烧结Nd-Fe-B永磁材料

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1、烧结Nd-Fe-B永磁材料2009.3.21一. 磁性材料的分类1金属磁性材料分为几大类，它们是如何划分的？金属磁性材料分为永磁材料、软磁材料二大类。通常将内禀矫顽力大于 0.8kA/m 的材料称为永磁材料，将内禀矫顽力小于 0.8kA/m 的材料称为软磁材料。二. 磁性材料的发展历程1. 1900年前后出现的淬火马氏体钢 2. 1917年前后日本人发明了含有W、Cr、C的钴钢 3. 1931年，日本人发明了铸造AlNiCo系永磁合金 4. 1950年，磁铅石型钡铁氧体永磁材料BaM在荷兰Philips公司问世 .5. 到1963年，又出现了锶铁氧体永磁SrM 6. 1968年，荷兰Phili

2、ps公司开发出了(BH)max高达144kJ/m3（18MGOe）的人们习惯上称之为第一代稀土（RE）永磁合金的SmCo5系永磁合金7.到1972年以后，(BH)max高达240kJ/m3（30MGOe）的第二代稀土永磁合金RE2Co17型化合物在日本问世. 8.在1983年，第三代稀土永磁合金，号称磁王的NdFeB系永磁合金在前两代稀土永磁合金蓬勃发展的高潮中也在日本诞生. 三Nd-Fe-B烧结磁体的制作工艺在中国，通常的Nd-Fe-B烧结磁体制作工艺流程是：原材料检验-熔炼合金-制粉-取向压型-烧结-回火(时效)-磁性能检测-毛坯精磨-掏内孔-切割-半成品检验-电镀-成品检验-包装入库 （

3、1517天）四. 磁学基本术语1永磁材料的磁性能包括哪些指标？永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁 ( Jr, Br) 、矫顽力 (bHc) 、内禀矫顽力 (jHc) 、磁能积 (BH)m。我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度 ( Tc) 、可工作温度 ( Tw) 、剩磁及内禀矫顽力的温度系数 (,) 、回复导磁率 (rec) 、退磁曲线方形度 (rec, Hk/jHc) 、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。 2永磁材料的磁性能包括哪些指标？ 除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）

4、强度、冲击韧性等。此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。3.什么叫磁场强度(H)？ 1820 年，丹麦科学家奥斯特 (H. C. Oersted) 发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转，从而揭示了电与磁的基本关系，诞生了电磁学。实践表明：通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比，与离开导线的距离成反比。定义在有 1 安培电流的无限长导线在距离导线 1/(2) 米远处的磁场强度为 1A /m( 安 / 米，国际单位制 SI) ；在 CGS 单位制 ( 厘米 - 克 - 秒 ) 中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有 1 安培电流的无

5、限长导线在距离导线 0.2 厘米远处的磁场强度为 1Oe （奥斯特）， 1Oe=1/(4 ) 103A /m 。磁场强度通常用H表示。 4.什么叫磁极化强度(J)，什么叫磁化强度(M)，二者有何区别？ 现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流。这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩 p m ，每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度 J ，其单位为 T

6、（特斯拉，在 CGS 单位制中， J 的单位为 Gs ， 1T=104Gs ）。定义一个磁偶极子的磁矩为 p m /0，0为真空磁导率，每单位材料体积内磁矩的矢量和为磁化强度 M ，其 SI 单位为 A/m ， CGS 单位为 Gs( 高斯 ) 。M 与 J 的关系为： J = 0M ，在 CGS 单位制中， 0=1 ，故磁极化强度与磁化强度的值相等；在 SI 单位制中， 0=4 10-7H/m( 亨 / 米 ) 。5. 什么叫磁感应强度(B)，什么叫磁通密度(B)，B与H，J，M之间存在什么样的关系？理论与实践均表明，对任何介质施加一磁场 H 时 ( 该磁场可由外部电流或外部永磁体提供，亦可

