（材料加工工程专业论文）热变形钕铁硼永磁材料加工处理工艺对组织和磁性能的影响.pdf

内蒙古科技人学硕士学位论文 摘要 本文主要研究n d f e b 永磁材料热压变形的可行性及加工处理工艺对n d f e b 永磁材 料显微组织和磁性能的影响 分析了化学成分 铸锭组织 热变形量 热形变温度和热 处理对n d f e b 永磁材料显微组织和磁性能的影响 结果表明 n d f e b 永磁材料铸锭组 织为柱状晶 在热压时 随着热变形量的增加 n d f e b 永磁材料的晶粒变得细小 显微 组织得到改善 磁性能提高 获得n d f e b 永磁材料最佳磁性能的热形变温度与n d 含量 有关 随n d 含量的提高 热形变温度降低 通过热处理 使n d f e l 4 t 3 晶粒长大 主相 n d f e 4 1 3 体积百分数增加 n d f e b 永磁材料的磁陛能得到提高 关键词 n d f e b 永磁材料 铸锭组织 热变形 热处理 显微组织 磁性能 内蒙古科技大学硕士学位论文 e f f e c to fc u r e t e c h n i q u e o nm i c r o s t r u c t u r ea n d m a g n e t i cp r o p e r t i e so f h o t d e f o r m a t i o nn d f e b m a g n e t s a b s t r a c t 1 h s p a p e rs t u d i e dt h ep o s s i b i l i t yo fn d f 出m a g n e t sh o t d e f o r m a t i o nt r e a t r n e n ta n dt h e e f f e c to fc u r e t e c h n i q u e o i lm i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fn d f e bm a g n e t s c h e m i s t r yc o m p o n e n t i n g o ts t n l c t u r e h o t d e f o r m a t i o na n dh e a tl z e a t m e n te f f e c tm i c r o s t r u c t u r e a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fn d f e b m a g n e t s e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tf o rt h eh o t d e f o r m e d n d f e b m a g n e t sg r a i ns i z ed e c r e a s e s m i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e si m p r o v e sa sh o t d c f o m a a t i o ni n c r e a s e s h o t d e f o r m e dt e m p e r a t u r eo fo b t a i n e db e s t m a g n e t i cp r o p e r t i e s r e l a t e sc o n t e n to f n d h o t d e f o r m e dt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sa sc o n t e n to f n di n c r e a s e s a c r o s s h e a tt r e a t m e n t n d 2 f e l 4 bc r y s t a lg r a i ng r o w su p m a g n e t i c p r o p e r t i e so f n d f e b m a g n e t s i n e r e a s e sa sn d 2 f e l 4 1 3v o l u m ep e r c e n te n c h a n c e s k e yw o r d s n d f e bm a g n e t s i n g o ts t r u c t u r e h o t d e f o r m a t i o n h e a tt r e a t m e n t m l c r o s t r u c t u r e m a g n e t i cp r o p e r t i e s 2 一 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 同二l 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 i 熊望 日期 丝蔓 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 童些 墅 导师签名 鸯生 銎 日期 2 竺 6 2 内蒙占科技大学硕士学位论文 引言 永磁材料广泛应用于现代生活中 如家电 计算机 