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《粘结Nd-Fe-B永磁材料制造原理与技术》可供从事磁性材料研究、生产、应用的技术人员参考,也可供高等院校有关专业师生参考.
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| 內容簡介： |
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《粘结Nd-Fe-B永磁材料制造原理与技术》是作者在多年从事稀土永磁材料研究的基础上,参阅国内外研究文献,对粘结 Nd-Fe-B永磁制造理论与技术的归纳与总结.主要内容包括:永磁材料和粘结稀土永磁材料基础、粘结Nd-Fe-B磁体设计理论、粘结Nd-Fe-B磁体用磁粉、粘结Nd-Fe-B磁体用粘结剂和助剂、粘结Nd-Fe-B磁体制备工艺、混杂粘结Nd-Fe-B磁体和粘结Nd-Fe-B磁体后处理工艺等.《粘结Nd-Fe-B永磁材料制造原理与技术》许多数据和图表来自作者实验研究的总结,对粘结永磁材料的生产、科研具有现实的指导意义.
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| 目錄：
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前言
第1章永磁材料与粘结稀土永磁材料1
1.1磁学与磁性材料2
1.1.1磁性的基本概念与基本磁学量2
1.1.2交换作用、自发磁化与强磁性4
1.1.3物质的磁性与分类4
1.1.4磁学与磁性材料的发展梗概5
1.1.5磁性功能材料的分类7
1.2技术磁化理论简介7
1.2.1磁体中的磁自由能8
1.2.2磁畴结构9
1.2.3技术磁化与反磁化过程10
1.3永磁材料的技术磁参量13
1.3.1饱和磁化强度Ms13
1.3.2居里温度Tc13
1.3.3各向异性场HA13
1.3.4剩磁Br14
1.3.5矫顽力Hc14
1.3.6最大磁能积BHm14
1.3.7工作点与负载线15
1.3.8回复磁导率15
1.3.9J-H退磁曲线上弯曲点Hk和方形度16
1.3.10永磁材料的稳定性16
1.3.11永磁材料的力学性能17
1.3.12磁学与磁性材料的常用单位制17
1.4永磁材料与稀土永磁材料18
1.4.1永磁材料的发展与种类18
1.4.2稀土永磁20
1.5粘结永磁材料的性能特点与发展22
1.5.1粘结永磁材料的特点23
1.5.2粘结磁体的发展简史23
1.5.3纳米复合永磁材料的分类24
1.5.4粘结Nd-Fe-B磁体的应用26
参考文献27
第2章粘结Nd-Fe-B永磁材料的设计30
2.1粘结磁体组分设计30
2.1.1压缩成型粘结磁体的组分设计31
2.1.2注射成型磁体的组分设计32
2.2磁体磁性能设计33
2.2.1剩磁34
2.2.2矫顽力35
2.3磁体的温度稳定性35
2.4磁体耐蚀性36
2.4.1粘结Nd-Fe-B的耐蚀性能36
2.4.2腐蚀对粘结Nd-Fe-B磁体的磁性影响36
2.4.3改善粘结Nd-Fe-B磁体抗蚀性的途径36
2.5磁体力学性能37
2.6粘结Nd-Fe-B磁体的设计流程38
参考文献39
第3章粘结Nd-Fe-B磁粉的物理基础与类型40
3.1粘结Nd-Fe-B磁粉的物理基础40
3.1.1单相软磁材料的交换耦合相互作用与有效各向异性:Herzer理论41
3.1.2永磁体的晶粒尺寸效应41
3.1.3双相纳米交换耦合永磁的模型与理论43
3.2快淬Nd-Fe-B磁粉46
3.2.1快淬Nd-Fe-B磁粉的制备46
3.2.2快淬Nd-Fe-B磁粉的类型47
3.2.3影响快淬Nd-Fe-B磁粉性能的因素50
3.3机械合金化磁粉58
3.4雾化磁粉60
3.5HDDR磁粉62
3.5.1Nd-Fe-B的HDDR相变62
3.5.2HDDR的工艺类型63
3.5.3HDDRNd-Fe-B磁粉的特点66
3.6机械破碎磁粉67
参考文献68
