钕铁硼磁材知识

钕铁硼磁材知识

内容:

第一章 磁物理基础

第二章

第三章

第四章

第五章

第六章

第七章

第八章

第九章

磁性材料的发展概况 钕铁硼的主要特点及应用 钕铁硼的主要成份组成 钕铁硼生产工艺及设备 性能参数测量原理及设备 机械加工工艺及设备 表面处理工艺及设备 充磁包装

第一章 磁物理基础

1 物质的磁现象

磁性材料:magnetic material

钕铁硼磁铁:nd-fe-b magnet

铁氧体磁铁:ferrite magnet

牛磁棒:magnetic bar for cattle?

磁力架:magnetic separator

物质的磁性是一个历史悠久的研究领域, 约在三千年前就已受到人们的注意。中国是最早应用磁性的国家，公元前四世纪，我国制成了世界上最早的指南针，成为中国的四大发明之一。磁学史上第一部关于磁性的专著是英国(WGilbert)吉耳伯特的《论磁石》（1600年），这本书介绍了那时书籍有关的磁性知识。然而，磁性作为一门科学却到19世纪前半期才开始发展。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应，拉开了磁电之间联系的序幕；

1820年末，法国物理学安培证明通电圆形线圈和普通的磁铁一样具有吸引和排斥的现象。

1831年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，并提出电磁感应定律，从而揭示电和磁之间的内在联系；

后来，苏格兰科学家麦克斯韦，将电磁的联系建立起严密的电磁场理论。他发展了法拉第的思想，用数学的形式总结出电场和磁场的联系，即麦克斯韦方程。 2 磁性的起源

物质的磁性起源于原子磁矩。

原子物理学告诉我们，组成物质的最小单元是原子，原子又由电子和原子核组成。电子的排布遵循三大原则：1 洪特规则，2泡利不相容规则，3 能量最低原理。原子中的电子绕着原子核进行高速运转，电子运转时同时有两种运动形式，即电子绕原子核的轨道运动和电子绕本身轴的旋转。前者叫电子轨道运动，后者叫电子自旋。处于旋转运动状态的电子相当于电流闭合回路，必然伴随有磁矩的发生，电子轨道和电子自旋产生的总磁矩称为原子磁矩。

3 主要磁物理参数

3.1 磁特性参数

⑴ 剩磁(Br)：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，该值即称为该材料剩余磁感应强度Br ，统称剩磁。

Br=Jr=A(1-β)d/d0cosφ

A ： 正向畴的体积分数

(1-β) ： 主相Nd2Fe14B 的体积分数

d/d0： 烧结磁体的实际密度和理论密度的比值

cos φ：Nd2Fe14B 晶粒C 轴沿取向方向的取向因子(取向度)

Js ： Nd2Fe14B 单晶的饱和磁化强度

⑵ 磁感应强度(B)：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B=H+J， 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。

⑶ 磁场强度(H)：表示磁场强弱的物理量，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 。

永磁材料用作磁场源和磁力源，主要利用它在气隙中产生的磁场。

Hg=(BmHm*Vm/μ0Vg) 1/2磁铁在气隙中产生的磁场强度H 除了与Vm 、Vg 有关外，主要取决于磁体内部的磁能积。

⑷磁能积(BH)max：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。

理论最大磁能积(BH)max=1/4（μ0Js ）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。

⑸矫顽力(bHc)：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. 2

⑹内禀矫顽力(jHc)：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 。

⑺ Hk:在退磁曲线中0.9Br 所对应的内禀矫顽力的数值

方形度: Hk/jHc

⑻ 磁矩:Φ*C

⑼ 磁化率Х=M/H 磁导率=B/H

⑽ 磁力线:处处与磁感应强度方向相切的线，磁感应强度方向与磁力线的方向相同，其大小和磁力线的密度成正比。

3.2 温度特性参数

① 居里温度(Tc) ：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。

② 磁体的可工作温度(Tw)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 。

③ 温度系数

剩磁温度系数а=ΔB/ΔT (%/℃)

内禀矫顽力β=ΔH /ΔT(%/℃)

例如：已知一产品20℃时的剩磁为1.207T ，内禀矫顽力为30kOe ，120℃时内禀矫顽力为18.7 kOe， 150℃时的剩磁为1.063T, 求此产品在（20℃-150℃）剩磁温度系数，（20℃-120℃）内禀矫顽力温度系数。

计算：利用剩磁温度系数公式а=ΔB/ΔT (%/℃)

а=(1.063-1.207)/1.207*(150-20)×100%=-0.092%/℃

利用内禀顽力温度系数公式β=ΔH /ΔT(%/℃)

