磁性材料金属磁性材料部分.pptx

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1、什么是金属磁性材料？由金属、合金、及金属间化合物所组成的磁性材料。一般分为：金属软磁材料和金属永磁材料。分类原子内部结构晶态合金非晶态合金磁性能特点软磁合金 硬磁合金 矩磁合金 压磁合金（磁致伸缩材料）第1页/共113页金属软磁材料（HC800 A/M)应用：电力工业、通讯技术、自动控制、微波技术、雷达技术及磁记录方面不可缺少的关键材料。作用形式：能量转换；信息处理。特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁性。金属永磁材料应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件；其它器件。作用原理利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度；利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电

2、能转化为机械能。特点充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。第2页/共113页第二章金属磁性材的理论基础第二章金属磁性材的理论基础铁磁金属和合金的结构和磁性相变、脱溶和失稳分解金属软磁材料的理论基础金属磁性材料的损耗金属永磁材料的理论基础金属磁性材料的织构化第3页/共113页2.1铁磁金属和合金的结构和磁性一、铁磁金属的结构和磁性一、铁磁金属的结构和磁性（一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性（一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性Fe、Ni、Co的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构 Fe：常压下，温度910为体心立方（bcc），铁磁性的Fe，居里温度为770 ，易磁化方向为,难磁化方向为910

3、温度1400 面心立方,顺磁性的Fe 温度1400 体心立方 顺磁性的Fe第4页/共113页Ni:在常压下，在熔点以温范围内，均是面心立结构（fcc）为铁磁性的-Ni居里点为358易磁化方向为难磁化方向为 第5页/共113页Co：温度450 简单六方结构铁磁性的-Co居里点为1117易磁化方向为难磁化方向为和1010 温度450 至熔点面心立方-Co112010100001第6页/共113页3d过渡族元素的磁性来源Fe、Ni、Co：3d电子的交换相互作用，铁磁性（2.2B,0.6B,1.7B)Cr、Mn：3d电子的直接交换相互作用，反铁磁性Cr、Mn的合金或化合物：3d电子的超交换相互作用，亚

4、铁磁性或铁磁性第7页/共113页、稀土族元素的结构和磁性、稀土族元素的结构和磁性 结构 主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素，加 上性质类似的Y和Sc；晶体结构大都为密排六方结构。磁性Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁 矩的取向随温度而变。Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁 磁性。Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、Yb 的离子具有磁矩。第8页/共113页二、合金的组成和磁性二、合金的组成和磁性、相图的作用、相图的作用1、什么是相图？金属或合金所处的状态主要依赖于其成分

5、和外界条件（温度、压力）的变化。相图就是用图解的形式来表示金属或合金的组织随成分、温度、压力等变化的关系。注意：相图又称为相平衡图，反映的是合金在平衡条件下转变的规律。2、相图的构成单元系：成分不变，由压力-温度直角坐标平面图表示二元系：温度、压力、成分的立体图。由于一般情况下，压力常为恒定，相图简化为温度、成分的直角坐标平面图。三元系：（压力恒定）是一个立体图，底面呈正三角形（成分三角形），三条底边上-的含量百分数。垂直于底面的纵轴表示温度。（加图示）三角形内任何一点代表一定成分的三元合金。第9页/共113页2、相律和杠杆定理、相律 是指在平衡条件下，合金系统的组元数、相数和自由度数之间的关

6、系式。可以用下式表示：f=c-p+n f=c-p+1（常压）f：自由度数 c：组元数 p：平衡时相数 n：外界条件可变的数目应用：应用：分析系统中最多能有多少相可以平衡共存分析结晶是在恒温还是在一定温度范围内进行例如：二元系合金，C=2，令f=0，则p=3（三个平衡相）二元系合金，如结晶时，p=2，则f=2-2+1=1（变温）如结晶时，p=3，则f=2-3+1=0 （恒温）第10页/共113页（2）、杠杆定理合金在结晶过程中，各相的成分及其相对含量将发生变化。对于相图中的两相区，可以应用所谓杠杆定律求出这两相的成分及相对含量。在A-B二元系中，任选一合金p，它的成分是Xp（组元B的浓度），组元

