钕铁硼永磁材料基本知识讲义

1钕铁硼永磁材料基本知识讲义一、稀土元素二、磁性材料三、钕铁硼的运用领域四、钕铁硼的发展五、钕铁硼材料的基本特性及其显微组织结构六、钕铁硼的制造工艺和设备原理七、钕铁硼生产销售中碰见的一些问题罗列八、烧结钕铁硼永磁材料室温（20℃～25℃）下的磁性能表2一、稀土元素1、稀土元素有17种，分别表示如下：钪（Sc）钇（Y）镧（Ca）铈（Ce）镨（Pr）钕（Nd）钷（Pm）钐（Sm）铕（Eu）钆（Gd）铽（Tb）镝（Dy）钬（Ho）铒（Er）铥（Tm）镱（Yb）镥（Lu）在钕铁硼产品中常用的稀土金属有钕、镨、镝、铽、钆、钬2、稀土金属是活泼金属稀土金属的化学活泼性处于碱金属（锂、钠）和碱土金属（镁、钙）之间，在一定的条件下（钠很活泼只能保存在煤油中）会产生下列反应，并产生大量的热量，热量的提供进一步促进反应的进行，如：2Nd+3O22Nd2U3+Q2Nd+6H2O2Nd(OH)3+3H2+QNd2O3+3H2O2Nd(OH)3+Q从上述方程式可以看出在生产钕铁硼时要进行防氧化、防受潮,其中防受潮很关键,在潮湿天和下雨天各车间应充分注意防受潮。3、稀土金属的分布据资料统计，中国的内蒙、江西、浙江、广东、福建、广西、湖南等地都发现了稀土。由于存在的状态不同，内蒙的包头稀土是氟碳铈镧矿形式存在而且是以轻稀土为主（钕前面的稀土），而江西等是离子型矿形式存在以中重稀土为主。世界的稀土大部分在中国，中国约占了世界稀土的80%，而中国的80%在内蒙的包头。世界上美国、俄罗斯、澳大利亚、越南等国家都发现了稀土。二、磁性材料主要运用的磁性材料有铁氧体、铝镍钴、钐钴和钕铁硼。钐钴和钕铁硼合称稀土永磁材料。3目前世界上应用最多的还是铁氧体，产品廉价，其次是钕铁硼；铝镍钴和钐钴的温度稳定性比钕铁硼好，因此在一些指针式仪表、军用品和高档消费品中还离不开铝镍钴和钐钴材料。铁氧体的居里温度为465℃，钕铁硼的居里温度为310℃，铝镍钴的居里温度为800℃，钐钴的居里温度在700——800℃之间，因此钕铁硼的温度稳定性最差，但性能最高，被称为“磁王”，目前磁性材料的生产有烧结和粘结两种工艺，粘结由于加了粘合剂磁性能不会高，但产品精度较高。三、钕铁硼的应用领域1、微波通讯技术中的应用：在雷达技术、卫星通讯、遥控遥测技术、电子跟踪、电子对抗技术中需要用到，磁控电子管、磁控行波管、阴极射线管、环行器等都要用到钕铁硼。2、在电机工程中的应用：稀土永磁材料产量的三分之一以上用来制造各种永磁电机，永磁电机的优点是省铜、省电、重量轻、体积小、比功率高。电动自行车电机、电脑驱动电机、车床等的行速与转速的测量电机、电梯的曳引机电机、麻将电机、冰箱空调电机、风力发动电机、汽车发动电机等等应用领域极其广泛。3、在电声器件中的应用：如扬声器（喇叭）、话筒、助听器、立体声耳机（MP3、MP4）、电话接收机及电声传感器等等。4、在磁力机械工程中的应用：磁力机械包括磁力传动器、磁性齿轮、磁制动器、磁夹具、磁力打捞器、磁性轴承、磁力泵、磁性阀、磁封门、磁锁和永磁起重器、永磁搬运机等。5、在交通运输工具中的应用：利用同性相斥的原理而制造的列车叫磁悬浮列车；现代豪华轿车需要用15-70个永磁器件，如：风挡刮水器电机、油泵电机、开窗电机、门锁电机、去雾电机、自动汽控器、起动电机等。6、在磁分离技术中的应用：利用磁性方法将铁磁性物质与非铁磁性物质分开的技术称为磁分离技术。磁分离技术在选矿、选煤、原材料处理、水处理、垃圾处理以及在医疗、化工工业和食品工业中得到了广泛应用。7、在磁化技术中的应用：利用磁场对物质进行磁化作用，改变被磁化物质的键合状态与性质；或改变原子、电子状态，促进物质的化学反应与燃料的4燃烧；或改变物质的结晶形态或凝固点，这一技术称为磁化技术。磁化器、汽车中的节油器、石油开采中的石油防蜡器等等。8、在磁疗和健身器械方面的应用：如磁疗水杯、磁球、磁疗机、磁疗鞋、磁疗帽、磁疗手镯、项链等，还有近年来发展较快的医疗设备核磁共振成像仪（MRI）每台的用量在3——4吨，试想中国每个医院如果配一台MRI钕铁硼的用量应该是多少！