晶界擴(kuò)散Dy–Al–Ga對(duì)釹鐵硼磁體的磁性能和微觀組織的影響

屈鵬鵬， 曾亮亮， 黃祥云， 何磊， 杜暢， 李家節(jié)

（江西理工大學(xué)，a.材料科學(xué)與工程學(xué)院，b.江西省稀土磁性材料及器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000）

Nd–Fe–B系燒結(jié)磁體具有高飽和磁通密度、高矯頑力、高磁能積等優(yōu)異的磁特性，因此被廣泛用于磁性器件的關(guān)鍵部位，如風(fēng)力渦輪機(jī)和電動(dòng)車牽引電動(dòng)機(jī)[1-5].Nd–Fe–B磁體在這些領(lǐng)域中的使用越來越多，但是卻因?yàn)橄鄬?duì)較差的高溫性能使其發(fā)展受到阻礙.比如在汽車的應(yīng)用中，磁體需要在高達(dá)150℃的溫度下進(jìn)行長時(shí)間的工作[6-8].對(duì)于任何稀土過渡金屬磁體來說，在高溫下發(fā)展的矯頑力基本上有2種可能性，要么改善固有溫度依賴性或者開發(fā)足夠的矯頑力抵抗溫度，以便當(dāng)磁體暴露于高溫時(shí)能夠保持足夠的矯頑力.雖然，釹鐵硼的固有性質(zhì)很難改變，但是重稀土金屬元素Dy、Tb等由于磁晶各向異性場(chǎng)（HA）的增加，Nd的位置可以相對(duì)容易的對(duì)矯頑力作出實(shí)質(zhì)性的改善.當(dāng)然，添加重稀土元素的缺點(diǎn)是它們與RE2Fe14B晶格中的Fe形成反鐵磁耦合，導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度大大降低[9].為了盡量少地犧牲飽和磁化強(qiáng)度，一種新的提高矯頑力的方法在2000年由Park等[10]提出.后來陸續(xù)有研究人員使用Tb或Dy等高HA的重稀土元素Dy、氧化物 （如DyO）、氟化物 （如DyF3）沿著晶界處，然后進(jìn)入RE2Fe14B晶粒的外殼，形成核殼型結(jié)構(gòu).由于Nd–Fe–B磁體在成核型矯頑力機(jī)制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生矯頑力，只需要在晶粒的外殼上向內(nèi)增加HA的深度至少1 μm，這是因?yàn)樵赗E2Fe14B晶粒中的任何額外的重稀土元素僅僅對(duì)磁化的較低值有貢獻(xiàn).該核殼結(jié)構(gòu)是通過將重稀土以某種形式（通常為氟化物）置于燒結(jié)磁體的表面上，然后在一定溫度下進(jìn)行擴(kuò)散熱處理，隨后進(jìn)行低溫二級(jí)時(shí)效來完成.重稀土元素沿著晶粒，然后在RE2Fe14B晶粒中形成核殼結(jié)構(gòu).到目前為止，已經(jīng)有含鏑或鋱的重稀土化合物被用來提高磁性能，比如用重稀土 Dy[11]、DyO[12]、DyF3[13]、DyH2[14]、Pr–Cu或Dy–Cu[15-16]被當(dāng)做擴(kuò)散源來提高磁性能、熱穩(wěn)定性等.此外，Al也可顯著提高釹鐵硼稀土永磁體的矯頑力，降低磁通不可逆損失，hirr＜5%的最高溫度可達(dá)230℃[17],通過顯徽組織分析表明，Al對(duì)顯徽組織的影響主要發(fā)生在富Nd相內(nèi).燒結(jié)時(shí),富Nd液相內(nèi)溶有一定量的Al.冷卻時(shí)，Al在富Nd相內(nèi)形成富Al區(qū)和含Al較高的粒子，富Nd液相內(nèi)的Al可改善其與Φ相的濕潤性，從而提高磁體的矯頑力.同時(shí)，Ga的添加能夠改變永磁體的取向特性和磁性能，添加Ga后的Nd（Fe-Ga)B永磁體的矯頑力有了明顯的提升[18].由于低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)低，比較容易通過晶界擴(kuò)散到磁體內(nèi)部.因此文中選用Dy70Al10Ga20三元低熔點(diǎn)合金作為擴(kuò)散源對(duì)磁體進(jìn)行擴(kuò)散，研究并分析了擴(kuò)散后磁體的磁性能、熱穩(wěn)定性、微觀組織結(jié)構(gòu)和物相結(jié)構(gòu).

