（材料学专业论文）高矫顽力2：17型smco永磁体热处理工艺研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 高矫顽力2 ：1 7 型s m c o 永磁体在高温永磁材料领域具有不可替代的用途。为 深入了解高矫顽力2 ：1 7 型s m c o 永磁体的热处理工艺与磁性能及微观结构的关 系，本文通过设计合金的成分，运用金相显微技术、扫描电镜分析、x 一射线衍射 分析、能谱分析等现代分析手段，开展了大量的实验工作及理论分析。 研究了烧结工艺对磁体的显微组织及磁性能的影响。实验结果表明：真空预 烧结的主要作用是使坯块的粉末颗粒表面吸附的气体充分排出；真空预烧结温度 在1 1 9 0 、时间为3 0 分钟效果最佳；氩气保护烧结后试样的气孔明显减少、密 度提高；烧结温度在1 2 l o 、时间为6 0 分钟的磁性能最好，剩磁曰r 为1 0 1 t ( 1 0 1 k g s ) 、内禀矫顽力日。超过1 6 5 5 7 k m ( 2 0 8 k o e ) 、最大磁能积( 删) 眦达 1 8 4 7 k j m 3 ( 2 3 2 m g o e ) ：固溶处理是使熔炼的两相完全互溶，形成过饱和固溶体， 为时效处理时形成胞状组织作准备；1 18 0 、固溶处理1 2 0 分钟合金的性能最佳。 研究了时效处理工艺对磁体的显微组织及磁性能的影响。实验结果表明：时 效处理对试样的密度和剩磁基本没有影响，对矫顽力和磁能积影响较大：在1 0 小时的一级等温时效中，8 0 0 对应的矫顽力和磁能积较高，从4 0 0 8 0 0 随温 度升高，矫顽力和磁能积逐渐增大，9 0 0 时出现过时效，矫顽力和磁能积急剧降 低；经8 3 0 一级等温时效。短时间内试样的胞状组织既可形成，但此时的矫顽 力和磁能积都还较低：当时效时间达到1 0 小时，矫顽力和磁能积都有较大提高； 经长时间( 3 0 小时) 时效后，胞状组织部分被破坏，矫顽力和磁能积急剧降低： 多级时效的级数越多，试样的矫顽力和磁能积越高；两级时效控温冷却的工艺与 多级时效具有相同的效果：两级时效的控温冷却速度越慢，试样磁性能越高。 最后在附录里总结出一种具有实用意义的热处理工艺，制出的试样磁性能达 到国际先进水平，室温剩磁肼为1 0 7 5 t ( 1 0 7 5 k g s ) 、内禀矫顽力日，超过 2 0 9 8 2 k 刖m ( 2 6 3 6 k o e ) 、矫顽力日d 为7 7 6 1 l a m ( 9 7 5 k g s ) 、弯曲点磁场，为 8 4 3 8 k a m ( 1 0 6 0 k o e ) 、最大磁能积( b 日l 达2 1 0 o k j m 3 ( 2 6 3 8 m g o e ) 。 关键词：s 啦( c o c l l f e z r ) 1 7 永磁体：烧结工艺：时效处理工艺：显微组织结构； 磁性能 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hc o e r c i v i t y2 ：l7t y p es m c op e r m a n e mm a g n e t sh a v cai r r e p l a c e a b l es t a t u ei n h i 曲t e m p e r a t u i 它m a g i l e t sf i e i d i no r d e rt oh a v eab e t t e rl l n d e r s t a n d i l l go nh e a t t r e a t m e mp r o c e s s 、m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r l 】c m r e ，t h ec o m p o n e n t so f1 1 i g h c o e r c i v i t y2 ：17t y p es m c op e r m a n e mm a g n e t sw e r ed e s i g n e d ，1 0 t so fe x p e r i i 工l e n t sa i l d 山e o r e t i ca n a l y s i sh a v eb e e nc a r r i e do u tb yu s eo fm o d e ma n a l y s i sm e a n si n c l u d i i 培 o p t i c a lm i c r o s c o p y 、s c a l l l l i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) 、x r a yd i 陪a c t i o na n a l y s i s ( ) a i l de n e r g yd i s p e r s “e 卸a l y s i s ( e d a ) t h ee 矗毫c t so fs 缸e r m gp r o c e s so n 血c r o s 【n l c t u r ea j l dm a g n e t i cp m