1、1本科毕业设计开题报告应用化学NDFEB稀土合金烧结组织矫顽力研究选题的意义与背景永磁材料是一种重要的基础功能材料，它的应用遍及几乎所有生产部门、生活领域、科技和军事领域。永磁材料的基本功能是提供稳定持久的磁通量，不需要消耗电能，是节约能源的重要手段之一。烧结钕铁硼永磁体自1983年推出以来，就以其具有突出的高剩磁、高矫顽力和高磁能积，得到了广大材料工作者及生产厂家的重视。提高烧结钕铁硼永磁体的磁性能，改善其使用性能，一直是磁性材料研究者和制造者追求的目标。NDFEB磁体的性能不仅和磁体的成分有关，而且还受到微观结构的显著影响。永磁材料的磁性能参数主要有磁通量、磁通密度、剩磁、磁场强度及矫顽力
2、。其中矫顽力是一种对显微组织非常敏感的性能,而烧结后热处理对提高NDFEB磁体的矫顽力又起着非常重要的作用。决定矫顽力大小的因素及其形成机理比较复杂，目前公认的说法有形核机理和钉扎机理，而其中形核机理能较好地解释烧结NDFEB磁体，该理论认为，钕铁硼磁体的矫顽力是由晶粒边界软磁性缺陷区域反磁化成核场来决定的，成核场高，则磁体的矫顽力就高，反之,，磁体的矫顽力会较小。研究表明烧结后热处理改变了NDFEB合金的微观结构，并最总影响了磁体的矫顽力。因此，我们有必要对NDFEB磁体的微观结构进行研究，进而通过改善微观结构来提高烧结NDFEB磁体的矫顽力。本文拟在通过进行不同条件的热处理工艺，探究对ND
3、FEB稀土合金烧结组织矫顽力的影响。一、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1、采用XRD和SEM测试、表征烧结钕铁硼磁体的微观组织。22、选定不同的回火温度及保温时间，进行回火工艺实验。3、采用XRD和SEM测试、表征回火样品的微观结构,特别注重边界相的分布与数量。4、分析回火工艺对烧结磁体的边界相的影响，用VSM进行磁性能测试，讨论工艺参数对矫顽力的影响。5、研究的方法与技术路线研究方法用放电等离子体烧结制备NDFEB永磁体，选定不同回火温度及保温时间，用二级回火技术对其进行热处理，用扫描电镜SEM、X射线衍射仪XRD、及VSM振动样品磁强计进行性能表征，观察组织形貌及微观结构及
4、磁性能的变化。技术路线烧结磁体的制备微观结构及磁性能测试回火热处理微观结构及磁性能测试分析讨论总结。二、研究的总体安排与进度201008至201011实验室工作过程实习，学习烧结永磁材料热处理基础知识，阅读参考文献。201011至201101翻译二篇英文论文，撰写论文绪论部分，进行NDFEB永磁体回火热处理工艺实验。201102至201103金相、PPMS和VSM等实验，完成论文初稿。201104至201105修订论文，准备答辩（讲稿及PPT），进行论文答辩。三、主要参考文献1宋后定，常用永磁材料及其应用基本知识讲座第二讲永磁材料的应用，磁性材料及器件，2007，38（3）65682宋后定，常
5、用永磁材料及其应用基本知识讲座第一讲常用永磁材料的特性参数，磁性材料及器件，2007，38（2）59613宋后定，常用永磁材料及其应用基本知识讲座第三讲常用永磁材料的制造工艺，磁性材料及器件，2007，38（4）68704逄婷婷，傅正义，张东明，放电等离子烧结（SPS）技术，材料导报，2002，16（2）31335岳明，王公平，张久兴，李涛，肖耀福，王润，放电等离子烧结新型3NDFEB永磁材料工艺研究，功能材料与器件学报，2003，9（3）2952996谭春林，白书欣，张虹，高艳丽，张家春，蔡珣，回火处理对烧结钕铁硼永磁材料组织和磁性能的影响，中国有色金属学报，2002，12（1）64667宋
6、晓平，王笑天，烧结NDFEB磁体的矫顽力，稀有金属材料与工程，1994，23（3）158李晨松,等我国稀土永磁产业发展与现状J稀土,2005,261789赵国仙，宋晓平，闫阿儒，王笑天，时效对NDFEB烧结磁体的矫顽力和显微组织的影响，稀土，1997，18（6）303310肖连芳，后烧处理对NDFEB永磁体显微组织及矫顽力的影响，稀土，1988，第6期，273111MINGYUE,JIUXINGZHANG,YAOFUXIAO,GONGPINGWANG,ANDTAOLI，NEWKINDOFNDFEBMAGNETPREPAREDBYSPARKPLASMASINTERING，NO6,NOVEMBER
