CN106021971A - 一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法 - Google Patents

一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钕铁硼磁体剩磁的理论计算方法，通过验证Br与成分的关系，为指导高性能NdFeB烧结磁体的制作提供了理论依据。本发明基于钕铁硼磁体相平衡基础上，综合考量了其他影响元素对磁体的影响，定量计算了钕铁硼烧结磁体中的主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相的体积分数，最后得到了磁体的室温剩磁。本发明与实际生产中对回火后的磁体制样测试磁性能的方法相比，能够快速的估算出磁体的剩磁数据，进而能够准确的定义磁体磁性参数的范围区间，对实际生产中能够及时动态的调整磁体配方起到了重要的指导性作用，降低了磁体生产的不合格率，减少时间和成本的浪费，保证生产的平稳进行，而且对开发新产品也起到了非常大的帮助。

Description

一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法
技术领域
本发明属于稀土磁性材料制备技术领域，尤其涉及一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法。
背景技术
磁体是能够产生磁场的物质，具有吸引铁磁性物质如铁、镍、钴等金属的特性。磁体一般分为永磁体和软磁体，作为导磁体和电磁体的材料大都是软磁体，其极性是随所加磁场极性而变化的；而永磁体即硬磁体，能够长期保持其磁性的磁体，不易失磁，也不易被磁化。因而，无论是在工业生产还是在日常生活中，硬磁体最常用的强力材料之一。
硬磁体可以分为天然磁体和人造磁体，人造磁铁是指通过合成不同材料的合金可以达到与天然磁体(吸铁石)相同的效果，而且还可以提高磁力。20世纪50年代制造出了铁氧体(Ferrite)，60年代，稀土永磁的出现，则为磁体的应用开辟了一个新时代，第一代钐钴永磁SmCo5，第二代沉淀硬化型钐钴永磁Sm2Co17，迄今为止，发展到第三代钕铁硼永磁材料(NdFeB)。虽然目前铁氧体磁体仍然是用量最大的永磁材料，但钕铁硼磁体的产值已大大超过铁氧体永磁材料，已发展成一大产业。
钕铁硼磁体也称为钕磁体(Neodymium magnet)，其化学式为Nd2Fe14B，是一种人造的永久磁体，也是目前为止具有最强磁力的永久磁体，其最大磁能积(BHmax)高过铁氧体10倍以上，在裸磁的状态下，其磁力可达到3500高斯左右。钕铁硼磁体的优点是性价比高，体积小、重量轻、良好的机械特性和磁性强等特点，如此高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛的应用，在磁学界被誉为磁王。因而，钕铁硼磁体的制备和扩展一直是业内持续关注的焦点。
在磁体的制备过程中，磁性能参数，尤其是主要参数之一的剩磁，一直是影响制备过程的关键，对参数的测量和预估直接反馈回制备过程，从而对制备过程中的各个相应的变量进行调整。目前使用较为广泛的磁性材料磁性参数测量主要有两种方法：电磁感应法和霍尔效应法。但上述两种方法都有明显的缺点，前者的不能自动连续测量和后者的误差影响因素太多限制了它们在永磁测量方面的应用。目前在国内最有代表性的磁性测量设备是中国计量科学研究院研制的NIM-10000H稀土永磁无损检测系统，但是钕铁硼磁体的材料制备过程需要经历如下步骤：配料、熔炼或甩带、氢爆、混粗粉、气流磨、混细粉、压制、烧结、回火等，最后得到毛坯才能制样检测磁性能。而这种非实时的检测方法会严重影响反馈的时效性，如果毛坯的磁性能参数不合格，将造成时间、成本和利用率的浪费，延误成品加工和交期，造成难以挽回的损失。
因此，如何得到一种较准确的对钕铁硼磁体剩磁性能的预估方法，使得在生产磁体的同时，能够快速的估算出磁体的剩磁数据，从而及时的对生产进行调整，已成为钕铁硼磁体生产厂家的研发人员广泛关注的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种钕铁硼磁体剩磁的理论计算方法，使用本发明提供的计算方法，能够快速的估算出磁体的剩磁数据，从而及时的对生产进行调整，进而大大的降低了磁体生产的不合格率，减少了时间和成本的浪费，保证生产的平稳进行。
本发明提供了一种钕铁硼磁体剩磁的理论计算方法，包括以下步骤：
a)根据磁体的材料组成、相应成分的质量百分比以及各元素的相对原子质量，得到磁体中各元素的原子个数以及各元素的原子个数百分比；
b)将磁体中的影响磁性能的元素进行分类，得到总稀土元素、类铁元素、B元素以及其他影响元素，进而得到总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比；
所述其他影响元素包括氧元素、氮元素和碳元素中的一种或多种；
c)根据上述步骤的分类，设定磁体中的平衡的各相，根据上述步骤得到的总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，计算得到各相的分子个数；
所述各相包括主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相；所述其他影响元素相包括氧化物相、氮化物相和碳化物相中的一种或多种；
d)根据各相的相对分子质量以及上述步骤得到的各相的分子个数，得到各相的质量；
e)根据各相的密度以及上述步骤得到的各相的质量，得到各相的体积和各相的体积比，再根据各相的体积比和各相的密度，得到钕铁硼磁体的理论密度；
f)根据式(I)进行验算，得到钕铁硼磁体的剩磁；
