永磁合金

磁性材料

永磁合金指经充磁后，在撤掉外磁场时仍能保留较高剩磁的磁性合金。永磁合金不但具有高的硬度和力学性能，还具备较强的抗去磁能力、矫顽力值高(大于20kA/m)、磁性“硬”等特点，因而又称硬磁合金。

简介

永磁合金为磁性材料中的一类，一般可分硬磁合金和软磁合金。硬磁合金即永磁合金，其永磁特性较好，一旦被饱和磁化后，去除磁场，也能在长时间内保持较强和稳定的磁性。其固有矫顽力高，抗退磁性强。硬磁合金有铂钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金等，口腔科常用以制作磁性固位体。软磁合金具有高磁导率和低矫顽力，它本身无磁性，在强磁场中易被磁化，一旦脱离磁场，则磁性消失。软磁合金有铁铝、铁钴、钯钴镍合金等。可铸造成任意外形，口腔科常用制作磁轭和衔铁，与永磁体组合形成闭合磁路磁性固位体。

永磁合金亦称为“磁合金”。磁滞回线是磁性材料的基本特性曲线。矫顽力Hc低于10Oe的合金为软磁合金，对它希望Hc值尽量小，即磁滞回线包围的面积愈窄小愈好。目前这类合金的Hc最低值约为0.002Oe。Hc值为10～ 300Oe的合金称为“半硬磁合金”。Hc值高于300Oe 的合金称为 “硬磁合金”。作为硬磁合金，通常希望Hc尽量大，即磁滞回线包围的面积愈大愈好，目前这类合金的Hc最高值约10000Oe。磁性合金属于精密合金，作为功能材料在工业上用途很广。

历史

自然界存在的天然磁石和永磁现象很早就在中国被发现。据考证，中国在战国时期已有用天然磁铁矿琢磨成的指南针，称“司南”，最早记载于公元前3世纪韩非子的《有度篇》。一般认为，现代永磁合金的发展历史始于1880年，当时最好的永磁合金是含碳1%～1.5%的碳钢，通过高温淬火而硬化。它的磁性很低，最大磁能积小于2kJ/m。，矫顽力值小于4kA/m。20世纪初逐渐发展起来的钨钢和铬钢，使磁性略有提高。1917年出现了含钴35%的钴钢，使磁能积提高到8kJ/m。矫顽力也提高到20kA/m。

永磁材料的发展经历了合金磁体、铁氧体、稀土过渡族金属磁体三个阶段。按磁性的高低，大致可分为两类：

1) 一般永磁材料，主要包括淬火马氏体钢、铝镍钴系合金、锰铝系合金、铁铬钴系合金、铜镍铁系合金、铁钴钒系合金以及永磁铁氧体等，这类永磁材料磁性较差，最大磁能积(BH)max一般不超过80k J/m3；

2)稀土永磁材料，如钐-钴系磁体(如Sm Co5、Sm2Co17等)、钕-铁-硼系磁体、铁基稀土氮化物以及纳米复合稀土永磁体等，具有优良的磁性能，其中Nd Fe B的最大磁能积理论预言值高达500~600k J/m3。

1931年日本人三岛发现了铁镍铝基弥散硬化合金，使永磁性能获得了极大提高。在此基础上通过添加钴、铜、钛、铌等元素，并采用了磁场热处理和定向结晶凝固等工艺技术，发展成为在20世纪中叶最具影响的铝镍钴系永磁合金。实验室的水平达到(BH)max=108kJ/m3，最高矫顽力达到150kA/m。该类合金美、日、德、荷、英等国都有大量生产。在此期间，还相继开发出一系列可变形永磁合金，如铁钴钨和铁钴钼、铂钴合金，铜镍铁合金以及铁钴钒合金和铁铬钴系、锰铝碳等永磁合金。50年代以后，随着对永磁合金的物理和冶金性能的逐渐了解，尤其是通过对合金内部结构及矫顽机制的深入研究，开发出一系列高性能永磁合金，使永磁合金获得了惊人的发展。特别是稀土永磁的出现开辟了永磁合金新的历史，60年代出现的稀土钴永磁合金，实验室水平已达到(BH)max=262．7kJ/m3。其中RCo5(R代表稀土元素)型的合金称为第一代稀土永磁合金，R2Co17型的称为第二代稀土永磁合金。1983年日本的佐川真人等发明了钕铁硼永磁合金，称为第三代稀土永磁合金，实验室的最大磁能积已达到431．4kJ/m。，创造了永磁性能的最高记录。100多年来，永磁合金的磁能积提高了近250倍，矫顽力提高了近100倍。目前正在开展研制的钐铁氮合金称为第四代稀土永磁合金。还开发了全新机制的双相纳米晶稀土永磁合金。不同时期的永磁合金如图1所示：

