观剩磁)。*工工作作点点D和和坐坐标标原原点点O的的连连线线OP称称为为开开路路磁磁导导线线,OP的斜率称为磁导系数。的斜率称为磁导系数。2、矫顽力、矫
4、顽力HC*两种定义:两种定义:*第第二二象象限限中中,H0,所所以以B-H退退磁磁曲线将位于曲线将位于 0M-H退磁曲线下方退磁曲线下方*当当B=0时,时,*的最高值不可能超过材料的剩磁值。的最高值不可能超过材料的剩磁值。3、最大磁能积、最大磁能积(BH)max*若若永永磁磁体体的的尺尺寸寸比比取取(BH)max的的形形状状,则则能能保保证证永永磁磁体体单位体积的磁场能为最大。单位体积的磁场能为最大。注:不同形状对应退磁场不同,磁能积不同。注:不同形状对应退磁场不同,磁能积不同。*可可根根据据(BH)max确确定定各各种种永永磁磁体体的的最最佳佳形形状状。(BH)max越越高高的的永永磁磁体体
5、,产产生生同同样样的的磁磁场场所所需需的的体体积积越越小小;在在相相同同体积下,体积下,(BH)max越高的永磁体获得的磁场越强。越高的永磁体获得的磁场越强。注:注:(BH)max是评价永磁体强度的最主要指标。是评价永磁体强度的最主要指标。稀土永磁体稀土永磁体(BH)max450KJ/m3;普通磁钢;普通磁钢(BH)max8KJ/m3*在矩形磁滞回线中,理论值:在矩形磁滞回线中,理论值:()*上式成立的条件:上式成立的条件:(1)剩余磁化强度)剩余磁化强度Mr=MS(2)内禀矫顽力)内禀矫顽力4、稳定性、稳定性*受受到到温温度度、外外磁磁场场、冲冲击击、振振动动等等外外界界因因素素影影响响时时
6、,有有关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力。关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力。*变化率:变化率:3.2 提高永磁体性能的途径提高永磁体性能的途径*(BH)max是是表表征征永永磁磁体体性性能能的的最最主主要要指指标标。为为使使其其尽尽可可能能大大,要求要求Br和和HC要高。要高。3.2.1 如何提高材料的剩磁如何提高材料的剩磁Br*要求要求MS高,高,同时同时矩形比矩形比BrBS应接近于应接近于1。提高提高BrBS的基本途径:的基本途径:1、定向结晶、定向结晶控制铸件的冷却条件控制铸件的冷却条件不同的晶粒结构不同的晶粒结构*快快冷冷时时沿沿热热流流相相反反的的方方向向会会生生长长出
7、出柱柱状状晶晶,柱柱状状晶晶晶晶粒粒长长大大方方向向往往就是它的易磁化方向。往往就是它的易磁化方向。2、塑性变形、塑性变形*多多晶晶体体材材料料拔拔丝丝、轧轧扳扳、挤挤压压、压压缩缩等等塑塑性性变变形形晶晶粒粒转转动动晶晶粒粒的的晶晶体体学学方方位位会会发发生生一一定定程程度度的的定定向向排排列列,即即择择优优取向、织构等取向、织构等可诱导磁各向异性可诱导磁各向异性3、磁场成型、磁场成型*加加工工成成型型时时,施施加加外外磁磁场场,使使易易磁磁化化轴轴沿沿磁磁场场方方向向取取向向,经高温烧结及回火以后,可得较高的经高温烧结及回火以后,可得较高的Br。4、磁场处理、磁场处理*外外部部磁磁场场中中
8、热热处处理理,可可控控制制磁磁性性颗颗粒粒的的析析出出形形态态,沿沿外外场场方向呈细长状生长,方向呈细长状生长,使磁矩沿磁场方向择优取向。使磁矩沿磁场方向择优取向。3.2.2 如何提高如何提高HC*形成形成HC的原因:的原因:畴壁的不可逆移动和不可逆畴转畴壁的不可逆移动和不可逆畴转*决决定定HC大大小小的的因因素素:各各种种因因素素(磁磁各各向向异异性性、掺掺杂杂、晶晶界界等等)对上述行为的阻滞作用的大小。对上述行为的阻滞作用的大小。*某些永磁材料:某些永磁材料:铁磁性微细颗粒铁磁性微细颗粒(单畴单畴)非磁性或弱磁性基体非磁性或弱磁性基体1、磁畴的不可逆转动、磁畴的不可逆转动*磁晶各向异性:磁
