永磁合金

永磁合金指經充磁後，在撤掉外磁場時仍能保留較高剩磁的磁性合金。永磁合金不但具有高的硬度和力學性能，還具備較強的抗去磁能力、矯頑力值高(大於20kA/m)、磁性“硬”等特點，因而又稱硬磁合金。

基本介紹

• 中文名：永磁合金
• 外文名：Permanent magnetic alloy
• 別稱：磁性合金
• 領域：材料
• 性質：長時間內保持較強和穩定的磁性
• 屬性：磁性材料

簡介

永磁合金為磁性材料中的一類，一般可分硬磁合金和軟磁合金。硬磁合金即永磁合金，其永磁特性較好，一旦被飽和磁化後，去除磁場，也能在長時間內保持較強和穩定的磁性。其固有矯頑力高，抗退磁性強。硬磁合金有鉑鈷合金、釤鈷合金、釹鐵硼合金等，口腔科常用以製作磁性固位體。軟磁合金具有高磁導率和低矯頑力，它本身無磁性，在強磁場中易被磁化，一旦脫離磁場，則磁性消失。軟磁合金有鐵鋁、鐵鈷、鈀鈷鎳合金等。可鑄造成任意外形，口腔科常用製作磁軛和銜鐵，與永磁體組合形成閉合磁路磁性固位體。

永磁合金亦稱為“磁合金”。磁滯回線是磁性材料的基本特性曲線。矯頑 力H_c低於10Oe的合金為軟磁合金，對它希望H_c值 儘量小，即磁滯回線包圍的面積愈窄小愈好。目前這類合金的H_c最低值約為0.002Oe。H_c值為10～ 300Oe的合金稱為“半硬磁合金”。H_c值高於300Oe 的合金稱為 “硬磁合金”。作為硬磁合金，通常希 望H_c儘量大，即磁滯回線包圍的面積愈大愈好，目 前這類合金的H_c最高值約10000Oe。磁性合金屬於 精密合金，作為功能材料在工業上用途很廣。

歷史

自然界存在的天然磁石和永磁現象很早就在中國被發現。據考證，中國在戰國時期已有用天然磁鐵礦琢磨成的指南針，稱“司南”，最早記載於公元前3世紀韓非子的《有度篇》。一般認為，現代永磁合金的發展歷史始於1880年，當時最好的永磁合金是含碳1%～1.5%的碳鋼，通過高溫淬火而硬化。它的磁性很低，最大磁能積小於2kJ/m。，矯頑力值小於4kA/m。20世紀初逐漸發展起來的鎢鋼和鉻鋼，使磁性略有提高。1917年出現了含鈷35%的鈷鋼，使磁能積提高到8kJ/m。矯頑力也提高到20kA/m。

永磁材料的發展經歷了合金磁體、鐵氧體、稀土過渡族金屬磁體三個階段。按磁性的高低，大致可分為兩類：

1) 一般永磁材料，主要包括淬火馬氏體鋼、鋁鎳鈷系合金、錳鋁系合金、鐵鉻鈷系合金、銅鎳鐵系合金、鐵鈷釩系合金以及永磁鐵氧體等，這類永磁材料磁性較差，最大磁能積(BH)max一般不超過80k J/m3；

2)稀土永磁材料，如釤-鈷系磁體(如Sm Co5、Sm₂Co₁₇等)、釹-鐵-硼系磁體、鐵基稀土氮化物以及納米複合稀土永磁體等，具有優良的磁性能，其中Nd Fe B的最大磁能積理論預言值高達500~600k J/m3。

1931年日本人三島發現了鐵鎳鋁基彌散硬化合金，使永磁性能獲得了極大提高。在此基礎上通過添加鈷、銅、鈦、鈮等元素，並採用了磁場熱處理和定向結晶凝固等工藝技術，發展成為在20世紀中葉最具影響的鋁鎳鈷系永磁合金。實驗室的水平達到(BH)max=108kJ/m3，最高矯頑力達到150kA/m。該類合金美、日、德、荷、英等國都有大量生產。在此期間，還相繼開發出一系列可變形永磁合金，如鐵鈷鎢和鐵鈷鉬、鉑鈷合金，銅鎳鐵合金以及鐵鈷釩合金和鐵鉻鈷系、錳鋁碳等永磁合金。50年代以後，隨著對永磁合金的物理和冶金性能的逐漸了解，尤其是通過對合金內部結構及矯頑機制的深入研究，開發出一系列高性能永磁合金，使永磁合金獲得了驚人的發展。特別是稀土永磁的出現開闢了永磁合金新的歷史，60年代出現的稀土鈷永磁合金，實驗室水平已達到(BH)max=262．7kJ/m3。其中RCo5(R代表稀土元素)型的合金稱為第一代稀土永磁合金，R2Co17型的稱為第二代稀土永磁合金。1983年日本的佐川真人等發明了釹鐵硼永磁合金，稱為第三代稀土永磁合金，實驗室的最大磁能積已達到431．4kJ/m。，創造了永磁性能的最高記錄。100多年來，永磁合金的磁能積提高了近250倍，矯頑力提高了近100倍。目前正在開展研製的釤鐵氮合金稱為第四代稀土永磁合金。還開發了全新機制的雙相納米晶稀土永磁合金。不同時期的永磁合金如下圖：

