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1、影响烧结Nd-Fe-B磁体退磁曲线方形度的因素王占勇1，谷南驹1，王宝奇1，刘金芳2，赵金伶3，张志清3，张巧格3（1河北工业大学 金属材料研究所，天津 ；2美国宾夕法尼亚洲电子能公司，宾夕法尼亚州 17538，美国；3河北省冶金科技股份有限公司 磁材部，河北石家庄 ） 摘 要：通过分析具有不同退磁曲线方形度的磁体发现，烧结体的显微组织对磁体的方形度有很大影响。磁体中晶粒的异常长大会严重恶化磁体的方形度；晶粒的形状及晶界相等影响到退磁场的大小，进而影响到磁体的方形度；添加元素影响到磁体中的相结构和相分布，对反磁化场的均匀性有所影响。 关键词：Nd-Fe-B磁体；方形度；晶粒；显微组织；添加元素
2、1 引言 Nd-Fe-B是当代磁能积最高的永磁材料，被称为“磁王”。目前，对这种高性能磁体的研究主要朝两个方向进行，一是高磁能积磁体，日本实验室水平已达444kJ/m3，工业批量生产水平为N501（磁能积400kJ/m3）；一是高矫顽力和低温度系数磁体，这一类磁体主要用在电机等领域，前景很好。然而，在实际应用中，仅仅考虑磁能积和矫顽力这两个指标是不够的，还必须考察磁体的退磁曲线方形度（以下简称方形度）是否合乎要求。 图1为典型的永磁体的退磁曲线2，从JH曲线上我们看出，在反向（退）磁场比较小时，J的下降很小；反向磁场大到一定程度后，J开始急剧下降。通常把J=0.9Br或0.8Br的退磁场称为弯
3、曲点磁场Hk。Hk/Hcj在一定程度上反映了JH退磁曲线的形状，其比值越接近于1，JH退磁曲线越接近于方形，所以，生产中经常通过比较Hk/Hcj的大小来衡量方形度的好坏，这种衡量方法在许多文献3，4中都被采用。通常认为方形度Hk/Hcj0.9，产品就算合格。在生产中经常发现方形度不合格的产品，我们对这些情况出现的原因进行了分析，总结出了影响方形度的一些因素，以供大家参考。本文中涉及到的Hk都是指J=0.9Br所对应的磁场。2 实验 本文是在生产和实验的基础上，对大量磁体的退磁曲线检验结果进行分析总结而得出的结果。烧结磁体的生产工艺如下：以纯度大于99.5%的钕、纯铁、硼铁为主要原材料，部分磁体
4、添加Al、Dy、Pr和Nb等一种或多种元素，用真空感应电弧炉熔炼母合金，母合金经过粗破碎、气流磨或球磨、磁场取向成型和等静压后，在真空烧结炉中，根据成分和经验采用不同的烧结和回火工艺，最后制备出烧结磁体。长期对不同炉次、烧结炉不同位置的磁体进行取样检测，用磁性测量仪测量磁体的退磁曲线。对部分磁体，尤其是退磁曲线方形度不合格的磁体用光学显微镜和扫描电子显微镜分析显微组织，用能谱仪分析相成分和元素分布。综合上述磁体性能检测和显微组织分析结果，选择具有代表性的磁体进行以下分析。3 实验结果 图2和图3分别是方形度不同的烧结体的退磁曲线及相应的金相显微组织和SEM背散射电子显微照片，通过对比可以看出，
5、图2a和图3a所对应的烧结体方形度比较好，图中表明磁体具有良好的烧结体组织，烧结体的晶粒尺寸非常均匀，富钕相分布较好，夹杂相和孔洞很少。而图2b中出现了大量的孔洞和夹杂，还出现了大量围绕主相分布的不规则的网状物，经能谱分析这些网状物以Nd、Fe为主，其中含Nd 40%（重量）左右，这些网状物主要是由于烧结温度偏高造成的。由于图2b对应的磁体具有上述组织缺陷，这些缺陷易成为反磁化成核点，导致磁体方形度比较低。方形度最差的是图3b所对应的磁体，磁体有明显的大晶粒（a处）存在，而且类似a处的大晶粒非常多，经分析认为这是造成方形度极差的直接原因。 除此之外，还对大量其它样品进行了分析，尤其是那些方形度