其中，Br为磁体的剩磁，A为正向畴体积分数，1-β为磁体主相的体积分数，d磁体为磁体的实际密度，d理论为磁体的理论密度，为实际磁体的主相的取向度，JS为磁体主相的饱和磁极化强度。
优选的，所述总稀土元素包括PrNd和/或其他稀土元素；
所述类铁元素包括Fe和/或其他铁磁性物质。
优选的，所述其他稀土元素包括Dy、Tb、Gd和Ho中的一种或多种；
所述其他铁磁性物质包括Co和/或Nb。
优选的，所述主相为R2M14B相，所述富稀土相为R90M10相，所述富B相为R1.1M4B4相；
所述R为总稀土元素，所述M为类铁元素。
优选的，所述氧化物相为R2O3相，所述氮化物相为RN3，所述碳化物相为RC相；
所述R为总稀土元素。
优选的，所述计算为采用矩阵进行计算；
所述矩阵为{矩阵A}*{x}＝{矩阵B}；
所述各相中的各个原子个数作为矩阵A的列，各相中的相同原子的个数作为矩阵A的行；
所述类铁元素的原子个数百分比、总稀土元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，分别作为单列矩阵B的列；
x为各相的分子个数。
优选的，所述各相的密度为主相密度、富稀土相密度、富B相密度以及其他影响元素相密度；
所述其他影响元素相密度包括氧化物相密度、氮化物相密度和碳化物相密度中的一种或多种；
所述主相密度：dT1(R2M14B)＝7.65g/cm3；所述富稀土相密度：dT2(R90M10)＝7.0g/cm3；所述富B相密度：dT3(R1.1M4B4)＝3.56g/cm3；所述氧化物相密度：dT4(R2O3)＝7.24g/cm3；所述氮化物相密度dT5(RN3)＝7.69g/cm3；所述碳化物相密度：dT6(RC)＝7g/cm3；
所述R为总稀土元素，所述M为类铁元素。
优选的，所述磁体的理论密度为各相中，每相的密度与该相所占体积比的乘积，再加和；
所述正向畴体积分数为常量；
所述小于1。
优选的，所述钕铁硼磁体按质量百分比组成包括：Pr-Nd：28.6％～32.0％；Dy：0～3.0％；Tb：0～4.0％；Nb：0～2.0％；Al：0.05～0.45％；B：0.1％～2.0％；Cu：0.05～0.15％；Co：0～2.0％；Ga：0～5％；Gd：0～10％；Ho：0～8％；Zr：0～5％；余量为Fe。
优选的，所述磁体主相的饱和磁极化强度为主相中，每个稀土元素的饱和磁极化强度与该稀土元素的原子个数百分比的乘积，再加和，再除以总稀土原子个数百分比；
其中，所述磁体中含有Al元素时，所述磁体主相的饱和磁极化强度为主相中，每个稀土元素的饱和磁极化强度与该稀土元素的原子个数百分比的乘积，再加和，再减去0.4与Al元素原子个数百分比的乘积，再除以总稀土原子个数百分比。
本发明提供了一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法，包括以下步骤，首先根据钕铁硼磁体的材料组成、相应成分的质量百分比以及各元素的相对原子质量，得到磁体中各元素的原子个数以及各元素的原子个数百分比；再将磁体中的影响磁性能的元素进行分类，得到总稀土元素、类铁元素、B元素以及其他影响元素，进而得到总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比；所述其他影响元素包括氧元素、氮元素和碳元素中的一种或多种；然后根据上述步骤的分类，设定磁体中的平衡的各相，根据上述步骤得到的总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，计算得到各相的分子个数；所述各相包括主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相；所述其他影响元素相包括氧化物相、氮化物相和碳化物相中的一种或多种；再根据各相的相对分子质量以及上述步骤得到的各相的分子个数，得到各相的质量；随后根据各相的密度以及上述步骤得到的各相的质量，得到各相的体积和各相的体积比，再根据各相的体积比和各相的密度，得到钕铁硼磁体的理论密度；最后根据式(I)进行验算，得到钕铁硼磁体的剩磁；
其中，Br为磁体的剩磁，A为正向畴体积分数，1-β为磁体主相的体积分数，d磁体为磁体的实际密度，d理论为磁体的理论密度，为实际磁体的主相的取向度，JS为磁体主相的饱和磁极化强度。
现有技术相比，本发明通过验证Br与成分的关系，为指导高性能NdFeB烧结磁体的制作提供理论依据，本发明基于钕铁硼磁体相平衡基础上，综合考量了其他影响元素对NdFeB烧结磁体的影响，定量计算了钕铁硼烧结磁体中的主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相的体积分数，最后得到了磁体的室温剩磁。本发明通过计算方法的创新，根据各元素配入成分计算出Br的大致范围，与实际生产中对回火后的磁体制样测试磁性能的方法相比，能够快速的估算出磁体的剩磁数据，进而能够快速准确的定义磁体磁性参数的范围区间，对实际生产中能够及时动态的调整磁体配方起到了重要的指导性作用，进而大大降低了磁体生产的不合格率，减少了时间和成本的浪费，保证了生产的平稳进行，而且对开发新产品也起到了非常大的帮助。
实验结果表明，本发明通过配方计算的理论剩磁与磁体实际剩磁非常接近，因而本发明提供的磁体理论剩磁的计算方法，对磁体的性能参数起到了前期预见和良好的指导效果。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明对所有定义的涵义和表述方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的定义涵义和常规的表述习惯即可，本领域技术人员基于领域内基本常识能够正确理解。