7、200312LITAO，YUEMING，ZHANGJIUXING，WANGGONGPING，XIAOYAOFU，WANGRUN，HEATTREATMENTPROCESSOFNEWNDFEBMAGNETPREPAREDBYSPARKPLASMASINTERING，100363262003040943054文献综述应用化学NDFEB稀土合金烧结组织矫顽力研究NDFEB稀土永磁材料自1983年问世以来，通过对其磁性主相结构、晶体学特性、制备工艺和使用特性等方面的广泛研究，磁体的磁能积（BH）M得到了大幅度的提高1。其中实验室制备的磁体从1983年发明时的2865KJ/M3提高到目前的4456KJ/M
8、3，工业生产的商品磁体从1984年的2785KJ/M3提高到目前的400KJ/M3而理论计算结果表明，NDFEB永磁材料最大磁能积理论计算值为512KJ/M3。综合相关方面的实验和理论研究结果，可知目前NDFEB永磁材料的实验室研究最大磁能积和工业大量生产的最大磁能积已分别达到理论计算值的87和77。由于NDFEB具有优异的磁性能，NDFEB永磁材料已经被广泛应用于信息、通信和节能等高科技领域如计算机硬盘音圈电机（VCM）及外围设备、各种电动机、发电机、核磁共振诊断装置（MRI）、音响器材、家用电器和仪器仪表等行业。并且实现了器件的小型化、轻型化、低噪音化。烧结NDFEB磁材是我国稀土永磁材料
9、发展的主流，近十年来其产量年均增长达到44（同期世界增长为285）。目前已经有人在这些方面展开了深入研究来进一步提高磁性能,如日本YOSHIZAWA等人从晶粒粒度入手,以非晶晶化法制得具有超高磁性能的钕铁硼永磁性；也有人用氢化歧化分解再化合法制得纳米晶钕铁硼合金以及一些针对添加元素及改善含氧量方面的研究。这些研究取得了可喜的进展，材料的磁性能方面有了显著的提高。然而，这些研究都着眼于理论研究，而且处理成本太高，商品化生产很困难11。NDFEB磁体的性能不仅和磁体的成分有关，而且还受到微观结构的显著影响。永磁材料的磁性能参数主要有磁通量、磁通密度、剩磁、磁场强度及矫顽力。其中，矫顽力是永磁材料的
10、主要特性，NDFEB合金矫顽力机理的研究有助于人们更清楚地了解材料的磁化及反磁化过程，丰富和发展宏观磁化理论，提高和改进材料的矫顽力及其温度稳定性，为开发具有更高性能的新型永磁材料提供理论依据和方向性指导。由于三元钕铁硼合金的磁通可逆变化较大，随温度的升高矫顽力迅速下降，而矫顽力的降低使磁体在较高温度下的磁通不可逆5损失增大，抗外场干扰力大大降低，提高烧结钕铁硼的矫顽力是提高其高温工作稳定性的有效途径之一。目前烧结钕铁硼永磁体矫顽力理论主要是形核理论和钉扎理论6，前者认为钕铁硼磁体的矫顽力是由晶粒边界软磁性缺陷区域反磁化成核场来决定的，成核场高,则磁体的矫顽力就高，反之，磁体的矫顽力会较低；钉
11、扎理论认为晶粒的边界对畴壁有强烈的钉扎作用，晶粒边界处的富ND相薄层具有吸引畴壁的作用，从而成为畴壁运动的钉扎部位，晶界、空位、位错等金属的缺陷是畴壁很强的钉扎中心，它们的存在将限制畴壁的位移，从而提高磁体的矫顽力。富ND相是NDFEB磁体中的一个重要的相，其结构和成分随磁体合金的成分、工艺而变化，富ND相的存在是大块NDFEB磁体具有高矫顽力的重要原因。若主相晶粒周围被非磁性的富ND相包围，则磁体在磁化或反磁化过程中，磁体内部腾壁的移动便只限于一个晶粒内进行，在宏观上表现为磁体较难被磁化或反磁化，NDFEB磁体的矫顽力就较高。矫顽力是对热处理非常敏感的参量7，NDFEB合金通过热处理,矫顽力
12、常常会有显著的提高。但是,不同的热处理条件对磁性能的影响是不一样的。二级回火处理工艺就是将烧结冷却后的永磁体坯料在真空炉加热室内先升温至第一级回火温度，保温结束后将坯料送至真空炉冷却室充入惰性气体气淬冷却，然后再将坯料送至加热室升温至第二级回火温度，保温结束后仍将坯料送至冷却室进行气淬冷却。文献评述决定烧结NDFEB系永磁体矫顽力的因素有磁晶晶粒各向异性场、散磁场、边界显微结构、晶粒大小和晶粒错取向。所以如何控制烧结NDFEB合金的制备工艺以获得理想的显微组织就显得十分重要，在边界结构中富钕相的均匀存在有效地阻止了晶粒之间耦合作用的产生，使主相晶粒晶界变得光滑而无缺陷，同时也阻止了反磁化畴的形
13、核和长大，因此，边界结构中富钕相的存在和分布对矫顽力起决定性的作用。回火技术可以增加磁体中主相的体积分数，可以改善富ND相的成分和分布,使其接近共晶富ND相的成分，同时减少颗粒状富ND相，增加沿晶界分布薄层状富钕相的数量。二级回火温度对磁体的内禀矫顽力6HCJ有显著的影响，但对剩磁BR和最大磁能积BHMAX影响很小。与其他提高磁性能的方法相比，热处理是一种简单而有效的方法，对不同热处理下工艺制备的NDFEB磁体，其表现出的显微组织和磁性能的变化也有所不同，所以有必要寻求最佳工艺条件，最大限度的提高其磁体矫顽力，获得最佳磁性能。主要参考文献13宋后定，常用永磁材料及其应用基本知识讲座第二讲永磁材
