第18卷第6期2008年12月 粉末冶金工业POWDER METALL URG Y INDUSTR Y Vol.18No.6Dec.2008收稿日期6作者简介岳晓岱(),女(汉),天津人,在读硕士,主要从事钕铁硼永磁体的高温防护研究工作。
烧结NdFeB 磁体的热浸镀铝工艺研究岳晓岱,郭志猛,罗 骥(北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083)摘 要:NdFeB 磁体是当今应用最为广泛的永磁材料之一,但对于烧结NdFeB 永磁体而言,当工作温度升高时,磁体中Nd 和Fe 的强化学活性极易引起磁体不同程度的变形和粉化,因此,烧结NdFeB 永磁体虽然具有极高的磁性能,却只能在100℃以下工作,这严重影响了它的应用和发展。
本文对比了当今各种提高NdFeB 永磁体抗氧化性方法,权衡其利弊,提出将热浸镀铝技术应用于烧结N dFeB 永磁体的防护。
实验证明,在烧结NdFeB 永磁体表面热浸镀铝,镀层与基体之间可形成良好的冶金结合,从本质上提高了镀层的结合强度;同时,铝镀层在氧化环境中不但能够起到阳极保护作用,还可形成钝化膜,从而实现对基体的双重保护。
关键词:热浸镀;NdFeB ;镀铝;抗氧化中图分类号:TG 1741443 文献标识码:A 文章编号:1006-6543(2008)06-0023-04HO T D IP AL UMIN UM COA TIN G FOR SIN TER ED NdFeB MA GNE TYUE X ia o 2da i,GU O Zhi 2meng ,L U O J i(Unive rsity of Science and Tec hnology Beijing ,School of Mate rial Scie nce and Technology ,Beijing 100083,China)Abstract :The N dFeB magnet is one of t he ma st i mportant magnet s at present kecause of it s superior magnet ic prope rty But due to t he chemical act ivit ry of Nd and Fe ,a ny operating t em 2perat ure a bove 100℃mill i nduce severe deformat ion ,o xi detion a nd p ulverization ,which seri 2ously rest rict sit s development.Thi s arti de anal yses t he advant ages and di sadvant ages of dif 2ferent present sol ut io ns for i mprovi ng t he o xi dation re si st ance of N dFeB magnet s ,a nd put s formard a met hod of hot dipping NdFeB magnet s mit h al umi num coat ing.Experiment resul t s i ndicate t hat a metall urgical bondi ng ca n be obsai ned bet ween t he al uminum coat ing and Nd 2FeB ba se ,which i mprove t he bo nding st rengt h e ssent iall y.Mea nwhile ,t he inactivat ion and a 2nodic protect ion of al uminum coati ng realize t he doubl e prot ection fo r t he N dFeB magnet ba se.K ey w ords :hot dip coati ng ;NdFeB ;al umi nium coati ng;o xi dation resist ance 自20世纪80年代问世以来,NdFeB 永磁体因其较高的综合磁性能、相对低廉的价格和充足的资源储备而迅速取代传统的Sm 2Co 系稀土永磁材料,在磁共振成像、电机、传感器、仪表等领域获得广泛应用[1]。
但对于烧结NdFeB 而言,磁体中的Nd 和Fe 具有非常强的化学活性,极易引起磁体不同程度的变形或粉化,甚至导致磁体磁性能的严重恶化和结构的失效[2],尤其是当工作温度升高时,N dFeB磁体虽然有创纪录的磁性能,却因为氧化速度加快而只能在100℃以下工作。
现阶段随着稀土永磁体:2008-0-21:1984-在汽车启动器电机、电动汽车驱动电机、计算机等方面应用的扩大,社会对高档磁体的需求也随之增大,这便对永磁体的抗高温氧化性提出了挑战。
因此,提高NdFeB磁体的抗氧化性,尤其是抗高温氧化性,便成了NdFeB永磁体的主要发展方向之一[3]。
现阶段,改善N dFeB磁体抗氧化性的方法有合金化和表面涂层法两种。
合金化法是向NdFeB磁体中添加微量元素可以改善磁体的耐腐蚀性能,山本[4]等指出在烧结N dFeB材料内加入Zr、V、N b、Ta、Mo、W、Al的一至二种(不超过2%原子比)取代Fe,可改善磁体的耐蚀性。