中國從50年代末開始研製永磁合金，60年代初正式生產可變形永磁和鋁鎳鈷系永磁合金，磁性能與國際同類產品水平相當。有些合金如定向結晶鋁鎳鈷合金在實驗室還創造了(BH)max=108kJ/m。的最高記錄。70年代國中國又開始研製稀土永磁合金，生產的合金品種和實驗室的研究水平都接近國際水平，只是工業生產的水平稍有差距。

分類

永磁合金的品種很多，不下百種。根據生產工藝和使用習慣，通常可分為五大類：稀土永磁合金，鋁鎳鈷系永磁合金，可變形永磁合金，錳鋁碳永磁合金和粘結稀土永磁合金。

性能參數

永磁合金均在開路狀態下使用，作為磁場源或動作源。根據不同的用途，選擇不同永磁合金組成磁路，形成所需要的磁場，磁場強度的大小與合金的磁性能和組成的磁路有密切關係。

其氣隙的磁場強度

式中Vm、Bm和Hm分別為磁體的體積，磁感應強度和磁場強度；Vg和Hg是氣隙的體積和磁場強度。Bm和Hm相當於退磁曲線上A點的B和H。(Bm·Hm)=(B·H)是永磁體能量密度的2倍，稱磁能積。磁能積隨B而變化的曲線稱為磁能曲線，其中與D點對應的BD和HD的乘積有最大值，稱最大磁能積，用(BH)max或(BH)m表示。顯然，要求永磁合金的(BH)max越大越好，而(BH)max又與合金的剩餘磁感應強度和矯頑力密切相關。因此衡量永磁合金磁性能優劣的主要依據是退磁曲線上的4個參數，即

（1）(BH)max：最大磁能積，kJ/m3(千焦/米3)。

（2）Br：剩餘磁感應強度，T(特)。

（3）Hcb：磁感矯頑力，kA/m(乾安/米)。

（4）HCJ：內稟矯頑力，kA/m(千安/米)。

此外還要求合金具有高的居里溫度(Tc)，這決定它是否有良好的溫度穩定性。

生產工藝 永磁合金的生產工藝有以下5種：

（1）鑄造和熱處理工藝。絕大部分鋁鎳鈷系永磁合金都採用這種工藝來生產

（2）變形加工和熱處理工藝。主要用於可變形永磁合金的生產

（3）粉末冶金製造工藝。絕大部分稀土永磁合金都採用此種工藝生產

（4）粘結工藝。用於生產粘結型永磁合金

（5）溫擠壓工藝。主要用於錳鋁碳合金的製造

用途

永磁合金是一種重要的，現代工業和科學技術不可缺少的功能材料。人們利用磁能與磁能、磁能與電能的相互作用，將磁能轉換成電能或機械能；利用磁場對物質的作用，改變物質的微觀結構，促進節能和環保作用等。在所有這些裝置或器件中永磁合金都擔當著重要的功能作用。

其主要用途有：(1)機電設備和裝置。主要包括：各種永磁電動機如直流(整流式和無刷)電機、同步電機、迴轉和線性電機、伺服電機、轉矩或步進電機；各種永磁發電機如交流發電機、輔助勵磁機、多相同步機、點火或其他脈衝發電機等；各種機電制動器如印表機打字頭驅動器、計算機軟碟驅動器(也稱音圈電機VCM)、雷射聚焦與跟蹤器(用於雷射唱盤、錄像機、數據處理機)。飛機測位制動器、機器人等；動圈式電錶及斷路器、微型位移繼電器等。

(2)聲波換能器。包括：各種發聲器，如揚聲器、耳機、電話受話器、電鈴、蜂鳴器及超音波發聲器等；聲音接收器，如話筒、超音波拾音器；以及聲像拾音器等。

(3)磁力機械。主要利用磁力的吸引與排斥作用製作：夾持和提升裝置，如電磁起重機、工具機夾盤和夾具、冰櫃門封、廣告標記和玩具；牽引裝置，如傳送帶、選礦機、複印機磁鼓；耦合器，如同步扭矩聯軸節、磁水泵、線性跟隨器、油浮標等；磁軸承和磁懸浮，如無源電度表、超速離心器、陀螺儀、衛星動能輪、渦流分子泵、磁懸浮車輛等。

(4)微波裝置。製作各種功率管(如磁控管、行波管和調速管)用脈衝位置調整聚焦裝置，正交場放大器，波導裝置和粒子加速器等。

(5)感測器和電信號轉換器。包括永磁轉換器(感應器和霍爾效應儀)及物理量(位置，速度，加速度，流量，壓力，溫度等)測量感測器。

(6)醫用電子儀器和生物工程。有核磁共振成像裝置、牙科添料、起搏器、人工心臟泵、診斷用儀器及微型助聽器等。

(7)其他方面。有磁鎖，磁性寶石，除蠟器，汽車減煙節油器等。