烧结钕铁硼磁体

添加合金元素对烧结钕铁硼磁体的影响
1、合金元素的种类
合金元素的添加对钕铁硼磁体的矫顽力和温度稳定性有着重要影响。

元素进入基体相中的形式为掺杂或者取代。

取代元素要取代四方相中的原子，它可以提高主相的矫顽力，但生成的软磁性相会降低磁体的最大磁能积和剩余磁通密度。

其取代的原子种类有Nd 和Fe。

Nd 的取代元素有Dy、Pr、Sm 等。

Fe取代元素有Co、Ni、Cr 等，它们会影响硬磁性相的结构、内禀磁性及磁体的宏观磁性等。

掺杂元素不取代四方相中的原子，以脱溶物的形式分布于硬磁性四方相内部，也可能在四方相晶粒边界形成新的相，从而取代以前的富Nd 相或富B 相，达到改善硬磁性晶粒的边界微结构的目的。

2、提高烧结NdFeB 永磁材料矫顽力的合金元素
Dy 元素是一类重要的添加元素，它能显著提高烧结钕铁硼永磁体的矫顽力。

Nb 提高矫顽力的主要原因是Nb 抑制晶粒生长，细化晶粒，隔离晶粒耦合。

Ga 可以减少富Nd 相与T1相的湿润角，抑制T1的长大，使T1相界面缺陷密度减少，反磁化畴在界面形核困难。

Al 元素也能提高磁体的矫顽力。

3、提高NdFeB 工作温度的合金元素
Co 主要存在于主相和富Nd 相中。

Co 元素有提高Tc 和降低可逆损失的作用，但Co 含量高于20at%时，会降低矫顽力。

目前耐热烧结NdFeB磁体中Co的添加量均在10at%左右。

Ga 代替Fe 将影响磁性原子的交换作用，使正交换作用增强，Tc 上升，并减少hirr，提高温度稳定性。

Ga 对提高矫顽力和降低不可逆损失优于其它20 多种元素，Ga 与Nb 或W 联合加入可改善方形度，且可获得相当低的不可逆损失。

用Nb 取代部分Fe，可改善温度稳定性。

Dy 对确保较高温度下的耐热性，是必不可少的元素。

添加Sn 能显著降低磁通不可逆损失。

Sn 主要分布在富Nd 相中，不能细化晶粒。

Sn 能少量溶于Nd2Fe14B 相中，使居里温度Tc 提高。

Si 有使居里温度提高的作用。

总的来说，加入Al、Nb、Sn、Mo、Ga 等元素可改善矫顽力。

这些元素是非磁性的，加入过多会降低磁体的Br 和(BH)max，然而，重稀土元素取代部分的Nd 既能改善矫顽力，又能保证磁体具有较高的磁能积。

在进行配料时，应该遵循每种合金元素的量尽量少加，但要多加合金元素的种类的原则，从而提高磁体矫顽力。

从熔炼、制粉到成型、烧结和回火等每一个工艺环节对磁体的最终磁性能都有较大的影响，几乎每一个过程对磁体的最终磁性能都有决定性的作用。

并且在制备磁体的过程中，还要注意各个工艺环节的配合，不同的工艺对应相应的其他工艺，否则材料的性能也难以提高。

制备工艺对烧结钕铁硼磁铁矫顽力的影响
1、熔炼工艺的影响
熔炼过程中，应尽快将原材料熔化，这样不仅可以减少Nd、Dy 等低熔点的稀土元素挥发，还可以减少α-Fe 的出现，提高合金主相的相对含量，从而最终提高永磁体的磁性能。

高矫顽力的烧结钕铁硼磁铁中稀土的含量一般较高，铸锭中α-Fe 会比高剩磁的磁体铸锭少，但也不可忽视。

研究者为了减少α-Fe，普遍采用了SC 工艺和薄板铸锭工艺，加快了铸锭的冷却，减少了α-Fe的出现，矫顽力也得到较大提高。

韩劲的研究表明，含钕量为33.5wt％
的钕铁硼磁体利用薄板改进工艺生产的矫顽力达到824 KA·m-1，而用常规工艺生产的磁体的矫顽力只有780 KA·m-1。