中国从50年代末开始研制永磁合金，60年代初正式生产可变形永磁和铝镍钴系永磁合金，磁性能与国际同类产品水平相当。有些合金如定向结晶铝镍钴合金在实验室还创造了(BH)max=108kJ/m。的最高记录。70年代初中国又开始研制稀土永磁合金，生产的合金品种和实验室的研究水平都接近国际水平，只是工业生产的水平稍有差距。

分类

永磁合金的品种很多，不下百种。根据生产工艺和使用习惯，通常可分为五大类：稀土永磁合金，铝镍钴系永磁合金，可变形永磁合金，锰铝碳永磁合金和粘结稀土永磁合金。

性能参数

永磁合金均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。根据不同的用途，选择不同永磁合金组成磁路，形成所需要的磁场，磁场强度的大小与合金的磁性能和组成的磁路有密切关系。

其气隙的磁场强度

式中Vm、Bm和Hm分别为磁体的体积，磁感应强度和磁场强度；Vg和Hg是气隙的体积和磁场强度。Bm和Hm相当于退磁曲线上A点的B和H。(Bm·Hm)=(B·H)是永磁体能量密度的2倍，称磁能积。磁能积随B而变化的曲线称为磁能曲线，其中与D点对应的BD和HD的乘积有最大值，称最大磁能积，用(BH)max或(BH)m表示。显然，要求永磁合金的(BH)max越大越好，而(BH)max又与合金的剩余磁感应强度和矫顽力密切相关。因此衡量永磁合金磁性能优劣的主要依据是退磁曲线上的4个参数，即

（1）(BH)max：最大磁能积，kJ/m3(千焦/米3)。

（2）Br：剩余磁感应强度，T(特)。

（3）Hcb：磁感矫顽力，kA/m(干安/米)。

（4）HCJ：内禀矫顽力，kA/m(千安/米)。

此外还要求合金具有高的居里温度(Tc)，这决定它是否有良好的温度稳定性。

生产工艺永磁合金的生产工艺有以下5种：

（1）铸造和热处理工艺。绝大部分铝镍钴系永磁合金都采用这种工艺来生产

（2）变形加工和热处理工艺。主要用于可变形永磁合金的生产

（3）粉末冶金制造工艺。绝大部分稀土永磁合金都采用此种工艺生产

（4）粘结工艺。用于生产粘结型永磁合金

（5）温挤压工艺。主要用于锰铝碳合金的制造

用途

永磁合金是一种重要的，现代工业和科学技术不可缺少的功能材料。人们利用磁能与磁能、磁能与电能的相互作用，将磁能转换成电能或机械能；利用磁场对物质的作用，改变物质的微观结构，促进节能和环保作用等。在所有这些装置或器件中永磁合金都担当着重要的功能作用。

其主要用途有：(1)机电设备和装置。主要包括：各种永磁电动机如直流(整流式和无刷)电机、同步电机、回转和线性电机、伺服电机、转矩或步进电机；各种永磁发电机如交流发电机、辅助励磁机、多相同步机、点火或其他脉冲发电机等；各种机电制动器如打印机打字头驱动器、计算机软盘驱动器(也称音圈电机VCM)、激光聚焦与跟踪器(用于激光唱盘、录像机、数据处理机)。飞机测位制动器、机器人等；动圈式电表及断路器、微型位移继电器等。

(2)声波换能器。包括：各种发声器，如扬声器、耳机、电话受话器、电铃、蜂鸣器及超声波发声器等；声音接收器，如话筒、超声波拾音器；以及声像拾音器等。

(3)磁力机械。主要利用磁力的吸引与排斥作用制作：夹持和提升装置，如电磁起重机、机床夹盘和夹具、冰箱门封、广告标记和玩具；牵引装置，如传送带、选矿机、复印机磁鼓；耦合器，如同步扭矩联轴节、磁水泵、线性跟随器、油浮标等；磁轴承和磁悬浮，如无源电度表、超速离心器、陀螺仪、卫星动能轮、涡流分子泵、磁悬浮车辆等。

(4)微波装置。制作各种功率管(如磁控管、行波管和调速管)用脉冲位置调整聚焦装置，正交场放大器，波导装置和粒子加速器等。

(5)传感器和电信号转换器。包括永磁转换器(感应器和霍尔效应仪)及物理量(位置，速度，加速度，流量，压力，温度等)测量传感器。

(6)医用电子仪器和生物工程。有核磁共振成像装置、牙科添料、起搏器、人工心脏泵、诊断用仪器及微型助听器等。

(7)其他方面。有磁锁，磁性宝石，除蜡器，汽车减烟节油器等。

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