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磁性材料磁铁相关知识 磁铁的基本概述 随着社会的发展，磁铁的应用也越来越广泛，从高科技产品到最简单的包装磁，磁铁目前应用 最为广泛的还是钕铁硼磁铁，铁氧体磁铁和永久磁铁。 那么永久磁铁特性是什么呢 永久磁铁是在没有外加磁场下，能够长时间保持自身磁性的物体。永久磁铁可用具有铁磁性的物料， 如铁、镍等制成。 其原子结构特殊，原子本身具有磁矩。一般的这些矿物分子排列混乱，磁区互 相影响就显不出磁性，但是在外力如磁场导引下分子排列方向趋向一致，就显出磁性，也就是俗称 的磁铁，铁、钴、镍是最常用的磁性物质。 基本上磁铁分永久磁铁与软磁， 永久磁铁是加上强磁使磁性物质的自旋与电子角动量成固定方 向排列；软磁则是加上电流，等电流去掉，软铁会慢慢失去磁性。 磁铁只是一个通称，是泛指具有磁性的，实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没 有永久磁性，只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性，一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素如加碳 来使磁性稳定下来，但是这样会使电子的自由性降低而不易导电，所以电流通过的时候灯泡亮不起 来，铁是常见的带磁性元素，但许多其他元素具有更强的磁性，像强力磁铁很多就是钕、铁、硼等 混合而成的，抗磁力是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度。 永久磁铁钕铁硼的历史 稀土永久磁铁材料钕铁硼 钕稀土永久磁铁是一新型磁性材料, 被开发在 80 年代, 具有优质的磁性特征, 高能和高抗磁力 产品。到目前为止，这是最强的磁性材料，因此被称为磁铁之王。 稀土永久磁铁材料钕铁硼的主要用途 不仅原材料丰富，且相对低廉的价格及极好的磁性特征使得钕铁硼得以迅速的发展及广泛的应 用. 在很多领域比如仪器仪表, 汽车工业, 石油化工产业和磁性医疗保健产品方面，它取代了传统的 铁氧体，钕镍钴，钐钴. 稀土永久磁铁材料钕铁硼的外观 最典型和基本的常用磁铁形状有圆片，圆环，弧形和长方形（方形） 。 表面可以进行各种涂层 处理, 譬如可以镀上镍, 锌, 环氧, 锡, 铬, 银, 金. 稀土永久磁铁材料的发展 稀土元素具有独特的磁性特征，在现代科技里，稀土材料以稀土为原料是很重要的材料。根据 稀土材料的发展来看，可以分为三代第一代，稀土永磁磁性材料釤钴 5，发展于美国 60 年代，主 要应用在军事领域。第二代，稀土永磁磁性材料钐钴铜铁锆发展于 70 年代，应用领域广泛。第三代， 稀土永磁磁性材料钕铁硼磁铁发展于日本 80 年代。第三代磁性材料的诞生引起了全世界的关注，因 为钕铁硼磁铁不仅有价格的优势且具有更高的磁性强度。钕铁硼产品的钕和铁取代了昂贵的第一代 和第二带产品钐和钴。 稀土永久磁铁钕铁硼材料的市场分析 1990 年，在世界范围内，稀土钕铁硼磁铁的使用量为 2500 千吨，1992 年为 4000 千吨，1997 年为 7000 千吨，2000 年为 1 千万吨。金属钕是生产钕铁硼的主要材料（占 35） ，在中国有成百上 千的钕铁硼制造商。1998 年，年总产量达 4000 千吨。 2000 年，全世界对钕的需求量为 3500 千吨, 国内的需求量也达到 1000 千吨. 中国有着丰富的 稀土资源，很多国家都从中国进口稀土成份。日本 80的稀土成份来源于中国，金属钕的市场随着 钕铁硼的市场变化而变化。目前，钕铁硼稀土磁铁的需求在国际市场的年增长率为 12-15，国内年 增长率超过了 20，金属钕市场是光明的 矿产资 源 数字签名者矿产资源 DNcn矿产资源, o图书, ou资料区, emailmyemail, c无 日期2011.10.28 095435 0800 磁铁的特点及分类 磁铁的种类很多，一般分为永磁和软磁两大类。 一永磁磁铁。永磁铁磁力大小排列为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁。 永磁磁铁又分二大分类 第一大类是金属合金磁铁，包括钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁。 1.钕铁硼磁铁钕铁硼是目前发现商品化性能最高的磁铁，被人们称为磁王，拥有极高的磁性 能其最大磁能积BHmax高过铁氧体Ferrite10 倍以上。其本身的机械加工性能亦相当之好。工作温 度最高可达 200 摄氏度。而且其质地坚硬，性能稳定，有很好的性价比，故其应用极其广泛。但因 为其化学活性很强，所以必须对其表面凃层处理。如镀 Zn,Ni,电泳、钝化等。 2.钐钴磁铁（SmCo）依据成份的不同分为 SmCo5 和 Sm2Co17。由于钐钴材料价格昂贵而使其 发展受到限制。钐钴磁石（SmCo）作为稀土永磁铁，不但有着较高的磁能积（14-28MGOe） 、可靠 的矫顽力和良好的温度特性。与钕铁硼磁钢相比，钐钴磁铁更适合工作在高温环境中。 3.铝镍钴磁铁铝镍钴是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铸造工艺可 以加工生产成不同的尺寸和形状，可加工性很好。铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温 度可高达 600 摄氏度以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。 