磁性材料 第9章 硬磁材料概要课件.ppt
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1、,西南科技大学材料科学与工程学院,第5章 永磁材料,第二节 永磁材料发展历程,第三节 金属基永磁材料,第四节 铁氧体基永磁材料,第一节 永磁材料重要指标,第五节 稀土基永磁材料,第一节 永磁材料的重要指标Major indexes of permanent-magnet materials,一、永磁材料的概述,储存的静磁能U:,此外,永磁体本身将受到一退磁场作用,其方向和原来外加磁化场的方向相反,因此永磁体的工作点将从剩磁点Br移到磁滞回线的第二象限,即退磁曲线上的某一点(如图D点), 衡量永磁材料性能的好坏,应为退磁曲线上的有关物理量,如剩磁Br、矫顽力HC、最大磁能积(BH)max及这些参
2、量的稳定性决定,二、剩磁Br和表观剩磁Bd,1、剩磁Br,2、表观剩磁Bd:由于永磁体处于开路应用状态,因此永磁体的实际工作点在退磁场作用下由Br点移到D点,其对应的磁感应强度,开路磁导率,开路磁导率OP线的斜率P值也为一个由永磁体形状决定的量,同退磁因子N一样,3、提高永磁体的剩磁Br的有效途径:,定向结晶,设法控制铸件的冷却条件,可以得到不同的结晶结构(如右图示)一般来说,快冷时沿热流相反的方向会生长出柱状晶,缓冷时形成等轴晶,若控制热流向某一方向流动,则可以获得沿该方向相反方向凝固的柱状晶;实例:AlNiCo永磁体,塑性变形,加工纤维组织会因为拉拔、轧制、压缩等塑性变形方式不同而呈现出各
3、种各样的类型,因此在磁性材料加工工厂中,这也属于重要的生产技术之一,磁场成型,在永磁体加工成型过程中,通过施加外磁场,诱导磁各向异性,由此可以显著改善永磁体的矩形比特性,采用这种方法的永磁材料系统主要有钡铁氧体和锶铁氧体等,三、矫顽力HC,H,M,B,BHC,MHC,磁感矫顽力BHC:在BH磁滞回线上,使B0的磁场强度;内禀矫顽力MHC:在MH磁滞回线上,使M0的磁场强度;通常情况下,当B0时,HBHCM Mr,即0 BHC Br,1、两种矫顽力的定义:,2、提高永磁体的矫顽力HC的有效途径:,原则:永磁材料的矫顽力的大小主要由各种因素(如磁各向异性、掺杂、晶界等)对反磁化过程的畴壁不可逆位移
4、或磁畴不可逆转动的阻滞作用的大小来决定,阻滞作用越大,矫顽力越大,i、磁畴的不可逆转动,室温条件下,单畴颗粒计算的最大矫顽力,ii、畴壁的不可逆位移,反磁化过程由畴壁的不可逆位移所控制,则一般有两种情况(1)反磁化时材料内部存在着磁化在反方向的磁畴;(2)不存在这种反向畴,对于情况(1):磁性材料制备过程中不可避免要出现各种晶格缺陷、杂质、晶界等,这些部分在反磁化时将构成反磁化核,它们将进一步长大位反磁化畴,该情况下,获得高矫顽力的关键在于反向磁场必须大于大多数畴壁出现不可逆位移的临界磁场,而临界磁场的大小则依赖于各种因素对畴壁位移的阻滞,对于情况(2):如果材料制备时基本上不存在缺陷,则永磁
5、材料在反磁化开始时,根本就不存在反磁化核,那么千方百计地阻止反磁化核出现就是提高矫顽力的重要途径,从这个角度来看,我们希望晶体中的缺陷越少越好,传统永磁材料:对畴壁不可逆位移的阻滞因素主要有内应力起伏、颗粒状或片状掺杂以及晶界等新型稀土永磁材料:强烈地畴壁钉扎效应是造成高矫顽力的重要原因之一,四、最大磁能积 (BH)max,它是永磁材料两磁极之间的空隙中所能提供磁能的量度,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永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永磁材料体积将最小,最大磁能积所对应点应该与永磁体的形状有关,即与开路