本发明对所有计算公式的计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规计算方法即可，本领域技术人员基于基本的数学常识能够正确的理解和计算。
本发明提供了一种钕铁硼磁体剩磁的理论计算方法，包括以下步骤：
a)根据磁体的材料组成、相应成分的质量百分比以及各元素的相对原子质量，得到磁体中各元素的原子个数以及各元素的原子个数百分比；
b)将磁体中的影响磁性能的元素进行分类，得到总稀土元素、类铁元素、B元素以及其他影响元素，进而得到总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比；
所述其他影响元素包括氧元素、氮元素和碳元素中的一种或多种；
c)根据上述步骤的分类，设定磁体中的平衡的各相，根据上述步骤得到的总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，计算得到各相的分子个数；
所述各相包括主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相；所述其他影响元素相包括氧化物相、氮化物相和碳化物相中的一种或多种；
d)根据各相的相对分子质量以及上述步骤得到的各相的分子个数，得到各相的质量；
e)根据各相的密度以及上述步骤得到的各相的质量，得到各相的体积和各相的体积比，再根据各相的体积比和各相的密度，得到钕铁硼磁体的理论密度；
f)根据式(I)进行验算，得到钕铁硼磁体的剩磁；
其中，Br为磁体的剩磁，A为正向畴体积分数，1-β为磁体主相的体积分数，d磁体为磁体的实际密度，d理论为磁体的理论密度，为实际磁体的主相的取向度，JS为磁体主相的饱和磁极化强度。
本发明首先根据磁体的材料组成、相应成分的质量百分比以及各元素的相对原子质量，得到磁体中各元素的原子个数以及各元素的原子个数百分比。
本发明所述磁体的材料组成，即是指需要进行推导计算的实际磁体的各个组成元素，相应成分的质量百分比是指实际配比中各个组成元素的质量百分比含量。本发明对所述实际中的各种常规偏差没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结钕铁硼磁体配料上的偏差即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述钕铁硼磁体中的PrNd在制备磁体过程中有一定损失，可以为1.5％～3％，或者为1.8％～2.7％，或者为2.0％～2.5％；B元素损耗可以为0.5％～0.9％，或者为0.6％～0.8％，或者为0.7％；其它元素损耗忽略不计。
本发明对所述磁体没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结钕铁硼磁体即可；本发明对所述磁体的组成和含量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结钕铁硼磁体的组成和含量即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品性能以及质量要求进行调整，本发明钕铁硼磁体按质量百分比组成，优选包括Pr-Nd：28.6％～32.0％；Dy：0～3.0％；Tb：0～4.0％；Nb：0～2.0％；Al：0～0.45％；B：0.1％～2.0％；Cu：0.05～0.15％；Co：0～2.0％；Ga：0～5.0％；Gd：0～10％；Ho：0～8％；Zr：0～5％；余量为Fe。所述Pr-Nd的质量百分比含量优选为29％～31.5％，更优选为29.5％～31％，最优选为30.0％～30.5％；所述Dy的质量百分比含量优选为0.5％～2.5％，更优选为1.0％～2.0％，最优选为1.3％～1.8％；所述Tb的质量百分比含量优选为0.5％～3.5％，更优选为1.0％～3.0％，最优选为1.5％～2.5％；所述Nb的质量百分比含量优选为0.3％～1.7％，更优选为0.5％～1.5％，最优选为0.8％～1.2％；所述Al的质量百分比含量优选为0.05％～0.4％，更优选为0.1％～0.3％，最优选为0.15％～0.25％；所述B的质量百分比含量优选为0.3％～1.8％，更优选为0.5％～1.5％，最优选为0.8％～1.2％；所述Cu的质量百分比含量优选为0.07％～0.13％，更优选为0.08％～0.12％，最优选为0.09％～0.11％；所述Co的质量百分比含量优选为0.2％～1.8％，更优选为0.5％～1.5％，最优选为0.8％～1.2％；所述Ga的质量百分比含量优选为1.0％～4.0％，更优选为1.5％～3.5％，最优选为2.0％～3.0％；所述Gd的质量百分比含量优选为1.0％～9.0％，更优选为3.0％～7.0％，最优选为4.0％～6.0％；所述Ho的质量百分比含量优选为1.0％～7.0％，更优选为2.0％～6.0％，最优选为3.0％～5.0％；所述Zr的质量百分比含量优选为1.0％～4.0％，更优选为1.5％～3.5％，最优选为2.0％～3.0％。
特别的，由于烧结钕铁硼磁体中含一定质量分数的氧、氮和碳，均对磁体磁性能有重要影响，因此本发明将氧、氮和碳中的一种或多种当成Nd-Fe-B中合金元素来考虑，根据钕铁硼磁体文献资料，所述O的质量百分比含量优选为0.06％～0.1％，更优选为0.07％～0.09％，最优选为0.08％；所述N的质量百分比含量优选为0.01％～0.05％，更优选为0.02％～0.04％，最优选为0.03％；所述C的质量百分比含量优选为0.04％～0.08％，更优选为0.05％～0.07％，最优选为0.06％。
