简介概要

高综合性能烧结钕铁硼磁体关键制备技术研究

来源期刊：稀有金属2013年第2期

论文作者：任春德金伟洋周鸿波李建忠宋小明

文章页码：249 - 254

关键词：烧结钕铁硼磁体;合金铸片;矫顽力;温度稳定性;显微组织;

摘要：通过优化合金成分设计和改进速凝片铸技术、烧结技术,在工业生产线上成功实现了40EH高综合性能烧结钕铁硼磁体的批量生产。SEM观察结果表明,磁体显微组织致密、精细而均匀;其平均晶粒尺寸约为5～6μm,不存在尺寸明显偏大的晶粒。在常温下,40EH烧结钕铁硼磁体的典型磁性能为Br=1.288 T,Hcb=996.8 kA.m-1,Hcj=2490 kA.m-1,Hk=2018 kA.m-1,（BH）max=322.0 kJ·m-3;其Hcj/79.6kA.m-1+（BH）max/7.96 kJ·m-3=71.7。在473 K高温下,40EH烧结钕铁硼磁体的典型磁性能为Br=1.056 T,Hcb=585.8 kA.m-1,Hcj=641.8 kA.m-1,Hk=520.2 kA.m-1,（BH）max=200.9 kJ·m-3;其J-H退磁曲线方形度较好,B-H退磁曲线仍然表现出比较明显的线性特点。在295～473 K温度区间,其剩磁与内禀矫顽力的温度系数分别为-0.101和-0.417（%.K-1）。当L/D=0.7时,在493 K保持2 h磁体开路磁通不可逆损失为3.8%左右。批量生产的40EH烧结钕铁硼磁体具有优异的常温磁性能,同时表现出良好的温度稳定性。

稀有金属 2013,37(02),249-254

高综合性能烧结钕铁硼磁体关键制备技术研究

任春德金伟洋周鸿波李建忠宋小明

宁波永久磁业有限公司

摘要：

通过优化合金成分设计和改进速凝片铸技术、烧结技术,在工业生产线上成功实现了40EH高综合性能烧结钕铁硼磁体的批量生产。SEM观察结果表明,磁体显微组织致密、精细而均匀;其平均晶粒尺寸约为5～6μm,不存在尺寸明显偏大的晶粒。在常温下,40EH烧结钕铁硼磁体的典型磁性能为Br=1.288 T,Hcb=996.8 kA.m-1,Hcj=2490 kA.m-1,Hk=2018 kA.m-1,(BH)max=322.0 kJ·m-3;其Hcj/79.6kA.m-1+(BH)max/7.96 kJ·m-3=71.7。在473 K高温下,40EH烧结钕铁硼磁体的典型磁性能为Br=1.056 T,Hcb=585.8 kA.m-1,Hcj=641.8 kA.m-1,Hk=520.2 kA.m-1,(BH)max=200.9 kJ·m-3;其J-H退磁曲线方形度较好,B-H退磁曲线仍然表现出比较明显的线性特点。在295～473 K温度区间,其剩磁与内禀矫顽力的温度系数分别为-0.101和-0.417(%.K-1)。当L/D=0.7时,在493 K保持2 h磁体开路磁通不可逆损失为3.8%左右。批量生产的40EH烧结钕铁硼磁体具有优异的常温磁性能,同时表现出良好的温度稳定性。

关键词：

烧结钕铁硼磁体;合金铸片;矫顽力;温度稳定性;显微组织;

中图分类号： TM273

作者简介：任春德(1965-),男,浙江宁波人,学士,高级工程师;研究方向:稀土永磁材料(E-mail:Zkyjwy052@126.com);

收稿日期：2012-09-10

基金：国家科技部高技术研究发展计划(863)(2010AA03A401)资助;

