基于Taguchi方法的晶界擴散Al改性HDDR Nd- Fe- B磁粉研究

朱明原 孔 拓 呂 蒙 李文獻 金紅明 李 瑛

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444; 2.上海大學(xué)可持續(xù)能源研究院，上海 200072)

Nd- Fe- B永磁材料具有優(yōu)異的磁性能和較高的性價比，在電機、風(fēng)力發(fā)電、醫(yī)療器械、交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。采用氫化- 歧化- 脫氫- 再結(jié)合(hydrogenation- disproportionation-desorption- recombination, HDDR)工藝生產(chǎn)的高性能各向異性Nd- Fe- B磁粉的晶粒細小(0.3 μm)，接近單個磁疇尺寸[2]，是制造各向異性粘結(jié)Nd- Fe- B磁體的理想材料。

Nd- Fe- B永磁材料的主要性能指標包括矯頑力(Hci)、剩磁(Br)和最大磁能積(BHmax)。由于Nd- Fe- B的矯頑力溫度系數(shù)為負值，熱穩(wěn)定性不高，阻礙了HDDR Nd- Fe- B磁粉在高溫及變溫環(huán)境中的應(yīng)用。因而，提高Nd- Fe- B的矯頑力一直是研究的熱點。起初是在Nd- Fe- B合金熔煉過程中添加價格昂貴的重稀土元素鏑，形成高磁晶各向異性場(HA)的重稀土化合物(Dy,Nd)2Fe14B，以提高Nd- Fe- B的矯頑力及熱穩(wěn)定性。隨后研究發(fā)現(xiàn)，矯頑力是結(jié)構(gòu)敏感的磁參數(shù)，可通過優(yōu)化晶界相來提高矯頑力，即通過重稀土元素(heavy rare earth, HRE)的晶界擴散，置換Nd2Fe14B晶粒表面部分Nd形成高HA的殼層結(jié)構(gòu)[3]，在顯著降低鏑使用量的情況下，實現(xiàn)Nd- Fe- B矯頑力的提高。為了進一步減少高矯頑力Nd- Fe- B對重稀土的依賴，研究者們開始探索非重稀土晶界擴散改性Nd- Fe- B永磁材料。目前，改善Nd- Fe- B矯頑力的非重稀土晶界擴散源大致可分為3種。第1種是輕稀土- 過渡元素合金，例如Nd- Cu[4]和Pr- Cu合金[5]。富含Nd的晶界在擴散后變得連續(xù)且平滑，降低了Nd2Fe14B晶粒之間的耦合[6]。第2種是高熔點或高硬度化合物，它們充當釘扎位點以抑制磁疇壁的移動，例如WC[7]和MgO[8]。第3種是低熔點金屬，例如Ga[9]和Zn[10]，可以改善晶界相的潤濕性從而提高矯頑力。

Al的熔點相對較低，其擴散后會改善晶界相的性質(zhì)、優(yōu)化磁體的顯微結(jié)構(gòu)，從而提高磁性能。因此，本文選擇廉價的低熔點金屬Al粉為擴散源，探究Al晶界擴散對HDDR Nd- Fe- B粉末磁性能的影響。HDDR Nd- Fe- B粉末的磁性能對擴散條件非常敏感，很多因素會影響擴散過程，通過常規(guī)的試驗方法尋找最優(yōu)的擴散條件耗時費力。20世紀60年代，Taguchi根據(jù)正交試驗提出了一種科學(xué)的試驗設(shè)計方法，即Taguchi方法[11]。該方法倡導(dǎo)利用較少的試驗數(shù)量，尋找最佳影響參數(shù)[12- 14]，特別是對于條件敏感的復(fù)雜試驗，還可通過計算分析獲得各因素對試驗結(jié)果的影響程度。因此，本文使用Taguchi法研究了晶界擴散參數(shù)(擴散溫度、擴散時間、Al添加量和研磨時間)對HDDR Nd- Fe- B磁粉磁性能的影響，在顯著減少試驗次數(shù)的前提下獲得了最佳的擴散條件和各參數(shù)對磁性能的影響程度，為晶界擴散的高效研究提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣的制備

在高純氬氣氣氛的SUPER型手套箱內(nèi)，使用瑪瑙研缽將各向異性HDDR Nd- Fe- B粉末(大連凱翔有限公司)和Al粉末(湖南金馬有限公司)研磨混合，然后將混合粉料在20 MPa的壓力下壓制10 min，獲得生坯，再將坯料放入真空爐中進行擴散處理。用Lake Shore 7407振動樣品磁強計測量磁粉的磁性能。

1.2 Taguchi試驗設(shè)計

根據(jù)前期試驗經(jīng)驗，選擇擴散溫度、擴散時間、Al添加量和研磨時間為HDDR Nd- Fe- B粉末的晶界擴散參數(shù)。Al粉晶界擴散HDDR Nd- Fe- B試樣的制備條件，即試驗因素及水平列于表1。根據(jù)情況選用了4個因素(包括1個誤差項(e))4個水平的L16(45)正交表，得到共16組試驗方案?？紤]到Al的熔點(660 ℃)和富Nd相的熔化溫度(約650 ℃)，將擴散溫度定為550～700 ℃，間隔50 ℃。其他因素水平值參考文獻[15]。

表1 試驗因素和水平Table 1 Factors and levels used in the experiment

2 結(jié)果與討論

對于4因素4水平試驗，全部試驗次數(shù)至少為256(44)次。Taguchi方法通過L16(45)正交排列將試驗次數(shù)簡化為16次，根據(jù)該法設(shè)計的具體因素及水平排列見表2中第2～5列，并以此條件制備試樣，將獲得的磁粉的矯頑力(Hci)、剩磁(Br)和最大磁能積(BHmax)的結(jié)果列于表2中后3列。