1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原始磁體選牌號(hào)為N52的燒結(jié)釹鐵硼磁體，并將其進(jìn)行線切割加工成尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的小塊磁體，其化學(xué)成分見表1.將Dy、Al、Ga 3種元素按相應(yīng)的配比Dy70Al10Ga20（指質(zhì)量分?jǐn)?shù)）進(jìn)行稱量好后，再經(jīng)過高真空電弧熔煉系統(tǒng)，將3種金屬熔煉成約為25 g的合金錠.隨后經(jīng)過高真空快淬系統(tǒng)讓銅輥以8 m/s的速度將合金熔體甩成1 cm左右寬的片狀合金.合金片制備好之后，采用貼片的方式將合金片貼在原始磁體的上下面并放入臥式燒結(jié)爐對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)散熱處理.磁體在擴(kuò)散熱處理之前需要經(jīng)400目（0.037 mm）（指砂粒粗細(xì)大小，在任意每平方英寸（25.4 mm×25.4 mm）中有400個(gè)孔篩選出來的砂粒，下同）、800 目（0.015 mm）、 1 000 目（0.013 mm）、1 500 目（0.009 8 mm）、2 000 目（0.006 5 mm）的砂紙進(jìn)行打磨，用酒精超聲波清洗后烘干待用.采用的擴(kuò)散熱處理工藝為一級(jí)回火熱處理分別為810°C、830°C、850 °C、870 °C、890 °C，時(shí)間均為 4 h，二級(jí)回火熱處理均為490°C×3 h，之后再用NIM-500C高溫永磁測(cè)量儀測(cè)量磁體的磁性能，用MLA650場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察擴(kuò)散前后組織微觀圖，用亥姆霍茲線圈提拉法測(cè)量腐蝕后樣品的不可逆磁通損失，用Empyrean型X射線衍射儀測(cè)量了磁體的物相結(jié)構(gòu).

表1 N52磁體成分/%Table 1 Composition of N52 magnet/%

2 結(jié)果和討論

2.1 擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金對(duì)燒結(jié)釹鐵硼磁體物相的影響

圖1所示為原始磁體和擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體的XRD物相分析結(jié)果，可以看到除了有Nd2Fe14B 的 2∶14∶1主相外，還有一些雜相存在，它們主要分布在富釹相中，少量的存在會(huì)提高磁體的反向形核場(chǎng).從圖2中可以看到Nd2Fe14B相峰在擴(kuò)散Dy-Al-Ga合金后向右偏移，這是因?yàn)镹d2Fe14B晶格常數(shù)小于Dy2Fe14B，Dy2Fe14B （a=0.875 7 nm;c=1.199 0nm）;Nd2Fe14B （a=0.879 2 nm;c=1.217 7 nm）更小[19].Dy取代Nd形成（Nd,Dy)2Fe14B相.