6、磁导率的斜率大小有关;最大磁能积(BH)max的理论值为0MS2/4足够高的内禀矫顽力和尽可能高的饱和磁化强度MS是使(BH)max接近理论值的必要条件,五、稳定性,描述,第二节 永磁材料的发展历程Developing course of permanent-magnet materials,3d金属永磁发展期,4f金属永磁发展期,第三节 金属基永磁材料Metal-based permanent-magnet materials,金属基永磁材料的发展基本上可分为三个阶段:,1、1931年以前,主要是淬火硬化型磁钢(淬火马氏体钢),其矫顽力主要起源于马氏体相变(原始奥氏体组织转变为马氏体组织),
7、但磁性能较差; 2、1931年以后,发明了FeAlNi合金,逐渐过渡到AlNiCo; 3、70年代以后发明的一些时效硬化型和有序硬化型永磁合金,如Fe-Cr-Co、Cu-Ni-Fe、Fe-Pt、Fe-Co-V、Mn-Al-C等,优势在于可加工性较好以及适合于特殊场合使用,一、Al-Ni-Co永磁合金,1、Al-Fe-Ni相图分析:,相:富铁的强磁性相;相:NiAl化合物为基的体心立方固溶体,呈弱磁性或非磁性;相:以Ni为基的面心立方固溶体,呈弱磁性;工业上生产的FeNiAl永磁合金是从铁角伸向NiAl化合物的虚线上并位于相的两相区内,AlNiCo相图和AlNiFe相图之间的差异:,两相图基本上
8、相似,但各相存在的温度范围和居里温度有所不同,由于Co的影响,高温相转变为相的分解温度将下降,同时还将使相区和 相区向低温扩展,相的主要成分是Fe和Co,只含少量Cu、Al、Ti等;相主要有Ni、Al、Ti组成,2、影响Al-Ni-Co合金磁性能的主要因素:,纵观铸造铝镍钴合金几十年来的发展历史,可以了解到其磁性能得到不断提高的主要原因大致有以下三个方面: 改变合金成分,主要是调整含钴量和相应添加少量有益元素,如钴、铜、铌等; 寻求最佳热处理工艺,主要是磁场冷却或等温磁场热处理的应用; 控制结晶方向,制造柱状晶合金。,a、成分的影响, 对磁性有害的元素:C、P、S、Mn等; FeNiAl合金中
9、,若Ni、Al含量增加,导致合金的Br下降,最佳配方27.5Ni、14Al的合金具有最大的(BH)max值(缺点:制备这种合金的临界冷却速率较高15C/s); FeNiAl合金的最佳Al含量可选择1214,在此基础上,增大含镍量,可提高Hc和(BH)max值(调节Al/Ni配比可改变合金磁性能);添加24的Cu对FeNiAl和AlNiCo合金都有利(提高HC、保证重复性);,在FeNiAl合金中添加Co可提高饱和磁化强度和距离温度,还可降低临界冷却速率;AlNiCo合金中,Ti的添加量(18%)随合金含钴量的增大而增大,(与Co共同作用,使合金中相微细颗粒尺寸比发生变化;,AlNiCo合金的矫
10、顽力主要来自均匀弥散分布在弱磁性基体相(相)中的相颗粒的形状各向异性), 在AlNiCo合金中,Nb的添加(0.32)对矫顽力的影响和Ti相同,且不会明显地导致Br下降,还可以改善合金的加工性能;Si、Zr等加入有利于降低临界冷却速率;Ce、La、Sm、Se等加入有利于改善研溶性。,b、热处理的影响,固溶处理:重新加热到高温,消除对磁性有害相 (相),磁场冷却或等温磁场处理:,回火:一般多为多级回火处理以提高HC和(BH)max,c、定向结晶,理论分析:AlNiCo合金的组织是相, 其中相的易磁化方向为,如果合金中绝大多数晶粒的方向都能整齐地沿一个方向排列,则剩磁Br可大大提高;实际情况:因合
