王奇凡張敏剛王瑜劉吉祥

（1.太原科技大學(xué)，山西太原030024；2.山西金山磁材有限公司，山西太原030024）

燒結(jié)釹鐵硼的磁性能和力學(xué)性能研究進(jìn)展★

王奇凡1張敏剛1王瑜2劉吉祥2

（1.太原科技大學(xué)，山西太原030024；2.山西金山磁材有限公司，山西太原030024）

重點(diǎn)介紹深冷處理對(duì)燒結(jié)釹鐵硼磁性能的研究、目前力學(xué)性能研究現(xiàn)狀以及研究燒結(jié)釹鐵硼力學(xué)性能的重要性。

燒結(jié)釹鐵硼深冷處理磁性能力學(xué)性能

燒結(jié)釹鐵硼（Nd-Fe-B）是重要的金屬功能材料，作為第三代稀土型永磁材料，由于其良好的磁性能被科技人員稱為“磁王”，利用其能量的轉(zhuǎn)換功能和磁的各種物理效應(yīng)可制成多種樣式的功能器件。燒結(jié)Nd-Fe-B已被廣泛應(yīng)用于航空、航海、電子等眾多領(lǐng)域，成為高科技、新興產(chǎn)業(yè)與社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

1 深冷處理對(duì)燒結(jié)釹鐵硼的磁性能研究

作為一種重要的磁性材料，燒結(jié)Nd-Fe-B從誕生以來，人們對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織、磁疇形態(tài)和內(nèi)外稟磁性等方面都已做了大量研究工作并取得了可喜的成果［1］。但深冷處理對(duì)燒結(jié)釹鐵硼磁性能影響的研究比較少。

目前，有一些學(xué)者用此方法對(duì)燒結(jié)釹鐵硼的磁性能做了一些探索性的研究。如：于旭光［2］等人將35SH、N40、35H和N35四個(gè)牌號(hào)圓柱燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)品的樣品并排，并用膠帶將它們粘在一起，其磁極方向相同；用無磁性樣勺盛裝樣品放入液氮中，浸泡時(shí)間為20min，深冷處理后在空氣中直接恢復(fù)至室溫。從而得出結(jié)論：低矯頑力永磁體，剩磁越高，深冷處理效果越好；高矯頑力永磁體，冷處理效果明顯。

龐利佳［3］等人對(duì)合金成分（原子分?jǐn)?shù)）為Pr8Fe87B5和（Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99M1，其中M為Zr，Ga。按所需成分準(zhǔn)備Nd，Pr，F(xiàn)e，Zr，Ga和Fe2B合金，在氬氣保護(hù)下于中頻真空感應(yīng)爐中熔煉制備母合金錠，然后對(duì)樣品進(jìn)行深冷處理，處理溫度為153K和103K，處理時(shí)間為80min或60min。并對(duì)（Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99Ga1快淬帶深冷前后的Nd2Fe14B相的各晶面衍射峰進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

表1 （Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99Ga1快淬帶深冷前后的Nd2Fe14B相的各晶面衍射峰對(duì)比

由此得出結(jié)論：(Nd11.4Fe82.9B5.7)0.99M1合金淬態(tài)帶中的Nd2Fe14B相存在(00L)(L=2,4,6…)晶面的織構(gòu)，其易磁化軸c軸平行于(00L)面的法線方向；深冷處理可使(Nd11.4Fe82.9B5.7)0.99M1合金快淬帶的織構(gòu)度大大增強(qiáng)，其I（006）/I（410）增幅可達(dá)76%；深冷處理可使Pr8Fe87B5合金快淬樣品的Ms發(fā)生改變，矯頑力變化不大，經(jīng)深冷處理后樣品最佳（BH）max可達(dá)187.9kJ/m3。

2 燒結(jié)釹鐵硼的力學(xué)性能研究

2.1 燒結(jié)釹鐵硼的力學(xué)特性

燒結(jié)Nd-Fe-B是一種脆性材料，其結(jié)構(gòu)的各向異性和脆硬性給研究它的物理性能和力學(xué)性能帶來了很大困難。李安華［6］綜合不同學(xué)者和生產(chǎn)廠商的試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了燒結(jié)Nd-Fe-B的力學(xué)性能指標(biāo)的大致波動(dòng)范圍，燒結(jié)Nd-Fe-B的力學(xué)性能見表2。由于是脆性材料，所以測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性較大。

