永磁材料
永磁材料又称硬磁材料,是指磁化后撤销外磁场仍能保持恒定磁性,且矫顽力较高不易退磁的材料。永磁材料作为一种重要的基础性磁性功能材料,应用领域非常广阔。按照原料的不同主要分为稀土永磁材料、铁氧体永磁材料、金属永磁材料和复合永磁材料四类。
稀土永磁材料
1942-1945年,“曼哈顿工程”使稀土金属的化学分离技术得到长足发展。1946-1952年稀土金属的研究突飞猛进,并对不同的稀土元素对合金钢的组织及机械性能影响的研究不断深入,于是稀土被应用到永磁材料中。迄今为止,稀土永磁材料已经历第1代SmCo5,第2代沉淀硬化型Sm2Co17,发展到第3代Nd-Fe-B永磁材料。
第1代稀土永磁SmCo5合金,具有CaCu5型晶体六角结构,该结构使SmCo5化合物有较高的磁晶各向异性,沿c轴是易磁化方向。SmCo5具有很高的磁晶各向异性常数,其理论磁能积可达244.9 kJ/m3。其研究始于1959年,美国贝尔实验室的Nesbitt对稀土-钴(R-Co)金属间化合物磁性能进行研究,主要是研究测量GdCo5磁性情况。1960年,美国海军奥德南斯实验室的Hubbard等人,发现GdCo5具有较强的磁晶各向异性。1967年,美国Dayton大学的Strnat等人,采用粉末冶金法制作出第1块YCo5永磁体,最大磁能积为1 MGOe。之后,他们又用同样的方法制备了SmCo5磁体,磁能积达到5.1 MGOe,标志着稀土永磁时代的开启。1968年,荷兰菲利普的Vege和Buschow等人制备出最大磁能积高达18.5 MGOe的SmCo5磁体,矫顽力为15.8 kOe,刷新了当时永磁材料磁能积的记录。20世纪70年代,SmCo5永磁体已经实现商品化,因其含较多战略金属钴和储量较少的稀土金属钐,原材料价格昂贵,故发展前景受限。
第2代稀土永磁Sm2Co17合金,在高温下是稳定的Th2Ni17型六角结构,在低温下为Th2Zn17型的菱方结构。Sm2Co17是很理想的永磁材料,铁部分取代Sm2Co17化合物中的钴,所形成Sm2(Co1-xFex)17合金的磁化强度提高。当x=0.7时,Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的理论最大磁能积可达525.4 kJ/m3。1977年,Ojima等人用粉末冶金法研制Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2永磁体,其最大磁能积(BH)max =238.8 kJ/m3(30 MGOe),这标志着第2代稀土永磁材料的诞生。目前,Sm(Co,Cu,Fe,Zr)7.2永磁体的最高磁能积已达到264 kJ/m3(33 MGOe)。基于其独特的优良的磁稳定性、高温磁性能、优异的抗氧化及抗腐蚀性,仍被广泛应用于航空航天、国防军工、高端电机等领域。
第3代稀土永磁钕铁硼(NdFeB)合金,是稀土铁系永磁材料的领跑者。1982年日本和美国共同研发的,1983年实现工业化批量生产。其主要成份由稀土元素如钕(Nd) 、铁元素(Fe) 和硼元素(B)构成,稀土元素约占25%~35%,铁元素约占65%~75%,硼元素约占1%。其分子式为Nd2Fe14B ,可根据实际需求改变其配比或添加其他元素来改善其性能。钕铁硼是目前世界上磁能积最高的永磁材料,被誉为“现代永磁之王”。钕铁硼稀土永磁体诞生,是永磁材料领域一次革命性的变革,具有划时代的意义。
1、钕铁硼永磁材料是目前应用最广、性价比最高的稀土永磁材料,是继铁氧体后第二大用量的永磁材料,它的出现也是永磁体材料发展史上的重要里程碑。
2、钕铁硼是目前应用广泛,发展迅速的磁铁产品。钕铁硼从发明到现在的广泛应用,也不过20多年的时间。由于其拥有的高磁性能和易加工性,价格不是很高,因此应用领域扩大迅速。
3、钕铁硼非常容易被腐蚀。因此,成品大多要进行电镀或者涂装。常规采用的表面处理包括:镀镍(镍铜镍),镀锌,镀铝,电泳等。如果工作在密闭环境里,也可以采用磷化的方式。由于钕铁硼的高磁性能,在很多场合,被用来替代其他磁性材料,用以减小产品体积。假如用铁氧体磁铁,现在的手机尺寸,恐怕不会小于半块砖头。
铁氧体永磁材料
1、铁氧体是一种非金属磁性材料,又称磁性陶瓷,是以氧化锶或氧化钡及三氧化二铁为原料,通过陶瓷工艺方法制造而成。我们拆开传统收音机,里面的那个喇叭磁铁,就是铁氧体的。
2、铁氧体的磁性能不高,目前磁能积(衡量磁铁性能高低的参数之一)只能做到4MGOe稍微高一些。由于其原料价格便宜且生产工艺相对简单,永磁铁氧体价格较其它永磁材料而言相对低廉。目前,仍然广泛应用在很多领域。
3、铁氧体是陶瓷,因此,加工性能也与陶瓷类似,铁氧体磁铁,都是模具成形,烧结出来的,若需加工,也只有进行简单的磨削。由于很难进行机械加工,因此铁氧体产品,大多形状简单,而且尺寸公差比较大。方块形状产品还好,可以进行磨削。圆环形的,一般只磨削两个平面。其他尺寸公差,都是按照名义尺寸的百分比给定的。
4、由于铁氧体应用广泛价格低廉,因此,很多厂家会有现成的常规形状和尺寸的圆环,方块等产品可供选择。由于铁氧体是陶瓷材质,因此基本不存在腐蚀问题。成品不需要进行电镀等表面处理或者涂装。
金属永磁材料
泛指金属Fe基和Co基(不包括稀土金属)合金磁体,如铝镍钴AlNiCo、铁铬钴FeCrCo等。铝镍钴以铁、镍、铝元素为主要成分,还含有铜、钴、钛等元素,具有高剩磁和低温度系数,磁性稳定;分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪30~60年代应用较多,现多用于仪表工业中制造磁电仪表、流量计、微特电机、继电器等。
铁铬钴以铁、铬、钴元素为主要成分,还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好,并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。
不同种类的永磁材料在磁性能、物理性能和化学性能等方面差异很大,采购时需根据材料的使用场景、性能要求和环境要求、成本要求等因素来综合判断选用那种材料。由于性能上的较大差异,永磁材料之间的可替代性不高,不同的材料应用领域不尽相同。
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