Key Preparation Techniques for Sintered Nd-Fe-B Magnets of High-Performance

Abstract：

By optimizing the alloy compositions,and improving the strip-casting and sintering techniques,40EH sintered Nd-Fe-B magnets were successfully obtained from common commercially-available raw materials on the mass-production line.SEM analysis showed that the mass-produced high-performance sintered Nd-Fe-B magnets possessed a dense,fine-grained and homogeneous microstructure with an average grain size of about 5-6 μm,and in which there were no abnormally large grains.Typical magnetic properties for 40EH sintered Nd-Fe-B magnets at room temperature were Br=1.288 T,Hcb=996.8 kA·m-1,Hcj=2490 kA·m-1,Hk=2018 kA·m-1,(BH)max=322.0 kJ·m-3;the value of Hcj/79.6kA·m-1+(BH)max/7.96 kJ·m-3=71.7.And typical magnetic properties for 40EH sintered Nd-Fe-B magnets at 473 K were Br=1.056 T,Hcb=585.8 kA·m-1,Hcj=641.8 kA·m-1,Hk=520.2 kA·m-1,(BH)max=200.9 kJ·m-3;the J-H demagnetization curve had a relatively satisfactory squareness and the B-H demagnetization curve still had a relatively high linearity.In the temperature range of 295-473 K,the temperature coefficients of remanence and intrinsic coercivity were-0.101 and-0.417(%·K-1),respectively.The irreversible flux loss of the magnet with L/D=0.7 was around 3.8% after being exposed at 493 K for 2 h.The mass-produced 40EH sintered Nd-Fe-B magnets exhibited excellent room temperature magnetic properties and ideal thermal stability.

Keyword：

sintered Nd-Fe-B magnets;strip-cast alloys;coercivity;thermal stability;microstructure;

Received： 2012-09-10

烧结钕铁硼磁体具有优异的磁性能,其应用领域相当广泛,涉及到电子计算机、电动机与发电机、核磁共振成像装置、音响设备、通讯、选矿、自动化、航空航天等方面^[1,2,3,4]。应用高性能烧结钕铁硼磁体,不仅可提高磁性器件的工作性能,亦可实现器件的小型化或微型化,降低能耗。近些年来,为了适应低碳经济发展要求,风力发电设备、电动汽车、混合动力汽车、变频电器装置等技术领域发展极为迅速,其对于具有高磁能积、高矫顽力、高工作稳定性的烧结钕铁硼磁体的需求日益增长。在工业生产线上实现具有高综合性能的烧结钕铁硼磁体的批量生产、同时控制产品成本,已成为当前国内外烧结钕铁硼磁体行业共同关注的一个主要研究方向^[5,6,7,8]。通过优化合金成分设计和改进速凝片铸技术、烧结技术,应用国产设备与国内通用的工业生产烧结钕铁硼磁体的各类原材料,笔者成功实现了45UH,40EH等高性能烧结钕铁硼磁体的批量生产。本文研究了40EH烧结钕铁硼磁体的微观结构、磁性能及其温度稳定性,为进一步研制更高性能的产品奠定基础。

1 实验

基本合金成分设计为3.2Pr-21.2Nd-2.0Tb-4.2Dy-65.7Fe-2.7TM-1.0B(%,质量分数),富稀土液相合金成分设计为12.4Pr-40.7Nd-3.0Tb-4.0Dy-36.5Fe-2.4TM-1.0B(%,质量分数),其中TM=Co,Nb,Zr,Ti,Ga,Cu,Al。选择国内工业生产烧结钕铁硼磁体通用的各类原材料,每次实验投料数量为300~400 kg。应用PMI-I-600R型真空熔炼速凝铸片炉制备合金铸片。合金铸片经过氢碎处理之后,应用QLMR-260T型气流磨制备平均粒度为2.5~4.0μm的合金粉末。在基本合金粉末中加入0.5%~3.5%的富稀土液相合金粉末,混合均匀。合金粉末在1600~1760 k A·m^-1的磁场中取向,应用YAN72FK-63型浮动模压机成型,而后模压生坯进行冷等静压处理。应用VS-300RPA型高真空烧结炉烧结生坯,烧结温度与时间分别为1273~1353 K和3~8 h。随后于1093~1193 K回火2~4 h,再于723~823 K回火3~5 h。烧结磁体的尺寸规格为53.5 mm×53.5 mm×28.5 mm(长×宽×高),其高度尺寸方向为生坯成型时的磁场取向方向。

