磁控濺射法滲鏑對燒結釹鐵硼性能及顯微結構的影響分析與研究

郭敬東

（山西國營金陽器材廠，山西 太原 030008）

隨著石油資源的枯竭、環保問題不斷突出，新能源汽車的開發和應用逐漸受到關注。目前，已有多種品牌的新能源汽車開始交付使用。新能源汽車的核心部件就是動力單元，新能源汽車技術的不斷革新，對于動力單元材料的性能要求也不斷提升。燒結燒結釹鐵硼永磁是新能源汽車動力馬達的核心材料，需要具備更好的高溫使用條件。提升改材料高溫使用條件的主要方式是提升高矯頑力，目前生產燒結釹鐵硼的矯頑力遠遠沒有達到該材料的理論矯頑力，因此提升釹鐵硼矯頑力的空間還有很大。

為了提升釹鐵硼矯頑力，改善材料的高溫使用效果，常用的方式是通過添加稀土金屬元素實現主相晶粒的磁晶各向異性場，按照傳統的合金生產方式添加稀土元素存在兩個問題：成本高；HRE與Fe之間存在反鐵磁性耦合，因此會造成剩磁和磁能積降低，造成浪費。針對上述存在的問題，晶面擴散方法的應用得到推廣，晶面擴散是通過特殊工藝條件，使得重稀土元素通過擴散的方式進入主相晶粒的邊緣，形成磁晶各向異性場。晶面擴散方法可以分為干法和濕法兩種，其中干法工藝包括熱蒸鍍、磁控濺射法；濕法工藝包括表面涂覆、電泳沉積等。本文采取磁控濺射法，對比研究了一種無Dy磁體和一種低Dy含量磁體沉積一層稀土薄膜，結合晶面擴散技術，改善磁體性能的目的。

1 實驗方法

實驗選用一種Dy磁體和一種低Dy含量磁體，將磁體切割成10mm*10mm的圓柱體，所有樣品均進行磁控濺射法鍍上一層Dy層，鍍膜前需要對磁體進行預處理，具體過程為首先將磁體表面的油脂進行擦除，利用3%濃度的稀硝酸進行酸洗1min，然后超聲處理2min。鍍膜的工藝條件為壓力0.1pa，靶材功率100W。鍍膜完成后，將樣品進行真空退火處理，900℃擴散處理0.5h，隨后在500℃條件下進行回火。

對擴散后的樣品進行退磁曲線的測試，測試儀器為永磁材料測量系統NIM-2000，通過退磁曲線對擴散前后的材料磁性能的變化進行分析。利用電鏡對磁體的斷面和表面的微觀結構進行觀察，選用XRD測試樣品的X射線衍射圖譜分析，并且對擴散后的元素沿深度進行分布狀況分析。

2 結果

2.1 無Dy磁體滲透Dy處理后微觀組織及成分變化情況

對于商用無Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy滲透處理前后分別進行了斷面微觀組織的形貌圖觀察，圖1為處理前后的微觀圖。圖1中的a表示Dy滲透處理前的微觀形貌圖，b表示Dy滲透處理后的微觀形貌圖。圖中銀白色區域表示磁控濺射沉積的Dy膜，灰色部分代表磁體基體部分。對比a和b可以明顯看出，高溫處理后，Dy滲透進入磁體基體中。

圖1 商用無Dy磁體磁控濺射處理前后的微觀形貌圖

2.2 低Dy磁體滲透Dy處理后微觀組織及成分變化情況

對于商用低Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy滲透處理前后分別進行了斷面微觀組織的形貌圖觀察，圖2為處理前后的微觀圖。圖2中的a表示Dy滲透處理前的微觀形貌圖，b表示Dy滲透處理后的微觀形貌圖。圖中銀白色區域表示磁控濺射沉積的Dy膜，灰色部分代表磁體基體部分。對比a和b可以明顯看出，與圖1規律一致，高溫處理后，Dy滲透進入磁體基體中。

圖2 商用低Dy磁體磁控濺射處理前后的微觀形貌圖

2.3 Dy滲透前后磁體的性能變化

對商用無Dy和低Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy界面擴散前后的磁體性能進行分析，通過數據顯示，兩種燒結釹鐵硼磁體在進行界面擴散后，其矯頑力均得到提升，且隨著擴散時間的延長，其矯頑力的提升幅度增加。其中，對于無Dy燒結釹鐵硼磁體而言，矯頑力提升幅度達到52%，剩磁降幅為2%；對于商用低Dy燒結釹鐵硼磁體而言，矯頑力提升幅度達到32%，剩磁降幅為4%。通過比較兩種的數據，無Dy磁體的滲透Dy效果更佳。盡管Dy的原子磁距比Fe原子磁矩高，但由于Dy與Fe之間形成亞鐵磁性耦合，最終使得剩磁和最大磁能積降低。