14、料的应用，磁性材料及器件，2007，38（3）656814宋后定，常用永磁材料及其应用基本知识讲座第一讲常用永磁材料的特性参数，磁性材料及器件，2007，38（2）596115宋后定，常用永磁材料及其应用基本知识讲座第三讲常用永磁材料的制造工艺，磁性材料及器件，2007，38（4）687016逄婷婷，傅正义，张东明，放电等离子烧结（SPS）技术，材料导报，2002，16（2）313317岳明，王公平，张久兴，李涛，肖耀福，王润，放电等离子烧结新型NDFEB永磁材料工艺研究，功能材料与器件学报，2003，9（3）29529918谭春林，白书欣，张虹，高艳丽，张家春，蔡珣，回火处理对烧结钕铁硼永磁
15、材料组织和磁性能的影响，中国有色金属学报，2002，12（1）646619宋晓平，王笑天，烧结NDFEB磁体的矫顽力，稀有金属材料与工程，1994，23（3）1520李晨松,等我国稀土永磁产业发展与现状J稀土,2005,2617821赵国仙，宋晓平，闫阿儒，王笑天，时效对NDFEB烧结磁体的矫顽力和显微组织的影响，稀土，1997，18（6）303322肖连芳，后烧处理对NDFEB永磁体显微组织及矫顽力的影响，稀土，1988，第6期，273123郑华均,黄建国,马淳安,郑国渠，退火处理对烧结钕铁硼永磁体磁性能的影响，金属热处理，2003年第28卷第11期724MINGYUE,JIUXINGZHA
16、NG,YAOFUXIAO,GONGPINGWANG,ANDTAOLI，NEWKINDOFNDFEBMAGNETPREPAREDBYSPARKPLASMASINTERING，NO6,NOVEMBER200325LITAO，YUEMING，ZHANGJIUXING，WANGGONGPING，XIAOYAOFU，WANGRUN，HEATTREATMENTPROCESSOFNEWNDFEBMAGNETPREPAREDBYSPARKPLASMASINTERING，100363262003040943058（20届）本科毕业设计NDFEB稀土合金烧结组织矫顽力研究RESEARCHONTHECOERCIVI
17、TYOFMICROSTRUCTURESOFSINTEREDNDFEBRAREEARTHALLOY9摘要【摘要】为了研究烧结温度、回火工艺对SPS烧结NDFEB磁体矫顽力的影响，本文利用扫描电子显微镜（SEM）、综合物理性能测试系统（PPMS）等仪器对磁体的组织与性能进行表征，并分析不同烧结温度与不同回火工艺对SPS烧结磁体磁性能和微观组织的影响，对比SPS烧结磁体与传统烧结磁体矫顽力与微观组织的不同之处。研究表明SPSNDFEB磁体经不同回火制度后，磁性能都有不同程度的提高，经9703H60025H回火后的SPS磁体磁性能提高幅度最大，矫顽力达到1120KA/M。通过观察微观组织，看到回火后的
18、SPS磁体中出现短带状富钕相，比起颗粒状富ND相，这样能够更好地起到磁隔离的作用。与同成分的传统烧结磁体相比，SPS磁体中薄带状的富ND相相对比较少，导致磁隔离不足，因此SPS磁体矫顽力较传统烧结磁体较低。【关键词】NDFEB永磁材料；SPS回火矫顽力微观结构10RESEARCHONTHECOERCIVITYANDMICROSTRUCTUREOFNDFEBRAREEARTHALLOYSINTEREDABSTRACT【ABSTRACT】INORDERTOSTUDYTHEEFFECTOFSINTERINGTEMPERATURE,ANDTEMPERINGPROCESSONTHECOERCIVITYO
19、FNDFEBMAGNETS,WITHTHEAPPLICATIONOFSEMANDPPMS,THEMAGNETICPROPERTIESANDMICROSTRUCTURESWERECHARACTEREDINTHISPAPER,ANDTHEEFFECTOFSINTERINGTEMPERATUREAMDTEMPERINGPROCESSONMAGNETICPROPERTIESANDMICROSTRUCTURESESPECIALLYONTHEBOUNDARYPHASEWEREANALYTICEDFORETHERMORE,WECOMPAREDTHEPROPERTIESANDMICROSTRUCTUREOFC