圖1原始磁體和擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金磁體的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD diffraction pattern of original and Dy70Al10Ga20diffused alloy magnets

2.2 擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金對(duì)燒結(jié)釹鐵硼磁體磁性能的影響

表2和圖3表示的分別是原始磁體和不同溫度擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體的磁性能.從表2與圖3中均可以看出，隨著擴(kuò)散溫度地提高，磁體矯頑力呈現(xiàn)出先增加后降低地趨勢(shì).經(jīng)過擴(kuò)散后的磁體矯頑力從原始的1 080.968 kA/m最高提升到1 671.600 kA/m，增幅約為55%.剩磁從原始的1.44 T下降到1.38 T，方形度由96%下降到84%，下降幅度較小.在870°C下擴(kuò)散性能較優(yōu)，因此，選用矯頑力提升最高的磁體測(cè)量熱穩(wěn)定性能、微觀組織和物相結(jié)構(gòu).在高溫情況下工作時(shí)，Nd–Fe–B磁體的磁性能會(huì)急劇下降，圖4對(duì)應(yīng)于原始磁體和擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體分別在 20 °C、50 °C、80 °C、120 °C、180 °C 下暴露 2 h 的磁通不可逆損耗，隨著溫度的升高，原始磁體顯現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)，而擴(kuò)散后磁體磁通不可逆損耗下降趨勢(shì)變緩，在任一溫度點(diǎn)都優(yōu)于原始磁體，在5個(gè)溫度點(diǎn)中磁通不可逆損耗最高比原始磁體降低了33.23%，晶界擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金明顯提高了Nd–Fe–B磁體的熱穩(wěn)定性.

表2 原始磁體和擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體的磁性能Table 2 Magnetic properties of the original and diffused Dy70Al10Ga20alloy magnet

圖3 原始磁體和擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體的退磁曲線Fig.3 Demagnetization curves of original and Dy70Al10Ga20diffused alloy magnets diffused Dy70Al10Ga20 alloys at different temperatures

圖4 原始磁體和擴(kuò)散后磁體的磁通不可逆損失Fig.4 Irreversible flux loss of original and diffused magnets

2.3 擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金對(duì)燒結(jié)釹鐵硼磁體微觀組織的影響

圖5所示為原始磁體和晶界擴(kuò)散后磁體的顯微組織圖，圖 5（a)是原始磁體的顯微組織圖，圖 5（b)是擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體的顯微組織圖.可以很明顯看到，原始磁體的富Nd相較少且不連續(xù)，大塊富Nd相占比較多，晶界模糊不連續(xù)，容易發(fā)生磁交換作用.而擴(kuò)散三元合金后磁體的富Nd相明顯增多且連續(xù)光滑，大塊富Nd相占比較少，很好地隔絕了磁交換作用.在相鄰晶粒之間的晶粒外延處可以看到顏色介于灰色和白色之間的灰白色區(qū)域，此灰白色區(qū)域?yàn)?（Nd,Dy）2Fe14B核殼結(jié)構(gòu).核殼結(jié)構(gòu)和連續(xù)富Nd相兩者共同起到隔絕磁交換的作用[20].這也很好地解釋了矯頑力增加的現(xiàn)象.

圖5 原始磁體和晶界擴(kuò)散后磁體的顯微組織Fig.5 The microstructure of original and GBDPed magnets

3 結(jié) 論

1）擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金后磁體的微觀組織明顯優(yōu)于原始磁體，晶界連續(xù).基于XRD圖譜分析重稀土元素進(jìn)入主相外延層是導(dǎo)致磁性能顯著提高的主要因素.

2）隨著溫度的升高，原始磁體磁通不可逆損耗顯現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)，而擴(kuò)散后磁體下降趨勢(shì)變緩，在任一溫度點(diǎn)都優(yōu)于原始磁體，在5個(gè)溫度點(diǎn)中磁通不可逆損耗最高比原始磁體降低了33.23%，擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金明顯提高了Nd–Fe–B磁體的熱穩(wěn)定性.

3）與原始磁體相比，擴(kuò)散Dy70Al10Ga20合金之后的磁體的矯頑力有了很大的提升，從1 080.968 kA/m顯著提升到1 671.600 kA/m，提升幅度約為55%，并且在高溫下還表現(xiàn)出較高的矯頑力.