（材料科学与工程专业论文）烧结ndfeb永磁体强韧化研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 烧结n d f e b 永磁材料具有磁性能高、价格低等突出优点。但是，这种材料强度和韧性 差，机械加工困难，应用过程中容易掉角开裂，特别是在一些有冲击振动载荷的领域应用 受到限制。目前国内外对这种材科强韧性的研究相对较少，对其断裂失效模式、断裂机理 没有明确统一的定论，因而其改善韧性的方法缺乏理论指导而带有一定的盲目性。 本文采用粉末冶金方法制备烧结磁体，在制粉阶段添加a g 元素，并单独和复合添加 t i 、舢元素，在熔炼阶段复合添加t i 、a 1 元素，坯体在1 0 9 0 烧结o 5 h 。分别测试磁体 磁性能和冲击韧性，并采用扫描电镜观察磁体断口微观形貌。结果表明，不同合金元素或 不同添加方式，对磁体断裂方式、冲击韧性及磁性能( 特别是矫顽力) 有不同的影响。 晶闻单独或复合添加适量合金元素对磁体冲击韧性均有一定提高作用，但对断裂模式 没有明显影响，复合添加r n 、a 1 能显著提商磁体矫顽力。添加0 0 5 a g 磁体冲击韧性较 普通商业n 3 5 磁体提高7 0 ，同时磁性能几乎没有降低，并且该成分磁体断裂方式没有明 显改变。a g 元素提高磁体冲击韧性主要是因为细化了主相晶粒并使颗粒状富n d 相增多。 熔炼复合添加髓、a l 明显提高磁体冲击韧性，并且对磁体断裂模式影响较大，矫顽力 随n 、舢的添加比例出现较大波动。熔炼合金化的n d l 55 f e7 6 5 舢l t i a 5 8 6 5 磁体冲击韧性较 商业n 3 s 磁体提高了5 1 8 ，磁性能略有下降。该成分磁体断裂方式发生显著变化，穿晶 断裂比例超过9 0 ，冲击韧性的提高及断裂模式的改变主要是因为富n d 相与主相的界面 结合强度提高。 添加o 0 5 a g 磁体与n d l 5 正e 7 6 5 趾1 5 8 6s 磁体能进行钻孔加工，其机械加工性能优 于普通商业磁体。另外，本文首次得出沿晶断裂时裂纹是沿富n d 相与主相结合界面扩展 的结论。 关键词：烧结n d f e b 永磁材料合金化冲击韧性沿晶断裂穿晶断裂 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t s i n t e r e dn d f e bh a se x c e l l e n tm a 驴e t i cp r o p e n i e sw i ml o w 砸c ew h i l em es 廿e n g l l la j l d t o u g t l n e s sa r ep o o rw l l i c hr e s u ni np o o rm a c h i l l a b i l j 瓴a i l di ti se a s yt ob eb m k e n s ot h e yc a n n o tb eu s e di na r e a sw i mi m p a c t u pt on o w 也e r ei sq u i t ef e ws t u d i e so n 蝴g t ha n dt o u g h n e s s o ft h i sm 蕊e r i a l s ，a n dt l l em e c 鼽a n i s mo ff a c t u r ei sn o tw e ud e t e r i 】1 i n e d s ot l l ew a y st oi m p m v c m es 订e n g i h 卸d t o u g h n e s so f t 1 1 i sm a t e r i a l sa r cq u i t ee y e l e s s i nt l l i sd i s s e n a t i o n ，t 1 1 em a 掣地t sw e r ep r 印魄r e db yp o w d e rm e t a l l u 唱y p o w d e r so f a gw e r ea d d e d d u r i i l gb a l l 蹦1 1 啦，卸dp o w d e r so fa la n dt iw e 把a d d c ds 印锄t e l ya n dj o 圳yd i n g b a l l m i l l m 岛w h i l ea la n d 啊懈j o i n 廿ya d d e dd 删n gm e m n g t h es a m p l e sw e r es i n t e r e df o ro 5 ha t 1 0 9 0 t h em a g l l e t i cp m p e r t i e s 锄di m p a c tt o u g h i l e s sw e r em e a s l l r e d 锄d 廿i e 丘a c t