磁性材料的開發(fā)動向及其應用
一、前言
誰都知道磁性材料對電機技術具有決定性的作用。尤其是高效小型精密電機,由于磁性材料決定了永磁電機的性能;因此不僅僅是磁性能,對磁鋼的尺寸精度、機械強度等綜合性能都有要求;從軟性磁鋼到高性能的稀土燒結磁鋼在各種永磁電機中都有應用。最近在一些大型電機中為了提高能效也開始引入永磁磁鋼;磁性材料決定了激磁線圈的磁路,為了降低電機的損耗,現(xiàn)在這正在研究提高磁性材料的飽和磁場的磁密度。
二、永磁材料的發(fā)展
隨著社會發(fā)展步入高度電氣化,對磁性材料的需求量也越來越大。圖l是靠永磁材料支撐的產業(yè)領域。圖2是永磁材料的發(fā)展歷史。最早是1917年日本東北帝國大學的多光太郎博士發(fā)明的ks鋼,在1940年初上市;這是一種以鐵為基本材料含鋁(al)、鎳(ni)和鈷(co)等成份的合金,這是最初的鋁鎳鈷磁鋼原型。此后從36kj/m3(4.5mgoe)到80kj/m3(l0mgoe)的許多高性能的鋁鎳鈷材料相繼開發(fā)出來,但到了70年代后期由于鈷的資源稀少價格上升,使得鋁鎳鈷磁鋼的生產大大減少。由于鋁鎳鈷磁鋼具有隨溫度的變化對磁性能影響小的優(yōu)點,所以到現(xiàn)在一些精密機器特殊場合,例如計測儀表等仍然采用鋁鎳鈷磁鋼。
鐵氧體磁鋼的原型最早是1929年東京工業(yè)大學的加藤與五郎、武井武兩個博士發(fā)明的op磁鋼。1952年荷蘭的菲津浦公司開發(fā)了鐵氧體磁鋼,后來1963年又開發(fā)出釤鐵氧體磁鋼。特性在20-35kj/m3 (2.7-4. 4mgoe)左右。由于這種磁鋼以資源豐富、價廉的氧化鐵(fe2o3)為主要原材料,所以開始用作揚聲器、微波爐的磁鋼材料;現(xiàn)在在汽車、電氣產品、家電以及工業(yè)用各種電機中廣泛采用這種磁鋼。生產量占全部永磁鋼產量的百分之九十六左右。后來鐵氧體的磁鋼性能不再提高,特別是電氣產品和工業(yè)電機領域迫切要求提高鐵氧體磁鋼的性能,1997年出現(xiàn)了含鑭和鉆的釤鐵氧體磁鋼,這種磁鋼有接近極限的高磁密度、高矯頑力特性的磁性能。
稀土類永磁磁鋼的歷史是從1966年開始的,當時美國的g.hoffer和k.strnat二個博士提出以稀土類一鉆的化合物為基本材料生產稀土磁鋼。發(fā)現(xiàn)了稀土類元素4f電子和遷移元素3d電子為基礎的新金屬化合物。首先出現(xiàn)了1-5型釤一鈦磁鋼,到了以70年代高性能smco5(釤一鈷)磁鋼開始實際投入應用,磁性能達到119-159kj/m3 ( 15-20mgoe)。
在這一期間,對早期的sm-co系列磁鋼進行了改良,1975年日本的表好夫博士在sm2co17中加入銅(cu)和(fe),開發(fā)出了sm(co,fe,cu).系列稀土磁鋼。217型sm—co磁鋼達到l99_239kj/m3 (20-30mgoe)的高磁性能,使磁鋼性能向前大大飛躍了一步。
但是這種磁鋼的主要材料鈷和釤是稀有元素,價格很高。釤(sm)元素在稀土礦石中的含量只有百分之0.5-3.1,而鈷材料的主要出產國在菲州的剛果,已成為戰(zhàn)略物資;隨著世界形勢的變化,價格即高而且起落不定,所以sm-co系列的磁鋼不可能成為大量消費的磁鋼材料。
磁材研究人員和磁材用戶一直夢寐以求開發(fā)出不含鈷的永磁鋼。這一夢想的實現(xiàn)是在1982年日本佐川真人博士發(fā)明的釹(nd)鐵(fe)一硼(b)稀土磁鋼。這種新發(fā)現(xiàn)的磁鋼是以nd2fe 14b的金屬化合物為基本元素材料的永磁磁鋼;釹在稀土類元素中含量豐富、鐵更是不成問題,以這二種元素作主要材料的永磁磁鋼達到了279~398kj/m3( 35 -50mgoe)的高性能,這對于高度電子化的現(xiàn)代社會來講無疑是特大喜訊,這樣就可以在各種領域廣泛使用。
三、 高性能釹鐵硼磁鋼的磁特性
圖3是住友特殊金屬株式會社原料配合(neomax)和日立金屬株式會社的磁材公司磁性材料事業(yè)部2004年4月1日發(fā)表的燒結釹鐵硼磁鋼的****磁能積特性。1984年本公司在世界上首先開始批量生產燒結釹鐵硼磁鋼,當時達到239-279kj/m 3( 30-35mgoe)的高性能。后來用鏑(dy)等來置換。一部分釹(nd),又添加鋁、銅等,再添加鈷、鉬(mo)等使矯頑力提高,改善耐熱性、提高抗腐蝕性。另外以精密控制方法,在世界上首創(chuàng)嚴格控制鑄造合金的結晶組織。將當時鋼鐵界還在研究中的非晶鋼溶煉技術率先應用于釹鐵硼磁鋼的批量生產中。這種方法如圖4所示,將成分配好的合金溶液連續(xù)澆在旋轉的滾筒上,這樣可以得到均勻細微的鑄 |