第4章快淬纳米复合Nd2Fe14B?-FeFe3B永磁粉75
4.1 Ti对纳米复合Nd9.4Fe79.6B11永磁合金结构和磁性能的影响75
4.1.1 Ti对合金室温磁性能的影响75
4.1.2 Ti对合金相组成的影响76
4.1.3 Ti对合金晶化行为的影响79
4.1.4 Ti对合金显微结构的影响80
4.1.5 Ti对交换耦合强度的影响81
4.1.6 Ti元素的作用机理82
4.2 C对Nd9.4Fe75.6Ti4B11永磁合金结构和磁性能的影响83
4.2.1 C对合金室温磁性能的影响84
4.2.2 C对合金相组成的影响85
4.2.3 C对合金晶化行为的影响86
4.2.4 C对合金显微结构的影响86
4.2.5 C对交换耦合强度的影响87
4.2.6 C元素的作用机理88
4.2.7 Ti和C添加合金微结构的形成机理89
4.3 Ti和C添加前后合金的晶化动力学研究90
4.4 Nb和C添加对纳米复合Nd9.4Fe79.6B11永磁合金晶化方式、显微结构和磁性能的影响94
4.4.1 Nb和C添加对合金室温磁性能的影响95
4.4.2 Nb和C添加对合金相组成的影响96
4.4.3 Nb和C添加对合金晶化方式的影响97
4.4.4 Nb和C添加对合金显微结构的影响98
4.4.5 Nb和C添加对合金交换耦合强度的影响99
4.5 Zr和C联合添加对纳米复合Nd9.4Fe79.6B11永磁合金晶化方式、结构和磁性能的影响100
4.5.1 Zr和C添加对合金室温磁性能的影响100
4.5.2 Zr和C添加对合金相组成的影响101
4.5.3 Zr和C添加对合金晶化方式的影响101
4.5.4 Zr和C添加对合金显微结构的影响102
4.6 Cr与C联合添加对纳米复合Nd9.4Fe79.6B11永磁合金结构和磁性能的影响103
4.6.1 Cr与C添加对合金室温磁性能的影响103
4.6.2 Cr与C添加对合金相组成的影响104
4.6.3 Cr与C添加对合金显微结构的影响105
4.7合金成分对纳米复合Nd-Fe-B-Ti-C永磁合金结构和磁性能的影响106
4.7.1 Nd含量对纳米复合NdxFe85－xTi4B10.5C0.5x＝7.8,8.2,8.6,9.0,9.4永磁合金结构和磁性能的影响106
4.72 B含量对纳米复合Nd9Fe86.5－xTi4BxC0.5 x＝8.5,9.0,9.5,10.0,10.5,11.0永磁合金结构和磁性能的影响研究110
4.7 Pr部分取代Nd对纳米复合Nd1－XPrx9.4Fe75.6Ti4B10.5C0.5X＝0~1永磁合金结构和磁性能的影响113
4.8纳米复合Nd2Fe14B?-FeFe3B永磁合金的磁化和反磁化行为119
4.8.1纳米复合永磁合金的矫顽力理论研究现状119
4.8.2纳米复合永磁合金的起始磁化过程121
4.8.3纳米复合永磁合金矫顽力与磁化场的关系123
4.8.4纳米复合永磁合金的回复曲线125
4.8.5纳米复合永磁合金退磁曲线的可逆与不可逆行为127
4.8.6Ti和C添加后合金高矫顽力的来源130
4.9粘结用纳米复合Nd2Fe14Bα-FeFe3B永磁粉130
4.9.1制备工艺对磁粉性能的影响131
4.9.2磁粉的温度稳定性132
4.9.3磁粉的抗氧化性能136
4.9.4粘结磁体137
参考文献137
第5章粘结Nd-Fe-B永磁用粘结剂和添加剂143
5.1粘结Nd-Fe-B永磁用粘结剂143
5.1.1热固性粘结剂143
5.1.2热塑性粘结剂156
5.1.3金属和无机粘结剂162
5.1.4其他粘结剂162
5.2粘结Nd-Fe-B永磁用添加剂162
5.2.1偶联剂162
5.2.2润滑剂167
5.2.3抗氧化剂168
5.2.4增塑剂168
参考文献169
第6章模压成型粘结Nd-Fe-B永磁材料170
6.1磁粉的准备171
6.1.1磁粉的预处理171
6.1.2磁粉的混合与混炼174
6.1.3造粒175
6.2影响模压成型过程的因素177
6.2.1压制成型方法178