l l r es u r 凸l c e s w e r eo b r v e db ys e m i tf o l l o 、s 吐m t l e 劬c t u r eb e l l a v i 0 1 l ra n d 也ei m p a c tt o u g l l i l 船sa n d m a 鄹e t i cp r o p e r t i e s ，e 蹲e c i a l l y 也ec o e f c “i t y w e f ed r 砌【a t i d yd i 任b r 髓ta c c o r d i n gt ot h ew a y s e k i m e m sa d d i t i o n t h ei m p a nt o u g h n 朗so fm em a g n e t sc o u l db ei m p r o v e 埘t l la p p m p r i a t ea l l o y i i l ge l e m e n t s a d d i t i o nd “n gb a l l 埘l l i n gw 蛐em e r ew 勰n ov i s i b l ec i m n g e st 0n 璩如c t u r eb e h a v i o 喝a n dm c c o e r c i v 时o fm a g n e t s 晰m 舢a n dt iw 鹊s i 割i 矗c 删ye n h 越c e d 1 ki m p a c tt o u g h i l e s so ft h e m 唱l e t s 埘m0 0 5 a gw 船7 0 l l i g h e r 也a nn l a to fc o 衄e r c i a ln 3 5l i l a 乎伦t s 、i t h o u tm a 掣i e t i c p m p e f t i e sd e t e r i o r a t i o n a n dt l l e r ew 嬲n 0v i s i b l ec h a i l g e st o 触c t i l r eb e h a v i a u ro f t h e s em a 弘e t s t h ei m p a c tt o u g h n e s sc o m db ep r o m 血e n t l yi i n p r 0 v e db ya g m a i l yb e c a u s eo f 也ed e p r e s s i n go f g r a i n 掣d 试n g 也es i n t e r i n g ，托ds o m e 掣a n u l i f o 胁n d 啊6 hp h 舔ea p p e a r e d t h ei i n p a c tt o u 窖h n e s so ft l l em a g n e t s 诵t l l 趟锄dr nd l l r i i l gm e m n gc o l l i db ep r o m i n e n t l y i l n p r o v c ，a l l dt h ef a c 嘶b e h a “o l l ro f 吐l em a g n e t sw 聃v i s i b l yc h a n g e d ，b u tt 圭l ec o e r c i v i t yo f m a 朗e t sd 印c n d e d o nt l l e p m p o n i o n o f越a n dn i k呻a c t t o u g h n e s s o f n d l 5 5 f e 7 6 5 a l l n o5 8 65m a g n e t sw 船5 1 ，8 王l i 曲e rt i 锄m a to f n 3 5i n a g n e t s 、i t hl i m ec h a n g eo f t 置l e m a g n e t i cp r o p e 蹦e s t h ef t u r eb e h a v i o u ro ft h e s em a 弘e t sw a sc l m g e dm a r k e d l y ，m e 国防科学技术大学研究生院学位论文 r a t i oo ft r a n s g r 洲1 a r 如w t i l r ew a sm o r et 址m9 0 t h ei m p r o v e i n e mo ft h ei m p a c tt o u g l l i l e s s a i l dt 1 1 ec h a n g e st om ef h c t u r eb e h a v i o l l rm a i n l yb e c a u s eo ft l l ei n t 叩h 晒eo f n d r i c hp h a s ea i l d m 撕n p h a s ew a si i