燒結(jié)nd-fe-b磁體的顯微組織

燒結(jié)nd-fe-b磁體的顯微組織

崇禎技術(shù)是應(yīng)用于nd-fe-b磁體制造的一項(xiàng)重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一。經(jīng)過燒結(jié)過程后,粉末顆粒的聚集體即生坯轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я５木劢Y(jié)體,也就是燒結(jié)Nd-Fe-B磁體。相對(duì)于生坯來說,燒結(jié)Nd-Fe-B磁體不僅具有高的致密化程度,而且形成了具有一定特征的顯微組織。Nd2Fe14B晶粒尺寸及其分布是燒結(jié)Nd-Fe-B磁體顯微組織的基本特征,亦是決定燒結(jié)Nd-Fe-B磁體永磁性能的重要因素。Nd2Fe14B晶粒細(xì)小而尺寸分布均勻的顯微組織是實(shí)現(xiàn)高JHc值和使J-H退磁曲線具有良好方形度的必要條件。細(xì)化主相晶粒,使其尺寸分布均勻,避免或減少顯微組織中異常大晶粒的存在,可以改善材料的機(jī)械性能,如提高其抗彎強(qiáng)度等;亦可以改善產(chǎn)品的后續(xù)機(jī)械加工性能和電鍍層質(zhì)量等。燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、合金粉末粒度及分布是Nd-Fe-B磁體工業(yè)生產(chǎn)過程中人們特別關(guān)注、控制的關(guān)鍵工藝參數(shù)。本文直接在工業(yè)生產(chǎn)線上制備了不同試驗(yàn)條件下的燒結(jié)Nd-Fe-B磁體樣品,分析了燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、合金粉末粒度及分布對(duì)Nd-Fe-B磁體燒結(jié)過程晶粒長(zhǎng)大的影響,定量描述了Nd-Fe-B磁體燒結(jié)過程晶粒長(zhǎng)大行為,討論了Nd-Fe-B磁體燒結(jié)過程晶粒長(zhǎng)大機(jī)制。1nd-fe-b磁體選擇工業(yè)純的Nd,Dy,Fe,Al以及B-Fe合金為原材料,合金設(shè)計(jì)成分為Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02與Nd35Dy1.5FebalAl0.4B1.02,應(yīng)用中頻真空感應(yīng)熔煉爐在氬氣氛保護(hù)下熔煉合金。合金鑄錠經(jīng)過機(jī)械粗破碎、機(jī)械中破碎過程后,應(yīng)用氣流磨制備不同平均粒度的合金粉末。合金粉末在1440～1600kA·m-1的磁場(chǎng)中取向,應(yīng)用垂直鋼模壓+冷等靜壓的方式成型。生坯在1×10-2～1×10-3Pa真空條件下分別于1323,1353,1383K或者1393K燒結(jié)保持不同時(shí)間,而后在1173～1193K回火2h,在853～893K回火3h。燒結(jié)Nd-Fe-B磁體樣品的尺寸規(guī)格為Φ12.5mm×36mm,軸向方向?yàn)閴褐瞥尚蜁r(shí)的磁場(chǎng)取向方向。應(yīng)用CambridgeS250MK2,CambridgeS250MK3與CambridgeS360型掃描電子顯微鏡(SEM)分析磁體顯微組織。按照GB6394-86規(guī)定的金屬材料平均晶粒尺寸測(cè)量方法測(cè)定磁體的平均晶粒尺寸。2結(jié)果與討論2.1晶粒尺寸與燒結(jié)時(shí)間的關(guān)系應(yīng)用平均粒度為4μm的合金粉末壓制生坯、分別在1323,1353,1383K燒結(jié)不同時(shí)間而制備3組Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02燒結(jié)磁體。圖1(a),(b)是于1353K燒結(jié)0.5與24h的磁體樣品的SEM二次電子像。圖2是這3組Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02燒結(jié)磁體平均晶粒尺寸隨燒結(jié)溫度與時(shí)間變化的情況。