Nd/Pr含量對快淬Nd-Fe-B合金組織及磁性能的影響

高　棟，高學緒，包小倩

（1.石家莊學院物理與電氣信息工程學院，河北石家莊　050035；2.北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室，北京　100083）

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Nd/Pr含量對快淬Nd-Fe-B合金組織及磁性能的影響

高棟1，高學緒2，包小倩2

（1.石家莊學院物理與電氣信息工程學院，河北石家莊050035；2.北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室，北京100083）

摘要：研究Nd/Pr含量對Nd-Fe-B合金鑄錠、快淬帶、退火晶化帶的組織結構和磁性能的影響，得到Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21、Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35、Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29三種合金的最佳退火工藝分別為600℃/10min，700℃/10min和650℃/10min，相組成分別為2∶14∶1/α-Fe、2∶14∶1/α-Fe、2∶14∶1/富Nd相。隨著Nd/Pr含量的增加，合金中2∶14∶1相含量增加，α-Fe含量降低，磁體的矯頑力增加，剩磁下降，磁能積同時受矯頑力和剩磁的共同影響，隨Nd/Pr含量變化磁能積變化不大。

關鍵詞：Nd-Fe-B合金；快淬；微結構；磁性能

快淬Nd-Fe-B磁粉主要用于制造各向同性粘結Nd-Fe-B永磁體，這種磁粉由于其納米晶結構產生了交換耦合作用，因而氣制備的永磁體的磁性能非常優異［1-3］。

為了改善Nd-Fe-B合金的磁性能，科研工作者會加入替代元素以進入硬磁相的原子點陣或者與軟磁相形成固溶體，這將對軟磁性相或硬磁性相的內稟磁性能和晶化溫度產生影響［4］，比如Pr元素可以替代Nd元素，Betancourt R J I等人添加Pr［5］發現Pr可取代Nd生成（Nd，Pr）2Fe14B，增加硬磁相的各向異性，合金的剩磁得到增強。本文主要研究Nd/Pr含量的增加對快淬Nd/Pr-Fe-B合金的相組成、顯微組織結構以及室溫磁性能的影響，Pr元素的含量可以近似等同于Nd元素的含量。當Nd%（at.%）<11.76at%時，Nd/Pr含量的增加使合金中硬磁相含量增加而軟磁相含量減少；當Nd%（at.%）>11.76at%后將出現非磁相富Nd相，而富Nd相的增加會減少硬磁相的生成并阻礙磁疇壁的運動。

通過控制熔體快淬法的工藝參數理論上可以直接得到令人滿意的納米晶結構，但這是非常難的，通常的方法是先經過快淬獲得非晶化或部分納米晶化合金，再通過后續的退火晶化處理獲得具有較高納米晶化程度的Nd-Fe-B合金，這就要在一個適宜的晶化熱處理溫度以及在該溫度的適宜的退火時間經晶化退火處理才得到令人滿意的納米晶結構［6］，因此制備快淬合金工藝的改進主要是改善晶化退火處理工藝，對晶化熱處理的時間、溫度、壓力或者升溫速度等參數進行改變以影響非晶態合金的析晶過程，最終制得具有較窄粒度分布的納米晶合金。

1　實驗

在考慮稀有金屬4wt.%的燒損量的情況下，按表1-1要求成分的化學配比進行配料，在高純氬氣（99.999%）的保護下用WS-4非自耗真空電弧爐反復熔煉3～5次最終得到下列三種合金：Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21，Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35，Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29。

表1-1　Nd/Pr-Fe-B合金試樣標號及其成分

采用遼寧錦州技術研究所生產的真空感應快淬熔煉爐在真空條件下用熔體快淬法制備出三種合金各自對應的快淬帶，然后在高純氬氣的保護下，將快淬帶在預定溫度保溫預定時間后拿出放置在空氣中冷卻，本文所選用的退火工藝有三種，分別為600℃/10min、650℃/10min、700℃/10min。

用研缽將快淬態和退火態合金研磨成粉，取微量粉末（50微克左右）和微量石蠟混合，水浴加熱使石蠟熔化進而制成蠟丸（不考慮成形因子），由于石蠟是順磁性物質，無需考慮其對測量結果的影響，然后用美國Quantum Design公司生產的PPMS綜合物性測量系統的VSM模塊對其進行室溫磁性能的測定。對研缽研磨成的粉末過300目篩子后，測定其XRD圖譜可得知快淬帶和經退火處理的合金帶的相組成。

將快淬合金帶掰斷，吹去碎屑后用德國Zeiss公司的Zeiss Auriga聚焦離子束電鏡對其進行斷口形貌觀察。取快淬帶制得透射電鏡樣品后，用美國FEI公司的Tecnai G2 F30S-TWIN型透射電鏡對其進行納米尺度上的形貌觀察。

2　實驗結果及分析

經最佳退火工藝處理后的納米晶Nd-Fe-B合金的快淬帶的XRD圖如5-9所示，其中合金1屬于低Nd合金，因此存在清晰的α-Fe相的衍射峰；而合金2屬于中Nd合金，其主要由Nd2Fe14B相組成，此合金α-Fe相的衍射峰的強度比合金1要弱。試樣3屬于高Nd合金，主要由Nd2Fe14B相和富Nd相組成，但在XRD中無法分辨富Nd相。該成分合金經最佳退火處理后的快淬帶的Nd2Fe14B相的強度要強于合金1和2，這是因為隨著Nd含量的增加，Nd2Fe14B相的量隨之增加。

不同Nd含量Nd-Fe-B合金快淬帶斷口形貌見圖2-2，可看出三個合金都有納米晶組織，而納米晶化程度隨Nd/Pr含量增加而明顯增強。其中試樣503的快淬帶有明顯的納米晶結構，而且晶粒大小均勻。

