NdFeB永磁体织构与微结构参数的XRD分析

第25卷第3期

2007年5月

物理测试 Physics Examination and Testing

Vol.25,No.3May 2007

作者简介:王　宁(19792),女,硕士生; E 2m ail :wangcq @ ; 修订日期:2006212218

NdFeB 永磁体织构与微结构参数的XR D 分析

王　宁　王超群

(北京有色金属研究总院北京100088)

摘　要:本文综合报道NdFeB 永磁体在加工制作过程中至关重要的织构与微结构参数的X 射线衍射分析方法。主要内容有:磁取向与晶体学织构关系(包括取向度的研究);合金中物相含量的Rietveld 分析;晶粒大小的测定。这些分析方法对于NdFeB 永磁体的研制与开发具有重要的实用价值。关键词:NdFeB 永磁体;织构;微结构;取向度;X 2射线衍射(XRD )

中国分类号:T G 115.24 文献标识码:A 文章编号:100120777(2007)0320006206

XR D Analysis of T exture and Microstructural P arameters in

NdFeB Perm anent Magnet

WAN G Ning ,　WAN G Chao 2qun

(General Research Institute for Non 2ferrous Metals Beijing ,Beijing 100088,China )

Abstract :The XRD analytical methods of texture and microstructural parameters of NdFeB permanent magnet in preparation have been reviewed in this paper.The main contents are as follows :relationship between magnetic a 2lignment and crystallographic texture in permanent NdFeB magnets ;phase content in materials determined by Ri 2etveld quantitative analysis ;grain size determination of Nd 2Fe 14B phase.These methods have an important applica 2tion for the research and development of NdFeB magnets.

K ey w ords :NdFeB permanent magnet ;texture ;microstructure ;magnetic alignment ;XRD

NdFeB 永磁材料是国民经济生产中一种不可缺少的重要基础材料之一。随着高技术尤其是电子信息产业和汽车工业的迅速发展,人们对永磁体的性能提出了越来越高的要求,强烈地推动着改善其性能的研究。以Nd 2Fe 14B 为基的永磁体,铁磁相具有易磁化方向平行于单胞的C 轴的四方结构,因此为获得最佳的磁性能,强的C 轴纤维织构是需要的。典型NdFeB 永磁材料的显微结构主要由Nd 2Fe 14B 、NdFe 4B 4和富钕相三个相组成,它们在加工制作过程与优化磁性能中起着重要的作用。一般来说,对于烧结NdFeB 磁体,为了获得理想的矫顽力和方形度,应尽量减小晶粒尺寸,而为了提高磁能积,应尽量减少富钕相的百分含量,这就受到稀土元素的活性和易氧化的限制。同时,由于富钕相的存在是产生矫顽力的必要条件,因此控制晶粒尺寸和物相的含量是一个重要的现实问题,其中对这些微结构参数的分析检测具有重要意义。 理论上永磁体的剩磁由下式确定:

B r =A f (1-β

)DJ s (1) 式中A 为正向畴的体积分数;f 为取向度;β是非磁性相的体积分数;D 是磁体的相对密度;J s 为

饱和磁化强度。 自NdFeB 永磁体被发现以来,人们围绕如何获得高主相比例、高取向度、高致密度等进行了大量深入细致的理论研究和工艺探索,实验室已报道的磁能积为431K J /m 3。然而至今尚无比较系统地报道有关NdFeB 永磁材料的织构与微结构参数的XRD 表征与检测技术。为此,本文将就NdFeB 永磁体在加工制作过程以及优化磁性能中至关重要的磁取向与晶体学织构(包括取向度),合金相比例与晶粒度测定等有关方法,做一个较为详细的报道以供同行参考。这些X 射线衍射分析方法具有普遍性,可以推广应用于其它方面分析。

1　磁取向与晶体学织构关系

在磁性材料的研究中晶体学织构度通常是通过磁性能测量获得的,试样的织构可以用沿“易”磁化方向和“难”磁化方向测量的剩磁比来表征,但是对

于强织构的试样,“难”磁化方向的剩磁很难测量,常规测量仪器满足不了要求,特别是在试样具有强织构,“难”方向的剩磁性能更难测量。Nd2Fe2B合金的晶体学织构也可以通过X射线衍射方法测量。由于Nd2Fe2B合金晶体结构的复杂性,完整的定量织构分析如极图与ODF分析不常使用,通常采用反极图法如取向度的测定法[1,2]。对于试样局部区域的精确取向测量,可以采用EBSD方法,其取向度直接与永磁体加工过程微结构的变化相联系,这种方法也称“微织构”分析,而前述的极图法和反极图法,与ODF分析属于“宏织构”分析,它们给出晶粒取向的平均特性。下面仅从取向度作介绍。