本发明对所述各元素的相对原子质量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的元素的相对原子质量即可，本发明所述相对原子质量优选为：Pr：140.908、Nd:144.24、Dy:162.5、Tb:158.925、Nb:92.9064、Al:26.981539、B:10.81、Cu:63.546、Co:58.93、Ga:69.72、Gd:157.25、Ho:164.93、Zr:91.22、Fe:55.847、O:15.9994、N:14.0067、C:12。
本发明通过磁体的材料组成以及相应成分的质量百分比，再基于原子个数＝质量/相对原子质量，得到组成钕铁硼磁体的各元素的原子个数，再通过原子个数计算各元素的原子个数百分比。
本发明再将磁体中的影响磁性能的元素进行分类，得到总稀土元素、类铁元素、B元素以及其他影响元素，进而得到总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比；
所述其他影响元素包括氧元素、氮元素和碳元素中的一种或多种。
本发明对所述分类没有特别限制，以本领域技术人员熟知的分类方法即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明优选按照对磁性能的影响进行分类，优选将稀土元素分成一类--总稀土元素，优选包括所有稀土元素，更优选为PrNd和/或其他稀土元素；所述其他稀土元素优选包括Dy、Tb、Gd和Ho等中的一种或多种；优选将类铁元素分成一类--类铁元素，优选包括Fe和/或其他铁磁性物质；所述其他铁磁性物质优选包括Co和/或Nb等；优选将B元素分成一类；优选将其他影响元素进行分类，优选包括氧元素、氮元素和碳元素中的一种或多种。
本发明进而根据上述分类，得到各个类别元素的原子个数百分比，优选为总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比、氧元素的原子个数百分比、氮元素的原子个数百分比和碳元素的原子个数百分比。其中，氧元素中的O原子一半以单质存在，一半与Nd形成化合物Nd2O3；氮元素和碳元素类似，分别形成NdN3和NdC化合物。
本发明然后根据上述步骤的分类，设定磁体中的平衡的各相，根据上述步骤得到的总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，计算得到各相的分子个数；
所述各相包括主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相；所述其他影响元素相包括氧化物相、氮化物相和碳化物相中的一种或多种；
本发明依据前述分类设定磁体中各相，且各相相互平衡，所述各相优选包括主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相，其中所述其他影响元素相优选包括氧化物相、氮化物相和碳化物相中的一种或多种；具体可以为：设NdFeB磁体中六相相互平衡，六相分别为T1相(R2M14B相，主相)、T2相(R90M10相，富稀土相或是富Nd相)、T3相(R1.1M4B4相，富B相)、T4相(R2O3相，氧化物相)、T5相(RN3相，氮化物相)、T6相(RC相，碳化物相)，其中R代表总稀土元素，如Nd2M14B相、Dy2M14B相、Tb2M14B相R2M14B相等；所述M代表类铁元素，如R2Fe14B相或R2Co14B相等。
本发明对上述步骤c)中所述计算的具体方法没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述计算的计算公式优选为根据公式：各相中每个分子中原子的个数*分子个数＝原子的总个数。
所述计算的计算方法更优选为采用矩阵进行计算；
所述矩阵优选为{矩阵A}*{x}＝{矩阵B}；
所述各相中的各个原子个数优选作为矩阵A的列，各相中的相同原子的个数优选作为矩阵A的行；上述步骤得到的类铁元素的原子个数百分比、总稀土元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，分别作为单列矩阵B的列，而所述解向量x则为需要求得的各相的分子个数，如主相、富稀土相、富B相、氧化物相、氮化物相和碳化物相的分子数。
本发明再根据各相的相对分子质量以及上述步骤得到的各相的分子个数，得到各相的质量。
本发明对所述各相的相对分子质量的定义和计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的定义和计算方法即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明优选按照相对分子质量是化学式中各个原子的相对原子质量的总和进行计算，把相对分子质量优选计为MrT1(R2M14B)、MrT2(R1.1M4B4)、MrT3(R90M10)、MrT4(R2O3)、MrT5(RN3)、MrT6(RC)。
本发明又优选依据相对分子质量＝相对原子质量*原子的个数，再优选根据公式：质量＝分子数*相对分子质量，即各相的相对分子质量＝各相的分子个数*各相的相对分子质量，最后求得T1～T6各相的质量。
本发明随后根据各相的密度以及上述步骤得到的各相的质量，得到各相的体积和各相的体积比，再根据各相的体积比和各相的密度，得到钕铁硼磁体的理论密度。
