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1、磁 性 材 料,1 磁性材料分类,按矫顽力分类,软磁材料,半硬磁材料,硬（永）磁材料,Hc100A/m(1.25 Oe),Hc:1001000A/m(1.2512.5Oe),Hc1000A/m(12.5Oe),按用途分类,铁芯材料,磁记录材料,磁头材料,磁致伸缩材料,磁屏蔽材料,变压器、继电器,录音机,通讯仪器、电器,磁带、磁盘,传感器,主要磁性材料分类,2 软磁材料,用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、
2、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。,2.1 铁芯材料,用途：变压器、电机与继电器的铁(磁)心。要求：低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。主要材料：高磁饱和材料(Bs为2T左右)，如工业纯铁、电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁钴合金；中磁饱和中导磁材料；高导磁材料如坡莫合金等；恒磁导率材料；以及铁粉心型材料与氧化物粉心材料等,（一）工业纯铁资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元
3、件等。,工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能,人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温100小时的人工时效处理。或选择低时效敏感性的材料。,纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130附近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N，逐渐形成铁的氮化物所致。,纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。,（二）电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）,铁中加Si的作用：可提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si
4、加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数含Si量的增大会使材料变脆。,电工硅钢片中Si的含量在0.54.8%Si。1903年开始投入实际生产，用量极大。主要用于制造大电流、频率50400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等；,与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.020.05mm。冷轧硅钢的
5、含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。,电工硅钢片,热轧硅钢片（DR）,冷轧无取向硅钢片（DW）,冷轧单取向硅钢片（DQ）,电讯用冷轧单取向硅钢片（DG）,中国2002年底停止生产,在冷轧单取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成高斯(GOSS)织构，如图3-16示意，晶体的(110)面与轧制平面平行，易磁化的001轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的是难磁化的110轴。最难磁化的111轴与轧制方向成54.79角。,冷轧单取向硅钢的晶粒取向,单取向硅钢的优点：磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高导磁与低损耗特性。取向钢带在轧