飞世和五十岚[5]亦认为在烧结磁体内加入N b、Ta、V、Ti、Al的一或二种,可使之在晶界上偏析,减少晶界上富稀土相,从而提高晶界的耐氧化腐蚀性能。
但是,添加合金元素对磁性能的影响却是巨大的。
Al、Nb、Mo、V、W、Zr、Ti等合金元素在晶界形成(M,Fe)3B2的化合物,会导致晶界相的反应活性减少,此外,由于这些非磁性相的形成,还大大减少了剩磁B r和磁能积(B H)max。
添加Co以后,晶界的富钕相部分转变为Nd3Co或Nd(Fe,Co)2相,使得磁体的矫顽力显著下降。
因此,如何设计合金成分,既可以使得磁体的磁特性不致有很多下降,同时又能提高它的抗氧化腐蚀能力是合金化法还无法解决的问题[6]。
N dFeB磁体的防腐蚀涂层主要有金属镀层和聚合物涂层两种。
金属镀层可采用电镀Ni,电镀Zn,化学镀Ni2P合金,离子镀Al,PVD镀Ti2N等;聚合物涂层的主要材料是树脂等有机高分子,如环氧树脂、聚丙烯酸脂、聚酰亚胺等。
这些涂层在常温下工作时已能达到很好的防护作用,但由于它们都是物理性质的附着,随着工作温度的升高,涂层的附着力都因受到温度的影响而导致其保护性能降低[5]。
为了克服合金化法因改变基体成分引起的对磁性能的影响以及表面涂层法结合力不高这两个关键性的问题,有人提出可将热浸镀工艺应用到NdFeB 磁体的防护[6],若热镀层与基体之间形成冶金结合,便可实现在不改变基体成分的同时从本质上提高镀层结合力的问题。
我国李顺等[7]尝试了在烧结Nd2 FeB磁体上热浸镀锌,实验证明,热浸镀锌可以实现基体与镀层的冶金结合,但由于锌镀层与基体膨胀系数的差异,镀层出现了大量的环状裂纹,严重影响了镀层质量。
鉴于以上原因,本文尝试在NdFeB磁体上热浸镀铝,铝的韧性远强于锌,应该可以减少膨胀系数差异带来的影响。
实验证明,将热浸镀铝工艺应用与NdFeB磁体的防护,可得到光洁完整的铝镀层;镀层与基体之间可形成良好的冶金结合,从本质上提高了镀层的结合强度;同时,铝镀层在起到阳极保护作用的同时,在氧化环境中还可形成钝化膜,实现了对基体的双重保护。
NdFeB永磁体热浸镀铝,克服了合金化法因改变基体成分引起的对磁性能的影响,以及表面涂层物理性结合结合力不高这两个关键性的问题,同时,在氧化环境中还可生成钝化膜形成双重保护,是一种很好的提高NdFeB永磁体高温抗氧化性的表面防护方法。
1 实验材料及方法111 镀铝材料及实验设备基体材料为<13mm×12mm的NdFeB永磁体,其化学成分(质量分数,%)为:32180Nd, 66105Fe,1115B,圆柱中轴线处用线切割切<115 mm的通孔,穿入铁丝,悬挂待镀;镀液采用硅含量为6%的铝硅合金;镀液的熔化采用自制井式电阻炉,盛铝容器为刚玉坩埚。
镀层观察在扫描电镜上进行;镀层组织组成相测定在日本理学公司的D/ max-240型X射线衍射仪上进行;抗氧化实验仍在自制井式电阻炉中进行,在200℃下持续保温150 h,定时取出,拭去表面粉化产物并称重,计算其质量变化,与未做处理试样对比,分析其抗氧化性。
112 镀铝工艺热浸镀采用水溶液助镀熔剂法,其具体操作工艺流程为:待镀件→碱洗脱脂除油→热水洗→酸洗除锈→水洗→助镀→干燥→热浸镀→空冷。
首先,将铝液熔化至730℃左右后保温;碱液组成为:氢氧化钠80g/L,碳酸钠50g/L,磷酸钠100g/L,硅酸钠24g/L。
碱液温度,80～90℃,碱洗时间,1min。
碱洗后用流动热水冲洗;酸洗液组成为:15%盐酸+适量乌洛托品,其中乌洛托品作为缓蚀剂防止盐酸对金属产生腐蚀,酸液温度为5～35℃,酸洗时间为。
酸洗后用流动常温水冲洗;助镀剂组成为K Z F6(L)+K(42粉末冶金工业 第18卷21mi n:2r80g/Cl80g/L)+Al F 3(10g/L )+Na F (1g/L),温度为90～95℃,助镀时间为1～2s ;助镀后迅速用吹风机吹干开始浸镀,浸镀时间为015～5mi n 每次均扒除表面熔渣后再放入或取出试样;空冷。
2 结果与讨论211 镀层结构分析图1为NdFeB 永磁体基体热浸镀铝5mi n 试样放大倍数为500倍的扫描电镜照片,从图中可以清楚地看出NdFeB 永磁体经热浸镀后表面存在三个区———基体层、合金层、最外层及其交界面,镀层均匀且与基体附着良好,基体与镀层的原子相互扩散,在两种金属界面形成合金层。
表1为图1中1-5号点的能谱分析结果。
图1 NdFeB 永磁体热浸镀铝电镜照片表1 经750℃×5min 热浸镀铝后NdFeB 磁体能谱分析结果(原子百分比,%)元素12345Al 0167556312877721606881145768415308Fe 88171063312267231857318126871513053Nd1016139314856315359012737011639 从表1中可以看出,从样品从表面到心部,Al 、Fe 和Nd 元素的含量是一个动态变化过程,Al 呈递减趋势,而Nd 和Fe 元素则呈递增趋势。
由此可见,在熔融铝和NdFeB 基体接触过程中,镀铝液中Al 原子和N dFeB 基体中的Nd 原子、Fe 原子之间存在一个动态的相互扩散过程,扩散的结果是在N dFeB 基体和被镀金属铝之间生成了合金层,形成了冶金结合。