l l p r o v e d m a g n e t s 州t 1 1o 0 5 a ga n dt h cn d l 5 5 f e 7 6 5 a l l t i o5 8 6 ，5m g n e t sc 趾b ed r i l l e do n 越l lp r e s s ，t h e m a c h i n a b i l i t yo fm e s em a g n e t si sb e 协西t l l a n 也a to f 也ec o i i l i n e r c i a lm a g r l e t s ma d d 试o n ，也e c r 扯k se x p a n d i n ga 1 0 n g 也ei n t e r 缸eo fn d 前c hp h a s ea i l dm a i n - p h a s ei sf i r s t l yp r o v e di nt l l j s d i s s e r t a t i o n k e o r d s s i n t e r e dn d f e bp e r n l a n e n tm a t e r i a l s a l l o y 啦i m p a c tt o u 出l c s s i n t e r g r a n l l l 盯f 如t i l r et r a i l s g r a m l l 盯自a c t l l r 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 磁性材料分类示意图l 图1 2 烧结n d f c b 磁体的显微组织示意图4 图】3n d 2 f e l 4 b 晶体结构示意图9 图1 4n 3 5 及n 4 2 磁体断口形貌1 0 图1 5n d x f e 9 4 。b 6 磁体断裂韧性和磁能积与n d 含量关系1 2 图1 6n d l 5 d y i f e 7 8 x a l x b 6 磁体断裂韧性和磁能积与a l 含量关系1 3 图2 1 实验工艺流程图1 7 图2 2 垂直取向压型示意图2 l 图2 _ 3 复相粉末压结体液相烧结三个阶段示意图2 2 图2 4 烧结工艺示意图2 2 图2 5 冲击韧性测试装置2 4 图3 1 三种成分磁体断口微观形貌2 7 图3 2 实验磁体及n 3 5 磁体断口微观形貌2 9 图3 - 3n d l 5 5 f e 7 s b 6 5 磁体断口二次裂纹3 0 图3 4 三种成分磁体断口形貌3 2 图4 1 不同a g 含量磁体金相组织3 5 图4 2 不同a g 含量磁体断口微观形貌3 6 图4 - 3a g 与n d 合金相图3 7 图4 ，4n d i 55 f e 7 暑b 5 磁体及加a g 磁体热分析曲线3 9 图4 5n 3 5 磁体、n d l 5 5 f e 7 8 8 6 5 磁体及加a g 磁体压缩破坏后形态4 0 图4 6n 3 5 磁体和添加o 0 5 a g 磁体经钻床钻孔后形态4 0 图4 7 不同t i 含量磁体金相组织。4 2 图4 8 不同髓含量磁体断口微观形貌4 3 图4 9 含t i 相形貌及能谱成分分析4 4 图4 1 0 不同a l 含量磁体断口形貌4 5 图4 1 l 添加0 6 a l 磁体金相，4 6 图5 1复合添加中t i 添加量分别为o 3 、o 9 磁体金相组织4 9 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 2复合添加中t i 添加量为0 3 磁体断口微观形貌5 0 图5 3 熔炼合金化磁体金相组织5 1 图5 4t i 、a l 合金相图5 1 图5 ，5不同a l 、t i 含量磁体断口微观形貌5 2 图5 6n d l 55 f e 7 65 a l l t i o 5 8 6 5 磁体差热分析曲线5 3 图5 7n d l 5 s f e 7 5 a l l 噩o5 8 65 磁体经压缩破坏和钻床钻孔后形态5 4 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1 1 表2 1 表2 2 表3 1 表3 _ 2 表3 3 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表目录 典型永磁材料的性能、原料及相对价格2 实验所用主要原料1 8 实验所用主要设备1 8 各成分磁体磁性能及冲击韧性2 6 两种成分磁体冲击韧性及显微硬度值3 0 各成分磁体磁性能及冲击韧性3 3 合金元素规格及添加量3 4 不同a g 含量磁体磁性能及冲击韧性3 5 不同西含量磁体磁性能及冲击韧性4 1 不同a j 含量磁体磁性能及冲击韧性4 4 a 1 、t i 复合添加磁体磁性能及冲击韧性4 8 含不同量a l 、t i 磁体磁性能及冲击韧性 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：烧缱婪垦里业窭遂佳退翅垡煎塞 学位论文作者签名： 匠王 日期：枷年，月夕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：缝结盟亟旦塑盘鲎佳堡翅焦盟壅 学位论文作者签名：碰五 日期：毒t 呵年，月夕日 作者指导教师签名：i 墨坚日期：移年，1 月7 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 概述 磁性材料是一种重要的功能材料，在现代工业和科学技术中有着广泛的应用。