6、制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率比约为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。,织构取向度的影响：取向度7o加微量Al等、形成AlN,可使范围减小，取向度3o,去应力退火处理：用硅钢片制成的电磁元件成型之后，应消除应力（800850，保温515min），恢复材料磁性,纯铁中加入钴后，Bs明显提高，含钴35%的铁钴合金的Bs达2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。国外牌号为Permendur。在合金中加入少量的V和Cr可显著提高其电阻率。实际应用的铁钴合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.
7、7V1.3合金的国内牌号为1J22，国外牌号为V-Permendur。,铁钴合金具有高的磁导和的Bs，适用于小型化、轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备，制造电磁铁极头和高级耳膜震动片等。但电阻率偏低，不适于高频场合的应用。但价格昂贵。,（三）铁钴合金,随Ni含量的增加，Fe-Ni合金的m增加、Bs下降。当Ni量接近80%时，Fe-Ni合金的K1和同时变为零，能获得高的磁导率。含w(Ni)3580%的Fe-Ni合金称为坡莫合金。根据Ni含量对合金磁性能的影响，Fe-Ni合金分为高导磁、恒导磁率、中磁饱和中磁导率材料等。,（四）Fe-Ni合金(坡莫合金，Permalloy),使用过程
8、中应避免冲击、振动及其它力的作用。,坡莫合金的热处理,避免超结构相Ni3Fe形成,NiFe在600以下的冷却过程中发生有序化转变形成Ni3Fe；不利于磁性能。,解决办法：600后急冷,易变形对应力敏感,加工后须退火12001300，保温3h并缓冷至600,主要是高镍含量的铁镍合金。我国的高镍高导磁合金有六个牌号:1J76、1J77、1J79、1J80、1J85和1J86，镍含量76%86%。其基本性能：m 125-187mH/m,Hc 1.4-3.2A/m,Bs 0.6-0.75T,55-6210-8m,高导磁合金,在弱场下具有很高的初始磁导率和最大磁导率，有较高的电阻率，因而适合在交流弱磁场
9、中使用，如各种音频变压器、互感器、磁放大器、音频磁头、精密电表中的动片与静片等。主要用于收音机、电视机和通讯器材等。,恒导磁率合金,成分范围：含Ni5575%的铁镍合金，国产恒导磁率合金牌号为1J66(Fe-w(Ni)65%)，,主要用途：恒电感器，也可用于单极脉冲变压器。,中磁饱和中磁导率合金,成分：低镍和中镍的铁镍合金，1J46、1J50和1J54,（五）粉心材料,减少高频下的损耗,涡流损耗还与材料厚度的平方成正比,高频下的损耗,磁致损耗与频率成正比,涡流损耗与频率的平方成正比,主要问题,解决办法,减小铁芯材料（Si钢片）的厚度,有一定限度100KHz。,将磁性材料制成粉末，在粉末颗粒之间
10、加上绝缘物质，用压缩成型的办法制成磁心，使用频率可以提高到几百MHz。,粉心型材料,铁粉心材料包括羰基铁粉、MoNiFe合金粉、FeAlSi粉等。在高温高压下，使Fe和CO发生反应，可以制成羰基铁Fe2(CO)5，然后在350使其分解，可以得到尺寸均匀的球状纯铁颗粒；混以适当的绝缘剂并压制成型，可作相对初始磁导率为520的高频低磁导率的铁心使用。在含钼坡莫合金的基础上加入百分之几的硫，使之脆化，然后用机械粉碎法制成MoNiFe合金粉末，与绝缘剂混合后压制成铁心。氧化物粉心材料主要有Mn-Zn、Ni-Zn系复合铁氧体。Mn-Zn系使用频率。粉末尺寸：10 mm量级,粉芯产品示例,2.2 磁记录材
11、料,（一）磁记录介质材料,要求:材料具有高的剩余磁化强度、陡的B-H曲线、大的B/H值、微细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。,用途：磁带，磁盘等,记录方式：纵向记录；垂直记录,记录介质材料：磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质,主要采用的磁记录介质,主要磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、铁硅铝合金和高导磁铁氧体材料。,（二）磁头材料,用途：从磁记录介质中读出信号,要求：高磁导率、低矫顽力和高电阻率之外，还要求高的耐磨性和低应力敏感性。,A,巨磁阻硬盘磁头,（一）磁致伸缩材料利用磁致伸缩现象，可将电震荡转变成超声波振动；因此磁致伸缩材料主要用于
