（材料加工工程专业论文）热变形ndfeb永磁合金组织及织构形成规律研究.pdf

独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：红筮日期：丝：! ：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：么詹! 导师签名： 堡垒望曰期：丝! 窆： 至 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文主要对热变形法制造n d - f e b 永磁材料的可行性进行了探索，重点研究了磁体 组织与磁性能的关系和磁体在热压过程中易轴取向形成规律和织构变化，对于提高热变 形n d - f e b 永磁材料性能，扩大织构研究领域具有积极意义。本课题的目的是通过热变 法制造n d - f e - b 永磁材料，添补国内热变形n d - f e b 系永磁材料产业的空白。本研究利 用真空中频感应炉冶炼了n d f e b 合金，浇铸成铸锭。利用真空热压炉对n d f e b 铸锭 进行不同工艺的热变形及热处理。利用蔡司( z e i s s ) 金相显微镜和q u a n t a 4 0 0 的扫描 电镜观察显微组织，结合扫描电镜配备的能谱仪( q u e s tl 2 x 一射线能谱仪) 进行成 分分析。利用( h k lc h a n n e l s ) 电子背散射衍射系统采用e b s d 的方法分析织构的变 化。结果表明：n d f e b 合金铸锭中n d 2 f c l 4 b 相生长成柱状晶，若干个彼此近似平行排 列的柱状晶组成个柱状晶团。提高铸锭的冷却速度，可以获得良好的铸态组织。热压 变形可细化主相晶粒，且随着形变量的增大，主相破碎程度增大，n d 2 f e l 4 b 晶粒迸一步 细化，同时富n d 相沿晶界均匀分布。富n d 相在热压时可呈液相，液态的富n d 晶界相 在热变形过程中起润滑作用，有利于主相晶粒的转动和位移。热处理之后边界显微结构 得到改善。采用铸造- 热压工艺( 没有进行固溶处理) 磁体的磁性能明显优于热压工艺 磁体的磁性能。最佳热压温度8 0 0 ，最佳形变量s = 8 0 。铸态样品具有原始铸 造 1l o 织构，f i g ) m a x = 1 0 6 。在8 0 0 c ，形变速率为0 0 0 4 r r v m i n 的热压变形工 艺下，得到热压 0 0 1 ) 和 1 0 5 织构，f ( g ) m a x = 2 8 。随形变量的增大， 0 0 1 1 织构增强。试样热处理后， 1 0 5 织构强度进一步增强，f ( g ) m a x = 7 8 7 5 8 。 0 0 1 织 构强度也增强，f ( g ) m a x = 5 6 3 4 6 。 关键词：n d - f e - b 稀土永磁；热变形；织构 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rc o n c e n t m t e so nt h ee x p e r i m e n tt oi n v e s t i g a t et h eh a t d e f o r m a t i o nn d - f e br e a r e a r t hp e r m a n e n tm a g n e t s ，s t u d y i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h em a g n e t i s m a b i l i t y , t h ed i s c i p l i n a r i a no f m a g n e t i ca x i st r o p i s mi nt h eh o t - d e f o r m a t i o na n dr e s e a r c h i n gt h e t r a n s f o 咖a t i o no f t e x t u r e 1 1 1 e p u r p o s eo f t l l i st o p i ci sm a n u f a c t u r i n gn d f e br e a re a r t h p e r m a n e n tm a g n e t sb yt h eh o t d e f o r m a t i o n ，t of i l lt h i sd o m e s t i ci n d u s t r i a l i z a t i o n v a c a n c y c o m b i n i n g w i t h t h ea n a l y s i s o f a l l o y m i c m s t r u c t u r e ，u s i n g t h e e b s d m e t h o dr e s e a r c h t h e t r a n s f o r m a t i o no f t e x t u r ei nt h eh o t d e f o r m a t i o n i th a st h ei m p o r t a