對(duì)于燒結(jié)溫度為1323K的情況,當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為0.25,0.5,1,2,4,8與24h時(shí),樣品平均晶粒尺寸分別是9.2,9.2,9.7,10.2,11.1,11.4與12.2μm,相當(dāng)于原始合金粉末平均粒度的2.3,2.3,2.4,2.6,2.8,2.9與3倍。對(duì)于燒結(jié)溫度為1353K的情況,當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為0.25,0.5,1,2,4,8與24h時(shí),樣品平均晶粒尺寸分別是9.4,10.2,11.4,12.4,12.9,13.9與15.6μm,相當(dāng)于原始合金粉末平均粒度的2.3,2.5,2.8,3.1,3.2,3.5與3.9倍。對(duì)于燒結(jié)溫度為1383K的情況,當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為0.25,0.5,1,2,4,8與24h時(shí),樣品平均晶粒尺寸分別是10.1,10.5,12.5,13.1,14.5,15.7與18.8μm,相當(dāng)于原始合金粉末平均粒度的2.5,2.6,3.1,3.3,3.6,3.9與4.7倍。對(duì)于1323,1353,1383K這3個(gè)不同的燒結(jié)溫度,在燒結(jié)保持開始之后的0～1h時(shí)間區(qū)段,晶粒長(zhǎng)大迅速。在1323K燒結(jié)保持1h時(shí),其平均晶粒尺寸達(dá)到了原始合金粉末平均粒度的2.5倍左右;而在1353或者1383K燒結(jié)保持1h時(shí),其平均晶粒尺寸則達(dá)到了原始合金粉末平均粒度的3倍左右;此后,隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),平均晶粒尺寸增大的速率減緩。當(dāng)燒結(jié)溫度為1323和1353K時(shí),在>2h的燒結(jié)時(shí)間區(qū)段內(nèi),平均晶粒尺寸變化趨于比較平穩(wěn)狀態(tài);相對(duì)來說,當(dāng)燒結(jié)溫度為1383K時(shí),即使在>2h的燒結(jié)時(shí)段內(nèi),平均晶粒尺寸仍然表現(xiàn)出比較明顯的增大趨勢(shì)。燒結(jié)溫度升高,顯著促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大。當(dāng)燒結(jié)時(shí)間相同時(shí),隨著燒結(jié)溫度的上升,平均晶粒尺寸增大。2.2平均晶粒尺寸應(yīng)用平均粒度分別為3.4,4.4,5.8,7.8,9.4與11.7μm的合金粉末壓制生坯、而后于1393K燒結(jié)保持2h制備一組Nd35Dy1.5FebalAl0.4B1.02磁體。圖3(a),(b)是這組樣品中合金粉末平均粒度為4.4與9.4μm的磁體的SEM二次電子像。圖4是這組樣品平均晶粒尺寸與合金粉末平均粒度的關(guān)系。合金粉末平均粒度分別為3.4與4.4μm時(shí),燒結(jié)磁體平均晶粒尺寸分別為10.8與12.2μm,相當(dāng)于原始合金粉末平均粒度的3.2倍與3.5倍;而其最大晶粒尺寸分別約為20與30μm。當(dāng)原始合金粉末平均粒度增大至9.4與11.7μm時(shí),燒結(jié)磁體平均晶粒尺寸達(dá)到31.5與34.7μm,相當(dāng)于原始合金粉末平均粒度的3.4倍與3倍;而其最大晶粒尺寸分別約為80與100μm,出現(xiàn)了異常大晶粒。隨著合金粉末平均粒度增大,燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的平均晶粒尺寸迅速增大;晶粒尺寸分布不均勻。在平均粒度為4μm的合金粉末中加入10%的平均粒度為10.6μm的合金粉末壓制生坯、在1353K燒結(jié)不同時(shí)間制備一組Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02燒結(jié)磁體。圖5(a),(b)是這組樣品中于1353K燒結(jié)0.5與24h的磁體的SEM二次電子像。合金粉末平均粒度為4μm、在1353K燒結(jié)不同時(shí)間而制備的Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02燒結(jié)磁體的SEM二次電子像如圖1所示。