通讯 人体核磁共振成像仪等 领域 作为永磁材料 n d f e b 自1 9 8 3 年问世以来 一直成为生产与研究的热点 n d f e b 永磁材料优异的磁性能是其它永磁材料所望尘莫及的 具有很强的单轴各向异性 是钕铁硼永磁材料的重要特征之一 各向异性永磁材料的磁性能明显优于各向同性永磁 材料的磁性麓 制造各向异性永磁材料的方法有两种 一种是传统的粉末冶金法 另一 种是热变形法 热变形法包括 1 铸造一热变形法 2 粉末 致密化一热变形法 铸 遵热变形法具有工艺过程简单 成本低 过程氧化少 永磁材料氧含量较低的优点 但 n d f e 4 1 3 化合物的力学性能很差 在钕铁硼化合物为基体的永磁材料中 n d f e l 4 b 是 毫相 其体积分数约为8 5 9 7 n d f e l 4 1 3 金属问化合物具有复杂的晶体结构 滑移 系很少 因此力学性能很差 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 这就为热变形带来很大困难 本文研究了对n d f e b 永磁材料进行热压变形的可行 性 化学成分 铸锭组织以及热压变形过程中热压温度 热压变形量及热压变形后热处 理对磁眭能 晶粒尺寸及显微组织的影响 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 序言 永磁材料广泛应用于现代生活中 如家电 计算机 通讯 人体核磁共振成像仪等 领域 稀土永磁材料自二十世纪六十年代出现以来 已连续实现三次突破性的进展 各 类永磁材料能否有发展前途 主要决定于下列三个因素 1 磁性能的优劣 2 原材 料资源是否丰富 3 价格的高低 作为永磁材料磁性能优劣的主要判据是 1 磁化 强度m 要高 2 磁晶各向异性要大 3 居里点要高 前两条决定了该材料是否 有高的剩磁b r 高的磁能积 b h 和高的矫顽力乩 后者决定了它是否有好的稳定性 和较高的工作温度 二十世纪六十年代开发的第一代稀土永磁材料s m c o s 和七十年代开 发的第二代稀土永磁材料s m 2 c 0 1 7 都具有良好的永磁性能 其最大磁能积 均 分别达 到1 4 7 3 k j m 3 和2 3 8 8 k j m 3 但这些磁体都含有昂贵的金属钻和储量较少的稀土元素钐 原材料的供应和价格问题使其发展受到限制 1 作为稀土永磁材料 n d f e b 永磁材料自 1 9 8 3 年问世以来 一直成为生产与研究的热点 其优异的磁性能是其它永磁材料所望尘 莫及的 n d f e b 永磁材料具有如下特点 1 磁性能高 它是目前世界上发现的磁 生最 强的一种 其礅陛能比广泛应用的铁氧体高1 0 倍 比第1 代 第2 代稀土磁体 钐钴磁 体 高将近1 倍 2 价格属中下水平 用丰富廉价的铁取代紧缺而昂贵的钻制造永磁 材料 大大减少了对稀有金属钻的依赖 使大量制造和广泛应用稀土成为可能 3 力 学性能好 可进行切削和钻孔 4 居里点低 温度稳定性差 化学稳定性也欠佳 这 一点可通过调整化学成分和采取其它措施来改善 更重要的是它的磁能积很高 理论值 可达到5 2 8k j m 3 6 6m g o e 目前实验室样品已达4 4 4 k j m s 5 5 8m g o e 1 三代稀土永磁材料磁能积的理论值和现实能达到的值如表1 1 所示 总的说 来 n d f e b 是一种性能优异的永磁材料 很值得研究和开发 1 2n d f e b 永磁材料简介 1 2 1n d 2 f e l 4 1 3 化合物的晶体结构 n d2 f e l 1 3 化合物是n d f e b 永磁材料的主相 n d f e b 永磁材料的磁性能主要由主相 决定 n d 2 f e l 4 b 化合物的晶体结构和磁结构几乎同时由郝伯斯特 h e r b s t 等人 1 用中子衍 射 吉沃德 g i v o r d 等人 和休梅克 s h e o m a k e r 等人 用x 射线衍射方法独立确定 它 属于四角晶体 或简称四方相 n d 2 f e l 4 1 3 化合物的晶体结构如图1 1 所示 图1 1 所示的是n d 2 f e l 4 b 的一个单胞 它由四个n d 2 f e l 4 b 分子组成 在一个晶胞 一2 内蒙古科技人学硕士学位论文 f d c o f e 旬f e 0 i v a j 9o f e l k l o f 爿蛐0 b g 图1 1n d 2 f e l 4 b 化合物晶体单胞结构空间图 内有6 8 个原子 其中有8 个n d 原予 5 6 个f e 原子 4 个b 原子 整个晶体可看作是 富n d 和富b 以及富f e 原子层交替地组成的 而在n d 2 f e l 出中 n d 和b 原子仅分布 在z 0 和z 0 5 的两个结构层内 在第二 三 五和六结构层内都仅有f e 原子 1 类金 属b 等元素的添加对四方相r 2 f e l 4 b 的形成起了决定性的作用 h a d i j p a n a y i s 等人 研 究了n d x b y f e l 0 0 一合金系 x 1 5 1 6 y 4 1 0 中的四方相的形成规律 当x 1 5 或 1 6 y 0 时 即不含b 的n d f e 合金 则该合金由 f e 和n d 2 f e l 7 相组成 没有 n d z f e l 4 b 四方相 当b 原子分数增加到4 时 n d