Mg納米粉對釹鐵硼磁性和熱穩定性的影響*

李志杰， 王小二， 李佳陽， 李　嘉， 王洪志

(沈陽工業大學 理學院， 沈陽 110870)

由于具有突出的磁性能，燒結NdFeB磁體已經廣泛應用于制備各種電子設備[1-2].然而，由于NdFeB磁體的熱穩定性較差[3-4]，因而嚴重限制了其在高溫及潮濕等環境中的應用，這主要歸因于燒結NdFeB磁體的多元相微觀結構特點.相對于主相，富釹相熔點較低且容易被氧化，因此，富釹晶界相的存在會導致NdFeB磁體的熱穩定性較差.改變富釹晶界相的微觀結構是提高NdFeB磁體熱穩定性的一種有效方法[5].

目前，針對燒結NdFeB磁體熱穩定性的研究多集中于通過添加適量元素或改進磁體制備工藝來提高磁體的內稟矯頑力[6]，并利用磁體的高矯頑力來抵抗外界環境改變帶來的磁體性能的下降.提高燒結NdFeB磁體矯頑力主要有兩種方法.一種方法是在NdFeB磁體制備過程中添加適量微量元素，如Al、Cu、Co、Dy和Nb等合金元素[7-9]，添加微量元素可以提高燒結NdFeB磁體的各向異性場，而各向異性場的增加可以促進燒結NdFeB磁體內稟矯頑力的提高.另一種方法是改善燒結NdFeB磁體的顯微結構，這是因為改善燒結NdFeB磁體晶界與晶體內部的顯微組織可以減少散磁場的存在，從而提高燒結NdFeB磁體的內稟矯頑力[10].然而，由于合金元素的添加也會降低磁體的磁性能，因而可以通過添加輕金屬納米顆粒并利用二元合金法來提高磁體的晶界相性能.納米顆粒比表面積較大且具有小尺寸效應，因而有助于磁體磁性的提高和微觀結構的優化.此外，二元合金法也能夠提高磁體的磁性能[11-12].添加Mg元素可使富釹晶界相變得穩定并減少氧化，Mg的密度很小且Mg納米粉的活性很高，在炎熱和潮濕環境下Mg比Nd更易與氧反應從而降低Nd的氧化，同時Mg的添加能夠促進燒結過程的進行.此外，Mg具有較低的熔點，且有利于磁體保持較好的磁性能和熱穩定性.目前，有關添加Mg納米粉后燒結NdFeB晶界組織相應變化的研究仍鮮見報道.本文將Mg納米粉添加到NdFeB磁體中，研究了Mg納米粉對磁體的磁性能和熱穩定性的影響.

1　實驗方法

利用熔煉方法和甩帶鑄件技術制得組成成分為(PrNd)29.9Dy0.1B1Co1Cu0.15Febal的合金.通過氫破和氮氣環境下的氣流磨處理，將合金薄片破碎成尺寸為4～5 μm的粉末.利用等離子體電弧法[13]制備Mg納米粉.分別將質量分數為0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的Mg納米粉與NdFeB合金粉末進行初步混合后，在氮氣環境下通過氣流磨進行充分混合，之后將粉末進行真空烘干.在氬氣環境下利用取向壓機將干燥粉末進行壓緊，隨后在200 MPa的冷等靜壓下進行壓制處理，然后將壓制得到的生坯于1 078 ℃下燒結3.5 h，之后于900 ℃回火2 h，最后于490 ℃回火5 h.利用AMT-4型磁性測量設備來測量磁體的磁性能.利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡來分析磁體的微觀結構、形貌和元素分布.利用阿基米德方法測量磁體密度.將尺寸為φ10 mm×10 mm的磁體試樣分別于23、100和150 ℃下進行磁性測試.

2　結果與分析

2.1　磁性能和微觀結構

圖1為NdFeB磁體的磁性能與Mg納米粉含量的關系.

圖1　NdFeB磁體的磁性能與Mg納米粉含量的關系Fig.1　Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder

當Mg納米粉的質量分數由0%增加到0.1%時，燒結NdFeB磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積均得到升高.當Mg納米粉的添加量大于0.1%時，隨著Mg納米粉的繼續添加，磁體的磁性能隨之下降.當Mg納米粉的質量分數為0.1%時，燒結NdFeB磁體的矯頑力為999.1 kA/m，剩磁為1.436 T，最大磁能積為396.9 kJ/m3，且均達到最大值.Mg納米粉主要分布于晶界區域，因此，添加Mg納米粉不會改變主相的結構和內稟性能.Mg納米粉的添加主要用來改變晶界相的微觀結構，并通過增強磁體晶間相的去磁耦合作用來提高磁體矯頑力.

圖2為不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的SEM圖像.由圖2可以清晰地觀察到磁體的主相和晶界相.當添加的Mg納米粉含量為0.1%和0.3%時，利用光學顯微鏡可以測量得到磁體的平均粒徑分別為4.86和5.83 μm，表明適量Mg納米粉的添加有利于阻止主相粒徑的長大，且主相尺寸越小，磁體的磁性能越好.當Mg納米粉含量為0.1%時，磁體主相晶界清晰，最大晶粒尺寸也相對較小，晶粒分布更加均勻，晶間相與主相之間具有較好的浸潤性，從而有利于增強晶間交換耦合作用并提高磁體密度.此外，平滑而又連續的晶界層表明鐵磁相間具有更好的隔離效果，這同樣有利于提高磁體的矯頑力.