11、金方向有最好的热传导性能,因而采用特殊的铸造方法,如高温铸型法等,可使合金沿方向形成柱状晶材料,Note:柱状晶的形成和铝镍钴台金中铝、钛、硫、碳等含量有着密切的联系对于含铝量为7.08.5的铝镍钴合金,如果其含Ti量大于0.5,就可破坏柱状晶的形成。因此,在含钴量较高的合金中,一般情况下很难得到柱状晶,但是,如果加入少量的硫 (0.150.30)或 硫和碳 (0.20.3)则可制得较为满意的柱状晶。,二、可加工型永磁合金,1、Fe-Cr-Co永磁合金:发明思路与AlNiCo相类似,获得各向异性Fe-Cr-Co永磁合金的主要途径有:磁场热处理(含Co量较高)和形变时效处理(含Co量较低) 矫顽
12、力的起源与AlNiCo相似来自相(铁磁相)的形状各向异性; Fe-Cr-Co合金的基本成分范围为:2033、325Co,余为Fe,常添加V、Ti、Mo、Zr、Nb、Si等元素以改善磁性能,主流方向:降低含钴量、保证合金有足够好的磁性能,如32Cr-4%Co-0.5%Ti-Fe合金,其磁性能基本上与含钴量为24的AlNiCo永磁合金的性能相差无几(缺点:该合金在磁场中冷却速率仅为0.40.9C/h),2、Pt-Co (Pt-Fe) 永磁合金:,特点:高温相面心立方无序结构,低温相面心四方有序结构 无序有序转变很高的磁晶各向异性,易磁化方向从转到方向上 性能非常好的永磁材料,近几年发展特别迅速,第
13、四节 铁氧体基永磁材料Ferrite-based permanent-magnet materials,发展现状:,磁性能较稀土永磁合金以及AlNiCo等金属基合金差;原材料丰富且价格较低,工艺简便成熟、抗退磁性能优良,故仍是产量最大的永磁材料(但产值已被稀土永磁合金超过);典型代表:BaFe12O19、SrFe12O19,永磁铁氧体的制备工艺流程简图,各向同性磁体,各向异性磁体,工艺过程要点:一料、二烧、三成型,一料(以BaFe12O19为例说明):,理论上来说,BaO : Fe2O3=1 : 6,但实际生产中,要得到具有最佳永磁性能的钡铁氧体,一般采用过铁配方,即BaO : Fe2O3 1
14、 : 6(5.0-5.9),具体比例与原料的纯度有关,若原料纯度越高,可选择的配比越高; 基本配方确定以后,为了改善磁性能,还要添加少量高岭土以及La2O3等来提高矫顽力;若希望剩磁高一些,也可以添加Bi2O3、PbO等低熔点化合物,二烧(以BaFe12O19为例说明):,烧结温度与保温时间对磁性能也是影响很大的,如烧结温度高,则剩磁高,矫顽力低;反之烧结温度低,则矫顽力高,剩磁低;烧结温度过高与过低都会导致磁性能下降,三成型(以BaFe12O19为例说明):,原则:为了提高剩磁Br,成型时必须使一个个单畴颗粒的易磁化方向沿着一定方向排列起来; 通常采用磁场取向成型法,也就是在成型时附加一直流
15、强磁场使磁矩沿磁场方向排列;获得的产品为各向异性永磁体,永磁铁氧体产品的典型性能及应用,第五节 稀土基永磁材料Rare-Earth-based permanent-magnet materials,一、概述,RE-Co系,1-5型SmCo5磁体,2-17型Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17磁体,RE-Fe系,(BH)max 160kJ/m3 ,第一代稀土磁体,(BH)max 200 240 kJ/m3 第二代稀土磁体,(BH)max 240 460 kJ/m3 第三代稀土磁体,稀土基永磁材料,稀土永磁体发展历程:,二战后,稀土元素分离技术和低温技术迅速发展,人们对稀土元素的低温磁性进行了广泛
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