磁性材料的開(kāi)發(fā)動(dòng)向及其應(yīng)用
一、前言
誰(shuí)都知道磁性材料對(duì)電機(jī)技術(shù)具有決定性的作用。尤其是高效小型精密電機(jī)，由于磁性材料決定了永磁電機(jī)的性能；因此不僅僅是磁性能，對(duì)磁鋼的尺寸精度、機(jī)械強(qiáng)度等綜合性能都有要求；從軟性磁鋼到高性能的稀土燒結(jié)磁鋼在各種永磁電機(jī)中都有應(yīng)用。最近在一些大型電機(jī)中為了提高能效也開(kāi)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(jī)的損耗，現(xiàn)在這正在研究提高磁性材料的飽和磁場(chǎng)的磁密度。
二、永磁材料的發(fā)展
隨著社會(huì)發(fā)展步入高度電氣化，對(duì)磁性材料的需求量也越來(lái)越大。圖l是靠永磁材料支撐的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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(guó)大學(xué)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(kāi)發(fā)出來(lái)，但到了70年代后期由于鈷的資源稀少價(jià)格上升，使得鋁鎳鈷磁鋼的生產(chǎn)大大減少。由于鋁鎳鈷磁鋼具有隨溫度的變化對(duì)磁性能影響小的優(yōu)點(diǎn)，所以到現(xiàn)在一些精密機(jī)器特殊場(chǎng)合，例如計(jì)測(cè)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?yáng)|京工業(yè)大學(xué)的加藤與五郎、武井武兩個(gè)博士發(fā)明的op磁鋼。1952年荷蘭的菲津浦公司開(kāi)發(fā)了鐵氧體磁鋼，后來(lái)1963年又開(kāi)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(jià)廉的氧化鐵(fe2o3)為主要原材料，所以開(kāi)始用作揚(yáng)聲器、微波爐的磁鋼材料；現(xiàn)在在汽車、電氣產(chǎn)品、家電以及工業(yè)用各種電機(jī)中廣泛采用這種磁鋼。生產(chǎn)量占全部永磁鋼產(chǎn)量的百分之九十六左右。后來(lái)鐵氧體的磁鋼性能不再提高，特別是電氣產(chǎn)品和工業(yè)電機(jī)領(lǐng)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(kāi)始的，當(dāng)時(shí)美國(guó)的g．hoffer和k.strnat二個(gè)博士提出以稀土類一鉆的化合物為基本材料生產(chǎn)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(chǔ)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(kāi)始實(shí)際投入應(yīng)用，磁性能達(dá)到119-159kj/m3 ( 15-20mgoe)。
在這一期間，對(duì)早期的sm-co系列磁鋼進(jìn)行了改良，1975年日本的表好夫博士在sm2co17中加入銅(cu)和(fe)，開(kāi)發(fā)出了sm(co，fe，cu)．系列稀土磁鋼。217型sm—co磁鋼達(dá)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(jià)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(chǎn)國(guó)在菲州的剛果，已成為戰(zhàn)略物資；隨著世界形勢(shì)的變化，價(jià)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(fèi)的磁鋼材料。
磁材研究人員和磁材用戶一直夢(mèng)寐以求開(kāi)發(fā)出不含鈷的永磁鋼。這一夢(mèng)想的實(shí)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(wèn)題，以這二種元素作主要材料的永磁磁鋼達(dá)到了279～398kj/m3( 35 -50mgoe)的高性能，這對(duì)于高度電子化的現(xiàn)代社會(huì)來(lái)講無(wú)疑是特大喜訊，這樣就可以在各種領(lǐng)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(huì)社原料配合(neomax)和日立金屬株式會(huì)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(jié)釹鐵硼磁鋼的****磁能積特性。1984年本公司在世界上首先開(kāi)始批量生產(chǎn)燒結(jié)釹鐵硼磁鋼，當(dāng)時(shí)達(dá)到239-279kj/m 3( 30-35mgoe)的高性能。后來(lái)用鏑(dy)等來(lái)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(yán)格控制鑄造合金的結(jié)晶組織。將當(dāng)時(shí)鋼鐵界還在研究中的非晶鋼溶煉技術(shù)率先應(yīng)用于釹鐵硼磁鋼的批量生產(chǎn)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(zhuǎn)的滾筒上，這樣可以得到均勻細(xì)微的鑄 |
