燒結釹鐵硼的磁性能和力學性能研究進展★

王奇凡張敏剛王瑜劉吉祥

（1.太原科技大學，山西太原030024；2.山西金山磁材有限公司，山西太原030024）

燒結釹鐵硼的磁性能和力學性能研究進展★

王奇凡1張敏剛1王瑜2劉吉祥2

（1.太原科技大學，山西太原030024；2.山西金山磁材有限公司，山西太原030024）

重點介紹深冷處理對燒結釹鐵硼磁性能的研究、目前力學性能研究現狀以及研究燒結釹鐵硼力學性能的重要性。

燒結釹鐵硼深冷處理磁性能力學性能

燒結釹鐵硼（Nd-Fe-B）是重要的金屬功能材料，作為第三代稀土型永磁材料，由于其良好的磁性能被科技人員稱為“磁王”，利用其能量的轉換功能和磁的各種物理效應可制成多種樣式的功能器件。燒結Nd-Fe-B已被廣泛應用于航空、航海、電子等眾多領域，成為高科技、新興產業與社會進步的重要物質基礎之一。

1 深冷處理對燒結釹鐵硼的磁性能研究

作為一種重要的磁性材料，燒結Nd-Fe-B從誕生以來，人們對其晶體結構、微觀組織、磁疇形態和內外稟磁性等方面都已做了大量研究工作并取得了可喜的成果［1］。但深冷處理對燒結釹鐵硼磁性能影響的研究比較少。

目前，有一些學者用此方法對燒結釹鐵硼的磁性能做了一些探索性的研究。如：于旭光［2］等人將35SH、N40、35H和N35四個牌號圓柱燒結釹鐵硼產品的樣品并排，并用膠帶將它們粘在一起，其磁極方向相同；用無磁性樣勺盛裝樣品放入液氮中，浸泡時間為20min，深冷處理后在空氣中直接恢復至室溫。從而得出結論：低矯頑力永磁體，剩磁越高，深冷處理效果越好；高矯頑力永磁體，冷處理效果明顯。

龐利佳［3］等人對合金成分（原子分數）為Pr8Fe87B5和（Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99M1，其中M為Zr，Ga。按所需成分準備Nd，Pr，Fe，Zr，Ga和Fe2B合金，在氬氣保護下于中頻真空感應爐中熔煉制備母合金錠，然后對樣品進行深冷處理，處理溫度為153K和103K，處理時間為80min或60min。并對（Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99Ga1快淬帶深冷前后的Nd2Fe14B相的各晶面衍射峰進行了對比，見表1。

表1 （Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99Ga1快淬帶深冷前后的Nd2Fe14B相的各晶面衍射峰對比

由此得出結論：(Nd11.4Fe82.9B5.7)0.99M1合金淬態帶中的Nd2Fe14B相存在(00L)(L=2,4,6…)晶面的織構，其易磁化軸c軸平行于(00L)面的法線方向；深冷處理可使(Nd11.4Fe82.9B5.7)0.99M1合金快淬帶的織構度大大增強，其I（006）/I（410）增幅可達76%；深冷處理可使Pr8Fe87B5合金快淬樣品的Ms發生改變，矯頑力變化不大，經深冷處理后樣品最佳（BH）max可達187.9kJ/m3。

2 燒結釹鐵硼的力學性能研究

2.1 燒結釹鐵硼的力學特性

燒結Nd-Fe-B是一種脆性材料，其結構的各向異性和脆硬性給研究它的物理性能和力學性能帶來了很大困難。李安華［6］綜合不同學者和生產廠商的試驗數據給出了燒結Nd-Fe-B的力學性能指標的大致波動范圍，燒結Nd-Fe-B的力學性能見表2。由于是脆性材料，所以測得實驗數據分散性較大。

