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永磁材料是指具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁,一經磁化即能保持恆定磁性的材料,又稱硬磁材料。

永磁材料

1 永磁材料 -簡介

永磁材料是指具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁,一經磁化即能保持恆定磁性的材料。又稱硬磁材料。實用中,永磁材料工作於深度磁飽和及充磁后磁滯回線的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和複合永磁材料。

①鋁鎳鈷系永磁合金。以鐵、鎳、鋁元素為主要成分,還含有銅、鈷、鈦等元素。具有高剩磁和低溫度係數,磁性穩定。分鑄造合金和粉末燒結合金兩種。20世紀30~60年代應用較多,現多用於儀錶工業中製造磁電系儀錶、流量計、微特電機、繼電器等。

②鐵鉻鈷系永磁合金。以鐵、鉻、鈷元素為主要成分,還含有鉬和少量的鈦、硅元素。其加工性能好,可進行冷熱塑性變形,磁性類似於鋁鎳鈷系永磁合金,並可通過塑性變形和熱處理提高磁性能。用於製造各種截面小、形狀複雜的小型磁體元件。

③永磁鐵氧體。主要有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體,其電阻率高、矯頑力大,能有效地應用在大氣隙磁路中,特別適於作小型發電機和電動機的永磁體。永磁鐵氧體不含貴金屬鎳、鈷等,原材料來源豐富,工藝簡單,成本低,可代替鋁鎳鈷永磁體製造磁分離器、磁推軸承、揚聲器、微波器件等。但其最大磁能積較低,溫度穩定性差,質地較脆、易碎,不耐衝擊振動,不宜作測量儀錶及有精密要求的磁性器件。

④稀土永磁材料。主要是稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料。前者是稀土元素鈰、鐠、鑭、釹等和鈷形成的金屬間化合物,其磁能積可達碳鋼的150倍、鋁鎳鈷永磁材料的3~5倍 ,永磁鐵氧體的8~10倍,溫度係數低,磁性穩定,矯頑力高達800千安/米。主要用於低速轉矩電動機、啟動電動機、感測器、磁推軸承等的磁系統。釹鐵硼永磁材料是第三代稀土永磁材料,其剩磁、矯頑力和最大磁能積比前者高,不易碎,有較好的機械性能,合金密度低,有利於磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性溫度係數較高,限制了它的應用。

⑤複合永磁材料由永磁性物質粉末和作為粘結劑的塑性物質複合而成。由於其含有一定比例的粘結劑,故其磁性能比相應的沒有粘結劑的磁性材料顯著降低。除金屬複合永磁材料外,其他複合永磁材料由於受粘結劑耐熱性所限,使用溫度較低,一般不超過150℃ 。但複合永磁材料尺寸精度高,機械性能好,磁體各部分性能均勻性好,易於進行磁體徑向取向和多極充磁。主要用於製造儀器儀錶、通信設備、旋轉機械、磁療器械及體育用品等。

2 永磁材料 -分類

第一大類是:合金永磁材料,包括稀土永磁材料(釹鐵硼Nd2Fe14B)、釤鈷(SmCo)、鋁鎳鈷(AlNiCo)

第二大類是:鐵氧體永磁材料(Ferrite)

按生產工藝不同分為:燒結鐵氧體、粘結鐵氧體、注塑鐵氧體,這三種工藝依據磁晶的取向不同又各分為等方性和異方性磁體。

這些就是目前市面上的主要永磁材料,還有一些因生產工藝原或成本原因,不能大範圍應用而淘汰,如Cu-Ni-Fe(銅鎳鐵)、Fe-Co-Mo(鐵鈷鉬)、Fe-Co-V(鐵鈷釩)、MnBi(錳鉍)

1. 稀土永磁材料(釹鐵硼Nd2Fe14B):按生產工藝不同分為以下三種

(1)、燒結釹鐵硼(Sintered NdFeB)——燒結釹鐵硼永磁體經過氣流磨製粉后冶鍊而成,矯頑力值很高,且擁有極高的磁性能,其最大磁能積(BHmax)高過鐵氧體(Ferrite)10倍以上。其本身的機械性能亦相當之好,可以切割加工不同的形狀和鑽孔。高性能產品的最高工作溫度可達200攝氏度。由於它的物質含量容易導致鏽蝕,所以根據不同要求必須對錶面進行不同的凃層處理。(如鍍鋅、鎳、環保鋅、環保鎳、鎳銅鎳、環保鎳銅鎳等)。非常堅硬和脆,有高抗退磁性,高成本/性能比例,不適用於高工作溫度(>200℃)。

(2)、粘結釹鐵硼(Bonded NdFeB)——粘結釹鐵硼是將釹鐵硼粉末與樹脂、塑膠或低熔點金屬等粘結劑均勻混合,然後用壓縮、擠壓或注射成型等方法製成的複合型釹鐵硼永磁體。產品一次成形,無需二次加工、可直接做成各種複雜的形狀。粘結釹鐵硼的各個方向都有磁性,可以加工成釹鐵硼壓縮模具和注塑模具。精密度高、磁性能極佳、耐腐蝕性好、溫度穩定性好。

