（材料物理与化学专业论文）深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究.pdf

，-1 摘要 中文摘要 目前，烧结钕铁硼已经被广泛的使用在各个领域，其优越的磁性能更是成为人们 的研究重点。同时也有很多学者对其力学性能进行了研究，但至今也没有改变其脆性 的特征。现在改变烧结钕铁硼的磁性能和力学性能普遍采用添加元素的方法，而使用 深冷处理技术研究烧结钕铁硼的则比较少。其原因主要是两个方面：、由于深冷设 备与条件较为苛刻；二、就是深冷处理只对黑色金属的作用机理比较统一，而其他材 料的作用机理还处在探索阶段。因此将n 3 5 、n 4 5 、3 5 h 、4 2 h 四种牌号的磁体与粉术 放入深冷箱中，以8 。c m i n 的速度由室温( 2 5 ) 降到1 7 5 。c ，然后在此温度保温4 h ， 最后随箱升温到室温。以了解其深冷处理后磁性能和力学性能的变化，以及深冷处理 对烧结钕铁硼的作用机理。我们的研究工作如下： l 、通过n i m 1 0 0 0 型永磁材料测定仪测试了深冷处理前后的磁体的磁性能，发 现剩磁和最大磁能积都普遍提高，而内禀矫顽力则有的提高有的减小，其中牌号n 4 5 的磁体，永磁体的三种参数都有提高。 2 、对四种牌号的粉末进行颗粒度分布的分析，发现磁性粉木的颗粒略有增大。 而对x r d 分析得知主相所占的体积分数有所增加，而非磁性相和软磁性相则有变化。 对盒相的分析则可以明显看出孔洞的数量减少，颗粒状的富钕相的数量在晶粒表面增 多。 3 、深冷处理四种牌号的磁体，分别对其进行了硬度和抗弯曲强度的测试。所有 的磁体的硬度都不同程度的下降；抗弯曲强度的提高也不是很明显，其中4 2 h 磁体提 高的最为明显，达到6 9 。 4 、用s e m 观察磁体的断口的微观形貌。可以明显看出这四种牌号磁体的断裂方 式主要为典型脆性断裂。其断裂方式可分为三种：a 、裂纹在富钕相内扩展：b 、裂纹 在沿富钕相与主磁性相的结合界面扩展；c 、裂纹以富钕相颗粒为裂纹源扩展。 通过上述的实验，我们利用深冷处理的工艺是可以改善烧结钕铁硼的磁性能，而 对磁体的脆硬性影响不大，但可以提高其抗弯曲强度值。 关键词：烧结钕铁硼；磁性能：力学性能；深冷处理 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 i i a b s t r a c t a b s t r a c t p r e s e n t l y ，s i n t e r e dn d f e bm a g n e th a sb e e nu s e di ne v e r yf i e l d t h i si s i m p o r t a n tt os t u d yi t ss u p e r i o rm a g n e t i cp r o p e r t y ，m e a n w h i l et h e r ea r em a n y s c h o l a r st or e s e a r c ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a g n e t h o w e v e r ，t h e s c h o l a r sd o n tc h a n g et h eb r i t t l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t s c u r r e n t l y ，w e a l w a y sa d ds o m ee l e m e n t st oi m p r o v et h em a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h es i n t e r e dn d f e bm a g n e t s ，b u tt h ew a yo ft h es u b z e r o t r e a t m e n tt os t u d yt h es i n t e r e dn d f e bm a g n e ti sm u c hl e s s t h e r ea r et w o r e a s o n s ：f i r s t ，t h ee q u i p m e n ta n dc o n d i t i o no fc r y o g e n yi sh a r d ；s e c o n d ，t h e e f f e c to ft h eb l a c km e t a lw i t hs u b z e r ot r e a t m e n ti sc l e a r ，b u tt h i si st h ee p i s o d e o fe x p l o r et os t u d yt h ee f f e c to ft h eo t h e rm a t e r i a l s t h e nt h em a g n e t sa n d p o w d e r so ft h e b r a n d so fn 3 5 ，n 4 5 ，3 5 h ，4 2 ha r e p u t t e di n t o t h e c r y o g e n i cb o x ，f r o mt h er o o mt e m p e r a t u r e ( 2 5 。