晶界擴(kuò)散TbF3對(duì)燒結(jié)Nd-Fe-B磁體磁性能和力學(xué)性能的影響

黃宏，胡志華

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

晶界擴(kuò)散技術(shù)能極大地提高燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的矯頑力，同時(shí)確保磁體的剩磁和最大磁能積不降低或略微降低，已被部分企業(yè)應(yīng)用于生產(chǎn)新能源汽車和變頻空調(diào)的電機(jī)磁鋼領(lǐng)域。目前，晶界擴(kuò)散技術(shù)擴(kuò)散重稀土元素進(jìn)入磁體內(nèi)部的方法包括物理氣相沉積法、電化學(xué)法和表面涂覆法等［1-3］；擴(kuò)散源包括重稀土及其合金、重稀土化合物和非重稀土合金及其化合物等［4-6］；擴(kuò)散機(jī)理被認(rèn)為是重稀土元素首先擴(kuò)散進(jìn)入晶界，然后沿著晶界進(jìn)入主相晶粒邊緣殼層，形成核-殼結(jié)構(gòu)，提高磁體的磁晶各向異性場(chǎng)［7］。晶界擴(kuò)散技術(shù)中采用Tb及其合金或化合物能提高磁體的矯頑力［8-10］；同時(shí)采用濺射和蒸鍍Tb及其合金、表面涂覆Tb化合物等已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。燒結(jié)Nd-Fe-B磁體屬于金屬間化合物，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，滑移系很少，抗拉強(qiáng)度很低，脆性大，具備力學(xué)性能各向異性，其機(jī)械加工常導(dǎo)致磁體剝落、掉邊、掉角和開裂等［11］；10多年來，已有許多科研工作者通過增加稀土含量、添加微量晶界合金元素以及降低氫破粉中氫含量等方面提高磁體的強(qiáng)度和韌性［12-15］。然而磁體經(jīng)過晶界擴(kuò)散后還需進(jìn)行研磨加工、表面處理、充磁、包裝等，其擴(kuò)散后的力學(xué)性能也很重要；目前這方面的研究工作很少報(bào)道。文中采用TbF3粉末涂覆在燒結(jié)Nd-Fe-B磁體表面，研究晶界擴(kuò)散前后磁體的磁性能和力學(xué)性能變化，探討磁體的矯頑力和力學(xué)性能的變化機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用名義成分為（PrNd）28.76Dy0.24 Tb2.12 Co1.48 FebalM0.48B0.94（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，M=Nb、Al、Cu、Zr、Ga）的燒結(jié)Nd-Fe-B磁體為基體，加工成厚度為3.5mm的矩形片進(jìn)行晶界擴(kuò)散處理。首先將加工后的樣品進(jìn)行除油噴砂處理，用酒精清洗干凈后烘干；然后在樣品表面涂覆研磨后的TbF3粉末溶液，再次烘干后放入擴(kuò)散燒結(jié)爐中。擴(kuò)散分2組進(jìn)行，1組在擴(kuò)散工裝盒中加入還原劑CaH2，另1組不加入CaH2；擴(kuò)散溫度為900℃，保溫10h后快速冷卻，然后480℃保溫4.5 h后快速冷卻到室溫。利用AMT-4A永磁測(cè)量?jī)x測(cè)試擴(kuò)散前后磁體的磁性能，X射線衍射儀分析磁體的取向，掃描電鏡觀察磁體的微觀結(jié)構(gòu)并進(jìn)行EDS能譜分析，VH-500AC型維氏硬度計(jì)測(cè)試磁體的維氏硬度（加載20kg，保壓15s），每個(gè)樣品測(cè)試4個(gè)有效壓痕，確定平均維氏硬度；利用光學(xué)顯微鏡測(cè)定壓痕四角的裂紋長(zhǎng)度，如圖1所示；利用式（1）計(jì)算樣品的斷裂韌性值：

圖1 燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的維氏硬度測(cè)試壓痕圖

式中：KIC為斷裂韌性；H為維氏硬度；P為壓頭載荷；Σl為裂紋總長(zhǎng)；A為常數(shù)，取值0.0028。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁性能

燒結(jié)Nd-Fe-B磁體在不同擴(kuò)散工藝下的室溫磁性能見圖2，涂覆TbF3擴(kuò)散后，磁體的剩磁略微降低，內(nèi)稟矯頑力得到極大的提高，但磁體的方形度降低明顯。添加CaH2有助于提升磁體的內(nèi)稟矯頑力，進(jìn)一步降低磁體的方形度。晶界擴(kuò)散后磁體的磁性能見圖3，150℃時(shí)晶界擴(kuò)散后磁體的剩磁和矯頑力都明顯降低，但磁體的方形度明顯優(yōu)于室溫時(shí)磁體的方形度，且2種擴(kuò)散工藝下，磁體在150℃時(shí)的方形度變化不大。磁體在不同擴(kuò)散工藝下的磁性能如表1所示，通過晶界擴(kuò)散熱處理，磁體的綜合磁性能（BH）max+Hcj得到極大的提升，從65.82增加到72.73。燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的剩磁溫度系數(shù)α和矯頑力溫度系數(shù)β計(jì)算公式［16］為