p e n i e so f s m 2 ( c o c u f e z r ) 1 7m a g n e t sh a db e e n m v e s 七追a t e d t h cr e s u l t so fe x p e r 蛐e m ss h o w e d t h a tt h e g a sa b s o r b e do nt h es u r f a c eo fp o w d e rf a i n sh a sb e e ng a v eo u td u r i n g p r e s n e r i n gmv a c u u m t h eb e s tp r o p e r t i e so 九h em t e r i a lp r e s i n t e r e da t 1 19 0 f o r 3 0m i n u t e sh a sb e e no b t a i l l e d t h ep o r eo ft h es a 工1 1 p l e sd e c r e a s e do b “o u s l y a n dt h c d e n s “ya i l d 证c r e a s e da n e rs i n t e r e d 血a na r g o na m l o s p h e r e m a g n e t ss i n t e r e da t1 2 1 0 f o r6 01 1 1 i n m e sh a dt h eb e s tm g n e t i cp r o p e r t i e s ，t h eb ，o f1 0 1 t ( 1 0 1 k g s ) ，h 。o f 1 6 5 5 7 k m ( 2 0 8 k o e ) a d 怛日) 一o f1 8 4 7 1 c j m j ( 2 3 2 m g o e ) n l e a i mo fs 0 1 i d s o l u t i o nt r e a t m e mw a st oc o s o l u t et h em e h e dt w op h a s e sc o m p l e t e l y ，a n df o m e x c e s s i v es a t u r a t e ds o l i ds o l u t i o n ，t l l e np r 印a r ef o rf o m i i l gc e l l u i a r l i c r o s t m c t u r ea t a g i l l gt r e a t m e m ，t h em a g n e t sh a dt h eb e s 【p r o p e n i e ss 0 1 i ds 0 1 u t i o nt r e a t e da t1 18 0 f o r1 2 0m m u t e s t h ee 行毫c t so fa g 访gp r o c e s so n 血c r o s t n l c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f s m 2 ( c o c u f e 锄1 7 盥g n e t sh a db e e ns c u d j e d t h er e s u n so ft h ee x p e r i m c n t ss h o w e d t h a ta g i n gt r e a t m e n t sh a dn o 砌u e n c eo ns a m p l e sd e n s i t ya n dr e r 咖e n c e ，b u th a d g r e a th l f l u e n c eo n 曲i n s i cc o e r c i v i t ya n dm a g n e t i ce e r g yp r o d u c t s a t 1oh o u r s o n e s t e p i s o t h c n n a la g i n gt r e a t m e 此t h ei n 打i n s i cc o e r c i v i t ya n dm g n e t i ce n e r g y p r o d u c t sw e r et h eh i g h e s ta t8 0 0 a i l de 妇e d 稍m t h ei n c r e a 咖go f t e m p e r 栅e b e t 、v e e n4 0 0 a n d8 0 0 ，t h e no v e r a g i n gt o o kp l a c ea t9 0 0 w 1 1 i c hc a u s 啦t h e d e c r e a s m go fi n t r i i l s i cc o e r c i v i t y a n d m a g n e t i ce n e r g yp r o d u c t s t h ec e l l u l a r m i c r o s t m c t u r ec o u l db ef o m e di