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磁性材料及器件技术最新发展动态

作者:麦格雷博10-30 | 2020

1.前言 

磁性材料有应用在马达、螺线管、扬声器、传感器等中的永磁材料和用在变压器、线圈(电感器)、传感器、磁头等中的软磁铁氧体磁心材料。伴随着电子整机的小型轻量化和高性能化,迫切要求开发出磁性能更高和具有良好温度特性的磁性材料。


2.永磁材料

永磁材料大致可分为烧结永磁和粘结永磁,按种类分有铁氧体永磁和稀土永磁。烧结永磁是将磁粉倒入模子中烧结铸造而成,粘结永磁是在磁粉中混入微量塑料或橡胶,进行成型制造而成。目前使用最多的是铁氧体永磁,这是因为它的磁性能稳定且价格便宜。

铁氧体永磁,到目前为止使用最多的是钡系和锶系铁氧体永磁,不过目前正在开发新一代镧钴系铁氧体永磁,它与上述两种铁氧体永磁比较,具有良好的磁性能和温度特性,以马达上的应用为中心,正在不断扩大需求。

稀土永磁具有很强的磁能积,主要有钐钴系和钕铁硼系永磁。

钐钴系稀土永磁因具有良好的耐腐蚀性和耐热性,被广泛应用于钕铁硼系永磁很难涉及的汽车和传感器等领域。

钕铁硼系永磁在永磁中具有最强的磁能积,近年来应用领域越来越大,它对电子整机的小型化作出了极大贡献。通过大力开发高磁性能和稳定性与耐热性好的钕铁硼系永磁,使目前的最大磁能积达到560KJ/m3(57.8MGOe)这一世界最高生产水平。在粘结永磁方面,开发出了具有耐腐蚀性好、高填充率、高剩磁的各向同性钕铁硼系粘结永磁用钠米复合磁粉,用它制成的发电机和超导磁性轴承用的环形粘结钕铁硼永磁,最大口径达到300mm,使用各向异性粘结永磁,比过去用在马达上的铁氧体永磁,重量大约轻50%左右,广泛应用于汽车直流马达。

钕铁硼系粘结永磁虽然比不上烧结永磁的磁场强度,但不易产生裂纹和掉边现象,使需求量不断扩大。目前正在开发使磁化性能大幅度提高的小型马达用铁氧体橡胶粘结永磁,它易制成薄片状,制成圆柱形状可装在马达的定子或转子壳体上。在钕铁硼系粘结永磁方面,对应过去的各向同性粘结永磁,开发出了高磁性能的各向异性粘结永磁,并进入实用化阶段。


2.1 烧结永磁


a. 铁氧体永磁

铁氧体永磁是以氧化铁为主要成分制成的永磁,与其他永磁比较,因其价格便宜和良好的稳定性,广泛应用于马达、扬声器、继电器、传感器和玩具等领域。近年来,汽车电器和办公自动化设备中也正在大量使用。铁氧体永磁的最大磁能积为42.9KJ(5.4MGOe)。其磁能积几乎到了极限,目前正在谋求通过改进工艺来提高矫顽力。

铁氧体永磁是将锶或钡等的原料与氧化铁混合,然后进行预烧,通过固相反应使铁氧体成为超细粉末。将其超细粉末按需要的形状压制成型,在1200℃左右的温度下烧结制作而成。成型方法有干式各向同性、干式各向异性和湿式各向异性等。

最近,具有良好磁特性和温度特性的镧钴系铁氧体永磁已大量应用于马达和螺线管中。这种永磁是用镧代替一部分锶,用钴代替一部分铁,使磁特性和温度特性大幅度提高。与过去的铁氧体永磁比较,最大磁能积([BH]max)提高了30~40%、剩磁(Br)提高了10~15%,同时还具有高的矫顽力,温度稳定性也有所增加。为此与过去的锶系铁氧体永磁相比,实现了小型轻量化。


b. 稀土永磁

稀土永磁中具有代表性的有钐钴永磁,它不仅有一定的磁场强度,还有良好的耐热性,应用于汽车传感器、超小型马达、螺线管、拾音器和高音质耳机等小型产品中。

作为新型钐钴磁钢,采用压粉成型的产品,最大磁能积239KJ/m3(30MGOe)、矫顽力1194KA/m3(15KOe)、剩余磁通密度11KG的制品已实现商品化。

这种永磁因挤压后的成型体密度均匀,即使形状薄的产品也不会出现裂纹和掉边现象,而且切割后上下面的磁通密度误差小,适合制作环形和扁平状产品,具有良好的性价比。

日本信越化学工业公司利用开发钕铁硼永磁的技术诀窍成功的应用于钐钴永磁中,大幅度提高了磁性能。达到最高磁性能的产品有最大磁能积为230~270 KJ/m3(29~34MGOe)的R33H和最大磁能积为191~239KJ/m3(24~30MGOe)耐高温超过250℃的R26H,并开始批量生产。


c. 钕铁硼系永磁

钕铁硼系(Nd-Fe-B)在永磁中具有最高的磁能积,它与钐钴永磁比较,其特点是价格便宜。为此促进了在小型化的各种电子整机的马达、HDD(硬磁盘驱动器)的VCM(音圈马达)、小型扬声器、传感器、螺线管、继电器和医疗设备等的应用。