表1 不同擴(kuò)散工藝下磁體的磁性能

圖2 不同擴(kuò)散工藝下磁體的室溫磁性能

圖3 晶界擴(kuò)散后磁體的室溫和150℃時(shí)的磁性能

式中：T0為室溫；T為測(cè)量溫度。晶界擴(kuò)散后磁體在20～150℃時(shí)，添加CaH2的晶界擴(kuò)散后α小幅降低，從0.140%·K-1降低到0.137%·K-1，因?yàn)棣恋闹饕绊懸蛩貫榫永餃囟群蚇d亞晶格磁矩的溫度穩(wěn)定性，Tb取代Nd后增強(qiáng)了R-Fe間的交換作用，提高了居里溫度［17］。擴(kuò)散加入CaH2后，提高了Tb的擴(kuò)散效率，α降低。添加CaH2的晶界擴(kuò)散后β小幅增加，從0.439%·K-1增加到0.448%·K-1，因?yàn)樘砑覥aH2的晶界擴(kuò)散后磁體的方形度低于未添加的，在150℃時(shí)的矯頑力下降更快，導(dǎo)致β更高。

2.2 力學(xué)性能

磁體在不同擴(kuò)散工藝下的維氏硬度和斷裂韌性如圖4所示，晶界擴(kuò)散后磁體的維氏硬度降低，斷裂韌性增加。添加CaH2晶界擴(kuò)散后磁體維氏硬度降低是因?yàn)榫Ы绺鼘拰?dǎo)致其富釹相更多，由于富釹相的硬度低于主相晶粒的硬度，導(dǎo)致磁體的維氏硬度降低。同時(shí)添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的維氏硬度更低，但斷裂韌性優(yōu)于未添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體，斷裂韌性平均值達(dá)到3.84MPam1/2。

圖4 不同擴(kuò)散工藝下磁體的維氏硬度和斷裂韌性變化圖

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖5為不同擴(kuò)散工藝下磁體的X射線衍射圖譜，可以看出，磁體中（006）的衍射峰強(qiáng)度明顯高于（105）的衍射峰強(qiáng)度。添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的衍射峰強(qiáng)度I（006）/I（105）為1.27，基體的I（006）/I（105）為1.28，而未添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的I（006）/I（105）為1.18。因此，晶界擴(kuò)散后磁體的取向降低，但添加CaH2的晶界擴(kuò)散基本不降低磁體的取向，利于改善磁體的剩磁和最大磁能積。

圖5 不同擴(kuò)散工藝下磁體的Ⅹ射線衍射圖譜

圖6為不同擴(kuò)散工藝下磁體的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出，基體中不存在異常長(zhǎng)大晶粒，晶粒形狀比較規(guī)則，三叉晶界處存在顆粒狀富釹相，晶界比較清晰光滑。未添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的富釹相明顯分布在晶粒周圍，存在部分富釹相包裹晶粒的現(xiàn)象。添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的晶界更加清晰，晶界寬度明顯大于基體的晶界寬度，表明更多富釹相存在于晶界中。磁體的內(nèi)稟矯頑力主要由主相晶粒的各向異性場(chǎng)HA和磁體的邊界結(jié)構(gòu)特征決定。晶界擴(kuò)散過程中，Tb元素進(jìn)入主相晶粒中的含量稀少，基本不影響主相晶粒的各向異性場(chǎng)。因此晶界擴(kuò)散后磁體的邊界結(jié)構(gòu)特征優(yōu)化是提高磁體的內(nèi)稟矯頑力的主要原因。晶界擴(kuò)散后磁體的晶界富釹相分布更加清晰、連續(xù)和平滑，能夠有效隔離晶粒，減小晶粒間交換耦合作用，提高磁體的矯頑力；同時(shí)Tb元素向主相晶粒的外延層擴(kuò)散，使得主相晶粒的外延層硬化，提高磁體的磁晶各向異性常數(shù)，進(jìn)而提高磁體的矯頑力。晶界擴(kuò)散過程中，Tb元素進(jìn)入富釹相中，增加富釹相的含量，相對(duì)減少主相含量，從而使得剩磁略有降低。燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的主要斷裂方式是沿晶斷裂，磁體的斷裂韌性主要由晶粒尺寸和晶界富釹相決定。晶界擴(kuò)散后磁體的晶界寬度明顯大于基體，且富釹相含量有所提高，改善了磁體的斷裂韌性。

圖6 不同擴(kuò)散工藝下磁體的微觀結(jié)構(gòu)

圖7為未添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的元素分布圖，可以看出，氧元素主要分布在富釹相中，主相晶粒中含量極少；同時(shí)晶界富釹相中鐠釹含量很高，明顯高于晶粒中鐠釹含量，存在鐠釹含量明顯偏析的現(xiàn)象。表2為未添加CaH2的晶界擴(kuò)散后磁體的主相和富釹相的稀土元素含量，如圖6d中標(biāo)記（+）所示，主相晶粒中Dy和Tb質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.47%和1.92%，明顯低于富釹相中Dy和Tb含量；同時(shí)富釹相中的稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到69.88%，明顯高于普通燒結(jié)Nd-Fe-B磁體富釹相的稀土含量。

圖7 晶界擴(kuò)散后磁體的元素分布圖

表2 晶界擴(kuò)散后磁體稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

3 結(jié)論

采用涂覆法對(duì)燒結(jié)Nd-Fe-B磁體進(jìn)行晶界擴(kuò)散TbF3處理，獲得了矯頑力大幅度提升而剩磁略微降低的磁體；擴(kuò)散后的磁體維氏硬度降低，斷裂韌性提高；微觀結(jié)構(gòu)也得到了明顯改善。同時(shí)發(fā)現(xiàn)CaH2有助于提高晶界擴(kuò)散后磁體的綜合磁性能和力學(xué)性能。