NdFeB磁體磁性能一致性差的原因及改進(jìn)措施

王瑜

（包頭金山磁材有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014020）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

NdFeB磁體磁性能一致性差的原因及改進(jìn)措施

王瑜

（包頭金山磁材有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014020）

燒結(jié)釹鐵硼磁體性能一致性差是困擾磁體生產(chǎn)廠家的問(wèn)題之一，因此對(duì)磁體磁性能一致性差的原因進(jìn)行了定性的歸納、分析，并有針對(duì)性地提出了一些改善磁體磁性能一致性的建議與措施，期望對(duì)磁體生產(chǎn)提供有益的指導(dǎo)和參考。

NdFeB磁體 磁性能 一致性

近年來(lái)，以釹鐵硼為代表的永磁材料產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是燒結(jié)磁體還是黏結(jié)磁體，都取得了很大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在磁體性能和產(chǎn)量都得到了較大幅度的提高?，F(xiàn)在我國(guó)一些釹鐵硼磁體生產(chǎn)廠家已經(jīng)可以生產(chǎn)N54、52M、48SH、45UH等高牌號(hào)產(chǎn)品，整個(gè)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料正在向高Br、高矯頑力Hcj和高磁能積（BH）max等各項(xiàng)指標(biāo)全面提高的方向發(fā)展,與國(guó)外先進(jìn)水平的差距越來(lái)越小[1]。但隨著產(chǎn)品性能的迅速提高，另一個(gè)問(wèn)題卻顯得越來(lái)越突出，那就是產(chǎn)品磁性能的一致性差的問(wèn)題。提高產(chǎn)品磁性能及其一致性是磁體生產(chǎn)廠家和使用者共同關(guān)心的課題。對(duì)于各向異性燒結(jié)釹鐵硼磁體而言，同一批次產(chǎn)品、同一爐次產(chǎn)品、甚至同一塊產(chǎn)品不同部位切取的樣品，它們之間的磁性能總是存在較大的離散性，很難做到均勻一致。經(jīng)常遇到的一些情況是：同一爐產(chǎn)品磁性能之間存在較大差異；把一塊磁體切片后，各個(gè)片之間磁性能會(huì)有較大的差異；較大的塊類產(chǎn)品磁體兩個(gè)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度有明顯的區(qū)別。所有這些，都反映出磁體在一致性方面存在的問(wèn)題十分突出。

因此，從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，對(duì)影響磁體的一致性的因素進(jìn)行歸納分析，并提出一些相關(guān)改進(jìn)建議。

1 磁體磁性能的影響因素

磁性有物質(zhì)磁性和物體磁性之分。物質(zhì)磁性是指只與物質(zhì)成分和微結(jié)構(gòu)有關(guān)而與物體形狀、大小無(wú)關(guān)的磁性。而物體磁性則是指與磁性材料規(guī)格、尺寸相關(guān)所表現(xiàn)出來(lái)的磁性。對(duì)于使用者而言，一般關(guān)心的是物體磁性。對(duì)于材料研究而言，關(guān)心的則是物質(zhì)磁性。對(duì)于釹鐵硼永磁材料而言，常用到的也是最重要的物質(zhì)磁性能參數(shù)有剩磁Br和矯頑力Hcj，另外常用的還有方形度Q。（BH）max雖然也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，但從物理量影響角度而言，可將其看成是磁體剩磁Br、矯頑力Hcj和方形度Q的函數(shù)；在生產(chǎn)中常用到的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通則屬于物體磁性，體現(xiàn)的是物質(zhì)磁性的一致性控制水平。綜合這些情況，只對(duì)磁體Br、Hcj以及Q的影響因素以及它們的一致性問(wèn)題進(jìn)行探討。

1.1 磁體剩磁Br的影響因素

燒結(jié)磁體剩磁Br可表示為[2]:

式中：Vn為非磁性相體積分?jǐn)?shù)，1-Vn則為Nd2Fe14B主相體積分?jǐn)?shù)；ρ為磁體燒結(jié)體密度；ρ0為致密體理論密度；ρ/ρ0表示磁體相對(duì)密度；f為Nd2Fe14B晶粒沿易磁化軸方向的取向系數(shù)（因子），即取向度；Js為Nd2Fe14B飽和磁極化強(qiáng)度（室溫）。

