NdFeB磁體磁性能一致性差的原因及改進措施

王瑜

（包頭金山磁材有限公司，內蒙古包頭 014020）

生產實踐·應用技術

NdFeB磁體磁性能一致性差的原因及改進措施

王瑜

（包頭金山磁材有限公司，內蒙古包頭 014020）

燒結釹鐵硼磁體性能一致性差是困擾磁體生產廠家的問題之一，因此對磁體磁性能一致性差的原因進行了定性的歸納、分析，并有針對性地提出了一些改善磁體磁性能一致性的建議與措施，期望對磁體生產提供有益的指導和參考。

NdFeB磁體 磁性能 一致性

近年來，以釹鐵硼為代表的永磁材料產業，無論是燒結磁體還是黏結磁體，都取得了很大的發展，主要體現在磁體性能和產量都得到了較大幅度的提高。現在我國一些釹鐵硼磁體生產廠家已經可以生產N54、52M、48SH、45UH等高牌號產品，整個燒結釹鐵硼永磁材料正在向高Br、高矯頑力Hcj和高磁能積（BH）max等各項指標全面提高的方向發展,與國外先進水平的差距越來越小[1]。但隨著產品性能的迅速提高，另一個問題卻顯得越來越突出，那就是產品磁性能的一致性差的問題。提高產品磁性能及其一致性是磁體生產廠家和使用者共同關心的課題。對于各向異性燒結釹鐵硼磁體而言，同一批次產品、同一爐次產品、甚至同一塊產品不同部位切取的樣品，它們之間的磁性能總是存在較大的離散性，很難做到均勻一致。經常遇到的一些情況是：同一爐產品磁性能之間存在較大差異；把一塊磁體切片后，各個片之間磁性能會有較大的差異；較大的塊類產品磁體兩個表面的磁感應強度有明顯的區別。所有這些，都反映出磁體在一致性方面存在的問題十分突出。

因此，從生產實踐出發，對影響磁體的一致性的因素進行歸納分析，并提出一些相關改進建議。

1 磁體磁性能的影響因素

磁性有物質磁性和物體磁性之分。物質磁性是指只與物質成分和微結構有關而與物體形狀、大小無關的磁性。而物體磁性則是指與磁性材料規格、尺寸相關所表現出來的磁性。對于使用者而言，一般關心的是物體磁性。對于材料研究而言，關心的則是物質磁性。對于釹鐵硼永磁材料而言，常用到的也是最重要的物質磁性能參數有剩磁Br和矯頑力Hcj，另外常用的還有方形度Q。（BH）max雖然也是一個非常重要的指標，但從物理量影響角度而言，可將其看成是磁體剩磁Br、矯頑力Hcj和方形度Q的函數；在生產中常用到的表面磁感應強度和磁通則屬于物體磁性，體現的是物質磁性的一致性控制水平。綜合這些情況，只對磁體Br、Hcj以及Q的影響因素以及它們的一致性問題進行探討。

1.1 磁體剩磁Br的影響因素

燒結磁體剩磁Br可表示為[2]:

式中：Vn為非磁性相體積分數，1-Vn則為Nd2Fe14B主相體積分數；ρ為磁體燒結體密度；ρ0為致密體理論密度；ρ/ρ0表示磁體相對密度；f為Nd2Fe14B晶粒沿易磁化軸方向的取向系數（因子），即取向度；Js為Nd2Fe14B飽和磁極化強度（室溫）。

由式（1）可知，影響剩磁的因素有磁體成分（直接決定磁性主相室溫飽和磁化強度和磁性主相體積分數）、磁體相對密度、磁體取向度等。

1.2 磁體矯頑力Hcj、方形度Q的影響因素

Hcj與Q是磁體非常重要的指標，影響Hcj與Q的因素主要有成分、氧含量、顯微結構。其中氧含量又與各個工序氧含量控制水平有關，而顯微組織則主要取決于粉料的粒度與分布以及燒結工藝的各參數，具體地說取決于各燒結段的溫度及氣淬速度的控制。