c ) d o w nt o 一17 5 。cb yt h es p e e d o f8 。c m i n ，a n dk e e pt h e t e m p e r a t u r eo f 一17 5 。cw i t h4 h ，i n c r e a s et ot h e r o o mt e m p e r a t u r ei nt h eb o xa tl a s t t ou n d e r s t a n dt h ec h a n g eo ft h em a g n e t i c p r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a g n e t sa f t e rt h es u b z e r ot r e a t m e n t ， a n dt h ee f f e c to fs i n t e r e dn d f e bm a g n e tw i t ht h ec r y o g e n i ct r e a t m e n t s o t h i si so u rw o r k s ： 1 t ot e s tt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h em a g n e t sb yt h ep e r m a n e n tm a g n e t d e t e c t o ro ft h en i m - 10 0 0m o d e l ，w ef i n dr e m a n e n c ea n dm a x i m u me n e r g y p r o d u c ta r ea l li n c r e a s e ，w h i l et h ei n t r i n s i cc o e r c i v ef o r c eo fs o m em a g n e t sa r e i n c r e a s e ，t h eo t h e r sa r ed e c r e a s e t h et h r e ek i n d so ft h em a g n e t i cp a r a m e t e ro f t h eb r a n dn 4 5a lea 1 1 i n c r e a s e 2 t oa n a l y z et h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a r t i c l es i z eo ft h em a g n e t i cp o w d e r w ef i n dt h ep a r t i c l es i z e so ft h em a g n e t i cp o w d e r sa r eb i g g e rt h a nb e f o r e t h e x r d a n a l y s i ss h o w st h a tt h ev o l u m ef r a c t i o no ft h ep e r c e n t a g eo ft h em a i n p h a s ei si n c r e a s e ，a n ds o m en o n m a g n e t i cp h a s e sa n dt h es o f tm a g n e t i cp h a s e s a r ea b l et oc h a n g e t h ea n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r es h o w st h a tt h en u m b e r i i i 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 o ft h eh o l e si sm u c hl o w e r ，t h en u m b e ro ft h er i c h n dp e l l e t sw i t ho nt ot h e g r a i n ss u r f a c ea r em u c hm o r e 3 t ot e s tt h eh a r d n e s sa n dt h eb e n d i n g s t r e n g t ho ft h ef o u rk i n d so f m a g n e t sw i t hs u b z e r ot r e a t m e n t ，w ef i n dt h a tt h eh a r d n e s so ft h em a g n e t si s d e c r e a s e ，e x c e p tt h eh a r d n e s so fn 35ra n dt h ei m p r o v i n go ft h eb e n d i n g s t r e n g t hi sn o tp a t e n c y ，t h es t r e s so ft h e4 2 hm a g n e ti sm u c hb e t t e rt h a no t h e r s u pt o6 9 。 