7、由永磁体对永磁介质本身提供，由永磁体对永磁介质本身提供的磁场又称退磁场 - 关于退磁场的概念) ，介质内部的磁场强度并不等于 H ，而是表现为 H 与介质的磁极化强度J之和。由于介质内部的磁场强度是由磁场H通过介质的感应而表现出来的，为与H区别，称之为介质的磁感应强度，记为B：B = 0H+J（SI 单位制） (1-1)B = H+4M（CGS 单位制）磁感应强度 B 的单位为 T（特斯拉）， CGS 单位为 Gs （ 1T=104Gs ）。对于非铁磁性介质如空气、水、铜、铝等，其磁极化强度 J 、磁化强度 M 几乎等于 0 ，故在这些介质中磁场强度 H 与磁感应强度 B 相等。由于磁现象可以

8、形象地用磁力线来表示，故磁感应强度 B 又可定义为磁力线通量的密度，磁感应强度 B 和磁通密度 B 在概念上可以通用。一般用高斯计来测量。它是利用霍尔元理检测磁性材料或物体上一个点的磁感应该强度。优点是简便。缺点：（1）由于霍尔探头与磁体接触的距离难保每次一样；（2）磁体不同位置磁通密度不一样难保每次测量位置一样；这两都会导致测量结果重复性差。（3）每个新规格都得找基准值。同一磁体用不同的高斯计测量，测量值有点误差这很正常、也好理解.具体原因为：高斯计探头的磁感应器大小尺寸厚薄不同。 霍尔探头的外封装（扁铜管）有一定的差异、造成磁感应器与磁体表面的距离不同，导致测出磁体表磁的值不同。 霍尔探头

9、工作正负向的差异误差，也可能造成测试表磁的误差。高斯计霍尔探头定标是在均匀场中进行校准的，在测量非均匀场时，也带来了误差6.什么叫剩磁(Jr，Br)，为什么在永磁材料的退磁曲线上任意测量点的磁极化强度J值和磁感应强度B值必然小于剩磁Jr和Br值？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。剩磁 Jr和 Br的单位与磁极化强度和磁感应强度单位相同。根据关系式 (1-1) 可知，在永磁材料的退磁曲线上，磁场 H

10、 为 0 时， Jr =Br，磁场 H 为负值时， J 与 B 不相等，便分成了 J-H 和 B-H 二条曲线。从关系式 (1-1) 还可以看到，随着反向磁场 H 的增大， B 从最大值 Br =Jr变化到 0 ，最后为负值，对于现代永磁材料， B 退磁曲线的变化规律往往为直线； J 退磁曲线的变化规律则不同：随着反向磁场 H 的增大， B 值线性减小，由于 B 值的减小量总是大于或等于反向磁场 H 的增大量，故在 J 退磁曲线上的一定区域内可以保持相对平直的直线，但其 J 值总是小于 Jr。 7.什么叫矫顽力(bHc)，什么叫内禀矫顽力(jHc)？在永磁材料的退磁曲线上，当反向磁场 H 增大

11、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；在反向磁场 H= bHc时，磁体对外不显示磁通，因此矫顽力bHc表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应的能力。矫顽力bHc是磁路设计中的一个重要参量之一。值得注意的是：矫顽力bHc在数值上总是小于剩磁 Jr。因为从（ 1-1 ）式可以看到，在 H=bHc处， B =0 ，则0 bHc=J ，上面已经说明，在 J 退磁曲线上任意点的磁极化强度值总是小于剩磁 Jr，故矫顽力bHc在数值上总是小于剩磁 Jr。例如： Jr=12.3kGs 的磁体，其bHc不可能大于 12.3kOe 。换句话说，剩磁 Jr

12、在数值上是矫顽力bHc的理论极限。当反向磁场 H=bHc时，虽然磁体的磁感应强度 B 为 0 ，磁体对外不显示磁通，但磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和往往并不为 0 ，也就是说此时磁体的磁极化强度 J 在原来的方向往往仍保持一个较大的值。因此，bHc还不足以表征磁体的内禀磁特性；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 。内禀矫顽力 jHc 是永磁材料的一个非常重要的物理参量，对于 jHc 远大于bHc的磁体，当反向磁场 H 大于bHc但小于 jHc 时，虽然此时磁体已被退磁到磁感应强度 B 反向的程度，但