钕铁硼系永磁的磁特性,以大批量生产的烧结制品为例,其最大磁能积为278~438KJ/m3(35~55MGOe),理论值达到512KJ/m3(64MGOe)。该永磁的矫顽力比过去的产品还要优越。

NEOMAX公司生产的高性能钕铁硼系永磁,其最大磁能积达到460KJ/m3(57.8MGOe)的世界最高水平。该永磁的矫顽力可维持在784KA /m3(9.85KOe)的高水平上,作为钕铁硼系永磁,达到世界最高磁性能。另外,还开发出了NEOMAX AH系列耐高温钕铁硼永磁,并开始批量生产。该永磁按所要求的耐热性,可在140℃~240℃的温度范围内供五种材料选择。预计今后还可继续解决钕铁硼永磁存在的弱点耐热性问题。

TDK公司采用干式法开发出了钕铁硼永磁最大磁能积达到420 KJ/m3(53MGOe)的NEOREC53系列产品。该产品比过去的50系列产品最大磁能积提高了7~9%。

钕铁硼永磁的制造方法有粉末状材料在惰性气体中成型的干式法和材料在液态下成型的湿式法。干式法工艺,是以单面、易氧化的稀土元素为主要成分的钕铁硼永磁,因氧的含量,对磁性能还有一定影响。TDK公司在干式法中引入独有的低氧工艺新技术,确保了由材料粉碎到成型工序的氧含量几乎为零,充分抑制了原料粉末的氧化。

另外,采用以特种油为溶剂的湿式法,开发出了低氧含量的高性能钕铁硼永磁,并已批量生产。其湿式法与干式法比较,因微粉的粒径与氧含量无关,故对在磁场下取向的微粉影响不大的范围内,可将微粉的粒径做小。该永磁的最大磁能积为438 KJ/m3(55MGOe)。

日本信越化学工业公司生产的钕铁硼系永磁,其最大磁能积达到382~422KJ/m3(48~53MGOe)的高磁性能N52系列产品也已批量生产,耐高温的高矫顽力钕铁硼系永磁也开始投放市场。

钕铁硼系永磁,因以铁为主要成分,含有钕等多种成分,故容易生锈。为此,需要给制品实施表面处理。表面处理有镍与铝离子涂覆、镍镀层和树脂涂层等几种。目前采用镀镍是标准的表面处理方法,它具有良好的耐腐蚀性、表面清洗性和硬度等。


2.2 粘结永磁

粘结永磁是往磁性粉末中添加少量的塑料或橡胶等粘结剂进行混合,采用注塑或挤压等成型方法制备而成。可制造出各种复杂形状的产品。因可大批量生产,故成本低,效益好,近年来应用十分广泛。

粘结永磁与烧结永磁同样,有铁氧体系和稀土系粘结永磁。铁氧体系粘结永磁应用于冰箱的门封条、马达、编码器的转子、传   感器、磁性薄膜、复印机的磁辊、CRT的调整颜色用环形磁钢等。稀土系粘结永磁应用于HDD(硬磁盘驱动器)马达、CD-ROM的主轴马达、振动马达、小型扬声器和各种传感器等。


a. 磁粉

粘结永磁所用的磁粉分别有将烧结永磁制成的铁氧体系和钐钴系磁粉,钕铁硼系是使用液态急冷法制成的非晶质薄带,经热处理获得的各向同性永磁粉末。

作为新型磁粉,NEOMAX公司开发出了钠米复合磁粉。用该磁粉制成的粘结永磁,因属于钠米晶相包围硬磁相的钠米复合材料结构,添加少量的稀土元素,就可获得高的矫顽力。另外,采用高速连续铸造法批量生产,就可谋求钠米晶化。因稀土元素少,不需要涂敷,就具有良好的耐腐蚀性。

为了进一步实现高性能化,还应研究开发各向同性转化为各向异性的技术,并使之实用化。作为制作磁各向异性钕铁硼系粘结永磁,日本开发了HDDR处理法,该方法是将钕铁硼合金与氢气产生反应,与再现的磁性能同时进行磁各向异性化。


b. 粘结材料(粘结剂)

使用的粘结材料有橡胶永磁中用的聚氯乙烯、氯化聚乙烯橡胶等各种合成橡胶和腈橡胶,塑料永磁中用的尼龙、PPS树脂和环氧树脂等。作为成型方法,橡胶永磁采用压延辊成型或挤压成型,塑料永磁采用压缩成型(使用热可塑性粘结剂时)。采用热挤压加工的各向异性环形永磁,也已进入实用化阶段。粘结永磁通常所用的粘结材料含有量,压缩成型为2~4%重量比,注塑成型为6~8%重量比。


c. 开发动向

粘结磁体所获得的磁性能,其中,铁氧体系最大磁能积为17.5 KJ/m3(2.2MGOe),钐钴系约为31.8~80 KJ/m3(4~10MGOe:各向同性)和119 KJ/m3(15MGOe:各向异性),钕铁硼系约为80~88 KJ/m3(10~11MGOe:各向同性)。