20、ONVENTIONALSINTEREDMAGNETSWITHSPSSINTEREDMAGNETSTHERESULTSSHOWTHAT,AFTERDIFFERENTTEMPERINGSYSTEMS,THEPROPERTIESOFSPSWEREINCREASEDAFTER9703H60025HTEMPERING,THEPROPERTIESIMPROVEDSIGNIFICANTLY,THECOERCIVITYOFTHEMAGNETSWEREINCREASEDTO1120KA/MBYOBSERVINGTHEMICROSTRUCTURE,ITWASFOUNDTHATSHORTSTRIPSHAPEDNDR
21、ICHPHASEAPPEAREDINTEMPEREDSPSMAGNETS,ITPLAYINGAROLEOFISULATIONCOMPAREDWITHCONVENTIONALSINTEREDMAGNET,THESPSMAGNETSHAVELESSSLICELIKENDRICHPHASERESULTINGINLOWERCOERCIVITYFORTHEOFMAGNETICISULATION【KEYWORDS】SPSNDFEBMAGNETSTEMPERINGCOERCIVITYMICROSTRUCTURES11目录1绪论1211钕铁硼永磁材料12111钕铁硼永磁材料概述12112永磁材料的技术磁参量1
22、31121钕铁硼永磁材料的矫顽力131122剩磁BR131123最大磁能积（BH）MAX13113影响NDFEB烧结磁体矫顽力的因素14114钕铁硼永磁材料的微观相组成及其特征1512放电等离子烧结SPARKPLASMASINTERING，简称SPS技术15121SPS技术的发展及应用15122SPS基本装置15123SPS技术的优点以及其在烧结稀土永磁材料上的应用1613回火技术对烧结磁体矫顽力的影响1714本研究的主要背景、内容以及意义172实验过程及方法1821样品制备1822微观组织与磁性能表征19221扫描电子显微镜SEM19222永磁材料高温测量系统19223综合物理性能测试系统（
23、PPMS）203实验结果与分析2031烧结温度对矫顽力和微观结构的影响20311烧结温度对矫顽力的影响20312烧结温度对微观组织的影响2132不同回火工艺对矫顽力和微观组织的影响22321不同回火工艺对矫顽力的影响22322不同回火工艺对微观组织的影响2333回火前后矫顽力和微观结构的差异24331回火前后矫顽力的差异24332回火前后微观结构的差异2434回火态磁体与传统烧结磁体在矫顽力和微观结构上的差异254结论27参考文献28致谢错误未定义书签。121绪论11钕铁硼永磁材料111钕铁硼永磁材料概述钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能，现已广泛应用于信息、通信和节能等高科技领域，如电动车、家用
24、电器、航天国防等行业。并且实现了器件的小型化、轻型化、低噪音化。近年来，我国主要稀土永磁材料在传统领域得到广泛的应用，另外它在高新技术及其它领域中也得到了开发利用，并逐年扩展其应用范围。稀土永磁材料中的烧结钕铁硼永磁体自1983年推出以来，就以其具有突出的高剩磁、高矫顽力和高磁能积，得到了广大材料工作者及生产厂家的重视。烧结NDFEB磁体是我国稀土永磁材料发展的主流，从2001年起，我国钕铁硼产量就跃居世界第一，到2007年我国的钕铁硼产量占世界总产量的4/5，形成了京津、山西和浙江这三大集中产地。近十年来其产量年均增长达到44（同期世界增长为285）。但大多数国产钕铁硼产品技术指标还比较低，
25、高端产品所占的比例比较小，特别是高性能电机市场对具有高矫顽力的NDFEB磁体的需求越来越大，而此时稀土原料资源却日渐紧缺，提高NDFEB磁体的磁性能是我们现在急切需要解决的问题。目前已经有人在这些方面展开了深入研究来进一步提高磁性能，如日本YOSHIZAWA等人从晶粒粒度入手，以非晶晶化法制得具有超高磁性能的钕铁硼永磁性；也有人用氢化歧化分解再化合法制得纳米晶钕铁硼合金以及一些针对添加元素及改善含氧量方面的研究。这些研究取得了可喜的进展，材料的磁性能方面也有了显著的提高。然而，这些研究都仅仅着眼于理论研究，而且处理成本太高，商品化生产很困难1。永磁材料的磁性能参数主要有磁通量、磁通密度、剩磁、