本发明对所述各相的密度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的各相的密度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述各相的密度优选为主相密度、富稀土相密度、富B相密度以及其他影响元素相密度；所述其他影响元素相密度优选包括氧化物相密度、氮化物相密度和碳化物相密度中的一种或多种；具体的所述钕铁硼磁体若由六个相组成，各自密度分别优选为所述主相密度：dT1(R2M14B)＝7.65g/cm3；所述富稀土相密度：dT2(R90M10)＝7.0g/cm3；所述富B相密度：dT3(R1.1M4B4)＝3.56g/cm3；所述氧化物相密度：dT4(R2O3)＝7.24g/cm3；所述氮化物相密度dT5(RN3)＝7.69g/cm3；所述碳化物相密度：dT6(RC)＝7g/cm3；其中所述R代表总稀土元素，所述M代表类铁元素。
进而根据质量/密度＝体积，即各相的质量/各相的相密度＝各相的体积，最后得出T1～T6各相的体积VT1～VT6以及各相的体积占比V1％～V6％。
本发明再根据各相的体积比和各相的密度，得到钕铁硼磁体的理论密度。
本发明对所述钕铁硼磁体的理论密度的计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的理论密度的计算方法即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述磁体的理论密度优选为各相中，每相的密度与该相所占体积比的乘积，再加和。
当磁体为六相时，所述磁体的理论密度d理论，具体可以表述为：d理论＝dT1*V1％+dT2*V2％+dT3*V3％dT4*V4％+dT5*V5％+dT6*V6％。
本发明最后根据式(I)进行验算，得到钕铁硼磁体的剩磁；
其中，Br为磁体的剩磁，A为正向畴体积分数，1-β为磁体主相的体积分数，d磁体为磁体的实际密度，d理论为磁体的理论密度，为实际磁体的主相的取向度，JS为磁体主相的饱和磁极化强度。
本发明对所述钕铁硼磁体剩磁的计算公式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的剩磁计算公式即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述剩磁的计算公式优选参照式(I)进行计算。本发明对所述钕铁硼磁体的正向畴体积分数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的正向畴体积分数即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述正向畴体积分数优选为常量，更具体优选为0.96。本发明对所述即实际磁体的主相的取向度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整和选择，本发明所述实际磁体的主相的取向度优选为小于1，更优选为0.96～0.98，更优选为0.97～0.98，具体可以为0.98。本发明对所述d磁体，即钕铁硼磁体的实际密度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的生产中钕铁硼磁体的实际密度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整，本发明所述d磁体磁体的实际密度优选为定量，更具体优选为7.5g/cm3。
本发明对所述JS，即钕铁硼磁体主相的饱和磁极化强度，没有特别限制，以本领域技术人员熟知的磁体主相的饱和磁极化强度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行调整和计算，本发明所述磁体主相的饱和磁极化强度优选为主相中，每个稀土元素的饱和磁极化强度与该稀土元素的原子个数百分比的乘积，再加和，再除以总稀土原子个数百分比，即钕铁硼磁体主相的饱和磁极化强度公式＝((R1)2Fe14B的饱和磁极化强度*R1的原子个数百分比+(R2)2Fe14B的饱和磁极化强度*R2的原子个数百分比+～+(Rn)2Fe14B的饱和磁极化强度*Rn的原子个数百分比)/总稀土原子个数百分比。其中(R1)～Rn为每个稀土元素。
本发明优选指出，在磁体成分中含有元素Al时，可形成Nd-Fe-Al-B合金。由于少量的Al即可显著地提高钕铁硼系材料的矫顽力，因此计算主相的饱和磁极化强度应考虑到Al的不利影响，进而本发明特别优选，所述磁体中含有Al元素时，所述磁体主相的饱和磁极化强度为主相中，每个稀土元素的饱和磁极化强度与该稀土元素的原子个数百分比的乘积，再加和，再减去0.4与Al元素原子个数百分比的乘积，再除以总稀土原子个数百分比，即钕铁硼磁体主相的饱和磁极化强度公式＝((R1)2Fe14B的饱和磁极化强度*R1的原子个数百分比+(R2)2Fe14B的饱和磁极化强度*R2的原子个数百分比+～+(Rn)2Fe14B的饱和磁极化强度*Rn的原子个数百分比-0.4*Al原子个数百分比)/总稀土原子个数百分比。其中(R1)～Rn为每个稀土元素。
本发明对所述每个稀土元素的饱和磁极化强度的具体取值没有特别限制，以本领域技术人员熟知的稀土元素的饱和磁极化强度即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品型号以及质量要求进行选择和调整，本发明所述每个稀土元素的饱和磁极化强度优选为定值，更具体优选为所述R2Fe14B(R＝Pr、Nd、Dy、Tb、Gd、Ho)的饱和磁极化强度分别可以为1.56T、1.61T、0.71T、0.70T、0.84T、0.81T。本发明所述1-β，即为磁体主相的体积分数，即为上述步骤得到的R2M14B相的体积分数。