ns h o nt i n l ed u 血go 丑e s t e pi s o t h e r m a la g i n ga t 也e t e m p e r a f u r eo f8 3 0 ，b u ti i l d s i cc o e r c i v i t y 趾dm a g n e t i ce n e r g yp r o d u c t sw e r e1 0 、；l ，_ a st h ea g i n gt i m e sr e a 池g1 0h o u r s ，i d 士r m s i cc o e r c i v i t ya 1 1 dm a g n e t i ce n e r g y p r o d u c t s m c r c a s e dg r e a t l 矿t h ec e u l l l a rm i c r o 咖t i l r ew a sd e c o m p o s e di np a r t ，a n e r 中南大学硕士学位论文 1 0 n gt i m e ( 3 0k n | r s ) a g i n g ，b o 也o ft h ei 缸n s i cc o e f c i v j ! t y 蚰dm a g n e t i c 蜘e r g y p r o d u c t sd e c r e a s e dg r e a t l y t h em o r et h es t 印so fm u 王t i p l e - s t e p sa g i n g ，t h el l i g h e rt h e i n 订i n s i cc o e r c i 诎y 卸dm a g n e t i ce n c 曙yp m d l l c t s t h ep r o c e s so ft e m p e r a t l e c 0 蛐u e dc o o m gm o s t 印sa g i n gh a dt b es 啪ce 位斌私础l t j p l e s t e p sa g i n g t h e s l o w 盯也er a t eo f t 既叩e 船t u c o n t r o l l dc o o n n g ，吐屺h i g b 盯t b em g 啦t i cp r o p e r t i e s a tl a s t ，ak mo f a p p l i c a b l ep r 0 s so fh e a 士仃c 曲丑c m 、v 鼬o b t a i d t h e 删培n e t i c p r o p e n i e so ft h es a i p ka p p r 0 8 c h e dt ot b ci t 咖m i o 舱la d v 眦e di e v e i ，上妒 o f 1 0 7 5 t ( 1 0 7 5 k g s ) ，日。o f 2 0 9 8 2 k a m ( 2 6 3 6 k o e ) ，日二o f7 7 6 1 k a m ( 9 7 5 k o e ) ， 日o f 8 4 3 8 k 尉缸( 1 0 6 0 k o e ) a n d ( 8 日) 一o f 2 l o k j 旭5 ( 2 6 3 8 m g o e ) k e y 、帅r d s ：s m 2 ( c o c l l f e z r ) 1 7 础唔n e t s ；s i n t e r i n gp r o c e s s ；a g i l l gp m c e s s ； 1 1 1 i c r o s t m c t t l r e ；m a 乎蛇t i cp r o p c ! n i e s 中南大学硕士学位论文前言 前言 永磁材料是一种重要的功能材料，它具有能爨和信息的储存与转换功能。从 2 0 世纪7 0 年代以来，全世界永磁材料的产量每举平均以1 0 1 5 的增长率递增， 其发展速度远远高于钢铁书| 料；从目前国内外电子与信息产业的发臌趋势来看， 隶磁专耋糕的增长速度还会趣捩。疆永磁榜籽楚2 0 篷纪6 0 年代以装发展超来懿 瑟垄功麓槠辩，它是由稀主套耩与3 d 过渡族金耩形成豹金孺闯稼合钧为基俸豹永 磁材料；其已在微波通信技术、音像技术、电机工程、仪表技术、计算技术、自 动化技术、交通运输、石油化工、磁化技术、磁分离技术、生物工穰及磁医疗与 健身器械簿领域得到广泛的成用。稀土永磁材料已成为当代新技术的重要物质基 砬。 褥主采磁秘辩发曩卡分j 嚣速。6 0 年我整襞了第一筏耩表磁( 1 ：5 鍪钐链瘩 磁) ：7 0 年代出现了第= 代稀永磁( 2 ：1 7 鹫钐- 钴永磁) ；8 0 年代韧又发展了第 三代稀士永磁( 钕铁硼永磁材料) 。自1 9 7 5 年以来，西方国家稀土永磁材料产 量平均舔年以1 0 2 0 台勺漶腹增长。我国的稀士资源十分丰富，储量占世界的 8 0 ，为我国稀土永磁发展提供了丰富的物质籀础。近二十年来，我国稀土永磁 毒孝辩敬戳戮、生产与应用 譬到了迅速懿发展。1 9 粥年我重耱永磁惑产量2 3 5 嚏， 至l2 e 冬产量增至6 9 | 6 0 魏，年增长率这3 0 ，销售额超遘3 亿美元，终占整舞 总量的3 9 。 