应用WLP-205型平均粒度测试仪测定合金粉末的平均粒度,应用HELOS-BR型粒度分析仪测定合金粉末的粒度分布。应用NIM-2000型大尺寸稀土永磁材料磁性能测量系统测定试样磁性能。将尺寸规格为Φ10 mm×7 mm(长度尺寸方向为生坯压型时磁场取向方向)的试样磁化至饱和状态,在不同温度下分别保持2 h,而后冷却至常温,测量不同温度保持前后的开路磁通数值,以确定其开路磁通不可逆损失。应用BRUKER D8 Advance(Cu Kα)型多晶X射线衍射仪测定合金铸片试样贴辊面的X射线衍射(XRD)谱线。应用HITACHI S-4800型扫描电子显微镜(SEM)与能谱技术(EDAX)观察合金铸片和磁体的显微组织,分析其微区成分。按照GB6394-86规定的金属材料平均晶粒尺寸测量方法测定磁体的平均晶粒尺寸。

2 结果与讨论

2.1 速凝片铸技术改进

理想的合金铸片显微组织对于后续的铸片氢碎、粉末制备、磁场取向、生坯烧结等过程皆有重要意义^[9,10]。图1是速凝片铸技术改进之前、之后的基本合金铸片断口SEM背散射电子像。观察面为铸片的横断面,平行于其冷却方向。铸片厚度与宽度分别为0.30~0.36 mm和20~50 mm。对于确定的合金成分,合理选择浇注时的熔液温度、熔液流量以及一次冷却和二次冷却条件,可有效调控合金铸片的显微组织。针对基本合金成分设计中Tb,Dy元素含量比较高的情形,保证合金熔液精炼过程充分进行,同时将浇注时的熔液温度提高至1748~1758 K;综合分析急冷铜辊系统的冷却条件,将急冷铜辊线速度减缓至1.3~1.5 m·s^-1;由于成分设计中总稀土含量偏低,采取合理的技术措施,使合金铸片以适当缓慢的冷却速率通过1273~873 K左右的温度区间,有利于富稀土相在合金铸片中完全析出。优化关键工艺参数、改进片铸技术制备的合金铸片,其显微组织中Nd₂Fe₁₄B主相片状晶具有明显的定向生长特征,无细小枝晶存在,且在在其贴辊面附近区域基本上观察不到等轴晶;白色富钕相薄层比较均匀地分布于主相晶内和晶界处,其厚度约为0.2~0.4μm,富钕相薄层间距约为3~5μm。而片铸技术改进之前制备的合金铸片,在其显微组织中亦可观察到较好的Nd₂Fe₁₄B主相片状晶定向生长特征,但是在其贴辊面附近的一些部位,则存在大量的特征尺寸为1μm左右的细小等轴晶。

图1 速凝片铸技术改进之前(a)、之后(b)合金铸片SEM背散射电子像Fig.1 SEM back-scattered electron images for strip-cast alloys prepared by conventional(a)and improved(b)strip-casting methods

图2是速凝片铸技术改进之前(a)、之后(b)基本合金铸片贴辊面的XRD谱线。可以看到,Nd₂Fe₁₄B主相晶体表现出来沿c轴方向良好的择优生长。而对于片铸技术改进之前制备的合金铸片,其XRD谱线中出现了比较强的(410)衍射峰,这应当与铸片贴辊面附近的一些部位存在大量随机取向的细小等轴晶相关。在制备的合金粉末中不可避免地出现多晶粉末颗粒,Nd₂Fe₁₄B主相晶体c轴具有择优取向,即使是多晶粉末颗粒,亦可获得相当高的取向度。但是,大量随机取向的细小等轴晶的存在,不仅会增加合金粉末中多晶粉末颗粒数量,也会明显降低这些多晶粉末颗粒的取向度。

图2 速凝片铸技术改进之前(a)、之后(b)合金铸片贴辊面的XRD谱线Fig.2 XRD curves for wheel-surface sides of strip-cast alloys prepared by conventional(a)and improved(b)strip-casting techniques

