影響燒結(jié)Nd-Fe-B磁體退磁曲線方形度的因素解析VIP

1、影響燒結(jié) Nd-Fe-B 磁體退磁曲線方形度的因素王占勇 1 ，谷南駒1，王寶奇1，劉金芳2，趙金伶3，張志清3，張巧格3（ 1河北工業(yè)大學(xué) 金屬材料研究所，天津 300132 ；2美國(guó)賓夕法尼亞洲電子能公司，賓夕法尼亞州17538 ，美國(guó)；3河北省冶金科技股份有限公司磁材部，河北石家莊 050000 ）摘 要 ： 通過(guò)分析具有不同退磁曲線方形度的磁體發(fā)現(xiàn)， 燒結(jié)體的顯微組織對(duì)磁體的方形度有很大影響。 磁體中晶粒的異常長(zhǎng)大會(huì)嚴(yán)重惡化磁體的方形度； 晶粒的形狀及晶界相等影響到退磁場(chǎng)的大小， 進(jìn)而影響到磁體的方形度； 添加元素影響到磁體中的相結(jié)構(gòu)和相分布，對(duì)反磁化場(chǎng)的均勻性有所影響。關(guān)鍵詞 ： N

2、d-Fe-B 磁體；方形度；晶粒；顯微組織；添加元素1 引言Nd-Fe-B 是當(dāng)代磁能積最高的永磁材料，被稱為“磁王”。目前，對(duì)這種高性能磁體的研究主要朝兩個(gè)方向進(jìn)行，一是高磁能積磁體，日本實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)444kJ/m3,工業(yè)批量生產(chǎn)水平為N501 （磁能積400kJ/m3）; 一是高矯頑力和低溫度系數(shù)磁體，這一類磁體主要用在電機(jī)等領(lǐng)域，前景很好。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅考慮磁能積和矯頑力這兩個(gè)指標(biāo)是不夠的，還必須考察磁體的退磁曲線方形度（以下簡(jiǎn)稱方形度）是否合乎要求。圖1為典型的永磁體的退磁曲線2 ,從JH曲線上我們看出，在反向（退）磁場(chǎng)比較小時(shí)， J 的下降很??；反向磁場(chǎng)大到一定程度后，

3、J 開始急劇下降。通常把J=0.9B或0.8B的退磁場(chǎng)稱為彎曲點(diǎn)磁場(chǎng) H°H/Hj在一定程度上反映了 JH退磁曲線的形狀，具比值越接近于1, JH退磁曲線越接近于方形，所以，生產(chǎn)中經(jīng)常通過(guò)比較Hk/ Hcj 的大小來(lái)衡量方形度的好壞，這種衡量方法在許多文獻(xiàn)3' 4中都被采用。通常認(rèn)為方形度 H/H. >0.9 ,產(chǎn)品就算合格。HiOfl960-32QN/kA* 1得11永磁體的J-H退磁曲塊，”在生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)方形度不合格的產(chǎn)品，我們對(duì)這些情況出現(xiàn)的原因進(jìn)行了 分析，總結(jié)出了影響方形度的一些因素，以供大家參考。本文中涉及到的H都是指J=0.9Br所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)。2 實(shí)驗(yàn)本

4、文是在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)大量磁體的退磁曲線檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析 總結(jié)而得出的結(jié)果。燒結(jié)磁體的生產(chǎn)工藝如下：以純度大于 99.5%勺牧、純鐵、 硼鐵為主要原材料，部分磁體添加 Al、Dy Pr和Nb等一種或多種元素，用真空 感應(yīng)電弧爐熔煉母合金，母合金經(jīng)過(guò)粗破碎、氣流磨或球磨、磁場(chǎng)取向成型和等 靜壓后，在真空燒結(jié)爐中，根據(jù)成分和經(jīng)驗(yàn)采用不同的燒結(jié)和回火工藝，最后制 備出燒結(jié)磁體。長(zhǎng)期對(duì)不同爐次、燒結(jié)爐不同位置的磁體進(jìn)行取樣檢測(cè)，用磁性 測(cè)量?jī)x測(cè)量磁體的退磁曲線。對(duì)部分磁體，尤其是退磁曲線方形度不合格的磁體 用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析顯微組織，用能譜儀分析相成分和元素分布。 綜合上述磁體性能