按材料 的矫顽力可将磁性材料分为软磁材料( 矫顽力低于1 0 0 h ) 、半硬磁材料( 矫顽力介于 1 0 0 a ，f m 1 0 0 0 a ，m ) 、硬磁材料( 矫顽力高于l o o o a ，m ) ，硬磁材料又称为永磁材料。目前 永磁材料主要可分为铸造永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料及其它永磁材料四大 类。图1 1 为磁性材料的分类。 图1 1 磁性材料分类示意图【l a l - n i c o 系铸造永磁材料居里温度高，工作温度高，稳定性好，但磁性能低，并且含 国防科学技术大学研究生院学位论文 有战略金属元素c o 和n i ，性价比偏低；铁氧体永磁材料的原材料资源丰富，价格低廉， 缺点是磁性能低，工作温度低，温度稳定性差；形状各向异性的m n a l c 永磁合金原材料 资源丰富，但磁性能低；阼f e 、p t _ c o 合金磁性能较高，但原材料价格高。稀土永磁中， s m c o 永磁材料磁性能较高，居里温度高，工作温度高，温度稳定性好但含有储量稀少 的稀土金属s m 和昂贵的战略金属c o ，原材料价格高；n d f e b 系永磁材料磁性能高。原 材料价格便宜，这是这种材料的最突出的优点，同时它也存在居里点低、温度稳定性差等 不足之处。表l 。1 列出了几种典型永磁材料的性能、原料及相对价格。 表1 1 典型永磁材料的性能、原料及相对价格i 烧结n d f e b 永磁材料属于第三代稀土永磁材料，是1 9 8 3 年日本住友特殊金属株式会 社的s a g a w a 等首次报道的。其磁性能为b r = 1 2 5 t ，风i = 8 7 5 6 k m n ，h 。b = 7 9 6 k m ， ( b h ) 。= 2 8 6 6 k j m 3 脚。与其它类型永磁材料相比，n d f e b 系永磁材料具有磁性能高、原 材料价格便宜等十分突出的优点，因此在很短的时间内便取得了超常规的发展。到2 0 0 4 年，n e o m a x 公司制造出磁能积为4 6 0k j ，m 3 的高性能永磁体【3 】，这一性能较最初r f e b 系永磁材料有了很大的提高，并远远超出了其它类型永磁材料。 由此可见，烧结n d f e b 永磁材料是一种综合性能优异的永磁材料。这也使得其开发和 应用得到了超常规的发展，应用己涉及国民经济的各个领域。特别是在计算机、信息、汽 车、核磁共振成象、c d r o m 、d v d 等工业方面有着广泛的应用。目前，市场对n d f e b 系永磁材料的需求量还在不断的增加，全世界烧结n d f e b 的年产量由1 9 8 5 年的5 0 t 上升 国防科学技术大学研究生院学位论文 到1 9 9 6 年的6 0 5 0 t ，十年增长了1 2 0 倍，预测到2 叭o 年全球对烧结n d - f e b 系永磁材料 的需求量将增加到l o 万t 左右 4 1 。 1 2 烧结n d f e b 永磁材料的显微组织 1 2 1 烧结n d f e b 永磁材料的相组成 已有大量研究表明，烧结n d f e b 磁体主要由三相组成： 主相( n d 2 f e t 4 b ) 在1 2 0 0 左右通过包晶反应生成，四方晶体结构( a - 0 8 2 2 n m ， c 一1 2 2 4 耻) 【5 1 。该相是合金中唯一的硬磁相，其含量决定了永磁合金的剩磁和最大磁能积。 该相在磁体中呈多边形，不同尺寸晶体取向不同，约占磁体总体积的8 5 左右。 富b 相当合金中的硼含量高于n d 2 f e l 4 b 的正分成分时才形成。该相为孤立块状 或细小颗粒沉淀。大部分富b 相以多边形颗粒存在于晶界交隅处或主相晶界上，个别主相 晶粒内部也有细小的颗粒状富b 相沉淀。该相居里点约为1 3 k ，室温以上它是顺磁性相【6 】， 对磁性能几乎是无益的，但b 元素的加入对主相的形成起了决定性的作用。在n d f e b 永 磁中，富b 相的含量介于0 8 ，随b 含量的增加，富b 相的数量有所增加。对其成分 表达式的研究结果也略有不同，为方便起见，一般认为是n d f e 4 8 4 。 富n d 相其熔点在6 5 0 7 0 0 之间，是合金中最后凝固的相。