26、磁场强度及矫顽力。其中，矫顽力是永磁材料的主要特性，NDFEB合金矫顽力机理的研究有助于人们更清楚地了解材料的磁化及反磁化过程，为开发具有更高性能的新型永磁材料提供理论依据和方向性指导。决定烧结NDFEB系永磁体矫顽力的因素有磁晶晶粒各向异性场、散磁场、边界显微结构、晶粒大小和晶粒错取向。所以如何控制烧结NDFEB合金的制备工艺以获得理想的显微组织就显得十分重要，在边界结构中薄层状富钕相既能有效地阻止晶粒之间耦合作用的产生，同时光滑的晶界结构也可以降低反磁化畴形核的可能。因此，边界结构中富钕相的存在和分布对矫顽力起决定性的作用。回火技术可以改善富ND相的成分和分布，使其接近共晶富ND相的成分，
27、同时减少颗粒状富ND相，增加沿晶界分布薄层状富钕相的数量2。二级回13火温度对磁体的内禀矫顽力HCJ有显著的影响，但对剩磁BR和最大磁能积BHMAX影响很小。112永磁材料的技术磁参量永磁材料的主要技术性能指标有剩磁BR、矫顽力HC、磁能积（BH）M、居里温度TC等。TC是非结构敏感参量（即内禀磁参量），主要由材料的化学成分和晶体结构来决定；剩磁BR、矫顽力HC、磁能积（BH）M是结构敏感参量，其值一方面与内禀参量有关，另一方面与晶粒尺寸、晶粒取向、晶体缺陷、掺杂物等因素有关。1121钕铁硼永磁材料的矫顽力矫顽力HC是永磁材料的核心问题，矫顽力HC可分为内禀矫顽力HCI和磁感矫顽力HCB。使磁
28、饱和的磁体磁感应强度降低到零所需反向磁场的强度值称为磁感矫顽力HCB，使磁饱和的磁体磁化强度降低到零所需反向磁场的强度值称为内禀矫顽力HCI。HCI和HCB是因为测量方法不同而得到的不同值，铝镍钴、钡、锶铁氧体的HCI与HCB差别不大，钐钴和钕铁硼的HCI比HCB大很多。永磁体在反向充磁时，测量到HCB这一点时，磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消，而测量到HCI这一点时，永磁体才完全退磁。因此内禀矫顽力HCI是表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应，必须要特别重视其内禀矫顽力HCI，表11给出了常用永磁材料的矫顽力数值3。表11常见永磁材料的矫顽力311
29、22剩磁BR剩磁即铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的MR或BR的简称。MR称为剩余磁化强度，BR称为剩磁磁感应，剩磁是组织敏感参量，它对晶体取向和畴结构十分的敏感，通常采用提高主相的体积分数，提高永磁材料的相对密度，和获得良好的晶体结构（良好的C轴取向）的办法来提高剩磁。1123最大磁能积（BH）MAX磁能积（BH）M代表永磁体的能量，决定了磁体在空气隙中产生的磁场大小，是反映永磁材料综合性能极为重要的磁参量，在退磁曲线上表示为B与H的乘积最大值4。由于BR14的极限值为0MS，HCB的极限值为0MR0MS，磁能积的理论极限值为S14MBH理20（M）实际永磁体的（BH）M可表示
30、为22SDCOSDMBHAM2222001（）（1）（）4（公式1）式中A、COS2、D/D0等均为工艺敏感参量。控制合金成分（提高主相体积分数），提高晶粒取向度，提高磁体相对密度等都可以提高磁能积。图11永磁体的退磁曲线113影响NDFEB烧结磁体矫顽力的因素在合金成分一定的情况下，钕铁硼永磁材料的矫顽力主要与微观结构密切相关，添加元素和改变生产工艺参数都会引起微观结构改变，从而带来矫顽力的大小不一，这种微观结构的改变主要表现在以下几个方面（1）主相与晶界相的数量多少；（2）主相晶粒的尺寸大小、尺寸分布状况，以及主相晶粒外围的规则化程度；（3）晶界相的成分分布、形态及结构分布状况；（4）主相
31、晶粒与晶界相之间的过渡衔接状况；（5）磁体中气孔、杂质等缺陷多少。目前烧结钕铁硼永磁体矫顽力理论有很多种，比较突出的有成核理论、热激活理论、钉扎理论和发动场理论5。矫顽力的形成机理非常复杂，公认的说法主要是形核机制和钉扎机制。赞同形核机理的学者认为，钕铁硼磁体的矫顽力是由晶粒边界软磁性缺陷区域反磁化成核场来决定的，成核场高，则磁体的矫顽力就高，反之，磁体的矫顽力会较低；赞同钉扎机理的学者认为，热退磁状态下磁畴壁按照能量最小原理一般位于畴壁能最低处，在反磁化过15程中，晶粒的边界、晶粒边界处的富ND相薄层、第二相、夹杂物（沉淀粒子）、缺陷（点缺陷、晶界空位、位错）及成分不均匀区等能够成为强烈的钉
