õ研究报告õ高性能烧结钕铁硼磁体的成分设计X

何叶青　熊　科+　周寿增(北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室　北京　100083)(+北京京磁技术公司　北京　100016)

摘　要　通过对Nd-Fe-B-O四相平衡的分析,定量计算了在一定工艺条件下Nd-Fe-

B

烧结磁体中的主相、富Nd相、富B相和氧化物相的体积分数以及磁体的室温剩磁和磁能积。B

r

和(BH)max分别为1.528T和451kJ/m3是有可能制作出的烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能极限。

关键词　烧结　Nd-Fe-B　成分设计

CompositionDesignofHighQualityNd-Fe-BSinteredMagnets

HeYeqing,XiongKe+,ZhouShouzengStateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083+BeijingJingciMagnetismTechnologyCo.,Beijing100016

ABSTRACT　ThevolumefractionofNd2Fe14B,Nd90Fe4B4,Nd1.1Fe4B4andNd2O3phas-

esinsinteredNd-Fe-BmagnetsiscalculatedonbaseofthefourphasesequilibriumanalysisofNd-Fe-B,andthemagneticpropertiesarealsoevaluated.Theremanenceandmagneticproductofabout1.523Tand451kJ/m3,respectively,istheutmostmagneticpropertyofNd-Fe-Bsin-teredmagnetthatcanbepracticallyfabricated.KEYWORDS

Nd-Fe-B,sinteredmagnets,compositiondesign

1　引言从理论上讲,永磁体的剩磁(Br)和磁能积(BH)max由下式决定[1,2]:　Br=Af(1-B)DJs(1a)(BH)max=B2r4Lrec(1b)式中A为正向畴的体积分数,f为取向度,B是非磁性相的体积分数,D是磁体的相对密度,Js为饱和磁极化强度,Lrec为永磁体的回复导磁率。显然,要得到高磁能积的永磁体,首先必须围绕如何提高烧结磁体的取向度、主相的体积分数以及磁体的致密度等环节

·1·1999年12月磁性材料及器件X收稿日期:1999-08-31来设计合理的合金成分和制作工艺。但为了得到具有足够高矫顽力的烧结Nd-Fe-B永磁,磁体必须含有一定比例的富Nd相。因为在烧结磁体中,富Nd相分布在主相晶粒边界周围,起着对主相晶粒的去磁耦合作用[3];另外,富Nd相在烧结过程中呈液态,对于磁体的致密化和显微组织的均匀化起着重要作用[4]。烧结Nd-Fe-B磁体中除主相(Nd2Fe14B)和富稀土相外,还有富B相(Nd1+EFe4B4)、氧化物相、气孔以及其它杂质相[5]。由于通常的烧结Nd-Fe-B磁体中含有0.1%量级(质量分数)的氧,而氧又对磁体的磁性能有着重大影响,因此完全有必要将其当成Nd-Fe-B中的一个重要的合金元素来考虑[6,7]。目前在关于Nd-Fe-B-O四元合金的磁性能与成分关系的计算方面报导甚少,本文从Nd-Fe-B-O合金四相平衡原理出发,计算并讨论了Nd-Fe-B-O四元合金的Br和(BH)max与成分的关系,为指导高性能烧结Nd-Fe-B磁体的制作提供理论依据。2　Nd-Fe-B-O四元合金的磁性能与成分的关系 设烧结磁体成分(摩尔分数)为NdxFe100-x-y-zByOz,则各组元的质量分数为

WNd=MNdx$

WFe=MFe(100-x-y-z)$

WB=MBy$

WO=MOz$

(2)

式中,$=xMNd+(100-x-y-z)MFe+yMB+zMO,MNd,MFe,MB,MO分别为Nd,Fe,B,O的原子量。设Nd-Fe-B磁体中的氧全部以Nd2O3的形式存在,并假定在烧结状态下,Nd-Fe-B-O磁体以下述四相相互平衡:T1相(Nd2Fe14B,主相),质量分数为WT1,分子量为MT1;T2相(Nd90Fe10,富Nd相),质量分数为WT2,分子量为MT2;T3相(Nd1.1Fe4B4,富B相),质量分数为WT3,分子量为MT3;T4相(Nd2O3,氧化物相),质量分数为WT4,分子量为MT4; 则有

MNdx$=2MNdMT1WT1+90MNdMT2WT2+1.1MNdMT3WT3+2MNd

MT4

WT4

MBy$=MBMT1WT1+4MB

MT3

WT3

MOz$=3MO

MT4

WT4

WT1+WT2+WT3+WT4=1

(3)

由此得出四个平衡相的质量分数WTi(i=1～4)为

WT1=-12MT2x+3(1.1MT2-90MT3)y+8(MT2-45MT4)z+1080$3(360MT1-6.9MT2-90MT3)$MT1

WT2=3(4MT1-MT3)x-3(1.1MT1-2MT3)y-(8MT1-2MT3-6.9MT4)z-20.7$3(360MT1-6.9MT2-90MT3)$MT2

WT3=3MT2x+6(45MT1-MT2)y-2(MT2-45MT4)z-270$3(360MT1-6.9MT2-90MT3)$,T3

WT4=z3$MT4

(4)