7、A的浓度为（1-Xp），在温度T时处于二相平衡，和两相中组元B的浓度分别为Xa和Xb，而组元A的浓度为（）和（），设合金的重量为1，和的相对量分别为C的C。这样P点处两相中同一组元含量之和必等于合金P中相应组元的含，可得两个方程式：CXa+CXb=XpC(1-Xa)+C(1-Xb)=1-XpTT1ABabpXa Xp Xb第11页/共113页3 二元合金常见相图的类型和特征LL+L+L+LLL L+L+第12页/共113页（二）、合金的组成（二）、合金的组成1、基本概念合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素，也

8、可以是化合物。相：合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀部分。组织：材料内部的微观形貌图象。2、合金的基本相 固溶体 金属间化合物据结构的基本特点可分为第13页/共113页固溶体定义：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀固体。溶质只能以原子状态溶解，在结构上必须保持溶剂组元的点阵类型。分类据溶剂类型一次固溶体二次固溶体按固溶度有限固溶体无限固溶体按溶质原子的占位置换固溶体间隙固溶体按溶剂、溶质原子间相对分布无序固溶体有序固溶体第14页/共113页金属间化合物 合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大，或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可能形成固溶体，这时

9、，金属与金属、或金属与非金属之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物统称为金属间化合物。稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5和Sm2Co17就是典型的例子。金属 间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足正常化合价平衡的规律。第15页/共113页（三）、合金的磁性3d过渡族合金的结构和磁性稀土族合金的结构和磁性固溶体的结构和磁性第16页/共113页1、3d过渡族合金的结构和磁性多为无序固溶体，且多显示铁磁性；合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函数关系（斯莱特-泡林曲线）

10、（图示）2.稀土族合金的结构和磁性多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料。晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。第17页/共113页3 固溶体的结构和磁性 磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有序固溶体；相当多的金属间化合物。形成 置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸

11、变，存在应力，使材料的二次磁特性改变，特别对软磁不利。形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影响很大。有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同，其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次磁特性也改变。本征磁特性；二次磁特性back第18页/共113页2.2 相变、脱溶和失稳分解一、固态相变1、定义当外界条件（温度、压强）作连续变化时，固体物质在确定的条件下，其化学成分或浓度、结构类型、晶体组织、有序度、体积、形状、物理特性等一项或多项发生突变。2、相变的驱动力和阻力 相变的方向

12、 G0 G=G=VgVgv vVVVV 驱动力：VgVgv v 总的化学自由能 阻力：总界面能V和总应变能V3、金属磁性材料的固态相变主要通过热处理工艺来控制。对于软磁，常通过高温退火，让材料在室温附近保持均匀的单相，使界面能和应变能尽量降低，以获得高（）和低（Hc），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多相结构，来提高（Br）和（Hc）。第19页/共113页二、过饱和固溶体的脱溶二、过饱和固溶体的脱溶1、定义：过饱和固溶体析出第二相，而其母相仍然保留，但浓度由过饱和达到饱和的相变。条件：固溶度随温度、成份、压强变化。2、分类连续脱溶不连续脱溶3、脱溶过程 GP区 “：母相 GP区：溶

13、质原子偏聚区 、“：过渡相：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高；过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低GP区：界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响 、金属软磁合金使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢。第20页/共113页3、脱溶过程 GP区 “：母相 GP区：溶质原子偏聚区 、“：过渡相 ：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高；过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低GP区：界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响 、金属软磁合金使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地

14、改善合金的软磁特性。金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢第21页/共113页三、失稳分解三、失稳分解过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶，形成非均匀的混合固溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。1、概念当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足 时，此固溶体就会失去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。2、特点匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并非形核成长过程。浓度波幅度越来越大的涨落

15、是依靠逆扩散来进行的。产生的两相和母相的晶格类型是相同 的，仅晶格常数稍有偏差。3、对金属永磁材料的影响分解时，控制磁性相成单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高的矫顽力，具有优异的永磁特性。第22页/共113页2.3 金属磁性材料的织构化一、织构化的概念一、织构化的概念一、织构化的概念一、织构化的概念在材料结构一定的情况下，其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排列的状态，称为织构。使多晶材料产生织构就是织构化。织构的种类：结晶织构结晶织构 磁性织构磁性织构 双重织构双重织构第23页/共113页二、磁性织构的形成、磁场热处理将磁性材料加热到居里温度附近，这时加上直流磁场，让磁性材料在磁场中保温一