32、扎中心，这样使畴壁离开畴壁能低的位置十分困难，就好像畴壁被畴壁能低的位置或中心钉扎住了，对畴壁位移的钉扎作用越强，则磁体的矫顽力越大。114钕铁硼永磁材料的微观相组成及其特征NDFEB永磁材料的成分一般位于靠近ND2FE14B化合物附近的三相区ND2FE14B相、富ND相富稀土相、富B相富硼相内。其中，只有当B含量较高时，NDFEB三元系合金存在三个相，而当含B量较低时，富B相是不存在的。烧结NDFEB系合金的显微组织有如下特征基体相ND2FE14B的晶粒呈多边形，是唯一的硬磁性相，约占总体积的90以上；富B相以孤立块或颗粒状存在，是对硬磁性能有害的相，一般含量较少；富ND相沿晶界或晶界交隅处
33、分布，对磁体的磁硬化起着重要的作用，它有很多种形态，而且化学成分也不固定，在某些烧结NDFEB合金的显微组织中还可能观察到ND2O3、FE相和外来掺杂物以及空洞等。12放电等离子烧结SPARKPLASMASINTERING，简称SPS技术121SPS技术的发展及应用“放电等离子烧结”（SPARKPLASMASINTERING,SPS）又称“等离子活化烧结”（PLASMAACTIVATEDSINTERING,PAS），是1990年代出现的用于材料成型快速制备的新技术之一6。它主要通过在烧结坯体上通入脉冲电流和施加压力，能同时利用粉末颗粒间的自发热作用和外部炉体的传热作用，对粉末坯体进行烧结，有效
34、增强了颗粒间的热扩散和原子扩散，在短时间内即可完成“烧结”或“烧结接合”，形成致密度较高的块体材料6,7。目前该技术已在金属、陶瓷、复合材料以及功能材料等诸多领域得到推广和应用，是下一代新材料合成加工的新技术8,9。1988年日本研制出了第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广应用。20世纪90年代，日本推出了具有10100T的烧结压力和脉冲电流50008000A7，它是可用于工业生产的SPS第三代产品，最近又研制出压力达500T，脉冲电流为25000A的大型SPS装置。122SPS基本装置SPS是利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法，脉冲电流发生器可以产生不同频率、不同大小的脉
35、冲直流电，从而控制升温速率和烧结温度，整个SPS过程中可以采用真空，或者采用其它惰性气体作为保护气。日本住友石炭矿业株式会社制造的SPS系统主16要由如下各部分组成8（1）压力装置和烧结模具（一般为石墨模具）；（2）脉冲电流发生器，控制SPS过程中脉冲电流的大小和频率；（3）电阻加热设备图12为其装置简图图12放电等离子烧结系统示意图6123SPS技术的优点以及其在烧结稀土永磁材料上的应用传统的粉末冶金烧结技术没有电流和压力的作用，传统的热压烧结技术只利用模具热辐射和加压造成的塑性变形来促进烧结，而放电等离子烧结（SPS）技术与以往的烧结工艺不同。在SPS过程中，施加在粉末颗粒上的脉冲电流，能
36、够在粉末颗粒接触部位产生几千甚至上万度的局部高温，在放电冲击压和外部压力的作用下，使材料内外同时加热并变形，体扩散和原子扩散都得到加强，在短期内实现材料的致密化。因此，SPS技术具有烧结温度低，烧结时间短，烧结速度快，可以有效地抑制晶粒长大，在相对短的时间内形成晶粒细小的材料的优点10，是一种高效、节能、环保的技术。王公平等人11,12,13首先将SPS技术引入到永磁材料的制备过程中，利用SPS技术成功制备了NDFEB永磁材料，他们发现用SPS技术制备的钕铁硼磁体具有细小、均匀的晶粒组织，所得磁体抗腐蚀性比传统粉末烧结磁体的要好，而且尺寸精度高，无需后续加工，能有效解决材料制备过程中的成型性等
37、诸多问题。随后陈亮等14也利用SPS技术成功制备了NDFEB永磁体，结果显示，SPS磁体经回火热处理后，富ND相呈薄带状均匀、连续的分布晶界上，磁性能大大提高。目前利用SPS技术制备NDFEB磁体的最大矫顽力有1260KA/M，关于SPS17技术制备NDFEB永磁材料的研究报道还较少，尤其是对SPSNDFEB磁体微观组织演变与烧结工艺、回火工艺的关系，及磁性能与工艺参数之间的变化规律，还需进一步深入研究。13回火技术对烧结磁体矫顽力的影响NDFEB合金烧结后快冷，所得到的烧结态磁体磁性能较低，必须通过回火才能进一步增加磁体的磁性能。回火热处理可分为一级回火热处理、二级回火和多级回火热处理，一般
