用传统的合金铸锭工业生产高性能Nd-Fe-B烧结磁体的方法

1、用传统的合金铸锭工业生产高性能Nd-Fe-B烧结磁体的方法             用传统的合金铸锭工业生产高性能Nd-Fe-B烧结磁体的方法崔 晓，王亦忠（中国科学院 三环新材料研究开发公司 研究部，北京  100080）    摘  要:利用改进的传统粉末冶金工艺(铸锭热处理、氢爆、改进型气流磨设备以及在气流磨中掺入添加剂等)，在无严格的防氧保护情况下，从传统合金铸锭出发，工业化生产出具有高耐蚀性的N4850档烧

2、结Nd-Fe-B磁体。    关键词：烧结Nd-Fe-B磁体；氢爆；添加剂；耐蚀性；磁性能1  引言    目前，我国绝大多数厂家因资金和技术等原因都采用子弹头状合金铸锭经气流磨磨粉、磁场压制成型、真空烧结和回火等传统的工艺来生产Nd-Fe-B烧结磁体。这种传统工艺生产的Nd-Fe-B磁体，其磁性能、抗氧化性和耐蚀性均不高，至今仍进不了高档应用产品领域，如音圈马达等1。为了改变这种状况，提高产品的档次，我们对Nd-Fe-B烧结磁体的各工艺环节进行了广泛的研究。我们曾经报道过，在气流磨中附加分散剂可极大地改善Nd-Fe-B磁粉

3、的抗氧化能力2。在此基础上，采用铸锭热处理、氢爆(hydrogen decrepitation)、改进型气流磨设备以及在气流磨中掺入添加剂（助磨剂、分散剂和润滑剂的混合物）等方法，在无严格的防氧保护情况下，从传统的合金铸锭出发，工业化生产出具有高耐蚀性的N4850档Nd-Fe-B烧结磁体。2  实验    以工业纯铁、金属钕、金属镝、金属铝和硼铁合金等为原料，按名义成份Nd12.9Dy0.4Fe80.2Al0.5B6，在真空电磁感应熔炼炉中，于氩气氛保护下熔炼成传统的（子弹头状）合金铸锭。该铸锭首先在10001100下进行均匀化热处理，随后粗破碎，再置于

4、氢爆炉中氢爆，最后将氢爆粉同0.1%1%（质量）的添加剂一起用改进的QLM-250型气流磨（如添加冷干机等设备）磨成平均粒度为35m的合金粉。合金粉在1440kA/m磁场中垂直取向模压成60×60×39mm的方块，再进行等静压。生坯在103Pa真空条件下，于10401090烧结23h后气淬，再分别在900和600回火23h，然后气淬到室温。    利用磁天平测量铸锭的热磁曲线。通过金相显微镜观察气流磨粉和磁体的显微结构。由自动磁滞回线仪测量磁体的永磁性能。用YXQG02型医用高压釜内的模拟环境来检测磁体的耐蚀性。3  结果和讨论3.1

5、  铸锭的热处理    从高温的熔融态冷却到室温铸态的过程中，如果冷却速度较慢，Nd-Fe-B晶体将以包晶反应方式形成。在该合金铸锭中，除Nd2Fe14B型主相外，还有富Nd相、Nd1Fe4B4相和-Fe相等副相。在Nd-Fe-B磁体的生产中，为了增大Nd2Fe14B主相的比例以提高磁性能，人们总是尽可能地降低合金中的稀土含量，即使Nd-Fe-B合金的成份尽量靠近Nd2Fe14B相的正分成份3,4。此时，如果采用通常的子弹头状或板状铸锭工艺，因冷却速度较慢，包晶反应过程中，在生成Nd2Fe14B型主相和富Nd相的同时生成有害的-Fe相。人们对这种铸锭的显

6、微结构分析指出，Nd2Fe14B型主相以片状晶（宏观上看似“柱状晶”）或以较小的等轴晶形式出现，富Nd相处于片状晶或等轴晶的晶界内，而以树枝晶形式出现的-Fe相则横跨于多个片状晶或等轴晶晶粒之间5。显然，合金中存在的-Fe会严重地影响磁体性能的提高。为了降低或消除-Fe，对采用上述工艺制备的铸锭必须进行适当的热处理5,6。    虽然扫描电子显微镜（SEM）观察可显示出合金中存在着-Fe，也可对不同合金中-Fe的含量进行相对比较，但合金中究竟存在多少-Fe是很难定量确定的。为了定量地确定合金中-Fe的含量，我们在高场（960kA/m）下测量了铸锭中不同位置的热磁曲

7、线。图1给出了铸锭半高截面中心位置样品在热处理前后的热磁曲线。从图中可以看到，在Nd2Fe14B型主相居里点以上热处理后热磁曲线明显地低于热处理前的高度。因富Nd相和Nd1Fe4B4相在室温以上是顺磁相，这个高度的降低正好反映了热处理后铸锭中-Fe含量的降低。    表给出了从热磁曲线上推算出的铸锭半高截面中心和边沿位置样品在均匀化热处理前后-Fe的含量。从表1可看到，边沿样品的-Fe含量明显比中心的低。显然，这是由边沿比中心冷却速度快造成的。这就是为什么片铸（strip cast）比薄板铸锭好，薄板比厚板铸锭好的原因。因为带有-Fe的磁粉在取向压型过程中是各向同

8、性的，它不参与磁场取向，造成错取向，降低磁体的取向度。这表明，合金中-Fe含量的降低或完全消除，将提高Nd-Fe-B合金粉粒在磁场中的取向度，从而有效地提高磁体的剩磁。这些结果说明，传统铸锭经适当的均匀化热处理可有效降低有害的-Fe相的含量。  3.2  氢爆气流磨粉的颗粒特征    早在七八十年代，氢爆工艺已分别应用于研究和生产15型和217型Sm-Co烧结磁体中7,8。因氢爆法制备的粉在气流磨中有低的吸氧量，以及在烧结过程中因生坯脱氢能造成低氧环境等优点9，所以目前在制备高性能的Nd-Fe-B烧结磁体中，尤其在使用片铸工艺中10,11，已普

