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永磁合金,是指適合於製造永磁體用的硬磁性合金。

1 永磁合金 -永磁合金(permanent magnetic alloy)

定義

  經充磁后,在撤掉外磁場時仍能保留較高剩磁的磁性合金。永磁合金不但具有高的硬度和力學性能,還具備較強的抗去磁能力、矯頑力值高(大於20kA/m)、磁性「硬」等特點,因而又稱硬磁合金。筒史

  自然界存在的天然磁石和永磁現象很早就在中國被發現。據考證,中國在戰國時期已有用天然磁鐵礦琢磨成的指南針,稱「司南」,最早記載於公元前3世紀韓非子的《有度篇》。一般認為,現代永磁合金的發展歷史始於1880年,當時最好的永磁合金是含碳1%~1.5%的碳鋼,通過高溫淬火而硬化。它的磁性很低,最大磁能積小於2kJ/m。,矯頑力值小於4kA/m。20世紀初逐漸發展起來的鎢鋼和鉻鋼,使磁性略有提高。1917年出現了含鈷35%的鈷鋼,使磁能積提高到8kJ/m。,矯頑力也提高到20kA/m。
  1931年13本人三島發現了鐵鎳鋁基彌散硬化合金,使永磁性能獲得了極大提高。在此基礎上通過添加鈷、銅、鈦、鈮等元素,並採用了磁場熱處理和定向結晶凝固等工藝技術,發展成為在20世紀中葉最具影響的鋁鎳鈷系永磁合金。實驗室的水平達到(BH)max=108kJ/m3,最高矯頑力達到150kA/m。該類合金美、日、德、荷、英等國都有大量生產。在此期間,還相繼開發出一系列可變形永磁合金,如鐵鈷鎢和鐵鈷鉬、鉑鈷合金,銅鎳鐵合金以及鐵鈷釩合金和鐵鉻鈷系、錳鋁碳等永磁合金。50年代以後,隨著對永磁合金的物理和冶金性能的逐漸了解,尤其是通過對合金內部結構及矯頑機制的深入研究,開發出一系列高性能永磁合金,使永磁合金獲得了驚人的發展。特別是稀土永磁的出現開闢了永磁合金新的歷史,60年代出現的稀土鈷永磁合金,實驗室水平已達到(BH)max=262.7kJ/m3。其中RCo5(R代表稀土元素)型的合金稱為第一代稀土永磁合金,R2Co17型的稱為第二代稀土永磁合金。1983年日本的佐川真人等發明了釹鐵硼永磁合金,稱為第三代稀土永磁合金,實驗室的最大磁能積已達到431.4kJ/m。,創造了永磁性能的最高記錄。100多年來,永磁合金的磁能積提高了近250倍,矯頑力提高了近100倍。目前正在開展研製的釤鐵氮合金稱為第四代稀土永磁合金。還開發了全新機制的雙相納米晶稀土永磁合金。
  中國從50年代末開始研製永磁合金,60年代初正式生產可變形永磁和鋁鎳鈷系永磁合金,磁性能與國際同類產品水平相當。有些合金如定向結晶鋁鎳鈷合金在實驗室還創造了(BH)max=108kJ/m。的最高記錄。70年代初中國又開始研製稀土永磁合金,生產的合金品種和實驗室的研究水平都接近國際水平,只是工業生產的水平稍有差距。分類

  永磁合金的品種很多,不下百種。根據生產工藝和使用習慣,通常可分為五大類:稀土永磁合金,鋁鎳鈷系永磁合金,可變形永磁合金,錳鋁碳永磁合金和粘結稀土永磁合金。性能參數

  永磁合金均在開路狀態下使用,作為磁場源或動作源。根據不同的用途,選擇不同永磁合金組成磁路,形成所需要的磁場,磁場強度的大小與合金的磁性能和組成的磁路有密切關係。以帶有氣隙的環狀磁體(圖1)為例,永磁體的退磁曲線和磁性參數如圖2所示。
  其氣隙的磁場強度
  