表2 Taguchi試驗正交矩陣和磁性能Table 2 Taguchi experiment array and magnetic properties

2.1 各因素對磁性能的影響程度

ANOVA)方法考察影響磁性能的主要因素。下文將通過ANOVA計算各因素對磁性能的影響程度。根據(jù)Taguchi方法，總平方和(ST)可以通過式(1)得出[16]：

(1)

(2)

式中：SF表示因素F的總的平方和;F為因素A、B、C和D；i為水平數(shù)，取1、2、3和4;Fi為因素F在i水平的磁性能響應(yīng)值的和；Se為誤差項的總的平方和。并且，

ST=SA+SB+SC+SD+Se

(3)

因素F對磁性能的影響程度PF可根據(jù)式(4)得出：

PF=SF/ST

(4)

ANOVA計算的各因素對磁性能的影響程度見表3。各因素對矯頑力的影響的大小順序為A>C>D>B，擴散溫度的影響占比接近90%，說明擴散溫度是影響晶界擴散HDDR Nd- Fe- B磁粉矯頑力的主要因素。而Al添加量是影響剩磁的主要因素，影響占比55.7%。擴散溫度是影響最大磁能積的主要因素，影響占比43.0%，其次分別是研磨時間(24.9%)和Al添加量(24.5%)。

表3 各因素對磁性能的影響占比(P)的方差分析結(jié)果Table 3 ANOVA results for the contribution percentage (P) of each factor to magnetic properties

2.2 Al晶界擴散優(yōu)化HDDR Nd- Fe- B磁性能的最佳條件

根據(jù)試驗結(jié)果，計算了各因素不同水平下磁性能的平均值，并繪制了磁性能隨各因素的變化趨勢(圖1)，以便于直接觀察并尋找最優(yōu)擴散條件。所有曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，對于永磁體，期望其磁性能具有大響應(yīng)值，即越大越好。除矯頑力外，還考慮了剩磁和最大能量乘積，并在圖1中圈出了最佳擴散條件。

圖1 磁性能隨各因素的變化趨勢Fig.1 Change tendency of magnetic properties with each factor

從圖1可以看出，矯頑力和最大磁能積隨擴散溫度的變化而劇烈波動。因此，擴散溫度對磁性能的影響程度遠大于其他因素，這與2.1節(jié)的計算結(jié)果一致。磁性能隨擴散時間的變化相對穩(wěn)定，這可能是因為擴散時間在最佳范圍內(nèi)。較短的擴散時間會導(dǎo)致擴散不充分，而較長的擴散時間會導(dǎo)致晶粒長大，這都對磁性能產(chǎn)生不利影響。Al添加量對剩磁的影響明顯。少量的Al可以充當潤滑劑，從而改善粉末顆粒的取向，但過量的Al會導(dǎo)致剩磁降低。低熔點Al能提高晶界相的潤濕性，平滑的界面結(jié)構(gòu)可能降低退磁能并抑制相鄰基體晶粒之間的交換耦合，從而提高矯頑力。研磨時間主要影響顆粒粒徑，研磨不足會導(dǎo)致混合不均勻，過度研磨會導(dǎo)致顆粒氧化。

根據(jù)圖1得出晶界擴散的最佳條件，即擴散溫度為600 ℃，擴散時間為1 h，Al添加量為3%，研磨時間為15 min。根據(jù)最佳條件，在手套箱內(nèi)配制Al添加量為3%的HDDR Nd- Fe- B磁粉，將其混合研磨15 min后壓坯，生坯在600 ℃真空爐中擴散1 h，采用振動樣品磁強計對磁粉試樣進行磁性能表征。圖2是最佳條件下制備的磁粉和初始磁粉的退磁曲線。初始磁粉的矯頑力、剩磁和最大磁能積分別為7.9 kOe、13.0 kG和21.0 MGOe。最佳擴散條件下制備的磁粉的矯頑力、剩磁和最大磁能積分別為9.9 kOe、13.9 kG和29.2 MGOe。經(jīng)過優(yōu)選的晶界擴散處理，磁粉矯頑力提高了25%。Al晶界擴散明顯提高了HDDR Nd- Fe- B磁粉的矯頑力，表明Al是提高Nd- Fe- B矯頑力的廉價擴散源，對高矯頑力HDDR Nd- Fe- B磁粉的去鏑化研究意義深遠。最佳擴散條件下制備的磁粉磁性能比表2所有條件下制備的磁體磁性能都高，尤其是矯頑力，比表2中最大矯頑力(8.6 kOe)提高了15%。

圖2 初始磁粉和最佳擴散條件下制備的磁粉的退磁曲線Fig.2 Demagnetization curves of initial magnetic powder and magnetic powders prepared under the optimal diffusion conditions

3 結(jié)論

采用Taguchi科學(xué)試驗設(shè)計方法研究了Al晶界擴散優(yōu)化各向異性HDDR Nd- Fe- B粉末的磁性能，將256(44)個試驗簡化為16個試驗，獲得了最佳晶界擴散條件，即擴散溫度為600 ℃，擴散時間為1 h，Al添加量為3 %，研磨時間為15 min。在此條件下制備的Al晶界擴散HDDR Nd- Fe- B磁粉的磁性能最佳，矯頑力提高了25%。通過計算分析獲得了各因素對磁性能的影響程度，擴散溫度是影響矯頑力的最重要因素。Taguchi方法與試驗相結(jié)合可以減少試驗次數(shù)，為控制擴散條件指明方向，使晶界擴散研究更加高效。Al是提高HDDR Nd- Fe- B磁粉矯頑力的廉價擴散源，對HDDR Nd- Fe- B磁粉的去鏑化研究及工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。