n tm e a n i n go f t h ee x t e n s i o n t ot h ef i e l do f r e s e a r c ht e x t u r ea n di m p r o v i n gt h em a g n e t i s mc a p a b i l i t y n ea l l o y sw e r e s m e l t e dj nv a c u u l q i n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c yi n d u c t i o nf u l n a l 2 e , t h e nt h es a m p l e sw e r et a k e n d i f f e r e n ta p p r o a c h e st oh o td e f o r m e dh e a tt r e a t m e n t m a k i n gu s eo f m e t a l l o g r a p h y m i c r o s c o p e ( z e i s s ) a n dq u a n t a 4 0 0s c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p et oo b s e r v et h em e t a l m i c r o s t r u c t u r e c o m b i n ew i t ht h es e me n e r g yd i s p e r s i v es p e c t o m e t e re q u i p m e n t ( t h e q u e s tl 2x - r a ye n e r g yd i s p e r s i v es p e c t o m e t e r ) t oc a r r yo n t h ec o m p o s i t i o na n a l y s i s m a k e u s eo f ( t h eh k lc h a n n e l s ) t h ee l e c t r o nb a c ks c a t t e r i n gd i f f r a c t i o nm e t h o da n a l y s i st h e t r a n s f o r m a t i o no f t e x t u r e r e s u l t ss h o wf l i n tt h eg r o w t ho f n d 2 f e l 4 bg a i n sd u r i n g s o l i d i f i c a t i o ni si ns h e e t - i r ep a t t e ma n ds e v e r a ln c a r l yp a r a l l e ll a t h e sf o r mag r o u po f s h e e t h o t p r e s s i n gd e f o r m a t i o nr e f i n e st h eg r a i n sa n dw i t ht h ei n c r e a s eo f d e f o r m a t i o n r a t i o 曲l e n d 2 f e l 4 bg 随n sa r ef a r t h e rr e f i n e da n df i c h - n dp h a s e i si nw e l l - p r o p o r t i o n e dd i s t r i b u t i o na l o n g t h ee r y s t a lb o u n d a r y p d c h - n dp h a s ed u r i n gh o t - p r e s s i n gd e f o r m a t i o ni si nl i q u i ds t a t ea n di t p l a y sal u b r i c a n tr o l ei nh o t - p r e s s i n gd e f o r m a t i o nm o r d e rt om a k en d 2 f e l 4 bg r a i n sr o t a t ea n d r f t o x t eb e n e f i c i a l l y h e a tt r e a l l r t e n ti m p r o v e st h ec a y s l a l6 d u n 出拶m j _ c r o s t r a c t u r e a 6 0 p f i n g c a s t i n gh o tp r e s s i n g ( d i dn o tc a r r yo ns o l i d - s o l u b i l i t yp r o c e s s i n g ) t h em a g n e t i cp r o p e r t y o b v i o u sb e t t e rt h a nt