添加Zr、Ti 元素對燒結(jié)釹鐵硼磁性能與時效工藝的影響

張文博 李秀燕 王新峰 張均飛 雒有成/文

甘肅稀土新材料股份有限公司

1 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電、伺服電機(jī)、新能源汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展,高性能NdFeB 永磁體的需求迅速增大，因此提升釹鐵硼磁性能，研發(fā)高性能燒結(jié)釹鐵硼已成為首要技術(shù)攻關(guān)難題。目前高矯頑力磁體通常需要添加鏑或鋱等重稀土元素來提高矯頑力，然而戰(zhàn)略性稀土元素鏑、鋱的儲量較少且價格昂貴。在內(nèi)稟磁特性不變的前提下，燒結(jié) NdFeB 磁體的矯頑力主要取決于其晶間顯微組織，所以通過細(xì)化晶粒、晶界合金化等工藝可以提高釹鐵硼磁體性能，其中，在NdFeB磁體中添加微量元素成為細(xì)化晶粒的主要方法之一。研究工作者們發(fā)現(xiàn)，添加Zr、Ti 等元素均能起到細(xì)化晶粒、提高矯頑力的作用，且由于元素添加量及種類不同，所得磁體的晶界相結(jié)構(gòu)、形態(tài)也不同，提高矯頑力的機(jī)理也不同，從而導(dǎo)致矯頑力差異較大，所對應(yīng)的時效工藝也有所區(qū)別。

本文通過試驗，驗證了晶間合金法添加Pr-Nd、Dy 金屬對燒結(jié)釹鐵硼磁性能的提升，同時試驗了不同燒結(jié)時效工藝對含Zr、Ti 釹鐵硼磁性能的影響。

2 實驗方法

本實驗采用Pr-Nd、Fe、B-Fe、Tb、Co、Cu、Al、Nd-Fe、Ce、Gd-Fe、Zr、Ti 為原料，所用原料純度均高于99.7%，首先直接以(Pr-Nd)22.5Gd2Dy0.25Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Fe 為合金設(shè)計成分進(jìn)行配料。將所配原料再通過熔煉→氫碎→制粉→磁場成形，得到樣品A。

以(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Fe 為主合金設(shè)計成分進(jìn)行配料，通過熔煉→氫碎→制粉（采用晶間合金化工藝在制粉工序加入金屬Pr-Nd 粉、Dy粉）→磁場成形，得到樣品B。

分別以(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Ti0.3Fe 和(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Zr0.3Fe 為主合金設(shè)計成分進(jìn)行配料，通過熔煉→氫碎→制粉（采用晶間合金化工藝在制粉工序加入金屬Pr-Nd 粉、Dy 粉）→磁場成形，得到樣品C1、C2。

將壓坯在1060 ℃燒結(jié)，分別再經(jīng)640 ℃時效處理，用永磁測量儀測量試樣的磁性能。

對含Zr 和含Ti 磁體試驗不同時效工藝，以尋找最優(yōu)工藝與最高磁性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 晶間合金化工藝對磁體性能的影響

由表1 可知，樣品B 對比樣品A 矯頑力由15.2 KOe 提升至16.7 KOe，矯頑力提高1.5 KOe，并且剩磁變化不大，這是因為鐠釹粉與鏑粉通過晶間合金化工藝加入后，并不進(jìn)入主相，而是富集在晶界位置，添加元素只影響邊界結(jié)構(gòu)而不影響晶內(nèi)，從而在提高磁體矯頑力的同時不損害剩磁與磁能積。

表1 晶間合金化工藝對磁體性能的影響

3.2 添加Zr、Ti 元素對磁體磁性能的影響

以(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Ti0.3Fe 為主合金設(shè)計成分，同樣在制粉工序分別加入0.5%的Pr-Nd粉、0.25%的Dy 粉制備成的磁體C1，磁性能檢測結(jié)果如表2所示。由表2可知，在加入Ti 元素后，經(jīng)640 ℃時效處理磁體矯頑力由16.71 KOe 提高至17.10 KOe，且剩磁變化不大。矯頑力提高0.3 KOe，漲幅明顯，在添加Ti元素的燒結(jié)NdFeB磁體中，Ti 元素并不是溶解于主相或者晶界相，而是以TiB2沉淀形式均勻分散在晶界邊角處阻止晶粒的長大，從而使晶粒尺寸變小。而含Zr 的C2 樣品矯頑力卻降至15.30 KOe，方形度也變差，初步判斷是時效工藝不匹配導(dǎo)致的磁性能降低。添加高熔點的Zr 主要是提高磁體熱穩(wěn)定，并且在晶間上形成非磁性粒子，通過抑制晶粒長大來提高磁體的矯頑力。

表2 添加Zr、Ti 元素對磁體磁性能影響

3.3 添加Zr、Ti 元素后不同時效工藝對磁體磁性能的影響

如圖1所示，在不同時效溫度下，含Zr 磁體在640℃時效下矯頑力僅為15.8 KOe，而經(jīng)過500 ℃時效后矯頑力提升至17.2 KOe，方形度為96.2%；而含Ti 磁體在640℃時效后矯頑力達(dá)到17.1 KOe，方形度更是達(dá)到97.7%，降低時效溫度時矯頑力大幅度下降。

圖1 不同時效工藝下磁體矯頑力

上述現(xiàn)象可能跟兩種元素添加后所形成的相有關(guān)，Ti 元素主要以TiB2沉淀形式均勻分散在晶界邊角處，較高的時效溫度更利于高熔點TiB2的均勻分布，改善其在晶界處均勻分散，更利于阻止晶粒長大。而添加Zr 元素的磁體，Zr 元素主要分布在晶間位置，通過形成非磁性粒子以抑制晶粒長大，當(dāng)時效溫度較高時Zr 元素將溶解在富釹相中與其他微量元素合金化，未能起到強(qiáng)化晶界對疇壁的釘扎作用，不能實現(xiàn)磁隔離作用，同樣不能起到抑制晶粒長大的作用，進(jìn)而對矯頑力的提升作用不明顯。

圖2 B-Ti 金相圖

4 結(jié)論

通過晶間合金化工藝及微量元素Zr、Ti 的適量添加，可以大幅度提高燒結(jié)釹鐵硼磁性能，降低成本，減少戰(zhàn)略性稀土元素的添加。同樣含量的磁體，通過晶間合金化工藝矯頑力可提高1.5 KOe 左右。而添加0.3% wt 的Zr、Ti 金屬矯頑力可提高0.3～ 0.4 KOe。對于添加高熔點Zr、Ti 金屬時，針對其添加量不同添加元素不同，所對應(yīng)的時效溫度也不同。當(dāng)加入0.3% wt Zr 金屬時，時效溫度為500 ℃時磁性能最優(yōu)；而加入0.3 % wt Ti 金屬時磁體最佳時效溫度為640 ℃左右。這與其在磁體內(nèi)部的分布和成相有關(guān)。Ti 元素的添加能大幅度改善磁體方形度，適量添加Ti 元素可以制得高方形度磁體。