总之自从1983年钕铁硼发明以来每年都有新的运用领域出现，每年的增幅在30%以上，应用前景十分广阔。四、钕铁硼的发展1、产品的发展。钕铁硼自1983年发明以来前十年发展不快，近十年发展很快，96年中国360吨，日本产量2000吨，美国产量1000吨，但到了2006年中国产量60000吨，日本产量2000吨，其它国家几乎没有了，全世界钕铁硼产量烧结和粘结合起来有10万吨左右（其中粘结2万吨）。2、企业：1998年前西方世界比中国发展快，中国发展慢。但到目前为止，日本只剩四家企业、美国只剩一家、欧洲也只剩一家，而中国有一百多家，因此中国是世界钕铁硼的生产大国，但不是强国。中国钕铁硼的产量60%在浙江，其它在山西和京津地区，钕铁硼的销售基地在深圳、宁波和北京。3、性能的发展：钕铁硼性能的发展是依赖于工艺的完善和先进设备的运用才快速发展起来的。96年前中国最好的性能为N38，世界最好为N48，而到2006年中国最好为N52世界最好也为N52（规模化生产），性能提高很快，中国的钕铁硼性能提高更快，中国已经逐步从生产大国转化为生产强国。4、工艺的发展：最早钕铁硼工艺是湿法生产，用甲苯或汽油作保护剂、球磨生产、性能较低，后来发展到干法生产（气流磨）性能得以大力提高，但最好性能也只能是N45，但自从发明了甩带（SC）工艺后性能得到了极大的提高，目前批量化做可以达到N52。5、设备的发展：球磨机到气流磨，铸锭到铸片到氢碎，单式烧结炉到连续多式烧结炉，简单压机到自动压机，设备发展工艺突破是钕铁硼成本降低性能提高的关键。6、后加工工艺的发展：早期钕铁硼的后续加工工艺比较单调而且浪费也大，5主要加工工艺有切片、线切割、打孔、无心磨、立磨等，随着钕铁硼的快速发展运用领域的不断扩大，加工工艺和设备也发生了很大变化，套孔（提高了材料的综合利用率）、套瓦、磨瓦双面磨等新的加工工艺被广泛运用，为钕铁硼降低成本，提高精度创造了条件。五、钕铁硼材料的基本特性及其显微组织结构（一）金属特性烧结钕铁硼是固体，密度7.2—7.7g/cm3,熔点大约在1150摄氏度(微量元素的不同熔点也不同),是金属导体可电镀.。（二）强的永磁体烧结钕铁硼的理论磁能积为64MGOe，饱和磁化强度为1.6T，而目前国内外批量化生产中最大的磁能积为52MGOe。（三）按性能的不同可用于不同的温度1、烧结钕铁硼按内禀矫顽力Hcj的不同可分为N料、M料、H料、SH料、UH料、EH料、AH料，按一定的长径比（L/D0.5）和环境条件。N料Hcj≥12KOe最高使用温度为80℃M料Hcj≥14KOe最高使用温度为100℃H料Hcj≥17KOe最高使用温度为120℃SH料Hcj≥20KOe最高使用温度为150℃UH料Hcj≥25KOe最高使用温度为180℃EH料Hcj≥30KOe最高使用温度为200℃AH料Hcj≥33KOe最高使用温度为230℃2、按剩磁Br和最大磁能积（BH）max的不同可分不同的牌号系列如：N35N38N42N45N48N50N52等35M38M40M42M45M48M50M52M等（四）物理量的概念和参数1、居里温度（Tc表示）居里温度的概念：强铁磁体由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度或居里点Tc。钕铁硼的居里温度点是312摄氏度，Tc是磁性材料的重要参数，Tc高材料的工作温度可提高，也可提高磁性材料的温度稳定性。加钴、铽、镝等可提高磁性材料的居里温度，因此在高矫颈力的产品中（H、SH、……）都加有镝等提高Tc的材料。62、磁通量Ф单位是韦伯（Wb），以整块的磁体为测量对象，测量仪器为磁通计。3、表面高斯单位是特斯拉（T）或高斯（GS），是以磁体表面上的一个点为测量对象，测量仪器是高斯计，测量地方有中心高斯、最高表磁等。因此有高斯要求的产品要向客户问清楚是中心高斯还是最高表磁。