6.2.2粉末填充方式179
6.2.3模具及润滑剂180
6.2.4压制成型工艺参数181
6.2.5压坯回弹率弹性后效182
6.3压制过程中力的分析与计算182
6.3.1压制压力182
6.3.2侧压力183
6.3.3外摩擦力184
6.3.4脱模压力184
6.4模压成型磁体的致密化过程185
6.4.1压制过程中磁粉的移动与变形185
6.4.2成型压力对粘结磁体密度和磁性能的影响186
6.5温压成型工艺制备模压成型粘结磁体188
6.5.1温压成型原理188
6.5.2温压工艺与冷压工艺效果的比较189
6.5.3温压温度对粘结磁体性能的影响190
6.6模压成型粘结磁体用配合料及其性能192
6.6.1模压成型粘结磁体配合料的制备192
6.6.2配合料的后处理193
6.6.3配合料的时效特性193
6.6.4配合料的成型特性197
参考文献200
第7章注射成型粘结Nd-Fe-B永磁材料201
7.1注射成型粘结Nd-Fe-B永磁体的制备工艺201
7.1.1单螺杆挤出造粒202
7.1.2双螺杆挤出造粒203
7.1.3双辊混炼造粒203
7.2影响注射成型粘结Nd-Fe-B磁体性能的因素203
7.2.1磁粉的影响204
7.2.2磁粉粒度的影响204
7.2.3粘结剂的影响205
7.2.4添加剂的影响205
7.2.5工艺参数的影响208
7.3注射成型粘结Nd-Fe-B磁体永磁体的性能214
7.4注射成型机和模具215
7.4.1注射成型机215
7.4.2注射成型模具216
7.4.3注射成型机磁场线圈217
7.5我国注射成型粘结稀土永磁材料的发展现状及存在问题217
参考文献218
第8章混杂粘结Nd-F-B永磁材料219
8.1Nd-Fe-B锶铁氧e体混杂粘结磁体219
8.1.1Nd-Fe-B锶铁氧体混杂粘结磁体的磁性能219
8.1.2Nd-Fe-B锶铁氧体混杂磁体的温度稳定性220
8.2Nd-Fe-BSm2Co17混杂粘结磁体221
8.2.1Nd-Fe-BSm2Co17混杂粘结磁体的磁性能222
8.2.2Nd-Fe-BSm2Co17混杂粘结磁体的温度稳定性223
8.2.3Nd-Fe-BSm2Co17混杂粘结磁体磁粉间的相互作用223
参考文献226
第9章粘结Nd-Fe-B永磁材料的表面防护技术227
9.1Nd-Fe-B磁体腐蚀的机理227
9.2粘结Nd-Fe-B磁体表面防护方法228
9.2.1合金化法提高磁体的耐腐蚀性能229
9.2.2磁粉表面涂层法229
9.2.3磁体表面涂层法229
9.3电泳涂装机理230
9.3.1电泳涂装工作原理231
9.3.2粘结Nd-Fe-B永磁体电泳涂装过程233
9.3.3影响粘结稀土永磁电泳涂装工艺的因素235
参考文献238
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| 內容試閱：
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第1章 永磁材料与粘结稀土永磁材料
磁性材料是一种既古老而又充满生命活力的材料.早在3000年前,人们就关注到磁现象.司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南器还不是指南针,图1.1是中国古代司南的复原图,司南的出现标志着人类开始了磁性材料的应用.这也是最早的永磁材料.
图1.2 沈括描写的指南鱼
到了北宋时代,由于军事和航海等需要和材料工艺技术的发展,先后利用人造的磁铁片和磁铁针以及人工磁化方法制成了在性能和使用上比司南先进的指南鱼和指南针.1088年,北宋沈括在.梦溪笔谈.对磁石制成的指南针进行了论述,他写道:
方“家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏南也.水浮多荡摇,指爪及碗唇上皆可为之,运转尤速,但坚滑易坠,不若缕悬之最善.其法取纩中独茧缕,以芥子许蜡,缀于针腰,无风处悬之,则针常指南.”图1.2为史书记载的指南鱼.