16、定时间并慢冷（或控速冷却）到室温。所加磁场的方向为该材料的宏观易磁化方向。磁伸缩理论能解释部分材料的磁场热处理效果纯金属s0，无磁场热处理效果合金s0，却仍然磁场热处理效果好奈耳谷口原子对方向性有序化理论、磁场成型将具有形状各向异性的非单畴永磁粉末，在磁场中压制或成型（挤压、注塑）制成粘结体，或再经适当温度烧结成永磁体，这些永磁体就具有磁性织构。第24页/共113页二、结晶织构的形成二、结晶织构的形成、反复冷轧热处理 应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列、定向结晶使磁性合金从熔融状态开始，严格控制温度梯度进行冷却，让结晶沿一定方向进行，从而得到定向结晶。冷金属板法发热铸型法蜂巢铸型法

17、第25页/共113页概述理论基础工业纯铁铁硅合金铁镍合金铁粉芯纳米晶软磁合金第三章金属软磁材料第26页/共113页3.1 3.1 概述概述一、性能的基本要求贮能高高的饱和磁感应强度灵敏度高初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率效率高Hc低，电阻率高，损耗小回线矩形比高稳定性好 磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高第27页/共113页二、金属软磁材料的理论基础影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗（一）、影响磁导率的因素机理：可逆磁畴转动 可逆畴壁位移动力：饱和磁化强度阻力：内应力、参杂、空泡、晶界1、可逆磁畴转动2、可逆畴壁位移 其中畴壁厚度杂质直径杂质体积浓度第28页/共113页（二）、提高磁导率

18、的措施 1、提高饱和磁化强度Ms 2、有效方法，使K10，s0 3、高温退火 4、真空热处理 5、氢气热处理 6、使材料杂质相对集中 7、真空熔炼、精炼 8、进行织构化第29页/共113页1、提高饱和磁化强度MsMs主要由材料的成分决定，而所有软磁材料都含有铁，要想在很大程度上提高饱和磁化强度是不可能的。提高Ms不能作为改善磁性能的主要途径。例如：含镍量为79%左右的镍铁合金经特殊的热处理后，初始磁导率和最大磁导率可以比铁-硅合金高几倍至几百倍，但其Ms却只有后者的一半左右。第30页/共113页2 2、有效方法，使、有效方法，使K1K100，ss00 控制成分，使控制成分，使K1K1K1K10

19、000，ssss0000，甚至同时为零。使磁导率大大，甚至同时为零。使磁导率大大提高。提高。控制有序相和无序相的比例。控制有序相和无序相的比例。控制配方控制配方 控制冷速控制冷速3 3、高温退火、高温退火将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温，将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温，得到接近平衡组织的热处理过程。得到接近平衡组织的热处理过程。作用：作用：消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶 恢复恢复原子在晶粒范围

20、内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。变。再结晶再结晶在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。第31页/共113页4、真空热处理在真空气氛（乇以下）保护下进行高温退火，可消除材料的应力，并去除部分杂质，比普通退火好。作用：防止材料在热处理中氧化防止在材料热处理中渗入杂质在热处理中帮助去除杂质，特别是气态杂质消除应力缺点：在真空气氛下，合金某些成分易挥发，使成分偏离工艺复杂，成本高第32页/共113页5、氢气热处理在H2气氛保护下进行高温退火作用：防止材料在热处理中氧化防止在材料在热处理中渗入杂质在热处理中去除杂

21、质消除应力缺点：要求氢气纯高，成本高温度和氢气流量较难控制6、使材料杂质相对集中7、真空熔炼、精炼8、进行织构化第33页/共113页三、常见金属软磁材料三、常见金属软磁材料工业纯铁工业纯铁铁硅合金铁硅合金铁镍合金铁镍合金铁铝合金铁铝合金铝硅铁合金铝硅铁合金非晶及纳米晶软磁合金非晶及纳米晶软磁合金磁介质磁介质第34页/共113页3.2 3.2 工业纯铁工业纯铁一、特点纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。室温性能：Bs=2.15(T),居里点f=770,m=20000,=0.110-6(.m)。杂质对其性能有较大影响，见表（5.1.1 252页）。碳含量低矫顽力低磁导率高导热性和

