回火工艺对热扩渗PrZn合金烧结态磁体组织和磁性能的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 回火工艺对热扩渗 PrZn 合金烧结态磁体组织和磁性能的影响 郭诚君 ， 陈金水， 李家节， 周头军， 乐顺聪， 刘武杰 （江西理工大学 材料科学与工程学院， 江西 赣州 ； 江西理工大学 工程研究院， 江西 赣州 ； 江西省江铜- 台意特种电工材料有限公司， 江西 南昌 ） 摘要：采用磁控溅射技术，在 烧结态磁体表面沉积一层低熔点 合金，经 热扩渗 ，再在 进行回火处理。 研究了回火工艺对沉积薄膜磁体磁性能及微观组织结构的影响，并对最佳回火工艺处理后烧结磁体热稳定性进行了研究。 结果表 明，最佳回火温度为 ，该工艺下，磁体矫顽力由 提高到 ，即在原来的基础上增加了 ，富 晶界相变得连续和光滑，降低了硬磁相之间的磁耦合，改善了晶界相及其附近在反磁化过程中反磁化畴核的形成能力，是矫顽力大 幅度提高的主要原因。 另外，相对未进行晶界扩散处理的磁体而言，经最佳回火工艺晶界扩散处理后的磁体，在不同温度保温后磁 通不可逆损失明显降低，具有更佳的热稳定性。 关键词：磁控溅射；回火； 合金；烧结钕铁硼 中图分类号：TM271 3 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2017）05- 0108- 04 Effect of tempering on magnetic properties and microstructure of PrZn- coated NdFeB magnet ， ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ； - ， ， ， ） Abstract： - ， ， - - - ， - ， ， ， ， ， Keywords： ； ； ； 收稿日期：- - 基金项目：国家自然科学基金（）；江西省高校科技落地计划项 目（）；江西省青年科学基金计划项目（）；江 西省教育厅研究项目（） 作者简介：郭诚君（），女，硕士研究生，研究方向：稀土永磁材料， - ： 。 通讯作者：李家节，博士，讲师，联系电 话：，- ： DOI：10 13251 j issn 0254- 6051 2017 05 022 自 年日本住友特殊金属公司和美国通用汽 车公司分别报道了一种含有钕、铁和硼的新型永磁体 的制备和性能以来，第三代钕铁硼永磁材料因其优异 的性能而应用广泛 - 。 由于制备方法不同，钕铁硼 材料主要分为烧结和粘结型两大类，另外，还有热压磁 体和纳米复合磁体 。 近年来，由于稀土价格（特别 是 和 ）的大幅度波动，以及稀土元素储量不均等 的影响，钕铁硼磁体生产新技术受到了人们的重 视 。 双高磁性能（高磁能积（BH）和高内禀矫顽 力 H）及低成本磁体是各国的主要研究目标。 新技术 主要包括以提高磁体综合磁性能的晶界扩散方 法 - 、晶界添加方法 - 和晶粒细化方法 和以平 衡利用高丰度稀土制备 永磁合金的双合金方 法 。 除采用新技术提高磁体的综合磁性能以外，热 处理是一种简单而廉价的改变材料微观结构，进而改 善磁体性能的方法 - 。 孙绪新等 研究表明，所有 磁体回火后矫顽力均提高。 迸 和 等 第 期郭诚君，等：回火工艺对热扩渗 合金烧结态磁体组织和磁性能的影响 l 的研究结果表明，选择合适的热处理工艺，可以大幅度 改善磁体的磁性能。 晶界扩散的方法可以在不降低剩磁的基础上大幅 度提高磁体矫顽力，且可以减少或不用重稀土元素 和 。 为改善低牌号磁体的综合磁性能并节省成本， 本文采用非重稀土低熔点 合金在烧结态 磁 体表面进行晶界扩散处理，重点研究回火工艺对磁体磁 性能及显微组织的影响，并就其热稳定性进行探讨。 试验材料及方法 试验原材料为 烧结态 磁体，线切割为 尺寸大小的样品，其中 厚度方向为 轴取向方向。 