z f e l 7 相消失 开始出现n d 2 f 0 1 4 b 四方 相 当b 原子分数增加到7 时 n f e 消失 合金由n d 2 f e l 4 b 和富n d 相以及富b 相组 成 3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 12 2n d 2 f e l 4 b 化合物各向异性的起因 r 2 f e l n b 系化合物的各向异性是由r 亚点阵和f e 亚点阵所贡献的 两者分别由4 f 和3 d 电子轨道磁矩与品格场相互作用引起 当r 原子磁矩或轨道磁矩为零时 r 亚点 阵的各向异性对化合物的各向异性没有贡献 此时化合物的各向异性主要由f e 亚点阵各 向异性来决定 r 2 f e l 4 9 系化合物中的f e 亚点阵的各向异性比纯f e 的要大许多 r 有磁 矩的r f e b 和r c o b 化合物的磁晶各向异性主要是4 f 电子轨道磁矩与晶格场相互作用 引起的 在晶体中 稀土原子所在晶位处的晶格场是不对称的 这与该稀土原子所处的 局域环境有关 由于晶格场的不对称性 使4 f 电子云的形状发生不对称性变化 从而产 生各向异性 4 f 和3 d 电子存在很强的交换作用 因此在较宽的温度区间 4 f 和3 d 的各 向异性具有相同的方向 由于在晶体中 稀土离子 或原子 的4 f 电子云的形状不同 从而使描述各向异性方向的第二级s t e v e n s 系数nj 的符号也不同 aj 或正或负 对于轨 道角动量量子数l o 的r 2 f e l 4 b 化合物来说 nj o 时 r 亚点阵和f e 亚点阵引起易 磁化方向垂真于c 轴 而oj 6 0 0 下的应力 应变曲线上没有弹性形 变区 热变形n d f e b 永磁材料的磁性能与热变形速度 热变形温度 化学成分等多种因 素有关 变形抗力与变形速度和温度有关 随变形温度的升高 变形抗力减小 在8 0 0 以上进行热变形 有晶粒长大的倾向 热变形后将永磁材料进行适当的热处理 其磁性 能进一步提高 1 33n d f e b 永磁材料热形变过程中磁性能与显微结构的变化 董清飞 l 详细地研究了热压过程中p r f e b 系永磁材料磁性能与显微组织变化 所 用热压装置如图1 4 所示 它由保护套 模具 垫块 上压头与下压头 加热炉组成 保护套的作用是防止样品氧化并使其形变均匀 在热压时 如没有保护套 即相当于自 由压情况下 样品形变可分成三个区 如图1 5 所示 i 区是难形变区 它是由于压头 与样品之间的摩擦力造成的 区是剧烈形变区 i i 区是均匀形变区 只有给样品加上 保护套和在两端加上垫块时 方可保证热压样品的形变均匀性 图1 4 热压装置示意图 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 5 自由热压时圆柱样品不均匀形变示意图 1 p r f e b 系永磁材料经热压形变后 平行压力方向的磁性能显著提高 而垂直压力方 向的磁性能显著降低 经热压形变后永磁材料样品已变成各向异性的样品 随形变量的 提高 磁陛能几乎线性地提高 这是因为 随热形变量的增加 样品的c i l 和p r 的含 量降低 而f e 的含量升高 b 含量变化不大 b 的含量与p r2 f e l 4 1 3 的化学计量的b 含 量十分接近 b 主要是用于形成p r2 f e l 4 1 3 四方相 永磁材料磁化强度a 蟊与主相体积分 数依赖关系为m s 1 一b m t d d o 式中 b 是非铁磁性相的体积分数 1 一b 是主相体积分数 m t 是主相p r2 f e l 4 1 3 的饱和磁化强度 d d o 是相对密度 d o 为理 论密度 d 为热形变永磁材料密度 随热形变量的增加 永磁材料成分向主相p r f e 4 b 的成分靠近 其数据如表1 2 所示 这意味着富p r 相逐渐减少 主相的体积分数 增加 因此随热形变量的增加 永磁材料的磁化强度m 提高 永磁材料的c u 和p r 的 含量降低 这是园为 在7 0 0 8 0 09 c 进行形变时 永磁材料中的富p r c u 相己处于 液态 从样品中被挤出 并随形变量的增加 富p r c u 相被挤出量不断增加 这已为 实验观察所证实 化学分析和磁测量是将热压样品表面的富p r c u 相层切除后进行 的 随热形变量的增加 永磁材料的矫顽力h c 的提高与晶粒尺寸以及边界显微结构的改 善有关 晶粒尺寸降低是矫顽力 i c 提高的原因之 在相同的热压温度下 晶粒尺寸 随形变量的增加而减小 热压温度过高 会出现个别晶粒长大的现象 这是当热压形变 温度大于8 0 0 时 随形变温度提高 矫顽力风降低的主要原因之一 热压形变速度对 显微组织和磁性能也有重要影响 在相同的温度下进行热压 如形变速度慢 7 1 0 3 s 将出现部分晶粒反常长大的现象 说明在7 0 0 c 进行热形变 如形变速度过慢 在形变过程的同时 发生了再结晶和晶粒长大 热处理对热变形永磁材料的磁性能有重 要影响 内蒙古科技人学硕士学位论文 表1 2p r l 7 f e r n 5 8 5c u l 5 系永磁材料成分 原子分数 与热压形变量的关系 o h k i 等人 4 研究了热轧过程中的磁性能和显微组织 热轧时压力方向要与柱状树枝 晶生长方向垂直 热压形变时也如此 热压形变后的永磁材料己变成各向异性永磁材 料 