22、加工性好有一定的耐腐蚀性和价格便宜电阻率低，不能在交流磁场中应用二、应用作金属磁性材料的重要原料在直流磁场中，作为恒定磁场中的磁导体。如作磁极和磁屏蔽。第35页/共113页三、分类1、电解铁含有0.050.02%C、Mn 0.01%、P0.005%、S0.004%、Al0.01%、Cu0.015%。电磁性能：i=500、m=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.6(10-8.m)2、阿姆柯铁含C 0.025%、Mn 0.035%、P0.015%、S0.05%、Cu0.08%。磁性能：i=20005000、m=600015000、Hc=0.5 1.5(79.6A

23、/m)3、羰基铁由Fe（Co）5分解而成，纯度高。磁性能：i=20003000、m=2000021500、Br=0.5 1.0(T)、Hc=0.08(79.6A/m)、=9.6(10-8.m)第36页/共113页3.3 3.3 铁硅合金铁硅合金铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动机、和发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要的铁芯材料，在国民经济中占有重要的地位。19001930年，炼钢和热轧加工技术193460年 晶粒取向、热处理、玻璃涂层1983至今年 辐射第37页/共113页一、铁硅合金相图第38页/共113页由相图可以看出随着合金含硅量的增加，的转变温度上升，的转变温度下

24、降，两者在大约2.5%Si处相交，形成一封闭的“回线”。3.2%Si-Fe合金来说，当温度从室温上升到熔点的过程中，不会发生任何结构转变，并始终保持单一的体心立方结构，这对在较高温度下进行再结晶退火十分有利，同时，当温度从高温缓慢冷却到室温时，又不会象纯铁那样受到和 转变的干扰，因此这种合金很容易制成单晶。回线的大小对合金的含C量十分敏感。对铁硅合金，应使含C下降到0.01%以下。第39页/共113页再结晶：当加热温度较高时，变形金属的显微组织发生显著的变化，破碎的、被拉长的晶粒全部转变成均匀而细小的等轴晶粒。再结晶时金属不发生晶格类型的变化，而是形成无晶格畸和加工硬化的新晶粒，晶粒的形状和大

25、小也发生了相应的变化。BACK第40页/共113页二、硅对合金性能的影响第41页/共113页硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大，饱和磁致伸缩系数和可以逐渐趋于零。这对提高磁导率和降低矫顽力是有利的。添加硅可以提高合金的电阻率。这对降低涡流损耗特别重要。铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机的重量有利。硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的O2合成SiO2，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳和氧所引起的老化现象。硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。饱和磁感应强度和居里温度均随

26、含硅量的增加而下降。硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。第42页/共113页三、硅钢片的退火普通退火：800900高温退火：10501200作用：削除了加工硬化现象，减少了杂质或改变了碳的形态，磁性因而获得改善。第43页/共113页四、硅钢片的制备四、硅钢片的制备非取向硅钢片：热轧硅钢片 冷轧硅钢片晶粒取向硅钢片：单取向硅钢片戈斯织构 双取向硅钢片 立方织构硅钢片的生产流程如下：第44页/共113页立方织构硅钢片主要的制备工艺只要条件允许，制造纯度尽可能高的铁硅合金。材料的这种高纯状态是出现立方织构的重要先决条件。通过热轧和冷轧，以及在适当的气氛中进行中间退火，将材料轧到一定的厚度；在最

27、后一道轧制完成后，通过退火发展（110）001或（120）001型的初次（或二次）织构。在严密控制的气氛中进行最后退火,以便通过二次或三次再结晶发展立方织构。第45页/共113页3.3 铁镍合金铁镍合金一、概述含Ni为30%90%的铁-镍系软磁合金一般统称为坡莫合金（或叵姆合金）。特点分类1、特点成份范围很窄，性能可以通过成份和热处理工艺来调整，可以满足各种要求加工性能好低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力第46页/共113页2、分类含Ni量：低镍合金小于45%中镍合金45%70%高镍合金70%80%用途：磁芯材料 热敏材料 磁头材料磁性能：高磁导率铁镍合金 高矩磁铁镍合金 恒磁导率铁

28、镍合金第47页/共113页二、铁镍合金相图 第48页/共113页由相图可以看出含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由单一的面心立方结构的相组成。在合金含量小于30%时，相在较低温度下可通过马氏体相变转变为体心立方的相，这种结构转变有明显的热滞现象，即升温时的转变a温度和降温时的转变温度不重合。两相区难以确定。在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有序和无序相转变。有序化转变温度在506。第49页/共113页二、合金成分对电磁性能的影响第50页/共113页电阻率的最大值出现在含Ni量3040%的范围。在纯金属中加入杂质元素后，由于电子运动的自由程缩短，电阻率必然增加。加入的

