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钕铁硼磁体――最强磁力的永久磁铁

2014/11/18 17:04:23 科大众科普网 阅读 【字体:

由稀土元素R与铁、硼组成的金属间化合物。R主要是钕或钕与其他稀土元素的组合,有时也用钴、铝、钒等元素取代部分铁。

neodymium-iron-boron magnet

钕铁硼磁体有很强的磁晶各向异性和很高的饱和磁化强度,其代表性的磁体成分为Nd15Fe77B8(原子比)。在永磁材料中,烧结Nd-Fe-B磁体性能最高,商业产品的最大磁能积(BHmax=360kJ/m3,内禀矫顽力iHc达到8001400kA/m。但该磁体的居里温度较低(314),温度稳定性和耐蚀性较差,限制了在较高温度下使用,而且在多数情况下需采用保护涂层。钕铁硼磁体的制造工艺有粉末冶金法和熔体快淬法。因磁性能优异,Nd-Fe-B型磁体获得了广泛的应用,主要用于电动机、发电机、声波换能器、各种传感器、医疗器械和磁力机械等。

钕铁硼磁体是由日本当代科学家左川真人发明的一种新型永磁体,它是由钕,铁,硼三种元素组成的合金磁体,是现在磁性最强的永磁体,因为钕原子是扁形的,电子云的受限,使铁原子不会偏移,从而形成不变的磁力。

19831129届金属学术讨论会上,日本住友特殊金属公司最先提出钕、铁、硼永久磁性材料的制造,真是“一石激起千层浪”,此后,引起了钕铁硼新磁性金属研究的热潮,十多年来,这方面的专利与日俱增, 日本住友特殊金属公司在这方面还保持新磁性金属专利的“霸王”地位。

80年代前,日本住友特殊金属公司在磁性金属方面的研究工作,总落后于美国通用公司,为了打破美国通用公司的垄断地位,住友公司的老板,出重金悬赏,奖给本公司品质优良新磁性金属的发明者。

“真是重赏之下必有勇夫”。一个名叫佐川真人的技术员,挺身而出,接受公司研究新磁性金属的任务。

佐川真人身材矮小,貌不惊人,平日沉默寡言,他接受任务的目的,决非为了奖金,而是出于民族自尊心,力图要在这方面赶上美国,并超过美国。研究工作一开始,并非想象中那么顺利,但是,一次又一次的失败,使佐川真人从实际中得到教训,总结经验,使与成功的距离日益趋近。到了1983年的夏天,他终于成功地制造出一种叫钕铁硼永久磁性材料,从此一鸣惊人。

佐川真人的永久磁性金属的成份大体如下:钕和镨占11-18%,硼占6-12%,钒占2-6%,余下来的是铁和钴。它的制造方法有两种:第一种是先在电炉中进行熔化,然后在惰性气体的气氛中用700-1100下进行热处理,从而形成包围晶粒的抗氧化保护膜,接下来进行常规压制成型,烧结和热处理;第二种方法是在熔化过程中钒或钴以后加入,其目的在于烧结时能使其在晶界析出形成氧化保护膜,接下来也是常规的烧结和热处理。

从上述两个方法制得的钕铁硼永久磁性金属有如下特点:其一,大大地提高了磁体的矫顽力,其磁性矫顽力可达15.2-21Koe,最大磁能积30MGoe;其二,是对温度特别稳定,比传统的永久磁性材料的稳定性提高了三倍;其三,它有较强的耐蚀性,耐蚀性比传统材料大二倍。

佐川真人的发明使日本在永久磁性金属材料的生产不仅赶上了美国,并在短期内超过了美国。

但是,美国通用公司的技术员不能忍视日本的迎头赶上,他们于1990年也提出永磁材料的新制法——钕铁硼型磁取向片状材料的方法。这个方法是先采用熔体旋淬法制备各向同性的带状粉粒,然后,该粉粒通过等离子喷射枪加热成糊状,推至由一对后向旋转滚轮的加间隙中,随即压成粉片,从而制成了具有各向异性的优质磁性材料。这样操作后的材料又比佐川真人的发明更胜一筹。

佐川真人更是不甘落后,又在自己的以往的发明作重大改进,提出一个新的措施,他在钕铁硼磁体中又添进少量铜,便获得高矫顽力的热处理温度范围大大拓宽,添加铜后,磁体的最佳热处理温度区间由原先的10度左右,拓宽到300,于是,制出了更好的永久磁体。

值得一提的是,在永久磁性材料的竞争热潮中,我国科学家也有新的贡献,他们创造新的烧结方法,用感应加热烧结代替传统的烧结和热处理,这样可在5min内,使磁体的烧结密度达到理论值的95%以上,最大磁能积达280kg/m3以上,由于烧结时间大大短于传统技术,因此,可避免磁体晶粒生长过大,同时,还可大大缩短生产周期,使生产成本相应降低。

显而易见的是,自从1983年以来,钕铁硼永磁材料的竞争日益激烈,进展速度之快,也是罕见的,竞争将给人们带来新的技术。