1、（20届）本科毕业设计NDFEB稀土合金烧结组织矫顽力研究RESEARCHONTHECOERCIVITYOFMICROSTRUCTURESOFSINTEREDNDFEBRAREEARTHALLOY所在学院专业班级应用化学学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I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
2、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IIRESEARCHONTHECOERCIVITYANDMICROSTRUCTUREOFNDFEBRAREEARTHALLOYSINTEREDABSTRACT【ABSTRACT】I
3、NORDERTOSTUDYTHEEFFECTOFSINTERINGTEMPERATURE,ANDTEMPERINGPROCESSONTHECOERCIVITYOFNDFEBMAGNETS,WITHTHEAPPLICATIONOFSEMANDPPMS,THEMAGNETICPROPERTIESANDMICROSTRUCTURESWERECHARACTEREDINTHISPAPER,ANDTHEEFFECTOFSINTERINGTEMPERATUREAMDTEMPERINGPROCESSONMAGNETICPROPERTIESANDMICROSTRUCTURESESPECIALLYONTHEBOU
4、NDARYPHASEWEREANALYTICEDFORETHERMORE,WECOMPAREDTHEPROPERTIESANDMICROSTRUCTUREOFCONVENTIONALSINTEREDMAGNETSWITHSPSSINTEREDMAGNETSTHERESULTSSHOWTHAT,AFTERDIFFERENTTEMPERINGSYSTEMS,THEPROPERTIESOFSPSWEREINCREASEDAFTER9703H60025HTEMPERING,THEPROPERTIESIMPROVEDSIGNIFICANTLY,THECOERCIVITYOFTHEMAGNETSWEREI
5、NCREASEDTO1120KA/MBYOBSERVINGTHEMICROSTRUCTURE,ITWASFOUNDTHATSHORTSTRIPSHAPEDNDRICHPHASEAPPEAREDINTEMPEREDSPSMAGNETS,ITPLAYINGAROLEOFISULATIONCOMPAREDWITHCONVENTIONALSINTEREDMAGNET,THESPSMAGNETSHAVELESSSLICELIKENDRICHPHASERESULTINGINLOWERCOERCIVITYFORTHEOFMAGNETICISULATION【KEYWORDS】SPSNDFEBMAGNETSTE
6、MPERINGCOERCIVITYMICROSTRUCTURESIII目录1绪论311钕铁硼永磁材料3111钕铁硼永磁材料概述2112永磁材料的技术磁参量21121钕铁硼永磁材料的矫顽力31122剩磁BR31123最大磁能积（BH）MAX3113影响NDFEB烧结磁体矫顽力的因素4114钕铁硼永磁材料的微观相组成及其特征512放电等离子烧结SPARKPLASMASINTERING，简称SPS技术5121SPS技术的发展及应用5122SPS基本装置5123SPS技术的优点以及其在烧结稀土永磁材料上的应用613回火技术对烧结磁体矫顽力的影响714本研究的主要背景、内容以及意义72实验过程及方法82
7、1样品制备822微观组织与磁性能表征9221扫描电子显微镜SEM9222永磁材料高温测量系统10223综合物理性能测试系统（PPMS）103实验结果与分析1131烧结温度对矫顽力和微观结构的影响11311烧结温度对矫顽力的影响11312烧结温度对微观组织的影响1132不同回火工艺对矫顽力和微观组织的影响12321不同回火工艺对矫顽力的影响13322不同回火工艺对微观组织的影响1333回火前后矫顽力和微观结构的差异14331回火前后矫顽力的差异14332回火前后微观结构的差异1434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154结论18参考文献19致谢错误未定义书签。1绪论11钕铁硼永
8、磁材料宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格2111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
9、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，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，
10、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、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
11、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，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宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格3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
12、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