(3)、注塑釹鐵硼(Zhusu NdFeB)——有極高之精確度、容易製成各向異性形狀複雜的薄壁環或薄磁體

2. 燒結鐵氧體(Sintered Ferrite)的主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19,依據磁晶的取向不同分為等方性和異方性磁體。由於其低廉的價格和適中的磁性能而成為目前應用較為廣泛的一種磁體。鐵氧體磁鐵是通過陶瓷工藝法製造而成,質地也比較堅硬,也屬脆性材料,由於鐵氧體磁鐵有很好的耐溫性及價格低廉,已成為應用較為廣泛的永磁體。

3. 橡膠磁(Rubber Magnet)是鐵氧體磁材系列中的一種,由粘結鐵氧體料粉與合成橡膠複合經擠出成型、壓延成型、注射成型等工藝而製成的具有柔軟性、彈性及可扭曲的磁體。可加工成條狀、卷狀、片狀及各種複雜形狀。 橡膠磁體由磁粉(SrO6Fe2O3)、聚乙烯(CPE)和其它添加劑(EBSO、DOP)等組成,通過擠出、壓延製造而成。橡膠磁材可以是同性的或異性的,它由鐵氧體磁粉、CPE和某些微量元素製成,可彎、可捻、可卷。它無需更多機械加工即可使用,也可以按所需尺寸修整形狀,橡膠磁也可以根據客戶要求復PVC,背膠,上UV油等。它的磁能積在0.60 至1.50 MGOe之間。 橡膠磁材的應用領域:冰箱、訊息告示架、將物件固定於 金屬體以用作廣告等的緊固件,用於玩具、教學儀器、開關和感應器的磁片。主要應用於微特電機、電冰箱、消毒櫃、廚櫃、玩具、文具、廣告等行業。

4. 鋁鎳鈷(AlNiCo)是最早開發出來的一種永磁材料,是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構成的一種合金。根據生產工藝不同分為燒結鋁鎳鈷(Sintered AlNiCo)和鑄造鋁鎳鈷(Cast AlNiCo)。產品形狀多為圓形和方形。鑄造工藝可以加工生產成不同的尺寸和形狀;與鑄造工藝相比,燒結產品局限於小的尺寸,其生產出來的毛坯尺寸公差比鑄造產品毛坯要好,磁性能要略低於鑄造產品,但可加工性要好。在永磁材料中,鑄造鋁鎳鈷永磁有著最低可逆溫度係數,工作溫度可高達600攝氏度以上。鋁鎳鈷永磁產品廣泛應用於各種儀器儀錶和其他應用領域。

5. 釤鈷(SmCo)依據成份的不同分為SmCo5和Sm2Co17,分別為笫一代和笫二代稀土永磁材料。由於其原材料十分稀缺,價格昂貴而使其發展受到限制。釤鈷(SmCo)作為第二代稀土永磁體,不但有著較高的磁能積(14-28MGOe)和可靠的矯頑力,而且在稀土永磁系列中表現出良好的溫度特性。與釹鐵硼相比,釤鈷更適合工作在高溫環境中(>200℃)。

3 永磁材料 -發展歷程

隨著社會的發展,磁鐵的應用也越來越廣泛,從高科技產品到最簡單的包裝磁,目前應用最為廣泛的還是釹鐵硼強磁和鐵氧體磁鐵。

從永磁材料的發展歷史來看,十九世紀末使用的碳鋼,磁能積(BH)max(衡量永磁體儲存磁能密度的物理量)不足1MGOe(兆高奧),而目前國外批量生產的Nd-Fe-B永磁材料,磁能積已達50MGOe以上。這一個世紀以來,材料的剩磁Br提高甚小,能積的提高要歸功於矯頑力Hc的提高。而矯頑力的提高,主要得益於對其本質的認識和高磁晶各向異性化合物的發現,以及製備技術的進步。二十世紀初,人們主要使用碳鋼、鎢鋼、鉻鋼和鈷鋼作永磁材料。二十世紀三十年代末,AlNiCo永磁材料開發成功,才使永磁材料的大規模應用成為可能。五十年代,鋇鐵氧體的出現,既降低了永磁體成本,又將永磁材料的應用範圍拓寬到高頻領域。到六十年代,稀土鈷永磁的出現,則為永磁體的應用開闢了一個新時代。1967年,美國Dayton大學的Strnat等,用粉末粘結法成功地製成SmCo5永磁體,標誌著稀土永磁時代的到來。迄今為止,稀十永磁已經歷第一代SmCo5,第二代沉澱硬化型Sm2Co17,發展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。此外,在歷史上被用作永磁材料的還有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、A1MnC合金等。這些合金由於性能不高、成本不低,在大多數場合已很少採用。而AlNiCo、FeCrCo、PtCo等合金在一些特殊場合還得到應用。目前Ba、Sr鐵氧體仍然是用量最大的永磁材料,但其許多應用正在逐漸被Nd-Fe-B類材料取代。並且,當前稀土類永磁材料的產值已大大超過鐵氧體永磁材料,稀土永磁材料的生產已發展成一大產業。

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