h eh o tp r e s s i n g 1 1 1 eb e s th o tp r e s s i n gt e m p e r a t u r ei s8 0 0 t h eb e s t d e f o r m a t i o nr a t i o i s8 0 t h es a m p l e o f c a s t i n g h a s t h e o r i 出l a l 1 1 0 t e x t u r e ，t h e r g ) m a x = 1 0 6 a t 8 0 0 , a t h o t p m s s i n gr a t e o f o 0 0 4 m s r a i n ，g e t t h e h o t p r e s s i n g 0 0 l a n d 1 0 5 t e x t u r e ，t h ef ( 曲m a x = 2 8 w i t h t h ed e f o r m a t i o nr a t i oe n g a n c e d , t h e 0 0 1 t e x t u r e t oe n o u g ha n df i l l t h e rs t r e n g t h e n a f t e rh e a tt r e a t m e n t ，t h e 1 0 5 t e x t u r ei n t e n s i o n m o r es t r e n g t h e n ，t h ef ( g ) m a x = 7 8 7 5 8 t h e o o l t e x t u r ei n c r e a s e dt o o ，t h ef ( g ) m a x = 5 6 3 4 6 k e y w o r d s ：n d - f e - b ；r e a re a r t hp e r m a n e n tm a g n e t s ；h o t - d e f o r m a t i o n ；t e x t u r e 一2 内蒙古科技大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 稀土永磁材料的发展及应用 1 1 1 前言 随着人类文明的进步，科学技术的发展，现代社会对高性能永磁材料的需求同益增 大。作为基础功能材料的永磁台金材料具有举足轻重的作用，其研究和发展的状况是一 个国家综合国力的体现和经济发展的衡量标准。稀土永磁材料是2 0 世纪6 0 年代以来发 展起来的新型功能材料，至今已发展了三代，它的研究和发展受到了许多国家材料学者 的重视。尤其是第三代稀土永磁合金n d f e b 自1 9 8 3 年问世以来，以其创记录的磁性 能和相对比较低廉的原材料成本和磁体价格，得到了肓蕾所未有的重视和发展。由于稀土 永磁材料具有独特的磁性能，所以在近代尖端技术、高技术、军事工业、民用工业等方 面获得日益广泛的应用，稀土永磁材料逐渐成为高技术、新产业与社会进步的重要物质 基础。随着商性能稀土永磁材料的进一步发展，其应用前景也会更加广阔。 1 1 2 永磁材料的分类及发展 一、磁性材料的分类 磁性材料按照矫顽力大小，可以分为三类【1 1 ，即： ( 1 ) 软磁材料：矫顽力小于l o o a m ( 约1 2 5 0 e ) ； ( 2 ) 半硬磁材料：矫顽力界于1 0 0 1 0 0 0 a m ( 约1 2 5 1 2 5 0 e ) ： ( 3 ) 硬磁材料：矫顽力大于1 0 0 0 a m ( 约1 2 5 0 e ) 。 在现代科技和工业应用中往往根据永磁材料的材质来分类，即： ( 1 ) 铸造a i - n i 系和a 1 n i - - c o 系永磁材料，简称铸造永磁材料； ( 2 ) 铁氧体永磁材料 ( 3 ) 稀土永磁材料； ( 4 ) 其他永磁材料，如可加工的f e - c r - c o ，f e - c o v ，f e - p t 永磁材料等。 二、稀土永磁材料的发展 - 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 稀土永磁材料是以稀土元素r ( s i n ，n d ，p r 等) 与过渡族金属t m ( c o ，f e 等) 所形成的金属间化合物为基体的一类高性能永磁材料【2 j 。自它出现以来，已连续实现三 次突破性进展，下面按稀土永磁材料的发展阶段划分，大致经历了如下几个阶段： ( 1 ) 稀土钐钴永磁阶段 稀土永磁材料的研究始于5 0 年代末6 0 年代初。h b b a r d pj 报道了g d c 0 5 粉末具有 6 4 0 k a m 的矫顽力。1 9 6 7 年，s t m a t 4 1 等报道了r c 0 5 化合物具有足够高的晶体各向异 性、磁化强度和居里温度，认为有希望成为永磁体。到1 9 7 0 年，通过磁场取向的液相 烧结制取了致密的s m c 0 5 【4 j 磁体，并且成为第一代稀土永磁体，即所谓的1 ：5 型的稀土 钴，其( b h ) m - 1 9 5 9 2 2 2 9 m 3 ，b r _ 1 0 0 0 t ，h o b = 7 8 8 2 k a m ，h 。