图1 NdFeB磁体的磁性能与Mg纳米粉含量的关系
Fig.1 Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder
材料科学与工程
李志杰， 王小二， 李佳阳， 李 嘉， 王洪志
(沈阳工业大学 理学院， 沈阳 110870)
摘 要： 为了提高烧结NdFeB磁体的磁性能和热稳定性，采用二元合金法添加Mg纳米粉制备了NdFeB材料.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和永磁特性测试仪对烧结NdFeB磁体的微观结构、磁性能和热稳定性进行了分析.结果表明，随着Mg纳米粉含量的增加，NdFeB磁体的矫顽力、剩磁和最大磁能积逐渐升高.当添加的Mg纳米粉的质量分数为0.1%时，NdFeB磁体的磁性能达到最优.添加质量分数为0.1%的Mg纳米粉后，NdFeB磁体的剩磁具有最大值.当温度处于100～150 ℃范围内时，矫顽力的温度系数降低，因而矫顽力的热损失幅度减小.
关 键 词： 烧结钕铁硼； 镁纳米粉； 磁性能； 热稳定性； 微观结构； 扫描电子显微镜； X射线衍射仪； 二元合金法
由于具有突出的磁性能，烧结NdFeB磁体已经广泛应用于制备各种电子设备[1-2].然而，由于NdFeB磁体的热稳定性较差[3-4]，因而严重限制了其在高温及潮湿等环境中的应用，这主要归因于烧结NdFeB磁体的多元相微观结构特点.相对于主相，富钕相熔点较低且容易被氧化，因此，富钕晶界相的存在会导致NdFeB磁体的热稳定性较差.改变富钕晶界相的微观结构是提高NdFeB磁体热稳定性的一种有效方法[5].
目前，针对烧结NdFeB磁体热稳定性的研究多集中于通过添加适量元素或改进磁体制备工艺来提高磁体的内禀矫顽力[6]，并利用磁体的高矫顽力来抵抗外界环境改变带来的磁体性能的下降.提高烧结NdFeB磁体矫顽力主要有两种方法.一种方法是在NdFeB磁体制备过程中添加适量微量元素，如Al、Cu、Co、Dy和Nb等合金元素[7-9]，添加微量元素可以提高烧结NdFeB磁体的各向异性场，而各向异性场的增加可以促进烧结NdFeB磁体内禀矫顽力的提高.另一种方法是改善烧结NdFeB磁体的显微结构，这是因为改善烧结NdFeB磁体晶界与晶体内部的显微组织可以减少散磁场的存在，从而提高烧结NdFeB磁体的内禀矫顽力[10].然而，由于合金元素的添加也会降低磁体的磁性能，因而可以通过添加轻金属纳米颗粒并利用二元合金法来提高磁体的晶界相性能.纳米颗粒比表面积较大且具有小尺寸效应，因而有助于磁体磁性的提高和微观结构的优化.此外，二元合金法也能够提高磁体的磁性能[11-12].添加Mg元素可使富钕晶界相变得稳定并减少氧化，Mg的密度很小且Mg纳米粉的活性很高，在炎热和潮湿环境下Mg比Nd更易与氧反应从而降低Nd的氧化，同时Mg的添加能够促进烧结过程的进行.此外，Mg具有较低的熔点，且有利于磁体保持较好的磁性能和热稳定性.目前，有关添加Mg纳米粉后烧结NdFeB晶界组织相应变化的研究仍鲜见报道.本文将Mg纳米粉添加到NdFeB磁体中，研究了Mg纳米粉对磁体的磁性能和热稳定性的影响.
利用熔炼方法和甩带铸件技术制得组成成分为(PrNd)29.9Dy0.1B1Co1Cu0.15Febal的合金.通过氢破和氮气环境下的气流磨处理，将合金薄片破碎成尺寸为4～5 μm的粉末.利用等离子体电弧法[13]制备Mg纳米粉.分别将质量分数为0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的Mg纳米粉与NdFeB合金粉末进行初步混合后，在氮气环境下通过气流磨进行充分混合，之后将粉末进行真空烘干.在氩气环境下利用取向压机将干燥粉末进行压紧，随后在200 MPa的冷等静压下进行压制处理，然后将压制得到的生坯于1 078 ℃下烧结3.5 h，之后于900 ℃回火2 h，最后于490 ℃回火5 h.利用AMT-4型磁性测量设备来测量磁体的磁性能.利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜来分析磁体的微观结构、形貌和元素分布.利用阿基米德方法测量磁体密度.将尺寸为φ10 mm×10 mm的磁体试样分别于23、100和150 ℃下进行磁性测试.