13、在反向磁场 H 撤消后，磁体的磁感应强度 B 仍能因内部的微观磁偶极矩的矢量和处在原来方向而回到原来的方向。也就是说，只要反向磁场 H 还未达到 jHc ，永磁材料便尚未被完全退磁。因此，内禀矫顽力 jHc 是表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应，以保持其原始磁化状态能力的一个主要指标。矫顽力bHc和内禀矫顽力 jHc 的单位与磁场强度单位相同。8.什么叫磁能积(BH)m？在永磁材料的 B 退磁曲线上 ( 二象限 ) ，不同的点对应着磁体处在不同的工作状态， B 退磁曲线上的某一点所对应的 Bm和 Hm（横坐标和纵坐标）分别代表磁体在该状态下，磁体内部的磁感应强度和磁场的大小，Bm和 H

14、m的绝对值的乘积（ BmHm）代表磁体在该状态下对外做功的能力，等同于磁体所贮存的磁能量，称为磁能积。在 B 退磁曲线上的 Br点和bHc点，磁体的（ BmHm） =0 ，表示此时磁体对外做功的能力为 0 ，即磁能积为 0 ；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。因此，人们通常都希望磁路中的磁体能在其最大磁能积状态下工作。磁能积的单位在 SI 制中为 J/m3( 焦耳 / 立方米 ) ，在 CGS 制中为 MGOe( 兆高奥斯特 ) ， 410 J/m 3 =1 MGOe 。9.什么叫居

15、里温度(Tc)，什么叫磁体的可工作温度Tw，二者有何关系？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。居里温度Tc只与合金的成分有关，与材料的显微组织形貌及其分布无关。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。由于磁性能的这一降低幅度需要视该磁体的应用条件及要求而定，因此，所谓的磁体的可工作温度Tw对于同一磁体来说

16、是一个待定值，也就是说，同一永磁体在不同的应用场合可以有不同的可工作温度Tw。显然，磁性材料的居里温度Tc代表着该材料的理论工作温度极限。事实上，永磁材料的实际可工作Tw远低于Tc。例如，纯三元的Nd-Fe-B磁体的Tc为312，而其实际可工作Tw通常不到100。通过在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金属以及Dy、Co、Ga等元素，可显著提高Nd-Fe-B磁体的Tc和可工作Tw。值得注意的是，任何永磁体的可工作Tw不仅与磁体的Tc有关，还与磁体的jHc等磁性能指标、充磁方向的厚度、以及磁体在磁路中的工作状态有关。其中我们的产品说明书标出的最高工作温度Tw的条件是指磁体L/D=0.7。L是磁体充磁

17、方向的厚度；D是磁体的直径。磁体越薄越容易在高温下退磁。例如：60.051.50.05 N35H/Zn L/D=1.5/6=0.25 Tw约80120，但装配在喇叭上形成较好的磁路，Tw有可能提高到90100。 10.什么叫磁通量：垂直于某一面积所通过的磁力线的多少叫做磁通量或磁通，用表示,=BS，单位韦伯（Wb）。如果磁感应强度为B，某平面的面积为S，该平面与磁感应强度的方向间的夹角为，那么该平面的磁通量为=BSsin。一般用磁通表来测量。磁通表基于如下的工作原理：测量线圈感生正比于磁通的电压，该电压存储在电容上，经微处理器处理后，显示磁通量的结果。优点是简便又能比较出磁体整体性能的好坏。缺

18、点：每个新规格都得找基准值。一般情况下：数字磁通计都只能测直流磁场和永磁体，测不了交变磁场。例如：磁通计可连接单线圈或亥姆霍兹线圈来测量磁体的磁通量。 用磁瓦工装测量步骤： 1、 按照磁瓦或磁片的长宽尺寸调节下图位置3、4的调节选钮，使得上下位置的标尺的示值等于磁体的宽度的一半、左右位置的标尺的示值等于磁体的长度的一般。2、 将磁体放在如下图位置，并将磁体顶角紧靠在直角位置上。3、 将磁通计的复零按钮按一下，使得磁通计的数据显示为零，然后拿走磁体，时磁通计显示的数据为该磁体的工作磁通量。单线圈测量步骤：1、将线圈的信号输出端同磁通计的信号输入端连接，调节线圈内部的平台位置使平台的高度合适于测量

