DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.012

回火处理对烧结钕铁硼永磁材料组织和磁性能的影响

谭春林 白书欣 张虹 高艳丽 张家春 蔡珣

  上海交通大学材料科学与工程学院  

  国防科技大学航天与材料工程学院  

  上海交通大学材料科学与工程学院 上海200030  

  长沙410073  

  ?  

摘 要：

探讨了回火处理对烧结Nd Fe B系合金显微组织和磁性能的影响。研究表明 :回火处理后 , 磁体的显微组织得到明显的改善 , 主相体积分数增加 , 晶界变得清晰 , 晶粒尺寸趋向均匀 ;颗粒状富Nd相减少 , 富Nd相沿晶界均匀分布 , 成分趋于共晶富Nd相的成分 ;磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积都得到提高 , 最大磁能积普遍提高 2 0～ 30kJ/m3。

关键词：

回火;显微组织;富Nd相;NdFeB;

中图分类号： TM271

收稿日期：2001-09-06

基金：湖南省自然科学基金资助项目 ( 0 0JJY2 0 42 );

Effect of tempering on microstructure and magnetic properties of sintered Nd-Fe-B magnets

Abstract：

The effect of tempering process on the microstructure and magnetic properties of sintered Nd Fe B magnets were studied. It is showed that, after tempering, the microstructure of magnets is improved. An increase in the volume fraction of matrix phase was observed. The grain boundary gets clearer and the grain size becomes more consistent. The content of gathered clot of Nd rich phase reduces, whose composition changes to eutectic one. Magnetic properties are improved, and the value of (BH) max is enhanced by 20～30?kJ/m 3.

Keyword：

tempering; microstructure; Nd rich phase; Nd Fe B;

Received： 2001-09-06

烧结钕铁硼永磁体自1983年推出以来 ^[1] , 就以其优异的磁性能得到了广大材料工作者及生产厂家的重视。 众所周知, 表征烧结Nd-Fe-B合金磁性能的参数, 如剩磁B_r, 矫顽力H_c和最大磁能积 (BH) _max等对磁体组织非常敏感 ^[2] , 同一成分的烧结钕铁硼合金, 因其显微组织的差异, 可导致磁性能相差几倍, 甚至几十倍 ^[3] , 因此控制烧结NdFeB合金的制备工艺以获得理想的显微组织就显得十分重要 ^[4,5,6,7] 。 调整烧结钕铁硼合金显微组织的重要工艺之一就是进行烧结后回火处理 ^[8,9] 。 本文中作者就钕铁硼磁体烧结后二级回火处理对其磁性能的影响进行探讨。

1 实验

合金成分为Nd_33.5Dy_1.7Fe_66.35Al_0.3Cu_0.05B_1.1, 采用真空感应熔炼, 水冷铜模浇注。 铸锭采用氢破碎 (Hydrogen Decrepitation, 即HD) 粗碎, 然后用搅拌球磨在汽油保护下细磨, 将磁粉磨至2~5 μm。 在取向场为1 300 kA/m的磁场中垂直取向压制, 压坯在1 040~1 080 ℃真空烧结60~80 min, 然后空冷。 采用二级回火工艺, 一级回火的温度为900 ℃, 保温2 h; 回火以后自然冷却到600 ℃, 保温1 h, 然后再自然冷却到室温。 烧结样品和回火样品的磁性能采用CL6-1直流磁特性测量仪测量, 用扫描电子显微镜KYKY-2800观察显微组织, 并结合电子能谱对合金成分进行分析。

2 结果与讨论

2.1 回火前后烧结磁体磁性能的变化

回火处理前后磁体磁性能的变化如表1所示。 Nd-Fe-B永磁合金烧结并快冷后 (烧结态) 磁性能较低, 回火处理则可提高它的磁性能, 尤其是矫顽力。 从表1中可以看出磁体的性能得到了不同程度的改善, 矫顽力和剩磁都有提高, 最大磁能积 (BH) _max提高20~30 kJ/m³。 并且, 在较高温度下烧结的磁体各项性能提高的幅度相对较大。

2.2 回火前后磁体显微组织的变化

回火后磁体磁性能的提高与回火前后组织变化密切相关。 图1为不同状态磁体的扫描电镜 (SEM) 背散射照片。 由图中可以看出: 回火前后主相晶粒内部没有发生明显的变化, 变化的只是晶界。 回火前, 磁体中晶界不明显; 回火以后, 晶界清晰可见。 图1 (a) 中许多凸起的亮点为颗粒状富Nd相, 经微区能谱分析得知它的主要成分为Nd和Fe, 并且Fe在其中的分布很不均匀, 有的凸起亮点中Fe的质量分数高达20%左右, 有的却很低, 约为8%。 回火以后, 这种富Nd相亮点数量明显减少, 分布于晶界上或晶界交隅处的薄层状富Nd相增多, 其中Fe的含量也变得十分均匀, 都在6%左右, 接近三元共晶体富Nd相中Fe的质量分数 (6.4%) ^[10] 。 对磁体的显微组织进行图像分析, 发现回火后Nd₂Fe₁₄B主相的面积分数增加了9%, 这表明: 颗粒