i = 1 4 3 3 1 k a m 。除 s m c 0 5 外，还有p r c 0 4 ，( s m p i f 0 5 ，c e ( c o ，c u , f e ) 5 等，按磁性能可分为三类：一类是 高h c 的，b h 。a b r ，b - h 退磁曲线是线性的。第二类是低h c 的 b h c b r ，b - h 退磁曲 线是非线性的。第三类是 氐温系数的，它们的磁感温度系数a 接近于零。 7 0 年代中期，出现了2 ：1 7 型的r 2 c 0 1 7 永磁材料【5 】。特别是s m 2 c o l 7 化合物，具有 单轴各向异性，居里点高，有希望成为优异的永磁体。人们从两方面来发展2 ：1 7 型稀 土钴永磁材料。一方面是通过添加其它元素丽发展高性能永磁材料，例如纳格尔 ( n e g e l ) 等人通过添加m n 、c r 元素而得到两种高性能2 ：1 7 型稀土永磁材料。另一方 面是在s m - c o c u 三元沉淀硬化材料系基础上发展2 ：1 7 型稀土永磁材料。利用某些元 素，如f e ，c u , z r 等取代部分c o ，成功的研制出第二代稀土永磁体。1 9 7 7 年，小岛 ( o j i m a ) 【6 j 等人用粉末冶金法研制出( b h h 为2 3 8 8 0 k j m 3 ( 3 0 k g o e ) 的s m ( c o ，c u , f e , z r ) 7 2 永磁体，创造了当时实用永磁体磁能积的最高纪录。第二代稀土永磁体的( b h ) 。和b r 都 比1 ：5 型的高，由于s m 的含量比1 ：5 型的少，故有利于降低成本。目前，稀土钴永磁 材料产量最多的国家是日本，年产量约为8 4 0 吨，美国年产量为9 0 吨，欧洲约为1 2 0 吨，中l 雪年产量约为5 0 吨以上。l ：5 和2 ：1 7 型稀土永磁材料最大的缺点是价格b b 较昂 贵，故其发展受到一定的限制。 稀土钐钴永磁体的优异性能【7 j 主要表现在以下几个方面： 一6 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 具有高的矫顽磁力。( 特别是高的内禀矫顽磁力) 和高的剩磁感应强度。如 s m 2 c o l 7 永磁体剩磁感应强度可达11 4 0 0 高斯，最大磁能积可达铝镍钴永磁材料的以8 倍。 去磁曲线是一条直线，内禀矫顽磁力在去磁场下可基本保持不变，磁体具有可逆 性。 ( 虿臌体具有较好的力学性能，在振动、冲击等机械负荷下，磁性能比较稳定。 ( 2 ) 稀土n d ，f e b 永磁阶段 第一、二代稀土永磁材料的主要成分为s m 、c o ，价格昂贵，c o 是战略物资，而 f e 在自然界中含量丰富，价格便宜，原予磁矩比c o 还要大，因此，用f e 来代替c o 制 取永磁材料成为人们研究的目标。1 9 8 3 年，日本住友特殊金属株式会社的佐川真人 ( s a q a w a ) 7 i 等人研制出高性能的n d - f e - b 系永磁体，其磁性能达到 b 产1 2 5 t ( 1 2 ，5 k o s ) ，h c b = 7 9 6 k a m ( 1 0 0 k o e ) ，h c i = 8 7 5 6 k a m ( 1 1 1 k o e ) ，( b h ) 。= 2 8 6 6 k j m 。( 3 6 m g o e ) ，创造了当时磁性能的最高纪录。从而宣告了第三代稀土永磁材料n d - f e b 系 永磁材料的诞生。1 9 8 5 年又把( b h ) 。提高到3 7 5 k j m 3 ，于是引起世界性的研究热潮， 形成所谓的“钕铁硼”热。从此，以铁基为主的稀土永磁材料摆脱了价格昂贵的c o ， 加上其优异的磁性能，引起了广大材料学者的重视，历经多年，其磁性能不断提高，市 场占有率不断扩大。n d f e - b 系永磁材料的制造工艺及设备( 尤其是烧结工艺) 已经趋 于完善，但其它工艺产品豹实际性能与理论还有一定差距，改进其制备技术与工艺原 理，促进其性能的提高，仍有很大空间。 2 0 世纪9 0 年代稀土永磁材料的研发有两个动向特别引人注目，是通过纳米双相 耦合技术来提高永磁材料的性能，二是寻求新型的稀土永磁化合物，如r 2 f e l 7 n 。型( 6 = 0 3 ) 和r f e l 2 m x 型，其中m 为t i 、v 、c r 、m o 和s i 等。近几年来发现的双相纳米晶 复合永磁材料，如n d 2 f e l 4 b a - - f e 等，是新一代永磁材料【5 4 】，发展纳米晶复合交换耦合 永磁材料是当前的主要研究方向之一。但是纳米晶复合交换耦合永磁体的工艺要求苛 刻，需要严格控制相晶粒尺寸，使之在纳米范围之内复合。 n d f e b 永磁材料具有如下的显著特点： - 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 磁性能高；( 2 ) 价格属中下水平；( 3 ) 力学性能好；( 4 ) 居里点低。温度稳定性较差， 化学稳定性也欠佳。虽然第四个特点不好，但是可以通过调整化学成分和采取其他措施 来改善。 若按永磁体特性之一的最大磁能积随时间发展为序作图，则如图1 1 所示。