29、杂质元素愈多，则电阻率值愈高。对铁镍合金而言，含Ni35%以下，是Ni原子固溶在Fe中。而Ni35%以上，是Fe原子固溶在Ni中。第51页/共113页第52页/共113页居里温度在含Ni量为010%和65100%两个成分范围内，居里温度随镍含量的增加而下降。当含镍量为35%左右时，由于非磁性相的出现，居里温度急剧下降。在67%Ni附近，由于点阵距离刚好满足出现最大的交换能，故居里温度出现最大值。饱和磁感应强度由于镍原子的玻尔磁子数比铁小，所以020%Ni之间，Bs随含镍量的增加而下降。在2035%Ni范围内，由于出现了非磁性相，Bs发生突变而迅速一降。第53页/共113页第54页/共113页磁

30、晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数s通过控制冷却速度和成分可有效地控制K1和s，从而达到提高磁性能的目的。第55页/共113页三、热处理对铁镍合金磁性的影响1、叵姆处理获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单相的固溶体、低的K1和s值、高的Bs。为了避免有序化，同时减少内应力。一般采用双重热处理（叵姆处理）的方法：将坡莫合金退火后从600将样品放在铜板上，在空气中急冷，或在随炉冷却后，再加热到600，然后快速冷却，即进行双重热处理。2、磁场热处理将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却，或进行磁场热处理，在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均呈出矩形磁滞回线，而在垂直方向上为平直的磁化曲线。第56页/共

31、113页四、多元系坡莫合金四、多元系坡莫合金在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元系坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速度适当，其初始磁导率可比二元系坡莫合金高几倍。而且电阻率也比78.5%Ni坡莫合金要高3倍，为0.6010-3(.m)，但饱和磁感应强度从1.3(T)降到0.60.8(T).第57页/共113页合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能成分设计的原则是使s0，通过调整热处理工艺使K10，而获得高磁导率1、钼钼小于15%时，在Ni大于50%铁-镍合金中完全固溶，它使：电阻率上升含78.5%Ni的铁-镍合金的K1和s更接近零钼可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的

32、冷却速度钼使K1=0的合金镍含量增加。4Mo-79Ni 5Mo-80Ni 6Mo-81Ni降低合金的0Ms和居里温度。第58页/共113页2、铜改善合金的冷加工性能铜使合金的a及m值提高，且降低了磁导率对成分的敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时，对a及m值影响不大铜可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的冷却速度降低合金的0Ms和居里温度。第59页/共113页3、其它元素锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、脱氧、改善热加工性能。铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的形成，提高合金的电阻率值钒、铌、钛等可提高合金的硬度，改善耐磨性。碳可以脱氧，但C含量大于0.05%时使磁性

33、急剧下降。硅加入0.05%左右对合金磁性有利，因其和锰可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。磷大于0.06%时，使合金的值急剧下降。第60页/共113页3.4 磁介质磁介质是将铁磁体粉粒与绝缘介质混合压制成的磁性材,常称为铁粉芯.在磁介质中,每一铁磁颗粒间在电与磁方面彼此分隔,故可隔断涡流。一、磁介质的磁导率介铁磁体的磁导率铁磁介质的磁导率g绝缘介质所占体积的比值第61页/共113页第62页/共113页二、磁介质的制造工艺第63页/共113页绝缘处理为关键技术热处理一般分为低温热处理和高温热处理固化磁芯消除压制粉末所产生的内应力，以提高磁特性。第64页/共113页三、磁介质的种类电解铁粉芯工艺简单，

34、磁特性稳定，损耗较大。坡莫合金粉芯磁导率高、损耗低、但价格贵。羰基铁粉芯性能稳定，高频特性好，可用于几百MHz场合。铝硅铁粉芯磁导率中等，可具有负温度系数。随着软磁铁氧体的发展，磁介质的生产大大减少了。只有在高温、大功率、高频等特殊场合仍然离不开它。第65页/共113页第三章金属永磁材料第三章金属永磁材料金属永磁材料概述提高永磁特性的措施析出硬化型永磁材料稀土永磁材料第66页/共113页4.1金属永磁材料概述一、永磁材料发展概况第67页/共113页第68页/共113页二、对永磁体的要求（一）、对永磁特性参数的要求剩余磁感应强度高矫顽力HCJ和HCB高（BH）max要大曲线的退磁凸出系数趋于1，