圖6是這兩組樣品的平均晶粒尺寸與燒結(jié)時(shí)間的依賴關(guān)系。當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為0.5,2,8與24h時(shí),應(yīng)用4μm合金粉末制備的樣品,其平均晶粒尺寸分別是約10.2,12.4,13.9與15.6μm;而加入10%的10.6μm合金粉末制備的樣品,其平均晶粒尺寸分別為約12.2,14.4,20.7與25.1μm。在平均粒度為4μm的合金粉末中加入10%的平均粒度為10.6μm的合金粉末,使合金粉末粒度分布范圍增寬。這樣制備的Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02燒結(jié)磁體,其晶粒聚集成團(tuán),平均晶粒尺寸顯著增大,晶粒尺寸分布不均勻。隨著燒結(jié)時(shí)間超過2h之后,其平均晶粒尺寸仍然表現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭,而且出現(xiàn)了晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象。2.3顆粒并合-晶粒未來的并合反應(yīng)圖7(a),(b)是前文已說明的在1383K燒結(jié)0.5,24h的Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02磁體的SEM背散射電子像。由圖7(a),(b)可以看到,在1383K不論是燒結(jié)0.5還是24h的磁體,其絕大多數(shù)大晶粒內(nèi)部皆存在大量白色的顆粒狀富Nd相;在比較小的晶粒內(nèi)部存在的白色的顆粒狀富Nd相則比較少;在更小的晶粒內(nèi)部則不存在白色的顆粒狀富Nd相。由圖7(a),(b)亦可以看到,在1383K不論是燒結(jié)0.5h還是24h的磁體,有些白色的顆粒狀富Nd相正存在于遷移中的晶界上。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)Nd-Fe-B磁體所選擇的燒結(jié)溫度一般為1323～1383K。參照Nd-Fe-B三元系亞穩(wěn)相圖,可以看到,在Nd-Fe-B磁體的燒結(jié)過程中始終存在富Nd液相。存在的富Nd液相量與具體的燒結(jié)溫度和合金成分相關(guān),約為15%～20%(體積分?jǐn)?shù))。在1323K燒結(jié),富Nd液相潤(rùn)濕Nd2Fe14B顆粒時(shí),接觸角θ約為7°～8°;燒結(jié)溫度升高,θ值則有所降低。隨著燒結(jié)過程的開始,細(xì)小Nd2Fe14B顆?；虼执驨d2Fe14B顆粒的尖銳突出部分溶解于富Nd液相,然后于粗大顆粒表面析出,使細(xì)小顆粒逐漸縮小或消失,粗大顆粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。這就是所謂的顆粒溶解與重新析出晶粒長(zhǎng)大機(jī)制。但是,由圖7(a),(b)看到的現(xiàn)象表明,在Nd-Fe-B磁體的燒結(jié)過程中還存在顆粒并合與長(zhǎng)大這樣的晶粒長(zhǎng)大機(jī)制。晶粒內(nèi)部出現(xiàn)白色的顆粒狀富Nd相,這正是燒結(jié)過程中幾個(gè)顆粒并合與長(zhǎng)大而將富Nd液相封閉于其間的結(jié)果。在Nd-Fe-B磁體燒結(jié)過程中,富Nd液相量并不是足夠大,而且富Nd液相不能完全潤(rùn)濕Nd2Fe14B顆粒,Nd2Fe14B顆粒之間不可避免地產(chǎn)生直接接觸。在燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的顯微組織中,亦觀察到大量的Nd2Fe14B晶粒直接接觸,晶粒邊界并不存在富Nd相。圖8是Nd-Fe-B磁體燒結(jié)過程中Nd2Fe14B顆粒之間發(fā)生并合與長(zhǎng)大的物理模型。兩個(gè)Nd2Fe14B顆粒直接接觸,隨后發(fā)生粘結(jié)、熔合而實(shí)現(xiàn)顆粒之間的并合,形成平直的晶粒界面,如圖8(a),(b)所示。顆粒之間取向差異越小,則顆粒直接接觸時(shí)發(fā)生并合而形成晶粒界面的可能性越大。