在平行热压压力方向有最大的磁性能 也就是热压形变后 晶体c 轴已转向到与热 压压力平行的方向上 热变形永磁材料高n d 含量的作用在于在热加工形变温度下有较 多的富n d 液相 而富n d 液相是n d f e b 永磁材料能够进行热加工形变的重要因素 在 热加工塑陛形变过程中 富n d 液相被挤出 最终获得热变形永磁材料的富n d 相比四方 相的n d 含量高出2 3 左右 并使形变永磁材料在晶界处形成一薄层富n d 相 从而 保证永磁材料具有足够高的矫顽力比 此外 添加一些少量其它元素 如d y t b c u a g a u v t i z r s i h f 等 其目的基本上都是为了提高热变形永磁材料的矫 顽力h c 这里添加d y 和t b 的作用是使其进入四方相基体内 以提高四方相的各向异 性场h 1 添加其它元素的目的大部分是为改进富稀土相的成分号l 生质 如降低富稀 土晶界相的熔点 改进富稀土液相与n d z f e l 4 1 3 基体相之问浸润性以及提高永磁材料的热 形变能力 添加c i l 的效果是比较好的 1 c u 能显著地降低富n d 相的熔点 其次是 a 1 a u p b 等 有关实验已经证明 1 获得最佳磁性能的热形变温度与n d 含量有 关 随n d 含量的提高 获得最佳磁性能的热形变温度降低 例如当n d 的原子分数为 1 3 2 时 合适的热加工温度为7 4 0 7 6 0 c 当n d 的原子分数为1 4 8 时 获得最佳磁 性能的热加工温度降低到6 6 0 7 0 0 c 当形变量达6 0 时 永磁材料已变成各向异性的 永磁材料 n d 含量对热形变行为有重要影响 n d 含量越高 永磁材料的富n d 相体积 分数越高 富n d 晶界相在热形变过程中起润滑作用 有利于n d 2 f e l 4 b 晶粒转动和位 移 促进晶体取向和晶粒长大 13 4 热形变过程中n d f e b 永磁材料各向异性的形成机理 用于制造热变形永磁材料的铸态组织应是良好的树枝状柱晶 在铸态条件下 沿晶 体生k 方向 x 轴方向 和垂直晶体生长方向 y 或z 方向 的磁滞回线虽然有所不同 一8 内蒙古科技大学硕士学位论文 但从总体上说 它的各向异性甚弱 在y 轴 与z 轴等同 的剩磁b 9 2 目前只能达9 8 5 成分设计应尽可能接近主相的化学计量成分 并使n d 含量适当高一些 1 前两项可保证高的矫顽力h c 后三项可保证高的磁性能 根据以上成分设计原则设计了两组n d f e b 合金 设计成分如表2 1 所示 表2 1 实验材料的设计成分 w t 2 3 实验材料及制备 23 1 铸锭 将冶炼原材料工业纯铁 镝 铜 硼 钕准备好后放入真空中频感应炉中 抽真空 到1 0 2 p a 以上 再送电预热炉料 以排除炉料的吸附气体 有机物 油渍等 此时炉内 真空度下降 待真空度再一次达到1 0 3 p a 后 停止抽真空并充入高纯舡气 9 9 9 9 以 l 使炉内a r 气气压达到o 0 4 m p a 左右 然后大功率送电 使炉料迅速熔化 以减 1 2 内蒙古科技大学硕 学位论文 少金属元素的挥发 确保合金的设计成分 采用中频感应炉熔炼的目的是它的搅拌能力 较强 以保证成分均匀 熔炼后将合金液浇注到水冷铜模中冷却 浇注成两种锭型 材料编号i 的合金锭型 为 直径 b 2 8 0 r a m 高h 4 0 m m 重约2 0 k g 的圆饼状铸锭 材料编号i i 的合金锭型 为 厚约2 5 m m 重约1 8 k g 的板状铸锭 实验材料的化验成分如表2 2 所示 表2 2 实验材料的化验成分 w t 2 3 2 固溶处理 将冶炼的合金锭放入z k r y l 9 0 型真空热压炉中 抽真空 当真空度达到1 0 z p a 以 上时 加热到1 0 5 0 c 保温2 4 t l 然后随炉冷却到室温后出炉 其工艺曲线示意图如图2 1 所示 2 3 3 样品制备 将崮溶处理后的合金锭用钼丝切割机切成圆柱型试样 试样的轴线垂直于柱状晶生 长方向 表2 3 为试样的尺寸 一1 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 4 实验方案及方法 n d 2 f e l 4 b 永磁材料热变形实验主要从热压变形过程中热压温度 热压变形量和热压 变形后热处理工艺三个方面讨论其对晶粒尺寸 显微组织 磁性能的影响 2 4 1 实验方案的提出 2 4 1 1 热压变形 在n d 2 f e l 4 b 化合物为基体的永磁材料中 n d z f e 一b 是主相 其体积分数约为8 5 9 7 n d 2 f e l 4 b 金属问化合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 但在6 0 0 c 以上时 永磁材料迅速软化 弹性模量和硬度急剧下降 这就为n d f e b 系永磁材料的热形变提供了条件 当热形变温度在8 0 0 c 以上时 晶粒有长大倾向 矫 顽力r 会降低 根据以上原则设计了热形变温度与热形变量 热形变温度与热形变量 为 热形变温度7 0 0 和8 0 0 热形变量约是5 0 和7 0 2 4 1 2 热处理 热处理对热变形n d f e b 永磁材料的组织与磁性能有重要影响 热处理温度对 n d f e b 永磁材料的影响与n d f e b 永磁材料内部富n d 相的数量 形貌和分布有关 