12、超声波发生器的振子(铁心)。此类材料主要包括纯镍(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金(1J13)、Fe49Co49V2(1J22)、Fe-w(Ni)50%(1J50)。(二)磁屏蔽材料在一些场合，如小型通讯机和电子仪器中，各种线圈或变压器装配位置紧密，必须进行电磁屏蔽。常用的磁屏蔽材料有纯铁、坡莫合金或铁硅铝合金，非晶态合金。,2.3 其它软磁材料,（三）磁流体在连动系统机械中，为了控制机械部件的相互连接，通常使用磁性离合器。磁流体是将羰基铁或四氧化三铁磁性粉末分散在矿物油或硅油中的一种材料。当加上磁场时，使磁性粉末磁力线方向上连续排列起来，使表观粘度增高，从而实现百分之百的连
13、接。不加磁场时磁流体材料的粘度应很小，加上磁场时其粘度应明显提高；取消磁场时其剩磁要低、恢复到低粘性的初始状态。磁流体中磁粉与机油的比例一般为4:1，与硅油的比例为8:1。,2.4 非晶态、微晶与纳米晶软磁合金,非晶态金属（金属玻璃）：当液态金属凝固的冷却速率高于一临界值时，晶体的形核与生长被抑制，形成原子排列为短程有序而长程无序的固态结构。,（一）非晶态合金,非晶态软磁合金分类:(1)过渡金属-类金属系(TM-M)，其中Fe，Ni，Co等磁性元素一般占7084%，类金属元素B，Si，C，P占1630%；(2)稀土-过渡金属系(RE-TM)；(3)过渡金属-金属系(TM-MT)，其中Fe，Ni
14、，Co等过渡元素含量约90%，金属元素Zr，Hf等约10%。也可按主要成分将其分为铁基、钴基和铁镍基合金等。还可按磁性分为高饱和磁感和高磁导率两类。,铁基非晶合金的种类：主要有Fe-B、Fe-B-C、Fe-B-Si、Fe-B-Si-C和Fe-Co-B-Si五个系列，以及添加Mn、Mo、Cr、Al、Nb元素合金化发展的新合金系列。用途：对应于硅钢和中镍含量的铁镍合金，主要用于功率器件如配电变压器、电力变压器、电动机等。从使用的角度出发，性能特点：矫顽力低、磁导率高，电阻率是硅钢的三倍左右，铁损仅为取向硅钢的四分之一，为无取向硅钢的十分之一，激磁功率一般仅为取向硅钢的十分之一，对于节约能源具有相当
15、重要的意义。不足之处在于饱和磁感应强度低于硅钢，带材较薄因而填充系数较低，存在退火脆化问题及成本偏高等。,钴基非晶态合金：主要包括Co-Fe、Co-Mn和Co-Fe-Ni。具有很高的磁导率、很低的矫顽力和损耗、良好的高频性能，适于制作电子变压器、磁记录头、磁放大器等电子元件；主要性能特点和应用范围同高镍坡莫合金相对应。铁镍基合金：性能介于铁基和钴基合金之间的一个系列。此类材料的饱和磁感、动态磁导率、矫顽力、损耗等性能高于铁基而低于钴基非晶态合金。在价格方面也介于铁基与钴基合金之间。此类合金的成分范围很宽，在性能上可以与坡莫合金相比。,(二)快淬微晶与超微晶合金,3 永磁材料,主要用途：提供永磁
16、场,主要种类：铝镍钴系永磁合金、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金、稀土永磁材料和复合粘结永磁材料。,主要性能要求：高的磁能积，高的轿顽力，高的居里点，高稳定性，好的经济性。,汽车上使用永磁材料的部件,烧结铁氧体产品,3.1 永磁材料主要永磁材料,（一）铝镍钴系合金,成分特点：Fe、Ni、Al等元素为主要成分，并加入Cu、Co和Ti等元素进一步提高合金性能。包括铝镍型、铝镍钴型和铝镍钴钛型三种。其中又有各向同性合金、磁场取向合金和定向结晶合金。,制备方法：铸造磁钢与烧结磁钢，铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点。绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生产。,性能特点：高剩磁与低温度系数，最大磁能
17、积仅低于稀土永磁。Tc：757907、(BH)max约为1672 kJ/m3,Br：0.781.30T,HCB：52112 kA/m。,（二）永磁铁氧体主要种类：钡铁氧体(BaO6Fe2O3)和锶铁氧体(SrO6Fe2O3)。晶体结构均属六角晶系。制备方法：以Fe2O3、BaCO3和SrCO3为原料，经混合、预烧、球磨、压制成型、烧结制成。根据成型过程中加磁场与否，烧结铁氧体材料可制成各向同性磁体和各向异性磁体。各向异性磁体是在压制成型过程中加上强磁场，使铁氧体的单畴粒子在磁场下转动，得到易磁化轴与磁场方向一致的强各向异性磁体。此类材料具有高的磁晶各向异性常数。,性能特点：Tc：450460，