1.1　烧结NdFeB永磁体取向度表征与检测技术

Endoh等人[3]采用XRD中(006)和(105)衍射峰强度比定性的描述各向异性烧结NdFeB永磁体的取向度的优劣。该法比较简单,粗糙。考虑到随取向场的增强,某些晶面的衍射峰强度的逐渐降低,而(004),(006),(008)和(105)等晶面衍射峰强度逐渐增强,可以采用Lotgering提出的层状结构化合物择优取向度F的定义和XRD测定法:

F=(P-P0)/(1-P0)(2)式中,P0=ΣI000l/ΣI0hkl,P=ΣI t00l/ΣI t hkl,式中带“0”上标的是无择优取向时的衍射峰强度。

何叶青等人[4]在此基础上修正了P0中的I0(hkl)及P中I t(hkl)项为I0(hkl)co s<(hkl)与I(hkl)cos< (hkl),式中<(hkl)为相应晶面法线与易磁化C轴方向的夹角。用该法对一组不同静磁场取向的金属模压和橡皮模压(Nd0.95Dy0.05)15.5(Fe0.99Al0.01)78B6.5烧结磁体取向度F、P和磁性能的关系的测量结果,规律性较好,是一种较为简单易行的定量评估与表征NdFeB磁体取向度的方法。但是这些方法仍存在一些定义及实验上的重大问题如:①取多少衍射线(或取多大的衍射角θ范围)才算是全部衍射线,不明确;②P及F的物理意义不明确。材料经磁场取向后,不同(hkl)衍射线有不同的增强或减弱的趋向,并不是只有(00l)增强,其余都减弱。与(00l)面夹角<越接近90o的晶面的衍射强度越有减弱的趋向,<接近0o则越有增强的趋向;③实验手续繁琐,要测量大量衍射线的强度。为此郭常霖[5]提出的方法更显优越性,该法关于取向度F的定义如下:

F=1/90{arcsin[(K-1)/k]}(3) K=I/I t

式中I、I t分别为取向前后(或无织构与有织构取向)任一条(00l)的衍射强度。显然该法的物理意义明确,实验测量更简便。对X射线质量吸收系数很大的材料,吸收因子可能使不同的(00l)衍射线求出的F有一些偏差,最好选3到4条衍射谱线予以平均。

1.2　取向度实测例子

表1是一个高度密实烧结Nd2Fe14B永磁体的X射线衍射谱。由表可见它的衍射强峰除(00l)型外,还有(105),(215),(214),(116),(317),(208)和(309)等。它们的强度测量值如表1所列。按郭常霖提出的方法,由(1.3)式计算得F值,也列于同一表中,平均F值为5116%。若按传统的方法,如(1)式算得F值只有33%(P0=0.1046,P=0.4035只选用(004)、(006)和(008)三个峰标示I0(00l)及I (00l),I t(hkl)取用表1中的数据)。看来郭氏法比较接近实际且简便易行。

表1　烧结高密实Nd2Fe14B永磁体的XR D测量值与郭常霖方法计算的F参数

T able1　The XR D values and F parameters of high dense sintered Nd2Fe14B m agnet 参数103004322111420421410511522400631161070083317208218309 I t(cps)340210223431059811407395172631960529393692008502616123282 I0计算439961441182741632710372641432441689951359178597660114258390222488605967989007 I t(00l)/I0(00l) 4.13 4.09 2.89

F/%54.754.645.4

2　Riet veld法模拟测算稀土永磁合金中物相含量

稀土双相永磁合金是基于软磁相的高饱和磁化强度和硬磁相的高各向异性的特点,通过两相晶粒在纳米尺度上交换耦合而成的一种纳米晶复合永磁材料,它具有显著的剩磁增强效应,可望获得较高的综合磁性能[6～8],例如纳米晶Nd2Fe14B/α2Fe复合各向同性永磁体当α2Fe的体积百分数和α2Fe晶粒尺寸分别为40%和10nm时,它的磁性能可达到B r= 1.42T,H ci=1150kA/m,(B H)max=400kJ/ m2[8]。显然双相永磁合金的晶粒尺寸和两相的相对

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第3期 王　宁等:NdFeB永磁体织构与微结构参数的XRD分析