2 磁性能一致性差原因探討

對上述這些磁性能影響因素，在生產實際中我們更關心哪些因素是主要因素，哪些是次要因素，以及生產中出現的磁性能一致性差是由那些具體因素造成的。

2.1 Br一致性差原因

磁體Br一致性主要受成分均勻性、取向一致性和燒結致密度一致性的影響，有研究表明[3]：由成分偏析引起的不均勻度一般在0.5%之內；由磁體密度一致性差引起的不均勻度一般在2%～5%；由取向度一致性差引起的不均勻度則可達6%～7%。

2.1.1 成分一致性差原因

生產實踐表明，材料一致性差、速凝鑄片結晶一致性差，對最終產品一致性有較大影響，再加上氣流磨制粉工藝的先天不足，會最終表現為粉料一致性差。這是因為鑄片不同部位結晶情況不同，反映在制粉工序即鑄片破碎性存在差異，再由于氣流磨制粉時成分偏析較難破碎的粉料的累積，使氣流磨前后不同時段所制粉料成分之間存在差異。另外目前釹鐵硼生產普遍添加防氧化劑及潤滑劑，如果處理不好，會導致粉料之間干濕度存在差異。

目前的解決辦法是，在氣流磨之后用混料機混料，但混料機的設計缺陷及人工操作存在的差異都會導致粉料成分出現差異，而粉料成分一致性差異會直接導致產品Br出現差異。

2.1.2 燒結體密度一致性差原因

成型環節有許多因素會導致生坯密度分布出現差異（同一塊產品不同部位密度存在差異）[4]，如成型方式、所成型產品的長徑比（增加壓坯高度會使壓坯密度差增加，加大直徑則使密度分布更加不均勻）、成型模具光潔度等。而我們更關心的是影響批料產品密度一致性（連續生產的不同產品之間存在的密度差異）的因素，結合理論分析和工程實踐，我們認為影響成型生坯密度一致性主要有以下一些情況：

首先，目前相當一部分國產成型壓機，尤其是成型小規格產品的小噸位壓機存在不少問題，主要表現在液壓系統密封性較差、易漏油，壓力不穩定、波動大，需經常性調節，故障率高等，這些情況經常導致產品密度之間出現差異。

其次，許多廠家在生產同一種產品時，存在多臺壓機同時生產卻不加區分的現象。各臺壓機之間壓力也存在較大的差異，這些都會導致同一批號粉料而成型密度卻出現較大的差異。沒有精確控制成型壓力，隨意性較強。

再次，除成型工序外，燒結工序同樣會導致產品密度之間出現差異。尤其現在許多生產廠家燒結爐越來越大，爐內溫差過大；裝爐時嚴重超裝，產品處在恒溫區之外，再加上不定期校對爐內溫度，使得不同部位產品燒結溫度存在一定差異，導致最終產品密度一致性變差。

2.1.3 磁體取向度一致性差原因

磁體取向度是影響Br最重要的一個因素，而且是影響程度最不穩定的一個因素。磁性能往往出現明顯波動，絕大多數情況都是由取向度出現問題造成的，而且取向度差卻最難得到測試確認。

從成型工序出來的產品，產品取向度為何會有差別？分析認為主要有以下幾方面的原因：

首先，取向磁場存在差異。如上所述，許多廠家在成型同批號產品，經常會采用多臺壓機同時成型，而各臺壓機取向磁場也往往存在不小的差異，會導致不同壓機所成型產品的取向度存在差異。不同成型壓機取向磁場之間的差異往往是造成批量產品剩磁一致性較差的主要原因。

其次，成型取向壓機可靠性較差。國產成型壓機，在取向電磁鐵和控制電源方面的可靠性差相對較差，尤其在長時間連續生產時，取向磁場和退磁磁場不穩定。特別是小型電磁鐵，取向磁場本來就不是很高，在連續長時間工作后，電磁鐵溫度升高，電阻增大，造成取向電流不足，會引起取向磁場的下降，這也會導致產品取向度降低。

最后，成型取向度易受人為操作影響。目前國內采用全自動壓機的生產廠家仍較少，成型都是由人工往模具加料，而在加料過程中易不自覺地對粉料施加壓力，造成粉料取向前發生團聚，影響取向。另外，成型時模具松裝比設計不合理、模具光潔度差等環節都會對取向度一致性造成影響。這些一般是造成同一產品不同部位磁性能一致性差的主要原因，因此在生產中應高度重視對成型環節的管理控制，保證產品取向度的一致性。