第二代稀土永磁( 2 ：1 7 型钐钴永磁) 是1 9 7 2 年问世的。其最初的材料s m 2 c o ” 磁体虽为易c 轴，但其磁晶秭向异性场h 。仅为7 9 6 0 k 刖m ( 1 0 0 k o e ) ，比s m c o s 和n d f e b 低褥多，因丽此誊孝料驰矫顽力偏低，很难成为实用永磁体。为了改善 s 毽2 c o l 7 磁侮懿毪戆，提菘皴舔戆矮矮力，磁撼专袈秘逶遘在s 魏o | ，磁体孛添麴 f e 、c l l 、z r 等元素部分取代c o 。1 9 7 7 年，j 、岛( o 汹强) 等入焉耪末冶金法研制出 最大磁能糨为2 3 8 8 o k j ，m 3 ( 3 0 m g o c ) 的s i n ( c o ，e u f e ，z r ) 7 2 永磁体，从而把2 ：1 7 型 钐钻永磁材料推向商品化，弗于1 9 8 2 年出现火规模的生产。尽管2 ：1 7 型钐钴永 磁材料磁性能优异，但其主黉成分是储量稀少的稀士金属钐( s m ) 鞠稀缺、昂贵 的战略众鼹镀( e o ) ，嚣她，玄匏发曩受到了缀大隈制。 逸冬来，在莺茨窝军王上提出了工棒予4 0 0 5 0 0 豹毫漫永磁毒季辩。矗l n i c o 永磁材料掇然能满足这一漱度的要求，最高使用温度可达5 2 0 ，但其磁性能太 低，显然应用受到极大的限制。2 ：1 7 型钐钴永磁材料由于具有优异的磁性能、高 的居里漱度( 高于8 2 0 ) 和强的耐腐蚀性等优点而成为高温永磁臌用的首选材 料。然瓒，现已实用化的2 ：1 7 型钐链褥土永磁材料的内禀矫顽力均黢温度的 中南太学硕士学位论文刖舌 升高而显著下降，即具有较高的负温度系数( 卢约o 3 ) ，很难满足高温条件 下的要求。高温永磁材料要求具有低的温度系数和高的内禀矫顽力。要达到这一 要求，一是通过添加一些重稀土金属元素( 如h o 、e r 、d y 、g d 等) 作温度补偿 可改善材料的高温稳定性，但是，这些合金元素的添加使材料的饱和磁化强度降 低，从而降低了材料的最大磁能积：二是大幅度地增加内禀矫顽力。矫顽力的大 小反映永磁材料抗退磁的能力。可以说，矫顽力对于永磁材料就象强韧性和疲劳 强度对于结构材料那样重要。 一般情况下，当一个磁性相确定以后，主要由这种相所组成的磁性合金的矫 顽力就是由合金的显微组织决定的，而组织形态主要由热处理( 包括烧结和时效 处理) 控制。因此，需要在认清矫顽力机理的基础上制订出合理的热处理工艺， 这样才能制得出高矫顽力2 ：1 7 型钐钴永磁材料。据此有必要对2 ：1 7 型钐钴永磁 材料的矫顽力机理及其热处理工艺进行全面深入的研究，以求得理论的突破和工 艺的完善。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 12 ：1 7 型s m c o 永磁材料的发展概况 1 1 1 稀土永磁的分类 在2 0 世纪6 0 年代，永磁材料中产生了一种新型的永磁体即稀土永磁材料， 其性能明显优于以往用的永磁材料【l 】。到目前为止，经过磁材专家们的几十年的 共同努力，现已形成了具有规模生产和实用价值的三代稀土永磁。第一代稀土永 磁是l ：5 型s m c o 合金：第二代稀土永磁是2 ：1 7 型s m c o 合金。这两类磁体均含 有较多的战略紧张物资一金属钴和资源非常稀少的金属钐，因此它们的原材料成 本昂贵。第三代稀土永磁是以n d f e b 合金为代表的铁基稀土永磁。其磁能积和剩 余磁化强度明显高于前二者，被称为“磁王”。但其居里温度较低，温度稳定性及 抗氧化性、耐腐蚀性都不如前二者。三代稀土永磁材料性能对比见表1 1 【2 捌。当 前许多专家正在努力寻找可取代n d f e b 合金的第四代稀土永磁，但令人遗憾的是 至今还没有发现磁性能超过n d f e b 合金的实用永磁体。 表1 1 实用稀土永磁材料的性能表 永磁体 曰r h ：bh ：j( 阴) 蕊 口( b r ) 卢( 地) 居里温密度机械耐腐 类型 ( d( k m )( 1 ( a ，m )( k j ，m ( 吲)( w ) 度( ) ( 3 ) 强度蚀性 s m c 0 50 8 5 6 3 7 1 4 3 2 1 2 7 1 7 50 0 5 0 2 77 柏 8 3中 由 0 9 57 1 6 s m 2 c o l 7 1 0 5 5 7 4 7 7 1 8 3 2 3 90 0 3一o 2 l8 2 0 8 4差好 1 1 47 1 61 6 7 19 2 6 n d f e b1 0 5 7 9 6 9 5 5 1 9 9 2 8 60 1 2一o 6 03 1 27 4 好差 1 2 59 1 5】9 8 9 1 1 22 ：1 7 型s m c o 永磁材料的发展 从表1 1 中可看出，2 ：1 7 型s m c o 永磁材料具有较高的磁性能和居里温度、 较强的抗氧化性及耐腐蚀性、较好的温度稳定性，在一些特殊工作环境下( 如高 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 温、易氧化、易腐蚀) 具有其它磁体不可替代的作用。