本发明上述步骤提供了一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法，本发明基于钕铁硼磁体相平衡基础上，综合考量了其他影响元素对NdFeB烧结磁体的影响，定量计算了钕铁硼烧结磁体中的主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相的体积分数，最后得到了磁体的室温剩磁。本发明通过计算方法的创新，根据各元素配入成分计算出Br的大致范围，与实际生产中对回火后的磁体制样测试磁性能的方法相比，能够快速的估算出磁体的剩磁数据，进而能够快速准确的定义磁体磁性参数的范围区间，对实际生产中能够及时动态的调整磁体配方起到了重要的指导性作用，进而大大降低了磁体生产的不合格率，减少了时间和成本的浪费，保证了生产的平稳进行，而且对开发新产品也起到了非常大的帮助。
实验结果表明，本发明通过配方计算的理论剩磁与磁体实际剩磁非常接近，因而本发明提供的磁体理论剩磁的计算方法，对磁体的性能参数起到了前期预见和良好的指导效果。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
制备钕铁硼磁体的各成分含量如表1，其余为Fe。参见表1，表1为本发明实施例制备的钕铁硼磁体的各成分含量。
表1本发明实施例制备的钕铁硼磁体的各成分含量
钕铁硼磁体中的PrNd在制备磁体过程中有一定损失，约为2％，而B元素损耗约为0.7％，因此需要多配入一些保证成分的稳定性，经计算PrNd的实际配入成分为29.89％，B为1.007％，其余元素的损失较少忽略不计。由于烧结钕铁硼磁体中含一定质量分数的氧、氮、碳，对磁体性能有重要影响，根据钕铁硼磁体文献资料取O、N、C的质量分数为0.08％、0.03％、0.06％。
已知各元素的相对原子质量，根据公式：原子个数＝质量/相对原子质量，得出Nd、Dy、Al、B、Cu、Co、Fe、O、N、C的原子个数为2.031*10-3、1.846*10-4、9.266*10-5、9.251*10-4、1.574*10-5、1.188*10-4、1.176*10-2、5*10-5、2.142*10-5、5*10-5。
根据公式计算原子个数百分比，Nd:13.325％、Dy:1.211％、Al:0.608％、B:6.068％、Cu:0.103％、Co:0.779％、Fe:77.11％、O:0.328％、N:0.14％、C:0.328％。
计算类稀土原子(PrNd、Dy、Tb、Gd、Ho)、类Fe原子(Fe、Co、Nb)、B原子、O原子、N原子、C原子个数百分比，其中O原子一半以单质存在，一半与Nd形成化合物Nd2O3、N、C原子类似，分别形成NdN3、NdC化合物。因此类稀土原子、类Fe原子、B原子、O原子、N原子、C原子个数百分比分别为14.239％、77.889％、6.068％、0.164％、0.07％、0.164％。
NdFeB磁体中T1相(主相)、T2相(富Nd相即富稀土相)、T3相(富B相)、T4相(氧化物相)、T5相(氮化物相)、T6相(碳化物相)相互平衡。将Nd2Fe14B、Nd90Fe10、Nd1.1Fe4B4、Nd2O3、NdN3、NdC化合物每个分子中原子个数列为6行6列的系数矩阵A。将类铁原子、总稀土原子、B原子、O原子、N原子、C原子的总原子个数作为只有一列的列矩阵B，根据公式：每个分子中原子的个数*分子个数＝原子个数，求得主相、富Nd相、富B相、氧化物相、氮化物相、碳化物相的分子数。
具体表现为Aχ＝B即
14 10 4 0 0 0 2 90 1.1 2 1 1 1 0 4 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 1 x = 0.77889 0.14239 0.06068 0.00164 0.00070 0.00164
求得解向量
根据定义相对分子质量是化学式中各个原子的相对原子质量的总和，把相对分子质量计为MT1～MT6，则MrT1(Nd2Fe14B)＝1090.26、MrT2(Nd90Fe10)＝13950.37、MrT3(Nd1.1Fe4B4)＝430.306、MrT4(Nd2O3)＝336.48、MrT5(NdN3)＝186.26、MrT6(NdC)＝156.24；
通过公式：质量＝分子数*相对分子质量，求得T1相的质量为0.055009*1090.26＝59.974，其它相的质量算法类似。
关于六个平衡相的密度分别为dT1(Nd2Fe14B)＝7.65g/cm3、dT2(Nd90Fe10)＝7.0g/cm3、dT3(Nd1.1Fe4B4)＝3.56g/cm3、dT4(Nd2O3)＝7.24g/cm3、dT5(NdN3)＝7.69g/cm3、dT6(NdC)＝7g/cm3。
根据质量/密度＝体积，得出T1～T6各相的体积VT1～VT6及体积占比V％。参见表2，表2为T1～T6各相的体积VT1～VT6及体积占比。
表2 T1～T6各相的体积VT1～VT6及体积占比
根据预设公式，利用计算所述配料成分的磁体的Br。
其中，正向畴体积分数A取0.96，1-β是主相的体积分数，d磁体取7.5g/cm3，d理论＝dT1*VT1％+dT2*VT2％+dT3*VT3％+dT4*VT4％+dT5*VT5％+dT6*VT6％＝7.5194。钕铁硼永磁材料取向度与制备磁体时添加剂含量有关，目前实际上能做到0.98，取值0.98。
R2Fe14B(R＝Pr、Nd、Dy、Tb、Gd、Ho)的饱和磁极化强度分别为1.56T、1.61T、0.71T、0.70T、0.84T、0.81T，该实例中钕铁硼磁体主相R2Fe14B的饱和磁极化强度＝((1.56*0+1.61*1)*PrNd原子个数百分比+0.71*Dy原子个数百分比+0.7*Tb原子个数百分比+0.84*Gd原子个数百分比+0.81*Ho原子个数百分比-0.4*Al原子个数百分比)/总稀土原子个数百分比＝1.5499T。