4 t h em i c r o s t r u c t u r e0 ft h er u p t u r e dm a g n e ti so b s e r v e dt h r o u g hs e m i t i so b v i o u s l yt h ef r a c t u r em e c h a n i s mi st h er u p t u r eo ft h et y p i c a lb r i t t l en a t u r e t h e r ea r et h r e ek i n d so ff r a c t u r em e c h a n is m ：a 、t h ec r a c k e x p a n di nt h er i c h n d p h a s e ；b 、t h ec r a c ke x t e n dt h ei n t e r f a c eo ft h em a g n e t i cp h a s ea n dr i c h n d p h a s e ；c 、t h ec r a c ke x t e n df r o mt h ep a r t i c l e so fr i c h n dp h a s e t h r ( ht h e s e 。 ， i m t g n e t i cpro1arough t h e s ee x p e r i m e n t sw ea r ea b l et om p r o v et h em a z n e t i cp r o t ) e r t i e s ， o fs i n t e r e dn d f e bb yt h ed e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t ，a n dt h em a g n e ti s s t i l l b r i t t l e n e s s ，b u ti tc a ni n c r e a s et h ev a l u e so ft h eb e n d i n gs t r e n g t h k e yw o r d s ：s i n t e r e dn d - f e b ：m a g n e t i cp r o p e r t i e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； s u b z e r ot r e a t m e n t 目录 目录 第一章绪论i i 1 引言1 1 2 永磁材料的发展1 1 3 烧结钕铁硼永磁材料的显微组织和性能2 1 3 1 烧结钕铁硼的相组成2 i 3 2 烧结钕铁硼主要的磁性参数5 1 4 烧结钕铁硼的力学性能7 1 4 1 烧结钕铁硼的力学特性7 1 4 2 烧结钕铁硼的断裂方式7 1 4 3 烧结钕铁硼塑韧性能差的原因探讨9 1 4 4 改善烧结钕铁硼力学性能的研究l o 1 5 深冷处理。1 2 1 5 1 深冷处理的发展概况- 1 2 1 5 2 深冷处理工艺1 3 1 5 3 深冷处理设备1 4 1 5 4 深冷处理的机理1 6 1 5 5 深冷处理的应用及发展现状。1 7 1 6 本论文的研究目的及研究内容1 8 第二章实验方法2 0 2 1 研究方案的制定及流程2 0 2 2 实验材料2 0 2 3 实验仪器2 0 2 4 实验方法及分析2 1 2 4 1 金相组织观察2 1 2 4 2 磁粉粒度检测2 l 2 4 。3 x 射线衍射分析2 l 2 4 4 磁性测量2 2 v 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 2 4 5 显微硬度( h v ) 测量2 2 2 4 6 抗弯曲强度实验2 2 2 4 7s e m 断口扫描2 3 第三章深冷处理对烧结钕铁硼磁性能及微观组织的研究2 4 3 1 引言2 4 3 2 实验过程及测试2 4 3 3 结果与讨论2 5 3 3 1 烧结钕铁硼的磁性能2 5 3 3 2 烧结钕铁硼粉末颗粒分布2 7 3 3 3 烧结钕铁硼粉末x 射线衍射分析3 1 3 3 4 烧结钕铁硼的显微组织分析3 3 3 4 本章小节3 5 第四章深冷处理对烧结钕铁硼力学性能的研究3 7 4 1 引言3 7 4 。