9、晶各向异性:磁晶各向异性形状各向异性应力各向异性磁晶各向异性形状各向异性应力各向异性N 和和N 分别为分别为沿短轴和长轴所对应的退磁因子沿短轴和长轴所对应的退磁因子a,b,c是是和晶体结构颗粒取向分布有关的系数。和晶体结构颗粒取向分布有关的系数。*若材料若材料MS较高,较高,最好通过第二项来提高最好通过第二项来提高HC 方法:增加颗粒细长比方法:增加颗粒细长比 (N N)增加)增加*若若K1,S高,应主要考虑第高,应主要考虑第1、3项项 当颗粒取向完全一致时,当颗粒取向完全一致时,a=2,c=1 当颗粒取向完全混乱时当颗粒取向完全混乱时,a=0.64(立方晶体立方晶体),a=0.96(单轴单轴
10、 晶体晶体),c=0.48 所以颗粒易磁化方向完全平行排列时,永磁性好所以颗粒易磁化方向完全平行排列时,永磁性好2、畴壁的不可逆位移、畴壁的不可逆位移*永永磁磁材材料料的的反反磁磁化化过过程程如如果果由由畴畴壁壁的的不不可可逆逆位位移移所所控控制制,有两种情况:有两种情况:(1)反)反磁化时材料内部存在着磁化在反方向的磁畴磁化时材料内部存在着磁化在反方向的磁畴晶晶体体缺缺陷陷、杂杂质质、晶晶界界等等的的存存在在,在在这这些些区区域域由由于于内内应应力力或或内内退退磁磁场场的的作作用用。磁磁化化矢矢量量很很难难改改变变方方向向。当当晶晶体体磁磁化化到到饱饱和时,这些区域的磁化仍沿着相反的方向。和
11、时,这些区域的磁化仍沿着相反的方向。在在反反磁磁化化时时,它它们们构构成成反反磁磁化化核核,在在反反磁磁场场作作用用下下长长大大成成反反磁化畴,为畴壁位移做了准备。磁化畴,为畴壁位移做了准备。反反向向磁磁场场必必须须大大于于大大多多数数畴畴壁壁出出现现不不可可逆逆位位移移的的临临界界磁磁场场,而临界磁场的大小则依赖于各种因素对畴壁移动的阻滞。而临界磁场的大小则依赖于各种因素对畴壁移动的阻滞。方方法法:增增加加对对畴畴壁壁不不可可逆逆位位移移产产生生阻阻滞滞的的因因素素提提高高临临界界磁磁场场(2)反)反磁化开始时材料内不存在反磁化核磁化开始时材料内不存在反磁化核方法:可通过阻止反磁化核的出现提
12、高方法:可通过阻止反磁化核的出现提高HC传传统统磁磁性性材材料料:适适当当增增大大非非磁磁性性掺掺杂杂含含量量并并控控制制其其形形状状(最最好好是是片片状状掺掺杂杂)和和弥弥散散度度(使使掺掺杂杂尺尺寸寸和和畴畴壁壁宽宽度度相相近近);选选择择高高磁磁晶晶各各向向异异性性的的材材料料;增增加加材材料料中中内内应应力力的的起起伏伏;选选择择 S大的材料。大的材料。新发展的永磁合金如新发展的永磁合金如Nd-Fe-B,强烈的畴壁钉扎效应可提高强烈的畴壁钉扎效应可提高HC晶晶体体中中各各种种点点缺缺陷陷、位位错错、晶晶界界、堆堆垛垛层层错错、相相界界等等都都是是畴畴壁壁钉钉扎扎点点的的重重要要来来源源
13、。反反向向磁磁场场必必须须超超过过钉钉扎扎场场,畴畴壁壁才才移移动。钉扎中心动。钉扎中心HC3.3 金属永磁材料金属永磁材料特点:特点:HC高高根据形成高根据形成高HC的机理,可将金属永磁材料分为:的机理,可将金属永磁材料分为:一、淬火硬化型磁钢一、淬火硬化型磁钢碳钢、钨钢、铬钢、钴钢和铝钢等。碳钢、钨钢、铬钢、钴钢和铝钢等。*通通过过高高温温淬淬火火手手段段,把把已已经经加加工工过过的的零零件件中中的的原原始始奥奥氏氏体体组织转变为马氏体组织来获得高组织转变为马氏体组织来获得高HC。缺点:矫顽力和磁能积比较低,这类永磁体己很少使用。缺点:矫顽力和磁能积比较低,这类永磁体己很少使用。二、析出硬
14、化型磁钢二、析出硬化型磁钢三类:三类:Fe-Cu系合金;系合金;Fe-Co系合金;系合金;AlNiCo系合金系合金*后者为金属永磁材料中最主要,应用最广泛的一类后者为金属永磁材料中最主要,应用最广泛的一类*AlNiCo磁磁钢钢:主主要要成成分分为为Fe、Ni、Al,再再加加入入Co、Cu或或Mo、Ti等等适适当当热热处处理理各各向向同同性性的的永永磁磁合合金金,经经磁磁场场热处理或定向结晶处理热处理或定向结晶处理各向异性永磁合金各向异性永磁合金*高高HC的机理:的机理:铁磁性析出粒子的形状各向异性铁磁性析出粒子的形状各向异性,*spinodal分解相变过程分解相变过程*后后者者为为非非磁磁性性