表2 燒結(jié)釹鐵硼的力學(xué)性能

2.2 燒結(jié)釹鐵硼塑韌性能差的原因的探討

2.2.1 晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜滑移系少

燒結(jié)Nd-Fe-B的晶體結(jié)構(gòu)與密排六方晶格相似（見下頁圖1），同為層狀堆垛結(jié)構(gòu)，但其對(duì)稱性遠(yuǎn)較密排六方晶格差，由此可以推斷燒結(jié)Nd-Fe-B的滑移系較密排方六晶體的滑移系少，所以燒結(jié)釹鐵硼塑韌性很差。

圖1 Nd2Fe14B的晶體結(jié)構(gòu)

2.2.2 磁晶各向異性導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性

磁晶各向異性、形狀各向異性和應(yīng)力各向異性等基本現(xiàn)象在某些方向可以改善磁性材料的性能。由于磁性和彈性的相互耦合作用，必然會(huì)引起材料力學(xué)性能的各向異性，如單晶體的磁致伸縮各向異性、熱膨脹各向異性和抗拉抗彎強(qiáng)度的各向異性等等［5］。因?yàn)樵诓煌较虼朋w的熱膨脹不同，所以在降溫過程中磁體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這也是燒結(jié)Nd-Fe-B力學(xué)性能差的重要原因之一。

2.2.3 晶界富釹相力學(xué)性能弱化

在燒結(jié)釹鐵硼的顯徽組織中，富Nd相主要呈薄層狀沿晶界分布，而此種晶界富Nd相的硬度（Hv）僅有262，遠(yuǎn)低于基體的硬度。研究表明：燒結(jié)釹鐵硼本身晶界弱化，斷裂方式主要為沿晶斷裂，穿晶斷裂比率在5%以上，而且在富釹相聚集較多的三叉晶界處，由于應(yīng)力集中，會(huì)首先出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展發(fā)散點(diǎn)。

2.2.4 磁體制備工藝——粉末冶金的燒結(jié)工藝

燒結(jié)釹鐵硼磁體采用粉末冶金工藝，使得燒結(jié)磁體內(nèi)部必然存在一定數(shù)目的氣孔和缺陷，這在過去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)［6］。氣孔和缺陷的存在，一方面使磁體的密度下降，連續(xù)性降低，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；另一方面，氣孔的存在使有效承載面積下降。這兩方面均為造成材料塑韌性差的原因。

2.3 改善燒結(jié)釹鐵硼力學(xué)性能的研究

到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)燒結(jié)釹鐵硼的力學(xué)性能研究比較少。如：李安華［7］等人采用雙相合金法制備了燒結(jié)Nd-Fe-B磁體，當(dāng)添加的合金中B含量為0.95%原子分?jǐn)?shù)時(shí)，抗彎強(qiáng)度可達(dá)397MPa，而單合金法制得的磁體的抗彎強(qiáng)度僅為309MPa，添加晶界合金幾乎不影響永磁體的磁性能。

蔣建華等人［8-10］研究了加入合金元素Nb和Cu兩種元素對(duì)燒結(jié)Nd-Fe-B抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)加入0.5%Nb（即w（Nb）＝0.5%）時(shí)，使NdFeCoB燒結(jié)磁體的抗彎強(qiáng)度從205.4MPa提高到312.7MPa，使三元系的NdFeB燒結(jié)磁體的抗彎強(qiáng)度從154MPa提高到312.7MPa，使NdFeCoB燒結(jié)磁體的斷裂韌性達(dá)到3.677MPa·m1/2，但三元系NdFeB燒結(jié)體的斷裂韌性下降了26.4%。當(dāng)w（Nb）提高到1.0%時(shí)，NdFeCoB和NdFeB燒結(jié)磁體的抗彎強(qiáng)度分別提高了42.4%和89.9%。加入1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Nb使NdFeCoB燒結(jié)磁體的斷裂韌性提高了13.3%，但比三元系NdFeB燒結(jié)磁體的斷裂韌性下降了21.5%。當(dāng)加入0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Cu時(shí)，可使NdFeCoB的抗彎強(qiáng)度從205.4MPa提高到259.7MPa，使三元系NdFeB燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度從154MPa提高到259.7MPa，但同時(shí)使NdFeCoB的斷裂韌性從3.47MPa·m1/2下降到3.12MPa·m1/2，使NdFeB燒結(jié)磁體的斷裂韌性從5MPa·m1/2下降到3.127MPa·m1/2。

