烧结钕铁硼永磁高性能化的关键及途径

32 J Magn Mater Devices Vol 33 No 1综述与动态烧结钕铁硼永磁高性能化的关键及途径杨 眉，刘 颖，涂铭旌　（四川大学　金属材料系，四川成都 610065）　摘 要：从优化微观组织结构的角度，对制备高性能烧结NdFeB 磁体的途径和技术的进展进行了阐述，包括：降低稀土钕含量，优化合金成分，片铸工艺，氢爆及防氧化处理。

关键词：烧结Nd-Fe-B 永磁；高性能；片铸；氢爆；防氧化 中图分类号：TM273.014＋5 文献标识码： 文章编号：1001-3830(2002)01-0032-03The Approach to Optimizing Microstructure of SinteredNd-Fe-B Magnets With High PerformancesYANG Mei ，LIU Ying ，TU Ming-jingDepartment of Metal Materials ，Sichuan University ，Chengdu 610065，ChinaAbstract ：This paper describes the approaches to optimizing the microstructure of sintered Nd-Fe-B magnetswith high performances ，including reducing the content of Nd ，optimizing the composition of alloy ，the technology of strip casting ，hydrogen decrepitation and the treatment of antoxiding ．Key words ：sintered Nd-Fe-B magnet ；high performance ；strip casting ；hydrogen decrepitation ；antoxide-zation收稿日期：2001-09-061 前言烧结钕铁硼（NdFeB ）磁体具有高的剩磁、矫顽力和最大磁能积，自问世以来，在国防、家用电器、电子信息和汽车工业等领域获得了广泛的应用，特别是计算机、电子通讯等设备的普及和汽车用电机的高速发展，使其应用前景更加广阔。

目前，烧结钕铁硼磁体主要用于计算机硬盘驱动器音圈电机（VCM ）、电子和数据存贮领域使用的马达、汽车用电机、核磁共振成像仪（MRI ）、扬声器等。

现在烧结NdFeB 磁体的磁能积(BH )max 已由最早的240kJ/m 3(30MGOe)发展到了现在的432kJ/m 3(54MGOe)，达到了烧结NdFeB 材料理论磁能积的90％。

日本已能批量生产磁能积达400kJ/m 3(50MGOe)以上的高性能烧结NdFeB 磁体，而我国批量生产烧结NdFeB 的(BH )max 大多为264～304kJ/m 3(33～38MGOe)，仅有少量达320～360kJ/m 3(40～45MGOe)，均属于中低档产品，同国外相比还有相当大的差距。

为发展我国的NdFeB 稀土永磁产业，充分发挥我国稀土资源的优势，满足各工业领域对高性能烧结NdFeB 永磁的需要，必须对发展高性能烧结NdFeB 永磁的关键技术进行研究。

本文从微观组织结构优化的角度，比较系统地分析了烧结NdFeB 磁体实现高性能的关键途径与进展。

2 烧结NdFeB 永磁的磁性能与其相组成的关系目前烧结钕铁硼主要采用粉末冶金法（也称烧结法）进行生产，其主要过程如下：原材料→预处理→配料→熔炼→破碎→细磨→混料→压型→烧结→热处理→机加工→电镀→充磁→检验→包装→入库（NdFeB 产品）。

在此生产过程中，烧结钕铁硼永磁合金中至少同时存在以下四个不同的相： （1）基体相（主相）：Nd 2Fe 14B （ö相）。

它是在1200℃左右通过包晶反应形成的，是合金中唯一的磁性相。

钕铁硼磁体优异的磁性能主要归功于Nd 2Fe 14B 相的高饱和磁化强度（μ0M s =1.6T ）和各向异性场（7.3T ）。

（2）富钕相：(75%～85%)Nd-Fe余(质量分数)。

其熔点为650～700℃，是合金中最后凝固的，处于已经凝固的晶粒之间，是包覆基体相的薄层相。

富钕相虽然是非磁性相，但其存在却是必要的，因为磁体的矫顽力主要取决于它的数量和分布。

（3）富硼相：Nd1.1Fe4B4。

当合金中的硼含量高于Nd2Fe14B的正分成分时才形成。

富硼相对磁体的性能没有贡献，但是其数量极少，影响可以忽略不计。

（4）α-Fe。

其熔点为1520℃，是合金中熔点最高的相。

因此在凝固的过程中，它总是最先从液态合金中析出，而形成枝蔓晶。

α-Fe是软磁相，它的存在导致了主相的减少和富钕相的增加，即破坏了主相与富钕相的最佳配比，并损害了主相晶粒磁取向，同时，还使得在烧结过程中局部区域的晶粒过于长大，这些都导致磁性能的恶化；另外，α-Fe使材质韧性增高，给气流粉碎带来困难。

除上述相以外，还存在少量的稀土氧化物相，他们会损害磁性能。

因此，从相组成的角度，在保持一定的内禀矫顽力的前提下，提高NdFeB磁体磁性能的关键在于提高Nd2Fe14B主相在NdFeB磁体中所占的体积分数，同时保证其分布的均匀性和尽可能高的取向度。

3 化学组成优化与磁性能改进NdFeB磁体现料中的稀土Nd，除了在熔炼合金时耗损一小部分外，其余的Nd都进入磁体中，以下列三种方式存在：（1）形成Nd2Fe14B主相；（2）形成富Nd相；（3）形成Nd的氧化物。

由于NdFeB磁体的烧结过程是液相烧结，富Nd相在此过程中起液相烧结助剂的作用，这有利于提高磁体致密度，进而提高剩磁；同时，适量的富钕相分布在晶界，起磁去耦作用，能够提高合金的矫顽力。