19、的要求。（合适的高度为将样品的放入线圈后，样品的中心线正好对准线圈观查孔的中心。信号输出端观察孔2、将样品放置在线圈中心，将磁通计的复零按钮按一下，使得磁通计的数据显示为零，然后拿走磁体，此时磁通计显示的数据为该磁体的工作磁通量。样品用亥姆霍兹线圈测量。亥姆霍兹线圈是两个彼此平行且连通的共轴圆形线圈。方法同上。 注意事项 ：线圈匝数和线圈直径不同，所显示的磁通量也不一样。五烧结Nd-Fe-B磁体的基本机械性能烧结Nd-Fe-B磁体是一种典型的脆性材料。在磁体的加工、组装、使用过程中，需注意防止磁体承受剧烈的冲击、碰撞、和过大的张应力，以免磁体开裂或崩边掉角。值得注意的是，由于充磁状态的烧结Nd

20、-Fe-B磁体磁力很强，在操作磁化状态的磁体时，还需特别注意人身安全。对于尺寸较大的磁化状态磁体的组装，必须事先配备好相应的组装工具，防止因磁体的强吸合力扎伤手指。Br温度系数:-0.100-0.130%/CiHc温度系数:-0.60%/C密度:7.47.6g/cm3挠曲强度:25kg/mm2韦氏硬度:500600Hv热膨胀系数:-1.510-6 /（垂直于取向方向）拉伸强度:8.0kg/mm2热膨胀系数:510-6 /（平行于取向方向/）比热:460J/(kgC)导热系数:7.7kcal/m.h.C强性模量:1.61011N/m2刚度:0.64N/m2横向变形系数:0.24压缩率:9.810

21、-12m2/N居里温度:310-340C电阻率:140160.cm物理实验中常用的产生磁场的大致有下列几种。螺线管，产生恒定而均匀磁场的装置。能达到的磁场强度约为 1091T（特斯拉）。亥姆霍兹线圈，在大范围空间内产生非常均匀磁场的装置。其磁场强度一般不超过0.1T。电磁铁，应用最广的磁体。借助于励磁线圈和轭铁、铁芯，可在不同大小空间内产生大约不超过2T的磁场。毕特磁体,实际是特殊构造的电流磁体。泵水冷却,可载高达1万安培的电流。在直径数厘米空间内产生高达30T的磁场。因此，功率消耗甚大。永磁体，利用永磁材料产生磁场的装置。磁场强度为 10-31T。特点是无需供电，结构一般小巧、紧凑。脉冲充磁

22、机，利用瞬时强大的脉冲电流通过一高强度的线圈，在毫秒或微秒时间里产生10103T磁场的装置。超导磁体，利用低温超导现象，用属于第二类超导体的合金丝绕制的线圈以产生强磁场的装置。它不需消耗大量电能而能长时间保持120T的磁场。下面仅对用途最广泛并有代表性的充磁方法作简单的介绍：电磁铁实验室中常用的外斯型磁体的结构如图 1所示。图中G是空气隙，即供使用的磁场空间；T是极靴，它把磁通尽可能集中到气隙内；P是铁芯；C是励磁线圈，用来激发磁通和控制磁场的大小;Y是轭铁。通过气隙、极靴和铁芯的磁通由此闭合。 脉冲充磁机充磁机的工作原理是：先将电容器充以直流高压电压，然后通过一个电阻极小的线圈放电。放电脉冲

23、电流的峰值可达数万安培。此电流脉冲在线圈内产生一个强大的磁场，该磁场使置于线圈中的硬磁材料永久磁化。 充磁机电容器工作时脉冲电流峰值极高，对电容器耐受冲击电流的性能要求很高。在同等的条件下，即相同尺寸、相同极数和相同的充磁电压，磁能积高的磁件所获得的表磁也高，但在相同的(BH)max值时，Br和Hcj的高低对充磁有以下影响： Br高，Hcj低：在同等充磁电压下，能得到较高的表磁； Br低，Hcj高：要得到相同表磁，需用较高充磁电压；脉冲充磁机的功率P=2fcv2其中f是交变频率，c是电容容量，v2是充磁电压。可见提高v是增加脉冲充磁机功率最有效的办法。例如某一脉冲充磁机的參数：环境参数输入电源输出电压(充磁电压) 充磁频率(充磁速度) 温度-10+40相对湿度80%220V/50HZ20A0660VDC连续可调34sec/cycle装机电容容量连续工作时间外形尺寸重量66000uF120000uF（两组串联）8 hours4504201250 150Kg 配55充磁线圈： 磁场强度 H30000 Cs（高斯）。如果充磁磁场强度小于jHc的1.5倍，有可能充磁不饱和。8