Dy元素分布對燒結(jié)釹鐵硼磁體性能的影響

文/劉友好 查善順（安徽大地熊新材料股份有限公司）

一、研究背景

燒結(jié)釹鐵硼永磁材料是當(dāng)前磁性能最高、應(yīng)用最廣的一類永磁材料[1]，然而普通燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的矯頑力相對較低，不能滿足永磁電機、高靈敏度傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。有關(guān)研究表明，添加重稀土Dy 元素是當(dāng)前獲得高矯頑力燒結(jié)釹鐵硼材料的主要方法[2-5]，然而關(guān)于Dy 元素的分布狀態(tài)對于磁體各項性能的影響的研究較少。本文通過雙合金的方式在釹鐵硼粉末中添加DyHm粉末，調(diào)節(jié)燒結(jié)釹鐵硼磁體內(nèi)部的Dy 元素分布，研究了不同的Dy 元素分布對磁體磁性能、耐溫性和耐腐蝕性的影響。

二、實驗方法

制備成分為(PrNd)30-xDyxFe69B(wt.%,x=0，1，2，3，4)的主合金粉末和DyHm、(PrNd)Hn輔合金粉末。對應(yīng)x=0～4的主合金粉末，分別按照主合金粉末∶DyHm∶PrNdHn為96∶4∶0、96∶3∶1、96∶2∶2、96∶1∶3、96∶0∶4 添加輔合金粉末（依次編號為X0、X1、X2、X3、X4），經(jīng)粉末混合、磁場取向成型、燒結(jié)熱處理后獲得Dy 元素分布不同的五種磁體。研究了不同Dy 元素分布對磁體磁性能的影響，利用SEM 觀察了混合粉末和燒結(jié)后磁體內(nèi)部Dy 元素的分布，利用XRD 測試了不同Dy 分布磁體的相結(jié)構(gòu)變化。

三、研究結(jié)果

利用SEM觀察了混合粉末X0 的結(jié)構(gòu)和組成（見圖1），對比Dy 元素分布圖，可以看出SEM圖中加圈的粉末顆粒為DyHm粉末顆粒，說明兩種粉末已經(jīng)有效混合。

圖1 混合粉末的SEM 圖及對應(yīng)的Dy 元素分布圖

利用EDX 測試了X1 磁體晶粒表層到晶粒內(nèi)部Dy元素含量的變化。結(jié)果表明：在晶粒表層，Dy 含量較高，達到3.48 wt%；在晶粒內(nèi)部，Dy 含量為1.74 wt%，接近主合金的Dy 含量。這就說明，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)和熱處理，DyHm中的Dy 原子部分進入了主相晶粒，在晶粒內(nèi)部呈梯度分布。

圖2 給出了不同Dy 分布磁體的矯頑力隨熱處理溫度的變化曲線。可以看出，磁體的矯頑力隨著熱處理溫度的變化而變化，每種磁體都對應(yīng)一個最高矯頑力。對比X0—X4 五種樣品的最高矯頑力可以看出：X0 磁體的最高矯頑力最小，X3 磁體的最高矯頑力最大，排列順序為X0＜X1＜X2＜X4＜X3。這是因為雖然X0 磁體晶界相中的Dy 含量較高，但是其主相晶粒中Dy 含量較少，主相晶粒本身的矯頑力較低，導(dǎo)致磁體整體矯頑力較低；X4磁體主相晶粒中Dy 含量較高，但是其晶界相中的Dy 含量較低，晶粒表層強化不足，導(dǎo)致磁體整體矯頑力也較低；X3 磁體主相晶粒中Dy 含量較高，其晶界相中也存在一定量的Dy 元素，強化了晶粒表層，導(dǎo)致磁體整體矯頑力最高。因此，合理的Dy 元素分布（主相和晶界相中的分配比例）可以獲得較高矯頑力的燒結(jié)釹鐵硼磁體。

圖2 磁體矯頑力隨熱處理溫度變化曲線

對比x=0 的主合金樣品和由x=0 主合金制備的雙合金樣品D0 的XRD 圖（見圖3）可以發(fā)現(xiàn)，雙合金樣品的特征峰明顯往大角度方向移動，這說明在燒結(jié)和熱處理過程中，Dy 元素進入了主相晶粒中，由于Dy 的原子半徑小于Pr 原子和Nd 原子，Dy 替代Pr 和Nd 進入主相晶粒，導(dǎo)致晶格收縮。只是進入主相晶粒的Dy 原子數(shù)量較少，晶格收縮不明顯。

圖3 x=0 主合金與x=0 雙合金樣品的XRD 圖

利用磁學(xué)性能測量系統(tǒng)（MPMS）測試了不同Dy 分布磁體的磁化強度M隨溫度T 變化曲線（見圖4，圖中MT指T 溫度下的M值，MT0指初始溫度0℃下的M值）。結(jié)果顯示，所有磁體的磁化強度M均隨著溫度T 的升高而降低，不同Dy 分布磁體磁化強度M的降低速度不同，基本趨勢是主合金中Dy 含量越多，磁化強度隨溫度升高而降低得越緩慢。這是因為，在測試溫度范圍內(nèi)Dy2Fe14B 的磁化強度的溫度穩(wěn)定性高于(PrNd)2Fe14B。結(jié)合EDX 分析結(jié)果可以確定，X0 樣品主相晶粒內(nèi)部幾乎不含Dy，主相主要為(PrNd)2Fe14B 相和極少量的(PrNdDy)2Fe14B相，其磁化強度隨著溫度的升高而快速降低；而在X4樣品中，主相晶粒內(nèi)部Dy 含量較多（4wt%），主相主要為(PrNdDy)2Fe14B 相，其磁化強度隨著溫度的升高而緩慢降低。

圖4 不同Dy 分布磁體的磁化強度M 隨溫度T 變化曲線

利用快速老化試驗箱測試了不同Dy 分布磁體的腐蝕失重（測試條件：130℃、100%RH、270kPa），結(jié)果見表1。在高溫、高濕、高壓環(huán)境下腐蝕10 天（240h）、20 天（480h）后，所有樣品的腐蝕失重都很小，磁體的耐腐蝕性隨著主合金中Dy 含量的增加呈現(xiàn)變好的趨勢。

表1 不同Dy 分布磁體的腐蝕失重

四、結(jié)論

通過雙合金的方式在釹鐵硼粉末中添加DyHx粉末，可以調(diào)節(jié)燒結(jié)釹鐵硼磁體內(nèi)部的Dy 元素分布。在總成分相同的情況下，主相晶粒內(nèi)部Dy 含量較高時，磁體的剩磁溫度系數(shù)較低、耐腐蝕性較好；合理的Dy 元素分布可以獲得較高矯頑力的燒結(jié)釹鐵硼磁體。