35、=（BH）m/(BrHc)；稳定性好。温度稳定性、磁场稳定性、时间稳定性（二）、将永磁体选用在最佳工作点，即最大磁能 积点 附近。（三）、经济性好第69页/共113页三、分类成分：碳钢铝铝镍钴合金稀土合金工艺：铸造型烧结型粘结型四、矫顽力机理高应力型单畴型成核型钉扎型第70页/共113页4.2 提高永磁特性的措施 永磁材料磁性的优劣主要由最大磁能积（BH）m判定，而（BH）m又取决于Br、Hc及隆起度w。一般Br变化范围小，如由0.2至1.5T,仅相差约8倍;而 Hc变化范围大,如由4103至8103安/米,相差200倍,w可在0.0250.85间变化。第71页/共113页一 、剩磁Br提高M

36、S (MS由成分决定）对于成分给定的永磁材料，提高Br/Bs的比值定向结晶 （铝镍钴系列）磁场热处理 （铝镍钴系列）磁场成型 结晶定向、磁畴定向第72页/共113页第73页/共113页二、矫顽力Hc 不可逆壁移 磁畴内磁化矢量的不可逆转动是使残余磁感应强度变为零时所需的反向磁场的大小，主要依赖增加畴壁位移和畴转的阻力增大Hc值。如果Hc是由壁移机制决定的，可在合金内增加应力梯度及非磁性相来增加Hc。这种机制只能获得较低的Hc值若Hc是由畴转过程决定的，则磁畴在不可逆转动过程中受到的阻力就是Hc值的度量。这时依赖于造成单畴粒子或弥散的单畴脱溶相及其三种各向异性（磁晶、应力及形状）来增加畴转的阻力

37、，从而获得高的Hc值。第74页/共113页畴壁钉扎：是指在材料反磁化过程中，当反向磁场低于某一钉扎场Hp时，畴壁基本上固定不动。只有当反向磁场超过钉扎场Hp时，畴壁才能挣脱束缚，开始发生不可逆位移。点缺陷、位错、晶界、堆垛、层错等有关的局域性交换作用和局域性各向异性起伏等都可以是畴壁钉扎点的重要来源第75页/共113页三、隆起度组织敏感参数。w是永磁材料的晶体织构和磁结构程度的外观表现。可利用定向结晶，磁场及应力热处理等方法来提高w。第76页/共113页四、稳定性 =（Z/Z）100%不可逆变化自然变化可逆变化当条件复原或重新充磁，永磁体的性能可以恢复。如温度、外磁场干扰、机械冲击、振动等。第

38、77页/共113页措施：选择高的Hc,高f 配方，并可添加有益杂质，以及利用不同系列合金，正负温度等效互相补偿来提高稳定性。时效处理，进行人工老化（时效温度比工作温度高3050摄氏度）。温度 循环处理，在比工作温度范围宽的温度，反复循环多次。交流退磁处理，在比干扰场稍大的交流磁场中退磁。正确选择永磁体的工作点。利用热磁合金进行外补偿，可以提高温度稳定性。第78页/共113页4.3 析出硬化型永磁材料析出硬化型永磁材料，又称沉淀硬化型磁钢，包括Al-Ni-Fe系合金和Al-Ni-Co系合金。其矫顽力是在合金冷却过程中获得的，通过失稳分解沉淀出近似单畴大小的伸长形磁性相弥散分布于弱磁性相中，利用磁

39、性相的形状各向异性，其反磁化依靠磁矩的非均匀转动。从制造工艺上又可分为铸造型和烧结型磁钢，第79页/共113页第80页/共113页4.4 稀土永磁合金是稀土金属和过渡族金属形成的金属间化合物。是目前具有最高永磁特性的永磁材料。用于制造大退磁场的行波管聚焦磁铁、微型永磁马达和发电机及微型高灵敏度仪表等。六十年代第一代稀土永磁（1:5型R-Co永磁）七十年代第二代稀土永磁（2:17型R-Co永磁）八十年代第三代稀土永磁（R-Fe-B永磁）第81页/共113页一、RCo5型 型稀土永磁（一）SmCo5 永磁材料的成分和结构 Sm-Co之间可形成七种金属间化合物，其中SmCo5属六角晶系，点阵常数a=

