烧结钕铁硼的磁性能和力学性能研究进展★

王奇凡张敏刚王瑜刘吉祥

（1.太原科技大学，山西太原030024；2.山西金山磁材有限公司，山西太原030024）

烧结钕铁硼的磁性能和力学性能研究进展★

王奇凡1张敏刚1王瑜2刘吉祥2

（1.太原科技大学，山西太原030024；2.山西金山磁材有限公司，山西太原030024）

重点介绍深冷处理对烧结钕铁硼磁性能的研究、目前力学性能研究现状以及研究烧结钕铁硼力学性能的重要性。

烧结钕铁硼深冷处理磁性能力学性能

烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）是重要的金属功能材料，作为第三代稀土型永磁材料，由于其良好的磁性能被科技人员称为“磁王”，利用其能量的转换功能和磁的各种物理效应可制成多种样式的功能器件。烧结Nd-Fe-B已被广泛应用于航空、航海、电子等众多领域，成为高科技、新兴产业与社会进步的重要物质基础之一。

1 深冷处理对烧结钕铁硼的磁性能研究

作为一种重要的磁性材料，烧结Nd-Fe-B从诞生以来，人们对其晶体结构、微观组织、磁畴形态和内外禀磁性等方面都已做了大量研究工作并取得了可喜的成果［1］。但深冷处理对烧结钕铁硼磁性能影响的研究比较少。

目前，有一些学者用此方法对烧结钕铁硼的磁性能做了一些探索性的研究。如：于旭光［2］等人将35SH、N40、35H和N35四个牌号圆柱烧结钕铁硼产品的样品并排，并用胶带将它们粘在一起，其磁极方向相同；用无磁性样勺盛装样品放入液氮中，浸泡时间为20min，深冷处理后在空气中直接恢复至室温。从而得出结论：低矫顽力永磁体，剩磁越高，深冷处理效果越好；高矫顽力永磁体，冷处理效果明显。

庞利佳［3］等人对合金成分（原子分数）为Pr8Fe87B5和（Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99M1，其中M为Zr，Ga。按所需成分准备Nd，Pr，Fe，Zr，Ga和Fe2B合金，在氩气保护下于中频真空感应炉中熔炼制备母合金锭，然后对样品进行深冷处理，处理温度为153K和103K，处理时间为80min或60min。并对（Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99Ga1快淬带深冷前后的Nd2Fe14B相的各晶面衍射峰进行了对比，见表1。

表1 （Nd11.4Fe82.9B5.7）0.99Ga1快淬带深冷前后的Nd2Fe14B相的各晶面衍射峰对比

由此得出结论：(Nd11.4Fe82.9B5.7)0.99M1合金淬态带中的Nd2Fe14B相存在(00L)(L=2,4,6…)晶面的织构，其易磁化轴c轴平行于(00L)面的法线方向；深冷处理可使(Nd11.4Fe82.9B5.7)0.99M1合金快淬带的织构度大大增强，其I（006）/I（410）增幅可达76%；深冷处理可使Pr8Fe87B5合金快淬样品的Ms发生改变，矫顽力变化不大，经深冷处理后样品最佳（BH）max可达187.9kJ/m3。

2 烧结钕铁硼的力学性能研究

2.1 烧结钕铁硼的力学特性

烧结Nd-Fe-B是一种脆性材料，其结构的各向异性和脆硬性给研究它的物理性能和力学性能带来了很大困难。李安华［6］综合不同学者和生产厂商的试验数据给出了烧结Nd-Fe-B的力学性能指标的大致波动范围，烧结Nd-Fe-B的力学性能见表2。由于是脆性材料，所以测得实验数据分散性较大。

表2 烧结钕铁硼的力学性能

2.2 烧结钕铁硼塑韧性能差的原因的探讨

2.2.1 晶体结构复杂滑移系少

烧结Nd-Fe-B的晶体结构与密排六方晶格相似（见下页图1），同为层状堆垛结构，但其对称性远较密排六方晶格差，由此可以推断烧结Nd-Fe-B的滑移系较密排方六晶体的滑移系少，所以烧结钕铁硼塑韧性很差。

图1 Nd2Fe14B的晶体结构

2.2.2 磁晶各向异性导致力学性能各向异性

磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向异性等基本现象在某些方向可以改善磁性材料的性能。由于磁性和弹性的相互耦合作用，必然会引起材料力学性能的各向异性，如单晶体的磁致伸缩各向异性、热膨胀各向异性和抗拉抗弯强度的各向异性等等［5］。因为在不同方向磁体的热膨胀不同，所以在降温过程中磁体内部会产生很大的内应力，这也是烧结Nd-Fe-B力学性能差的重要原因之一。

2.2.3 晶界富钕相力学性能弱化

在烧结钕铁硼的显徽组织中，富Nd相主要呈薄层状沿晶界分布，而此种晶界富Nd相的硬度（Hv）仅有262，远低于基体的硬度。研究表明：烧结钕铁硼本身晶界弱化，断裂方式主要为沿晶断裂，穿晶断裂比率在5%以上，而且在富钕相聚集较多的三叉晶界处，由于应力集中，会首先出现裂纹扩展发散点。

2.2.4 磁体制备工艺——粉末冶金的烧结工艺

烧结钕铁硼磁体采用粉末冶金工艺，使得烧结磁体内部必然存在一定数目的气孔和缺陷，这在过去的研究中已经发现［6］。气孔和缺陷的存在，一方面使磁体的密度下降，连续性降低，容易产生应力集中；另一方面，气孔的存在使有效承载面积下降。这两方面均为造成材料塑韧性差的原因。

