热处理对双合金工艺制备的(...e-B烧结磁体矫顽力的影响_屈凯.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 30 热处理对双合金工艺制备的(Nd,Tb)-Fe-B烧结磁体矫顽力的影响屈凯，高岩，于海洋，付建龙，刘国征(包头稀土研究院 白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室，内蒙古包头 014010)摘要：为了在降低重稀土用量的情况下进一步提高磁体矫顽力，应用双合金工艺将主合金粉与辅合金粉按7.5:2.5比例混合制备出双合金Nd-Fe-B烧结磁体。探究了回火工艺对稀土双合金磁体矫顽力的影响，并通过扫描电镜表征了热处理对合金微观结构和组分分布的影响。结果发现，在特定的烧结温度和回火下，合金主相能分布更加均匀，且在其周围的含重稀土相趋于形成薄的壳层结构。该实验方案在保证磁能积基本不降低的前提下通过特定的烧结和时效等热处理工艺有效提高了磁体矫顽力。通过优化热处理方式，最后得到矫顽力为18.57 kOe、磁能积为48.53 MGOe的高性能磁体。关键词：Nd-Fe-B烧结磁体；双合金；热处理；矫顽力；磁能积中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)03-0030-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.005著录格式：屈凯,高岩,于海洋,等.热处理对双合金工艺制备的(Nd,Tb)-Fe-B烧结磁体矫顽力的影响J.磁性材料及器件,2023,54(3):30-34./QU Kai,GAO Yan,YU Hai-yang,et al.Effect of heat treatment on coercivity of Nd-Fe-B sintered magnets prepared by dual alloy process J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):30-34.Effect of heat treatment on coercivity of Nd-Fe-B sintered magnets prepared by dual alloy processQU Kai,GAO Yan,YU Hai-yang,FU Jian-long,LIU Guo-zhengBaotu Research Institute of Rare Earth,State Key Laboratory for Research and Comprehensive Utilization of Rare Earth Resources in Bayan Ebo,Baotou 014010,ChinaAbstract:In order to improve the coercivity of the magnet while reducing the amount of heavy rare earths,the Nd-Fe-B bi-alloy sintered magnet was prepared by mixing the main alloy powder and the auxiliary alloy powder in a ratio of 7.5:2.5 by using the double alloy process.The influence of tempering process on the coercivity of rare earth double alloy magnets was explored,and the effect of heat treatment on the microstructure and component distribution of the alloy was characterized by SEM.The results show that the distribution of the main phase energy is more uniform and the heavy rare earth phases around the alloy tend to form a thin shell structure at a specific sintering temperature and tempering.In our experiment scheme,the coercive force of the magnet is effectively increased by special heat treatment process such as sintering and aging,while the magnetic energy product is not reduced.A high performance magnet with coercive force of 18.48 kOe and magnetic energy product of 48.53 MGOe was obtained by optimizing the heat treatment method.Key words:Nd-Fe-B sintered magnet;double alloy;heat treatment;coercivity;magnetic energy product1 引言国内外针对改善烧结钕铁硼磁体的矫顽力展开了大量卓有成效的研究，主要包括两方面1-2。其一是采用单合金法，通过添加一些元素来优化材料的成分，进而改善磁体的矫顽力。添加元素包括Dy、Tb、Ga、Al、Cu、Zn、Nb、Mo、V、Ti、W 等，不过这些添加元素虽然可以提高烧结Nd-Fe-B系永磁材料的矫顽力，但是也会降低磁体的剩磁3-6。其二是通过工艺的调整改善磁体的微观结构。