图1为NdFeB磁体的磁性能与Mg纳米粉含量的关系.
图1 NdFeB磁体的磁性能与Mg纳米粉含量的关系
Fig.1 Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder
当Mg纳米粉的质量分数由0%增加到0.1%时，烧结NdFeB磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积均得到升高.当Mg纳米粉的添加量大于0.1%时，随着Mg纳米粉的继续添加，磁体的磁性能随之下降.当Mg纳米粉的质量分数为0.1%时，烧结NdFeB磁体的矫顽力为999.1 kA/m，剩磁为1.436 T，最大磁能积为396.9 kJ/m3，且均达到最大值.Mg纳米粉主要分布于晶界区域，因此，添加Mg纳米粉不会改变主相的结构和内禀性能.Mg纳米粉的添加主要用来改变晶界相的微观结构，并通过增强磁体晶间相的去磁耦合作用来提高磁体矫顽力.
图2为不同Mg纳米粉含量下NdFeB磁体的SEM图像.由图2可以清晰地观察到磁体的主相和晶界相.当添加的Mg纳米粉含量为0.1%和0.3%时，利用光学显微镜可以测量得到磁体的平均粒径分别为4.86和5.83 μm，表明适量Mg纳米粉的添加有利于阻止主相粒径的长大，且主相尺寸越小，磁体的磁性能越好.当Mg纳米粉含量为0.1%时，磁体主相晶界清晰，最大晶粒尺寸也相对较小，晶粒分布更加均匀，晶间相与主相之间具有较好的浸润性，从而有利于增强晶间交换耦合作用并提高磁体密度.此外，平滑而又连续的晶界层表明铁磁相间具有更好的隔离效果，这同样有利于提高磁体的矫顽力.
图2 不同Mg纳米粉含量下NdFeB磁体的SEM图像
Fig.2 SEM images of NdFeB magnets with different contents of Mg nanopowders
图3为添加质量分数为0.1%的Mg纳米粉后，NdFeB磁体的SEM图像和EDS能谱.具体EDS分析结果如表1所示.由图3可见，NdFeB磁体的晶粒尺寸约为4.86 μm，这与图2获得的结果一致.由表1可见，A点Mg元素的质量分数为0.33%，B点未发现Mg元素的存在，表明Mg纳米粉添加到晶界区域并与晶间相融合，使得富钕相连接更加均匀，颗粒结合更加紧密.这是由于在烧结与回火过程中Mg与富钕相反应生成了Mg-Nd相.
图3 NdFeB磁体的SEM图像与EDS能谱
Fig.3 SEM image and EDS spectrum of NdFeB magnets
表1 NdFeB磁体的EDS分析结果(w)
Tab.1 Results of EDS analysis for NdFeB magnets (w) %
图4为不同Mg纳米粉含量下NdFeB磁体的XRD图谱.由图4可见，NdFeB磁体三个主峰对应的晶面分别为(410)、(411)和(330)晶面，对应的标准PDF卡片编号为JCPDS36-1296.(410)、(411)和(330)晶面为NdFeB主相结构的特征吸收峰，且波峰随着Mg纳米粉含量的增加而逐渐增强，Mg纳米粉的添加对NdFeB磁体的择优取向具有一定影响，磁体XRD图谱中的其他波峰是由Mg-Nd相产生的.
烧结NdFeB磁体的磁性能也与磁体密度有关.图5为NdFeB磁体密度与Mg纳米粉含量的关系.由图5可见，当Mg纳米粉含量为0.1%时，磁体密度达到7.42 g/cm3，相对纯磁体提高了0.27%.同时结合图1可知，此时NdFeB磁体的磁性能最佳.可见，添加适量Mg纳米粉可以起到致密作用，从而提高了磁体的磁性能.