15、相相,前前者者为为铁铁磁磁性性相相,以以单单畴畴微微粒粒子子的的形形式析出,产生形状各向异性高式析出,产生形状各向异性高HC*AlNiCo合合金金硬硬度度高高,很很难难加加工工,通通常常采采用用铸铸造造方方式式加加工工,熔化采用高频感应炉。熔化采用高频感应炉。三、时效硬化型永磁合金三、时效硬化型永磁合金*通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得高通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得高HC。*优点:机械性能较好优点:机械性能较好*分类:分类:(1)铁基合金铁基合金 包括包括CoMo、FeWCo、FeMoCo合金合金 缺点:磁能积较低;用途:电话接收机缺点:磁能积较低;用途:电话接收机(2)FeM
16、nTi和和FeCoV合金合金 特点:磁性能相当于低特点:磁性能相当于低Co钢,但不需要战略资源钢,但不需要战略资源Co 应用:指南针、仪表零件应用:指南针、仪表零件 特点:时效硬化永磁合金中性能较高的一种特点:时效硬化永磁合金中性能较高的一种 应用:微型电机、录音机磁性零件应用:微型电机、录音机磁性零件(3)铜基合金铜基合金 种类:种类:CuNiFe、CuNiCo两种两种 应用:测速仪和转速计应用:测速仪和转速计(4)Fe-Cr-Co系永磁系永磁合金合金 特特点点:主主要要应应用用的的另另一一类类金金属属硬硬磁磁合合金金。磁磁性性能能相相当当于于中中等等性性能能的的A1NiCo永永磁磁合合金金
17、,但但可可进进行行变变形形加加工工,机机械械加加工工,制成管材、片材或线材等。制成管材、片材或线材等。应用:应用:扬声器、电度表、转速表、陀螺仪扬声器、电度表、转速表、陀螺仪、空、空气滤波器气滤波器、磁显示器磁显示器四、有序硬化型永磁合金四、有序硬化型永磁合金*种类:种类:AgMnAl、CoPt、FePt、MnAl、MnAlC合金合金*特特点点:高高温温下下处处于于无无序序状状态态,经经适适当当的的淬淬火火和和回回火火后后,由无序相中析出弥散分布的有序相,提高由无序相中析出弥散分布的有序相,提高HC。*应用:磁性弹簧、小型仪表元件、小型磁力马达应用:磁性弹簧、小型仪表元件、小型磁力马达*FeP
18、t合金:耐腐蚀性合金:耐腐蚀性3.4 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料*主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体*化学式:化学式:MO xFe2O3 M=Ba,Sr,Ca,Pb等等 实用化的有实用化的有BaO 6Fe2O3,SrO 6Fe2O3等等*缺点:综合磁性能较低缺点:综合磁性能较低*优点:性价比高;工艺简便成熟;抗退磁性能优良;不优点:性价比高;工艺简便成熟;抗退磁性能优良;不存在氧化问题。存在氧化问题。*目前约占永磁材料总产值的目前约占永磁材料总产值的40。*分分类类:各各向向同同性性永永磁磁;各各向向异异性性永永磁磁(成成型型时时施施加加外外磁磁场场,使使颗颗粒粒的
19、的易易磁磁化化轴轴定定向向排排列列,材材料料的的剩剩磁磁和和磁磁能能积积得得到到大大大大提高提高)。)。*应应用用领领域域:电电机机(50%),电电声声(20),测测量量与与控控制制器器件件(20%),其余,其余(10)。3.5 稀土永磁材料稀土永磁材料*由由稀土元素稀土元素RE与过渡金属与过渡金属TM(Fe,Co等)形成等)形成RE:15个个,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu常把第常把第III副族元素钪副族元素钪(Sc)和钇和钇(Y)也列入稀土元素之中。也列入稀土元素之中。3.5.1 概述概述*问问题题:纯纯稀稀土土合合金金居居里里温温
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