2.2 烧结技术改进

烧结钕铁硼磁体的综合性能不仅决定于材料的内禀特性,亦与其组织结构密切相关。致密、精细而均匀的显微组织是磁体具有优异磁性能、温度稳定性、抗腐蚀性的基本保证^[11,12,13]。图3是烧结技术改进之前、之后磁体显微组织的SEM二次电子像。在通常的烧结生产过程中,将生坯以一定的升温方式与速率升温至1323~1353 K,烧结保温3~5 h。而在本文实验中,则首先将生坯升温至1333~1343 K,不保温,而后降低温度至1273~1303 K,烧结保温6~8 h。随着生坯温度上升至1333~1343 K,比较大量的富稀土液相出现,主相颗粒重排,较大尺寸孔隙消失,磁体致密化程度迅速提高;在1273~1303 K烧结保温比较长的时间,通过主相颗粒的缓慢长大与形状适位性变化而实现磁体的完全致密化^[14,15]。应用二步烧结方法实现低温烧结,使生坯在较低的温度下烧结而实现高致密化程度,同时又避免了主相晶粒的过分长大。对比分析可见,由于烧结技术的改进,磁体晶粒细小,其平均晶粒尺寸约为5~6μm,晶粒尺寸分布相当均匀,不存在尺寸明显偏大的晶粒;磁体组织致密,疏松、孔洞等缺陷稀少。相对来说,烧结技术改进之前制备的磁体,其平均晶粒尺寸亦为5~6μm左右,但是晶粒大小分布不均匀,存在有特征尺寸达到20~25μm左右的异常大晶粒。这样的显微组织显然不利于磁体性能的改善,而且也不利于磁体后续的机械加工与电镀处理。

图3 烧结技术改进之前(a)、之后(b)磁体SEM二次电子像Fig.3SEM secondary electron images for magnets mass-pro-duced by conventional(a)and improved(b)sintering techniques

2.3 磁性能与温度稳定性

图4是40EH烧结钕铁硼磁体在295,393与473 K温度下的退磁曲线。磁体磁性能指标与剩磁和内禀矫顽力的温度系数列于表1。在295 K常温下,B-H退磁曲线表现为直线,J-H退磁曲线方形度良好;H_cj为2490 k A·m^-1,(BH)_max为322.0 k J·m^-3;而其H_cj/79.6k A·m^-1+(BH)_max/7.96 k J·m^-3达到了71.7。即使在473 K高温下,B-H退磁曲线仍然表现出比较明显的线性特点,J-H退磁曲线方形度较好;H_cj值达到641.8 k A·m^-1,(BH)_max值达到200.9 k J·m^-3。随着温度升高,剩磁温度系数绝对值增大,内禀矫顽力温度系数绝对值减小。在295~473 K温度范围,其剩磁与内禀矫顽力的温度系数分别为-0.101和-0.417(%·K^-1)。

图4 磁体在295,393与473 K的退磁曲线Fig.4Demagnetization curves for 40EH magnet at 295,393and 473 K

表1 磁体在295,393与473 K的磁性能与相应的温度系数Table 1 Magnetic properties and corresponding temperature coefficients of 40EH magnet at 295,393 and 473 K 下载原图

表1 磁体在295,393与473 K的磁性能与相应的温度系数Table 1 Magnetic properties and corresponding temperature coefficients of 40EH magnet at 295,393 and 473 K

图5 磁体开路磁通不可逆损失随温度变化Fig.5Variation of irreversible flux loss of 40EH magnet with temperature

图5是40EH烧结钕铁硼磁体开路磁通不可逆损失随温度变化情况。当实验温度分别为473与493 K时,对应的磁体开路磁通不可逆损失分别为-0.92%和-3.81%。若以开路磁通不可逆损失的绝对值小于5%的实验温度作为磁体工作温度上限,则此40EH烧结钕铁硼磁体的最高工作温度应当可以达到493 K。

由上述分析可以看到,在工业生产线上批量生产的40EH烧结钕铁硼磁体,其常温磁性能优异,H_cj/79.6 k A·m^-1+(BH)_max/7.96 k J·m^-3>70,而且同时具有良好的温度稳定性。

3 结论

优化合金成分设计,改进速凝片铸技术与烧结技术,在工业生产线上实现了40EH高综合性能烧结钕铁硼磁体的批量生产。40EH烧结钕铁硼磁体,其常温磁性能优异,温度稳定性良好。

40EH烧结钕铁硼磁体的典型磁性能为B_r=1.288 T,H_cb=996.8 k A·m^-1,H_cj=2490 k A·m^-1,H_k=2018 k A·m^-1,(BH)_max=322.0 k J·m^-3;其H_cj/79.6 k A·m^-1+(BH)_max/7.96 k J·m^-3=71.7。