样品依次经 、 、 和 号砂纸打磨、抛光至银白色金属光 泽后，再经碱洗、去离子水洗和酒精超声波振荡清洗， 烘干待用。 采用 - 型号直流磁控溅射镀膜仪 进行真空溅射，溅射靶材为 矱 的圆形靶， 靶纯度为 ， 靶纯度为 ，靶材离样 品台 ，与底座呈 放置。 镀膜时，工作气 体为高纯氩气，溅射气压 ，直流电源功率 ，共溅射时间约 ，常温溅射。 将制备的镀膜样品在 - 型高真空管式烧 结炉中进行热处理，热扩渗处理温度为 ，时间为 ，随后分别在 、 和 进行回火处理，时 间为 。 另外准备烧结态原样和热扩渗处理后不回 火样品作为对比样。 使用中国计量科学研究院的变温 磁测仪 - 测量磁性能。 高分辨率场发射扫描 电子显微镜（麦肯思 ）对样品进行微观组 织和成分的观察。 结果与讨论 2 1 回火工艺对磁体磁性能的影响 回火工艺对磁体的显微结构和磁性能具有重要的 影响。 本文研究磁体经 扩渗处理 时后，不 同回火工艺对磁体磁性能和显微组织、结构的影响。 图 为烧结态 扩渗样在 高温扩渗处理 后不同回火工艺的退磁曲线，其对应的磁性能见表 。 可知，相对于原样而言，不进行回火处理或在 进 行回火处理时，其矫顽力提升效果不明显，仅提高了 ，而在 进行回火处理时，方形度明显 降低，从 降低到 。 由表 可知，烧结态 扩渗样矫顽力随着回火 温度的升高，先升高后降低，在 回火具有最佳矫 顽力，为 ，相比未进行回火处理的磁体 图 烧结态 扩渗磁体不同回火工艺的退磁曲线 - - 表1 烧结态 PrZn 扩渗样经不同温度回火后的磁性能变化 Table 1 Magnetic properties of the as- sintered and PrZn- coated magnets tempered at different temperature 工艺 H （ ） B （BH） （ ） H H 烧结态摀 耨 吵 扩渗 耨 吵 扩渗 回火 耨 吵 扩渗 回火 耨 吵 扩渗 回火 耨 吵 而言，矫顽力提高了 ，增幅达。 剩磁 随着回火温度的变化不明显，但是，在低温 进行 回火时，磁体剩磁最小，最大磁能积的变化趋势与剩磁 一致。 相对原样而言，不进行回火、在 或 回火时，磁体的方形度有一定的恶化，在 回火 时，能够保持较好的方形度。 综上所述可知，在 进行回火处理，表面沉积 薄膜的磁体晶界扩散处 理后具有最佳磁性能，这可能是 回火温度对于 基体相和晶界相附近的结构和元素分布调制最为理 想。 选择合适的热处理工艺，晶界扩散处理后的磁体 可在保持剩磁基本不变的情况下，矫顽力大幅度提升。 2 2 不同回火工艺磁体的组织 回火的作用是对元素分布进行调制，使基体相和 晶界相恢复到接近平衡态，从而获得理想的显微组 织 。 不同回火温度对磁体磁性能影响很大，为了进 一步明晰回火工艺对磁体磁性能影响的原因，对上述 组样品的显微组织结构进行了分析。 图 为不同回 火工艺处理后磁体的背散射图像，由图 可见，所有磁 体均由灰黑色、亮白色区域以及少量黑色孔洞组成，其 中灰黑色区域是 主相，亮白色区域是富 相。 图 （）为 烧结态原样的背散射图像，其富 相含量很少，分布不连续，晶粒之间的界限很不明 l 第 卷 图 磁体的背散射像 （）烧结态；（） 扩渗；（） 扩渗 回火；（） 扩渗 回火；（） 扩渗 回火 （） - ； （） ； （） ； （） ； （） 显，断断续续的界面使磁隔离不充分，无晶界相隔离的 硬磁相之间的磁耦合大，从而使磁体的矫顽力低。 图 （）和（）为热扩渗后不回火或在 回火处理样品 的背散射图像，相对原样而言，其富 相含量有所增 加，但富 相分布同样不连续，晶粒之间的界限同样 不明显，使得该工艺处理下，晶界扩散处理后磁体的矫 顽力变化不明显。 图（）为 回火处理样品的 背散射图像，富 相含量明显增加，且变得更加连续 和光滑，晶粒之间的界限明显，这大大降低了硬磁相之 间的磁耦合，改善了晶界相及其附近在反磁化过程中 反磁化畴核的形成能力，从而使磁体的矫顽力大幅度 提高。 