圖2　不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的SEM圖像Fig.2　SEM images of NdFeB magnets with different contents of Mg nanopowders

圖3為添加質量分數為0.1%的Mg納米粉后，NdFeB磁體的SEM圖像和EDS能譜.具體EDS分析結果如表1所示.由圖3可見，NdFeB磁體的晶粒尺寸約為4.86 μm，這與圖2獲得的結果一致.由表1可見，A點Mg元素的質量分數為0.33%，B點未發現Mg元素的存在，表明Mg納米粉添加到晶界區域并與晶間相融合，使得富釹相連接更加均勻，顆粒結合更加緊密.這是由于在燒結與回火過程中Mg與富釹相反應生成了Mg-Nd相.

圖3　NdFeB磁體的SEM圖像與EDS能譜Fig.3　SEM image and EDS spectrum of NdFeB magnets

位置NdFeMgA25.4752.320.33B13.3783.250.00

圖4為不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的XRD圖譜.由圖4可見，NdFeB磁體三個主峰對應的晶面分別為(410)、(411)和(330)晶面，對應的標準PDF卡片編號為JCPDS36-1296.(410)、(411)和(330)晶面為NdFeB主相結構的特征吸收峰，且波峰隨著Mg納米粉含量的增加而逐漸增強，Mg納米粉的添加對NdFeB磁體的擇優取向具有一定影響，磁體XRD圖譜中的其他波峰是由Mg-Nd相產生的.

燒結NdFeB磁體的磁性能也與磁體密度有關.圖5為NdFeB磁體密度與Mg納米粉含量的關系.由圖5可見，當Mg納米粉含量為0.1%時，磁體密度達到7.42 g/cm3，相對純磁體提高了0.27%.同時結合圖1可知，此時NdFeB磁體的磁性能最佳.可見，添加適量Mg納米粉可以起到致密作用，從而提高了磁體的磁性能.

圖4　不同Mg納米粉含量下NdFeB磁體的XRD圖譜Fig.4　　　　XRD spectra of NdFeB magnets with different contents of Mg nanopowders

圖5　NdFeB磁體密度與Mg納米粉含量的關系Fig.5　　　　Relationship between density of NdFeB magnets and content of Mg nanopowder

2.2　磁體耐熱性

NdFeB磁體的溫度系數較大，居里溫度不高，這是限制NdFeB磁體在高溫度下應用的主要原因.圖6為不同溫度下NdFeB磁體的剩磁，矯頑力和最大磁能積與Mg納米粉添加量之間的關系.由圖6可見，在23～150 ℃范圍內磁體磁性能發生了線性變化，這是因為磁體在高溫下發生老化，從而導致磁體磁性能降低，而并非磁體內部結構發生了改變.上述磁性能的線性變化屬于磁性的可逆損失，對相關測量不會產生影響.對圖6進行綜合分析后發現，隨著溫度的逐漸升高，剩磁、內稟矯頑力和最大磁能積均出現下降趨勢，當溫度不高于100 ℃時，添加Mg納米粉后NdFeB磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積隨著溫度的升高其下降趨勢基本相同.當溫度處于100～150 ℃范圍內時，磁體的剩磁和最大磁能積的溫度系數隨溫度的升高而變大，矯頑力的溫度系數相比100 ℃之前有所降低，表明此時矯頑力的熱損失增加幅度逐漸減小.剩磁的溫度系數約為0.018，且添加質量分數為0.1%的Mg納米粉后NdFeB磁體的剩磁最高.此外，當添加不同含量的Mg納米粉時，磁體矯頑力和最大磁能積基本保持不變.磁體微觀結構和熱穩定性之間的關系不是很明顯，磁熱效應是磁性下降的主要原因.

圖6　NdFeB磁體的磁性能與溫度的關系Fig.6　　　　Relationship between magnetic properties of NdFeB magnets and temperature

3　結　論

采用二元合金法添加Mg納米粉制備了燒結NdFeB磁體，并對燒結NdFeB磁體的微觀結構、磁性能和熱穩定性進行了分析，得出如下結論：

1) Mg納米粉主要分布于晶界區域，提高了富釹相沿主相顆粒的浸潤性，改善了晶界相的微觀結構，細化了主相晶粒，提高了磁體的磁性能.

2) 當添加質量分數為0.1%的Mg納米粉時，燒結NdFeB磁體的矯頑力為999.1 kA/m，剩磁為1.436 T，最大磁能積為396.9 kJ/m3，且分別達到了最大值.

3) 燒結NdFeB磁體的剩磁、矯頑力和最大磁能積隨著溫度的升高而降低.在23～150 ℃范圍內，添加質量分數為0.1%的Mg納米粉后NdFeB磁體的剩磁具有最大值.磁體矯頑力在100～150 ℃時的溫度系數低于100 ℃之前的溫度系數，表明矯頑力的熱損失增加幅度逐漸減小，磁體剩磁和最大磁能積的溫度系數在100 ℃之后升高，表明熱損失也逐漸升高.