朱明原 孔 拓 呂 蒙 李文獻 金紅明 李 瑛

(1.上海大學材料科學與工程學院,上海 200444; 2.上海大學可持續(xù)能源研究院，上海 200072)

Nd- Fe- B永磁材料具有優(yōu)異的磁性能和較高的性價比，在電機、風力發(fā)電、醫(yī)療器械、交通等領域應用廣泛[1]。采用氫化- 歧化- 脫氫- 再結合(hydrogenation- disproportionation-desorption- recombination, HDDR)工藝生產的高性能各向異性Nd- Fe- B磁粉的晶粒細小(0.3 μm)，接近單個磁疇尺寸[2]，是制造各向異性粘結Nd- Fe- B磁體的理想材料。

Nd- Fe- B永磁材料的主要性能指標包括矯頑力(Hci)、剩磁(Br)和最大磁能積(BHmax)。由于Nd- Fe- B的矯頑力溫度系數為負值，熱穩(wěn)定性不高，阻礙了HDDR Nd- Fe- B磁粉在高溫及變溫環(huán)境中的應用。因而，提高Nd- Fe- B的矯頑力一直是研究的熱點。起初是在Nd- Fe- B合金熔煉過程中添加價格昂貴的重稀土元素鏑，形成高磁晶各向異性場(HA)的重稀土化合物(Dy,Nd)2Fe14B，以提高Nd- Fe- B的矯頑力及熱穩(wěn)定性。隨后研究發(fā)現，矯頑力是結構敏感的磁參數，可通過優(yōu)化晶界相來提高矯頑力，即通過重稀土元素(heavy rare earth, HRE)的晶界擴散，置換Nd2Fe14B晶粒表面部分Nd形成高HA的殼層結構[3]，在顯著降低鏑使用量的情況下，實現Nd- Fe- B矯頑力的提高。為了進一步減少高矯頑力Nd- Fe- B對重稀土的依賴，研究者們開始探索非重稀土晶界擴散改性Nd- Fe- B永磁材料。目前，改善Nd- Fe- B矯頑力的非重稀土晶界擴散源大致可分為3種。第1種是輕稀土- 過渡元素合金，例如Nd- Cu[4]和Pr- Cu合金[5]。富含Nd的晶界在擴散后變得連續(xù)且平滑，降低了Nd2Fe14B晶粒之間的耦合[6]。第2種是高熔點或高硬度化合物，它們充當釘扎位點以抑制磁疇壁的移動，例如WC[7]和MgO[8]。第3種是低熔點金屬，例如Ga[9]和Zn[10]，可以改善晶界相的潤濕性從而提高矯頑力。

Al的熔點相對較低，其擴散后會改善晶界相的性質、優(yōu)化磁體的顯微結構，從而提高磁性能。因此，本文選擇廉價的低熔點金屬Al粉為擴散源，探究Al晶界擴散對HDDR Nd- Fe- B粉末磁性能的影響。HDDR Nd- Fe- B粉末的磁性能對擴散條件非常敏感，很多因素會影響擴散過程，通過常規(guī)的試驗方法尋找最優(yōu)的擴散條件耗時費力。20世紀60年代，Taguchi根據正交試驗提出了一種科學的試驗設計方法，即Taguchi方法[11]。該方法倡導利用較少的試驗數量，尋找最佳影響參數[12- 14]，特別是對于條件敏感的復雜試驗，還可通過計算分析獲得各因素對試驗結果的影響程度。因此，本文使用Taguchi法研究了晶界擴散參數(擴散溫度、擴散時間、Al添加量和研磨時間)對HDDR Nd- Fe- B磁粉磁性能的影響，在顯著減少試驗次數的前提下獲得了最佳的擴散條件和各參數對磁性能的影響程度，為晶界擴散的高效研究提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣的制備

在高純氬氣氣氛的SUPER型手套箱內，使用瑪瑙研缽將各向異性HDDR Nd- Fe- B粉末(大連凱翔有限公司)和Al粉末(湖南金馬有限公司)研磨混合，然后將混合粉料在20 MPa的壓力下壓制10 min，獲得生坯，再將坯料放入真空爐中進行擴散處理。用Lake Shore 7407振動樣品磁強計測量磁粉的磁性能。

1.2 Taguchi試驗設計

根據前期試驗經驗，選擇擴散溫度、擴散時間、Al添加量和研磨時間為HDDR Nd- Fe- B粉末的晶界擴散參數。Al粉晶界擴散HDDR Nd- Fe- B試樣的制備條件，即試驗因素及水平列于表1。根據情況選用了4個因素(包括1個誤差項(e))4個水平的L16(45)正交表，得到共16組試驗方案?？紤]到Al的熔點(660 ℃)和富Nd相的熔化溫度(約650 ℃)，將擴散溫度定為550～700 ℃，間隔50 ℃。其他因素水平值參考文獻[15]。

表1 試驗因素和水平Table 1 Factors and levels used in the experiment

2 結果與討論

對于4因素4水平試驗，全部試驗次數至少為256(44)次。Taguchi方法通過L16(45)正交排列將試驗次數簡化為16次，根據該法設計的具體因素及水平排列見表2中第2～5列，并以此條件制備試樣，將獲得的磁粉的矯頑力(Hci)、剩磁(Br)和最大磁能積(BHmax)的結果列于表2中后3列。