2 实验过程与测试3 8 4 3 结果与分析j 3 9 4 3 1 硬度测试3 9 4 3 。2 抗弯强度测试3 9 4 3 3 断口形貌分析4 2 4 4 本章小结4 5 结论。4 7 参考文献4 9 致谢5 3 硕士期间发表论文目录5 5 第一苹绪论 第一章绪论 1 1 引言 早在两千多年前，古人就已经发现带磁性的物质，并利用这种物质的磁性制作了司 南，但真正对磁性方面的研究和大量使用是在十九世纪初期，随着社会的发展和科技的 进步，人们开始深入的研究物质的磁性，并广泛应用在国防、工业、通信等高科技领域。 磁性材料包括硬磁材料、软磁材料、磁性薄膜、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁性液体 以及磁蓄冷材料等。磁性材料成为二十一世纪社会发展的一种重要的材料，已成为一个 国家高新技术发展的标志。近年来钕铁硼永磁材料发展最为迅速，该磁体是目前硬磁性 能最高的材料，目前现代科学技术与信息产业正在向小型化、集成化、智能化、高强度 的方向发展。具有超高磁性能的钕铁硼磁体的应用促进了现代社会的发展，但钕铁硼 磁体产业化磁性能离理论值有差距，研究更高磁性能的磁体，高韧性磁体是当今磁性材 料研究的重点。 本章将简要介绍磁性材料中永磁材料的发展，钕铁硼永磁材料的微观组织和磁性 能，烧结钕铁硼的力学性能，深冷处理工艺及机理，最后给出本论文的研究工作和意义。 1 2 永磁材料的发展 磁性材料通常按其矫顽力的高低进行分类：大于1 0 0 0a m ( 1 2 5 - 1 2 5o e ) 称为硬磁 材料( h a r dm a g n e t i cm a t e r i a l s ) ，介于1 0 0 1 0 0 0a m ( 1 2 5 1 2 5o e ) 称为半硬磁材料，矫 顽力小于1 0 0a m ( 1 2 5o e ) 称为软磁材料( s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ) 。硬磁材料和软磁材 料主要区别在于矫顽力的不同，软磁材料需要很小的反向场就可以使磁化强度降为零； 硬磁材料在达到饱和以后，经外磁场磁化饱和后，撤掉外磁场，它还能长期保持很强 的磁性，我们就把它称为硬磁材料又称为永磁材料( p e r m a n e mm a g n e t i cm a t e r i a l s ) 。 人类最早使用的永磁体为二十世纪初出现的淬火马氏体钢，二十世纪初，科学家们 想了一些办法，试图提高这种钢材的磁性能，随后出现了钨钢和铬钢等，在1 9 1 7 年左右 同本人发明含有w 、c r 、c 元素的钴钢，使这种材料的矫顽力有了很大的提高。但还有 一部分人一直在寻找一种新型的永磁材料得以取代这种碳钢。到1 9 3 1 年，同本人发明铸 造a l n i c o 永磁合金，从而使永磁材料的发展进入了一个新的发展阶段，虽然这种合金的 价格很高，但基本上还是开始使用这种新型永磁材料。于是人们又开始投入大量的时f 、日j 精力去研究这种a l n i c o 系永磁材料。在对这种材料的研究过程中，人们相继在铸造法的 基础上发展出粉术烧结法，并研究出柱状晶a l n i c o 系合会，从而使这种材料的性能有很 大的提高。1 9 5 0 年，磁铅石型钡铁氧体永磁材料在荷兰p h i l i p s 公司问世，其特点是它的 1 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 饱和磁化强度m ，较低，但矫顽力h 。很高，价格十分便宜；至1 j 1 9 6 3 年，又出现锶铁氧体永 磁s r m 。1 9 6 8 年荷兰p h i l i p s 公司开发出了高达1 4 4 1 d m 3 ( 1 8 1 m g o e ) 的( b h ) m a x ，人们习 惯上称之为第一代稀土( r e ) 永磁合金的s m c o s 系永磁合金。 c o 是稀缺昂贵的战略资源，而s m c 0 5 永磁体中含有6 6 w t 的c o 。因此自从s m c 0 5 出现 后，人们就开始考虑取代钴。1 9 6 8 年，n e s s b i t 等人研究t c u 部分取代c o 的s m ( c u c o ) 5 永 磁体。他们通过铸造于热处理获得了( b h ) m 。x 为3 1 8 5 5 7 k j m 3 ( 4 0 7 0m g o e ) ， h 。i = 2 2 6 8 k a m ( 2 8 5k o e ) 的s m ( c u ，c o ) 5 永磁体。这一发现为1 ：5 型r c o s 稀土永磁体1 向2 ：1 7 型第二代稀土永磁体过渡奠定了基础。p e r r y 与m e n t h 等人系统研究了z = 5 8 5 s m 【( c o + f e ) 1 - x - y c u 。m 。】合金均可制备出具有实用意义的永磁材料。