圖3 滲Dy后的磁體顯微結構

2.4 Dy滲透后元素沿深度方向的變化

對商用無Dy和低Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy界面擴散前后的Dy、Nd元素含量隨深度變化的趨勢進行分析，分別在距表面為100微米、200微米和300微米的區域對Dy、Nd元素含量進行測試，數據如下：商用無Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy處理后的含量分別為9.7%、6.2%、1.8%;商用低Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy處理后的含量分別為9.0%、5.0%、1.5%。從數據上分析，可以看出無Dy磁體更有利于Dy的界面擴散，其中的原因可能是含有Dy的磁體存在特定結構的晶體，阻礙了Dy在晶面上的擴散速度。

對未處理前和界面擴散10h的磁體進行背散射掃描電鏡顯微圖像觀察，并通過分析軟件對富釹相的體積分數進行求解，數據如下：商用無Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy處理前后的富釹相體積分數分別為6.0%、7.0%(界面擴散10h)；商用低Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy處理前后的富釹相體積分數分別為6.2%、19.7%(界面擴散10h)。通過數據對比可以看出，隨著Dy的不斷擴散，富釹相的體積分數逐漸增加，主相的晶粒間逐漸形成均勻的晶相界面，可以對硬磁相晶粒的磁耦效應起到一定的抑制作用，且晶面擴散中的回火處理能夠使得主相的晶面平直，使得反磁化難以成核。

對界面擴散10h的兩種磁體進行掃描電鏡顯微圖像觀察，觀察的區域為距離表面150微米處，具體圖見圖3所示。可以看出兩種磁體結構的主相晶粒邊緣均存在1-2微米厚度的淺灰色殼體。并對晶粒進行線掃分析發現，主相的晶粒邊緣存在Dy的富集區，表明通過一系列的Dy擴散工藝，最終可以使得Dy進入主相的邊緣，并且替換了原本的Nd元素。形成的這種特殊的殼-核結構可以有效提升磁體的矯頑力，并且隨著Nd的不斷替換并排出，在晶面處形成了富Nd相，證實了晶面擴散使得富Nd相增多的現象，同時也證明了上文中的結論。

2.5 Dy滲透前后磁體的XRD分析

為了更好的分析Dy滲透處理前后，兩種磁體的晶粒取向的變化情況。對商用無Dy燒結釹鐵硼磁體和商用低Dy燒結釹鐵硼磁體進行Dy處理前后的晶粒取向度進行了分析，結果顯示兩種磁體均在006位置處出現了晶粒的取向度增加情況，說明Dy優先在此位置上進行擴散。同時，相對于未處理前的圖譜，Dy處理后的磁體出現了衍射峰的右移，這主要是由于Dy在晶面擴散過程中，會替換原有的Nd元素，進而形成新的晶格結構，新的晶體晶面間距降低，從而引起了衍射峰的變化。

3 討論

晶面擴散方法可以分為干法和濕法兩種，其中干法工藝包括熱蒸鍍、磁控濺射法；濕法工藝包括表面涂覆、電泳沉積等。本文采取的晶面擴散方法是磁控濺射法，相對于其他的方法，此方法具有以下優勢：(1)膜的結合力好，磁控濺射原子的動能較熱蒸發的原子動能高近100倍，更容易產生更高的結合力和更加致密的擴散層結構。(2)相對于其他的界面擴散方法，此方法對于膜的厚度具有可控性，同時可以實現Dy的定量添加。

隨著磁體表面的Dy膜在高溫作用下進行界面擴散，Dy進入磁體的主相晶粒表面，與主相晶粒發生Nd元素的替換作用，將多余的Nd相排出主相晶粒，而Dy在晶粒表面形成了更高各向異性的殼體結構，多于的Nd相在界面上形成連續的富Nd晶面相，降低了硬磁相之間的交換耦合作用，原有的晶面缺陷減少，對于反相疇的成核和長大起到抑制作用，以上作用使得磁體的矯頑力得到提升。

4 結語

磁控濺射法可以在磁體表面形成厚度可控的Dy膜層，且形成的膜與磁體基體的結合力較強，為Dy的晶面擴散提供有力條件。在高溫作用下，Dy發生擴散作用，改善原有的晶體結構，提升矯頑力。本文結合兩種磁體對Dy擴散后的磁體性能及顯微形貌進行分析說明，從而更好地促進對Dy界面擴散改善矯頑力原理的理解。