钕铁硼磁铁 特性钕铁硼永磁材料是以金属间化合物 Nd2Fe14B 为基础的永磁材料。钕铁硼具有极高 的磁能积和矫力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应 用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。 材质特点钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，温度特性 差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，才能达到实际 应用的要求。 制造工艺钕铁硼的制造采用粉末冶金工艺。 工艺流程 配料 → 熔炼制锭→ 制粉 → 压型 → 烧结回火 → 磁性检测 → 磨加工 → 销切加工 → 电镀 → 成品。 钐钴磁铁 钐钴磁铁又称钐钴磁钢、钐钴永磁体、钐钴永久磁铁、钐钴强磁铁、稀土钴永磁等。是由 钐、钴和其它金属稀土材料经配比，溶炼成合金，经粉碎、压型、烧结后制成的一种磁性材料，具 有高磁能积、极低的温度系数，最高工作温度可达 350℃，负温不限，在工作温度 180℃以上时，其 最大磁能积及温度稳定性和化学稳定性均超过钕铁硼永磁材料。具有很强的抗腐蚀和抗氧化性；所 以被广泛应用在航空航天、国防军工、微波器件、通讯、医疗设备、仪器、仪表、各种磁性传动装 置、传感器、磁处理器、电机、磁力起重机等。 钐钴磁铁生产流程 配料 → 熔炼制锭→ 制粉 → 压型 → 烧结回火 → 磁性检测 → 磨 加工 → 销切加工 → 成品 钐钴磁铁典型形状园片、圆环、方片、方条、瓦形、特殊形状可根据加工。 铝镍钴磁铁 铝镍钴磁铁特点是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铸造工艺可 以加工生产成不同的尺寸和形状，可加工性很好。铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温 度可高达 600 摄氏度以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。 铝镍钴磁铁分类可分为铸造铝镍钴和烧结铝镍钴两大类。 铝镍钴应用场所铸造铝镍钴产品主要应用于汽车零件、仪器仪表、电声、电机、教学以 及航天航空军用等领域，具有温度系数低，耐高温、耐潮湿、不易氧化以及工作稳定性好等优点。 烧结铝镍钴采用粉末冶金的方法生产而成，适合于生产形状复杂、轻、薄、小的产品，广 泛应用于仪器仪表、通讯、磁电开关及各种传感器。 铝镍钴磁铁形状可生产圆柱形、圆环形、长方体形、扁形、瓦形、马蹄形。 第二大类是铁氧体永磁材料 铁氧体磁铁铁氧体主要原料包括 BaFe12O19 和 SrFe12O19。通过陶瓷工艺法制造而成，质地 比较硬，属脆性材料，由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中，已成为应用最为广 泛的永磁体。 铁氧体磁铁 铁氧体磁铁特点它主要原料包括 BaFe12O19 和 SrFe12O19。通过陶瓷工艺法制造而成， 质地比较硬，属脆性材料，由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中，已成为应用最 为广泛的永磁体。 铁氧体磁铁特性具有较高的磁性能，较好的时间稳定性和较低的温度系数。 铁氧体磁铁应用场所广泛应用于电表、仪表、电机、自动控制、微波器件、雷达和医疗 器械等。 铁氧体磁铁充磁方向可轴向、径向或按要求充磁。 铁氧体磁铁形状可生产圆柱形、圆环形、长方体形、扁形、瓦形，斧状。 二软磁铁。 软磁材料是指剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料，如硅钢片、纯铁等。特点是易磁化、易去磁且 磁滞回线较窄。软磁材料常用来制作电机、变压器、电磁铁等电器的铁心。 软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁 硅合金硅钢片以及各种软磁铁氧体等。 软磁材料种类繁多，通常按成分分为 ①纯铁和低碳钢。含碳量低于 0.04％，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁 化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用， 如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。 ②铁硅系合金。含硅量 0.5％ ～ 4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入 硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加， 饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制 造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。 ③铁铝系合金 。含铝 6％～16％，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐 磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。 ④铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电 阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。 ⑤镍铁系合金。镍含量 30％～90％，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可 控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压 器材料、电感铁芯和功能磁性材料。 ⑥铁钴系合金。钴含量 27％～50％。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、 电机转子和定子、小型变压器铁芯等。 ⑦软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-2～1010Ωm ） ，饱和磁化强度比 金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体） 。 ⑧非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁 导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和 高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用 的新型软磁材料。 ⑨超微晶软磁合金。20 世纪 80 年代发现的一种软磁材料。由小于 50纳米左右的结晶相和 非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损 耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度 Bs其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢 量整齐排列。 剩余磁感应强度 Br是磁滞回线上的特征参数，H 回到 0 时的 B 值。 矩形比Br⁄Bs 矫顽力 Hc是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等） 。 磁导率 μ是磁滞回线上任何点所对应的 B 与 H 的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率 μi、最大磁导率 μm、微分磁导率 μd、振幅磁导率 μa、有效磁导率 μe、脉冲磁 导率 μp。 居里温度 Tc铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失， 转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗 P磁滞损耗 Ph 及涡流损耗 Pe P Ph Pe af bf2 c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低磁滞损 耗 Ph 的方法是降低矫顽力 Hc；降低涡流损耗 Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度 t 及提高材料的电 阻率 ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电 流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性 参数与器件电气参数的转换关系。 设计软磁器件通常包括三个步骤正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸； 根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 磁性材料是一种重要的电子材料。早期的磁性材料主要采用金属及合金系统，随着生产的发展， 在电力工业、电讯工程及高频无线电技术等方面，迫切要求提供一种具有很高电阻率的高效能磁性 材料。在重新研究磁铁矿及其他具有磁性的氧化物的基础上，研制出了一种新型磁性材料铁氧 体。铁氧体属于氧化物系统的磁性材料，是以氧化铁和其他铁族元素或稀土元素氧化物为主要成分 的复合氧化物，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。 铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为尖晶石型（MFe2O4） ；石榴石型（R3Fe5O12） ；磁铅石 型（MFe12O19） ；钙钛矿型（MFeO3） 。其中M指离子半径与Fe2＋相近的二价金属离子，R为稀土 元素。按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。 软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。有实用价值的软磁铁氧体 主要是锰锌铁氧体Mn－ZnFe2O4 和镍锌铁氧体Ni－ZnFeO4。软磁铁氧体的晶体结构一般都是立方 晶系尖晶石型，这是目前各种铁氧体中用途较广，数量较大，品种较多，产值较高的一种材料。主 要用作各种电感元件，如滤波器、变压器及天线的磁性和磁带录音、录像的磁头。