现代磁学和磁性材料的研究的重要内容之一就是不断发现和发展更高性能的永
磁材料.从物理学的角度讲,这需要不断发现高饱和磁化强度和强各向异性的材料
结构,并研究具有这种性能的结构机理;从技术的角度讲,其驱动力来源于对高性能
永磁体的需求的不断提高.Nd-Fe-B永磁材料的出现使永磁材料的发展进入一个令
人振奋的全新时代,其磁能积大大超越了以前的永磁材料,同时与Sm-Co磁体相比,
价格也有大幅度下降.
粘结Nd-Fe-B永磁材料是稀土永磁材料的一个新宠,它的研究起始于20世纪90代前后.由于它的优异特性满足了电子、信息、家电等行业需求,所以发展十分迅速.本书试图在磁学、磁性材料、复合材料、冶金、化工等学科的基础上,系统地归纳总结稀土粘结永磁材料的理论与技术,提出粘结Nd-Fe-B永磁设计理论,以期对制备生产粘结Nd-Fe-B永磁体提供参考.
图1.1 最早的司南模型
1.1 磁学与磁性材料
1.1.1 磁性的基本概念与基本磁学量
1.1.1.1 电磁基本概念运动电荷与运动电荷之间的作用力就是磁力,为了描述这种力的大小,物理上引入磁场的概念,磁场的强弱可以用磁感应强度来定义,即
B＝Fm1-1
式中,其单位是特[qvsinθN.SC.m;Fm为电荷量为q
B为磁感应强度,斯拉]T或的电荷在磁场中以速度v运动所受到的力;
θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角.
当磁场中没有任何磁介质时即真空中的磁场,用B可以很好地描述磁场的大小,当磁场中引入磁介质时,介质中的磁场就不再是原来真空时的磁感应强度B0,此时介质中的磁感应强度B为
B＝μB01-2用H代表真空中的磁场,即H＝B0,称为磁场强度,而μ则是表征介质对磁场H响应程度的一个参量,称为磁导率.真空中的磁导率记为μ0.介质中磁感应强度的变化是由于介质在磁场中被磁化的原因,用磁化强度M来表示介质磁化程度的大小.B、H、M之间满足以下关系:
1.1.1.2 基本磁学量B＝μ0H＋M1-3磁是由运动电荷产生的,物质的磁性来源核外电子的运动.为了描述物质的磁
性,物理学上引入了以下磁学量.1.磁矩和磁偶极矩一个包围面积为A的环电流I具有磁性,用磁矩来描述其磁性的强弱.
pm＝IA安.米2,A.m21-4对于一个长为l的条形磁铁,可以把它看作一个磁偶极子,其两端分别有正负磁荷＋m和－m,用磁偶极矩来描述其磁性的强弱.jmm韦[-5
＝l伯].米,Wb.m1磁矩与磁偶极矩之间满足以下关系:
jm＝μ0pm1-62.磁化强度M与磁极化强度Jm磁化强度是指单位体积中磁矩总和,其单位为“安米Am”.
m
M＝∑Vpp安米,Am1-7
＝nm
磁极化强度是材料单位体积中磁偶极矩的和,其单位为“韦[伯]米2Wbm2”或“特[斯拉]T”.∑j伯]米22
Jm＝Vm韦[,Wbm1-8
磁化强度和磁极化强度满足以下关系:3.磁场强度HM＝μ0Jm1-9
物理本质上,磁场强度H是电荷在真空中产生的那部分磁场的度量.
静磁学定义:H等于单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小,其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致.设试探磁极的点磁荷为m,它在磁场中某处受力为F,则该处的磁场强度矢量H＝Fm.
4.磁感应强度B
见1．1．1．1节.
5.磁通量
通过面积为S的曲面上的磁通量为
Φ＝Bcosαds1-10
s
其单位为“韦[”α为B∫与曲面法线的夹角.