因此2 ：1 7 型s m c o 永磁体 自问世以来，一直受到人们的广泛关注。 2 ：1 7 型s m c o 永磁材料中最先出现的是s m 2 c o l 7 永磁体，它具有高饱和磁化 强度m ，( 1 2 d 、高单轴磁晶各向异性型( 易c 轴) 和高的居里温度( 9 2 6 ) ，是 一种潜在的理想永磁材料p 】。但其磁晶各向异性场日仅为7 9 6 0 k m ( 1 0 0 k o e ) ， 矫顽力还是偏低，很难成为实用磁体【4 】。为改善s m 2 c 0 1 7 永磁体的磁性能，特别 是提高矫顽力，人们从两方面开展了2 ：1 7 型s m c o 永磁体的研究。一方面是在三 元的s m 2 ( c 0 1 i f 硝，7 合金系的基础上，通过添加其它元素而发展高性能的永磁材 料，例如h n a g e l 等人【5 i 通过添加少量过渡族金属元素( 例如z r 、m n 、c r 等) 而 得到两种高性能2 ：1 7 型永磁体。他们制得的s m 2 ( c o o8 f o o0 5 m 1 1 01 5 ) 1 7 合金的磁性能 为所= 1 1 3 t ( 1 1 3 k g s ) ，h 。= 1 0 6 6 6 l 出m ( 1 3 4 k o e ) ，( b h ) = 2 2 2 ，8 k j ，1 丑j ( 2 8 0 m 0 0 c ) ：而成分为s m 2 ( c o o 序e o0 9 c r 00 2 ) 1 7 合金的磁性能为西= 1 1 0 t ( 1 1 o k g s ) ， 日。= 5 7 9 k m ( 7 5 k o e ) ，明) 眦_ 2 3 8 8 k j m 3 ( 3 0 o m g o e ) 。但是，这两种永磁合金 都是单相的，其矫顽力由反磁化畴的形核与长大的临界场来决定。它们的温度稳 定性较差，磁感的可逆温度系数较高，口约为o 0 4 一0 0 5 吲，皿。的温度系数 也比较大。此外制造工艺不易掌握，重复性也较差，因此这两种永磁合金没有在 工业上得到应用。另一方面是在s n l - c o c u 三元沉淀硬化材料系的基础上发展2 ：1 7 型稀土钴永磁材料，其共有三个系列【3 】，即：( 1 ) s m - c o c u 系；( 2 ) s m c o c u - f e 系：( 3 ) s m - c o c u f e m 系( m = z r ，t i 且州i 等) 。其中s 肚c o c u f e m 系应用最 广，目前国内外商用2 ：1 7 型稀土钴永磁材料几乎都是s m 2 ( c o c u f e m ) 型合金。 1 1 3 s m 2 ( c o c u f e z r ) 1 7 型合金种类与性能 s m 2 ( c o c l l f e z r ) 1 7 型合金是2 ：1 7 型s m c o 永磁材料中磁性能最好的一种磁体， 人们对其研究的最多。通常情况下按矫顽力的大小，可将s m 2 ( c o c u f e z r ) l ，型合 金分为三类【6 】。第一类是低矫顽力2 ：1 7 型合金。它具有较高的磁能积，它的磁性 能范围为西= 0 9 1 19 t ( 9 o 1 1 9 k g s ) ，日。 ；4 9 3 5 6 3 6 8 k m ( 6 2 8 0 k o e ) ， 日。，2 5 2 5 3 6 3 6 8 k 刖m ( 6 6 8 o k o e ) ，( 明) 2 1 7 5 1 2 5 1 5 k j m ( 2 2 o 3 1 6 m g o e ) 。退磁曲线的方形度好。第二类是高矫顽力2 ：1 7 型合金。其内禀矫顽力介 于7 9 6 1 5 9 2 k a ，m ( 1 0 o 2 0 o k o e ) 间，磁性能为：西= o 9 1 0 t ( 9 o l o o k g s ) ， h 。= 6 3 6 8 7 1 6 牝v m ( 8 o 9 0 k o e ) ，h 。= 7 9 6 1 5 9 2 k h ( 1 0 2 0 k o e ) ， ( 明) 瞰= 1 9 9 0 2 2 2 8 8 k j ，l 一( 2 5 2 8 m g o e ) 。第三类是超高矫顽力合金。其矫顽 力高达1 9 9 0 2 3 8 8 k m ( 2 5 3 0 k o e ) ，其磁性能为：西= o 9 5 1 0 6 t ( 9 5 1 0 6 k g s ) ，日曲= 7 1 6 4 7 9 6 j o 劬卫( 9 o 1 0 o k o e ) ，【明土嘲= 1 9 9 0 2 2 2 8 8 k j m ( 2 5 2 8 m g o e ) 。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 s m 2 ( c o c l | f e z 订1 7 型合金的居里点约8 2 0 8 7 0 ，比s m c 0 5 的( 瓦- 7 4 0 ) 高， 它的磁感温度系数低，口约一o 0 3 ，矫顽力温度系数口约为o 3 争v ，优于 s m c 0 5 永磁体，可在一5 0 3 5 0 范围工作。在实验室中，jfl i u 等人r 7 】研究出了 在5 0 0 温度下其日。