4、温度系数：钕铁硼材料的特点是随温度的升高、剩磁、内禀矫顽力和最大磁能积都会下降。剩磁温度系数αBr一般在-0.09～0.128%/℃内禀矫顽力温度导致αHcj一般在-0.45～-0.8%/℃如某一钕铁硼材料αBr=-0.10%/℃αHcj=-0.5%/℃在20℃时的剩磁为12KGS矫顽力为20KOe问在80℃时的Br和HcjBr80℃=Br20℃+αBr．（T80-T20）．Br20℃=Br20°-(80-20)*0.10%/℃．Br20℃=12(1-0.06)=11.28KGSHcj80℃=Hcj20°-(80-20).0.005*Hcj20℃=20(1-0.3)=20*0.7=14KOe5、主要物理参数及单位主要物理参数有最大磁能积表达式为（BH）max,剩磁表达式为Br，内禀矫顽力表达式为Hcj，矫顽力表达式为Hcd，如下图：（BH）max=Bd*Hd单位（分国际单位制和厘米、克、秒、制）表达式国际单位制厘米、克、秒、制换算关系剩磁Br特斯拉（T）高斯（GS）1T=104GS内禀矫顽力Hcj安培/米（A/M）奥斯特（Oe）1A/M≈0.0125Oe最大磁能积(BH)max焦耳/米3（J/M3）北高奥（MGOe）1KJ/m≈0.125MGOe(五)钕铁硼的显微组织结构1、基体Nd2Fe14BNd2Fe14B也就是主相，就象水由H2O组成一样，钕铁硼主要由Nd2Fe14B组成，它是个铁磁性相，其体积分数决定了Nd-Fe-B永磁合金的Br和(BH)max。2、富硼相它是B的化合物Nd1+∑Fe4B4，在Nd-Fe-B永磁合金中，富硼相是有害的，希望它的体积分数越小越好。3、富钕相单位内容7富钕相对烧结Nd-Fe-B合金的磁硬化起着重要作用，保持适当的富钕相有利于促进烧结钕铁硼的矫顽力。4、杂质在烧结Nd-Fe-B内部也存在一定体积的氧化物如Nd2O3、α–Fe、氯化物以及空洞等.(六)钕铁硼的其它物理特性1.硬度（HV）6202.杨氏模量1.6*1011N/m23、压缩率9.8*10-12m/N4、电阻率1.8～2.0*10-4Ώ.cm5、抗弯强度295～345MPa六、钕铁硼的制造工艺和设备原理（一）熔炼1．按工艺的不同分为常规熔炼（20kg、30kg、50kg、100kg）和甩带炉（100kg、300kg、500kg）两种。2．工艺A、Nd、Fe、B配料的前处理B、配料C、熔炼：首先装料再抽真至1Pa以下，开始送低功率加热，边加热边继续抽气，随温度升高，吸附状态的气体，水份逐渐解吸而被抽出，至炉料普遍呈现暗红色，关阀充入氩气，进行增功率升温到炉料全部熔化，并进行5分钟左右的精炼，精炼完毕减功率并进行浇注，浇注时浇口应对准冷却模，浇注完毕并进行冷却。D、合金的保存合金锭放置和运输过程要注意杂质的进入如：手套的丝、空气中的灰尘等。同时氧气对合金有破坏作用，氧渗透进去，使钕变成氧化钕；水气对合金有破坏作用，水碰到钕会生成钕的氧化物和氢化物，因此熔炼过程要防杂质、防氧化。（二）制粉1、设备氢碎炉、粗破机、中碎机、气流磨、搅拌机2、工艺甩片氢碎铸锭均匀化后气流磨搅拌铸锭粗破中碎3．过程控制要点A、粉的粒度，2.9——5.2um为宜,粒度越细相应矫顽力和剩磁会提高,产品的耐腐蚀也提高,但后续工艺不好控制,粒度分布窄性能可做的愈高B、气流磨时适量的放点空气对粉进行钝化非常重要，就好象人从黑暗中马上走到光明的地方眼睛会不适，有时会损害眼睛一样，粉如果不放点空气，反而在后续生产中更容易氧化，同时极有可能燃烧8C、搅拌，由于前后出来的粉性能不太一致，因此粉需要进行搅拌（三）成型1、设备压机、等静压、储料筒2、工艺A、称粉：按工艺要求进行称粉B、磁场定向成型：此工序为了将千千万万颗NdFeB粉在磁场作用下整齐排列起来，并在模具中压结成设定的形状，压机的基本要求是在40mm气隙时磁场必须大于18000奥以上，同时应有光电保护器防止压机伤人事件C、压制的生坯密度大约为3.2----3.8g/cm3,而Nd-Fe-B