2、制粉工艺的影响
晶粒细小均匀是获得理想矫顽力重要条件之一，从粉末冶金的角度来看，若要获得细小的晶粒，则材料原始粉末粒度一定要细小。

在制粉中，要得到均匀、细小、纯净的合金粉末，避免粉末中混进氧气和水蒸气。

生产钕铁硼磁体的粉末非常细，钕极容易与空气中的氧发生反应而生成氧化钕，从而大大降低磁体的性能。

粉末在空气中主要发生两个方面的作用。

一方面是粉末的氧化过程，该过程是不可逆的；另一个是吸附过程，这是可逆的，与空气中的湿度密切相关，相对来说，解吸过程比吸附过程长得多。

粉末在空气中发生了这两种作用后，矫顽力会大大降低，因此要采取严格的保护措施。

梁树勇等在制粉时加入润滑剂和抗氧化剂，有效地降低了氧含量，提高了磁体的润滑效果，使得磁体的取向度也得到增加，因而矫顽力较传统的工艺生产的磁体矫顽力高160 KA·m-1左右。

3、成型工艺的影响
高汝伟和张建成等发现，烧结钕铁硼磁体的内禀矫顽力随成型时的取向度提高而下降。

取向磁体和未取向磁体的矫顽力差别是很大的。

但是，经取向成型磁体的剩磁比没有取向磁体的剩磁高一半以上，磁能积就高的更多了。

这是因为没有取向成型的磁体是各向同性的，剩磁低，测试曲线方形度也低，严重影响了磁体的磁能积。

成型过程中称量粉末时，为避免粉末氧化，要尽量缩短该过程的时间或在充满保护气体的环境中进行。

若氧的相对含量上升，将使稀土的相对含量下降，从而主相和富Nd 相的相对含量也会减少，而富Nd 相包覆主相使其弥散分布，可以大大提高矫顽力，因而两种相的减少会导致矫顽力的降低。

4、烧结回火工艺的影响
在烧结钕铁硼磁体的生产中，烧结工艺非常关键。

周俊琪和常志梁等发现，要获得较高的内禀矫顽力，烧结温度要低，烧结时间要长。

在低温、长时间的烧结工艺下，磁体的晶粒可以控制在15μm 以下，且会有更多的10μm 以下的细晶粒，确保矫顽力足够大。

同时，后续回火工艺对液相的均匀化起到了很好的稳定作用。

回火对磁性能大的影响也较大。

张正富等通过在烧结钕铁硼中掺杂Sn，并由此进行回火工艺的研究，发现不适当的回火工艺会反而降低磁体的矫顽力。

由此可见，掺杂后研究清楚回火工艺是很重要的，它会直接影响到最终磁体矫顽力的高低。

烧结钕铁硼永磁材料的制造工艺原理
烧结钕铁硼系永磁材料是用粉末冶金方法制造的。

其工艺流程如下：
原材料准备→冶炼→铸锭→破碎与制粉→磁场取向与压型→烧结→回火→机加工与表面处理→检测。

下面按工艺流程的顺序简介其工艺原理。

烧结钕铁硼系永磁材料的磁性能主要由Nd2Fe14B基体相来决定的。

因为其磁极化强度Js(Js=μ0Ms，Ms为饱和磁化强度)和各向异性场HA主要取决于Nd2Fe14B相的化学成分。

虽然剩磁Br、矫顽力Hci和磁能积(BH)max是组织敏感量，但Br的极限值是Js，Hci的极限值是HA，(BH)max的极限值是(Js2)/4μ0，所以合金成分设计和原材料选择是至关重要的。