在各向异性粘结永磁方面,采用HDDR(氢化作用、相分解、脱氢、再结合)法,开发出了各向异性粘结永磁,生产水平比过去各向同性粘结永磁的磁性能提高两倍,达到159 KJ/m3(20MGOe)。

另外,由于钕铁硼系粘结永磁还存在着耐热性差等问题,开发耐热性高的粘结永磁是今后的主要发展目标。

日本爱知制钢公司成功的开发出了不添加钴的钕铁硼系各向异性磁性粉末的新工艺(d-HDDR法),采用该工艺制成的磁粉,生产出了塑料粘结永磁。其最大磁能积达到199KJ/m3(25MGOe),制成的薄形环形磁钢用在马达中,具有良好的耐热性。过去的各向异性磁粉,需要添加大量的贵金属钴,大大提高了生产成本,采用新工艺,利用钕铁硼合金和氢的反应,控制其反应速度,可以不添加钴。

新型各向同性粘结永磁还有日本大同特殊钢和大同电子的钐(Sm)、铁(Fe)、氮(N)系各向同性粘结永磁。该永磁最大磁能积达到110KJ/m3(14MGOe)世界最高磁性能,并具有良好的耐腐蚀性和耐热性。广泛应用于办公自动化、通信整机用超小型马达、传感器、汽车和水泵用小型高输出马达等。这种粘结永磁的制造方法,是将规定成分的合金进行调整,在氮气中进行处理,制造出Sm-Fe-N磁性粉末,再将其粉末与树脂混合后成型。采取与过去的钕铁硼系粘结永磁不同的磁粉制造工艺,对应钕铁硼系磁粉,钐系磁粉采用特殊的设备进行的急冷法,使用真空熔化炉就较容易的制造出来。


3. 铁氧体磁心材料

磁心材料有铁氧体系和金属系两类,近年来,伴随着电子整机的高频化,使用最多的是具有优质高频特性的铁氧体材料(软磁铁氧体)。

铁氧体材料广泛应用于电源变压器、通信用变压器、CRT的偏转线圈、扼流圈、滤波器和抑制噪声器件中用的磁心等。

作为铁氧体材料,目前最引人注目是MnZn(锰、锌)系铁氧体材料。该材料与其他铁氧体材料比较,磁各向异性小,自然磁化大。为此,它具有高磁导率、低损耗和高磁通密度的特点,大量用于通信用变压器、电源用变压器、倒相变压器和扼流圈等。

目前的电源是以开关电源为主流,在开关电源中所用的变压器,是在高频特性好的铁氧体磁心上绕上线圈制造而成。为使变压器实现小型化和薄型化,要求使用高性能的铁氧体磁心。特别是近年来,伴随着对整机的小型化和高效率化的要求进一步提高,作为变压器用铁氧体磁心材料,要求功率损耗要小。

功耗是因输入的一部分能量所产生的热,带来温升而使效率下降。假若降低其功耗,就可减少变压器的损耗,使温升降低。

该功率铁氧体磁心材料同镍锌(NiZn)系等的铁氧体比较,具有结晶磁性各向异性常数和磁致伸缩系数小,自然磁化大的特点。为此,功率损耗小,饱和磁通密度高,适合于制作开关电源变压器。

扼流圈与变压器同样,也是给铁氧体磁心绕上线圈。移动通信等设备中直流变换器用的扼流圈,要求小型薄型化,使用的磁心材料应具有高的磁通密度,低漏磁通。

最近,电脑等电器开始向低电压、大电流方向发展,对应大电流,要求扼流圈损耗低、体积小。另外,近年来,根据计算机模拟,可以制作各种形状的变压器用铁氧体磁心。

作为通信用磁心材料,TDK公司开发出了高温LAN系统和高速LAN系统用的脉冲变压器专用铁氧体材料和降低高谐波失真的xDSL模块变压器用的铁氧体材料。

电源变压器用磁心材料要求功率损耗小。最近,开发出了在25℃~120℃的宽温下,使功率损耗大幅度降低的电源变压器用MnZn铁氧体材料。不仅作为一般的开关电源用变压器,还特别适合用于下一代汽车用的主变压器。近期还开发出了在高温下具有高饱和磁通密度的MnZn铁氧体材料,并适用于液晶倒相变压器和汽车用变压器。

通信用变压器是使用高磁导率铁氧体材料。最近大量用在高速LAN系统中的脉冲变压器。脉冲变压器对直流偏压负荷时的电感系数有一定要求,并要确保其性能。为此,不仅要保证起始磁导率水平下的电感系数,关键还在于良好的直流叠加特性。开发提高直流叠加特性的铁氧体材料是今后的发展方向。