根据 周寿增等人透射电镜观察 n d 2 f e 4 b 永磁材料的晶粒边界分为四类 第一类是 n d z f e l 4 b 晶粒与非磁性相晶粒之问的边界 n d 2 f e l 4 b 晶粒直接与富n d 相晶粒接触 第 二类是n d z f e l 4 b 晶粒之间直接接触的边界 不存在晶界相 第三类是存在一层相对薄的 富n d 相薄层的n d 2 f e l 4 b 边界 第四类是n d 2 f e l 4 b 晶粒之间存在一层较厚的富n d 相的 边界 热处理前后晶粒内部和前两种类型的边界没有明显的变化 热处理后矫顽力乩的 提高直接与第三 四类边界结构的变化 特别是第四类边界结构的变化有关 热处理使 n d z f e l 4 b 晶粒外延层磁硬化 从而使矫顽力比提高 7 为考察热处理对n d f e b 永磁材 料的磁 生能的影响 制定了三种热处理工艺 三种热处理工艺为 1 低温热处理 2 高温热处理 1 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 高媪热处理 低温热处理 2 4 2 实验方法 2 4 2 1 热压变形 为使试样形变均匀 热压变形过程中 在试样外部及两端加保护套及垫片 将加有 保护套及垫片的试样放入z k r y l 9 0 型真空熟压炉中 加热到热压温度 保温一段时间 后对其进行热压变形 然后随炉冷至室温出炉 拟订的热压变形试样的热形变温度与热 形变量如表2 4 所示 表2 4 试样热形变温度 热形变量 2 4 2 2 热处理 用z k r y l 9 0 型真空热压炉对热压变形试样进行真空热处理 真空度应达到1 0 z p a 以上 采用三种热处理工艺对试样进行热处理 三种热处理工艺为 1 低温热处理 在5 0 0 温度下 保温2 h 炉冷至室温 2 高温热处理 在9 5 0 温度下 保温2 h 炉冷至室温 3 高温热处理 低温热处理 在9 5 0 温度下 保温2 h 炉冷至室温 再加热到 5 5 0 c 保温1 h 炉冷至室温 三种热处理工艺曲线示意图如图2 2 所示 2 5 实验结果的检测 2 5 1 磁性能的测定 用n l m 2 0 0 0 h 磁性材料检测系统对固溶处理后 热压变形后及热处理后的样品测 饱和磁化后的退磁曲线及进行磁性能的测定 检测的内容为 剩磁b r 磁感矫顽力h n 内禀矫顽力h c 污n 磁能积 b h 1 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 k 硷 b c 图2 2 三种热处理工艺示意图 a 5 0 0 保温2 h 炉冷至室温 b 9 5 0 保温2 h 炉冷至室温 c 9 5 0 c 保温2 h 炉冷至室温 再加热到5 5 0 c 保温1 h 炉冷至室温 2 5 2 组织观察及物相分析 用光学显微镜观察了铸锭组织 固溶处理后的金相组织及柱状晶生长方向 用光学 显微镜观察了热压变形后及最终热处理后的金相组织 晶粒度及富n d 相的分布情况 用k y k y 1 0 0 0 b 扫描电镜观察试样的微结构及进行能谱分析 用a p d 1 0 全自动x 射线 衍射仪进行物相分析 1 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 实验结果及分析 3 1 化学成分对热变形n d f e b 永磁材料组织 磁性能的影响 3 1 1n d f e b 永磁材料化学成分与结构的设计原则 n d f e b 永磁材料的磁性能主要由n d 2 f e l 4 b 基体相来决定 因为其饱和磁极化强度 j 和各向异性场h a 主要耿决于n d 2 f e l 毋相的化学成分 虽然剩磁b r 矫顽力心和磁能 积 b h 是组织敏感参量 但剩磁b r 的极限值是饱和磁极化强度j s 矫顽力r 的极 限值是各向异性场 k 磁能积 b h 的极限值是j 2 冉 因此n d f c b 永磁材料的化学 成分对磁性能有重要影响 n d f e b 永磁材料的化学成分应与n d z f e l 4 b 化合物分子式相 近 n d z f e l 4 b 化合物和本次实验用n d f e b 永磁材料的化学成分对比如表3 1 所示 表3 1 n d 2 f e l 4 b 化合物和本次实验用n d f e b 永磁材料的化学成分对比 w t 尽管n d z f e l 4 b 单晶体有很高的各向异性场h a 和很高的饱和磁极化强度j s 但在单 晶状态下 不论单晶体的尺寸大小如何 均不能成为永磁材料 很高的各向异性场h 一 和很高的饱和磁极化强度咒仅是成为永磁材料的必要条件 不是充分条件 以n d 2 f e t 4 b 化合物为基体的永磁材料的显微结构是保证它具有足够高矫顽力r 的充分条件 化学成 分对n d f e b 永磁材料的显微组织有重要影响 显微组织结构对n d f e b 永磁材料的矫顽 力战起着重要作用 理想的显微组织结构是 1 n d 2 f e l 4 b 晶粒被一层厚度约2 n m 的富n d 相薄层所包围 使晶粒与晶粒之间彼此孤立起来 它们之间不存在磁交换耦合 作用 2 n d z f e l 4 b 晶粒的化学成分与结构均匀一致 3 平均晶粒尺寸以4 5 t lm 为宜 晶粒尺寸越小 矫顽力k 越高 晶粒尺寸范围分布要窄 4 要求晶粒形状近 一1 7 