Mg納米粉對(duì)釹鐵硼磁性和熱穩(wěn)定性的影響*

李志杰， 王小二， 李佳陽(yáng)， 李　嘉， 王洪志

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

由于具有突出的磁性能，燒結(jié)NdFeB磁體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制備各種電子設(shè)備[1-2].然而，由于NdFeB磁體的熱穩(wěn)定性較差[3-4]，因而嚴(yán)重限制了其在高溫及潮濕等環(huán)境中的應(yīng)用，這主要?dú)w因于燒結(jié)NdFeB磁體的多元相微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn).相對(duì)于主相，富釹相熔點(diǎn)較低且容易被氧化，因此，富釹晶界相的存在會(huì)導(dǎo)致NdFeB磁體的熱穩(wěn)定性較差.改變富釹晶界相的微觀結(jié)構(gòu)是提高NdFeB磁體熱穩(wěn)定性的一種有效方法[5].

目前，針對(duì)燒結(jié)NdFeB磁體熱穩(wěn)定性的研究多集中于通過(guò)添加適量元素或改進(jìn)磁體制備工藝來(lái)提高磁體的內(nèi)稟矯頑力[6]，并利用磁體的高矯頑力來(lái)抵抗外界環(huán)境改變帶來(lái)的磁體性能的下降.提高燒結(jié)NdFeB磁體矯頑力主要有兩種方法.一種方法是在NdFeB磁體制備過(guò)程中添加適量微量元素，如Al、Cu、Co、Dy和Nb等合金元素[7-9]，添加微量元素可以提高燒結(jié)NdFeB磁體的各向異性場(chǎng)，而各向異性場(chǎng)的增加可以促進(jìn)燒結(jié)NdFeB磁體內(nèi)稟矯頑力的提高.另一種方法是改善燒結(jié)NdFeB磁體的顯微結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)楦纳茻Y(jié)NdFeB磁體晶界與晶體內(nèi)部的顯微組織可以減少散磁場(chǎng)的存在，從而提高燒結(jié)NdFeB磁體的內(nèi)稟矯頑力[10].然而，由于合金元素的添加也會(huì)降低磁體的磁性能，因而可以通過(guò)添加輕金屬納米顆粒并利用二元合金法來(lái)提高磁體的晶界相性能.納米顆粒比表面積較大且具有小尺寸效應(yīng)，因而有助于磁體磁性的提高和微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.此外，二元合金法也能夠提高磁體的磁性能[11-12].添加Mg元素可使富釹晶界相變得穩(wěn)定并減少氧化，Mg的密度很小且Mg納米粉的活性很高，在炎熱和潮濕環(huán)境下Mg比Nd更易與氧反應(yīng)從而降低Nd的氧化，同時(shí)Mg的添加能夠促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行.此外，Mg具有較低的熔點(diǎn)，且有利于磁體保持較好的磁性能和熱穩(wěn)定性.目前，有關(guān)添加Mg納米粉后燒結(jié)NdFeB晶界組織相應(yīng)變化的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道.本文將Mg納米粉添加到NdFeB磁體中，研究了Mg納米粉對(duì)磁體的磁性能和熱穩(wěn)定性的影響.

1　實(shí)驗(yàn)方法

利用熔煉方法和甩帶鑄件技術(shù)制得組成成分為(PrNd)29.9Dy0.1B1Co1Cu0.15Febal的合金.通過(guò)氫破和氮?dú)猸h(huán)境下的氣流磨處理，將合金薄片破碎成尺寸為4～5 μm的粉末.利用等離子體電弧法[13]制備Mg納米粉.分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的Mg納米粉與NdFeB合金粉末進(jìn)行初步混合后，在氮?dú)猸h(huán)境下通過(guò)氣流磨進(jìn)行充分混合，之后將粉末進(jìn)行真空烘干.在氬氣環(huán)境下利用取向壓機(jī)將干燥粉末進(jìn)行壓緊，隨后在200 MPa的冷等靜壓下進(jìn)行壓制處理，然后將壓制得到的生坯于1 078 ℃下燒結(jié)3.5 h，之后于900 ℃回火2 h，最后于490 ℃回火5 h.利用AMT-4型磁性測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量磁體的磁性能.利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡來(lái)分析磁體的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和元素分布.利用阿基米德方法測(cè)量磁體密度.將尺寸為φ10 mm×10 mm的磁體試樣分別于23、100和150 ℃下進(jìn)行磁性測(cè)試.

