磁控濺射法滲鏑對燒結(jié)釹鐵硼性能及顯微結(jié)構(gòu)的影響分析與研究

郭敬東

（山西國營金陽器材廠，山西 太原 030008）

隨著石油資源的枯竭、環(huán)保問題不斷突出，新能源汽車的開發(fā)和應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。目前，已有多種品牌的新能源汽車開始交付使用。新能源汽車的核心部件就是動(dòng)力單元，新能源汽車技術(shù)的不斷革新，對于動(dòng)力單元材料的性能要求也不斷提升。燒結(jié)燒結(jié)釹鐵硼永磁是新能源汽車動(dòng)力馬達(dá)的核心材料，需要具備更好的高溫使用條件。提升改材料高溫使用條件的主要方式是提升高矯頑力，目前生產(chǎn)燒結(jié)釹鐵硼的矯頑力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到該材料的理論矯頑力，因此提升釹鐵硼矯頑力的空間還有很大。

為了提升釹鐵硼矯頑力，改善材料的高溫使用效果，常用的方式是通過添加稀土金屬元素實(shí)現(xiàn)主相晶粒的磁晶各向異性場，按照傳統(tǒng)的合金生產(chǎn)方式添加稀土元素存在兩個(gè)問題：成本高；HRE與Fe之間存在反鐵磁性耦合，因此會(huì)造成剩磁和磁能積降低，造成浪費(fèi)。針對上述存在的問題，晶面擴(kuò)散方法的應(yīng)用得到推廣，晶面擴(kuò)散是通過特殊工藝條件，使得重稀土元素通過擴(kuò)散的方式進(jìn)入主相晶粒的邊緣，形成磁晶各向異性場。晶面擴(kuò)散方法可以分為干法和濕法兩種，其中干法工藝包括熱蒸鍍、磁控濺射法；濕法工藝包括表面涂覆、電泳沉積等。本文采取磁控濺射法，對比研究了一種無Dy磁體和一種低Dy含量磁體沉積一層稀土薄膜，結(jié)合晶面擴(kuò)散技術(shù)，改善磁體性能的目的。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用一種Dy磁體和一種低Dy含量磁體，將磁體切割成10mm*10mm的圓柱體，所有樣品均進(jìn)行磁控濺射法鍍上一層Dy層，鍍膜前需要對磁體進(jìn)行預(yù)處理，具體過程為首先將磁體表面的油脂進(jìn)行擦除，利用3%濃度的稀硝酸進(jìn)行酸洗1min，然后超聲處理2min。鍍膜的工藝條件為壓力0.1pa，靶材功率100W。鍍膜完成后，將樣品進(jìn)行真空退火處理，900℃擴(kuò)散處理0.5h，隨后在500℃條件下進(jìn)行回火。

對擴(kuò)散后的樣品進(jìn)行退磁曲線的測試，測試儀器為永磁材料測量系統(tǒng)NIM-2000，通過退磁曲線對擴(kuò)散前后的材料磁性能的變化進(jìn)行分析。利用電鏡對磁體的斷面和表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，選用XRD測試樣品的X射線衍射圖譜分析，并且對擴(kuò)散后的元素沿深度進(jìn)行分布狀況分析。

2 結(jié)果

2.1 無Dy磁體滲透Dy處理后微觀組織及成分變化情況

對于商用無Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy滲透處理前后分別進(jìn)行了斷面微觀組織的形貌圖觀察，圖1為處理前后的微觀圖。圖1中的a表示Dy滲透處理前的微觀形貌圖，b表示Dy滲透處理后的微觀形貌圖。圖中銀白色區(qū)域表示磁控濺射沉積的Dy膜，灰色部分代表磁體基體部分。對比a和b可以明顯看出，高溫處理后，Dy滲透進(jìn)入磁體基體中。

圖1 商用無Dy磁體磁控濺射處理前后的微觀形貌圖

2.2 低Dy磁體滲透Dy處理后微觀組織及成分變化情況

對于商用低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy滲透處理前后分別進(jìn)行了斷面微觀組織的形貌圖觀察，圖2為處理前后的微觀圖。圖2中的a表示Dy滲透處理前的微觀形貌圖，b表示Dy滲透處理后的微觀形貌圖。圖中銀白色區(qū)域表示磁控濺射沉積的Dy膜，灰色部分代表磁體基體部分。對比a和b可以明顯看出，與圖1規(guī)律一致，高溫處理后，Dy滲透進(jìn)入磁體基體中。

圖2 商用低Dy磁體磁控濺射處理前后的微觀形貌圖

2.3 Dy滲透前后磁體的性能變化

對商用無Dy和低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy界面擴(kuò)散前后的磁體性能進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)顯示，兩種燒結(jié)釹鐵硼磁體在進(jìn)行界面擴(kuò)散后，其矯頑力均得到提升，且隨著擴(kuò)散時(shí)間的延長，其矯頑力的提升幅度增加。其中，對于無Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體而言，矯頑力提升幅度達(dá)到52%，剩磁降幅為2%；對于商用低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體而言，矯頑力提升幅度達(dá)到32%，剩磁降幅為4%。通過比較兩種的數(shù)據(jù)，無Dy磁體的滲透Dy效果更佳。盡管Dy的原子磁距比Fe原子磁矩高，但由于Dy與Fe之間形成亞鐵磁性耦合，最終使得剩磁和最大磁能積降低。