有研究者发现，在 n d f e b 中存在三种富n d 相吼一种是连续分布在晶界上，具有不同厚度的薄层状富n d 相；一种为块状富n d 相，镶嵌在n d 2 f e l 4 b 晶粒边界上；还有一种分布在主相晶粒内部的 弥散的富n d 相，但这种相只在个别晶粒中观察到，数量极少。 孤立的颗粒状富n d 相具有双密捧六方结构，它的n d 含量约为9 7 a t ，其余为f e 。 对于沿晶界分布的薄层状富n d 相的结构和成分目前还存在较大分歧，有研究表明其为面 心立方结构，成分为7 5 删d ，2 5 a f f e 嘲。另有研究认为其为d h c p 结构，n d 的含量高于 9 0 a t ，甚至有人在会金中同时发现这两种结构的富n d 相唧。r 黜吼e s l l 等嘲发现富钕晶界 相是面心立方相，其晶格常数为0 5 2 4 蛳。含有7 0 7 5 的n d ，2 5 3 0 的f c 。用超薄窗 口e d x 及a e s 分析证实，富钕相中含有相当数量的氧，并认为氧在晶界和晶粒表面偏聚， 正是氧的存在将富钕相稳定下来的。j f i d l 盯等【l o 】则根据f e ：n d 比值，将富钕相分为四种， 即l ：1 2 1 4 ，1 ：2 2 3 ，l ：3 5 4 5 ，l ：7 。但不论富n d 相是何种结构，沿晶界分布的富 n d 相对烧结n d f e b 合金的性能有重要作用。 国防科学技术大学研究生院学位论文 烧结n d f e b 磁体的显微组织如下图所示。 图1 2 烧结n d f e b 磁体的显徽组织示意图 另外，烧结n d f e b 磁体中可能含有旺f e 相以及其它因添加合金元素而产生的沉淀相。 旺f e 相可能是铸锭中残留下来的，也可能是磁体制作过程中因n d 的氧化而析出的。 1 2 2 烧结n d f e b 永磁材料的晶界显微结构 n d f e b 磁体的烧结是液相烧结过程，合金中含有比n d 2 f e l 4 b 计量成分多的n d 含量， 在烧结过程中形成主相和富n d 、富b 相，后两者为磁体中的晶界相。晶界相的主要作用 有促进烧结，使磁体致密化；使主相边界变得光滑少缺陷，防止反磁化畴的形核和长大； 沿晶界分布，起到去交换耦台作用，从而提高了矫顽力。 烧结n d f e b 磁体的品粒边界可以分为四类【4 1 。第一类是主相晶粒直接接触，没有晶界 相；第二类是主相晶粒与富n d 或富b 晶粒接触；第三类是存在一层厚度很薄( 约2 衄) 的富n d 晶界相；第四类是存在一层厚度较厚( 约1 5 2 伽吼) 的富n d 晶界相。在一般磁 体中，上述四种边界可同时存在，且随n d 含量的增加，第三、四类边界增多，第一种类 型边界减少或消失。 对烧结n d f e b 磁体的热处理主要是对晶界的改变，尤其是后两类类型的边界，这也是 热处理能改变磁体性能，特别是矫顽力的重要原因。而晶粒内部和前两种类型边界没有明 显变化。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 合金元素对烧结n d f e b 永磁材料组织结构及磁性能的影响 从n d f c b 永磁材料开发到今天，人们为改善磁体磁性能做了大量研究，并取得了显 著成果。例如针对烧结n d f e b 居里点低，温度稳定性差，工作温度偏低( s o ) ，抗腐蚀 能力弱及矫顽力低等问题，研究者普遍采用添加合金元素的方法进行改善，到目前为止， 对元素周期表上的大部分金属元素都作了研究。由此而发展了一系列四元、五元、六元、 甚至七元稀土铁系永磁材料，其中有些材料综合磁性能已远超过了n d f c b 三元永磁材料【2 1 。 1 3 1 合金元素的分类 f i d l e r 和s c l l r e 一1 1 】将添加元素分为代换元素和搀杂元素。代换元素取代主相中n d 原 子( 如d y 、t b 等) 或f e 原子( 如c o 、n i 、c r 等) 。搀杂元素以其对磁体显微结构的影响可 分为两类：m l ( c u 、a l 、( 通、s n 、g e 、z n 等) 形成二元m l - n d 或三元m l - f e - n d 相； m 2 0 妯、m o 、v 、w 、z r 、啊等) 形成二元m 2 。b 或三元m 2 尊e b 相。 如果搀杂元素在高温时在主相中有一定的溶解度，可部分溶于主相中取代f e 原予， 因而改变居里温度和各向异性场，大部分的m l 属于这种情况；如果搀杂元素在烧结温度 下溶解度低，而在主相中析出，则生成新的晶间相，m 2 就属于该种情况。m 1 在烧结或热 处理过程中影响液相的润湿行为，因而影响晶粒的磁去耦，冷却后形成含n d 的晶界相。 硬磁晶粒良好的分离和去耦导致磁体矫顽力的提高，新的含m 1 的晶问相取代富钕相也改 善了磁体的耐蚀性。m 2 在硬磁相中有较低的溶解度，在主相中析出。并生成晶间硼化物 相 1 2 1 。搀杂元素的加入能够提高磁体的矫顽力，改善耐蚀性。 