2　結(jié)果與分析

2.1　磁性能和微觀結(jié)構(gòu)

圖1為NdFeB磁體的磁性能與Mg納米粉含量的關(guān)系.

圖1　NdFeB磁體的磁性能與Mg納米粉含量的關(guān)系Fig.1　Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder

當(dāng)Mg納米粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加到0.1%時(shí)，燒結(jié)NdFeB磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積均得到升高.當(dāng)Mg納米粉的添加量大于0.1%時(shí)，隨著Mg納米粉的繼續(xù)添加，磁體的磁性能隨之下降.當(dāng)Mg納米粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，燒結(jié)NdFeB磁體的矯頑力為999.1 kA/m，剩磁為1.436 T，最大磁能積為396.9 kJ/m3，且均達(dá)到最大值.Mg納米粉主要分布于晶界區(qū)域，因此，添加Mg納米粉不會(huì)改變主相的結(jié)構(gòu)和內(nèi)稟性能.Mg納米粉的添加主要用來(lái)改變晶界相的微觀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)增強(qiáng)磁體晶間相的去磁耦合作用來(lái)提高磁體矯頑力.

圖2為不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的SEM圖像.由圖2可以清晰地觀察到磁體的主相和晶界相.當(dāng)添加的Mg納米粉含量為0.1%和0.3%時(shí)，利用光學(xué)顯微鏡可以測(cè)量得到磁體的平均粒徑分別為4.86和5.83 μm，表明適量Mg納米粉的添加有利于阻止主相粒徑的長(zhǎng)大，且主相尺寸越小，磁體的磁性能越好.當(dāng)Mg納米粉含量為0.1%時(shí)，磁體主相晶界清晰，最大晶粒尺寸也相對(duì)較小，晶粒分布更加均勻，晶間相與主相之間具有較好的浸潤(rùn)性，從而有利于增強(qiáng)晶間交換耦合作用并提高磁體密度.此外，平滑而又連續(xù)的晶界層表明鐵磁相間具有更好的隔離效果，這同樣有利于提高磁體的矯頑力.

圖2　不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的SEM圖像Fig.2　SEM images of NdFeB magnets with different contents of Mg nanopowders

圖3為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Mg納米粉后，NdFeB磁體的SEM圖像和EDS能譜.具體EDS分析結(jié)果如表1所示.由圖3可見(jiàn)，NdFeB磁體的晶粒尺寸約為4.86 μm，這與圖2獲得的結(jié)果一致.由表1可見(jiàn)，A點(diǎn)Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.33%，B點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)Mg元素的存在，表明Mg納米粉添加到晶界區(qū)域并與晶間相融合，使得富釹相連接更加均勻，顆粒結(jié)合更加緊密.這是由于在燒結(jié)與回火過(guò)程中Mg與富釹相反應(yīng)生成了Mg-Nd相.

圖3　NdFeB磁體的SEM圖像與EDS能譜Fig.3　SEM image and EDS spectrum of NdFeB magnets

位置NdFeMgA25.4752.320.33B13.3783.250.00

圖4為不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的XRD圖譜.由圖4可見(jiàn)，NdFeB磁體三個(gè)主峰對(duì)應(yīng)的晶面分別為(410)、(411)和(330)晶面，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片編號(hào)為JCPDS36-1296.(410)、(411)和(330)晶面為NdFeB主相結(jié)構(gòu)的特征吸收峰，且波峰隨著Mg納米粉含量的增加而逐漸增強(qiáng)，Mg納米粉的添加對(duì)NdFeB磁體的擇優(yōu)取向具有一定影響，磁體XRD圖譜中的其他波峰是由Mg-Nd相產(chǎn)生的.