表2 Taguchi試驗正交矩陣和磁性能Table 2 Taguchi experiment array and magnetic properties

2.1 各因素對磁性能的影響程度

ANOVA)方法考察影響磁性能的主要因素。下文將通過ANOVA計算各因素對磁性能的影響程度。根據Taguchi方法，總平方和(ST)可以通過式(1)得出[16]：

(1)

(2)

式中：SF表示因素F的總的平方和;F為因素A、B、C和D；i為水平數，取1、2、3和4;Fi為因素F在i水平的磁性能響應值的和；Se為誤差項的總的平方和。并且，

ST=SA+SB+SC+SD+Se

(3)

因素F對磁性能的影響程度PF可根據式(4)得出：

PF=SF/ST

(4)

ANOVA計算的各因素對磁性能的影響程度見表3。各因素對矯頑力的影響的大小順序為A>C>D>B，擴散溫度的影響占比接近90%，說明擴散溫度是影響晶界擴散HDDR Nd- Fe- B磁粉矯頑力的主要因素。而Al添加量是影響剩磁的主要因素，影響占比55.7%。擴散溫度是影響最大磁能積的主要因素，影響占比43.0%，其次分別是研磨時間(24.9%)和Al添加量(24.5%)。

表3 各因素對磁性能的影響占比(P)的方差分析結果Table 3 ANOVA results for the contribution percentage (P) of each factor to magnetic properties

2.2 Al晶界擴散優(yōu)化HDDR Nd- Fe- B磁性能的最佳條件

根據試驗結果，計算了各因素不同水平下磁性能的平均值，并繪制了磁性能隨各因素的變化趨勢(圖1)，以便于直接觀察并尋找最優(yōu)擴散條件。所有曲線均呈現先增大后減小的趨勢，對于永磁體，期望其磁性能具有大響應值，即越大越好。除矯頑力外，還考慮了剩磁和最大能量乘積，并在圖1中圈出了最佳擴散條件。

圖1 磁性能隨各因素的變化趨勢Fig.1 Change tendency of magnetic properties with each factor

從圖1可以看出，矯頑力和最大磁能積隨擴散溫度的變化而劇烈波動。因此，擴散溫度對磁性能的影響程度遠大于其他因素，這與2.1節(jié)的計算結果一致。磁性能隨擴散時間的變化相對穩(wěn)定，這可能是因為擴散時間在最佳范圍內。較短的擴散時間會導致擴散不充分，而較長的擴散時間會導致晶粒長大，這都對磁性能產生不利影響。Al添加量對剩磁的影響明顯。少量的Al可以充當潤滑劑，從而改善粉末顆粒的取向，但過量的Al會導致剩磁降低。低熔點Al能提高晶界相的潤濕性，平滑的界面結構可能降低退磁能并抑制相鄰基體晶粒之間的交換耦合，從而提高矯頑力。研磨時間主要影響顆粒粒徑，研磨不足會導致混合不均勻，過度研磨會導致顆粒氧化。

根據圖1得出晶界擴散的最佳條件，即擴散溫度為600 ℃，擴散時間為1 h，Al添加量為3%，研磨時間為15 min。根據最佳條件，在手套箱內配制Al添加量為3%的HDDR Nd- Fe- B磁粉，將其混合研磨15 min后壓坯，生坯在600 ℃真空爐中擴散1 h，采用振動樣品磁強計對磁粉試樣進行磁性能表征。圖2是最佳條件下制備的磁粉和初始磁粉的退磁曲線。初始磁粉的矯頑力、剩磁和最大磁能積分別為7.9 kOe、13.0 kG和21.0 MGOe。最佳擴散條件下制備的磁粉的矯頑力、剩磁和最大磁能積分別為9.9 kOe、13.9 kG和29.2 MGOe。經過優(yōu)選的晶界擴散處理，磁粉矯頑力提高了25%。Al晶界擴散明顯提高了HDDR Nd- Fe- B磁粉的矯頑力，表明Al是提高Nd- Fe- B矯頑力的廉價擴散源，對高矯頑力HDDR Nd- Fe- B磁粉的去鏑化研究意義深遠。最佳擴散條件下制備的磁粉磁性能比表2所有條件下制備的磁體磁性能都高，尤其是矯頑力，比表2中最大矯頑力(8.6 kOe)提高了15%。

圖2 初始磁粉和最佳擴散條件下制備的磁粉的退磁曲線Fig.2 Demagnetization curves of initial magnetic powder and magnetic powders prepared under the optimal diffusion conditions

3 結論

采用Taguchi科學試驗設計方法研究了Al晶界擴散優(yōu)化各向異性HDDR Nd- Fe- B粉末的磁性能，將256(44)個試驗簡化為16個試驗，獲得了最佳晶界擴散條件，即擴散溫度為600 ℃，擴散時間為1 h，Al添加量為3 %，研磨時間為15 min。在此條件下制備的Al晶界擴散HDDR Nd- Fe- B磁粉的磁性能最佳，矯頑力提高了25%。通過計算分析獲得了各因素對磁性能的影響程度，擴散溫度是影響矯頑力的最重要因素。Taguchi方法與試驗相結合可以減少試驗次數，為控制擴散條件指明方向，使晶界擴散研究更加高效。Al是提高HDDR Nd- Fe- B磁粉矯頑力的廉價擴散源，對HDDR Nd- Fe- B磁粉的去鏑化研究及工業(yè)應用具有重要意義。