大学生钕铁硼知识培训

钕铁硼永磁材料讲义二○一三年七月十日前言钕铁硼材料一种稀土永磁材料，是含稀土的合金或金属间化合物，化学性质活泼，有较强的氧化性，在生产过程中，其粉末材料很容易氧化燃烧，我们现在的生产工艺是利用其吸氢特性以及吸氢后的易碎性采用气流磨制成钕铁硼微米级粉体，然后经过磁场成型以及真空烧结成钕铁硼毛坯。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1、磁性材料的含义：利用材料所具有的磁特性的一类材料成为磁性材料。它包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料、磁泡材料和磁制冷材料等，其中用量最大的是硬磁材料和软磁材料。硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材料的各向异性场高、矫顽力高、磁滞回线面积大、技术磁化到饱和需要的磁场大。由于软磁材料的矫顽力低，技术磁化到饱和并去掉外磁场后，它很容易退磁，而硬磁材料由于矫顽力较高，经技术磁化到饱和并去掉磁场后，它仍然长期保持很强的磁性，因此硬磁材料又称为永磁材料或恒磁材料。永久磁体是不用从外部供给电能就能产生磁场的物体，永磁体有天然和人造两种。Nd-Fe-B是人造永磁体。永磁体要求有大的矫顽力Hc、大的剩余磁感应强度Br,和大的最大磁能积(BH)m。永久磁体具有永磁性，在其周围能产生磁场并吸引铁磁材料的物体。人造磁体需要充磁后才具有永磁性。2、稀土永磁材料的主要类型现代工业与科学技术广泛应用的永磁材料有：铸造永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其它永磁材料。稀土永磁材料有两大类、三代产品第一大类是稀土-钴合金系（即RE-Co永磁），它又包括两代产品。1996年K.Strant发现SmCo5型合金具有极高的磁各向异常数，产生了第一代稀土永磁体1:5型SmCo合金。从此开始了稀土永磁材料的研究开发，并于1970年投入生产；第二代稀土永磁材料是2：17型的SmCo合金大约是1978年投入生产。它们均是以金属钴为基体的永磁材料合金。第二大类是钕铁硼合金（即Nd-Fe-B系永磁）。1983年日本和美国同时发现了钕铁硼合金，称为第三代永磁材料，当Nd原子和Fe原子分别被不同的RE原子和其他金属原子取代可发展成多种成分不同、性能不同的Nd-Fe-B系永磁材料。其制备方法主要有烧结法、还原扩散法、熔体快淬法、粘结法、铸造法等，其中烧结法和粘结法在生产中应用最广泛。从上表可以看出钕铁硼永磁材料的综合磁性能最好，并且烧结法优于粘结法。材料种类最大磁能积/Kj.m-3剩余磁通/T磁感矫顽力/kA.m-1内禀矫顽力/kA.m-1居里温度/0CSmCo5系1000.76550680740SmCo5系（高Hc）1600.907001120740Sm2Co17系2401.10510530920Sm2Co17系（高Hc）2800.95640800920烧结Nd-Fe-B系200~4001.1~1.4800~2400310~510粘结Nd-Fe-B系56~1600.6~1.1800~2100300Sm－Fe－Ｎ系56~1600.6~1.1800~2000310~600三、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。NSNS10GB40GB5.25in.3.5in.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。扬声器和耳机是永磁体传统应用领域。稀土永磁材料出现后在同样输出功率与音质下采用钕铁硼永磁体可减小尺寸和提高性能。目前稀土永磁扬声器和耳机已应用到高级随身听等领域。随着电声器材技术革新向高保真和小型化发展，要求使用性能更高的磁体，在这个领域，钕铁硼永磁材料将得到更加广泛的应用。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。安全气囊座椅后视镜扰流板雨刷器CD和空调等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、应用于制导系统，采用陀螺仪、加速度表等惯性仪表测量和确定导弹运动参数，控制导弹飞向目标。9、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！超导磁体，造价高，运转费用高造价高，运转费用高。铁氧体：笨重，整个重量达十吨笨重，整个装置重达100t左右。钕铁硼：仅需0.5吨仅需几吨。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、我国烧结钕铁硼企业的分布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、烧结钕铁硼性能的发展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、我国烧结钕铁硼生产工艺的发展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、烧结钕铁硼生产设备的发展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，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（一）永磁材料基本性能永磁材料的主要性能是由以下几个参数决定的（1）最大磁能积（(BH)max）：最大磁能积是退磁曲线上磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。这个值越大，说明单位体积内存储的磁能越大，材料的性能越好。（2）饱和磁化强度（Ms：是永磁材料极为重要的参数。永磁材料的饱和磁化强度越高，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值越高。（3）内禀矫顽力（Hcj）：铁磁体磁化到饱和后，使它的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向外磁场称为矫顽力。它表征材料抵抗退磁作用的本领。（4）剩磁（Br）：铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的剩余磁化强度或剩余磁感应强度称为剩磁。（5）居里温度（Tc）：强铁磁体由铁磁性和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。居里温度高标志着永磁材料的使用温度也高。（二）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.。（三）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。（四）烧结钕铁硼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等六、钕铁硼生产及设备1、生产工艺流程熔炼粗破中破配料气流磨混料甩带氢碎成型烧结检测后加工2、生产工艺制备NdFeB系磁体的工艺主要有粉末冶金法（烧结法）和快淬磁粉及粘结法两大类。此处仅介绍烧结法。因为金属Nd极容易氧化，所以制备NdFeB磁体的整个工艺尽可能都要在真空或保护气氛下进行。（1）合金配料合金配比决定合金的成分。按需要的合金成份的配比计算各种元素在合金中应当有的重量百分比的量。计算完成后，将各元素称量好，放置到一容器中，待进入下一道工序进行合金冶炼。（2）、熔炼真空速凝熔炼炉是将坩埚、水冷系统封闭在真空室中，利用电磁感应产生的涡流热做为热源，在真空或惰性气氛中进行金属与合金的脱气、熔炼、浇铸、冷却，得到所需合金薄片。中频交流电通过真空熔炼速凝炉感应线圈时，产生交变磁场，使坩埚中的金属内部产生感应电流，为克服金属表面的电阻而产生热，用调节功率来控制熔炼温度的方法，加热和熔融金属。利用电磁搅拌使其混合均匀。浇注过程中，通过坩埚倾动经过中间包