38、来说二级或多级回火可以获得更好的磁性能4。二级回火处理工艺就是将烧结冷却后的永磁体坯料在真空炉加热室内先升温至第一级回火温度，然后对样品进行保温处理，保温结束后在炉内充入惰性气体气淬冷却或自然冷却至第二回火温度，然后再对坯料进行保温处理，保温结束后再在炉内充入惰性气体气淬冷却或自然冷却至室温。谭春林2等人的研究表明，NDFEB合金经过回火后主相晶粒形貌基本未发生变化，晶界区域变化明显，回火后晶界变清晰，颗粒状晶界相减少，薄层状晶界相析出，且成分更加接近三元共晶富钕相的成分，回火后显微组织和成分优化使得各项磁性能都明显提高，最大磁能积普遍提高2030KJ/M3。王伟等人研究15得出二级回火对磁体
39、的剩磁和磁能积影响很小，对矫顽力的影响较大。表现为内禀矫顽力HCJ随二级回火温度升高而增大，在480时达到最大；高于480后，HCJ随二级回火温度的升高而迅速下降；在480二级回火时，HCJ随回火时间的增加而增大，经2H回火达到最大；大于2H后，回火时间的进一步增加对HCJ影响很小。因此在480二级回火2H时磁体主相晶粒边界光滑，富稀土相在晶界分布连续、均匀，矫顽力最佳。以上研究表明，磁体经过回火处理后，能够使ND2FE14B主相的体积分数增大，还能使富ND晶界相的成分和分布状况得到改善，使主相晶粒边界和富ND相的成分分别更加接近ND2FE14B组分和共晶富ND相的成分，同时颗粒状富ND相的数
40、量减少，沿晶界分布的薄层状富钕相数量增加，进而有效提高磁体的磁性能。14本研究的主要背景、内容以及意义永磁材料是一种重要的基础功能材料，其应用领域十分的广泛，涉及到生产、生活、科技、军事等许多方面。永磁材料以磁化功的形式将电磁能储存起来，其基本功能是提供稳定持久的磁通量，将电磁能转化为其它能而不需要消耗电能，是节约能源的重要手段之一。烧结NDFEB磁材是我国稀土永磁材料发展的主流，是当前受到各界研究者关注最多的材料。NDFEB烧结态磁体是烧结后快速冷却得到的，因此磁体中的各种相来不及充分析出，所得烧结态NDFEB磁体的磁性能并不理想，需要对烧结态磁体进行回火热处理。人们发现，18回火热处理后，
41、NDFEB磁体的各项磁性能都有所提高，而矫顽力可以出现几倍，甚至几十倍的大幅度跃升。随着高性能永磁电机市场的不断扩大，以及新的电子产品逐渐向小型化、轻量化转变，对永磁材料矫顽力的要求越来越高。研究结果表明16，目前所能制备的烧结NDFEB永磁材料（回火后的）的矫顽力只有8002000KA/M左右，这个数值远远低于烧结NDFEB永磁材料矫顽力的理论计算，其值约为5572KA/M。因此，如何通过改进NDFEB磁体的生产工艺，开发该材料所潜在的磁性能，尤其是矫顽力方面，是研究的热点，也是主要努力方向。NDFEB磁体的矫顽力是一种对显微组织非常敏感的性能。研究表明，烧结后热处理改变了NDFEB合金的微
42、观结构，并最终影响了磁体的矫顽力，不同的微观结构，尤其是不同的晶界结构会带来几千KA/M矫顽力的差异。因此，我们有必要对NDFEB磁体的微观结构进行研究，进而通过改善微观结构来提高烧结NDFEB磁体的矫顽力。本文主要通过不同的回火工艺制度，对几种SPS烧结制度下烧结得到的NDFEB永磁体经行了回火热处理。之后对经过热处理的磁体进行了性能表征和微观结构的观察，并对实验结果进行了分析和讨论，以探究不同条件的热处理工艺对NDFEB稀土合金烧结组织矫顽力的影响。2实验过程及方法21样品制备从工厂生产线取适量的UH牌号的NDFEB磁粉，进行垂直取向成型，取向磁场为17T。对所得样品分别进行传统的粉末烧结
43、与SPS烧结，后者要在真空度为5PA，烧结压力恒定为45MPA的条件下进行，本实验所采取的放电等离子烧结SPS制度如表21所示。表21SPS烧结制度19样品标号烧结温度/烧结时间/MINSPS192010SPS289010SPS394010SPS烧结好的样品（SPS2），经自然冷却到室温。然后将样品置于高温热处理炉内进行回火热处理，处理时要保持真空度小于103PA。从一级回火温度降低到二级回火温度时，使样品随炉冷却，回火热处理制度如表22所示。整个热处理过程采用氩气保护气氛。为了进行对比研究，我们还从工厂采集了UH牌号的传统烧结磁体，得到它的磁性能数据如下MR100T，HCI191083KA/