图4 不同Mg纳米粉含量下NdFeB磁体的XRD图谱
Fig.4 XRD spectra of NdFeB magnets with different contents of Mg nanopowders
图5 NdFeB磁体密度与Mg纳米粉含量的关系
Fig.5 Relationship between density of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder
NdFeB磁体的温度系数较大，居里温度不高，这是限制NdFeB磁体在高温度下应用的主要原因.图6为不同温度下NdFeB磁体的剩磁，矫顽力和最大磁能积与Mg纳米粉添加量之间的关系.由图6可见，在23～150 ℃范围内磁体磁性能发生了线性变化，这是因为磁体在高温下发生老化，从而导致磁体磁性能降低，而并非磁体内部结构发生了改变.上述磁性能的线性变化属于磁性的可逆损失，对相关测量不会产生影响.对图6进行综合分析后发现，随着温度的逐渐升高，剩磁、内禀矫顽力和最大磁能积均出现下降趋势，当温度不高于100 ℃时，添加Mg纳米粉后NdFeB磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积随着温度的升高其下降趋势基本相同.当温度处于100～150 ℃范围内时，磁体的剩磁和最大磁能积的温度系数随温度的升高而变大，矫顽力的温度系数相比100 ℃之前有所降低，表明此时矫顽力的热损失增加幅度逐渐减小.剩磁的温度系数约为0.018，且添加质量分数为0.1%的Mg纳米粉后NdFeB磁体的剩磁最高.此外，当添加不同含量的Mg纳米粉时，磁体矫顽力和最大磁能积基本保持不变.磁体微观结构和热稳定性之间的关系不是很明显，磁热效应是磁性下降的主要原因.
图6 NdFeB磁体的磁性能与温度的关系
Fig.6 Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and temperature
采用二元合金法添加Mg纳米粉制备了烧结NdFeB磁体，并对烧结NdFeB磁体的微观结构、磁性能和热稳定性进行了分析，得出如下结论：
1) Mg纳米粉主要分布于晶界区域，提高了富钕相沿主相颗粒的浸润性，改善了晶界相的微观结构，细化了主相晶粒，提高了磁体的磁性能.
2) 当添加质量分数为0.1%的Mg纳米粉时，烧结NdFeB磁体的矫顽力为999.1 kA/m，剩磁为1.436 T，最大磁能积为396.9 kJ/m3，且分别达到了最大值.
3) 烧结NdFeB磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积随着温度的升高而降低.在23～150 ℃范围内，添加质量分数为0.1%的Mg纳米粉后NdFeB磁体的剩磁具有最大值.磁体矫顽力在100～150 ℃时的温度系数低于100 ℃之前的温度系数，表明矫顽力的热损失增加幅度逐渐减小，磁体剩磁和最大磁能积的温度系数在100 ℃之后升高，表明热损失也逐渐升高.
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LI Zhi-jie, WANG Xiao-er, LI Jia-yang, LI Jia, WANG Hong-zhi
(School of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)
Abstract： In order to improve the magnetic properties and thermal stability of sintered NdFeB magnets, the NdFeB materials were prepared through adding the Mg nanopowder with the double-alloy method. The microstructure, magnetic properties and thermal stability of sintered NdFeB magnets were analyzed with the scanning electron microscope (SEM), X ray diffractometer (XRD) and permanent magnetic feature tester. The results show that with increasing the content of Mg nanopowder, the coercivity, remanence and maximum magnetic energy product of NdFeB magnets gradually increase. When the mass fraction of added Mg nanopowder is 0.1%, the magnetic properties of NdFeB magnets are optimum. After adding the Mg nanopowder with the mass fraction of 0.1%, the NdFeB magnets have the maximun remanence. When the temperature is in the range from 100 ℃ to 150 ℃, the temperature coefficient of coercivity reduces, and thus the heat loss amplitude of coercivity decreases.
Key words： sintered NdFeB; Mg nanopowder; magnetic property; thermal stability; microstructure; scanning electron microscope; X ray diffractometer; double-alloy method
中图分类号： TM 271
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2018)04-0375-05
收稿日期： 2017-03-09.
基金项目： 国家自然科学基金资助项目(21571132)； 辽宁省科学技术计划项目(2012222010).
作者简介： 李志杰(1963-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事纳米材料制备、应用及磁性材料等方面的研究.
* 本文已于2018-06-22 15∶33在中国知网优先数字出版.
网络出版地址： http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20180622.0953.024.html
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2018.04.03
(责任编辑：尹淑英 英文审校：尹淑英)