伯]Wb.其中,
6.磁导率与磁化率
磁导率定义为
μ＝B1-11
H
磁导率的单位为“特[斯拉].米安[培]T.mA”或“亨米Hm”.为技术和工程上应用方便,引入相对磁导率μ相对的概念.
μ相对＝B1-12
μ0H
相对磁导率是无量纲的.对于某一材料来讲,磁导率并不是常数,而是随外磁场的变化而变化的,如图1.3所示.磁化率χ定义为M
χ＝H无量纲1-13
1.1.1.3 原子磁矩
物质磁性起源于原子磁矩.原子磁矩来源于:①电子轨道磁矩;②电子自旋磁矩;③原子核的核磁矩.但核磁矩非常小,几乎对原子磁性不
图1.3 磁导率随外磁场H的变化
起作用.故原子的总磁矩由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩所构成.
当电子填满电子壳层时,各电子的轨道运动及自旋取向就占据了所有可能方向,形成一个球形对称系统,这样,电子本身具有的磁矩必然互相抵消.因而,凡是满电子壳层的原子总磁矩都为零.只有未填满电子的壳层上才有未成对的电子,其磁矩对原子的总磁矩做出贡献.这种未满壳层称为磁性电子壳层.
原子的总磁矩由轨道磁矩和自旋磁矩组成,在数学上表示为μJ＝-
μ-14
J＋11式中,ad朗德其值取12,轨道B和自旋对磁矩的贡献份额;J
-称为Lne因子,~表示为原子的总角动量量子数,可以依据洪德规则进行计算;B为玻尔磁子.
μe
μB＝2meh＝9.273×10－24A.m2
1.1.2 交换作用、自发磁化与强磁性
原子通过键合组成物质时,原子最外层未成对电子都要成对,因此对物质磁性没有贡献,只有在键合后仍保留有未满电子壳层的原子组成的大块物质才有可能具有宏观强磁性,但这不是充分条件,具有固有磁矩的原子之间必须有正的交换作用才能使大块物体具有宏观磁性.
交换作用是原子间的静电交换作用,它是一种完全的量子效应.N个相同原子假设每个原子只有一个磁性电子之间的交换作用能可以用下式表示:
N
Eex＝－2A∑Si.Sj1-15
临近
式中,Ex为交换作用能;S
A为交换积分常数;为第i个电子的自旋矢量.如果A＞0,则相邻电子的自旋平行时系统的能量低,大块物质显示宏观磁性;如果A＜0,则相邻电子反平行能量低,大块物质不显示宏观强磁性.
由于交换作用,磁性物质在没有外磁场作用的条件下,其原子磁矩会趋向有序排列,产生磁化,这种磁化称之为自发磁化.自发磁化的磁化强度为自发磁化强度,通常也是技术上能够达到的饱和磁化强度Ms.
这样可以总结出物质强磁性的形成条件:
ei
1材料中必须含有内壳层未被电子填满的元素,而这些元素在形成大块材料后仍能保留有不满的电子壳层;
2
磁性原子间必须有交换作用使原子磁矩有序排列;
3
当交换作用为负时,还要求相互反平行取向的两组原子的磁矩互不相等.