为1 0k o e 的高温用s m 2 ( c o c l l f e z r ) 1 7 永磁体，是目前制得的 具有最好高温使用性能的2 ：1 7 型s m c 0 永磁体。此外，s m 2 ( c o c l l f e 盈) 1 7 型合金 中的s m 和c o 含量比s m c 0 5 的低，降低了战略紧张金属c o 和资源非常稀少的 s m 。但它的缺点是制造工艺较复杂，工艺费用较高。总的来说，s m 2 ( c o q l f e z r ) 1 7 型合金是一种优异的永磁体，己在尖端技术、军事工业、民用产业等领域得到广 泛应用。特别是其在高温领域的应用是其它永磁材料所不可替代的。 1 22 ：1 7 型s m c o 永磁材料的制造工艺 2 ：1 7 型s m c o 永磁材料的制造方法有粉末冶金法( 烧结法) 、还原扩散( r 仍) 法、粘结法、快粹法、机械合金化法和铸造热加工等阻9 1 。在这些制造工艺中粉末 冶金法制得的2 ：1 7 型s m c o 永磁材料具有较好的磁性能。下面将详细地介绍粉末 冶金( 烧结) 法制造2 ：1 7 型s m c o 永磁材料的工艺。 用粉末冶金法制造2 ：1 7 型s l c o 永磁材料的工艺流程如下【1 0 ，1 1 】： 匦至圈一匿显p 圆一匦垂囤 一陲訇垭至殛圄一医 回 图1 1 粉末冶金法制造2 ：1 7 型s m c o 永磁材料的工艺流程图 这里烧结和时效处理合称为热处理。 1 2 1 原材料准备 制造s n l 2 ( c o q l f e z r ) 1 7 型合金所需的原材料成分及纯度如表1 2 所示： 表卜2 合金成分及原料纯度表( 重量百分数札x ) 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 原材料应妥善保管，防止氧化，防油、气和水等的污染。若已氧化，熔炼前， 需清除氧化物。为达到合金所需成份，配料时需考虑到熔炼中有3 4 、v t 的s m 损 失和o 5 l 叭的c u 烧损。称料应准确无误。 1 2 2 熔炼 在熔炼s m 2 ( c o c l l f e 厅) 1 7 型合金时，总的要求是成分准确、均匀和干净。由 于s m 较活泼，容易氧化，熔炼需要在真空下进行。可用真空电弧炉熔炼。用纯 度大于9 5 训的a 1 2 0 3 做坩埚。装料后先抽真空至1 3 3 3 1 0 4 1 0 4 p “1 0 4 1 0 4 毫米汞柱高) 。达到所要求的真空度后，开始送电，先用小功率预热，以便让原材 料吸附的水份或其它气体排除。预热一定时间后，充入3 9 9 3 5 3 3 2 1 0 2 p a ( 3 0 0 4 0 0 毫米汞柱高) 的氩气。接着进行大功率熔化。熔清后静定一定时间。浇铸温度 一般不超过熔点的2 0 0 。s m 2 ( c o c l l f e z r ) 1 7 型合金熔点在1 2 2 0 1 3 5 0 h j 。 熔化后的合金用水冷铜模浇铸，以便使合金液迅速凝固，以防止偏析，造成 大面积的成分不均匀。 1 2 3 制粉 粉末的制取方法大致可区分为机械法和物理化学法两种【1 五“】。 s m 2 ( c o c u f e 丘) 。，型合金粉的制备通常采用的是机械破碎法，即将大块的熔锭破碎 成一定尺寸的粉末体。其包括粗破碎与磨粉两个工艺过程。 研究发现大块样品比粉末状样品要稳定得多。也就是说大块样品被破碎成小 块或细小的粉末时，由于粉末体的表面积增大而导致粉末体的表面活性增强，即 其热稳定性要下降f l 副。所以在破碎的过程中应有保护介质，以防止表面吸附水气 而氧化。破碎时所用的介质可以是汽油，甲苯，石油醚，或其它有机液体或惰性 气体，如n 2 气、a r 气等。破碎方法可以用破碎机械，或手动工具等。破碎后的 粉末过4 0 6 0 目筛子，然后再进一步研磨。 磨粉是将粗颗粒的合金粉进一步研磨到适合的尺寸。所谓适合的尺寸有三个 含义：( 1 ) 尺寸大小。作者1 16 】研究s m 2 ( c o c l l f e z r ) 1 7 型合金粉末的结果得研磨至 粉末粒度4 6 um 较好，徐文第等人【1 7 1 认为粉末粒度为3 5um 较为有利。总 之，研磨至使每一个粉末颗粒都是单畴晶体最为理想【1 ”。这样能充分利用每个晶 粒的磁性能，使得在磁场取向成型时每个晶粒都充分取向一致。( 2 ) 粉末尺寸要 均匀一致。( 3 ) 粉末颗粒接近球形，表面光滑，缺陷少。黄式今【l9 】及作者【16 】的研 究都表明球形粉末比形状不规则粉末有利于合金磁性能的提高。 磨粉的方法有凹】：( 1 ) 振动球磨；( 2 ) 滚动球磨；( 3 ) 气流磨。振动与滚 动球磨都是利用振动或滚动的球体( 如轴承钢球、硬质合金球等) 与粉末体撞击 d 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 而使合金粉末进一步细化。振动球磨一般仅是撞击，因而易于得到形状偏平的粉 末。而滚动球磨除了撞击外，还有滚动，对属性较好的合金料，合金粉呈球形或 偏球状。最好是气流磨。气流磨是在高速气流的振动下，使粉末与容器内壁发生 滚动式撞击。而进一步细化。其效率高，颗粒呈球状，表面光滑且缺陷少。 