13、，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31122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
14、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BR的极限值为0MS，HCB的极限值为0MR0MS，磁能积的理论极限值为宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格4S14MBH理20（M）实际永磁体的（BH）M可表示为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
15、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
16、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，宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格5在反磁化过程中，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
17、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
18、“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
19、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系统宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格6主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
20、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、
21、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宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格71260KA/M，关于SPS技术制备NDFEB永磁材料的研
22、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
23、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HC
24、J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，
25、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宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格8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，回火热处理后，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
26、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
27、，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样品制备宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格9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烧结制度样品标号烧结温度/烧结时间/MINSPS192010
28、SPS289010SPS394010SPS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/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（S
29、EM）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
30、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。宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格10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
31、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、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。宁波大学本科毕业设计
32、（论文）系列表格113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）SPS19201091510561337SPS28901097880561289SPS39401037799058604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9788KA/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
33、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。宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格12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,
34、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
35、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宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格13321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）A9704H52025H567069764B9703H60025H11200972105C103015H60025H492104259从表32中可以看出，磁体经9704H52025H二级回火后矫顽力稍微降低，而经过9703H60025H、1030
36、15H60025H两种制度回火后矫顽力出现了大幅度提高，在9703H60025H制度回火后的矫顽力达到1120KA/M，比在103015H60025H制度回火后的矫顽力492KA/M高出1276。从表32中还可以看出，890下，烧结10MIN的SPS磁体经过A、B、C三种制度回火后，剩磁都有了提高，在103015H60025H制度下回火所得剩磁最佳，为1042T。最大磁能积的变化与矫顽力的变化趋势相同。以上结果得出，本实验的所得最佳回火工艺制度参数为9703H60025H，此时HCI1120KA/M，BR0972T，BHMAX105KJ/M3。322不同回火工艺对微观组织的影响图32是890烧
37、结10MIN的SPS磁体分别经B制度9703H60025H、C制度103015H60025H回火后的微观组织。图32SPS磁体回火态的微观组织AB；BC从图32可以看出，890烧结10MIN的SPS磁体经过B、C两种制度回火后，主相与晶界相之间的过渡变光滑，晶界处的缺陷明显减少，这样就大大减小了反磁化畴形核的可能，因此经过这两种制度回火后，磁体矫顽力都有了提高。宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格14从图32B可以看出，经103015H60025H回火后的磁体主相晶粒仍然较小，且分布均匀一致，白色晶界相仍然以圆形、小颗粒状分布在晶界上；而经9703H60025H二级回火后的磁体（图32A）晶界
38、相数量明显减少，晶界相颗粒变大，部分颗粒状晶界相呈现出短棒状形态分布在晶界上。还可以看出，经9703H60025H回火后的磁体（图32A）晶界较清晰，而经103015H60025H回火后的磁体（图32B）晶界很不清晰。对于钕铁硼永磁材料来说，清晰的晶界和短棒状晶界相的出现，使得主相晶粒之间的隔离程度加强，晶粒之间的交换耦合作用减弱，SPS磁体经9703H60025H制度回火后的矫顽力1120KA/M明显高于经103015H60025H制度回火后的矫顽力492KA/M的原因与此有关。33回火前后矫顽力和微观结构的差异331回火前后矫顽力的差异将（890，10MIN）SPS烧结态磁体的磁性能和（9
39、703H60025H）回火态磁体的磁性能对比，分别列于表33。从表中明显的看出，与SPS烧结态磁性能相比，回火后磁体的剩磁和矫顽力都大大提高，其中矫顽力由9788KA/M提高到了1120KA/M，剩磁由056T提高到0972T，最大磁能积由1289KJ/M3提高到105KJ/M3。经过计算，回火后的矫顽力、剩磁和最大磁能积分别是回火前的1144、1735和815。在合金成分一定的情况下，回火前后磁性能的提高主要受显微组织影响。表33回火前后磁体的磁性能样品HCI（KA/M）MR（T）BHMAX（KJ/M3）烧结态97880561289回火态11200972105332回火前后微观结构的差异宁波
40、大学本科毕业设计（论文）系列表格15图33回火前后SPS磁体的微观组织A回火前；B回火后图33为回火前后SPS磁体的微观组织。从图33A中可以看出，回火前磁体较稀松，有孔洞，富ND相呈小颗粒状弥散分布在晶界上，主相与晶界相之间的过渡不光滑；从图33B可以看出，回火后磁体变得致密，孔洞减少，主相晶粒变大，同时变得均匀一致，富ND相含量明显减少，主相与晶界富ND相之间的过渡明显变光滑。以上实验结果表明，回火优化了磁体的显微组织，这些显微组织变化是导致回火后磁体矫顽力、剩磁和最大磁能积提高的原因所在。钕铁硼永磁合金的回火是液相参与的过程。当合金在较高的温度下回火时，晶界交隅处的富ND相熔化为液态，随
41、着时间的延长，液态晶界相不断浸润主相晶粒，若回火温度足够高，主相晶粒尖锐的棱角和凸出部位就会溶解。当合金在较低的温度下回火时，会发生三元共晶反应2141144LNDFEBNDNDFEB（公式2）在这个过程中，液相的数量逐渐减少，主相和富ND晶界相重新析出，因此主相晶粒会发生长大的现象，新析出的富ND晶界相成分发生了改变，其成分更加优化并接近三元共晶温度时的ND含量。这样磁体就可获得有利于高矫顽力的显微组织。周寿增等人18认为，烧结钕铁硼磁体的回火过程是主相晶粒外延层的磁硬化过程，在回火过程中，原来存在于富ND相中的FE原子向ND2FEL4B扩散，ND2FEL4B晶粒外延层的ND向富ND相扩散，
42、结果使得ND2FEL4B主相晶粒外延层发生磁硬化，矫顽力增加。LTAO等17在不同的温度下对SPSNDFEB磁体进行了两级回火热处理，文章认为，SPSNDFEB磁体有着与传统烧结磁体不同的富ND相分布形态，热处理能极大地提高磁体的磁性能，尤其是磁体的矫顽力。岳明等11,19在6501050温度段对SPS磁体进行了回火热处理。结果剩磁和矫顽力均有所提高，矫顽力提高更明显，他们认为热处理后富钕相弥散地分布在主相边界上，且富钕相的数量明显减少，是矫顽力提高的原因。WMO等20在1273K对SPS磁体回火2H，磁体的密度、矫顽力、剩磁也均有了很大提高，其中矫顽力提高的幅度最大，与岳明等人的研究结果相似