由式（1）可知，影響剩磁的因素有磁體成分（直接決定磁性主相室溫飽和磁化強(qiáng)度和磁性主相體積分?jǐn)?shù)）、磁體相對(duì)密度、磁體取向度等。

1.2 磁體矯頑力Hcj、方形度Q的影響因素

Hcj與Q是磁體非常重要的指標(biāo)，影響Hcj與Q的因素主要有成分、氧含量、顯微結(jié)構(gòu)。其中氧含量又與各個(gè)工序氧含量控制水平有關(guān)，而顯微組織則主要取決于粉料的粒度與分布以及燒結(jié)工藝的各參數(shù)，具體地說(shuō)取決于各燒結(jié)段的溫度及氣淬速度的控制。

2 磁性能一致性差原因探討

對(duì)上述這些磁性能影響因素，在生產(chǎn)實(shí)際中我們更關(guān)心哪些因素是主要因素，哪些是次要因素，以及生產(chǎn)中出現(xiàn)的磁性能一致性差是由那些具體因素造成的。

2.1 Br一致性差原因

磁體Br一致性主要受成分均勻性、取向一致性和燒結(jié)致密度一致性的影響，有研究表明[3]：由成分偏析引起的不均勻度一般在0.5%之內(nèi)；由磁體密度一致性差引起的不均勻度一般在2%～5%；由取向度一致性差引起的不均勻度則可達(dá)6%～7%。

2.1.1 成分一致性差原因

生產(chǎn)實(shí)踐表明，材料一致性差、速凝鑄片結(jié)晶一致性差，對(duì)最終產(chǎn)品一致性有較大影響，再加上氣流磨制粉工藝的先天不足，會(huì)最終表現(xiàn)為粉料一致性差。這是因?yàn)殍T片不同部位結(jié)晶情況不同，反映在制粉工序即鑄片破碎性存在差異，再由于氣流磨制粉時(shí)成分偏析較難破碎的粉料的累積，使氣流磨前后不同時(shí)段所制粉料成分之間存在差異。另外目前釹鐵硼生產(chǎn)普遍添加防氧化劑及潤(rùn)滑劑，如果處理不好，會(huì)導(dǎo)致粉料之間干濕度存在差異。

目前的解決辦法是，在氣流磨之后用混料機(jī)混料，但混料機(jī)的設(shè)計(jì)缺陷及人工操作存在的差異都會(huì)導(dǎo)致粉料成分出現(xiàn)差異，而粉料成分一致性差異會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品Br出現(xiàn)差異。

2.1.2 燒結(jié)體密度一致性差原因

成型環(huán)節(jié)有許多因素會(huì)導(dǎo)致生坯密度分布出現(xiàn)差異（同一塊產(chǎn)品不同部位密度存在差異）[4]，如成型方式、所成型產(chǎn)品的長(zhǎng)徑比（增加壓坯高度會(huì)使壓坯密度差增加，加大直徑則使密度分布更加不均勻）、成型模具光潔度等。而我們更關(guān)心的是影響批料產(chǎn)品密度一致性（連續(xù)生產(chǎn)的不同產(chǎn)品之間存在的密度差異）的因素，結(jié)合理論分析和工程實(shí)踐，我們認(rèn)為影響成型生坯密度一致性主要有以下一些情況：

首先，目前相當(dāng)一部分國(guó)產(chǎn)成型壓機(jī)，尤其是成型小規(guī)格產(chǎn)品的小噸位壓機(jī)存在不少問(wèn)題，主要表現(xiàn)在液壓系統(tǒng)密封性較差、易漏油，壓力不穩(wěn)定、波動(dòng)大，需經(jīng)常性調(diào)節(jié)，故障率高等，這些情況經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)品密度之間出現(xiàn)差異。

其次，許多廠家在生產(chǎn)同一種產(chǎn)品時(shí)，存在多臺(tái)壓機(jī)同時(shí)生產(chǎn)卻不加區(qū)分的現(xiàn)象。各臺(tái)壓機(jī)之間壓力也存在較大的差異，這些都會(huì)導(dǎo)致同一批號(hào)粉料而成型密度卻出現(xiàn)較大的差異。沒(méi)有精確控制成型壓力，隨意性較強(qiáng)。