β=（18.7-30.0）/30*(120-20) ×100%=-0.377%/℃

我司温度系数标准：

а：-0.09-0.13%/℃

β：-0.50-0.80%/℃

④ 其它参数

膨胀系数：/℃

热导率：W.(m. ℃) -1

比热容:kJ.(kg. ℃) -1

3.3 其它特性参数

抗压强度：MPa

抗拉强度：MPa

密度：g/cm3

硬度：HV

电阻率：Ω.cm

杨氏模量：N.cm-3

3.4 磁滞回线

当H 从正的最大变化到负的最大, 再回到正的最大时,B-H 或M-H 形成了一条闭合曲线, 这条闭合曲线叫磁滞回线。

磁滞回线的几点说明：

磁感应强度B 和H 之间的关系称正常曲线，B=J+H

内禀磁化强度J 和H 之间关系称为本征曲线

通常用磁滞回线第二象限来分析永磁体的性能，本征曲线

正常曲线都是适用的。

比Br 低的退磁曲线上的某一点，称为工作点；连接工作点和原点之间的直线称为负载线，表示为Bd/Hd。

3.4 单位换算：

第二章 磁材的发展概况

磁性材料及其应用已为人所知上千年之久，最早的磁性材料历史记载了能够显出很强磁力的天然磁石。例如，约在2000多年前，我国古代人民就使用天然

磁石（主要成份为Fe 3O 4）制做指南针。永磁材料的迅猛发展起始于19世纪末，其主要历程如下：

公元前3——4世纪——最早的记载：“磁石取针”，“磁石召铁”的记载（中国） 战国（公元前2500年）——司南

宋代——罗盘，航海的发展提供了关键技术

1900年代——钨钢制成。

1930年代——铝镍钴(铸造铝镍钴, 烧结铝镍钴)

1950年代——铁氧体:钡铁氧体(Bao.6Fe2O 3) 、锶铁氧体(Sro.6Fe2O 3) 、粘结铁氧体永磁

Br:0.3-0.44 Hcj:3.14-4.39 (BH)max:3.14-4.52 Tc:450℃

1960年代——1:5型SmCo 5钐钴，第一代稀土永磁

Br:0.9-1.0 Hcj:13.82-19.34 (BH)max:3.14-4.52 Tc:450℃

1970年代——2：17型Sm 2Co 17钐钴，第二代稀土永磁

Br:0.3-0.44 Hcj:3.14-4.39 (BH)max:3.14-4.52 Tc:450℃

1983年——钕铁硼，第三代稀土永磁，磁能积理论值为509kJ/m3(64MGOe)。 2 磁性材料的主要分类:

金属磁性材料分为硬磁材料、软磁材料二大类。通常将内禀矫顽力大于10kA/m（10Oe ）的材料称为永磁材料，将内禀矫顽力小于0.8kA/m（10Oe ）的材料称为软磁材料。记录介质介于硬磁和软磁之间。

3 铝镍钴的主要特点及应用

⑴ ▲强度高，抗腐蚀能力强；

▲ 成份均匀，磁特性优秀；

▲良好的温度稳定性（Br 的温度系数是各类永磁材料中最小的）；

▲最高使用温度达到500℃；

▲烧结磁体可制造体积小，形状复杂的磁体和复合磁体。

⑵ 铝镍钴主要工艺流程:

铸造铝镍钴:砂模制作+熔炼浇铸+热处理+磨削加工+检验包装

烧结铝镍钴:粉料配比搅拌+压制成型+烧结+热处理+磨削加工+检验包装 ⑶ 铝镍钴的主要系列

AlNiCo5系列: Br:0.7-1.32 Hcj:0.50-0.74 (BH)max:1.13-7.03 Tc:890℃ AlNiCo8系列: Br:0.8-1.05 Hcj:1.38-2.01 (BH)max:5.02-9.0 Tc:860℃ ⑷ 主要应用

▲ 内磁式电压电流表、电子式电能表、万用表、流量计等；

▲各类磁性传感器、极化继电器、温度和压力控制器；

▲移动电话蜂鸣器、助听器、受话器、微型扬声器；

▲汽车点火启动器、汽车和摩托车里程表、永磁电机、吸附器件等； ▲广泛应用于要求稳定性高的航空、航天、军事装置等领域

第三章 钕铁硼的主要特点及主要应用

①主要特点：

②主要应用

钕铁硼磁体可广泛应用于电动机、发动机、音圈马达、磁共振成像仪、通讯、控制仪表、音响设备等方面。电声音响占32%，磁化器占21%，电机和传感器占31%，磁联轴及磁选机占9%，音圈马达及电度表占5%，其他为2%。其最主要的应用领域是VCM(音圈马达) ，目前国外生产的烧结钕铁硼磁体约有一半用于VCM 。除VCM 以外，应用较多的领域是电动机和发电机，随着汽车工业的发展，今后这一领域对钕铁硼磁体的需求量将有较大增长。稀土永磁电机市场潜力大，是国内尚未充分开发的巨大领域。目前稀土永磁电机约有200万kW ，只相当于各类电机总容量4亿kW 的0.5%。若用稀土高效节电机替代老式J-JO 及J2-JO2系列电机的50%，即1亿kW ，则约需高性能烧结钕铁硼磁体5万吨。使用稀土永磁高效电机可节能15%～20%，减轻电机重量20%以上。稀土永磁高效电机已列为科技部" 稀土应用工程" 重点项目