40、5.002A,c=3.694A。第82页/共113页第83页/共113页按 SmCo5 分子式计算：成分：Sm16.66at%实际上，Sm含量在16.8517.04%at可获得最佳值。主要是因为Sm在制备过程中，约有12wt%被氧化。第84页/共113页（二）RCo5 永磁的制备工艺 1.粉末冶金法：配料熔炼磨粉磁场成型烧结热处理磨加工检验 2.还原扩散法：原料准备混料还原扩散去除钙和氧化钙磨料干燥磁场成型烧结热处理磨加工检验 第85页/共113页3、在制备时应注意的问题：配料时应补足可能发生的损失量。熔炼和烧结时应先在真空后充氩气的气氛保护下进行制粉应在介质保护下进行振动球磨合理的烧结温度、

41、热处理工艺磁场成型第86页/共113页（三）SmCo5 永磁矫顽力机理1.单畴矫顽力理论单畴颗粒和磁化强度可近似看做均匀转动，它的Hcj和Ku成正比。实际情况这类合金的矫顽力比理论值低得多（十分之一）。SmCo5单畴临界尺寸为d0=0.31.6m,而实际获得最高矫顽力的颗粒尺寸D=520m。且Hcj和Ku不成正比。2.晶界、晶体缺陷和第二相对畴壁的钉扎效应3.由反磁化畴的形核与长大的临界场Hs决定第87页/共113页二、R2TM17型稀土永磁1.R2TM17多数属于菱方晶系2.Sm2Co17是稀土永磁合金中磁稳定性最好的一种，居里温度很高，Tc=926，对于高温下的应用具有重要的意义。3.单相

42、型R2（Co、Fe）17永磁的矫顽力由反磁化畴的形核、长大的临界场决定，其性能不高，工艺不易控制。4.以Sm-Co-Cu三元系为基础发展起来的2：17型稀土永磁，是时效硬化型材料，其中，Sm-Co-Cu-Fe-M系2：17型 永磁，代表第二代稀土永磁，已在工业上得到广泛应用。其中Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17合金的磁性能最好，并已商品化。（一）、Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17永磁的成分这种合金的成分可表达为：Sm（Co1-u-v-wCuuFevMw）z其中：z=7.08.3,W=0.010.03,u=0.050.08,v=0.150.30,M=Zr、Hf、Ti、Ni等金属原子。第8

43、8页/共113页第89页/共113页（二）、合金元素对合金性能的影响1、Sm含量对合金性能的影响对合金的矫顽力影响很大，同时也影响退磁曲线的方形度。2、Fe含量对合金性能的影响随Fe含量的增加，合金的Bs迅速提高；同时Fe有促进胞状组织形成的作用，随Fe含量的增加，Hcj也提高。3、Cu含量对合金性能的影响随Cu含量的增加，合金的Hcj迅速提高;而Br和K下降。4、Zr含量对合金性能的影响提高Hcj和退磁曲线方形度起关键作用。同时含Zr的合金的矫顽力 对热处理工艺十分敏感；Zr加入，可使合金中Fe含量增加，而使Cu和Sm含量减少。第90页/共113页（三）、Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17

44、永磁合金的热处理1.11901220/烧结12h2.11301175/固溶处理0.52h后快冷3.750850/等温时效0.510h4.分级时效或控速冷却第91页/共113页三、R-Fe-B系稀土永磁（一）、概述（二）、Nd-Fe-B永磁的成分和结构（三）、烧结和热处理（四）、矫顽力机理（五）、稳定性第92页/共113页（一）、概述第三代铁基稀土永磁，不含战略物质Co和Ni；自1983年开发以来，已由R-Fe-B三元系发展到（Nd、HR）-FeM1M2-B七元系合金；生产工艺多种多样，如烧结法、熔体快淬法、粘结法、机械合金化法等。它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍

45、；居里温度不高，稳定性差。第93页/共113页（二）、Nd-Fe-B永磁的成分和结构1、成分Nd11.76+xFe82.35-x-yB5.88+y,大约为Nd15Fe77B8，以Nd2Fe14B化合物为基，并富B和富Nd。2、结构Nd2Fe14B四方相、富Nd相和富B相Nd2Fe14B化合物一个单胞中由4个分子组成，有68个原子；它们构成四方结构，易磁化轴为c轴；铁磁性。富Nd相，沿晶粒边界分布，其作用为：能助熔促进烧结，使磁体致密化，Br提高沿晶界分布，有利于矫顽力的提高易氧化，抗蚀性差。富B相，大部分沿晶界分布。B为四方相形成的关键，但过多会使合金的Br下降。第94页/共113页第95页/