·2·JMagnMaterDevicesVol30No6设各相的密度为QTi(i=1～4),则各相的体积分数为VTi=WTiQTi¤(5)这里¤=£4i=1WTiQTi,已知MNd=144.2,MFe=55.85,MB=10.81,MO=16.0,易于得到MTi;对于特定成分的NdxFe100-x-y-zByOz磁体,(4)式中x,y,z,$都是已知值;此外,Nd2Fe14B相的室温饱和磁极化强度Js=1.60T[4],密度QT1=7.589g/cm3[3];近似地认为富Nd相的密度QT2与Nd的密度相等,即QT2=7.00g/cm3[8];已报道Nd1.1Fe4B4相的密度QT3=7.18g/cm3[9];Nd2O3的密度QT4=6.770g/cm3[8];设磁体正向畴的体积分数A=1,磁体的回复磁导率Lrec=1.03[2]。在已知Q和f的条件下,通过(1)～(5)式即可以算出NdxFe100-x-y-zByOz烧结磁体的室温剩磁和磁能积。图1　NdxFe100-x-y-zByOz烧结磁体的(a):剩磁Br、磁能积(BH)max以及(b):主相的体积分数VT1、富Nd相的体积分数VT2随Nd含量的变化情况。设x=12.5～15.0,y=6.0,z=0.1,磁体相对密度Q=0.99,取向度f=0.953　计算结果图1是按(1)～(5)式算出的设定磁体相对密度Q=0.99,取向度f=0.95时,NdxFe100-x-y-zByOz烧结磁体的Br、(BH)max以及主相的体积分数VT1、富Nd相的体积分数VT2随Nd含量的变化情况(x=12.5～25.0,y=6.0,z=0.1)。可以看到,当Nd含量为12.5时,主相的体积分数已达97.4%,富Nd相为2.0%,Br和(BH)max分别为1.466T和415.2kJ/m3。当Nd含量增加到15.0时,主相体积分数为90.16%,富Nd相体积分数为8.94%,Br

和(BH)max分别降至1.357T和355.6kJ/

m3。图2a,b,c给出了Nd13.5Fe80.5-zB6.0Oz烧结磁体的磁性能和各组成相的体积分数随氧含量的变化情况,图2d是Nd13.5Fe80.4B

6.0

O0.1

磁体的磁性能随取向度f和致密度Q的

变化情况。可以看到,随着氧含量的增加,主相和富Nd相的体积分数均下降。当氧含量为0.1时,Nd13.5Fe80.5-zB6.0Oz烧结磁体中的富Nd相体积分数为4.84%,Br和(BH)max

分别为1.421T和390.2kJ/m3。当氧含量增

加到2.0(相当于质量分数为0.5%的氧)时,主相体积分数为93.07%,富Nd相体积分数为2.29%,Br和(BH)max降至1.401T和378.9kJ/m3。对比图1a和图2a,d可以看到,在影响磁体磁性能的几个主要因素中,取向度和致密度的作用是相当显著的。例如,在其它因素固定不变的情况下,当取向度从f=0.90增加到f=0.99时,磁能积增加约71.6kJ/m3。这与文献[10]报道的Nd

13.1

Fe80.9B6.0磁体磁性能与脉冲取向磁场关系

的结果相近。

·3·1999年12月磁性材料及器件图2　Nd13.5Fe80.5-zB6.0Oz(z=0.1～2.0)烧结磁体的(a):Br、(BH)max,(b):主相和富Nd相及(c):富B相和Nd2O3相的体积分数随氧含量的变化情况,VT1,VT2,VT3,VT4分别是Nd2Fe

14

B,Nd2Fe14B,Nd90Fe10,Nd1.1Fe4B4和Nd2O3相的体积分数,(a),(b),(c)中设定磁体的取向

度和相对密度分别为f=0.95和Q=0.99;(d)为Nd13.5Fe80.4B6.0O0.1磁体的Br和(BH)max

随取向度f和相对密度Q的变化(当f和Q中的一个参数变化时,另一个参数固定为0.95)

4　高性能烧结Nd-Fe-B磁体的成分设计和磁性能极限

在高性能烧结Nd-Fe-B磁体的成分设计中,首先必须考虑到磁体中应有足够量的富Nd相以保证足够高的矫顽力。按照En-doh等人[11]的结果,在较好的制作工艺条件下,保证足够高的矫顽力所需的富Nd相体积分数至少为约2.0%。前面我们曾计算出,Nd12.5Fe81.4B6.0O0.1磁体的主相体积分数为97.4%,富Nd相为2.0%,在磁体相对密度Q=0.99,取向度f=0.95时,Br和(BH)max分别为1.466T和415.2kJ/m3。若取向度提高到0.99,则Br和(BH)max分别可达1.528T和451kJ/m3,该磁性能应当就是有可能制作出的烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能极限。 然而,在通常的工艺条件下,制作有足够高矫顽力的烧结Nd-Fe-B磁体所需的富Nd相体积分数远大于2.0%。原因之一是在通常的烧结Nd-Fe-B磁体中,富Nd相的很大一部分呈块状分布在主相晶界交汇处[5],它们对Nd-Fe-B磁体的矫顽力没有任何贡献,相反,只起着增加磁体中的非磁性相的作用。文献[7]的研究结果指出,在烧结Nd-Fe-B磁体中主相晶粒之间至少存在四类边界,其中只有被称为第四类的Nd2Fe14B晶粒边界对矫顽力有贡献。造成制作有足够高矫顽力的烧结Nd-Fe-B磁体所需的富Nd相体积分数远大于2.0%的另一个重要原因是,用通常工艺所制作的磁体中常常含有高于0.2%(质量分数)的氧[10]。设磁体中的氧全部以Nd2O3的形式存在,则每0.1%(质量分数)的氧将与0.60%(质量分数)的Nd反应生成Nd2O3。也就是说,烧结Nd-Fe-B磁体中每增加