粘结钕铁硼永磁材料的生产及应用开发较晚，应用面不广，用量较小，主要用于办公室自动化设备、电装机械、视听设备、仪器仪表、小型马达和计量机械方面。近年我国粘结钕铁硼永磁材料的应用比例为：计算机占62%，电子工业占7%，办公室自动化设备占8%，汽车占7%，器具占7%，其他占9%。

第四章 钕铁硼的生产工艺和设备

6 性能的检测方法和设备

① 退磁曲线：常温、变温。

② 磁通量：B*S，单位为Wb 或Vs 。

③ 表磁：磁体的表面磁场强度. 中心、四角、两极，单位为Gs 。

④ 磁矩: m.l

6.1 化学特性及各项试验条件

钕铁硼主要镀层：Ni 黑Ni NiCuNi Zn 彩Zn Sn 环氧 磷化 失重实验：2-3个大气压，100%的湿度，温度为120℃。

PCT 镀层试验：2-3个大气压，100%的湿度，温度为120℃。

盐雾腐蚀：5%的NACL ，PH 值为6.2-7.0，温度为35℃。

6.3 其它特性：

抗压强度:

抗拉强度:

密度硬度:

7 钕铁硼发展的未来

3 磁体的主要分类:

3 钕铁硼磁体的主要应用

4 钕铁硼的性能特性

5 钕铁硼的毛坯生产工艺

5.1 传统工艺

熔炼铸锭+机械破碎+气流磨+成型取向+等静压+烧结时效+性能测试+机械加工+表面处理+包装检验.

5.2 先进工艺

熔炼铸片+氢破碎+气流磨+成型取向+等静压+烧结时效+性能测试+机械加工+表面处理+包装检验.

6 深加工工艺流程

6.1 工艺路线：磁体毛坯----外轮廓精整----切割----精磨----倒角----电镀----检验、测试----成品

6.2 工艺介绍：

磁体的外轮廓精整一般用无心磨床（圆柱形磁体）或平面磨床（方形磁体）完成，使毛坯磁体具有规整的外轮廓度并达到规定的几何尺寸；

切割工序是用金刚石内圆切片机或线切割机，将精整后的毛坯磁体切割成接近成品的形状和尺寸；

精磨工序是将切割好的磁体用平面磨床、双面磨床或其它磨床将磁体的尺寸、形位公差加工到成品所规定的要求；

倒角是电镀前的预处理工序，为减缓在电镀过程中磁体棱边因电流密度相对集中而造成的镀层厚度不均匀。由于通常的烧结Nd-Fe-B 成品磁体尺寸小、形状不一，因此采用自由滚磨光整工艺最为适合该产品的大批量倒角加工。自由滚磨光整技术有：振动式滚磨光整、涡流式滚磨光整、离心式滚磨光整、主轴式滚磨光整等多种方法。其中，振动式滚磨光整生产效率高、倒角速度快，已广泛为烧结Nd-Fe-B 磁体深加工厂家所采用；

电镀是为了在磁体表面形成对磁体的保护层，通常采用自由滚镀工艺来实现，对于尺寸较大的磁体，则采用挂镀工艺。烧结Nd-Fe-B 磁体的镀层视磁体的使用环境和外观要求分镀Ni 、镀Zn 、磷化、电泳、合金镀、复合镀等。

烧结Nd-Fe-B 磁体的表面保护层除电镀外，还有物理气相沉积(PVD)法，物理气相沉积又分蒸发镀、溅射镀、离子镀三类，可形成Al 、Zn 、Cr 等镀层；化学气相沉积(CVD)则可形成Ti 、Cr 等的氮化物、碳化物镀层。此外，烧结Nd-Fe-B 磁体还可以用表面化学钝化、化学镀、热浸渍、热喷涂等方法获得各种不同的表面保护层。

检验、测试工序是对磁体成品的尺寸和形位公差、外观状态、镀层耐蚀性、磁性能等产品规定的各项指标进行检测。

烧结Nd-Fe-B 磁体电镀的基本工艺大致可分为如下三个阶段：

a. 镀前表面处理

磁体镀前要进行除油、清洗、浸蚀（活化）、再清洗等表面处理，电镀前磁体的表面要做到无油污、无氧化皮及锈蚀物等，镀前磁体的表面状况直接影响产品的镀层质量。

b. 电镀

经表面处理后的磁体进行电镀时，镀层质量的好坏主要取决于镀液配方和操作条件等因素。因此，在电镀操作过程中必须严格遵守工艺规范，控制好镀液成分、添加剂配比、工作温度、电流密度等参数，并根据镀层厚度要求和沉积速度，控制好电镀时间。

c. 镀后处理

镀后处理也是电镀中的一个重要环节。例如，磁体在电镀后一般要进行中和处理和清洗，有时还要进行光泽处理（出光）、钝化、有机物涂覆等处理以满足产品的特殊要求