44、M，BHMAX19108KJ/M3。表22回火热处理制度H19704H52025HH29703H60025HH3103015H60025H22微观组织与磁性能表征利用S4800型场致发射扫描电子显微镜（SEM）和日立公司的TM1000台式扫描电镜观察烧结态和回火态样品的微观结构；用NIM1000H型永磁材料高温测量系统和美国QUANTUMDESIGN公司生产的PPMS9型综合物理性能测试系统对样品的剩磁BR、内禀矫顽力HCI、磁感矫顽力HCB和最大磁能积（BH）MAX等磁特性参数进行了测量。221扫描电子显微镜SEMS4800型场致发射扫描电子显微镜（SEM）为二次电子成像。二次电子是由样品中
45、原子外壳层释放出来的核外电子，扫描电子显微镜对其进行采集，得到的是二次电子像，分辨率约为510NM，能有效地反映样品上表面的形貌特征。TM1000台式扫描电镜为背散射成像，背散射电子是入射电子在样品中经散射后再从上表面反射出来的初次电子，若扫描电子显微镜对其进行采集，得到的是背散射电子像，分辨率约为50200NM，较二次电子像分辨率低，背散射电子照片能反映样品的表面形貌。本文试验测试前没有腐蚀样品。222永磁材料高温测量系统永磁材料高温测量系统是最普遍的永磁材料磁性测量仪器。它利用电磁感应原理，先将样品放入闭合回路中，然后在该回路中施加一个正反方向变化的磁场，事先在样品周围安放的绕制线圈B和线
46、圈H分别感应出相应的电信号，通过采集这些信号，使之转变为相应的20磁场数值，再将两线圈的磁场数值一一对应描绘成所需要的BH磁滞回线，最后从定义出发计算出剩磁BR、内禀矫顽力HCI、磁感矫顽力HCB和最大磁能积（BH）MAX等磁特性参数。223综合物理性能测试系统（PPMS）物理性能测试系统PPMS（PHYSICALPROPERTYMEASUREMENTSYSTEM）是近年由美国QUANTUMDESIGN公司出品的一种全自动高性能材料物性测量系统。该仪器全自动进行数据采集、测量、分析、处理，操作简便可靠，可实现不同温度19K400K、不同磁场强度9T下的各种物质的物理性能测量，包括热性能、电性能
47、、磁性能等。PPMS利用电磁感应原理准确测量出磁体的初始磁化曲线和磁滞回线，从而计算得到磁体的BR、矫顽力HCI和磁能积（BH）MAX等磁性能参数。3实验结果与分析31烧结温度对矫顽力和微观结构的影响311烧结温度对矫顽力的影响表31SPS烧结态磁体的磁性能样品温度（）时间（MIN）HCI（KA/M）MR（T）BHMAX（KJ/M3）SPS1920109151056133721SPS28901097880561289SPS39401037799058604表31为实验测得的不同烧结温度下的SPS样品的磁性能。从表中可以看出，烧结温度从890上升到920时，矫顽力没有太大的变化，分别只有9788
48、KA/M和9151KA/M，而940烧结温度下的矫顽力稍微有所增加为37799KA/M，尽管如此，这样的矫顽力仍然达不到使用价值。表31中的磁性能数据说明，NDFEB永磁合金烧结快冷后（烧结态）磁性能处于比较低的状态，这与SPS烧结后所得磁体的微观结构密切相关。312烧结温度对微观组织的影响图31为不同烧结温度下的SPS样品的微观组织，图中灰色的组织为ND2FE14B主相晶粒，白色的组织为富ND晶界相。22图31SPS烧结态样品的微观组织A920；B890；C940从图31A和图31B中我们可以看出，在较低的温度下烧结，磁体主相晶粒细小、均匀一致，晶界相（白色）呈小颗粒状弥散分布在晶界上，部分
49、晶界相颗粒在制备过程中脱落，留下了密密麻麻的凹坑，磁体中未见较大的孔洞。这样的组织与岳明等10,17得到的组织相似，呈现出典型的放电等离子烧结钕铁硼显微组织特征。从图31C中我们可以看出，在940烧结的磁体，内部存在大块状的组织缺陷和裂痕。从图31A、B、C中可以看出，灰色主相晶粒与白色晶界相之间的衔接很不光滑。白色晶界相所呈现出的颗粒状分布形貌，以及裂痕、晶界缺陷的存在是SPS烧结态磁体矫顽力较低的重要原因。在SPS过程中，晶粒从较高的温度冷却至室温，属于快速冷却的过程，在晶界处很容易产生晶界缺陷、应力集中和一些不平衡的烧结组织，这些区域在反磁化过程中，很容易作为反磁化畴形核，单独地颗粒状分布起不到隔离主相晶粒的作用，这样在反磁化过程中，一个主相晶粒的反磁化很容易带动周围其他晶粒的反磁化，最终导致磁体很快退磁。32不同回火工艺对矫顽力和微观组织的影响321不同回火工艺对矫顽力的影响我们对890下，烧结10MIN的SPS磁体进行二级回火热处理，将回火热处理后所得的磁性能数据列于表32。表32SPS磁体在不同回火制度下的磁性能样品编号回火工艺制度HCI（KA/M）MR（T）BHMAX（KJ/M3）A9704H52025H567069764B9703H60025