隨著細(xì)小Nd2Fe14B顆粒在富Nd液相中溶解、隨后在顆粒并合部位即負(fù)曲率部位析出,晶粒界面的尺寸越來越大,晶界溝的形狀也發(fā)生變化,并且變得越來越淺。為了維持晶界與顆粒表面交界處的界面張力平衡狀態(tài),晶界不可避免地發(fā)生彎曲,而且是彎向大顆粒,即其曲率中心位于小顆粒內(nèi)的某一個(gè)位置,如圖8(c)所示。兩個(gè)顆粒尺寸差別越大,這時(shí)候晶界彎曲的程度也大。隨著晶界溝變淺,晶界彎曲程度增大,晶界遷移的阻力越來越小,而其遷移的驅(qū)動(dòng)力則越來越大。直至晶粒界面尺寸接近或大于小顆粒的尺寸時(shí),晶界即向著其曲率中心方向即小顆粒方向運(yùn)動(dòng),大顆粒吞并小顆粒,完成顆粒長(zhǎng)大過程,如圖8(d)所示。Nd2Fe14B顆粒直接接觸時(shí)發(fā)生并合而形成的晶粒界面,可以是重合點(diǎn)陣晶界,也可以是小角度晶界或是大角度晶界。相對(duì)來說,重合點(diǎn)陣晶界可遷移性更大。在燒結(jié)過程開始之初,由于大量細(xì)小Nd2Fe14B顆粒以及形狀不規(guī)則的粗大Nd2Fe14B顆粒的尖銳突出部分溶解,而后于粗大顆粒表面析出,使顆粒長(zhǎng)大;同時(shí),顆粒并合與長(zhǎng)大這類晶粒長(zhǎng)大機(jī)制起作用,因此,對(duì)應(yīng)于0～0.5h的燒結(jié)時(shí)間區(qū)段,Nd-Fe-B磁體晶粒尺寸的增大極為迅速。隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng),細(xì)小Nd2Fe14B顆粒與粗大Nd2Fe14B顆粒尖銳突出部分的減少,顆粒之間溶解度差亦隨之減小,以至于溶解與重新析出過程減緩。在這樣的情況下,Nd2Fe14B顆粒主要是通過并合與長(zhǎng)大的方式增大尺寸。經(jīng)過燒結(jié)初期的顆粒迅速長(zhǎng)大階段之后,Nd2Fe14B顆粒長(zhǎng)大過程也顯著減緩。顆粒溶解與重新析出、顆粒并合與長(zhǎng)大都和Nd2Fe14B顆粒表面的溶解與析出反應(yīng)以及原子在液相中的擴(kuò)散、傳輸密切相關(guān)。顆粒并合與長(zhǎng)大還涉及到晶界的遷移。這些過程都屬于熱激活過程,因此隨著燒結(jié)溫度的上升,燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的平均晶粒尺寸隨之增大。應(yīng)用平均粒度比較大的合金粉末壓制生坯,富Nd相在生坯中分散度小,不利于富Nd相在生坯中均勻分布。生坯燒結(jié)時(shí)富Nd液相也不易均勻分布,某些部位存在的液相較少,甚至于沒有液相,大量的粗大Nd2Fe14B顆粒直接接觸。在這種情況下,顆粒并合與長(zhǎng)大易于發(fā)生,從而使燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的平均晶粒尺寸顯著增大。在4μm合金粉末中加入10%的10/6μm合金粉末而使合金粉末粒度分布范圍增寬。應(yīng)用這樣的合金粉末壓制生坯,在燒結(jié)時(shí)其中Nd2Fe14B顆粒溶解與重新析出過程加劇;對(duì)于其中某個(gè)Nd2Fe14B粗大顆粒,其表面積大,與其他顆粒直接接觸而發(fā)生并合的可能性大;而且Nd2Fe14B顆粒尺寸差別越大,顆粒之間發(fā)生并合之后也越易于長(zhǎng)大。因此,這樣制備的Nd33Dy1.5FebalAl0.4B1.02燒結(jié)磁體,其平均晶粒尺寸顯著增大,晶粒尺寸分布范圍增寬,甚至于出現(xiàn)異常大晶粒。分析大量的燒結(jié)Nd-Fe-B磁體的SEM背散射電子像發(fā)現(xiàn),在燒結(jié)過程中,Nd2Fe14B顆粒的并合與長(zhǎng)大不僅使磁體的平均晶粒尺寸增大,而且也使晶粒尺寸分布范圍增寬。Nd2Fe14B顆粒的并合與長(zhǎng)大是燒結(jié)Nd-Fe-B磁體顯微組織中出現(xiàn)異常大晶粒的根本原因。在Nd-Fe-B磁體的燒結(jié)過程中,富Nd液相量越小,或富Nd液相分布越不均勻,或富Nd液相對(duì)Nd2Fe14B顆粒的潤(rùn)濕性越差,則Nd2Fe14B顆粒直接接觸的可能性越大,顆粒之間發(fā)生并合與長(zhǎng)大的可能性也越大。改進(jìn)合金鑄錠技術(shù)以使鑄錠富Nd相分布均勻;添加Nb等元素以改善鑄錠富Nd