经计算，Br＝0.96*90.16％*7.5/7.5194*0.98*1.5499*10＝13.113KGs，统计批量生产钕铁硼该牌号磁体的磁性能参数，发现其剩磁大致区间为12.8～13.2KGs，与通过配方计算的理论剩磁非常接近，可见理论计算对钕铁硼磁体磁性能起到了前期预见和良好的指导效果。
实施例2
本实例针对小批量实验研究，计划开发出满足客户性能要求的磁体，要求Br不低于14.6KGs。
参见表1中实施例二钕铁硼磁体的各成分含量。考虑到PrNd及B元素在制备磁体过程中的损失，计算出PrNd的实际配入百分含量为29.58％，B为0.931％，其余元素的损失较少忽略不计。同实施例1，烧结钕铁硼磁体中O、N、C的质量分数分别为0.08％、0.03％、0.06％。
根据公式：原子个数＝质量/相对原子质量，得出Nd、Al、B、Cu、Co、Ga、Zr、Fe、O、N、C的原子个数为2.011*10-3、1.853*10-5、8.557*10-4、2.36*10-5、2.545*10-4、2.869*10-5、1.864*10-5、1.218*10-2、5*10-5、2.142*10-5、5*10-5。
根据公式计算原子个数百分比，Nd:12.964％、Al:0.119％、B:5.517％、Cu:0.152％、Co:1.641％、Ga:0.185％、Zr:0.12％、Fe:78.518％、O:0.322％、N:0.138％、C:0.322％。
计算类稀土原子(PrNd、Dy、Tb、Gd、Ho)、类Fe原子(Fe、Co、Nb)、B原子、O原子、N原子、C原子个数百分比，其中O原子一半以单质存在，一半与Nd形成化合物Nd2O3、N、C原子类似，分别形成NdN3、NdC化合物。因此类稀土原子、类Fe原子、B原子、O原子、N原子、C原子个数百分比分别为12.672％、80.159％、5.517％、0.161％、0.069％、0.161％。
NdFeB磁体中T1相(主相)、T2相(富Nd相)、T3相(富B相)、T4相(氧化物相)、T5相(氮化物相)、T6相(碳化物相)相互平衡。已知Nd2Fe14B、Nd90Fe10等化合物中Fe、Nd、B、O、N、C的原子个数和类铁原子、总稀土原子、B原子、O原子、N原子、C原子的原子个数百分比，求得主相、富Nd相、富B相、氧化物相、氮化物相、碳化物相的分子数。
具体表现为Aχ＝B即
14 10 4 0 0 0 2 90 1.1 2 1 1 1 0 4 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 1 x = 0.80159 0.12672 0.05517 0.00161 0.00069 0.00161
求得解向量
根据定义相对分子质量是化学式中各个原子的相对原子质量的总和，把相对分子质量计为MT1～MT6，则MrT1(Nd2Fe14B)＝1087.79、MrT2(Nd90Fe10)＝13838.88、MrT3(Nd1.1Fe4B4)＝428.94、MrT4(Nd2O3)＝336.48、MrT5(NdN3)＝186.26、MrT6(NdC)＝156.24，
通过公式：质量＝分子数*相对分子质量，求得T1相的质量为62.366，其它相的质量算法类似。
关于六个平衡相的密度分别为dT1(Nd2Fe14B)＝7.65g/cm3、dT2(Nd90Fe10)＝7.0g/cm3、dT3(Nd1.1Fe4B4)＝3.56g/cm3、dT4(Nd2O3)＝7.24g/cm3、dT5(NdN3)＝7.69g/cm3、dT6(NdC)＝7g/cm3。
根据质量/密度＝体积，得出T1～T6各相的体积VT1～VT6及体积占比V％。参见表3，表3为T1～T6各相的体积VT1～VT6及体积占比。
表3 T1～T6各相的体积VT1～VT6及体积占比
根据预设公式，利用计算所述配料成分的磁体的Br。
正向畴体积分数A取0.96，1-β是主相的体积分数，d磁体取7.5g/cm3，d理论＝dT1*VT1％+dT2*VT2％+dT3*VT3％+dT4*VT4％+dT5*VT5％+dT6*VT6％＝7.661。钕铁硼永磁材料取向度与制备磁体时添加剂含量有关，目前实际上只能做到0.98。
R2Fe14B(R＝Pr、Nd、Dy、Tb、Gd、Ho)的饱和磁极化强度分别为1.56T、1.61T、0.71T、0.70T、0.84T、0.81T，该实例中钕铁硼磁体主相R2Fe14B的饱和磁极化强度＝((1.56*0+1.61*1)*PrNd原子个数百分比+0.71*Dy原子个数百分比+0.7*Tb原子个数百分比+0.84*Gd原子个数百分比+0.81*Ho原子个数百分比-0.4*Al原子个数百分比)/总稀土原子个数百分比＝1.6433T。
经计算，Br＝0.96*97.43％*7.5/7.661*0.98*1.6433*10＝14.746KGs，与客户提出的Br不低于14.6KGs的要求相符合，因此此配方设计是初步可行的，可以进行小批量试生产。
下表是安排试生产，取回火后毛坯掏样成D10*10mm的小柱测试后的磁性能数据。参见表4，表4为本发明实际生产的磁体的磁性能数据。
表4本发明实际生产的磁体的磁性能数据
烧结温度 二级回火 编号 Br Hcb Hcj (BH)max Hk Hk/Hcj
(℃) (℃*h) Test No. (kGs) (kOe) (kOe) (MGOe) (kOe)
1045 500*3h SY01 14.37 13.11 13.67 49.58 13.22 0.97
1045 500*3h SY02 14.33 13.03 13.61 49.28 13.1 0.96
1050 500*3h SY03 14.65 12.08 12.42 51.79 11.95 0.96