46、共113页第96页/共113页（三）、烧结和热处理采用二级回火处理（四）、矫顽力机理认为普遍由于畴壁位移机理引起的。但到底是成核型硬化还是钉扎型硬化目前尚有争论。（五）、稳定性目前，R-Fe-B系合金的缺点是磁稳定性差，Nd-Fe-B三元系永磁材料在20100范围内，磁感温度系数为Sm-Co合金的35倍，矫顽力温度系数为Sm-Co合金的23倍。原因合金的居里温度不高Nd和Fe都比较易氧化和腐蚀第97页/共113页提高其稳定性的措施提高合金本身的耐蚀性磁体表面形成保护膜降低环境温度1、提高合金本身的耐蚀性添加Al、Nb、Ga、Dy等元素，减缓氧化速度，提高矫顽力；添加Co以提高Tc；减少原料中和

47、氯离子2、磁体表面形成保护膜金属涂层无机涂层有机涂层第98页/共113页四、粘结稀土永磁粘结永磁材料是把永磁材粉末用粘结剂合成和永磁体，简称粘结磁体。（一）、粘结稀土永磁的特点 1、工艺简单，适于批量生产，原材料利用率高，成本低；2、能制作复杂形状的磁体，尺寸精度高，一般勿需二 次加工；3、机械强度高，可进行机械加工；4、易于生产复合元件，可将永磁、软磁、结构件、导 电体、导热体等成型为一个整体；5、便于按需要调整成分、性能，特别可作内禀温度补 偿；6、电阻率高，适用于高频场合；7、磁性能中等，介于烧结铁氧体永磁和烧结稀土永磁之间。第99页/共113页（二）、粘结稀土永磁的制造工艺1、稀土永磁

48、粉末的制备2、粘结剂3、磁场成型（三）、粘结稀土永磁的性能 主要决定于粉末的性能，其机械特性及抗 氧化、抗腐蚀、热稳定性等，与粘结剂有 密切关系。第100页/共113页第三篇 非晶态磁性合金概述非晶态合金的制备与结构非晶态磁性合金与应用第101页/共113页概概 述述与晶态材料比两个最基本的区别原子排布不具有周期性热力学亚稳态新的概念注重研究体系的局部特性研究新的局域化本征态建立新的理论方法重视亚稳态特性分类TM-M型非晶态合金RE-TM型非晶态合金TM-TM型非晶态合金第102页/共113页非晶态合金的制备与结构非晶态合金的制备与结构1.非晶态材料的特性2.非晶态材料的制备工艺3.非晶态材料

49、的结构及其特性第103页/共113页非晶态材料的特性非晶态材料的特性非晶合金可形成一系列优良的软磁材料，用作变压器铁芯、开关电源磁芯磁记录材料、磁性传感器、磁屏蔽与电机材料等方面非晶材料抗化学腐蚀的能力强非晶材料抗射线及中子等辐辐射能力强非晶材料具有特别好的机械性能BACK第104页/共113页非晶材料的制备非晶材料的制备 非晶态形成的判据戴维斯判据尼尔森判据制备方法气相沉积法液相急冷法高能离子注入法第105页/共113页戴维斯判据戴维斯判据设合金的熔点为Tm，混合熔点为Tm，定义J=（Tm-Tm）/Tm为熔点的相对偏移，则戴维斯判据可叙述为：当J0.2时，合金可在105107K.S-1下形成

50、非晶态合金。混合熔点 Tm 可表示为：Tm=TTM.XTM+TM.XMmm过渡金属熔点类金属熔点过渡金属的原子百分数类金属的原子百分数第106页/共113页尼尔森判据定义合金的升华焓:非晶态转变温度Tg是升华焓的函数,则尼尔森判据可表达为:0XM0.40 及 Tg/Tm0.5 时 可形成非晶合金第107页/共113页制备方法气体液体非晶体晶体平衡132BACK第108页/共113页非晶材料的结构及其特性研究非晶结构常用的方法：实验测量和模型研究实验测量：确定是否为非晶结构；肯定短程 序是否存在及其差别模型研究：确定一种可能的原子排布一、非晶结构的实验特性二、磁性非晶合金的结构模型第109页/共