5、檢測(cè)和顯微組織分析結(jié)果，選擇具有代表性的磁體進(jìn)行以下分 析。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2和圖3分別是方形度不同的燒結(jié)體的退磁曲線及相應(yīng)的金相顯微組 織和SEM背散射電子顯微照片，通過(guò)對(duì)比可以看出，圖2a和圖3a所對(duì)應(yīng)的燒結(jié) 體方形度比較好，圖中表明磁體具有良好的燒結(jié)體組織， 燒結(jié)體的晶粒尺寸非常 均勻，富數(shù)相分布較好，夾雜相和孔洞很少。而圖 2b中出現(xiàn)了大量的孔洞和夾 雜，還出現(xiàn)了大量圍繞主相分布的不規(guī)則的網(wǎng)狀物，經(jīng)能譜分析這些網(wǎng)狀物以 Nd Fe為主，其中含Nd 40% （重量）左右，這些網(wǎng)狀物主要是由于燒結(jié)溫度偏高造成的。由于圖 2b 對(duì)應(yīng)的磁體具有上述組織缺陷，這些缺陷易成為反磁化成核點(diǎn)，導(dǎo)致磁體方

6、形度比較低。方形度最差的是圖 3b 所對(duì)應(yīng)的磁體，磁體有明顯的大晶粒（ a 處）存在，而且類似a 處的大晶粒非常多，經(jīng)分析認(rèn)為這是造成方形度極差的直接原因。除此之外，還對(duì)大量其它樣品進(jìn)行了分析，尤其是那些方形度非常差的樣品。研究發(fā)現(xiàn)，方形度與燒結(jié)體的顯微組織有很大關(guān)系，尤為明顯的是，如果 燒結(jié)體中有明顯的晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象存在，燒結(jié)體的方形度將嚴(yán)重降低。4 影響方形度的主要因素分析4.1 晶粒異常長(zhǎng)大對(duì)方形度的影響從圖 3b 中可以看出，燒結(jié)磁體的晶粒大小差異很大， a 處的特大晶粒尺寸將近100 n mi比小晶粒大幾十倍。這種晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象在燒結(jié)磁體中經(jīng) 常出現(xiàn)，對(duì)磁性能的損害極大。晶粒異

7、常長(zhǎng)大的成因可能如下。首先粉末的尺寸差異太大。圖4是某次氣流磨制得的粉末的SEM&片，可 以看出，大顆粒將近20小切而小顆粒不到1仙簿并且大顆粒上聚集了許多小顆 粒，這樣，在粉末壓制成毛坯燒結(jié)時(shí)，磁體晶粒結(jié)構(gòu)類似圖5，即一個(gè)大顆粒被許多細(xì)小顆粒所包圍。在燒結(jié)過(guò)程中，一方面這些細(xì)小的顆粒溶解于液相之中， 通過(guò)液相的擴(kuò)散、析出，在大顆粒表面上析出，使大顆粒長(zhǎng)得更大；另一方面， 由于小顆粒的比表面積大，表面能高，而大顆粒比表面積較小，表面能較低，所 以，為降低能量，大顆粒將吞并小顆粒，促使大顆粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。其次， 燒結(jié)溫度過(guò)高或燒結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 隨著燒結(jié)溫度的提高， 液相增多，更多的小顆粒在液

8、相中溶解、 析出， 在大顆粒表面析出得也更多， 從而出現(xiàn)晶粒 的異常長(zhǎng)大，而且在過(guò)高溫度下，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力大；隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)， 固相燒結(jié)所持續(xù)的時(shí)間加長(zhǎng)，晶粒之間的擴(kuò)散增強(qiáng)，晶粒之間的界面逐漸消失， 從而出現(xiàn)幾個(gè)晶粒長(zhǎng)成一個(gè)晶粒的現(xiàn)象。再次，文獻(xiàn) 5 、 6 還提出這種異常晶粒長(zhǎng)大與氧含量有關(guān)。氧含量偏高，晶粒長(zhǎng)大的傾向就偏小，原因是氧化物的存在使得液相減少，進(jìn)而減小了因液相擴(kuò)散在大顆粒表面析出引起的晶粒異常長(zhǎng)大；另一方面，氧化物的存在，阻 礙了晶粒的長(zhǎng)大。由于晶粒尺寸的差異， 導(dǎo)致每個(gè)晶粒的磁性能， 特別是矯頑力有所差異。尺寸小的晶粒矯頑力高，尺寸大的晶粒矯頑力低，當(dāng)晶粒尺寸大到幾十甚