g m o t 等将添加元素分为三类：第一类元素是低熔点金属( 越、c u 、g a 、s n ) ，它们 形成晶间副相，从而改进湿润性和抗蚀性；第二类元素是难熔金属，如n b 、v 、m 、m o ， 它们在主相中形成脱溶物( 大多为硼化物) ，并产生畴壁钉扎；第三类元素是代换n d 2 f e l 4 b 中的n d 或f e 的，以改善内禀磁性( t c 、j s 、h a ) 之一，最重要的第三类元素是其它稀土 金属和过渡金属c o 。 1 。3 2 低熔点元素 添加a l 能显著提高磁体的矫顽力1 ”，添加少量m 可细化主相晶粒，促进富n d 相 由h 印结构转交为f c c 结构，从而提高主相晶粒与富n d 相的浸润性，使富n d 相更加均匀 国防科学技术大学研究生院学位论文 的沿边界分布。g 1 ( r 眦k 【1 6 】对含a i 的烧结n d f e b 磁体研究发现，a l 进入合金后形成n d ( f e ，a j ) 2 相，提高了富n d 相和硬磁相问的湿润性，从而使矫顽力显著提高。 a s m 等【7 】研究表明c u 微量加入能改善晶界结构，提高磁体矫顽力，并对剩磁有 益。在n d f e b 合金中添加c o 可以改善磁体的耐腐蚀性，提高居里温度，但降低矫顽力。 添加少量c u 后可抵消c o 的这种负作用。复合添加c u 和c o 提高矫顽力是因为生成了新 的富钕相n d f e c o c u 。同时，提高磁体的使用温度。 0 m 飚g 等人【1 8 j 研究了在球磨前加c u 对n d f 国三元烧结磁体的影响。这样c u 可能 直接进入晶界。研究发现，c u 添加量在o 5 a t 以下的磁体是全致密的；而添加较多c u 的磁体则有气孔，这可能是因为在晶界处c u 含量高所造成的。c u 的添加，降低了固态主 相n d 2 f e l 4 b 在其颗粒边界液体中的溶解度，因此适量添加c u 能够防止主相晶粒长大，提 高矫顽力。过量添加，可能对晶界的润湿不利，引起密度降低，进而使矫顽力、剩磁降低。 1 3 - 3 高熔点元素 成闻好等 1 9 1 研究发现不含n b 的n d f c b 磁体晶粒的大小、形状差异非常大。这种结构 使n d f e b 磁体的磁性能恶化。添加一定量的n b 元素后，磁体的组织变得均匀一致。当 n b 含量小于1 ( w t ) 时磁体矫顽力、剩磁、磁能积均比相应不含n b 的磁体高。其原因 是n b 使n d f e b 磁体的晶粒变得均匀一致，密度提高。n b 对n d f e b 磁体的绝大部分磁性 能的影响均与n b 使n d f e b 磁体的晶粒得到均匀化有关。 宋晓平等瞄哪研究表明当钛含量小于1 2 时，c u ( 0 8 ) 和n 晶间复合添加可大幅度提 高烧结n d f e b 磁体的矫顽力，剩磁变化不大，矫顽力的提高归功于c u 和1 i 在主相晶粒表 面富集，细化晶粒，阻断主相晶粒之间的磁交换作用，阻碍反磁化畴的传播。当钛含量大 于1 。2 时。矫顽力略有下降，剩磁急剧下降。剩磁下降的原因在于出现了大量的条状纯钛 相。 1 1 3 4 过渡金属c o 烧结n d f e b 磁体添加c o 后，n d ( f e c o ) b 合金的居里温度线性提高，磁感可逆温度 系数明显降低。当c o 含量小于5 a t 时，磁能积和剩磁几乎不降低，但矫顽力明显的降低； 当c o 含量在l o a t 2 5 a t 之阊时，磁能积和裁磁稍降低，矫顽力几乎保持不变；c o 含 量超过3 0 t 后，各项磁性能参数明显降低口1 筇l 。c o 提高居里温度的原因是c o 占据 国防科学技术大学研究生院学位论文 n d 2 f e l 4 b 的8 j l 晶位，减少负的交换作用。 显微组织观察表明，c o 含量少于1 0 ( a t ) 时，n d ( f e c o ) b 的显微组织与三元n d f e b 合金的基本相同。随着c o 含量的增加，富b 相和富n d 相的数量有增加。基体相晶粒有 所粗化。当c o 含量为1 8 ( 砒) 以上时，开始出现具有m g c u 2 型结构l a v e s 相，它的成 分接近n d ( f e c o ) 2 ，沿晶界析出。当c o 含量大于1 0 ( a t ) 时，随c o 含量的升高，合金 永磁性能恶化估计与该相的出现有关。 1 3 5 重稀土元素 在o o 8 6 ( a t ) 范围内【矧，随着合金中t b 含量增加，h 。i 显著增加，db ，则显著 减小，b r 基本上没有变化，当t b 增加到o 8 6 ( a t ) 时，b r 仍然没有变化，h c i 由1 4 5 0 k a m 增加到1 5 6 0 k r m ，ab r 由- o 0 6 9 依增加到一0 0 6 2 k 。在所研究的范围内，t b 量从o 增 至o 4 3 ( a t ) 时，h ：c i 增加最快，当t b 量超过o 。