6、非常差的样品。研究发现，方形度与烧结体的显微组织有很大关系，尤为明显的是，如果烧结体中有明显的晶粒异常长大现象存在，烧结体的方形度将严重降低。4 影响方形度的主要因素分析4.1 晶粒异常长大对方形度的影响 从图3b中可以看出，烧结磁体的晶粒大小差异很大，a处的特大晶粒尺寸将近100m，比小晶粒大几十倍。这种晶粒异常长大的现象在烧结磁体中经常出现，对磁性能的损害极大。晶粒异常长大的成因可能如下。 首先粉末的尺寸差异太大。图4是某次气流磨制得的粉末的SEM照片，可以看出，大颗粒将近20m，而小颗粒不到1m，并且大颗粒上聚集了许多小颗粒，这样，在粉末压制成毛坯烧结时，磁体晶粒结构类似图5，即一个大颗
7、粒被许多细小颗粒所包围。在烧结过程中，一方面这些细小的颗粒溶解于液相之中，通过液相的扩散、析出，在大颗粒表面上析出，使大颗粒长得更大；另一方面，由于小颗粒的比表面积大，表面能高，而大颗粒比表面积较小，表面能较低，所以，为降低能量，大颗粒将吞并小颗粒，促使大颗粒进一步长大。其次，烧结温度过高或烧结时间过长。随着烧结温度的提高，液相增多，更多的小颗粒在液相中溶解、析出，在大颗粒表面析出得也更多，从而出现晶粒的异常长大，而且在过高温度下，晶粒长大的驱动力大；随着烧结时间的延长，固相烧结所持续的时间加长，晶粒之间的扩散增强，晶粒之间的界面逐渐消失，从而出现几个晶粒长成一个晶粒的现象。再次，文献5、6还
8、提出这种异常晶粒长大与氧含量有关。氧含量偏高，晶粒长大的倾向就偏小，原因是氧化物的存在使得液相减少，进而减小了因液相扩散在大颗粒表面析出引起的晶粒异常长大；另一方面，氧化物的存在，阻碍了晶粒的长大。由于晶粒尺寸的差异，导致每个晶粒的磁性能，特别是矫顽力有所差异。尺寸小的晶粒矫顽力高，尺寸大的晶粒矫顽力低，当晶粒尺寸大到几十甚至超过100m时，其矫顽力将非常低。这样，在反磁化过程中，大晶粒在较低的反向磁场作用下发生磁矩反转，从而导致磁化强度降低，方形度下降。大量实验证明，异常长大的晶粒越多，尺寸越大，磁化强度下降得就越快，方形度也就越差。图3b对应的烧结体中晶粒差异太大，大小相差几十倍，其反磁化
9、过程必然是不均匀的，大晶粒中一旦形成反磁化畴核，整个晶粒的磁矩将很快反转，由于烧结体中大晶粒很多，所以大晶粒磁矩的反转将导致磁体的磁化强度迅速下降，从而导致方形度降低。文献7，8中也有关于这种现象的报道。4.2 晶粒的规则性及晶界等对方形度的影响 从图1的退磁曲线我们已经知道，永磁体反磁化过程的起始阶段（即反向磁场小于Hk时）磁化强度降低很慢，即在这一阶段绝大多数晶粒磁矩还未反转。在Nd-Fe-B烧结体中，晶粒的形态、成分、晶粒之间的晶界等都对反磁化过程有影响。文献2、9等对影响反磁化的因素进行了详细论述，本文在此就不作过多叙述。下面我们重点讨论一下晶粒形态和富钕相的分布对方形度的影响，这两种
10、情况在实验和生产中经常遇到。 图6是两种不同性能Nd-Fe-B烧结体的SEM照片。图6a中，烧结体的晶粒很不规则，许多晶粒出现尖角，晶粒内出现大量凹坑，由于这些位置的退磁场较大，使局域的磁矩排列不均匀，甚至使其磁矩反转，从而产生反磁化畴。所以磁体的矫顽力和Hk较低，所以，虽然Hk/Hcj的比值为0.91，但Hk的绝对值是非常低的，所以其性能也是不合格的。 在图6b中，烧结体晶粒中尖角和凹坑倒不多，但却出现了孔洞（黑色）和富钕相（亮块）富集区，这些缺陷的存在对剩磁和磁能积的损害很大。由于磁体的矫顽力比Hk大得多，可见在反磁化过程中磁体的磁矩反转是不均匀的，与孔洞和块状富钕相接触的晶粒的边界一般不