在2 0 世纪里每隔1 0 年左右，磁能积( b h ) 一就出现跳跃式的发展，( b h ) 一从2 0 世纪 初的1 5 k j m 3 提高到9 0 年代初的4 0 0 k j m 3 。其中最近的两次跳跃最大，7 0 年代从1 0 0 k j m 3 提高2 6 0k j m 3 ，而8 0 年代又从约2 6 0k j m 3 提高4 0 0k j m 3 ，十年内提高了1 4 0 k j m 3 。磁能积在今后几年内随着制造工艺的改进和技术的提高还有望提高到5 0 0 6 0 0 k j m 3 n 。 t t 较 一 墨 图11 永磁材料磁能积的进展 1 1 3 稀n d l ； e b 永磁材料的应用 由于稀土永磁材料具有独特的磁性能，所以在近代尖端技术、高技术、军事工业、 民用工业等获得臼益广泛的应用，主要应用领域有以下几方面： ( 1 ) 微波通讯技术 在雷达、卫星通讯、遥控遥测、电子跟踪和电子对抗中所用的磁控管、行波管、阴 极管、隔离器和行波器等，都需要使用永久磁铁，产生一个恒定磁场，用以控制电子束 流的运动，以便实现高频或超高频振荡，达到微波信号的放大、接收与显示的目的。采 用稀土永磁制作这些器件，不仅体积小，重量轻，而且性能更佳。 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 电机工程 由于采用了高磁能积的n d f e b 磁体，计算机磁盘驱动器所用音圈电机( v c m ) 和驱动磁盘的主轴电机的体积大为缩小，而灵敏度和性能却大为提高。目前所有磁盘驱 动器8 0 的v c m 都采用n d f e b 磁体，壤个西方世界n d - f e - b 产量的一半用于此处。 此外，直流电机、步进电机、无刷直流电机以及除音圈电机外的线形电机，也是n d - f e b 磁体的重要用户。目前主要用于微型高效电机和机床伺服电机，今后汽车的电机将是 其主要的市场。一辆装备齐全的汽车所用电机已多达三四十个品种，除启动电机、冷却 器风扇电机、空调电机等功率几百瓦的电机外，还有座位调整、玻璃升降、门盖开关等 的驱动电机，以及功率小到几瓦的反光镜定位、天线升降、遮阳板调节、前灯调节等的 电机。汽车中各种电机及器件用传统磁体为3 4 k g ，改用稀土磁体后则仅为l k g ，重量 和体积减小，节省汽油。汽车是稀士永磁体最有前途的应用领域。 ( 3 ) 未来交通运输工具 磁悬浮列车早已不仅仅是科幻小说中的快速火车了。这种列车的车轮与轨道为同磁 极，互相排斥，车身依靠磁性排斥力而悬浮起来。据统计，每公里的运输线平均需n d f c b 磁体i t ，需求量极为巨大。电动汽车即清洁又环保，1 9 9 8 年已有少量电动汽车进 入市场。据估计每辆电动汽车的永磁电动机用n d - f e b 永磁材料约1 2 k g ( 2 6 磅) ，到 2 0 0 5 年和2 0 1 0 年，用于制造电动汽车用永磁电动机的n d f e b 永磁材料的需求量将分 别达到1 0 8 0 吨和4 2 0 0 吨。此外，正在发展中的电动摩托车和电动自行车也需要数量可 观的n d - f e b 永磁材料 9 1 。 4 ) 音响器件。 已有15 的音响器件采用了稀土永磁体。用稀4 - 1 y 磁体制作的立体声耳机体积小、 重量轻、音质好。n d - f e - b 磁体高档汽车扬声器，整机重量和体积得以显著减小，同时 音响的保真度、信噪比都大为提高。 5 ) 磁疗及健身器械 用稀土永磁体制成的磁球、磁疗机、磁水杯、磁片及磁项链等具有保健和治疗作 用。近年来发展起来的核磁共振成像仪( m r i ) ，是一种新型的人体疾病诊断设备，它 与x 射线成像仪( c t ) 相比有许多优点，因此颇受重视。核磁共振成像仪利用人体正 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 常组织和病变组织核磁共振驰豫时间不同的原理。来诊断人体细胞的病变。核磁共振成 像仪以前使用铁氧体，磁体重达2 l t ，设备总重7 0 t ，采用n d - f e - b 后，磁体重2 6 t 设备 总重2 4 t ，节约了大量的磁体和铜材，另外还提高了成像的质量和分辨率。【1 0 】 以上列举了稀土永磁体的一些应用领域，其实稀土永磁体的应用实例数不胜数。随 着社会的发展，稀土永磁材料必将具有更加广阔的应用前景。 1 1 4 稀土n d f e b 永磁材料的发展 n & f e b 永磁合金具有极优良的磁性能，是其它材料望尘莫及的，而且不含钻，即 节约了战略物质钴，又降低了成本。这样有利于推广和使用。n d f o b 永磁材料的出现 对工业技术领域产生变革性的影响。所以，近十几年，来各主要工业国竟相发展这种高 技术产业。至1 9 9 3 年，全世界n d f e b 永磁合金的产量平均每年递增8 7 。在产量急 剧增长的同时，为提高磁能积而开展的理论研究工作也一直在进行。