再次，除成型工序外，燒結(jié)工序同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品密度之間出現(xiàn)差異。尤其現(xiàn)在許多生產(chǎn)廠家燒結(jié)爐越來(lái)越大，爐內(nèi)溫差過(guò)大；裝爐時(shí)嚴(yán)重超裝，產(chǎn)品處在恒溫區(qū)之外，再加上不定期校對(duì)爐內(nèi)溫度，使得不同部位產(chǎn)品燒結(jié)溫度存在一定差異，導(dǎo)致最終產(chǎn)品密度一致性變差。

2.1.3 磁體取向度一致性差原因

磁體取向度是影響B(tài)r最重要的一個(gè)因素，而且是影響程度最不穩(wěn)定的一個(gè)因素。磁性能往往出現(xiàn)明顯波動(dòng)，絕大多數(shù)情況都是由取向度出現(xiàn)問(wèn)題造成的，而且取向度差卻最難得到測(cè)試確認(rèn)。

從成型工序出來(lái)的產(chǎn)品，產(chǎn)品取向度為何會(huì)有差別？分析認(rèn)為主要有以下幾方面的原因：

首先，取向磁場(chǎng)存在差異。如上所述，許多廠家在成型同批號(hào)產(chǎn)品，經(jīng)常會(huì)采用多臺(tái)壓機(jī)同時(shí)成型，而各臺(tái)壓機(jī)取向磁場(chǎng)也往往存在不小的差異，會(huì)導(dǎo)致不同壓機(jī)所成型產(chǎn)品的取向度存在差異。不同成型壓機(jī)取向磁場(chǎng)之間的差異往往是造成批量產(chǎn)品剩磁一致性較差的主要原因。

其次，成型取向壓機(jī)可靠性較差。國(guó)產(chǎn)成型壓機(jī)，在取向電磁鐵和控制電源方面的可靠性差相對(duì)較差，尤其在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，取向磁場(chǎng)和退磁磁場(chǎng)不穩(wěn)定。特別是小型電磁鐵，取向磁場(chǎng)本來(lái)就不是很高，在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作后，電磁鐵溫度升高，電阻增大，造成取向電流不足，會(huì)引起取向磁場(chǎng)的下降，這也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品取向度降低。

最后，成型取向度易受人為操作影響。目前國(guó)內(nèi)采用全自動(dòng)壓機(jī)的生產(chǎn)廠家仍較少，成型都是由人工往模具加料，而在加料過(guò)程中易不自覺(jué)地對(duì)粉料施加壓力，造成粉料取向前發(fā)生團(tuán)聚，影響取向。另外，成型時(shí)模具松裝比設(shè)計(jì)不合理、模具光潔度差等環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)取向度一致性造成影響。這些一般是造成同一產(chǎn)品不同部位磁性能一致性差的主要原因，因此在生產(chǎn)中應(yīng)高度重視對(duì)成型環(huán)節(jié)的管理控制，保證產(chǎn)品取向度的一致性。

2.2 磁體矯頑力Hcj、方形度Q一致性差原因

磁體Hcj、Q一致性同樣是我們非常關(guān)心的問(wèn)題。相對(duì)而言，由于磁體Hcj、Q對(duì)工藝因素更敏感，故一致性問(wèn)題更為突出。

磁體Hcj、Q一致性影響因素除成分之外，主要有以下幾方面因素：

首先，粉料粒度及分布的影響。這一問(wèn)題在生產(chǎn)高矯頑力產(chǎn)品表現(xiàn)尤為突出。

另外，燒結(jié)工序也是影響磁體Hcj、Q一致性的重要因素。前面已述及，一些生產(chǎn)廠家為片面追求經(jīng)濟(jì)效益，選用的燒結(jié)爐越來(lái)越大。爐膛體積增加，裝爐時(shí)超量，造成爐膛溫區(qū)均勻性變差，這種情況在空爐時(shí)還不太明顯，但在裝滿產(chǎn)品后表現(xiàn)尤為明顯。爐膛溫區(qū)一致性差，難以保證燒結(jié)與時(shí)效時(shí)溫度的一致，再加上對(duì)冷卻速度的影響，會(huì)直接影響磁體的顯微組織結(jié)構(gòu)，這些都會(huì)對(duì)磁體Hcj、Q的一致性產(chǎn)生足夠大的影響。