球磨罐一般用不锈钢制造。用尺寸不同的3 6 种轴承钢球或硬质合金球。球 料比与磨粉效率有关，球料比大时，效率高，快些；球料比小时，效率低一些。 为使粉末至一定尺寸，一定的球料比，对应一定的球磨时间。一般通过实验来确 定其球磨时间。图1 2 1 2 1 】是s m 2 ( c o c u f c z r ) 1 7 合金在振动球磨过程中，颗粒尺寸与 球磨时间的关系。 至 一 7 z * 彝 ，=三j ，一一一7 。，。 耋割7 7 蔓：j ，。 单 。，7 幂丑二：一一一一 a5i d2 t1 adu 磨糟时间( h )研磨时阃( h ) 图1 2 颗粒尺寸与球磨时间的关系图1 3 氧含量与球磨时间的关系 球磨介质可用甲苯，航空汽油，石油醚，环乙烷等。球磨后在真空中或时 气流中干燥，必要时也可在空气中干燥。 尽管球磨是在保护介质中进行的，但随粉末颗粒的进一步细化，粉末的比表 面积急剧地增加。由于比表面积增加，处于表面的原子能量较高，较为活跃，极 易与氧起化学反应，或起吸附作用。图1 3 【2 ”是s 弛( c o c l l f e z r ) 1 7 合金在振动球磨 过程中氧含量与球磨时间的关系。随着球磨时问的延长，氧含量不断增加。 1 2 4 粉末的磁场取向与成型 2 ：1 7 型s m c o 合金属于六角晶系，是磁晶各向异性的。其c 轴是易磁化轴，口 轴是难磁化轴。对单轴晶体，当沿单晶体的易轴磁化时，有最大的剩磁册；p 。m ， 如果磁化与单晶体的易磁化轴成一个口角时，则剩磁为西= 。m ，c o s 口，可见口 越小，剩磁就越大。对于由许多单晶体粉末组成的烧结磁体，如果使每一个粉末 颗粒的易磁化方向都沿相同的方向取向，则沿该方向的剩磁就达到最大值。各向 异性烧结单晶、多晶永磁体的剩磁所可用下式阎来描述，即： 一5 一 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 西= 爿o 一卢) d ：i i 动。m ， ( s i ) 占r = 彳( 1 一) d i i 历4 咒w ，( c g s )( 1 1 ) 4 为正向畴的体积百分数。c o s 口是取向因子，它定义为：在零磁场时粉末颗粒磁 化强度( 即易磁化方向) 与取向轴( 或取向场) 夹角口的c o s 目的平均值，c o s 口值 可通过磁性测量求得，其值可在o 5 1 o 之间变化。口是非磁性相的体积百分数。 d 是相对密度。 0 压制方向 ( a ) 垂直取向 压制方向山 匿 n 萋 要 盐 图1 4 粉末磁场取向示意图 ( b ) 平行取向 在生产中，粉末磁场取向方法通常有两种【2 ”：一种是垂直取向，即磁场方向 与压力方向相互垂直，如图1 4 a ：另一种是平行取向，即磁场方向与加压力的方 向相平行，如图1 4 b 。 为了获得较高的取向因子：即保证剩磁所值较大，通常情况下采用磁场垂 直取向成型。在平行取向的情况下，当压力增大到一定程度时，可使取向因子稍 有下降，反而使剩磁降低。黄式今对2 ：1 7 型s m c o 合金垂直取向与平行取向时 的磁性能作了比较( 见表1 3 ) 。 一般地，粉末的压型方向有如下五种口3 】：( 1 ) 平行钢模压：( 2 ) 垂直钢模压； ( 3 ) 橡皮模压；( 4 ) 平行钢模压+ 等静压：( 5 ) 垂直钢模压+ 等静压。垂直模压 比平行模压的取向效果好。采用垂直模压+ 等静压比单独模压的取向效果更好。 在等静压过程中，压力大小对磁体的密度也有重要影响。徐文第等人f 2 4 】研究了烧 结s m ( c o c u f e z r ) 7 - 磁体的模压成型法压力与磁性能的关系( 如表1 4 ) 及成型方 法与磁性能关系( 如表1 5 ) 。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 3 垂直取向与平行取向的磁性能对比 组别碰场取向西 日d( b h ) 。 t殛k 矗) eu | 矗m g o e 垂直取向l - 0 11 0 13 5 8 24 5l s 3 12 3 平行取向 0 9 39 33 7 4 14 71 4 3 31 8 垂直取向 1 0 2l o 24 2 9 85 41 9 9 o2 5 平行取向 o 9 59 54 3 7 85 51 6 7 22 1 垂直取向 1 _ 0 01 0 04 1 3 95 2 1 8 3 1 2 3 平行取向 o 9 19 14 1 3 95 21 5 1 ，21 9 表1 4 模压成型法压力与磁性能的关系 压力曰r h 女 陋h ) 一 嘣t婚3 k a ，m l ( ( ) e k j a 0m g o e 30 9 6 09 6 03 3 8 34 2 5 1 1 8 6 1 4 9 4 o 9 8 89 8 83 5 4 24 4 51 2 5 81 5 8 51 0 0 21 0 0 2 4 1 7 9 5 2 5 1 3 3 71 6 8 6o 9 9 09 9 04 1 9 55 2 71 2 9 o1 6 2 表1 5 成型方法与磁性能关系 成型方法西 h ( b ) 一 t硒sk 蜘l c ( ) eu 时m g o e 垂直取向+ 简易等静压( 5 1 廿f ) 1 0 5 51 0 5 54 1 7 95 2 51 9 1 。