1 9 8 7 年，日本住 友特殊金属公司宣布获得4 0 2 9 k j m 3 ( 5 0 6 m g o e ) 的n d - f e b 磁体，1 9 9 0 年日本东北金 属公司的研究者声称，可以得到磁能积为4 1 6 4 k j m 3 ( 5 2 3 m g o e ) 的n d f e - b 磁体，1 9 9 3 年，住友特殊金属公司宣布制成世界最高磁能积的n d f e b 磁体，磁能积达4 2 9 9 k j m 3 ( 5 4 0 m g o e ) t 】。理论研究工作也推动着生产水平的提高，日本住友特殊金属公司已推 出磁能积高达3 5 8 3 l c j m 3 ( 4 5 m g o e ) 的新牌号吼国内外针对n d f e b 的研究一直是磁学 的热点，经过多年的研制其磁能积已从最初的3 0 m g o e 提高至现在的5 5 8 m g o e 。 现代科学技术与信息产业正在向集成化、小型化、超小型化、轻量化、智能化方向 发展，而具有超高能密度的n d - f e b 永磁材料的出现，有力的促进现代科学技术与信息 产业的发展，n d 币e - b 永磁材料是促进当代技术与社会进步的重要的物质基础，为新型 产业的出现提供了物质保证。欧共体曾对n d f e b 永磁材料作过分析，在这份报告中指 出：n d f e b 永磁材料不仅将作为与器件配套的现有各类永磁材料的替代者，而且在取 代电磁和非电磁设计的器件的市场中也将得到广泛的应用【i “。 中国发展n d f e b 永磁材料产业的突出优势是我国稀土资源丰富。我国稀土资源工 业储量约为4 8 0 0 万吨( r e o ) ，远景储量约1 2 0 0 0 万吨，占世界稀土资源的7 0 8 0 。 我国于1 9 8 3 年开始进行n d f e b 永磁合金的研究和生产。从那时起，国内的许多大专 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 院校、研究机构和磁性材料厂都参与了n d f e b 永磁合金的研究、试制和生产。经过几 年的努力，进行产业结构调整、资产重组和合并扩大之后，已从全国约1 5 0 个厂家调整至 约1 0 0 个厂家，全国烧结n d f e b 的生产能力达到1 0 0 0 t 左右，生产量达到5 2 0 0 t ，位居 全球之冠。在理论研究方面也处于世界先进水平，冶金部钢铁研究总院1 9 8 9 年初公布研 究成果，磁能积达到3 9 0 k j ，m 3 ( 4 9 m g o e ) ，1 9 9 0 年包头稀土研究院用低氧方法又研制出磁能 积为4 1 7 6 k j m 3 ( 5 2 4 m g o e ) i 的in d - f e - b 磁体。1 9 9 5 年以前烧结n d f e - b 的0 3 h k = 1 9 8 9 5 2 7 8 5 3 k j m 3 ( 2 5 3 5 m g o e ) ，目前已能达到( b h ) m = 3 1 8 3 2 3 5 8 1l k j m 3 ( 4 0 4 5 m g o e ) 的规模生产【l ”。 n d f e b 型稀土永磁材料是迄今为止磁能积最高的永磁材料，被誉为当代“永磁 王”。现在实验室样品使用先进的薄片铸锭法( 烧结) 的磁能积已高达4 4 4 k j m 3 ，接近 其理论极限5 1 6 k j m 3 【1 4 1 。但是实际生产中的磁能积根本达不到这么高，有技术和设备 上的原因，也有和材料本身的因素有关( 结构、不可逆损失等) ，有的人认为，进一步 提高n d - f e - b 型稀土永磁材料的磁能积己经相当有限，他们将目光转向寻找新的永磁材 料，通过纳米双向耦合技术来提高永磁材料的性能，从1 9 8 8 年，r c o e h o o m 等人首先 、 用熔体快淬法制各了名义成分为n d 4 f e 7 8 8 1 8 的含f e 3 b ，n d 2 f e l 4 b 和一f e 的纳米复相 快淬带”，开辟了对纳米复相永磁带的研究，经过了十几年的研究也未见其产品出现， 主要原因是：纳米晶复合交换耦合永磁体的工艺要求苛刻，需要严格控制相晶粒尺寸， 使之在纳米范围之内复合【8 】。预计这一技术的突破需要经历相当长的时间，因此，人们 预计在未来的2 3 0 年内，找出可取代n d f e b 永磁体的新型永磁材料的可能性很 小。所以n d f e b 型稀土永磁材料仍然是材料学者研究的焦点。据全国稀土永磁协作网 预测1 1 “，“十五”期间，我国稀土永磁钕铁硼产业仍将保持年均增长2 0 以上的发展速 度，基于我国丰富的稀土资源优势和市场优势，加上我国技术专家的崛起，生产技术、 装备的日益完善和产品质量的日益提高，我国的稀土永磁钕铁硼产业将得到进一步的发 展。 1 2 稀土n d f e b 永磁材料的制作方法 n d - f e b 合金的制造方法主要有烧结( 粉末冶金法) 、熔体快淬法等1 7 】。