3 改進(jìn)措施

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，有針對(duì)性地提出一些建議或注意事項(xiàng)，以提高產(chǎn)品一致性。

1）在鑄片工序，應(yīng)當(dāng)減小鑄片厚度，充分保證鑄片各部分都有大體一致的冷卻效果，控制鑄片在結(jié)晶組織上的一致性。

2）改進(jìn)氣流磨，提高設(shè)備關(guān)鍵部件耐磨性、穩(wěn)定性，改善粉料粒度及其分布；由于目前釹鐵硼生產(chǎn)企業(yè)大多采用防氧化劑，故氣流磨后要充分混料，最終控制粉料成分、粒度及其分布、干濕度等方面的一致性。

3）條件成熟的廠家可采用國(guó)外進(jìn)口壓機(jī)。采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備的廠家要做到以下幾方面：經(jīng)常檢查成型壓力、取向磁場(chǎng)、取向和成型配合情況，保證取向穩(wěn)定；規(guī)范工藝，將操作工偶然誤差降至最低；同時(shí)，對(duì)于成型時(shí)不同成型壓機(jī)所成型的產(chǎn)品應(yīng)該分別標(biāo)識(shí)并加以區(qū)分，避免不同壓機(jī)壓力、取向磁場(chǎng)不同影響磁體Br一致性，同時(shí)利于在發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)容易查清原因，以及時(shí)穩(wěn)定生產(chǎn)。可見(jiàn)對(duì)成型工序的有效控制對(duì)批次產(chǎn)品穩(wěn)定性起決定性作用。

4）合理選用燒結(jié)爐，適度控制裝爐量。燒結(jié)時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品一致性要求較高的產(chǎn)品，要適度控制裝爐量，確保溫區(qū)控制在合理范圍；合理制定燒結(jié)溫度、時(shí)效制度，溫度不宜過(guò)高，可采用略低溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)，尤其是對(duì)于采用氫爆碎制粉的粉料，應(yīng)防止晶粒長(zhǎng)大。

5）在整個(gè)生產(chǎn)工藝中應(yīng)防止氧化，提高氧含量控制水平，尤其是在制粉、成型等增氧較多的工序。有效控制氧含量對(duì)磁體Hcj、Q一致性的提高大有好處。

4 結(jié)語(yǔ)

成型環(huán)節(jié)主要影響產(chǎn)品取向度和密度的一致性，進(jìn)而影響磁體Br的一致性；而燒結(jié)環(huán)節(jié)以及對(duì)氧含量的控制則主要影響Hcj和Q的一致性。所以生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施，以改進(jìn)產(chǎn)品一致性，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。這對(duì)于技術(shù)水平不高、工藝控制水平較差的一些中小企業(yè)顯得尤其重要。

[1]李衛(wèi)，朱明剛.高性能金屬永磁材料的探索和研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2009，128（9/10）：62.

[2]周壽增，董清飛.超強(qiáng)永磁體-稀土鐵系永磁材料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999：251-252.

[3]鄒光榮，傅恒志，胡世平，等.取向度對(duì)Nd-Fe-B磁體磁性能均勻性的影響[J].稀有金屬材料與工程，2000，29（3）：149-152.

[4]王盤鑫.粉末冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003：124-148.

（編輯：胡玉香）

The Reasons and Improvement Measures for Bad Consistency of NdFeB Magnets

WANG Yu
（Baotou Jinshan Magnetic Material Co.,Ltd.,Baotou Inner Mongolia 014020）

The badly consistency of the NdFeB magnets performance is one of the problems for manufacturer.This paper has carried on the qualitative induction,the analysis of the bad reason of magnet performance consistency,and proposes some suggestions and the measures to improve magnet performance consistency,providing beneficial instruction and reference to magnet production.

NdFeB magnets,magnet performance,consistency

TG132.2+7

A

1672-1152（2016）06-0045-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.17

2016-10-14

王瑜（1974—），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事燒結(jié)釹鐵硼永磁材料研發(fā)工作。