永磁合金

式中Vm、Bm和Hm分別為磁體的體積,磁感應強度和磁場強度;Vg和Hg是氣隙的體積和磁場強度。Bm和Hm相當於退磁曲線上A點的B和H。(Bm·Hm)=(B·H)是永磁體能量密度的2倍,稱磁能積。磁能積隨B而變化的曲線稱為磁能曲線,其中與D點對應的BD和HD的乘積有最大值,稱最大磁能積,用(BH)max或(BH)m表示。顯然,要求永磁合金的(BH)max越大越好,而(BH)max又與合金的剩餘磁感應強度和矯頑力密切相關。因此衡量永磁合金磁性能優劣的主要依據是退磁曲線上的4個參數,即(BH)max:最大磁能積,kJ/m3(千焦/米3)。
  Br:剩餘磁感應強度,T(特)。
  Hcb:磁感矯頑力,kA/m(干安/米)。
  HCJ:內稟矯頑力,kA/m(千安/米)。
  此外還要求合金具有高的居里溫度(Tc),這決定它是否有良好的溫度穩定性。生產工藝 永磁合金的生產工藝有以下5種:

  (1)鑄造和熱處理工藝。絕大部分鋁鎳鈷系永磁合金都採用這種工藝來生產,其工藝流程如圖3。
  (2)變形加工和熱處理工藝。主要用於可變形永磁合金的生產,其工藝流程如圖4。
  (3)粉末冶金製造工藝。絕大部分稀土永磁合金都採用此種工藝生產,其工藝流程如圖5。
  (4)粘結工藝。用於生產粘結型永磁合金,其工藝流程如圖6。
  (5)溫擠壓工藝。主要用於錳鋁碳合金的製造,工藝流程如圖7。用途

  永磁合金是一種重要的,現代工業和科學技術不可缺少的功能材料。人們利用磁能與磁能、磁能與電能的相互作用,將磁能轉換成電能或機械能;利用磁場對物質的作用,改變物質的微觀結構,促進節能和環保作用等。在所有這些裝置或器件中永磁合金都擔當著重要的功能作用。
  其主要用途有:(1)機電設備和裝置。主要包括:各種永磁電動機如直流(整流式和無刷)電機、同步電機、迴轉和線性電機、伺服電機、轉矩或步進電機;各種永磁發電機如交流發電機、輔助勵磁機、多相同步機、點火或其他脈衝發電機等;各種機電制動器如印表機打字頭驅動器、計算機軟盤驅動器(也稱音圈電機VCM)、激光聚焦與跟蹤器(用於激光唱盤、錄像機、數據處理機)。飛機測位制動器、機器人等;動圈式電錶及斷路器、微型位移繼電器等。
  (2)聲波換能器。包括:各種發聲器,如揚聲器、耳機、電話受話器、電鈴、蜂鳴器及超聲波發聲器等;聲音接收器,如話筒、超聲波拾音器;以及聲像拾音器等。
  (3)磁力機械。主要利用磁力的吸引與排斥作用製作:夾持和提升裝置,如電磁起重機、機床夾盤和夾具、冰箱門封、廣告標記和玩具;牽引裝置,如傳送帶、選礦機、複印機磁鼓;耦合器,如同步扭矩聯軸節、磁水泵、線性跟隨器、油浮標等;磁軸承和磁懸浮,如無源電度表、超速離心器、陀螺儀、衛星動能輪、渦流分子泵、磁懸浮車輛等。
  (4)微波裝置。製作各種功率管(如磁控管、行波管和調速管)用脈衝位置調整聚焦裝置,正交場放大器,波導裝置和粒子加速器等。
  (5)感測器和電信號轉換器。包括永磁轉換器(感應器和霍爾效應儀)及物理量(位置,速度,加速度,流量,壓力,溫度等)測量感測器。
  (6)醫用電子儀器和生物工程。有核磁共振成像裝置、牙科添料、起搏器、人工心臟泵、診斷用儀器及微型助聽器等。
  (7)其他方面。有磁鎖,磁性寶石,除蠟器,汽車減煙節油器等。
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