1 9 7 7 年小岛等人f 2 】制成了 s m ( c o ，c u ，f e ，z r ) 7 2 型永磁体，最大磁能积( b h ) m 。达至u 2 3 8 8 k j m 3 ( 3 0 。0m g o e ) ，创造了 新的磁性能记录，这标志着第二代稀土永磁材料r 2 c 0 1 7 的诞生。 2 0 世乡2 , 7 0 年代中期，正当稀土钴磁体的研究和开发开始之际，却爆发了c o 的供应 危机，c o 的供应因扎伊尔危机而中断，市场上的钴价飞涨八倍。此外s m 的价格也过于 昂贵，从而使这类磁体在实际应用中受到限制。因此人们把注意力转移到对稀土铁化 合物的研究上。1 9 7 2 年c l a r k 等人首先发现将t b f e 2 化合物制成非晶并退火后，其矫顽力 可很大提高。当时为了得到非晶态，把b 作为类金属元素加入，并没有意识到b 的加入会 产生具有高各向异性的n d 2 f e ，4 b 化合物。人们从中得到启示，即：非晶材料的微晶化是 极为有效的磁硬化手段。8 0 年代初，c o a r t ，k o o n 等人f 3 6 】广泛研究p r f e ，n d f e 等系微 晶永磁，并把b 作为玻璃化元素加入，将新型永磁材料的研究正式引入到r f e b 系的方向。 1 9 8 3 年，佐川等人【7 1 用粉末冶金法制成了( b h ) m a x 为2 9 0 k j m 3 ( 3 6 4m g o e ) 的n d f e b 磁 体，这种材料的磁性能高于r c o 系磁体，开创了无钴的高性能永磁合金，宣告第三代稀 土永磁材料n d f e b 永磁材料的诞生。 n d f e b 材料的问世，震惊了与永磁材料有关的许多技术领域，使得制造者和使用 者将全部注意力都集中到n d f e b 永磁体上。在短短的几年里，其磁性能就得到很大的 提升，并迅速投入生产和使用。到目前为止，最大磁能积已超过4 0 0 k j m 3 ( 5 0 2m g o e ) 。 其优异的磁性能是其他永磁材料所不可比拟的，而且其资源丰富，不含价格昂贵且稀缺 的s m 币o c o ，是一种具有可以广泛应用前景的永磁材料。 1 3 烧结钕铁硼永磁材料的显微组织和性能 1 3 1 烧结钕铁硼的相组成 烧结钕铁硼永磁体是主要由三种组织组成的【8 】：第一种相是硬磁性相n d 2 f e l 4 b ( t 1 ) 、 2 第一章绪论 第二相是富n d 相以及第三种相是富硼相( t 2 ) 等。这三种金相的组织示意图如图1 1 【9 1 。 晶粒边畀 ( 富n 耐目) 三晶粒交点 ( 富n 磷目)n a n f 缸b 互 相) t i 相，t 2 相晶粒的典型尺寸约1 0 9 r e 图l 一1 烧结钕铁硼磁体的金相组织 f i g u r e 卜1t h e m i c r o s t r u c t u r eo fs i n t e r e dn d f e bm a g n e t s 主磁性) ( h n d 2 f e l 4 b 相在整个烧结磁体的总体积分数大约是8 0 - - - 8 5 ，这种相是一种 单轴各向异性的硬磁性相。n d 2 f e l 4 b 化合物的一个单胞晶体结构【1 0 j 是由4 个n d 2 f e l 4 b 的分 子组成，这四个分子一共有6 8 个原子，而这6 8 个原子中含有8 个钕原子，5 6 个铁原子以 及4 个硼原子，由这三种原子构成了四方结构( 也就是所谓的四方晶系) 。此晶体结构的点 阵常数分别是a = 0 8 8 2 n m ，c = 1 2 2 4 n m 。钕和硼原子主要是分布在c 轴等于0 矛1 1 c 轴等于0 5 的两个结构层( 就是为第一层和第四层) 上，这两种原子的排列都近似为大大小小的菱形 形状，而在第二层、第三层、第五层和第六层内只含有铁原子，这四层的铁原子主要排 列为三角形网或六角形的形状。硼原子所占据由基面的上边与下边各三个离此硼原子最 近的铁原子f i e 。，f e k l 和f e k 2 ) 一起构成的三角棱柱体的中心。n d 2 f e l 4 b 化合物的晶体结构 如下图1 - 2 所示。主磁性相n d 2 f e l 4 b 主要三个磁性能参数为：饱和磁极化强度j 。是1 6 0 t ( 1 6 k g s ) ，居罩温度t c 是3 1 2 0 c 和各向异性场h a 是7 3 t ( 7 3k g s ) 。 3 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 q 黔峨q 脯白 o h 镰尹嘞6 簟 图l - 2n d 2 f e l 4 b 的晶体结构 f i g u r e1 - 2t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fn d 2 f e l 4 b 富硼相n d l + f e 4 8 4 是四方结构，点阵常数织0 7 1 1 n m ，c , = 3 5 0 - - 0 3 8 7 n m ，当n d f e b 永磁体的所含硼的含量比较高的时候，在三相区( t l 、t 2 、富钕相之间) ( 见图1 1 ) 时，就 会出现富b 相。