由成核收稿日期：2022-08-25 修回日期：2022-11-04基金项目：内蒙古自治区科技重大专项计划项目(2021ZD0035;2019ZD020)通讯作者：刘国征 E-mail:屈凯等：热处理对双合金工艺制备的（Nd，Tb）-Fe-B烧结磁体矫顽力的影响 31 场理论可知，反磁化畴成核始于高退磁场、低各向异性场的位置，这些位置往往就是晶界和晶界交隅处，因此改善晶界的显微组织对提高磁体的矫顽力十分有效7-9。对此，人们开发了液相添加烧结法和双合金法，双合金工艺可以有效提高磁晶各向异性场从而提高矫顽力，其辅合金的重稀土能在一定条件下渗透到主合金相在主相周围形成一层包裹层，类似于核壳结构，既能增加各向异性又能降低反磁化作用10-14。鉴于此，本实验采用双合金法工艺制备烧结Nd-Fe-B材料，分析热处理对矫顽力的影响，以期在减少重稀土用量的前提下，提高合金矫顽力。2 实验双合金工艺制备样品流程如图1。以工业纯Fe、B-Fe、Pr-Nd合金和金属Zr、Ga、Al、Cu、Co为原料进行配料，首先制备主合金(Nd29.5Fe69.52B0.98)以及辅合金(Nd,Tb)-(Fe,M)-B)，分别由高真空冶炼片铸炉制取合金铸片，双合金比例按7.5:2.5比例进行混合。气流磨转速 4600 r/min 下获得平均粒度为3.02 m的合金粉末，取向压制成型并后的压坯在高真空烧结炉中在1090 下进行真空烧结24 h。再经过不同温度回火工艺保温3 h，然后，自然冷却到室温后，分别使用磁性能测试仪(NIM 10000H)和扫描电镜(Zeiss Sigma 600)进行磁性能检测和微观结构的测试。3 结果与分析3.1 主合金铸片组织形貌通过真空熔炼与铸片(SC片)技术制取Nd2Fe14B主相合金，其SEM照片如图2所示，铸片平均厚度为0.2 mm(图2a)。由图2b可知，平行于冷却方向的合金截面具有良好的枝状晶组织，厚度0.20.4 m的富Nd相薄层(白色)将主相Nd2Fe14B(灰黑色)分割成25 m的薄层。由于合金稀土含量较低，且自由面冷却速度相对较慢，所以存在微量的-Fe相(黑色)15。当铸片经等温热处理后，其组织形貌发生了显著的变化，主要表为少量的Fe枝晶消除，富Nd相由片层状变为等轴晶，但原来弥散分布于基体相之间的富Nd相有一定的聚集，长大成颗粒状。3.2 磁性能本研究应用两段回火，其中一级回火温度为1090，探究了两段回火下的二级回火温度T对矫顽力机制的影响，分别设计了485、500、515 和530 这4个二级回火温度实验。内禀矫顽力和最大磁能积随二级回火温度的变化如图3所示，可知随回火温度由485 升高至530，内禀矫顽力先增大后减小，在515 时达到最大，高于515 后，矫顽力下降。通常烧结Nd-Fe-B磁体的最佳二级回火温度比Nd2Fe14B相和金属Nd的共晶反应温度(650680)低很多16，本研究中最佳二级回火温度只需要515 左右，此时，烧结Nd-Fe-B磁体矫顽力得到提高。在二级回火温度为515 时，试验所得最大矫顽力为18.57 kOe，磁能积为48.53 MGOe，其退磁曲线如图4所示。图1 双合金工艺流程图2 不同倍数下主合金铸片显微组织形貌磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 32 3.3 显微组织实验分析了两段回火(1090+515)对双合金主相内部组分的影响。图5、图6给出了1090 和1090+515 回火样品SEM照片及富Nd相和主相的元素含量。主要分析重稀土元素Tb的含量，因为它对矫顽力起决定性作用17。可以看出，1090 回火的样品中，富钕相中Tb含量为1.37%、双合金相中Tb含量只有0.4%；而经过1090+515 回火的样品，其富钕相中Tb含量为0.33%、双合金相中Tb含量达4.89%。回火后磁体矫顽力的显著提高，其与组织成分变化密切相关。当Nd-Fe-B合金在较高的1090 回火时，在晶界交隅处的富Nd相重新变为液相，然后在主相之间流动，消除了富Nd相的团聚，分布更充分、均匀，因而可更好地隔离主相晶粒，具有良好的磁去耦作用；富稀土相中的Fe原子向主相扩散，而过渡层多余的Nd原子向富钕48049050051052053016.517.017.518.018.5 Hcj/kOe(BH)max/MGOe二级回火温度/Hcj/kOe4546474849505152(BH)max/MGOe 图3 双合金磁性能随二级回火温度变化曲线图4 二级回火温度为515 样品的退磁曲线图6 1090+515 回火样品的SEM照片及元素含量：(a)回火前，(b)回火后图5 1090 回火试样的SEM照片及元素含量：(a)回火前，(b)回火后屈凯等：热处理对双合金工艺制备的（Nd，Tb）-Fe-B烧结磁体矫顽力的影响 33 相扩散，结果使得外延层和主相成分趋于一致。此时，富钕相中的Tb原子更多地向合金主相中扩散，并在主相中取代Nd，如图7所示。Tb-Fe-B的高磁晶各向异性场提升了双合金的各向异性场，从而提高矫顽力。图 8 给出的是对应不同二级回火温度样品的SEM照片。能谱分析表明，图中白色组织为富Nd相，灰黑色组织为 Nd2Fe14B 主相。可以看出在485 二级回火后，磁体组织内部存在大量缺陷和-Fe相，500 和530 二级回火后，缺陷有所减少，但晶粒分布不均、且粒径均大于6 m以上。而磁体经低温515 二级回火热处理后，晶界处缺陷和颗粒状团聚减少，晶粒大小趋于均一，平均粒径接近5 m(图8c)。可见，适宜的热处理对均匀、细化富钕相效果明显，通常烧结Nd-Fe-B磁体的最佳二级回火温度比Nd2Fe14B相和金属Nd的共晶反应温度(650680)低很多18，本研究中适宜二级回火温度只需要515 左右，此时，由于晶界区域缺陷的消除，磁体矫顽力相应提高。4 结论(1)采用双合金工艺将主合金粉与辅合金粉按7.5:2.5比例混合制备出双合金 Nd-Fe-B烧结磁体，实验发现两段回火(1090+T)下磁体矫顽力明显提高。(2)二级回火温度为515 时，晶界处缺陷和颗图7 1090+