按照生产 工艺分类，目前开发n d - f e b 磁体有烧结磁体，粘结磁体和铸造- 热压( 轧) 磁体等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 表li 各类稀土铁系永磁材料的制造工艺流程 烧结永磁材科 执变形永碰材料粘接永磁材料 工艺工艺工艺工艺工艺工艺 冶炼与铸锭 、陪炼与铸竣冶炼与 椿镗冶炼与 挚跬冶炼与铸锭冶炼与棒锭 t iii 粗破碎高温退火 高温遇火 熔体快淬高温退火 熔俸快淬 t 制粉粗破碎 昌化处理h d d r 处理晶化处理 隔 i l 氨破碎与制粉 热受形热变衫 制粉l 批 i 啼0 粉 v f l 齐ii 磁场取向磁场取向热：| 【理热处匣混合l- j 混合 与压型与压型 i t ，成型 成型 烧结烧结h = 0 或h = 0 ii h 0 i 回火回火 ， t固化处理 固化处理 机加工与机加工与机加二：与 机加工与 i 衰面处理袭面处理表面女：理表面赳理裹面处理 表面处理 t ff v - 性能检测性能检测- | 生胄i艟测性能幢钡l性能检测 性能检测 目前普遍采用的工艺是、三种。采用工艺制造的粘结磁体有各向同性和 各向异性两种，若h d d r 处理得到的磁粉是各向异性的，则在磁场中成型可得到各向 异性粘结磁体，若h d d r 处理得到的磁粉是各向同性的，则在成型时可不用加磁场， 得到各向同性粘结磁体。采用工艺可得到双向纳米晶复合粘结磁体，但其成本很高。 1 3 热变形稀土永磁材料 1 3 1 概述 n d 2 f e l 4 b 化合物具有很强的单轴各向异性。在以n d 2 f e i , d 3 为基体的稀土永磁材料 中，当n d 2 f e l 4 b 晶粒c 轴混乱取向时，磁体是各向同性的，当n d 2 f e l 4 b 晶粒c 轴沿样 品轴向规则取向时，磁体是各向异性的，各向异性永磁体的磁性能比各向f 副生永磁体的 磁性能高得多。制造各向异性永磁体的方法有两种，一种是传统的粉末冶金9 l - b n 磁场取 向法，另一种是热变形法。热变形法包括： ( 1 ) 铸造热变形法：( 2 ) 粉末一致密化热 - 1 2 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 变形法，其中粉末可以是快淬粉末、h d d r 粉末、机械合金化粉末或雾化粉末等。在粉 末冶金法中，各向异性是通过外加磁场和压型实现的，但粉末冶金法的工艺复杂，导致 生产成本较高。在热变形法中，是通过材料在形变过程中形成织构而取得各向异性的。 铸造一热变形法工艺过程简单，过程氧化少，磁体氧含量较低。目前快淬粉末热变形各 向异性永磁体的磁性能已达到b r _ 1 4 8 t ，h c i - 1 1 7 8 m a m ，( b h ) m = 4 0 0 k j m 3m s ：铸造 热变形p r l 7 f e 7 65 c 0 1 1 5 8 5 永磁材料的磁性能己达到b r = 1 2 t ， i c 。= 1 2 2 0 k a m ， ( b h ) m = 2 6 0 k j m 3 1 1 9 1 。热变形法具有工艺流程短、可制造大体积磁体的优点，已成为制造 稀土铁系各向异性永磁材料的重要工艺手段之一。 1 _ 3 t 2n d 2 f e l 4 b 相的晶体结构和磁学性质 各类n d - f c b 磁体的主要成分是硬磁性的n d 2 f e l 4 b 相，称为基体相( 或称主 相) ，n d f e b 系永磁体的磁性能主要由主相决定。自n d f e b 系永磁材料问世以来， 各国学者针对n d 2 f e l 4 b 相的晶体结构和磁学性质作了大量工作。 ( 1 ) n d 2 f e l 4 b 相的晶体结构 n d 2 f e l 4 b 相具有正方结构，空间群为p 4 2 p m ，晶格常数a = 0 8 8 2 n m ，c = 1 2 2 4 n m ，具 有单轴各向异性。其晶体单胞的空间结构如图1 2 所示。 每个单胞由四个n d 2 f e l 4 1 3 分子组成，在一个晶胞内有6 8 个原子，其中有8 个n d 原子，5 6 个f e 原子，4 个b 原子。它们分布在9 个晶位上：n d 原子占据( 4 f ，4 9 ) 两 个晶位，b 原子占据( 4 曲一个晶位，f e 原子占据六个不同的晶位，即 ( 1 6 k l ，1 6 k 2 ，8 j 1 ，8 j 2 ，4 e ，4 c ) 晶位。其中8 j 2 晶位上的f e 原予处于其它f e 原子组成的六棱 锥的顶点，其最临近f e 原子数最多，对磁性有很大影响。4 e 和1 6 k 1 晶位上的f e 原子 组成三棱柱，b 原予大概处于棱柱的中央，通过棱柱的3 个侧面与最近的3 个n d 原子 相连，这个三棱柱使n d 、f e b 三种原子组成晶格的骨架，具有连接n d f e 原子层上下 方f e 原子的作用。整个晶体可看作是富n d 原子层，富b 原子层和富f e 原子层交替 组成。 1 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 o n d t e m 。 h or c dr 。0 he h “9 0 图1 2n d 2 f e t 4 b 单胞内的原子排列 表1 2 在室甚时根据中予衍射实验结果得到的单臆中豆子占位与原子坐标 原子晶位x y z n d l4 f0 2 6 7 90 2 6 7 90 n d 2 4 9 0 1 4 0 30 1 4 0 30 f e4 e 00 5 0 0 00 f e如 o 5 0 0 00 5 0 0 00 11 3 9 f e 8 j l o 0 9 7 9o 0 9 7 90 2 0 4 5 f e 8 j 2 0 3 1 6 70 3 1 6 7o 2 4 6 4 f e 1 6 k l 0 2 2 3 40 5 6 7 30 1 2 7 4 f e 1 6 k 2 0 0 3 7 5 o 3 6 9 80 1 7 8 5 ooooooo。 