1050 500*3h SY04 14.64 12.53 12.79 51.76 12.49 0.98
1055 500*3h SY05 14.62 12.73 12.93 51.43 12.7 0.982
1055 500*3h SY06 14.6 12.85 13.01 51.53 12.82 0.985
1060 500*3h SY07 14.59 13.19 13.49 51.31 13.2 0.979
1060 500*3h SY08 14.57 12.68 13.35 51.08 12.6 0.943
统计试生产的钕铁硼磁体的磁性能参数，发现其剩磁在14.6KGs上下浮动，这与烧结、回火的温度、保温时间等工艺参数有关。对比可见，实际剩磁与通过配方计算的理论剩磁非常接近，可见理论计算对钕铁硼磁体磁性能起到了前期预见和良好的指导效果。
以上对本发明提供的一种钕铁硼磁体剩磁的计算方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种钕铁硼磁体剩磁的理论计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)根据磁体的材料组成、相应成分的质量百分比以及各元素的相对原子质量，得到磁体中各元素的原子个数以及各元素的原子个数百分比；
b)将磁体中的影响磁性能的元素进行分类，得到总稀土元素、类铁元素、B元素以及其他影响元素，进而得到总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比；
所述其他影响元素包括氧元素、氮元素和碳元素中的一种或多种；
c)根据上述步骤的分类，设定磁体中的平衡的各相，根据上述步骤得到的总稀土元素的原子个数百分比、类铁元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，计算得到各相的分子个数；
所述各相包括主相、富稀土相、富B相以及其他影响元素相；所述其他影响元素相包括氧化物相、氮化物相和碳化物相中的一种或多种；
d)根据各相的相对分子质量以及上述步骤得到的各相的分子个数，得到各相的质量；
e)根据各相的密度以及上述步骤得到的各相的质量，得到各相的体积和各相的体积比，再根据各相的体积比和各相的密度，得到钕铁硼磁体的理论密度；
f)根据式(I)进行验算，得到钕铁硼磁体的剩磁；
其中，Br为磁体的剩磁，A为正向畴体积分数，1-β为磁体主相的体积分数，d磁体为磁体的实际密度，d理论为磁体的理论密度，为实际磁体的主相的取向度，JS为磁体主相的饱和磁极化强度。
2.根据权利要求1所述的理论计算方法，其特征在于，所述总稀土元素包括PrNd和/或其他稀土元素；
所述类铁元素包括Fe和/或其他铁磁性物质。
3.根据权利要求2所述的理论计算方法，其特征在于，所述其他稀土元素包括Dy、Tb、Gd和Ho中的一种或多种；
所述其他铁磁性物质包括Co和/或Nb。
4.根据权利要求3所述的理论计算方法，其特征在于，所述主相为R2M14B相，所述富稀土相为R90M10相，所述富B相为R1.1M4B4相；
所述R为总稀土元素，所述M为类铁元素。
5.根据权利要求3所述的理论计算方法，其特征在于，所述氧化物相为R2O3相，所述氮化物相为RN3，所述碳化物相为RC相；
所述R为总稀土元素。
6.根据权利要求1所述的理论计算方法，其特征在于，所述计算为采用矩阵进行计算；
所述矩阵为{矩阵A}*{x}＝{矩阵B}；
所述各相中的各个原子个数作为矩阵A的列，各相中的相同原子的个数作为矩阵A的行；
所述类铁元素的原子个数百分比、总稀土元素的原子个数百分比、B元素的原子个数百分比以及其他影响元素的原子个数百分比，分别作为单列矩阵B的列；
x为各相的分子个数。
7.根据权利要求1所述的理论计算方法，其特征在于，所述各相的密度为主相密度、富稀土相密度、富B相密度以及其他影响元素相密度；
所述其他影响元素相密度包括氧化物相密度、氮化物相密度和碳化物相密度中的一种或多种；
所述主相密度：dT1(R2M14B)＝7.65g/cm3；所述富稀土相密度：dT2(R90M10)＝7.0g/cm3；所述富B相密度：dT3(R1.1M4B4)＝3.56g/cm3；所述氧化物相密度：dT4(R2O3)＝7.24g/cm3；所述氮化物相密度dT5(RN3)＝7.69g/cm3；所述碳化物相密度：dT6(RC)＝7g/cm3；
所述R为总稀土元素，所述M为类铁元素。
8.根据权利要求7所述的理论计算方法，其特征在于，所述磁体的理论密度为各相中，每相的密度与该相所占体积比的乘积，再加和；
所述正向畴体积分数为常量；
所述小于1。
9.根据权利要求1所述的理论计算方法，其特征在于，所述钕铁硼磁体按质量百分比组成包括：Pr-Nd：28.6％～32.0％；Dy：0～3.0％；Tb：0～4.0％；Nb：0～2.0％；Al：0.05～0.45％；B：0.1％～2.0％；Cu：0.05～0.15％；Co：0～2.0％；Ga：0～5％；Gd：0～10％；Ho：0～8％；Zr：0～5％；余量为Fe。
10.根据权利要求1所述的理论计算方法，其特征在于，所述磁体主相的饱和磁极化强度为主相中，每个稀土元素的饱和磁极化强度与该稀土元素的原子个数百分比的乘积，再加和，再除以总稀土原子个数百分比；
其中，所述磁体中含有Al元素时，所述磁体主相的饱和磁极化强度为主相中，每个稀土元素的饱和磁极化强度与该稀土元素的原子个数百分比的乘积，再加和，再减去0.4与Al元素原子个数百分比的乘积，再除以总稀土原子个数百分比。
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