2.3 改善烧结钕铁硼力学性能的研究

到目前为止，国内外对烧结钕铁硼的力学性能研究比较少。如：李安华［7］等人采用双相合金法制备了烧结Nd-Fe-B磁体，当添加的合金中B含量为0.95%原子分数时，抗弯强度可达397MPa，而单合金法制得的磁体的抗弯强度仅为309MPa，添加晶界合金几乎不影响永磁体的磁性能。

蒋建华等人［8-10］研究了加入合金元素Nb和Cu两种元素对烧结Nd-Fe-B抗弯强度和断裂韧性的影响，结果表明：当加入0.5%Nb（即w（Nb）＝0.5%）时，使NdFeCoB烧结磁体的抗弯强度从205.4MPa提高到312.7MPa，使三元系的NdFeB烧结磁体的抗弯强度从154MPa提高到312.7MPa，使NdFeCoB烧结磁体的断裂韧性达到3.677MPa·m1/2，但三元系NdFeB烧结体的断裂韧性下降了26.4%。当w（Nb）提高到1.0%时，NdFeCoB和NdFeB烧结磁体的抗弯强度分别提高了42.4%和89.9%。加入1.0%（质量分数）的Nb使NdFeCoB烧结磁体的断裂韧性提高了13.3%，但比三元系NdFeB烧结磁体的断裂韧性下降了21.5%。当加入0.5%（质量分数）的Cu时，可使NdFeCoB的抗弯强度从205.4MPa提高到259.7MPa，使三元系NdFeB烧结体的抗弯强度从154MPa提高到259.7MPa，但同时使NdFeCoB的断裂韧性从3.47MPa·m1/2下降到3.12MPa·m1/2，使NdFeB烧结磁体的断裂韧性从5MPa·m1/2下降到3.127MPa·m1/2。

Madaah Hosse iniHR［11］研究了添加Co和Ni两种元素，减少晶界上的富稀土和富B相，可改善烧结Nd-Fe-B的力学性能。在Nd12.8Fe79.8B7.4合金中添加了MM元素，MM38Co46.4Ni15.5合金(MM为含铈的稀土合金)可显著提高弯曲强度、抗压强度、硬度，但同时也大大降低冲击强度。发现当MM38Co46.4Ni15.5合金的掺量为14%（质量分数）时，有最高的弯曲强度、抗压强度和硬度。

J.F.Liu［12］向烧结钕铁硼磁体中添加Nb，Ga，Al，Cu，Mn，Ti等元素，对比了(Nd,Pr)16.5Dy0.5Fe76(Nb,Ga,Al, Cu,Mn,Ti)1B6烧结磁体和N45M的烧结NdFeB磁体的力学性能。研究发现：添加以上元素以后，磁体的冲击韧性从27.3kJ/m2提高到46.2kJ/m2；硬度从87.5降低到84.4；弯曲强度从299.2MPa提高到347.5MPa；抗压强度从1139.1MPa降低到1051.5MPa；抗拉强度从163.4MPa降低到161.0 MPa。

日本川崎钢铁公司下斗［13］等人通过用Co、Ni和Ti复合取代Nd-Fe-B中的一部分Fe，使该磁体抗弯曲强度达560MPa，切削性能良好，能加工成50μm的薄制品。HortonJA等人［14］也对永磁材料的脆性问题开始关注，他们对不同厂家、不同生产方法生产的Nd-Fe-B、Sm-Co等材料的断裂韧性K1c进行了测定。

P.Vedrine，P.Tixador［15］等研究了在温度为4，77，300K的情况下，对烧结NdFeB磁体的弹性模量和断裂韧性进行了研究，其值在低温情况下会提高10%～20%，见表3，图2，图3。

表3 弹性模量和断裂韧性值

图2 弹性模量随温度变化图

图3 断裂韧性随温度变化图

研究发现从室温到4K，NdFeB磁体依然是脆性材料，但是它的弹性模量和断裂韧性有所提高。

3 结语

虽然目前对烧结钕铁硼的研究比较多，但是普遍采用添加合金元素来改变其磁性能和力学性能，同时也有一些科学工作者利用深冷的原理对其进行改性，并取得了一些研究成果。然而烧结钕铁硼的综合力学性能不够高，限制了很多领域的使用。如果在保证磁性能提高或者不变的情况下，烧结NdFeB磁体的塑韧性得到改善，将会在军事、航天、高速电机等领域中发挥更大的作用，从而使烧结NdFeB进入一个全新的发展时期。

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［2］于旭光,张增强,丁占来.冷处理对烧结钕铁硼磁性能的影响［J］.石家庄铁道学院学报，2007，20（2）:

［3］庞利佳,乔伟,陈菊芳,等.深冷处理对纳米复合永磁材料织构度和磁性能的影响［J］.稀土，2006，27（6）:

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（编辑：胡玉香）

Abstrct:This paper introduces the study of the magnetic performance of sintered Nd-Fe-B with subzero treatment and the present situation of thesemechanical properties,the importance of these study emphasized.

Present Situation of M agnetic Performance and M echanical Properties Study of Sintered Nd-Fe-B Alloys

WANG Qifan ZHANG M in-gang
（1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China；2.Shanxi Jinshan Magnentic Material Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China）

sintered Nd-Fe-B,subzero treatment,magnetic performance,mechanical propertie, present situation

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TM 273

A

2010-03-16

山西省科技攻关项目（2007032031）

王奇凡（1984-），男，太原科技大学材料科学与工程学院在读硕士研究生；研究方向：深冷处理对烧结NdFeB改性研究。Tel：13485362908，E-mail：wangqifanfrank@163.com

1672-1152（2010）02-0011-03