表1 回火前后磁体磁性能的比较

Table 1 Comparison of magnetic properties between sintered and tempered magnets

Sintering process			Properties (after sintered)				Properties (after tempered)
Temperature/℃	Time/min		(BH) max/ (kJ·m-3)	Br/T	Hc/ (kA·m-1)		(BH) max/ (kJ·m-3)	Br/T	Hc/ (kA·m-1)
1 040	60		252.81	1.16	875.6		274.14	1.23	907.44
1 070	80		219.6	1.07	819.6		245.9	1.15	851.5

图1 回火前后烧结NdFeB的SEM显微组织比较

Fig.1 Comparison of SEM microstructure of sintered NdFeB before/after tempering (a) —Before tempering; (b) —After tempering (sintered at 1 040 ℃ for 1 h)

状富Nd相在回火后析出部分Nd₂Fe₁₄B主相, 使富Nd相中的Fe含量降低, 接近共晶成分的富Nd相沿主相晶界呈薄层状分布, 使晶界变得更加清晰, 而颗粒状富Nd相数量减少 (如图1 (b) 所示) 。

2.3 显微组织与磁性能的关系

磁体在烧结过程中, 晶界处的富Nd相以及少量的主相熔化为液相, 富Nd液相中溶有大量的Fe。 由于烧结后的冷却过程中冷却速度比较快, 共晶反应被抑制, 主相无法完全析出, 因此富Nd相中Fe含量较高; 而且, 由于冷却速度快, 富Nd相分布不均, 产生大量颗粒团聚。 主相数量的减少及富Nd相不能完全沿主相晶界析出导致的磁去耦作用降低, 使得烧结态磁体磁性能不佳。

回火可以有效改善磁体中富Nd相的成分、 形貌和分布, 使富Nd相均匀地沿主相晶界分布, 从而得到磁性能更好的磁体。 当Nd-Fe-B系合金在比较高的温度下回火, 即900 ℃回火时, 在晶界交隅处的富Nd相变成液相, 主相晶粒边缘也有部分溶于富Nd液相, 然后在较低的二级回火温度 (600 ℃) 回火时, 发生共晶反应:

L→Nd₂Fe₁₄B+Nd+Nd_1.1Fe₄B₄ (1)

式中 L为高Fe含量的富Nd液相。 经共晶反应, 析出Nd₂Fe₁₄B主相, Nd为共晶富Nd相, 其中的Fe含量为6%。 主相的析出增加了主相体积百分比, 使磁体的剩磁进一步提高。 Oliver等 ^[11] 认为烧结后快冷使磁体中出现Nd₂Fe₁₇相, 因为该相为软磁相, 它的存在对磁体的磁性能将产生不利的影响, 600 ℃回火使磁体中Nd₂Fe₁₇相大大减少甚至消失, 磁体获得更高的矫顽力和磁能积。 也有人认为 ^[12] , 回火使得原来存在于富Nd相中的Fe原子向Nd₂Fe₁₄B主相扩散, Nd₂Fe₁₄B晶粒外延层的Nd向富Nd相扩散, 结果是Nd₂Fe₁₄B主相晶粒外延层的成分和结构与Nd₂Fe₁₄B相的成分和结构趋向一致, 界面变得更加平直和光滑, 使之具有Nd₂Fe₁₄B相的各向异性与形核场, 散磁场也降低。 所以, 回火过程是Nd₂Fe₁₄B晶粒外延层的磁硬化过程, 从而导致矫顽力提高。

从图1中可以看出: 回火以后富Nd相的析出方式产生了变化。 回火前, 富Nd相有严重的团聚现象, 回火以后富Nd相在主相的晶界周围弥散分布, 析出薄层状的晶界相, 减少了其在晶界上及晶界交隅处的团聚现象, 可以更好地隔离Nd₂Fe₁₄B主相晶粒, 去除晶粒之间的磁交换耦合作用, 有利于矫顽力的提高。 另外, 回火处理使主相晶界平直、 规整, 从而使反磁化畴难以形核 ^[8] 。

3 结语

综上所述, 对烧结后快冷的NdFeB系磁体进行回火处理, 可以改善烧结磁体的显微组织, 提高磁体的磁性能。 这是因为: 1) 回火可以增加磁体中主相的体积分数; 2) 回火可以改善富Nd相的成分和分布, 使其接近共晶富Nd相的成分, 同时减少颗粒状富Nd相, 增加沿晶界分布薄层状富钕相的数量。

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