因此NdFeB合金中应该含有比Nd2Fe14B正分成分多的Nd用来形成富Nd相。

根据Kort[1]的研究，当富Nd相在磁体中的分布非常理想的情况下，至少需要2％（体积分数）的富钕相。

但是，由于磁体的最大磁能积(BH)max和B r/M s随合金中稀土Nd 含量的增加而线性下降，因此，要使烧结NdFeB 磁体达到400kJ/m3(50MGOe)以上的高性能，必须将合金中过剩的稀土含量降低，即应尽可能接近Nd2Fe14B的正分成分，从而提高Nd2Fe14B主相的体积分数。

降低Nd含量来提高烧结NdFeB磁体(BH)max 的同时却要降低H ci。

为了获得足够高的矫顽力，可添加少量的其他元素，如Dy、Cu等。

用Dy部分取代Nd，一方面Dy原子进入了主相，提高了矫顽力，另一方面Dy的添加改善了合金的显微组织，细化晶粒。

但是，提高磁体矫顽力的合金化元素如Dy、Al等均使B r、(BH)max降低，因此在确保所要求的矫顽力的前提下，这些合金元素的加入量应保持在较低的水平。

添加Cu能够提高磁体矫顽力已经得到了共识，添加量必须合适。

最近一些研究表明，添加少量的Cu（0.1%～0.5%摩尔分数）对烧结(Nd,Dy)-Fe-B的磁性能是有利的，特别是与Co复合添加时更为有效。

成分为Nd16Fe76B8的铸锭，氢碎后，添加0.25%平均粒度在34μm的Cu粉，制成磁体，其矫顽力可以达到～1040kA/m，剩磁～1295mT，磁能积～340kJ/m3，但Cu粉添加过量，会引起密度降低，进而使矫顽力及剩磁降低。

4 铸锭组织优化与提高磁性能在保证合适的化学组成的前提下，获得优良的铸锭组织是制备高性能烧结NdFeB永磁的关键。

优良铸锭组织的特征是：柱状晶生长良好，其尺寸细小；富Nd相沿晶界均匀分布，但不得有大块的富Nd相；以及不存在α-Fe。

采用传统的熔炼浇铸工艺制备低钕的NdFeB 永磁合金铸锭，会遇到下述两个问题：（1）从Fe-Nd∶B=2∶1二元系相图[2]上可以看出：当Nd含量较低时,凝固时从溶液中首先析出的是Fe的枝蔓晶，当冷却到1200℃左右时才从溶液中通过包晶反应形成主相Nd2Fe14B，并且包围在Fe晶核周围，当Nd的质量分数低于33％时开始在铸锭中出现枝状的α-Fe，稀土含量越低，铸锭中的α-Fe越多。

（2）富Nd相在铸锭中分布很不均匀，进一步减少稀土含量会影响液相烧结，且降低磁体内禀矫顽力H ci。

因此，采用传统的浇铸工艺不能得到良好的铸锭组织。

Ma等人[3]的研究发现，在平板状铸块中，靠近冷凝模表面的是细小的Nd2Fe14B晶粒，中间部分是Nd2Fe14B柱状晶，而靠近自由表面是粗大的Nd2Fe14B晶粒，而且其中夹有α-Fe。

由此推测，减小平板铸块的厚度，可增加细晶粒和柱状晶的份额。

实验证明，当厚度从8.7mm减为4.4mm时，细晶粒和柱状晶从80％（10％＋70％）增加到95％（5％＋90％），从而大大地减少了α-Fe含量，用这种铸块制作的磁体的B r和(BH)max也得到较大磁性材料及器件2002年2月33的提高（分别为5％和10％）。

最新的研究表明[4]，采用与制备金属非晶薄带或快淬磁粉的熔淬工艺相类似的片铸工艺能够很好的实现铸锭组织的优化，即获得柱状晶结构的Nd2Fe14B相和富钕相的相间排列的组织，柱体晶对薄带自由表面成张开的60°～80°锥形生长，靠近冷却辊一侧，垂直于生长方向的晶粒的直径为5～25μm，靠近自由表面，其直径为25～60μm，并能有效地消除α-Fe。

片铸工艺抑制α-Fe产生的稀土Nd含量的下限从常规铸锭的33％（质量分数）或更高降低到了28.5%[5]。

5 氢爆（HD）与组织优化通过片铸工艺得到的速凝NdFeB合金薄片，富Nd相呈条片状均匀分布在NdFeB合金片中，富Nd相条片间距为5～8μm。

若采用传统的制粉工艺，得到的颗粒可能包含富Nd相，从而使这些富Nd相在烧结时不能起到液相烧结助熔剂和提高矫顽力的作用；另外，尽管晶粒尺寸达100μm，仍不可避免地会出现含晶界的多晶颗粒，影响磁体的取向度。

因此，必须配合使用氢爆制粉工艺[5]，即利用Nd2Fe14B主相和富Nd相吸氢后晶格的热膨胀以及二者膨胀率不同导致交界处产生应力，使合金优先沿着晶界特别是富Nd相／Nd2Fe14B解离而出现微裂纹，在接下来的气流磨过程中，很容易在有富Nd相的地方裂开，最终得到基本上包括一个Nd2Fe14B晶粒和少量富钕相的单个颗粒，才能实现烧结NdFeB永磁合金的组织优化和高性能化。

6 添加防氧化剂与提高磁性能氧是严重危害烧结NdFeB磁性能的元素之一，主要集中在富Nd相内，降低了烧结过程中富Nd相流动性，使其不能均匀地呈薄层状分布在主相晶粒周围，导致磁体的矫顽力降低。

因此，我们需要将磁体的氧含量控制到较低水平。