回火温度的进一步升高，会导致磁体显微组织 结构的恶化，从而使得矫顽力降低（见图 （）。 综 上可知，回火工艺对晶界扩散处理的磁体影响很大，合 适的回火工艺可以优化磁体的显微组织结构，从而改 善磁体的磁性能。 2 3 晶界扩散处理后磁体的磁通不可逆损失情况 温度系数和磁通不可逆损失都是衡量磁体随温度 变化的重要指标，实际使用中更常用磁通不可逆损失 （hirr）来衡量磁通在实际使用中的性能变化情况 。 磁体磁通不可逆损失 hirr计算公式如下： hirr （T ） （T） （T） （） 式中表明的含义为，工作环境温度自室温 T升至温度 T 时，磁体的磁通由 （T）下降至 （T），当环境温度 从 T 再次恢复至室温 T时，并不能恢复到 （T）， 而只能到 （T）。 磁通不可逆磁损与磁体的微结构 和磁畴的不可逆变化有关。 表 为原样和 回火处理 的磁体分别在 、 和 保温 后，恢复室温时测得的开 路磁通量，与室温下的开路磁通量进行对比得出的磁 通不可逆损失率情况。 可知，随着保温温度的升高，两 组磁体磁通不可逆损失逐渐增加，但是烧结态 扩 渗样的磁通不可逆损失明显小于 烧结态原样。 在 保温 后， 烧结态原样磁通不可逆损 失高达 ，而烧结态 扩渗样为 ，且 在 及以下保温 时，烧结态 扩渗样磁通 不可逆损失小于 ，在高温下，优势更明显。 相对 于未进行晶界扩散处理的磁体，晶界扩散处理后，磁体 在不同温度保温后磁通不可逆损失明显降低，这说明 晶界扩散处理可以较好改善磁体的热稳定性。 第 期郭诚君，等：回火工艺对热扩渗 合金烧结态磁体组织和磁性能的影响 l 表2 两组磁体不同温度下磁通不可逆损失 hirr（） Table 2 Irreversible loss of flux of two groups of the magnets tested under different temperatures（） 样品 烧结态d R 扩渗 回火d R 采用非重稀土低熔点 合金进行晶界扩散处 理，既可以在不降低剩磁的前提下较大幅度提高磁体 矫顽力，又可以减少对重稀土 或 元素的依赖， 降低原材料成本，同时提高磁体的热稳定性，具有重要 的生产意义。 结论 采用非重稀土低熔点 合金进行晶界扩散处 理，可以在不降低剩磁的情况下提高烧结 磁体 的矫顽力。 对其回火工艺探究表明，最佳回火温度为 ，磁体矫顽力由 提高到 ， 即在原来的基础上增加了 ，该温度下，富 晶界相变得连续和光滑，大大降低了硬磁相之间的磁 耦合，改善了晶界相及其附近在反磁化过程中反磁化 畴核的形成能力，这是矫顽力大幅度提高的主要原因。 另外，晶界扩散处理可以较好的改善磁体的热稳定性， 相对未进行晶界扩散处理的磁体而言，经最佳回火工 艺晶界扩散处理后的磁体，在不同温度保温后磁通不 可逆损失明显降低。 参考文献： ， ， ， ， （）： - ， ， ， - - - ： - ， （）： - 王占勇， 谷南驹， 王宝奇， 等纳米复合稀土永磁材料金属 热处理， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - 胡伯平稀土永磁材料的现状与发展趋势磁性材料及器件， （）： - - ， （）： - ， ， ， - - ： ， ， （）： ， ， ， - - - ， ， （）： - ， ， ， - - ， ， ： - ， ， ， - - - - ， ， （）： ， ， ， - - - ， ， ： - ， - - ， ， ： - ， ， ， ： - ， ， ， ： - - ， ， （）： - 郑华均， 黄建国， 马淳安， 等退火处理对烧结钕铁硼永磁体磁 性能的影响金属热处理， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - 谢发尹， 刘 颖， 李 军， 等均匀化退火对 - - - - - 合金铸锭组织及 粘结磁体磁性能的