燒結釹鐵硼氧化現象分析與控制

摘 要:本文對釹鐵硼工業生產中出現的材料氧化現象進行分析，并區分其現象和產生原因，提出防止材料氧化的主要控制方法。

關鍵詞:釹鐵硼 氧化 燒結

中圖分類號:TG文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0005-01

釹鐵硼稀土永磁材料因具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積等優點，現已廣泛應用于電子信息、醫療衛生、航天航海、音響、交通等領域。尤其是近些年，在環保汽車、清潔能源、風能利用、空調等方面都呈現發展態勢，加之國內限制稀土初級品的出口政策限制，燒結釹鐵硼材料需求量猛增[1]。

1 燒結釹鐵硼氧含量分析

釹鐵硼生產工藝流程為:使用稀土金屬、鐵、硼鐵等原材料配料，經真空感應熔煉后澆鑄為釹鐵硼合金，合金使用氫氣破碎，再將破碎的合金粉用氣流磨磨粉，粉料采用低氧工藝磁場取向壓型，然后壓坯真空燒結和時效處理后便可得到具有一定磁性能的磁性材料。在制造燒結釹鐵硼材料過程中，氧不可避免的從大氣中進入磁體，在磁體內生成Nd2O3，或其他符合氧化物。釹鐵硼各項磁性能合格的材料中一般的氧含量范圍是1000～3000ppm，而因氧化導致材料磁性能惡化的釹鐵硼樣品，測量其氧含量可達到4000～6000ppm，這樣的材料不具備磁性能特性，無法使用，需要報廢處置。盡管國外的釹鐵硼制造商能控制材料在高氧含量條件下，依然保持良好的磁性能，但其使用的稀土百分比要比國內低氧工藝材料高，相對材料的成本也高。在工業生產中，很多環節控制不當均會導致材料氧化報廢，本文分析如何調節材料氧含量和以生產中常出現的材料氧化現象為例，區分不同的氧化現象，并分析出導致材料氧化的成因，然后提出防止材料氧化的主要控制方法。

2 生產中粉體材料的補氧工藝

釹鐵硼制造中，合金經過氣流磨磨粉，形成2.5～3.5mm的粉末。磨粉設備設計了補氧管路，目的是在磨粉工序為粉體材料添加一定的氧，使其輕微鈍化，防止其在后續成型生產中遇氧劇烈氧化，導致材料氧化發熱而報廢。一般情況下，設備的補氧方式有兩種，一種是將壓縮空氣直接補入氣流磨磨室的循環氮氣內，一種是將壓縮空氣補入氣流磨的高低壓氮氣儲罐內。保持粉體內一定的氧含量，有利于提高粉末的存儲時間。氣流磨工序采取的補氧工藝技術，能夠為材料提供一定的氧，加上原材料本身的氧含量，粉體的氧含量控制在2000ppm以下較為合適。氧含量的控制范圍與材料的稀土總量、添加的微量元素及粉體比表面積大小都有關系。這樣的粉體材料隨著存儲時間延長而其氧含量逐漸升高，在一定期限的氮氣保護下，粉體材料經過壓型和燒結，仍然能夠保持良好的磁性能。

3 氧與材料密度的關系

導致釹鐵硼材料燒結后的密度下降有多種原因，如燒結溫度過低，高溫條件下的液相燒結過程沒有使各相之間充分的融合，無法達到致密化，導致材料內的空隙很多，密度下降。還有就是材料中的氧含量很高，而在燒結初期的升溫抽真空過程中，只能在真空放氣段排出一部分的吸附態的氧，不能排出已經與材料中稀土元素發生化學反應的化合態的氧。釹鐵硼材料燒結后，坯料密度一般為7.45～7.7g/m3，材料接近理論密度，有一定的硬度和韌性。但當材料發生氧化后，其密度下降很多，有的甚至低于5.0g/m3，其磁性能極具惡化，這主要是材料中缺少釹鐵硼主相，釹等稀土元素與氧結合，形成氧化釹。經驗表明，隨著材料氧含量的增加，其的材料剩磁和矯頑力會下降。因此一旦材料嚴重氧化以后，只能報廢處理，不具有使用價值，這常常是材料生產中最大的損失。

4 材料氧化的現象及成因分析

釹鐵硼氧化的現象有較多種類，下文列出2種類型，分別進行描述。第一種:坯料外觀腫大，邊角部位出現顏色與坯料基體顏色的差異，一般為略顯發白。坯料經過破壞后，觀察斷口情況，可以看到有亮銀色十分光滑的切面。第二種，坯料整體外觀良好，沒有局部腫大，材料沒有收縮，測量密度后較低，一般為6～7/m3，經過斷口觀察，可見暗淡的灰白色。

下面分別對兩種氧化現象加以分析。第一種，通過材料生產批次追溯，其生產該批次的燒結爐后備氮氣防護箱體有破損，無法利用氮氣將箱體的氧含量降低到0.1%以下，也就是不能形成低氧環境，這導致了坯料防護不當，箱體內殘留的氧氣與坯料發生反應，只不過由于該反應過程并不劇烈，不會導致材料過熱甚至自燃。第二種，通過材料生產批次追溯，其使用的粉料已經存放超過2個月，粉料經過長時間的存放已經氧化是導致最終燒結坯料氧化的原因。粉料制備方法為，將熔煉后的釹鐵硼合金經氫氣破碎，形成的粗粉，其粒徑約為1～6mm，粗粉采用氣流磨設備進一步的細化，可得到粒徑更加細小的粉體材料，其一般的粒度分布檢測，平均粒徑為3～5mm，這一等級的粉體本身比表面積較大，容易與空氣中氧發生反應，因此需要使用氮氣等惰性氣體進行防護，共一生產一般采用密閉性良好的不銹鋼鋼瓶進行存貯，并向鋼瓶內充入氮氣，維持一定的壓力，保持與氧的隔絕。本文中第二種氧化現象的坯料，其使用的粉料盡管也采用上述氮氣防護方法，但長時間的存放無法將氧徹底與材料進行隔離，因為鋼瓶本身是存在微小漏點的，用于防護的氮氣氣體中也有微量的氧存在(工業用氣99.99%)，加之分體材料熔煉和磨粉過程中都會帶入一些氧，這些氧長時間作用分體材料中的微小顆粒，最終導致坯料氧化[2]。

5 結語

由上述分析可知，在釹鐵硼生產的各環節中都要采用有效的防氧化措施，坯料氣體防護時間不超過8小時，同時縮短由粗粉到毛坯的生產周期，避免材料在制品長期存放。材料嚴重氧化不僅磁性能消失，即便是再利用也有困難，減少氧化報廢可以為企業降低質量成本，也節約了資源，保護了環境。當然，也可采用提高稀土總量的方法提高粉料的存儲期，使制造過程中進入材料的氧與材料中一定的質量分數的Nd等稀土首先化合，這樣仍然能夠有較多的形成主相的稀土元素，而不至于材料很容易氧化。無論是低性能還是高性能的配方材料都可以提高稀土總量，同時提高氣流磨補氧量，使粉料鈍化的較為充分，從而提高了粉末材料的抗氧化能力。

參考文獻

[1]李亞峰.NdFeB永磁材料的應用領域與發展前景[J].礦冶，2005，14(2):67.

[2]唐杰.有關釹鐵硼粉末氧化研究的評述[J].綿陽師范學院學報，2007，11(26):39.