表2 燒結釹鐵硼的力學性能

2.2 燒結釹鐵硼塑韌性能差的原因的探討

2.2.1 晶體結構復雜滑移系少

燒結Nd-Fe-B的晶體結構與密排六方晶格相似（見下頁圖1），同為層狀堆垛結構，但其對稱性遠較密排六方晶格差，由此可以推斷燒結Nd-Fe-B的滑移系較密排方六晶體的滑移系少，所以燒結釹鐵硼塑韌性很差。

圖1 Nd2Fe14B的晶體結構

2.2.2 磁晶各向異性導致力學性能各向異性

磁晶各向異性、形狀各向異性和應力各向異性等基本現象在某些方向可以改善磁性材料的性能。由于磁性和彈性的相互耦合作用，必然會引起材料力學性能的各向異性，如單晶體的磁致伸縮各向異性、熱膨脹各向異性和抗拉抗彎強度的各向異性等等［5］。因為在不同方向磁體的熱膨脹不同，所以在降溫過程中磁體內部會產生很大的內應力，這也是燒結Nd-Fe-B力學性能差的重要原因之一。

2.2.3 晶界富釹相力學性能弱化

在燒結釹鐵硼的顯徽組織中，富Nd相主要呈薄層狀沿晶界分布，而此種晶界富Nd相的硬度（Hv）僅有262，遠低于基體的硬度。研究表明：燒結釹鐵硼本身晶界弱化，斷裂方式主要為沿晶斷裂，穿晶斷裂比率在5%以上，而且在富釹相聚集較多的三叉晶界處，由于應力集中，會首先出現裂紋擴展發散點。

2.2.4 磁體制備工藝——粉末冶金的燒結工藝

燒結釹鐵硼磁體采用粉末冶金工藝，使得燒結磁體內部必然存在一定數目的氣孔和缺陷，這在過去的研究中已經發現［6］。氣孔和缺陷的存在，一方面使磁體的密度下降，連續性降低，容易產生應力集中；另一方面，氣孔的存在使有效承載面積下降。這兩方面均為造成材料塑韌性差的原因。

2.3 改善燒結釹鐵硼力學性能的研究

到目前為止，國內外對燒結釹鐵硼的力學性能研究比較少。如：李安華［7］等人采用雙相合金法制備了燒結Nd-Fe-B磁體，當添加的合金中B含量為0.95%原子分數時，抗彎強度可達397MPa，而單合金法制得的磁體的抗彎強度僅為309MPa，添加晶界合金幾乎不影響永磁體的磁性能。

蔣建華等人［8-10］研究了加入合金元素Nb和Cu兩種元素對燒結Nd-Fe-B抗彎強度和斷裂韌性的影響，結果表明：當加入0.5%Nb（即w（Nb）＝0.5%）時，使NdFeCoB燒結磁體的抗彎強度從205.4MPa提高到312.7MPa，使三元系的NdFeB燒結磁體的抗彎強度從154MPa提高到312.7MPa，使NdFeCoB燒結磁體的斷裂韌性達到3.677MPa·m1/2，但三元系NdFeB燒結體的斷裂韌性下降了26.4%。當w（Nb）提高到1.0%時，NdFeCoB和NdFeB燒結磁體的抗彎強度分別提高了42.4%和89.9%。加入1.0%（質量分數）的Nb使NdFeCoB燒結磁體的斷裂韌性提高了13.3%，但比三元系NdFeB燒結磁體的斷裂韌性下降了21.5%。當加入0.5%（質量分數）的Cu時，可使NdFeCoB的抗彎強度從205.4MPa提高到259.7MPa，使三元系NdFeB燒結體的抗彎強度從154MPa提高到259.7MPa，但同時使NdFeCoB的斷裂韌性從3.47MPa·m1/2下降到3.12MPa·m1/2，使NdFeB燒結磁體的斷裂韌性從5MPa·m1/2下降到3.127MPa·m1/2。

Madaah Hosse iniHR［11］研究了添加Co和Ni兩種元素，減少晶界上的富稀土和富B相，可改善燒結Nd-Fe-B的力學性能。在Nd12.8Fe79.8B7.4合金中添加了MM元素，MM38Co46.4Ni15.5合金(MM為含鈰的稀土合金)可顯著提高彎曲強度、抗壓強度、硬度，但同時也大大降低沖擊強度。發現當MM38Co46.4Ni15.5合金的摻量為14%（質量分數）時，有最高的彎曲強度、抗壓強度和硬度。