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 似圆形 不存在尖锐的棱边与角以及凸出部位 5 每一个晶粒的c 轴沿磁场取向的方 向均匀致 主相n d 2 f e l 4 1 3 是n d f e b 永磁材料中唯一的铁磁性相 它的体积分数直接决定 n d f e b 永磁材料剩磁b r 和磁能积 b h 的高低 在满足n d f e b 永磁材料显微组织结 构的前提下 它的体积分数应尽可能的高 最好在9 5 以上 要满足上述条件 就存在 一个临界的净稀土含量 临界的净稀土含量应是形成n d 2 f e l 4 1 3 相所需的n d 含量 加上 保持n d 2 f e l 4 1 3 晶粒被富n d 相包围所需的最低n d 含量 前者需要为2 6 6 8 质量分 数 n d 后者需要1 3 2 质量分数 n d 因此临界的净n d 含量应为2 8 质量分 数 n d 这一临界的净n d 含量是保证n d f e b 永磁材料具有一定矫顽力r 所必须的最 低n d 含量 实验结果表明 若按n d z f e l 4 b 化合物成分配比 虽然可得到单相n d 2 f e l 4 1 3 化合 物 但其磁j 生能很低 只有实际永磁材料的n d 和b 的含量分别比n d 2 f e l 4 b 化合物的 n d 和b 的含量多时 才能获得较好的磁性能 假定按n d 2 6 6 8 x f e 7 2 3 2 v b 0 9 斜 配制永磁材料成分 当x 0 尸 时 永磁材料由单 相的n d 2 f e 4 b 化合物组成 当y o x 从零开始增加 或x 0 y 从零开始增加时 所增 加的n d 含量x 或所增加的b 含量y 要分别形成富n d 相和富b 相 n d f 出永磁材料 中的富n d 相和富b 相都是非铁磁性的 随富n d 相或富b 相数量的增加 n d f e b 永磁 材料中的唯一的铁磁性相主相n d 2 f e l 4 1 3 将减少 永磁材料的剩磁b r 和磁能积 b f i 要降低 说明n d f e b 永磁材料中的n d 和b 的含量太高太低都不好 根据以上化学成分与结构的设计原则 可以归纳为以下几点 1 主相n d 2 f e l 4 b 晶粒小于1 0um 最好4 5ur f l 2 唯一的铁磁性相主相n d 2 f e l 3 1 3 晶粒被非磁性 相 富n d 相 所包围 非磁性相的体积分数最低为2 o 每个n d 2 f e l 3 1 3 晶粒被一层约 2 r i m 的富n d 相所包围 3 主相的体积分数达9 5 以上 4 取向度 9 2 目前 只能达9 8 5 成分设计应尽可能接近主相的化学计量成分 并使n d 含量适当高 一些 从表3 1 中可以看出 材料编号i i i 的n d f e b 永磁材料中 n d 含量均高于 n d 2 f e l 3 1 3 化合物的n d 含量 f e 含量均低于n d 2 f e l3 0 3 化合物的f c 含量 材料编号i 的 b 含量低于n d 2 f e l 4 b 化合物的b 含量 材料编号i i 的b 含量高于n d 2 f e l 4 1 3 化合物的b 含量 材料编号i 的n d 含量为2 6 7 5 设计成分2 9 5 其n d 含量比形成 n d 2 f e 3 1 3 相所需的n d 含量2 6 6 8 只高出o 0 7 远低于临界净n d 含量的2 8 使得 主相n d 2 f e l 毋晶粒不能充分被富n d 相薄层完全包围 使主相n d f e l 4 b 晶粒之间可能产 一1 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 生直接接触 这些直接接触的n d 2 f e l 4 3 晶粒会有磁交换耦合作用 从而使矫顽力h c 降 低 3 1 2n d f e b 永磁材料组成元素及添加元素的作用 n d f e b 永磁材料的剩磁b r 和矫顽力风对元素n d 含量十分敏感 当元素n d 含量过 高时 由于形成过多的富n d 相或非磁性的n d 2 0 3 相 起着稀释作用 使n d f e b 永磁材 料中唯一的铁磁性相主相n d z f e l 4 1 3 的体积分数减小 导致剩磁b r 降低 如元素n d 含量 过低 剩磁b 也降低 这与富n d 相过少 有q f e 软磁性相有关湖 适当的元素n d 含 量可以提高n d f e b 永磁材料的矫顽力h 因为元素n d 含量适当时 就有足够的富n d 相沿晶粒边界分布 促进了n d f e b 永磁材料矫顽力心的提高 但当元素n d 含量过高 叫 富n d 相数量增加 共晶温度降低 促进了晶粒的长大 使得n d f e b 永磁材料矫顽 力h 降低 当n d 含量过低时 富n d 相数量减少 没有足够的富n d 相沿晶粒边界分 布 i q d 2 f e 1 3 晶粒直接接触 发生磁交换耦合作用 使得n d f e b 永磁材料的矫顽力也 降低 元素b 是促进n d 2 f e l 4 1 3 四方相形成的关键因素 当元素b 含量过高时 会形成过 多的富b 相 使n d f e b 永磁材料中唯一的铁磁性相主相n d 2 f e l 4 b 的体积分数减小 导 致n d f e b 永磁材料的剩磁b r 降低 当元素b 含量过低时 会减少n d 2 f e l 4 