9、至超過(guò) 100pm時(shí)，其矯頑力將非常低。這樣，在反磁化過(guò)程中，大晶粒在較低的反向 磁場(chǎng)作用下發(fā)生磁矩反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致磁化強(qiáng)度降低，方形度下降。大量實(shí)驗(yàn)證明， 異常長(zhǎng)大的晶粒越多，尺寸越大，磁化強(qiáng)度下降得就越快，方形度也就越差。圖 3b對(duì)應(yīng)的燒結(jié)體中晶粒差異太大，大小相差幾十倍，其反磁化過(guò)程必然是不均 勻的，大晶粒中一旦形成反磁化疇核，整個(gè)晶粒的磁矩將很快反轉(zhuǎn)，由于燒結(jié)體 中大晶粒很多，所以大晶粒磁矩的反轉(zhuǎn)將導(dǎo)致磁體的磁化強(qiáng)度迅速下降，從而導(dǎo)致方形度降低。文獻(xiàn)7 , 8中也有關(guān)于這種現(xiàn)象的報(bào)道。B太白1M !照片用S晶粒異常F大”型4.2 晶粒的規(guī)則性及晶界等對(duì)方形度的影響從圖1的退磁曲線我們已經(jīng)

10、知道，永磁體反磁化過(guò)程的起始階段（即反 向磁場(chǎng)小于H時(shí)）磁化強(qiáng)度降低很慢，即在這一階段絕大多數(shù)晶粒磁矩還未反 轉(zhuǎn)。在Nd-Fe-B燒結(jié)體中，晶粒的形態(tài)、成分、晶粒之間的晶界等都對(duì)反磁化過(guò) 程有影響。文獻(xiàn)2、9等對(duì)影響反磁化的因素進(jìn)行了詳細(xì)論述，本文在此就不作過(guò)多敘述。下面我們重點(diǎn)討論一下晶粒形態(tài)和富鉉相的分布對(duì)方形度的影響， 這兩種情況在實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到。圖6是兩種不同性能Nd-Fe-B燒結(jié)體的SEM&片。圖6a中，燒結(jié)體的晶 粒很不規(guī)則， 許多晶粒出現(xiàn)尖角， 晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量凹坑， 由于這些位置的退磁場(chǎng) 較大，使局域的磁矩排列不均勻，甚至使其磁矩反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生反磁化疇。所以磁體的矯

11、頑力和Hk較低，所以，雖然H/Hj的比值為0.91，但H的絕對(duì)值是非 常低的，所以其性能也是不合格的。在圖 6b 中，燒結(jié)體晶粒中尖角和凹坑倒不多，但卻出現(xiàn)了孔洞（黑色）和富釹相（亮塊）富集區(qū)，這些缺陷的存在對(duì)剩磁和磁能積的損害很大。由于磁體的矯頑力比H大得多，可見在反磁化過(guò)程中磁體的磁矩反轉(zhuǎn)是不均勻的，與 孔洞和塊狀富釹相接觸的晶粒的邊界一般不是非常平直的， 很容易造成退磁場(chǎng)的集中，在反向磁場(chǎng)很小時(shí)，部分磁矩就發(fā)生了反轉(zhuǎn)，所以 H很小。4.3 添加元素對(duì)方形度的影響在生產(chǎn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，含Pr 的燒結(jié)體方形度一般都比較低， Corfield等人 10 的研究結(jié)果也反映出了類似的情況， 即隨著

12、Nd-Pr-Fe-B 合金中 Pr 含量的 增加，磁體的方形度逐漸下降。原因可能在于含 Pr 磁體中容易析出分布不均勻的1 : 4 ： 4結(jié)構(gòu)的富B相。文獻(xiàn)9指出富B相是反磁化疇的成核中心，有助于 反磁化疇長(zhǎng)大。Nb加入Nd-Fe-B之后，生成一種FeNb相，能顯著細(xì)化合金的鑄錠組織 和燒結(jié)體組織，顯著提高合金的矯頑力，而對(duì)剩磁無(wú)影響。成問好等人1113的研 究結(jié)果表明，添加一定量的Nb使稀土含量相對(duì)較低的鉆鐵硼燒結(jié)磁體的磁性能 和退磁曲線的方形度顯著改善。當(dāng) Nb含量較低時(shí)，Nb使磁體的晶粒細(xì)化和均勻 化， 使條狀、 四邊形、 楔形等含有尖銳棱角的、 形狀極不規(guī)則的晶粒和尺寸過(guò)大、過(guò)小的晶粒