43、，通过研究磁体微观结构，作者发现在热处理后磁体内形成了薄层状的边界结构，且晶体的结构也发生了转变，作者认为磁性能的提高主要与此现象有关。以上岳明和WMO等作者所得最佳矫顽力分别为1160KA/M和1122KA/M，这与我们的研究结果相近。34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宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格16通过本文的研究，并结合以往其他作者的研究结果，我们发现，用SPS法制备的烧结钕铁硼磁体矫顽力基本上都在1500KA/M以下，表34是本文SPS磁体（最佳回火后）与相同UH牌号的传统烧结磁体的磁性能对比。从表34中可以看出，SPS磁体的矫顽力HCI、剩磁MR、最大磁能积
44、BHMAX与传统烧结磁体的磁性能还有很大的差距。尤其是矫顽力，SPS磁体（最佳回火后）的矫顽力为1120KA/M，比传统烧结磁体的191083KA/M约低71，SPS磁体的剩磁和最大磁能积分别比传统烧结磁体的低3和82。表33磁体的磁性能样品HCI（KA/M）MR（T）BHMAX（KJ/M3）传统烧结19108310019108回火态11200972105图34SPS磁体与传统烧结磁体的显微组织ASPS磁体；B传统烧结磁体图34是SPS磁体（最佳回火后）与传统烧结磁体的显微组织。从图34A中可以看出，SPS磁体（最佳回火后）颗粒状富ND相较多，带状的富ND相较少，而且已经连续的带状富ND相与主
45、相间的晶界也不光滑，晶界不清晰，主相晶粒直接接触的较多；而在图34B传统烧结磁体中，主相晶粒规则圆润，晶界很清晰，颗粒状富ND相较少，薄层状富ND相较多，而且薄带状的富ND相均匀连续的分布在晶界上，并与三角晶界处的颗粒状晶界相相连通，几乎将主相晶粒完全包裹起来。高矫顽力理想的显微结构特征为（1）ND2FE14B晶粒的化学成分与结构均匀、一致；（2）ND2FE14B主相平均晶粒尺寸要小，一般以56M为宜，晶粒尺寸分布要窄；（3）ND2FE14B晶粒形状要规则，晶粒近似球形，不存在尖锐的角、棱及凸起；（4）ND2FE14B主相晶粒被厚度约2NM的薄层状富ND晶界相包围，使主相晶粒彼此隔离，晶粒之间
46、不存在磁交换耦合作用；（5）主相晶粒与富ND晶界相之间的过渡要光滑；（6）每一个ND2FE14B晶粒的C轴100地沿磁场取向的方向均匀一致地取向。在本实验中，用截线法测得SPS宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格17磁体（最佳回火后，图34A）和传统烧结磁体（图34B）中的主相晶粒尺寸分别为79M，两者相差不多，由此可见，SPS磁体与传统烧结磁体中的富ND相分布状态差异，是使得SPS磁体矫顽力（1120KA/M）明显低于传统烧结磁体矫顽力（191083KA/M）的关键因素。SPS磁体（最佳回火后）中薄带状晶界相的数量明显低于传统烧结磁体，也就是说SPS磁体中的磁隔离不足。在烧结钕铁硼永磁材料中
47、，沿晶界分布的光滑、连续的薄带状富ND相对烧结NDFEB合金的磁硬化起着重要的作用，无论矫顽力是由形核场控制还是由钉扎场控制，这种形态的晶界相对磁体矫顽力的提高都有益。它的存在，既能降低反磁化畴形核的可能，又能在磁化和反磁化过程中对畴壁位移形成强有力的钉扎，从而大幅度提高矫顽力。由此可见，我们在制备的过程中，还需进一步优化生产工艺，努力增加SPS磁体中薄层状富ND晶界相的数量，实现SPS磁体中富ND晶界相的光滑、均匀、连续分布，才是从根本上提高SPSNDFEB磁体矫顽力的途径。宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格184结论本文利用放电等离子烧结（SPS）技术制备了NDFEB永磁材料，通过采用不
48、同烧结温度来制备SPS磁体，并对SPS磁体在不同的回火制度下进行回火热处理，利用TM1000型扫描电镜观察了磁体的微观组织，利用PPMS和高温永磁测量系统测量了磁体的磁性能，经分析得出以下结论1、放电等离子烧结工艺研究结果表明，在890和920烧结的磁体主相晶粒大小均匀一致，富ND相呈小颗粒状弥散分布在晶界上，呈现出典型的放电等离子烧结组织特征；在940烧结的SPS磁体的矫顽力最高，为37799KA/M，但是磁体中存在较大的缺陷和烧结不均匀的区域。SPS烧结态磁体较低的磁性能与富ND相的不连续分布和缺陷的存在有关。2、将890烧结10MIN的SPS磁体在不同回火制度下处理后，主相晶粒无明显变化
49、，颗粒状富ND相减少，出现了短带状富ND相形貌；回火后磁性能得到了明显提高，在9702H6001H条件下处理后磁性能提高幅度最大，矫顽力由567KA/M升高到了1120KA/M，说明矫顽力的提高与富稀土相分布的改善有关。3、与相同成分的传统烧结磁体相比，SPS磁体（最佳回火后）矫顽力（1120KA/M）只有传统烧结磁体矫顽力（191083KA/M）的11/19。微观结构研究表明，SPS磁体中颗粒状富ND相较多，薄带状富ND相明显少于传统烧结磁体。宁波大学本科毕业设计（论文）系列表格19参考文献1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J金属热处理,2003,28619222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J中国有色金属学报,2002,12164663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J2007,38259614周寿增,董清飞超强永磁体稀土铁系永磁材料M北京冶金工业出版社,2004,485唐杰,刘颖,张然,杨刚,高升吉,涂铭旌烧结钕铁硼永磁体矫顽力理论及其影响J材料导