1 3 四方相的形 成 出现n d 2 f e l 7 它的剩磁b r 和矫顽力也都很低 使得n d f e b 永磁材料的剩磁b r 和 矫顽力h c 降低 金属n d 非常容易氧化 在室温 2 9 8 k 的条件下 它的氧化物标准生成自由能与 c a 和m g 相当 在制造n d f e b 永磁材料过程中 氧可以通过各个环节进入 与n d 原予 形成n d 2 0 3 或其它复合氧化物 在中等氧含量的n d f e b 永磁材料中 氧化物起到阻碍 晶粒长大作用 同时氧进入富n d 相后 使其h o p 结构转变为f 阮结构 f 结构液态富 n d 相与主相n d 2 f e j 3 固相晶粒的浸润角变小 增加它们之间浸润性 使富n d 相沿晶 界分布更加均匀 导致矫顽力也的提高 当n d f e b 永磁材料的n d 含量一定时 如果 o 含量过高 就可能使富n d 相减少 使富n d 相沿晶界不能均匀分布 使主相 n d 2 f e 4 1 3 晶粒之间可能产生直接接触 这些直接接触的n d 2 f e l 扭晶粒会有磁交换耦合作 用 从而导致矫顽力心的降低 张茂才等人嘲的研究结果表明 添加少量的元素a l 可显著地提高n d f e b 永磁材料 的矫顽力h 元素 的添加使n d f e b 永磁材料的矫顽力h c 提高 其原因不是元素越 使n d 2 f e 4 1 3 各向异性场h a 的提高 而是与晶粒边界显微结构的改善有关 显微组织观 察表明 元素甜的添加使永磁材料晶粒细化 同时使富n d 相和富b 相的块度变小 部 分元素砧进入富n d 相 使其h o p 结构转变为缸结构 改善了富n d 相与主相 一1 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 n d 2 f e l 4 b 固相晶粒的浸润角 增加它们之间浸润性 使富n d 相沿晶界分布更加均匀 从而使矫顽力h c 得到提高 添加元素d y 其目的基本上是为了提高n d f e b 永磁材料的矫顽力 i c 1 添加元素 d y 的作用是使其进入四方相基体内 元素d y 形成d y 帮e 1 4 b 它具有很高的各向异性场 h a 以提高四方相的各向异性场 i a 元素d y 使n d f e b 永磁材料的矫顽力h c 提高 的原因 方面是元素d y 进入四方相 提高了它的各向异性场h a 另一方面是元素 d y 的添加改善了永磁材料的显微结构 细化了晶粒 使得n d f e b 永磁材料的矫顽力r 提高 k i m 等人 1 发现 添加少量元素c i l 可使n d f e b 永磁材料的矫顽力r 显著提高 而剩磁b r 几乎不降低 从而使n d f e b 永磁材料的磁能积 b h 提高 添加元素c i l 能 降低富n d 相的熔点 改进液态富n d 相与n d z f e l 4 b 基体相晶粒之间浸润性以及提高 n d f e b 永磁材料的热形变能力 增加它们之间浸润性 使富n d 相沿晶界分布更加均 匀 从而使矫顽力心得到提高 有资料认为 通过能谱分析表明 元素c u 几乎不进入 n d 2 f e l 4 b 基体相内 主要在富n d 相内 为此 用k y k y 1 0 0 0 b 能谱仪分析了材料编号i i 固溶处理后及热压温度8 0 0 平均变形量5 5 7 9 5 0 热处理后的典型试样 其结果 如图3 1 所示 0 17 i i 1 f t 半业2 塑坠趟型芝型鱼 釜 0 1 2 g 7 3 w h a l i l i i m 一0 wj 且 i b 2 m mt m m3 k e y b 图3 1 典型含c u 富n d 相的能谱曲线 a 固溶处理后 b 热压温度8 0 0 c 平均变形量5 5 7 9 5 0 6 c 热处理后 虽然k y k y 1 0 0 0 b 能谱仪只能分析元素符号1 0 以上的化学元素 b 元素没能测量 但从图3 1 中可以看出 富n d 相由三种元素组成 即元素c u n d 和f e 富n d 相内有 元素c u 的存在 2 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 1 3 化学成分对组织 磁性能的影响 n d f e b 永磁材料由主相n d 2 f e l 4 b 和富n d 相两相组成 两相的多少取决于元素n d 的含量 元素n d 含量高时 富n d 相占的体积分数大一些 主相n d 2 f e 4 1 3 相占的体积 分数相对少一些 元素n d 含量低时 富n d 相占的体积分数相对少一些 主相 n d 2 f e l 4 1 3 相占的体积分数多一些 如果仅从化学成分这一方面来分析n d f e b 永磁材料的 磁性能 主相n d 2 f e l 4 t 3 相占的体积分数大一些 n d f e b 永磁材料的剩磁b r 可能高一 些 因为剩磁b r 是由主相n d 2 f e l 4 t 3 晶粒所占的体积分数的多少来决定的 由于主相 n d 2 f e l 4 b 相占的体积分数大 富n d 相就相对少 主相n d 2 f e l 4 b 晶粒就不能被富n d 相 薄层完全包围 使主相n d 2 f e l 4 1 3 晶粒之间可能产生直接接触 这些直接接触的n d z f e l 4 b 晶粒会有磁交换耦合作用 从而使n d f e b 