13、大大減少甚至消失，使晶粒之間更加緊密，富Nd相的分布更加均勻。 所以， Nb 的加入，優(yōu)化了燒結(jié)體的組織結(jié)構(gòu)，減少了反磁化成核點(diǎn)，進(jìn)而使方形度得以提高。Mo 加入到 Nd-Fe-Co-B 合金后 14 ，內(nèi)稟矯頑力和方形度都得到提高，一方面，Mo的加入可能影響到了 Fe-Fe之間的超交換作用，另一方面，Mo進(jìn)入了 主相，取代了部分Fe原子，提高了磁晶各向異性場(chǎng)。Mo的加入還抑制了 Nd-Fe-Co-B合金中不利于提高磁性能的Co的化合物的析出或者改變了其析出結(jié) 構(gòu)，從而彌補(bǔ)了因?yàn)?Co 的加入而引起的矯頑力降低。4.4 影響方形度的其它因素何葉青等 4 認(rèn)為， Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體的回復(fù)磁

14、導(dǎo)率與取向度之間存在強(qiáng)烈的相關(guān)性，磁體的取向度越高，退磁曲線的方形度就越好。潘晶 9 提出，退磁曲線的方形度還與燒結(jié)體的充磁磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)充磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 較低時(shí)， 退磁曲線的方形度很差， 獲得較好方形度的充磁場(chǎng)強(qiáng)度必須滿足H/HO1.23這一條件。在生產(chǎn)中我們還發(fā)現(xiàn)，直徑約6mmi勺圓柱狀燒結(jié)體在表面磨光之后，一般方形度比較低， 但經(jīng)過(guò)熱退磁之后再測(cè)試時(shí)方形度反而有所提高， 在小尺寸試樣中普遍存在這一問題， 而大尺寸試樣不存在這樣的問題。 我們分析認(rèn)為， 試樣在表面經(jīng)過(guò)加工之后， 有一定范圍的應(yīng)力作用區(qū)， 這一區(qū)域與小試樣的尺寸相比不能忽略， 而在大試樣中卻相對(duì)很小甚至可以忽略。 在應(yīng)力作用

15、下， 可能有利于形成反磁化疇核，進(jìn)而容易造成磁矩反轉(zhuǎn)，使磁體的方形度降低。熱退磁后，磁體表面的應(yīng)力消除了，因此方形度提高。文獻(xiàn) 15 指出，磁體燒結(jié)后的熱處理溫度對(duì)退磁曲線有很大影響，對(duì)于Pri5Fe62.5C06Ali&5合金，熱處理溫度為1000c時(shí)的方形度比600c時(shí)的方形度有所提高，他們分析其原因就是1000處理后的燒結(jié)體晶粒尺寸分布比較均勻和晶界相較少。5 結(jié)論（ 1）退磁曲線對(duì)Nd-Fe-B 燒結(jié)體的組織非常敏感，它的形狀強(qiáng)烈地依賴于晶粒的大小、形狀、結(jié)構(gòu)以及燒結(jié)體中存在的其它相及其分布等因素。（ 2） Nd2Fe14B 主相晶粒的異常長(zhǎng)大會(huì)嚴(yán)重降低磁體的方形度。主相晶粒尺

16、寸的差異導(dǎo)致晶粒間磁性能有很大差別，大晶粒矯頑力低，小晶粒矯頑力高，從而造成反磁化過(guò)程的不均勻性。（ 3）主相晶粒形狀的不規(guī)則性會(huì)降低磁體的方形度。晶粒中的尖角、凹坑等處是退磁場(chǎng)容易集中的地方， 退磁場(chǎng)的集中使磁矩排列不均勻， 甚至出現(xiàn)磁矩反轉(zhuǎn)。（4）添加元素，如Nb> Mo等能改善磁體的組織，抑制磁性能的惡化，進(jìn)而使方形度提高。（ 5）磁體的取向度、充磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、燒結(jié)后熱處理溫度的高低以及磁體的加工應(yīng)力等因素都對(duì)磁體的方形度有一定影響。參考文獻(xiàn)：1金子裕治.高性能Nd-Fe-B磁石( 400kJ/m3) 內(nèi)實(shí)用化J.粉體扮粉末冶 金,2000 ， 47(2) ： 139-145 2 周

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