在三相区的富硼相大部分是以多边形颗粒出现在晶粒与晶粒之间的交隅 处或者是在主相n d 2 f en 4 b 的晶界处，甚至在个别的主相n d 2 f e l 4 b 内还会沉淀着一些细小 颗粒状的富硼相。富硼相大约占整个磁体体积的5 - 8 。由于富b 相主要起的是稀释作 用，所以对磁性能没有任何益处，故在生产烧结钕铁硼的时候，希望其体积分数尽量减 小【9 1 。 富n d 相包裹在主磁性相晶界的四周，具有f c c 结构，点阵常数a o 5 2 n m ，在磁体中 所占的体积分数大约是从5 到2 0 。富n d 相分布在晶粒的周围，这样可以有效的隔离 磁性相的交换耦合作用，可以提高烧结钕铁硼的矫顽力，并且使磁体的密度提高，见图 1 1 ，但是对防腐的作用较差。对于富n d 相成分研究是比较复杂的，由于该相对工艺条 件比较敏感，所以的它的组织结构也是多样的，可以得出以下几种主要形态：第种是 块状的富钕相，主要存在n d 2 f e l 4 b 相晶粒边界上；第二种是薄层状的富钕相，主要在晶 粒与晶粒间的交界处；第三种是少量的颗粒状的富钕相，主要是在主磁性相n d 2 f e l 4 b 相 晶粒的内部。 4 第一章绪论 1 3 2 烧结钕铁硼主要的磁性参数 永磁材料主要磁参数有：饱和磁化强度( m 。) 、剩磁( b ，) 、各向异性场( h a ) 、矫顽力 ( i - i 。b ) 、内禀矫顽力( h c j ) 、最大磁能积( ( b h ) m 。) 、居罩温度( t 。) 、弯曲点h t ，退磁曲线方形 度( q ) 。 1 3 2 1 饱和磁化强度( m 。) 饱和磁化强度是研究烧结钕铁硼的重要参量。在外磁场作用下一磁性物质被磁化， 从磁化曲线上可以明显看出随着外磁场强度不断的增加，物质的磁化强度也跟着增 大，但是到了一定的强度之后，磁化曲线就趋近于一个数值，我们就把这个无限趋 近的数值称为饱和磁化强度。作为永磁材料的一种磁体，烧结钕铁硼要求饱和磁化 强度越高越好。不同的磁性物质，其饱和磁化强度也是不同的。磁极化强度j 与磁化 强度的关系为：j = b o m ，在c g s 单位制中，p o = l ，故磁极化强度与磁化强度的值相等； 在s i 单位制中，g o = 4 7 r x1 0 7h m ( 亨米) 。 1 3 2 2 剩磁( b ，) 剩磁是对研究烧结钕铁硼的一个重要的参考值。它是个对晶体取向和磁筹结构较 为敏感的参量。所以在提高其值的时候可以考虑从提高晶体的取向度方面入手。剩磁顾 名思义就是当磁性物质在外磁场的作用达到饱和磁化强度后，将外磁场撤掉，磁性物质 内所保留的外磁场方向的磁化强度就是剩磁b ，。 其计算公式为以下两个式子，一个是高斯制，一个是国际制： b = l a o h + j ( s i 单位制)( 1 - 1 ) b = h + 4 n m ( c g s 单位制)( 1 2 ) 这两个式子中的磁感应强度b 的单位是t ( 特斯拉) ，高斯制单位为( 高斯) g s 。 其换算为1 t = 1 0 4 g s 。 1 3 2 3 各向异性场( h a ) 在铁磁性物质中存在着难磁化轴和易磁化轴两种磁化轴，而各向异性场则是沿难磁 化轴使磁体磁化到饱和状态所需要的磁化场。由此可以看出各向异性场的本质是磁晶各 向异性。各向异性场的表达式可以为2 k 。j 。其中( k 。为感生各向异性常数；j s 为u o m 。) 。 对于稀土型永磁化合物晶体中则是由4 f 电子电子云与晶格场的不对称性，而产生的磁晶 各向异性。 1 3 2 4 磁感矫顽力( h 。b ) 和内禀矫顽力( h 。i ) 矫顽力是一个磁学单位，就是当磁性物质在外磁场的磁化饱和后，这时再加一个反 向磁场，能使其饱和磁化强度降为0 ，这个反向磁场就是矫顽力，分别记作h 。b 和h 。i 。 s 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 内禀矫顽力h 。i 是永磁材料的一个非常重要的物理参量，对于h c i 远大于h 。b 的磁体， 当反向磁场h 大于h 。b 但小于h 。i 时，虽然此时磁体己被退磁到磁感应强度b 反向的程度， 但在反向磁场h 撤消后，磁体的磁感应强度b 仍能因内部的微观磁偶极矩的矢量和处在 原来方向而回到原来的方向。也就是说，只要反向磁场h 还未达到h 。i ，永磁材料便尚未 被完全退磁。因此，内禀矫顽力h 。i 是表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应， 以保持其原始磁化状态能力的一个主要指标。感应矫顽力h 。b 和内禀矫顽力h 。i 的单位与 磁场强度单位相同。矫顽力也是一个衡量永磁体热稳定性的一个参量，当矫顽力的数值 越高，越有利于在更高的环境下工作，使永磁体的应用范围得以扩大，同时也是永磁体 产品的制作趋于小型化和轻量化。