9、遍采用了这一特殊工艺。    在氢爆前，将铸锭粗破碎成数mm大小的合金块。把这些合金块送入氢爆炉后，首先抽空，随后在00.3MPa的氢压下吸氢12h，然后升温至400600进行抽空脱氢至130Pa，最后将氢爆粉冷却到室温。    Nd-Fe-B氢爆粉在气流磨时掺入适当的添加剂，它是助磨剂、分散剂和润滑剂的混合物。其中分散剂的主要作用是减少气流磨中的超细粉2；助磨剂起到提高气流磨的出粉速率的作用，从通常氢爆粉的4060kg/h提高到6090kg/h，同时降低粉颗粒表面的缺陷和表面能，与分散剂一样可避免合金粉的发热和自燃；润滑剂的作用是为

10、了降低压型时粉粒之间的摩擦，有利于提高磁粉的取向度。    图2给出了同一氢爆工艺，但气流磨时(a)无添加剂和(b)有添加剂时所制备的Nd-Fe-B合金粉的颗粒特征。从图中可看到，无添加剂时，其合金粉的颗粒粗大（最大粒径达17m）、形状各异、大小分布不均、边角尖锐；而在氢爆粉中适量掺入一些添加剂后，气流磨粉的颗粒度明显下降（最大粒径仅10m）、形状较规则、大小分布均匀、尖角较少。这样的颗粒有利于晶粒的取向；又因颗粒的缺陷少，也有利于降低磁体晶粒间的杂散场，从而有效地提高磁体的剩磁和矫顽力。    3.3  磁体的显微结构  

11、     图3为该工艺生产的N4850档高性能Nd-Fe-B磁体显微结构。从图中可看出，磁体内晶粒细小而均匀，大多数在510m范围内；晶粒边界细而清晰；晶粒呈等轴型，边角圆润。这样的显微结构有利于磁体晶粒间的磁去耦和在晶界上形成反磁化钉扎，提高磁体的矫顽力；同时也有利于磁体耐蚀性的改善。 3.4  磁体的磁性能    采用铸锭热处理、氢爆、改进型气流磨、以及在气流磨中掺入添加剂等方法，我们在无严格的防氧保护下，从名义成份为Nd12.9Dy0.4Fe80.2Al0.5B6传统的合金铸锭出发，大批生产出N4850档烧结

12、磁体。典型磁性能为Br=1.429T，HCJ=1027kA/m(12.84 kOe)，Hk=1006kA/m(12.57kOe)，(BH)max=394kJ/m3(49.25 MGOe)。图4是典型的退磁曲线。3.5  磁体的耐蚀性    在热和潮湿的环境下，通常的Nd-Fe-B烧结磁体会被严重地腐蚀12。我们将尺寸为5×5×3mm的样品置于高压釜内，在120、0.2MPa和100%相对湿度下进行加速腐蚀试验。试验结果表明，采用改进的工艺所生产的烧结磁体的腐蚀失重明显降低。经132h试验后，其试样的平均腐蚀失重仅为0.61mg/cm2

13、。而采用以前未经改进的工艺生产的烧结磁体，在同样条件下经48h试验后，其腐蚀失重已达30mg/cm2。因此，利用我们改进的工艺生产的烧结磁体，不但具有高的磁性能，而且具有高的耐蚀性。4  结论    （1）利用传统的合金铸锭，采用铸锭热处理、氢爆、改进型气流磨、以及在气流磨中掺入添加剂的方法，成功地工业化生产出N4850档Nd-Fe-B烧结磁体。    （2）对传统的合金铸锭进行适当的热处理可明显地降低或完全消除合金中的-Fe。    （3）采用氢爆工艺对Nd-Fe-B铸锭进行中破碎非常有利于提

14、高Nd-Fe-B烧结磁体的磁性能。    （4）在气流磨中掺入适当的添加剂可明显地提高出粉速率，改善气流磨粉的颗粒表面特性和颗粒尺寸分布。这有利于提高磁体的晶粒取向度和降低磁体晶粒间的杂散场，从而有效地提高磁体的剩磁和矫顽力。    （5）利用改进的工艺生产的高性能Nd-Fe-B烧结磁体有较好的显微结构，晶粒细小而均匀，边界细而清晰，边角圆润。这种显微结构有利于磁体晶粒间的去耦和在晶界上形成反磁化钉扎，提高磁体的矫顽力。    （6）利用目前已改进了的工艺所生产的Nd-Fe-B烧结磁体，有较好的显微结构，

15、不但具有高的磁性能，而且具有高的耐蚀性。参考文献：1     Frolish RInternational Symposium on Rare Earth Magnets2000. 102     崔晓，王亦忠磁性材料及器件，2001,32(1)：133     Endoh M，Shindo M13th Int Workshop on RE Magnets & Their Applications1990397.4     Hi

16、rosawa S, Kaneko Y. 15th Int Workshop on RE Magnets & Their Applications199843.5     Hirose Y，Hasegawa H，Sasaki S, et al.15th Int Workshop on RE Magnets & Their Applications199877.6     Kianvash A，Harris I RJ Alloys and Compounds,1998,279：245.7     Harris I R，Evans J，Nyholm P SU K Patent：1554384, 1979-11.8     Kianvash A，Harris I RJ Lees-Common Met，1984,98：93.9     Harris I RJ Lees-Common Met，1987,131：245.10   Vial F，Rozendal E，Sagawa