J.F.Liu［12］向燒結釹鐵硼磁體中添加Nb，Ga，Al，Cu，Mn，Ti等元素，對比了(Nd,Pr)16.5Dy0.5Fe76(Nb,Ga,Al, Cu,Mn,Ti)1B6燒結磁體和N45M的燒結NdFeB磁體的力學性能。研究發現：添加以上元素以后，磁體的沖擊韌性從27.3kJ/m2提高到46.2kJ/m2；硬度從87.5降低到84.4；彎曲強度從299.2MPa提高到347.5MPa；抗壓強度從1139.1MPa降低到1051.5MPa；抗拉強度從163.4MPa降低到161.0 MPa。

日本川崎鋼鐵公司下斗［13］等人通過用Co、Ni和Ti復合取代Nd-Fe-B中的一部分Fe，使該磁體抗彎曲強度達560MPa，切削性能良好，能加工成50μm的薄制品。HortonJA等人［14］也對永磁材料的脆性問題開始關注，他們對不同廠家、不同生產方法生產的Nd-Fe-B、Sm-Co等材料的斷裂韌性K1c進行了測定。

P.Vedrine，P.Tixador［15］等研究了在溫度為4，77，300K的情況下，對燒結NdFeB磁體的彈性模量和斷裂韌性進行了研究，其值在低溫情況下會提高10%～20%，見表3，圖2，圖3。

表3 彈性模量和斷裂韌性值

圖2 彈性模量隨溫度變化圖

圖3 斷裂韌性隨溫度變化圖

研究發現從室溫到4K，NdFeB磁體依然是脆性材料，但是它的彈性模量和斷裂韌性有所提高。

3 結語

雖然目前對燒結釹鐵硼的研究比較多，但是普遍采用添加合金元素來改變其磁性能和力學性能，同時也有一些科學工作者利用深冷的原理對其進行改性，并取得了一些研究成果。然而燒結釹鐵硼的綜合力學性能不夠高，限制了很多領域的使用。如果在保證磁性能提高或者不變的情況下，燒結NdFeB磁體的塑韌性得到改善，將會在軍事、航天、高速電機等領域中發揮更大的作用，從而使燒結NdFeB進入一個全新的發展時期。

［1］Rodewald.Wand Wal1 B.Structure and Magnetic Properties of Sintered Nd-Fe-Nb-BMagnets［J］.Magn Magn Mater,1989，80: 57-60.

［2］于旭光,張增強,丁占來.冷處理對燒結釹鐵硼磁性能的影響［J］.石家莊鐵道學院學報，2007，20（2）:

［3］龐利佳,喬偉,陳菊芳,等.深冷處理對納米復合永磁材料織構度和磁性能的影響［J］.稀土，2006，27（6）:

［4］李安華,董生智.稀土永磁材料的力學性能［J］.金屬功能材料, 2002,(4):7-10.

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（編輯：胡玉香）

Abstrct:This paper introduces the study of the magnetic performance of sintered Nd-Fe-B with subzero treatment and the present situation of thesemechanical properties,the importance of these study emphasized.

Present Situation of M agnetic Performance and M echanical Properties Study of Sintered Nd-Fe-B Alloys

WANG Qifan ZHANG M in-gang
（1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China；2.Shanxi Jinshan Magnentic Material Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China）

sintered Nd-Fe-B,subzero treatment,magnetic performance,mechanical propertie, present situation

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TM 273

A

2010-03-16

山西省科技攻關項目（2007032031）

王奇凡（1984-），男，太原科技大學材料科學與工程學院在讀碩士研究生；研究方向：深冷處理對燒結NdFeB改性研究。Tel：13485362908，E-mail：wangqifanfrank@163.com

1672-1152（2010）02-0011-03