圖3 滲Dy后的磁體顯微結(jié)構(gòu)

2.4 Dy滲透后元素沿深度方向的變化

對商用無Dy和低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy界面擴(kuò)散前后的Dy、Nd元素含量隨深度變化的趨勢進(jìn)行分析，分別在距表面為100微米、200微米和300微米的區(qū)域?qū)y、Nd元素含量進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)如下：商用無Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy處理后的含量分別為9.7%、6.2%、1.8%;商用低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy處理后的含量分別為9.0%、5.0%、1.5%。從數(shù)據(jù)上分析，可以看出無Dy磁體更有利于Dy的界面擴(kuò)散，其中的原因可能是含有Dy的磁體存在特定結(jié)構(gòu)的晶體，阻礙了Dy在晶面上的擴(kuò)散速度。

對未處理前和界面擴(kuò)散10h的磁體進(jìn)行背散射掃描電鏡顯微圖像觀察，并通過分析軟件對富釹相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行求解，數(shù)據(jù)如下：商用無Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy處理前后的富釹相體積分?jǐn)?shù)分別為6.0%、7.0%(界面擴(kuò)散10h)；商用低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy處理前后的富釹相體積分?jǐn)?shù)分別為6.2%、19.7%(界面擴(kuò)散10h)。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，隨著Dy的不斷擴(kuò)散，富釹相的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，主相的晶粒間逐漸形成均勻的晶相界面，可以對硬磁相晶粒的磁耦效應(yīng)起到一定的抑制作用，且晶面擴(kuò)散中的回火處理能夠使得主相的晶面平直，使得反磁化難以成核。

對界面擴(kuò)散10h的兩種磁體進(jìn)行掃描電鏡顯微圖像觀察，觀察的區(qū)域?yàn)榫嚯x表面150微米處，具體圖見圖3所示?？梢钥闯鰞煞N磁體結(jié)構(gòu)的主相晶粒邊緣均存在1-2微米厚度的淺灰色殼體。并對晶粒進(jìn)行線掃分析發(fā)現(xiàn)，主相的晶粒邊緣存在Dy的富集區(qū)，表明通過一系列的Dy擴(kuò)散工藝，最終可以使得Dy進(jìn)入主相的邊緣，并且替換了原本的Nd元素。形成的這種特殊的殼-核結(jié)構(gòu)可以有效提升磁體的矯頑力，并且隨著Nd的不斷替換并排出，在晶面處形成了富Nd相，證實(shí)了晶面擴(kuò)散使得富Nd相增多的現(xiàn)象，同時(shí)也證明了上文中的結(jié)論。

2.5 Dy滲透前后磁體的XRD分析

為了更好的分析Dy滲透處理前后，兩種磁體的晶粒取向的變化情況。對商用無Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體和商用低Dy燒結(jié)釹鐵硼磁體進(jìn)行Dy處理前后的晶粒取向度進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示兩種磁體均在006位置處出現(xiàn)了晶粒的取向度增加情況，說明Dy優(yōu)先在此位置上進(jìn)行擴(kuò)散。同時(shí)，相對于未處理前的圖譜，Dy處理后的磁體出現(xiàn)了衍射峰的右移，這主要是由于Dy在晶面擴(kuò)散過程中，會(huì)替換原有的Nd元素，進(jìn)而形成新的晶格結(jié)構(gòu)，新的晶體晶面間距降低，從而引起了衍射峰的變化。

3 討論

晶面擴(kuò)散方法可以分為干法和濕法兩種，其中干法工藝包括熱蒸鍍、磁控濺射法；濕法工藝包括表面涂覆、電泳沉積等。本文采取的晶面擴(kuò)散方法是磁控濺射法，相對于其他的方法，此方法具有以下優(yōu)勢：(1)膜的結(jié)合力好，磁控濺射原子的動(dòng)能較熱蒸發(fā)的原子動(dòng)能高近100倍，更容易產(chǎn)生更高的結(jié)合力和更加致密的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。(2)相對于其他的界面擴(kuò)散方法，此方法對于膜的厚度具有可控性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)Dy的定量添加。

隨著磁體表面的Dy膜在高溫作用下進(jìn)行界面擴(kuò)散，Dy進(jìn)入磁體的主相晶粒表面，與主相晶粒發(fā)生Nd元素的替換作用，將多余的Nd相排出主相晶粒，而Dy在晶粒表面形成了更高各向異性的殼體結(jié)構(gòu)，多于的Nd相在界面上形成連續(xù)的富Nd晶面相，降低了硬磁相之間的交換耦合作用，原有的晶面缺陷減少，對于反相疇的成核和長大起到抑制作用，以上作用使得磁體的矯頑力得到提升。

4 結(jié)語

磁控濺射法可以在磁體表面形成厚度可控的Dy膜層，且形成的膜與磁體基體的結(jié)合力較強(qiáng)，為Dy的晶面擴(kuò)散提供有力條件。在高溫作用下，Dy發(fā)生擴(kuò)散作用，改善原有的晶體結(jié)構(gòu)，提升矯頑力。本文結(jié)合兩種磁體對Dy擴(kuò)散后的磁體性能及顯微形貌進(jìn)行分析說明，從而更好地促進(jìn)對Dy界面擴(kuò)散改善矯頑力原理的理解。