11、是非常平直的，很容易造成退磁场的集中，在反向磁场很小时，部分磁矩就发生了反转，所以Hk很小。4.3 添加元素对方形度的影响 在生产过程中还发现，含Pr的烧结体方形度一般都比较低，Corfield等人10的研究结果也反映出了类似的情况，即随着Nd-Pr-Fe-B合金中Pr含量的增加，磁体的方形度逐渐下降。原因可能在于含Pr磁体中容易析出分布不均匀的144结构的富B相。文献9指出富B相是反磁化畴的成核中心，有助于反磁化畴长大。 Nb加入Nd-Fe-B之后，生成一种Fe2Nb相，能显著细化合金的铸锭组织和烧结体组织，显著提高合金的矫顽力，而对剩磁无影响。成问好等人1113的研究结果表明，添加一定量的
12、Nb使稀土含量相对较低的钕铁硼烧结磁体的磁性能和退磁曲线的方形度显著改善。当Nb含量较低时，Nb使磁体的晶粒细化和均匀化，使条状、四边形、楔形等含有尖锐棱角的、形状极不规则的晶粒和尺寸过大、过小的晶粒大大减少甚至消失，使晶粒之间更加紧密，富Nd相的分布更加均匀。所以，Nb的加入，优化了烧结体的组织结构，减少了反磁化成核点，进而使方形度得以提高。 Mo加入到Nd-Fe-Co-B合金后14，内禀矫顽力和方形度都得到提高，一方面，Mo的加入可能影响到了Fe-Fe之间的超交换作用，另一方面，Mo进入了主相，取代了部分Fe原子，提高了磁晶各向异性场。Mo的加入还抑制了Nd-Fe-Co-B合金中不利于提高
13、磁性能的Co的化合物的析出或者改变了其析出结构，从而弥补了因为Co的加入而引起的矫顽力降低。4.4 影响方形度的其它因素 何叶青等4认为，Nd-Fe-B烧结磁体的回复磁导率与取向度之间存在强烈的相关性，磁体的取向度越高，退磁曲线的方形度就越好。 潘晶9提出，退磁曲线的方形度还与烧结体的充磁磁场强度有关。当充磁场强度H较低时，退磁曲线的方形度很差，获得较好方形度的充磁场强度必须满足H/Hc1.23这一条件。 在生产中我们还发现，直径约6mm的圆柱状烧结体在表面磨光之后，一般方形度比较低，但经过热退磁之后再测试时方形度反而有所提高，在小尺寸试样中普遍存在这一问题，而大尺寸试样不存在这样的问题。我们
14、分析认为，试样在表面经过加工之后，有一定范围的应力作用区，这一区域与小试样的尺寸相比不能忽略，而在大试样中却相对很小甚至可以忽略。在应力作用下，可能有利于形成反磁化畴核，进而容易造成磁矩反转，使磁体的方形度降低。热退磁后，磁体表面的应力消除了，因此方形度提高。 文献15指出，磁体烧结后的热处理温度对退磁曲线有很大影响，对于Pr15Fe62.5Co16Al1B5.5合金，热处理温度为1000时的方形度比600时的方形度有所提高，他们分析其原因就是1000处理后的烧结体晶粒尺寸分布比较均匀和晶界相较少。5 结论 （1）退磁曲线对Nd-Fe-B烧结体的组织非常敏感，它的形状强烈地依赖于晶粒的大小、形
15、状、结构以及烧结体中存在的其它相及其分布等因素。 （2）Nd2Fe14B主相晶粒的异常长大会严重降低磁体的方形度。主相晶粒尺寸的差异导致晶粒间磁性能有很大差别，大晶粒矫顽力低，小晶粒矫顽力高，从而造成反磁化过程的不均匀性。 （3）主相晶粒形状的不规则性会降低磁体的方形度。晶粒中的尖角、凹坑等处是退磁场容易集中的地方，退磁场的集中使磁矩排列不均匀，甚至出现磁矩反转。 （4）添加元素，如Nb、Mo等能改善磁体的组织，抑制磁性能的恶化，进而使方形度提高。 （5）磁体的取向度、充磁场的强弱、烧结后热处理温度的高低以及磁体的加工应力等因素都对磁体的方形度有一定影响。参考文献：1 金子 裕治高性能Nd-F
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