溫度對鍍鐵層組織與性能的影響

富玉竹， 佟偉平

（1.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819；2.遼寧石化職業技術學院，遼寧 錦州121001）

0 前言

燒結NdFeB磁體具有很高的飽和磁化強度，它是高科技領域中的重要功能材料［1］。但是燒結NdFeB磁體極易發生腐蝕，這使得其應用范圍受到限制［2-4］。為了解決磁體耐蝕性差的問題，本文采用電鍍的方法對燒結NdFeB磁體進行防護。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用牌號為N35 的燒結NdFeB 磁體，規格為1.8cm×0.9cm×0.4cm。

1.2 實驗設備

HH-S21型恒溫數顯水浴鍋，KQ-220DC型超聲波清洗儀，AL204型電子天平，JHS型電子恒速攪拌機，直流電源，HX-700型維氏顯微硬度儀，X’Pert Pro PW3040／60型X 射線衍射分析儀，Leica DM／T-400型金相顯微鏡，西門子SSX-500型掃描電鏡。

1.3 工藝流程

1.4 鍍液成分及工藝條件

硫酸亞鐵400～450g／L，氯化鈉200～230 g／L，硫酸4.5～5.5g／L，7A／dm2，70～95℃。

1.5 實驗方法

陽極采用高純鐵（純度不小于99.99%），陰極為燒結NdFeB磁體。陽極不斷地失去鐵原子，而陰極不停地得到鐵原子。本實驗中，選擇雙陽極電鍍，即陰極周圍有兩個陽極。這樣可以保證磁體的兩個面都有均勻的鍍層，避免了磁體不同面上鍍層厚度不均的現象。實驗裝置如圖1所示。

1.6 性能檢測

（1）在金相顯微鏡上對樣品進行橫截面金相顯微組織觀察；利用掃描電鏡觀測樣品的組織形貌。

（2）根據《輕工產品金屬鍍層和鋁氧化膜的厚度測試方法》（GB 5928—1986），采用測重法測量鍍層的厚度，再計算其沉積速率。

（3）根據《輕工產品金屬鍍層的硬度測試方法》（GB 5934—1986），采用顯微硬度法測量鍍層和基體的顯微硬度。

（4）根據《輕工產品金屬鍍層和化學處理層的耐腐蝕試驗方法》（GB 5938—1986），采用中性鹽霧試驗法對試樣的施鍍部分進行腐蝕，測定腐蝕速率。

（5）根據《輕工產品金屬鍍層的結合強度測試方法》（GB 5933—1986），采用銼刀法和彎曲法定性檢測鍍層的結合強度。

圖1 實驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 溫度對鍍層沉積速率的影響

圖2為溫度對鍍層沉積速率的影響。由圖2可知：隨著溫度的升高，鍍層的沉積速率逐漸增大。這是由于鍍鐵液的溫度越高，Fe2+的運動速率和離子擴散速率加快，陰極極化作用降低，這樣有利于鐵的析出，因而鍍鐵層的沉積速率增大。

圖2 溫度對鍍層沉積速率的影響

2.2 溫度對鍍層表面形貌的影響

圖3為不同溫度下所得鍍層的SEM 照片（×100）。由圖3可知：當溫度為70℃時，鍍層表面比較光滑，胞狀體較少；當溫度為80℃時，鍍層粗糙，而且胞狀體增多；當溫度為90℃時，鍍層表面溝痕凸顯，胞狀體明顯增多；當溫度達到95℃時，胞狀體數量較90℃時的顯著增加，表面粗糙不平。可見，低溫時容易得到致密性好、表面光滑的鍍層。

2.3 溫度對鍍層顯微硬度的影響

圖4為溫度對鍍層顯微硬度的影響。由圖4可知：隨著溫度的升高，鍍層的顯微硬度下降。這是由于溫度升高時，吸附在鍍層表面的原子態氫滲入晶格的量減少，使鍍層晶格畸變減弱、位錯密度減小，即晶格畸變和位錯強化作用隨溫度的升高而減弱。

圖3 不同溫度下所得鍍層的SEM 照片（×100）

圖4 溫度對鍍層顯微硬度的影響

2.4 溫度對晶粒尺寸的影響

圖5為不同溫度下所得鍍層的XRD圖。由圖5可知：（110）衍射峰遠高于（200）和（211）衍射峰。隨著溫度的升高，（200）和（211）衍射峰的峰值逐漸減弱，而（110）衍射峰的峰值逐漸增大。這說明隨著溫度的升高，晶粒的生長存在擇優取向，晶面的擇優取向為（110）。