永磁材料的矫顽力r 降低 但影响n d f e b 永 磁材料磁性能的因素很多 除化学成分这一点外 还有n d 含量 氧含量 取向度 主 相n d 2 f e l 4 b 相的体积分数和晶界显微结构等等多种因素对n d f e b 永磁材料的磁性能产 生影响 是这些因素综合作用的结果 材料编号i 和材料编号i i 的n d f e b 永磁材料在相同热压温度7 0 0 c 平均变形量几 乎相同 大约6 5 左右 热处理条件相同9 5 0 2 h 5 5 0 l h 两级热处理的条件 下 即仅考虑化学成分的影响因素 其退磁曲线如图3 2 所示 图3 2 不同化学成分的退磁曲线 a 材料编号i 平均变形量6 7 3 4 b 材料编号i i 平均变形量6 5 2 0 经n i m 一2 0 0 0 h 磁性材料检测系统检测 磁性能如表3 2 所示 根据表3 2 中的数 据 通过计算可得出 2 1 o 针 惦 s j 博 h 1 t 一 一 镅幺 内蒙古科技大学硕士学位论文 表3 2 热压温度7 0 0 c 9 5 0 cx2 h 5 5 0 c l h 两级热处理后不同化学成分的磁性能 在相同热压温度7 0 0 平均变形量几乎相同 大约6 5 左右 热处理条件相同 9 5 0 c 2 h 5 5 0 c l h 两级热处理的条件下 材料编号i 的n d f e b 永磁材料与材料编号 i i 的n d f e b 永磁材料相比较 磁性能变化为 剩磁b r 增长了1 7 1 磁感矫顽力h c b 降 低了5 8 2 内禀矫顽力 i c i 降低了6 0 1 磁能积 b h 刚氐了2 8 4 在其它条件 相同 只有化学成分不同的条件下 可以认为磁性能的差别主要是由化学成分的不同引 起的 材料编号i 的n d 含量为2 6 7 5 4 l 验成分 材料编号i i 的n d 含量为3 0 6 化验成分 材料编号i i 的n d 含量比材料编号i 的n d 含量高3 8 5 形成主相 n d 2 f e 4 1 3 晶粒所需的n d 含量为2 6 6 8 多出的n d 含量要形成富n d 相 由于材料编 号i i 的n d 含量比材料编号i 的n d 含量多 对于材料编号i 和材料编号i i 的n d f e b 永 磁材料来说 材料编号i i 的富n d 相要比材料编号i 的富n d 相多些 而材料编号i i 的主 相n d 2 f e l 4 1 3 相所占的体积分数要比材料编号i 的主相n d 2 f e t 4 1 3 相所占的体积分数少 些 仅从化学成分这单一方面来分析 主相n d 2 f e l 4 b 占的体积分数大一些 n d f e b 永磁 材料的剩磁b r 就可能高一些 因为剩磁b r 是由主相n d 2 f e l 4 1 3 晶粒所占的体积分数的多 少来决定的 由于主相n d 2 f e l 4 1 3 相所占的体积分数大 富n d 相就相对少 主相 n d 2 f e 4 1 3 晶粒就不能被富n d 相薄层完全包围 使主相n d z f e l 4 1 3 晶粒之间可能产生直接 接触 这些直接接触的n d 2 f e l 4 b 晶粒会有磁交换耦合作用 从而使矫顽力风降低 由 于材料编号i i 的n d 含量比材料编号i 的n d 含量多 材料编号i i 的富n d 相要比材料编 号i 的富n d 相多些 而材料编号i i 的主相n d 2 f e l 4 1 3 相所占的体积分数要比材料编号i 的主相n d 2 f e l 4 1 3 相所占的体积分数少些 因此材料编号i 的剩磁b r 要比材料编号i i 的 剩磁b 高 而材料编号i 的矫顽力r 要比材料编号i i 的矫顽力风低 3 2 熔炼与铸锭对热变形n d f e b 永磁材料组织 磁性能的影响 3 2 1 熔炼的影响 n d f e b 永磁材料的磁性能主要由n d 2 f e l 4 1 3 基体相来决定 因此原材料的选择是至 关重要的 在冶炼过程中 应认真进行原材料的筛选 除为了某种目的而有意添加p r 2 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 d v t b 外 其它r7 i 素是由n d 原材料带进去的 m 是f e 以外的其它金属元素或 非金属元素 它们是纯f e 或b f e 合金原材料带进去的 这些带进去的元素对n d f e b 永 磁材料的磁性能是有害的 因此它们的含量应尽可能的低 对于金属n d 应满足 c e r 9 9 5 e r e 9 9 8 对于f e 应保证其o s i m m 含量低 否则将 导致饱和磁极化强度j 降低 熔炼的目的是将纯金属料n d f e d y c u 等熔化 并确保合金液 清 准 均 净 清 就是将所有的金属料熔清 准 是确保合金的设计成分 做到 成分准确 而造成成分不准的原因是金属的挥发和氧化损失 为此应采用中频感应 炉熔炼 抽真空到1 0 印a 以上 再送电预热炉料 以排除炉料的吸附气体 有机 物 油渍等 此时炉内真空度下降 待真空度再一次达到1 0 3 p a 后 停止抽真空并 充入高纯m 气 9 9 9 9 以上 使炉内a r 气气压达到0 0 4 m p a 左右 然后大功率 送电 使炉料迅速熔化 以减少金属元素的挥发 确保合金的设计成分 均 是 指成分均匀 故采用中频感应炉熔炼 以确保成分均匀 净 是确保合金液干