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1、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 S
2、rM 6. 1968 年，荷兰 Philips 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
3、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 （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
4、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）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
5、 - 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。24.什么叫磁极化强度(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
6、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 （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
7、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，
8、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
9、不同。 3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
10、 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 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
11、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
12、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 在数值上是矫顽力 bHc 的理论极4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 。
13、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
14、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 Hm 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
15、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
16、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