圖2-1　經最佳退火工藝處理的納米晶Nd-Fe-B合金帶的XRD圖

圖2-2　不同Nd含量的納米晶Nd-Fe-B合金的快淬帶斷口形貌

而三個試樣1（Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21）、2（Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35）、3（Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29）的Nd/Pr含量依次升高，如圖2-2所示它們的納米晶程度依次增高，說明在一定范圍內增加Nd/Pr含量，利于材料的納米晶化程度提高。

本文所比較的三個Nd-Fe-B合金快淬帶的TEM像見圖2-3，三個Nd-Fe-B合金試樣可按照Nd/Pr的含量分為三類。

圖2-3　不同Nd含量的Nd-Fe-B合金快淬帶的TEM像

第一類是高釹合金（Nd >13at%），3 （Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.2）9樣品正是此類合金，如圖5-4，該合金的微觀組織是由很細小且隨機取向的Nd2Fe14B晶粒組成，這些晶粒被富Nd非磁相所包圍，這些非磁相能阻止磁疇壁的移動，矯頑力因此得到提高，但剩磁卻因為磁稀釋作用而降低。

第二類是中Nd合金（11at%

第三類是低Nd合金（Nd<11at%），樣品1 （Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.2）1是此類合金，此類合金是由Nd2Fe14B相和α-Fe相組成的納米復相材料，其微觀組織見圖2 -4，是被α-Fe軟磁相包圍的Nd2Fe14B相。由三個試樣的TEM圖可見隨著Nd含量的增加，試樣的納米晶組織越來越清晰。

圖2-4　不同退火工藝的501、502、503快淬帶試樣的磁滯回線

圖5-8為經不同退火工藝處理后的納米晶Nd-Fe-B快淬帶的磁滯回線，由磁滯回線可求得不同退火工藝處理后的快淬帶的室溫磁性能數據見表2-1，對不同退火工藝處理后的快淬帶室溫磁性能數據進行比較可知，三種不同成分合金快淬帶的最佳退火工藝為，合金1（Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21）：600℃/10min；合金2（Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35）：700℃/10min；合金3（Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29）：650℃/10min。

表2-1　不同退火工藝所得的合金帶的室溫磁性能

納米晶釹鐵硼合金的室溫磁性能隨Nd/Pr含量的變化而發生上表所示的變化，主要原因是Nd含量的增加。當Nd%（at%）<11.76時，合金由大量的硬磁Nd2Fe14B相和極少量的軟磁相α-Fe相組成，這將產生非常強的交換耦合作用，此時Nd含量的增加會使軟磁相α-Fe相的量減少和硬磁Nd2Fe14B相的增加，這會削弱交換耦合作用，合金的飽和和剩余磁感應強度隨之降低而矯頑力增加，因此Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35與Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21相比，飽和及剩余磁感應強度低而矯頑力高；當Nd含量繼續增加到Nd%（at%）>11.76后，將生成出現在硬磁Nd2Fe14B相所生成的晶粒的邊界處的非磁相富Nd相層，富Nd相的生成會使Nd2Fe14B相的量減少，阻止磁疇壁的移動并削弱晶粒之間的交換耦合作用，合金的矯頑力也隨之得到了極大的提高，因此Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29的矯頑力遠大于其他兩種合金，而飽和及剩余磁感應強度低于其他兩種合金。

3　結論

（1）Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21，Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35，Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29三種合金的最佳退火工藝分別為600℃/10min，700℃/10min和650℃/10min。

（2）合金1（Pr2.61Nd7.68B5.50Fe84.21）的Nd/Pr%（at%）<11%，屬于低Nd合金，該合金是由大量的硬磁Nd2Fe14B相和極少量的軟磁相α-Fe相組成；而合金2（Pr2.85Nd8.36B5.44Fe83.35）屬于中Nd合金，接近Nd2Fe14B單相，合金3（Pr3.69Nd10.97B5.64Co3.94Ga0.47Fe75.29）屬于高Nd合金，除了硬磁Nd2Fe14B相，還有富Nd相。

（3）隨著合金中Nd/Pr含量的增加，快淬帶的納米晶組織越加清晰，合金帶的剩磁下降，矯頑力增加，磁能積受剩磁和矯頑力的共同影響，變化不大。

參考文獻：

［1］周壽增，董清飛.超強永磁體——稀土鐵系永磁材料（修訂2版）［M］.北京:冶金工業出版社，2004.

［2］胡伯平.中國稀土永磁產業的發展及展望［J］.稀土信息，2004，（8）:8-10.

［3］祝景漢.快淬Nd-Fe-B永磁體［J］.中國稀土學報，1994，（12）: 520-527.

［4］包小倩.高性能納米晶單相釹鐵硼的制備及相關機理［D］.周壽增，朱潔.北京:北京科技大學，2008.

［5］Betancourt R J I，Davies H R.Magnetic properties of crystalline didymium（Nd-Pr）-Fe-B alloys［J］.Appl. Phys.，1999，85 （8）: 5911-5913.

［6］Yang C P，Jiang Z L，Chen X Y，et al. Microstructure and magnetic properties of two-phase nanocomposites Nd9Fe85.5Nb1.0B4.5-yCy（y=0.5-4.5）magnets［J］. J Alloy Comp，2001，（316）: 269-274.

［作者簡介］高棟（1986-），男，河北館陶人，畢業于北京科技大學，碩士，主要從事新金屬材料研究.

［收稿日期］2016-02-05

中圖分類號：TM273

文獻標識碼：A

文章編號：1672-4658（2016）02-0187-04