烧结钕铁硼永磁体的矫顽力机制比较复杂，目前也没 有一个统一的结论，我们在这里主要是列举一下现在关于矫顽力机制的主要几个不同的 观点：形核场理论和钉扎场理论。 1 3 2 5 磁能积( ( b h ) m 。) 磁能积就是指在第二象限的退磁曲线上任何一点的b 和h 的乘积即b h 。每一 个点都对应着一种工作状态。对于如何寻找最大磁能积的点是一个比较重要的内 容。我们首先要得到一个完整的退磁曲线，分别以b ，和h 。b 点做各自的垂直线， 这两条直线交与一点，然后我们将这点与坐标原点相联，这时候就会与退磁曲线交 与一点。最后将这个相交的点对应的b d 和h d 相乘就是我们要找的最大磁能积的值。 磁能积这个参量不仅与饱和磁化强度有关，还与制作工艺相关。 以下是关于磁能积和剩磁的计算公式： ( b h ) m a x = b r z ( 4 1 a 佗。)( 1 - 3 ) 磁能积的单位在国际制中为j m 3 ，在高斯单位制中为m g o e ，4 n x l 0 m 3 = i m g o e 。 1 3 2 6 居里温度( t 。) 材料的居晕温度是本征的，不会随外加磁场的变化而变化。强铁磁体当温度升高时， 会发现由原来的铁磁性转变为顺磁性的温度就是居里温度。由于铁磁性的磁偶极矩排列 十分整齐，并沿一个方向排列。但是温度升高后，磁偶极矩的排列则会杂乱无章，这样 在宏观上就表现为铁磁性消失，磁极化强度变为0 。 。 对于稀土型永磁化合物的居罩温度主要取决于f e f e ，f e - n d 之间的交换作用，但是 它们之间的交换作用远低于f e 的居罩温度，因此稀土型永磁化合物的居里温度就不是很 高，这样就严重影响磁体的使用范围，尤其是在高温环境下，限制了该类型的磁体的使 用。 1 3 2 7 退磁曲线上的弯曲点( h k ) 和方形度( q ) 6 第一章绪论 通常情况下，在退磁曲线上的j i _ o 9 或0 8 b ，相对应的磁场称为弯曲点磁场h k 。h k 越 大意味着退磁曲线的方形度越好。j h 退磁曲线的方形度q 可表达为以下的公式： q = 4 ( b h ) m j r z ( 卜4 ) 1 4 烧结钕铁硼的力学性能 烧结钕铁硼是重要的功能材料，利用其能量转换功能和磁的各种物理效应可以制成 多种形式的功能器件。此材料被广泛应用于信息电子、航天航海、能源、通讯、交通、 医疗卫生等众多领域。科技工作者的研究重点也一直关注如何提高其磁性能上，而对它 的力学性能方面的研究则非常少。随着更高磁性能烧结n d f e b 磁体的出现，其应用更 加广泛。但在某些领域( 如要求高韧性器件中) 由于本身脆性原因将受到极大限制，对其 力学性能提出了更高的要求。 1 4 1 烧结钕铁硼的力学特性 烧结n d f e b 是一种脆性材料，它的结构各向异性和脆硬性给研究其物理性能和力 学性能带来了极大困难。r a b i n o v i c hy um 【1 2 l 矛d l i ujf 【1 3 1 对不同成分的烧结n d f e b 的力 学性能进行了测试；李安华【l 引总结不同的学者和生产厂商的实验数据给出了烧结 n d f e b 的力学性能指标的大致波动的范围，烧结n d f e b 的力学性能见表1 1 。烧结 n d f e b 的抗拉强度和抗弯强度都比较低，冲击韧性和断裂韧性也较低，抗压强度则较 高。由于为脆性材料，所以测的实验数据分散性比较大。 表1 1 烧结钕铁硼的力学性能 t a b l e1 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs i n t e r e dn d f e b 1 4 2 烧结钕铁硼的断裂方式 李安华与曾振鹏【1 5 , 1 6 1 等人研究了烧结n d f e b 的断裂行为，认为烧结n d f e b 的断裂 方式主要是沿晶的脆性断裂，还有少量的穿晶断裂，并且其断裂行为具有各向异性。 然而对于烧结n d f e b 发生沿晶断裂的机制存在不同的观点。李安华【l7 j 等人通过对 烧结n d f e b 的抗弯曲强度后的断口形貌的分析，沿不同的方向的断裂机制主要为沿晶 断裂，但是经过细致的观察发现其不同方向的断口形貌具有明显的各向异性：沿长度方 向时，断口有明显的穿晶解理断裂；沿高度方向时，断口有较多的富钕相得颗粒；沿宽 度方向时，晶界所占的面积较大。并且沿长度方向的抗弯强度值要低于沿其他两个方向 7 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 的样件。 曾振鹏等【i5 】人对烧结钕铁硼断裂机理的研究表明：裂纹沿晶界处富钕相扩展，烧结 钕铁硼产生沿晶断裂的原因为由于晶界本身的弱化。美 虱d a y d o n 大学s a ml i u 等【l s , 1 9 1 人 认为由于烧结钕铁硼中的富钕相较主相的塑韧性好，所以通过提高烧结永磁体中的富n d 相的体积分数，使磁体的强度有所降低，但是可以改善烧结钕铁硼的脆性特证。 