4 3 ( a t ) 时，h 。i 增加速度减缓。显微组 织研究表明，t b 能够抑制晶粒长大。 y 0 u n 扩5 1 的研究发现，添加d y 导致畴壁能减小，这表明，尽管d y 的添加提高了n d f e b 合金的各向异性，但总的r e 1 m 交换相互作用减小。 1 3 6 氧化物 z h o n g n l 证c h e n 口川等研究了2 0 种晶间氧化物添加剂对n d f e b 烧结磁体矫顽力、热 稳定性和微结构的影响。研究表明，在2 0 种氧化物中，m g o 、a 1 2 0 3 、c r 2 0 3 、蜀o 和c a o 能明显地增强矫顽力；m g o 和z n o 可提高热稳定性；其余氧化物则不利于提高矫顽力和 热稳定性。 1 4 烧结n d f e b 永磁材料力学性能的研究 实践表明，稀土永磁材料机械加工性能普遍较差。s m c o 永磁硬而脆，仅能进行电火 花线切割和小进刀量的磨削加工；烧结n d f e b 的机械力学性能比s m c o 永磁稍好，但仍然 很脆。根据不同研究者对各种牌号烧结n d f e b 磁体力学性能指标的测试口7 1 ，烧结n d f c b 永磁材料的抗弯强度值为2 0 0 3 5 0 m p a ，断裂韧性值波动范围为2 5 5 5m p a m “2 ，其 断裂韧性比普通金属材料低l 2 个数量级，与陶瓷材料相当，可见这种材料是一种强脆 国防科学技术大学研究生院学位论文 性材料。 由于目前n d f e b 磁体主要是用在一些静态和冲击振动小的条件下，如音响、核磁共振、 磁盘等，人们关注的主要是磁性能的改善和发展，对力学性能的研究很少。但是其强度和 韧性差，机械加工困难，现有产品的加工是以降低1 0 2 0 成品率【4 j 为代价，并且在生 产和使用过程中经常出现剥落、掉边掉角、开裂等问题。随着磁性器件的小型化、高精度 化，烧结n d f e b 永磁材料的加工性能面临着更严峻的考验。另外，军事、航天、高速电机 等冲击振动强的领域对磁性器件的强度和韧性提出了更高的要求。因此，改善烧结n d f e b 永磁材料的强度和韧性，解决生产和应用过程中的实际问题，已成为迫切的要求。近些年 国内外有少数研究者对这一问题进行了研究，试图改善其强度和韧性，并取得了一些成果。 1 4 1 烧结n d f e b 磁体力学特性 烧结n d f e b 永磁材料是以n d 2 f e l 4 b 金属间化合物为主的合金，而金属间化合物普遍 具有晶体结构复杂，滑移系少等特点，导致其塑韧性较差。六方晶格的镁锌等金属具有3 个滑移系，稀土永磁的晶体结构与密排六方晶格相似，同为层状堆垛结构，但是其对称性 远差于密排六方晶格，由此推断n d 2 f e l 4 b 金属间化合物的滑移系较密排六方晶体的滑移系 更少1 2 7 】，所以以金属问化合物为基体的磁性合金也难以获得较好的塑韧性。n d 2 f e l 4 b 晶体 结构如图1 3 所示。 沿基体晶粒均匀连续分布富n d 相薄膜，在增加烧结n d f e b 永磁材料矫顽力方面起着 重要作用，但是富n d 相为晶界弱化相，是导致n d f e b 磁体沿晶断裂的主要原因1 2 ”。 磁性合金要获得高矫顽力。必须有较大的磁晶各向异性。而磁晶各向异性导致了单晶 磁致伸缩、热膨胀等性质的各向异性，进而使材料的力学性能变差。例如室温n d 2 f e l 4 b 单 晶体磁致伸缩系数各向异性很大，因此取向不完全的多晶材料由高温冷却到低温时，晶体 间会产生很大的内应力，这也是导致烧结n d f e b 永磁体脆性大的原因之一1 2 7 l 。 另外，烧结n d f c b 永磁体在烧结制备过程中，内部必然存在一定量的气孑l 和缺陷，同 时，其致密性、连续性也较普通金属差，这些因素也必然会影响到磁体的强度和韧性。 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 3n d 2 f 。1 4 b 晶体结构示意图 1 4 2 烧结n d f e b 磁体断裂机理 n d f e b 磁体的烧结是液相烧结过程，其富n d 液相对磁体的致密化和磁硬化起着重要 作用。在烧结n d f e b 磁体的显微结构中，富n d 相主要呈薄层状沿晶界分布。曾振鹏等口8 1 对烧结n d f e b 断裂机理的研究表明，磁体的断裂方式主要为沿晶断裂，裂纹沿晶界富n d 相扩展，烧结n d f e b 产生沿晶断裂的原因是晶界本身弱化。j i a n gj i a n h l l a 等【2 9 j 对成分为 n d l s f e 7 8 8 7 烧结磁体的断口分析发现，穿晶断裂比例约为5 。l i u 等【3 0 ，3 1 1 认为磁体中富 n d 相塑性较主相好，但其强度远低于主相强度，提高磁体中富n d 相体积分数能改善其脆 性。 