1.1.3 物质的磁性与分类
磁性是物质的一个本征特性,任何物质都有磁性,根据物质磁性的物理本质和强
弱,可以将物质的磁性分为以下几类:抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性,详细见表1.1.依磁性来分,一种物质的分类如图1.4所示.表1.1 各类磁性材料的主要特征和原子结构关系[1]
材料分类主要指标磁矩的形状宏观磁现象原子结构实例
抗磁性χ＜0,μ＜0,M＜0χ＝-10－5~-10－7MH←→感应磁矩有微弱的排斥性,蜡烛的火焰能被磁场排斥没有未填满的电子壳层,外磁场对满壳的电子壳层的电磁感应产生了抗磁性NaCl,ZnF2,Bi,Sb,Cu,A-
顺磁性χ＞0,μ＞1,M＞0χ＝＋10－3~＋10－5非定向排列↗↘↙→↖←在较强的磁场下才显示微弱的磁性虽然亦有未被填满的电子壳层也进行了电子交换,但由于相邻原子间距较大,因而磁性较弱Sc,FeSO4,FeCl2,NiSO4
铁磁性χ.0,μ.0,M.0χ＝＋102~＋103定向平行排列↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑在磁场作用下有极强的指向性和磁性有未被填满的电子壳层,而且相邻原子比较靠近能进行有效的电子交换Fe,Ni,Co,Fe-Ni,Fe-Si
反铁磁性χ≈0,μ≈1,M≈0χ＝＋10－3~＋10－5定向反平行排列↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓类似于强顺磁性在两个不同次晶格中,大小相等的两个电子自旋磁矩形成反平行排列,一般都是金属氧化物和铁氧体FeO,NiO,CoO,MnO,α-Fe2O3,ZnFe2O4
亚铁磁性χ.0,μ.0,M.0χ＞102定向反平行排列↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓类似于铁磁性在两个不同次晶格中,两种大小不等的磁矩形成反平行排列,一般都是铁氧体MnFe2O4MnZnFe2O4
原子无磁矩......逆磁体
ü.y
原子间无交换作用磁矩混排列}....顺磁体
弱磁性
ì..
í
原子有磁矩
.t
材料
.反铁磁体两组原子磁矩不等.亚铁磁体原子间有负交换作用,磁矩反平行排两组原子磁矩相等{
..
}
强磁性
原子间有正交换作....铁磁体
材料
用,磁矩平行排列
图1.4 依磁性的物质分类1.1.4 磁学与磁性材料的发展梗概表1.2具体列出了近代磁学与磁性材料的发展梗概.
表1.2 磁学与磁性材料近代发展梗概
时间发展内容
1895年Curie居里定律1905年抗、顺磁性Ln-in朗之万理论1907年铁磁性Weis
a外斯ve分子场理论
1915年A.Einstein爱因斯坦和W.J.deHa
s德.哈斯回旋磁效应1919年Barkhauen巴克豪森效应1925年Uhlenbcks乌伦贝克和-oudsmit古德斯密特电子自旋磁矩实验
1927年Bril
ouine布里渊函数1928年Heisenber-海森伯交换相互作用Frenkel弗仑克尔和Dorfman多尔夫曼提出单畴粒子理论.Bloch布洛赫建立低温自1930年旋波理论
1931年Bit
er比特粉纹磁畴实验.Mishima三岛发明铝镍钴硬磁1932年VanVlck范弗莱克提出原子磁矩性质.Ne
l奈尔,Landau朗道提出反铁磁理论1935年Landaue朗道和Lifshitz栗弗席兹建立磁畴结构理论1936年Slater斯莱特的铁磁性能带理论1938年磁铅石型铁氧体合成1946年-rif
iths格里菲斯金属的铁磁共振实验1948年奈耳建立亚铁磁性理论1949年Polder波耳德建立旋磁性和张量磁导率理论1951年Hr
in-海林、Kit
el基特尔提出巡游电子铁磁性理论1952年钡铁氧体合成1955年奈耳畴壁.石榴石型铁氧体合成
1957年Walker沃克静磁膜理论,RKKY作用理论形成.Wil
iams威廉斯研究MnBi合金膜,提
出磁光记录原理
1958年Mos
ber穆斯堡尔效应.出现超导性铁磁合金1959年Andrsonua安德森建立绝缘化合物铁磁性理论1960年日e金夫秀子发明铁-铬-钴硬磁
1964年近藤Kodo效应1967年Bobeck博n贝克发明磁泡.第一代稀土钴硬磁产生
第二代稀土钴硬磁产生.Chaudhari乔德哈利用溅射法制成钆钴-dCo非晶垂直磁化
1973年膜,开发出第一代磁光记录介质,即稀土过渡金属合金非晶垂直磁化膜.非晶态材料发展.
磁性液体
1974年日本TDK公司制成AVILYN包钴γ-Fe2O3磁粉
1978年出现金属薄膜磁带.Moriya守谷亨提出自旋涨落理论
1980年日本KDD公司制成磁光盘1988年上市
1983年第三代稀土硬磁Nd-Fe-B产生1987年有机铁磁体发现
1988年纳米交
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