2.2 磁體矯頑力Hcj、方形度Q一致性差原因

磁體Hcj、Q一致性同樣是我們非常關心的問題。相對而言，由于磁體Hcj、Q對工藝因素更敏感，故一致性問題更為突出。

磁體Hcj、Q一致性影響因素除成分之外，主要有以下幾方面因素：

首先，粉料粒度及分布的影響。這一問題在生產高矯頑力產品表現尤為突出。

另外，燒結工序也是影響磁體Hcj、Q一致性的重要因素。前面已述及，一些生產廠家為片面追求經濟效益，選用的燒結爐越來越大。爐膛體積增加，裝爐時超量，造成爐膛溫區均勻性變差，這種情況在空爐時還不太明顯，但在裝滿產品后表現尤為明顯。爐膛溫區一致性差，難以保證燒結與時效時溫度的一致，再加上對冷卻速度的影響，會直接影響磁體的顯微組織結構，這些都會對磁體Hcj、Q的一致性產生足夠大的影響。

3 改進措施

結合生產實際，有針對性地提出一些建議或注意事項，以提高產品一致性。

1）在鑄片工序，應當減小鑄片厚度，充分保證鑄片各部分都有大體一致的冷卻效果，控制鑄片在結晶組織上的一致性。

2）改進氣流磨，提高設備關鍵部件耐磨性、穩定性，改善粉料粒度及其分布；由于目前釹鐵硼生產企業大多采用防氧化劑，故氣流磨后要充分混料，最終控制粉料成分、粒度及其分布、干濕度等方面的一致性。

3）條件成熟的廠家可采用國外進口壓機。采用國產設備的廠家要做到以下幾方面：經常檢查成型壓力、取向磁場、取向和成型配合情況，保證取向穩定；規范工藝，將操作工偶然誤差降至最低；同時，對于成型時不同成型壓機所成型的產品應該分別標識并加以區分，避免不同壓機壓力、取向磁場不同影響磁體Br一致性，同時利于在發生質量問題時容易查清原因，以及時穩定生產。可見對成型工序的有效控制對批次產品穩定性起決定性作用。

4）合理選用燒結爐，適度控制裝爐量。燒結時，對于產品一致性要求較高的產品，要適度控制裝爐量，確保溫區控制在合理范圍；合理制定燒結溫度、時效制度，溫度不宜過高，可采用略低溫度進行長時間燒結，尤其是對于采用氫爆碎制粉的粉料，應防止晶粒長大。

5）在整個生產工藝中應防止氧化，提高氧含量控制水平，尤其是在制粉、成型等增氧較多的工序。有效控制氧含量對磁體Hcj、Q一致性的提高大有好處。

4 結語

成型環節主要影響產品取向度和密度的一致性，進而影響磁體Br的一致性；而燒結環節以及對氧含量的控制則主要影響Hcj和Q的一致性。所以生產企業應根據實際情況采取相應措施，以改進產品一致性，穩定產品質量。這對于技術水平不高、工藝控制水平較差的一些中小企業顯得尤其重要。

[1]李衛，朱明剛.高性能金屬永磁材料的探索和研究進展[J].中國材料進展，2009，128（9/10）：62.

[2]周壽增，董清飛.超強永磁體-稀土鐵系永磁材料[M].北京：冶金工業出版社，1999：251-252.

[3]鄒光榮，傅恒志，胡世平，等.取向度對Nd-Fe-B磁體磁性能均勻性的影響[J].稀有金屬材料與工程，2000，29（3）：149-152.

[4]王盤鑫.粉末冶金學[M].北京：冶金工業出版社，2003：124-148.

（編輯：胡玉香）

The Reasons and Improvement Measures for Bad Consistency of NdFeB Magnets

WANG Yu
（Baotou Jinshan Magnetic Material Co.,Ltd.,Baotou Inner Mongolia 014020）

The badly consistency of the NdFeB magnets performance is one of the problems for manufacturer.This paper has carried on the qualitative induction,the analysis of the bad reason of magnet performance consistency,and proposes some suggestions and the measures to improve magnet performance consistency,providing beneficial instruction and reference to magnet production.

NdFeB magnets,magnet performance,consistency

TG132.2+7

A

1672-1152（2016）06-0045-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.17

2016-10-14

王瑜（1974—），男，高級工程師，現從事燒結釹鐵硼永磁材料研發工作。