李安华等1 3 2 】在对烧结n d f e b 磁体的抗弯实验中发现，磁体抗弯断口的微观形貌具有 明显的各向异性，当取向方向沿抗弯试样的长度方向时，断口上有明显的穿晶解理断裂， 且该方向的抗弯强度值明显低于沿其它两个方向取向的试样。进一步的研究表明，一般情 况下烧结n d f e b 磁体的成分、工艺参数、磁性能以及所受应力状态不影响其微观断裂机制。 国防科学技术大学研究生院学位论文 作者对商业n 3 5 和n 4 2 两种牌号磁体进行了断裂韧性测试，并对断口进行了微观分析。 图1 4 ( a ) 与( b ) 分别为n 3 5 和n 4 2 磁体退磁状态下的三点弯曲断口形貌，由图中可见，两种 磁体都是以沿晶断裂为主，有少量穿晶断裂。 张瓦利等【3 3 】认为三叉晶界处，原始缺陷如细小孔穴和烧结时的氧化生成物优先在此区 域积聚，趋向于在拉伸应力下破坏。并将烧结n d f e b 永磁材料的断裂分为两个阶段：第一 阶段断裂机制类型主要为损伤模式，随着受损坏三叉晶界数量的增加，两晶粒晶界将相互 连接生成微裂纹；第二阶段断裂机制类型为微裂纹扩展模式，由于烧结n d f c b 永磁材料对 裂纹扩展抗力较低，对应力集中敏感，微裂纹快速长大直至临界尺寸而发生沿晶断裂。 ( a 料3 5 磁体 图1 4n 3 5 及n 4 2 磁体断口形貌 ( ”n 4 2 磁体 由此可见，烧结n d f e b 磁体的断裂方式主要为沿晶断裂，晶界为磁体的最薄弱环节。 对普通金属材料来说，晶界处的原子排列不规则性使它在常温下对金属材料的塑性变形会 起阻碍作用，在宏观上表现为晶界强度较晶内高，即引起晶间断裂的应力高于引起解理断 裂的应力。所以室温下材料的的晶界强度比晶粒强度高，其断裂一般为穿晶断裂。但当晶 界由于某种原因被弱化时，其断裂强度显著降低至低于晶粒强度时，则裂纹必然沿晶界扩 展，产生沿晶断裂。 由此可见烧结n d f e b 永磁材料是一种脆性材料，晶界是力学最薄弱点。 1 4 3 改善材料脆性的途径 传统的改善金属材料脆性的方法有合金化、细晶化、纯净化和通过形变热处理改善其 国防科学技术大学研究生院学位论文 组织。细化晶粒是材料强韧化的最有效途径之一，材料的显微组织越细小，其室温强度和 延性越高t 3 4 1 ；纯净化可以减低材料中夹杂物的含量，降低材料在加工和使用过程中由于应 力集中而发生断裂的几率：形变热处理可以直接改善材料的显微组织和相结构从而改善材 料的塑韧性【3 5 】。 除了以上一些传统的改善材料脆性的方法之外，还发展了很多对陶瓷等脆性材料的增 韧途径，主要包括用纤维和颗粒补强增韧0 6 j 7 1 、相变增韧、微裂纹增韧、晶粒或颗粒的超 细化和纳米化【3 8 】等。 对于金属间化合物，改善脆性的途径主要有合金化、晶粒细化、通过晶体结构转交提 高晶体对称性和显微组织控制等。例如，微合金化作用的最典型例证是在多晶n i 3 a l 中添 加微量b ，明显的消除了沿晶脆性断裂，大幅度提高室温塑性。这发现大大刺激和推动 了金属间化合物的研究。b 改善多晶n i 3 a l 脆性的一些主要解释有：( 1 ) b 原子在晶界偏 析形成额外的强共价键使晶界结合强度提高；( 2 ) 晶界处位错的激活和对滑移的容纳和调 解作用的改善；( 3 ) 晶界附近的无序化。b 与一些置换元素，如f e 、c r 、h f 和z r 等共加 也可明显改善n i 3 a l 的脆性，获得高强高塑合金f 3 9 】。 1 4 4 合金元素对烧结n d f e b 永磁材料力学性能的影响 目前在改善烧结n d f e b 磁体力学特性研究中采用的主要方法有改变磁体n d 含量和添 加合金元素等方法。n d f e b 磁体的元素添加，可以在铸造合金之前，作为原材料添加，即 熔炼合金化，也可以在制粉前添加，即晶界合金化。即使是同一种添加元素，不同阶段添 加，对磁体力学性能的影响和作用机理大多数情况下是不相同的。 l 。4 4 。l 改变磁体n d 含量 l i u 等【3 0 3 1 】认为磁体中富n d 相塑性较主相好，提高磁体中n d 含量可提高磁体的韧 性。他们在此基础上研究了磁体中n d 含量对磁体冲击断裂韧性的影响。 图1 5 是成分为n d x f e 9 4 - x b 6 磁体冲击断裂韧性和磁能积与n d 含量的关系。商用 n d l 6 f e 7 出6 磁体的冲击断裂韧性仅为1 2 8 5 8 1 0 4p a m ，而当n d 含量提高到2 2 时，其 冲击断裂韧性达到2 2 3 6 1 0 4 p a m 当n d 含量从1 5 提高到1 9 时，冲击断裂韧性值提 高了约8 0 ，并且从图1 5 可见对应的磁体磁性能下降不多。 国防科学技术大学研究生院学位论文 期 翮 糊 蝴 潮 脯 渤 柏 o 黼q 站鼬撼薹簸琢埘嗨艮h d 莰峨- 艇x 纽脯心5 辫黛 图1 5n d 。f e ，b 磁体断裂韧性和磁能积与n d 含量关系 对成分为n d l 8 f e 7 6 8 6 磁体的断口分析发现，断口有大量富n d 相沉淀。对于脆性材料， 富n d 的