Madaah Hosse iniHR［11］研究了添加Co和Ni兩種元素，減少晶界上的富稀土和富B相，可改善燒結(jié)Nd-Fe-B的力學(xué)性能。在Nd12.8Fe79.8B7.4合金中添加了MM元素，MM38Co46.4Ni15.5合金(MM為含鈰的稀土合金)可顯著提高彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬度，但同時(shí)也大大降低沖擊強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)當(dāng)MM38Co46.4Ni15.5合金的摻量為14%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，有最高的彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和硬度。

J.F.Liu［12］向燒結(jié)釹鐵硼磁體中添加Nb，Ga，Al，Cu，Mn，Ti等元素，對(duì)比了(Nd,Pr)16.5Dy0.5Fe76(Nb,Ga,Al, Cu,Mn,Ti)1B6燒結(jié)磁體和N45M的燒結(jié)NdFeB磁體的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)：添加以上元素以后，磁體的沖擊韌性從27.3kJ/m2提高到46.2kJ/m2；硬度從87.5降低到84.4；彎曲強(qiáng)度從299.2MPa提高到347.5MPa；抗壓強(qiáng)度從1139.1MPa降低到1051.5MPa；抗拉強(qiáng)度從163.4MPa降低到161.0 MPa。

日本川崎鋼鐵公司下斗［13］等人通過用Co、Ni和Ti復(fù)合取代Nd-Fe-B中的一部分Fe，使該磁體抗彎曲強(qiáng)度達(dá)560MPa，切削性能良好，能加工成50μm的薄制品。HortonJA等人［14］也對(duì)永磁材料的脆性問題開始關(guān)注，他們對(duì)不同廠家、不同生產(chǎn)方法生產(chǎn)的Nd-Fe-B、Sm-Co等材料的斷裂韌性K1c進(jìn)行了測(cè)定。

P.Vedrine，P.Tixador［15］等研究了在溫度為4，77，300K的情況下，對(duì)燒結(jié)NdFeB磁體的彈性模量和斷裂韌性進(jìn)行了研究，其值在低溫情況下會(huì)提高10%～20%，見表3，圖2，圖3。

表3 彈性模量和斷裂韌性值

圖2 彈性模量隨溫度變化圖

圖3 斷裂韌性隨溫度變化圖

研究發(fā)現(xiàn)從室溫到4K，NdFeB磁體依然是脆性材料，但是它的彈性模量和斷裂韌性有所提高。

3 結(jié)語

雖然目前對(duì)燒結(jié)釹鐵硼的研究比較多，但是普遍采用添加合金元素來改變其磁性能和力學(xué)性能，同時(shí)也有一些科學(xué)工作者利用深冷的原理對(duì)其進(jìn)行改性，并取得了一些研究成果。然而燒結(jié)釹鐵硼的綜合力學(xué)性能不夠高，限制了很多領(lǐng)域的使用。如果在保證磁性能提高或者不變的情況下，燒結(jié)NdFeB磁體的塑韌性得到改善，將會(huì)在軍事、航天、高速電機(jī)等領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，從而使燒結(jié)NdFeB進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期。

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（編輯：胡玉香）

Abstrct:This paper introduces the study of the magnetic performance of sintered Nd-Fe-B with subzero treatment and the present situation of thesemechanical properties,the importance of these study emphasized.

Present Situation of M agnetic Performance and M echanical Properties Study of Sintered Nd-Fe-B Alloys

WANG Qifan ZHANG M in-gang
（1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China；2.Shanxi Jinshan Magnentic Material Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China）

sintered Nd-Fe-B,subzero treatment,magnetic performance,mechanical propertie, present situation

book=0,ebook=90

TM 273

A

2010-03-16

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2007032031）

王奇凡（1984-），男，太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生；研究方向：深冷處理對(duì)燒結(jié)NdFeB改性研究。Tel：13485362908，E-mail：wangqifanfrank@163.com

1672-1152（2010）02-0011-03