1 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) n d 2 f e l 4 1 3 相的磁学性能 主相n d 2 f e l 4 b 决定磁体的内禀特性：居里温度t c 、各向异性场h c 和饱和磁化强度 m 。 n d 2 f e l 4 b 相的居里温度t c ，由n d 2 f e l 4 b 不同晶位上的f e f e 原子对和f e 。n d 原子 对的交换作用确定。根据位置远近，其交换作用分为正负，正负相互作用部分抵消，使 n d 2 f e l 4 b 硬磁相的居里温度较低。 n d 2 f e l c b 相在室温条件下具有单轴磁各向异性，c 轴为易磁化轴。各向异性主要来 源于4 9 晶位的n d 原子和f e 原子在垂直于c 轴平面上的上下不对称分布。k l 晶位所在 平面上方有6 个最临近的f c 原子，下方只有一个最临近的f e 原子，平面上有2 个f e 原子。这样的微结构使n d 2 f e l 4 b 具有很强的单轴磁各向异性。 n d 2 f e l 4 b 晶粒的饱和磁化强度主要由f e 原子的磁矩决定。n d 原子是轻稀土原子， 其磁矩与f e 原子磁矩平行取向，属铁磁性耦合，对饱和磁极化强度也有贡献。 n d 2 f e l 4 b 硬磁性相的内禀磁性参数是：居里温度t c 5 8 5 k ；室温各向异性常数 k l = 4 2 m j m 3 ，k 2 = 0 7 , t j m 3 ，n d 2 f e 】4 b 化合物在2 9 5 k 的h a 为5 8 1 0 0 k a m 1 1 7 1 。 b u s c h o w l 2 0 1 综合了许多研究结果，给出n d 2 f e l 4 b 单晶体在室温的平均值j = 1 6 0 t ，各向 异性场“o i - i - - 6 7 t ；室温饱和磁极化强度j s = 1 6 t 。n d 2 f e l 4 b 硬磁性晶粒的基本磁畴结构 参数为：畴壁能密度y 3 5 1 0 - 2 j m 2 ，畴壁厚度6b 5 n m ，单畴粒子临界尺寸d o 3 1 目r i 。 1 3 3n d f e b 系永磁体的力学性能 在n d 2 f e l 4 b 化合物为基体的永磁材料中，n d 2 f e l 4 b 是主相，其体积分数约为8 5 - 9 7 ，n d 2 f e l , d 3 金属间化台物具有复杂的晶体结构，滑移系很少，因此，室温力学性能 很差。例如其抗弯强度仅为3 0 0 3 5 0m p a ，抗拉强度很低，断裂强度ok = 2 3 0 1 m p a ( n d l 4 0 f e 7 9 4 8 6 ，6 ) ，ok = 3 5 3 0 m p a ( n d i 3 f e 7 69 8 6 s ) t 2 “，脆性很大。室温n d 2 f e l 4 b 单晶体 的磁致伸缩系数各向异性很大，平行c 轴方向的磁致伸缩系数仅有垂直c 轴方向的四 分之一左右。因此当多晶体由高温冷却到室温时，晶粒间会产生很大的内应力，这也是 多晶n d z ! f e l 1 3 永磁材料力学性能较差的重要原因之一。多晶取向n d 2 f e l 4 b 烧结永磁体 1 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 的弹性模量也有较大的各向异性，在室温平行c 轴方向的弹性量为e ，= 1 ，5 8 1 0 ”n m 2 ，垂直c 轴方向的弹性模量e = 1 6 2 1 0 “n m 2 。弹性模量随温度升高而线性 降低，高于5 0 0 c ，e 的降低更快，并且( e - e ，) e 急剧增加，在6 0 0 附近( e e ，) 卮变化最大1 2 “。在室温n d 2 f e l 4 b 单晶体的维氏硬度h v = 9 5 0 ，多晶体的h v = 6 0 5 ，温 度低于2 0 0 时，硬度降低很少。7 0 0 时的硬度仅有室温时的8 左右。尽管n d f e b 系永磁材料在室温下硬度高，脆性大，但在6 0 0 c 以上时，磁体迅速软化，弹性模量和 硬度均急剧下降，这就为n d f e b 系永磁体的热形变提供了依据。 p r - f e b 系永磁体材料热压过程中的热变形与n d f e b 系永磁体材料相类似i i 。 p r lt f e 7 65 8 5 o c u l5 合金冶炼后，直接铸成棒状样品，其柱晶具有放射状，并与棒状样品 的轴向垂直。热压时的压力与样品轴平行。图1 - 3 是合金成分、样品尺寸相同，以不同 应变速度模压时的应力应变曲线。可见在四种不同应变速度下，其应力应变曲线大体上 相同。开始时，随应力增加，应变呈线性的增加，当应力达到某一值时，将出现一应力 平台，而样品在该应力作用下继续发生塑性流变形变，其应变可达到其总应变的7 0 以上，这种形变行为与超塑性形变有些相似。