燒結(jié)NdFeB磁體的磁性能也與磁體密度有關(guān).圖5為NdFeB磁體密度與Mg納米粉含量的關(guān)系.由圖5可見(jiàn)，當(dāng)Mg納米粉含量為0.1%時(shí)，磁體密度達(dá)到7.42 g/cm3，相對(duì)純磁體提高了0.27%.同時(shí)結(jié)合圖1可知，此時(shí)NdFeB磁體的磁性能最佳.可見(jiàn)，添加適量Mg納米粉可以起到致密作用，從而提高了磁體的磁性能.

圖4　不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的XRD圖譜Fig.4　　　　XRD spectra of NdFeB magnets with different contents of Mg nanopowders

圖5　NdFeB磁體密度與Mg納米粉含量的關(guān)系Fig.5　　　　Relationship between density of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder

2.2　磁體耐熱性

NdFeB磁體的溫度系數(shù)較大，居里溫度不高，這是限制NdFeB磁體在高溫度下應(yīng)用的主要原因.圖6為不同溫度下NdFeB磁體的剩磁，矯頑力和最大磁能積與Mg納米粉添加量之間的關(guān)系.由圖6可見(jiàn)，在23～150 ℃范圍內(nèi)磁體磁性能發(fā)生了線性變化，這是因?yàn)榇朋w在高溫下發(fā)生老化，從而導(dǎo)致磁體磁性能降低，而并非磁體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變.上述磁性能的線性變化屬于磁性的可逆損失，對(duì)相關(guān)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生影響.對(duì)圖6進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的逐漸升高，剩磁、內(nèi)稟矯頑力和最大磁能積均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度不高于100 ℃時(shí)，添加Mg納米粉后NdFeB磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積隨著溫度的升高其下降趨勢(shì)基本相同.當(dāng)溫度處于100～150 ℃范圍內(nèi)時(shí)，磁體的剩磁和最大磁能積的溫度系數(shù)隨溫度的升高而變大，矯頑力的溫度系數(shù)相比100 ℃之前有所降低，表明此時(shí)矯頑力的熱損失增加幅度逐漸減小.剩磁的溫度系數(shù)約為0.018，且添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Mg納米粉后NdFeB磁體的剩磁最高.此外，當(dāng)添加不同含量的Mg納米粉時(shí)，磁體矯頑力和最大磁能積基本保持不變.磁體微觀結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系不是很明顯，磁熱效應(yīng)是磁性下降的主要原因.

圖6　NdFeB磁體的磁性能與溫度的關(guān)系Fig.6　　　　Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and temperature

3　結(jié)　論

采用二元合金法添加Mg納米粉制備了燒結(jié)NdFeB磁體，并對(duì)燒結(jié)NdFeB磁體的微觀結(jié)構(gòu)、磁性能和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1) Mg納米粉主要分布于晶界區(qū)域，提高了富釹相沿主相顆粒的浸潤(rùn)性，改善了晶界相的微觀結(jié)構(gòu)，細(xì)化了主相晶粒，提高了磁體的磁性能.

2) 當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Mg納米粉時(shí)，燒結(jié)NdFeB磁體的矯頑力為999.1 kA/m，剩磁為1.436 T，最大磁能積為396.9 kJ/m3，且分別達(dá)到了最大值.

3) 燒結(jié)NdFeB磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積隨著溫度的升高而降低.在23～150 ℃范圍內(nèi)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Mg納米粉后NdFeB磁體的剩磁具有最大值.磁體矯頑力在100～150 ℃時(shí)的溫度系數(shù)低于100 ℃之前的溫度系數(shù)，表明矯頑力的熱損失增加幅度逐漸減小，磁體剩磁和最大磁能積的溫度系數(shù)在100 ℃之后升高，表明熱損失也逐漸升高.