圖5 不同溫度下所得鍍層的XRD圖

圖6為溫度對晶粒尺寸的影響。由圖6可知：當溫度為70℃時，（110）、（200）和（211）衍射面的晶粒尺寸分別為19nm、14nm 和13nm；當溫度升至80℃時，三個面上的晶粒尺寸分別為25nm、19nm和17nm。隨著溫度的升高，這三個衍射面的晶粒尺寸有逐漸增大的趨勢。

圖6 溫度對晶粒尺寸的影響

2.5 溫度對鍍層結合力的影響

圖7為不同溫度下的刻刀形貌。由圖7可知：當溫度為80℃時，刻痕周圍和交叉處基體均無起皮現象，說明結合力非常好；當溫度為70℃時，刻痕及刻痕交叉處的基體稍微有局部起皮現象；當溫度為90℃和95℃時，刻痕周圍的基體無起皮現象，但刻痕交叉處基體有少量的起皮。在刻刀試驗中，溫度為80℃時，鍍層的結合力最好。

圖7 不同溫度下的刻刀形貌

將鍍鐵層加熱到500℃，保溫一段時間后，再在20～30℃的水中激冷至室溫，取出試樣進行觀察，均無起皮脫落現象。這說明鍍層的結合力都比較好。反復將鍍鐵層加熱、水激冷20次，80℃下得到的鍍層均不起皮脫落。

2.6 溫度對鍍層孔隙率的影響

圖8為不同溫度下所得鍍層的孔隙率。由圖8可知：隨著溫度的升高，鍍層的孔隙率呈上升趨勢。當溫度為70℃時，鍍層的孔隙率最低；當溫度為80℃時，隙率增大到1個／cm2；當溫度為90℃時，孔隙率為2個／cm2；當溫度達到95℃時，孔隙率變為4 個／cm2，增加的幅度較大。因此，在電鍍鐵過程中，提高鍍液的溫度使沉積速率適中，有利于鍍鐵層的形成。而溫度過低，使沉積速率過低，晶核成長速率過慢，不利于鍍鐵層的形成，也會導致鍍鐵層的孔隙率升高。所以電鍍鐵時應對鍍液溫度的下限有所控制。

圖8 不同溫度下所得鍍層的孔隙率

2.7 溫度對鍍層耐蝕性的影響

圖9為不同溫度下所得鍍層在3.5%的NaCl溶液中的腐蝕速率。由圖9可知：70℃下所得鍍層在NaCl溶液中放置一段時間后，腐蝕嚴重，鍍層表面被腐蝕出密密麻麻的細小裂紋；隨著溫度的升高，裂紋數量有所增加，但并不明顯；當溫度為90℃時，表面坑坑洼洼，腐蝕較嚴重；當溫度繼續升至95℃時，鍍鐵層表面已經被腐蝕出許多小孔洞。可見，隨著溫度的升高，鍍層的耐蝕性逐漸變差。這是由于隨著溫度的升高，晶粒逐漸粗化，孔隙率逐漸增加，表面變得越來越粗糙，從而造成耐蝕性越來越差。鍍鐵層本身在3.5%的NaCl溶液中的耐蝕性就很差。這是由于與鹽水形成原電池造成的。所以鍍鐵層的耐蝕性并不好，但比原磁體的耐蝕性要好很多，說明鍍鐵層能提高耐蝕性，可以對鍍鐵層進行后期處理來提高磁體的耐蝕性。

圖9 不同溫度下所得鍍層的腐蝕速率

3 結論

隨著溫度的升高，沉積速率逐漸增大，顯微硬度逐漸減小，孔隙率逐漸升高，晶粒逐漸粗化，表面越來越粗糙，結合力先增大后減小。

［1］CHANG K E，WARREN G W.The electrochemical hydrogenation of NdFeB sintered alloys［J］.Journal of Applied Physics，1994，76（10）：6262-6264.

［2］SCHULTZ L，BARKLEIT G，MUMMERT K，etal.Corrosion behaviour of Nd-Fe-B permanent magnetic alloys［J］.Materials Science and Engineering，1999，267（2）：307-313.

［3］KIM Y B，KIM M J，YANG J H，etal.Effects of Nd／Fe ratio on the microstructure and magnetic properties of NdFeB thin films［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，234（3）：489-493.

［4］MA Y G，LI R S，YANG Z，etal.Effects of additive elements（Cu，Zr，Al）on morphological and magnetic properties of NdFeB this films with perpendicular magnetic anisotropy［J］.Materials Science and Engineering：B，2005，117（3）：287-291.