82 4 1 垂直取向+ 标准等静压( 5 1 _ ，a f ) 1 0 6 5l o 6 54 1 1 55 1 71 9 9 82 5 1 平行取向+ 单轴模压( 5 1 忙m 2 ) 1 0 0 5 1 00 5 3 8 2 14 8 0 1 5 7 61 9 8 通常情况下，烧结2 ：1 7 型s m c o 永磁材料采用垂直模压+ 等静压的成型方式 制取，其等静压力一般为2 0 0 6 0 0 m p a ( 2 6 t c m 2 ) 。 1 2 5 烧结 对于s m 2 ( c o q l f e z r ) 1 7 合金的压坯，为了保证磁体不受污染在成型时通常不 加粘结剂。但是s m 2 ( c o c i l f e z r ) 7 合金粉是硬脆性的，其机械强度非常低，粉末 颗粒之间只是机械地堆积在一起，内部空隙多，相对密度仅为6 0 7 0 。研究证 明压坯的磁性能相当的低。经过烧结后的合金，其相对密度可达到9 4 9 8 。由 于烧结时发生粘结，烧结颈长大、孔隙封闭及球化缩小等过程，原子充分扩散， 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 使不同的粉末颗粒彼此熔合在一起，而形成一个整体。烧结后的磁体不仅致密度 增加，它的机械强度，磁性能如剩磁西、矫顽力上i 和磁能积( 明) 。等都大大地 提高。 烧结是十分重要的工序。实现磁体的致密化是烧结阶段的极为重要的目的。 烧结2 ：1 7 型s m c o 合金的致密度与合金的成分，烧结温度与时间，粉末颗粒尺寸 和形状，液相的添加量和入炉方式有关。 烧结体的密度对烧结温度十分敏感。图1 5 叫是烧结s m 2 ( c o c l l f e z r ) 1 7 合金的 密度与烧结温度的关系。可见随烧结温度t 的升高，磁体的密度迅速地增加。 改进烧结工艺通常能够提高s m 2 ( c o c u f e z r ) 1 7 合金的磁性能。磁材专家们研究 的最多的是液相烧结和逐步入炉烧结两种烧结方式。 液相烧结就是合金在制粉过程中加入少量的富s m 合金( 6 0 a t s 啦4 0 a t c o ) 进行成型，烧结时出现液相。因为这种富s m 合金的熔点低，因此，在烧结中， 此合金能熔化成液相从而改善粉末的烧结性能。s 1 1 nt i a n d u o 等人【2 习对 s m ( c o o6 7 惦f e o 丑z 功m ) 8o 合金的实验表明，液相添加剂的数量对该合金的退磁 曲线，日。，和( 明) 硼都有影响。当液相的添加量为5 6 时，。达到最大值， 约2 3 8 8 k m ( 3 0 k o e ) 。液相添加量为5 l o 叭范围内，均可获得较高的磁能积。 方 e 鲁 屯 垲 栏 写 剞 口 “ 毳结盎飞t ( 罚 1 ” “”时茹麓度气i ”烧结温度丁( )时效温度九) 图1 5 密度与烧结温度的关系图1 - 6 矫顽力与时效温度的关系 表1 6 普通烧结法与逐步入炉烧结法的样品性能比较 烧结方式样品性能 d西 日曲( 明) 。 ( g ，口，)( 叨$ )( i 【_ 岫 普通烧结8 2 8 41 0 8 1 1 03 6 0 4 3 01 8 3 1 9 9 逐步入炉烧结 8 3 8 51 1 3 1 1 53 s o 4 1 02 0 6 2 2 3 逐步入炉烧结法在西南应用磁学研究所曾深入研究过口6 1 。所谓逐步入炉就是 利用炉子的不同温度分布，以改变炉体和装有样品的炉管的相对位置来实现的工 g 、 h ” ” ” 仲 一。o基，rr匿肇 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 艺。这种方法的优点是：有助于提高磁体的磁性能，并可避免较大尺寸磁体的开 裂和变形。其磁性能对比如表1 6 所示瞄】。 1 2 6 时效处理 经烧结和固溶处理后，2 ：1 7 型s m c o 合金的剩磁可达l t ( 1 0 k g s l ，然而矫顽力 一般都相当的低，因而磁能积也不高，必须进行等温时效处理以提高矫顽力，尤 其是提高退磁曲线的方形度，以最终提高最大磁能积。等温时效温度对低矫顽力 2 ：1 7 型s i n c o 合金矫顽力的影响如图1 6 口”。由图可见在8 0 0 等温时效处理可获 得较高的矫顽力。但是，许多专家的实验结果表明，只有当进行多次时效处理才 能获得最好的磁性能。 置 度 时问( h ) 图l 一7s m 2 ( c o c u f e z r ) 1 7 台金的热处理工艺示意图 经烧结和固溶处理后合金的显微组织为2 ：17 单相固溶体。这个单相可能是由 2 ：1 7 r 和2 ：1 7 h 混合而成，其原因是2 ：1 7 r 和2 ：1 7 h 之间极其相似且容易转换。 然而经过8 0 0 一阶段时效处理后的合金显微组织转变为胞状结构。其胞内是2 ：1 7 相，胞壁为1 ：5 相。两相的体积百分数约为8 0 和2 0 【2 7 】。x i a ov a o f i l 等人【2 8 q l l 的研究表明：除了胞内2 ：1 7 相被胞壁1 ：5 相包围外，还有一些