18、具有高矫顽力和低剩磁，但剩磁和最大磁能积偏低,其剩磁温度系数是铝镍钴磁体的10倍，不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用，是目前产量和产值最高的永磁材料。,（三）铁铬钴系合金成分特点：以铁、铬（23.527.5%）、钴（11.521.0%）为主；加入适量硅、钼、钛。此类合金可以通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。制备方法：定向凝固+磁场处理(结晶与磁双重织构)，以及塑性变形与适当热处理的方法(形变时效)显著提高合金性能。性能特点：高剩磁Br 1.53T，Hc 66.5KA/m，(B
19、H)max 76kJ/m3。,二十世纪八十年代称为第三代稀土永磁材料。,稀土永磁合金,Re-Co永磁稀土Co永磁,铁基稀土永磁型Nd2Fe14B合金为代表的Re-Fe-B系永磁材料,1:5型Re-Co磁体SmCo5单相与多相合金,第一代稀土永磁；二十世纪六十年代,2:17型Re-Co磁体Sm2Co17基合金,二十世纪七十年代;第二代稀土永磁,各类稀土永磁材料的性能比较,SmCo5化合物理论磁能积为244.9kJ/m3。采用强磁场取向等静压和低氧工艺，SmCo5的(BH)max达227.6kJ/m3、居里温度为740，可在-50150的温度范围内工作，是一种较为理想的永磁体，其缺点是含有较多的战
20、略金属钴(w(Co)66%)和蕴藏量稀少的稀土金属元素Sm。原材料昂贵，受到资源与价格的限制。,用Pr、Ce或Mm(混合稀土)取代部分Sm，可适当降低成本，(SmPr)Co5磁体的磁能积最高可达到219.7kJ/m3。Ce(Co,Cu,Fe)5，MmCo5磁体的(BH)max=120kJ/m3。,着Fe含量的增多，内禀饱和磁化强度迅速提高,以Sm2Co17型化合物为基的ReCo17型永磁材料,Sm-Co-Cu系,Sm-Co-Cu-Fe系,Sm-Co-Cu-Fe-M系(M=Zr,Ti,Hf,Ni),加入少量的Zr,Ti,Hf,Ni等元素，进一步提高磁性能,商业化材料,Nd-Fe-B系合金是以Nd
21、2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能永磁材料。自1983年问世以来发展极为迅速，目前此类材料磁性已达如下的水平：最大磁能积407.6 kJ/m3，矫顽力2244.7kA/m。是迄今为止磁性能最高的永磁材料，被誉为“磁王”。Nd-Fe-B系合金的另外一个最大的优点是原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴合金的50%左右。,目前工业上广泛应用的Nd-Fe-B系永磁体包括烧结磁体、热压磁体、铸造磁体、粘结磁体和注塑磁体等。但其剩磁温度系数较高仍难以取代AlNiCo和Re-Co合金，且易于腐蚀需表面处理。,3.2 永磁材料制备技术,不足之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。,永磁体的制备
22、方法主要包括铸造法、粉末冶金(烧结)法和粘结法,真空熔炼,制粉(单畴粒子)铸锭破碎磨粉,粉末磁场取向与成型,平行取向垂直取向,烧结（磁场下）,热处理、磁体加工,烧结磁体元件,烧结法,烧结NdFeB,粘结法：,磁粉与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂混合,压制、挤出或注射成型，固化,粘结磁体,性能特点：,尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、易于调整磁性能、易于批量生产,施加取向磁场,各向异性粘结磁体,粘结磁体的磁性能：取决于磁粉的性能和磁体的相对 密度。粘结磁体的力学性能：取决于粘结剂的性质与粘结工 艺。,铁氧体磁粉：,磁粉：,Nd-Fe-B磁粉：,熔体急冷(RQ),氢化(HDDR)、机械合金化(MA),普遍采用,纳米复合磁粉：,纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间的交换耦合作用，使剩磁和最大磁能积明显增大。,纳米复合磁体：NdFeB/-Fe、SmFeN/-Fe磁体,粘结磁体中产量最大的一种约占永磁材料总产量的810%；,Since 1988,2023/3/24,2023/3/24,