熔炼的目的是将纯金属料(Fe、Nd、B-Fe、Dy、A1、Nb、Co、Cu等)熔化，并确保(1)所有的金属料熔清。

纯Fe和金属Nd等的熔点较高，应设法使它们完全熔清；(2)合金的设计成分准确。

造成成分不准确的原因是金属的挥发和氧化损失(总称烧损)。

为此一般采用真空感应炉熔炼，真空度应达10-2～10-3Pa以上；(3)保证合金成分均匀；(4)确保合金干净，防止夹杂物和气体污染。

铸锭组织不仅对制粉、取向、烧结工艺，而且对粉末性质和最终烧结磁性能均有重要影响。

没有优良的铸锭组织，就不可能制造出高性能烧结永磁体。

铸锭组织是制约磁体性能的关键技术之一。

良好的铸锭组织应是：柱状晶生长良好，其尺寸细小，富Nd相沿晶界均匀分布，但不得有大块的富Nd相，以及不存在α-Fe晶体。

铸锭凝固是一个形核长大的过程。

在结晶过程中，形核率越大，将有更多的晶核同时成长。

这样，得到的片状晶尺寸会更细小。

为了制造高性能Nd-Fe-B系永磁体，将铸锭组织的片状晶尺寸控制在5μm以下是较为理想的。

制粉目的是将大块合金锭破碎成一定尺寸的粉末。

包括粗破和磨粉两个工艺过程。

粗破碎方法有两种：一种是氢破碎(HD)，另一种是机械破碎。

将粗破后的246μm～175μm (60～80目)的中等粉末研磨至3～4μm细粉，该种磁粉绝大多数为单晶体。

一般采用球磨制粉或气流磨制粉两种方法。

球磨制粉有滚动球磨、振动磨、高能球磨等。

气流磨制粉是利用气流将粉末颗粒加速到超音速，使之相互对撞而破碎。

目前生产规模较小的厂家用滚动球磨，多数Nd-Fe-B生产厂采用气流磨制造磁粉。

粉末磁场取向是制造高性能烧结Nd-Fe-B永磁体的又一关键工艺技术之一。

烧结Nd-Fe-B 系永磁体的磁性能主要来源于具有四方结构的Nd2Fe14B基体相，它是单轴各向异性晶体，c轴为易磁化轴，a轴为难磁化轴。

对于单晶体来说，当沿其易磁化轴磁化时，有最大的剩磁Br=μ0Ms。

如果烧结永磁体的各个粉末颗粒的c轴是混乱取向的，则得到的是各向同性磁体，Br=μ0Ms/2=Js/2，这是最低的。

如果使每一个粉末颗粒的易磁化方向(c轴)沿相同方向取向，制成各向异性磁体，则沿粉末颗粒c轴取向的方向有最大的剩磁。

在制粉阶段得到的3～5μm的粉末颗粒，一般来说它们是单晶体，但不是单畴体，所以粉末颗粒在磁场中的取向分两个阶段完成。

第一阶段是各个粉末颗粒变成单畴体。

第二阶段是磁畴内的磁矩转动过程。

粉末压形有两个目的：(1)将粉末压制成一定的形状与尺寸的压坯；(2)保持在磁场取向中所获得的晶体取向度。

目前，普遍采用的压形方法有三种，即模压法、模压加冷等静压、橡皮模压(加冷等静压)。

也可分为干压和湿压两种。

烧结过程是将Nd-Fe-B粉末压坯加热到粉末基体相熔点以下的温度约(0.70～0.85)T熔，进行保温处理一段时间。

目的是提高压坯密度，改进粉末颗之间的接触性质，提高强度。

使磁体具有高永磁性能的显微组织特征。

烧结可粗略地分为固相烧结和液相烧结。

Nd-Fe-B永磁合金烧结并快冷后(烧结态)，磁性能较低，回火处理可显著提高Nd-Fe-B合金的磁性能，尤其是矫顽力。

回火处理有一级回火和二级回火处理两种。

两级回火处理可获得较好的磁性能。

钕铁硼永磁体的基本性能参数
钕铁硼永磁体以其优异的性能、丰富的原料、合理的价格正得以迅猛的发展和广泛的应用。

其主要应用在微特电机、永磁仪表、电子工业、汽车工业、石油化工、核磁共振装置、音响器材、磁悬浮系统、磁性传动机构和磁疗设备等方面。

钕铁硼磁铁容易生锈、氧化，所以对钕铁硼磁铁，其表面通常需作电镀处理，如镀锌、镍、银、金等，也可以做磷化处理或喷环氧树脂来减慢其氧化速度。

钕铁硼的其他物理特性：
Br 温度系数-0.11%/°C
密度7.4g/cm3
韦氏温度600Hv
拉伸温度8.0kg/mm2
比热0.12k Cak(kg°C)
弹性模量1.6x1011N/m2
横向变形系数0.24
居里温度310-340°C
电阻率144Ω.cm
挠曲强度25kg/mm2
热膨胀系数4x10-6/°C
导热系数7.7cal/m.h.°C
刚度0.64N/m2
压缩率9.8x10-12m2/N
iHc温度系数-0.60%/°C
表面处理：
镀锌、镍、锡、金、银、磷化处理、环氧树脂喷涂。