张瓦利等【2 0 】人则对三叉晶界处的组织进行了研究，发现在此处往往会聚集在烧结时 含氧的富钕化合物以及一些杂质和孔洞，当受到外界的应力作用时，烧结钕铁硼则会在 此处出现裂纹，可以将此断裂过程分为两个阶段：第一是微裂纹产生阶段，当外界拉伸 应力不断提高时，受损的三叉晶的数量不断的增加，就会在两晶粒的晶界处产生一些细 小的裂纹；第二是微裂纹扩展阶段，烧结钕铁硼对裂纹的扩展抵抗力较低，这些在晶界 处的微裂纹则会迅速的长大，当达到其临界尺寸后，磁体就会发生断裂。 白书欣等人也对烧结n d f e b 磁体断裂的路径进行了细致的分析，一般来说在烧结 钕铁硼材料中存在着几种界面，对于一般的烧结钕铁硼磁体来说，主要有三种相，但是 主磁性相与富钕相在整个磁体的体积分数约为9 0 以上，由此可以推断出裂纹的扩展主 要是在这两种相及两相之间的界面处。如果主磁性相与其周围的薄层状的富钕相的结合 强度大于沿晶相自身的强度，这样裂纹则会向结合力较弱的地方扩展，即富钕相的内部， 因此为了提高烧结钕铁硼的塑韧性，需改变富钕相的强度与塑性为研究方向；如果两相 i 日j 的结合强度小于沿晶自身的强度，这样裂纹则会从主磁性相与富钕相的交界处扩展， 所以作者认为需要增加颗粒状的富钕相的数量以及两相之间的结合力，才可以有效提高 磁性材料的韧性。 一些学者认为加入t i 、a 1 等合金元素，将提高富钕相强度及富n d 相与主磁性相界面 问的润湿性，使富钕相更加均匀的沿边界分布【2 卜2 3 1 。白书欣等人分别测量了 n d l 5 5 f e 7 6 s a l i t i o5 8 6 5 和n d l 5 5 f e 7 8 8 6 5 永磁体的冲击韧性与富钕相的显微硬度值，但两种 成分磁体颗粒状的富钕相的硬度没有明显差距，但n d l 55 f e 7 6 5 a i l t i o 5 8 65 的冲击韧性却显 著提高，比后者提高了近3 0 。因此t i 及a l 元素的加入可以提高富钕相与主磁性相面的 界面结合强度。 对于沿晶界断口，如断裂时裂纹是在富钕相中扩展，由于富钕相硬度较低并且较为 柔软，这样在晶粒表面就会出现褶皱状的富钕相或者一些颗粒状的富钕相从晶粒表面脱 落而形成变形韧窝，而且所有晶粒表面都应比较均匀分布着富钕相。但白书欣观察了多 种成分的烧结n d f e b 的断口，并没有发现明显的这类现象。n d l 5 5 f e 7 8 8 6 5 的扫描电镜断 口形貌的晶粒表面光滑，在晶粒相交的三叉晶界处，分布颗粒状富钕相，其颗粒的外形 r 第一苹绪论 较完整，没有变形痕迹，而且有部分颗粒状富钕相从晶粒表面剥落后留下的微坑，而微 坑边缘无塑性变形的痕迹。一般来说，沿晶断裂的断面几乎是平坦的，但从断v 1 分析中， 发现磁体断口的表面高低起伏并不平整，从这个特征可以得出裂纹是沿晶界处较弱的路 径扩展，如果从晶界相内扩展就不会出现断口面不平整的现象。所以可以看出裂纹是沿 富钕相与主磁性相较弱的结合界面扩展。 1 4 3 烧结钕铁硼塑韧性能差的原因探讨 ( 1 ) 晶体结构复杂，滑移系少 依据塑性变形理论得知【2 4 】：由于材料内部的晶体在受力的情况下，发生了滑移，从 而导致了该材料在宏观上产生塑性变形。 而这些滑移总是只能在特定的、有限的滑移系上进行。如果在该材料的内部的滑移 系越多，则发生滑移的可能性就越大，该材料的塑性也越好；反之塑性愈差。烧结钕铁 硼的晶体结构和密排六方晶格( 具有3 个滑移系) 相似；都是层状堆垛结构，但对称性 比密排六方晶格的结构差，其滑移系要少于3 个，就不满足多晶塑性变形所要的5 个独立 滑移系，这是造成烧结n d f e b 脆性的原因。 ( 2 ) 磁晶各向异性导致力学性能各向异性 由于磁致伸缩和压磁效应，烧结钕铁硼的力学性能与磁性能是密不可分的。烧结钕 铁硼的磁性能直接影响其力学性能。 各向异性就是在不同的方向上所表现出的性能不一样。因为磁性和弹性相互耦合的 作用，必然引起磁性材料力学性能的各向异性。如单晶体的磁致伸缩各向异性、抗拉抗 弯强度、热膨胀各向异性的各向异性等等【6 】。在热胀冷缩的过程中，因为磁体在不同方 向的热膨胀系数是不同的，所以在降温过程中磁体内部会产生极大的内应力，这也就是 造成烧结钕铁硼力学性能差的重要原因之一。 ( 3 ) 晶界处的富钕相 烧结钕铁硼磁体中的富钕相是一个非常重要的组织，在烧结时富钕相成液态，对磁 体的致密度有提高的作用，从而提高了烧结钕铁硼的剩磁；另外富钕相以薄层状的结构 包裹在主磁性相的周围，也提高了烧结钕铁硼的矫顽力。但是由于富钕相的硬度远较主 磁性的硬度低，当发生断裂时，裂纹往往从富钕相内扩展，形成沿晶断裂。除此之外， 还有一些富钕相集中在三叉晶界处，当受到外力时，往往会出现裂纹扩展的发散点1 2 5 , 2 6 。 另外，通过观察断口形貌特征时，发现当断裂沿高度方向的颗粒状的富钕相要比其 他两个方向的多，说明富钕相的分布是各向异性的，又加剧了烧结钕铁硼磁体力学性能 各向异性，对其塑韧性的提高造成了不良的影响。不过也有的研究的成果【27 j 觉得，在不 o 深冷处理对烧结钕铁硼的改性研究 影响磁体的磁性能的前提下，适当的增加富钕相的含量有助于提高烧结钕铁硼的断裂韧 性。 ( 4 ) 磁体制备工艺一