基于Taguchi方法的晶界扩散Al改性HDDR Nd- Fe- B磁粉研究

朱明原 孔 拓 吕 蒙 李文献 金红明 李 瑛

(1.上海大学材料科学与工程学院,上海 200444; 2.上海大学可持续能源研究院，上海 200072)

Nd- Fe- B永磁材料具有优异的磁性能和较高的性价比，在电机、风力发电、医疗器械、交通等领域应用广泛[1]。采用氢化- 歧化- 脱氢- 再结合(hydrogenation- disproportionation-desorption- recombination, HDDR)工艺生产的高性能各向异性Nd- Fe- B磁粉的晶粒细小(0.3 μm)，接近单个磁畴尺寸[2]，是制造各向异性粘结Nd- Fe- B磁体的理想材料。

Nd- Fe- B永磁材料的主要性能指标包括矫顽力(Hci)、剩磁(Br)和最大磁能积(BHmax)。由于Nd- Fe- B的矫顽力温度系数为负值，热稳定性不高，阻碍了HDDR Nd- Fe- B磁粉在高温及变温环境中的应用。因而，提高Nd- Fe- B的矫顽力一直是研究的热点。起初是在Nd- Fe- B合金熔炼过程中添加价格昂贵的重稀土元素镝，形成高磁晶各向异性场(HA)的重稀土化合物(Dy,Nd)2Fe14B，以提高Nd- Fe- B的矫顽力及热稳定性。随后研究发现，矫顽力是结构敏感的磁参数，可通过优化晶界相来提高矫顽力，即通过重稀土元素(heavy rare earth, HRE)的晶界扩散，置换Nd2Fe14B晶粒表面部分Nd形成高HA的壳层结构[3]，在显著降低镝使用量的情况下，实现Nd- Fe- B矫顽力的提高。为了进一步减少高矫顽力Nd- Fe- B对重稀土的依赖，研究者们开始探索非重稀土晶界扩散改性Nd- Fe- B永磁材料。目前，改善Nd- Fe- B矫顽力的非重稀土晶界扩散源大致可分为3种。第1种是轻稀土- 过渡元素合金，例如Nd- Cu[4]和Pr- Cu合金[5]。富含Nd的晶界在扩散后变得连续且平滑，降低了Nd2Fe14B晶粒之间的耦合[6]。第2种是高熔点或高硬度化合物，它们充当钉扎位点以抑制磁畴壁的移动，例如WC[7]和MgO[8]。第3种是低熔点金属，例如Ga[9]和Zn[10]，可以改善晶界相的润湿性从而提高矫顽力。

Al的熔点相对较低，其扩散后会改善晶界相的性质、优化磁体的显微结构，从而提高磁性能。因此，本文选择廉价的低熔点金属Al粉为扩散源，探究Al晶界扩散对HDDR Nd- Fe- B粉末磁性能的影响。HDDR Nd- Fe- B粉末的磁性能对扩散条件非常敏感，很多因素会影响扩散过程，通过常规的试验方法寻找最优的扩散条件耗时费力。20世纪60年代，Taguchi根据正交试验提出了一种科学的试验设计方法，即Taguchi方法[11]。该方法倡导利用较少的试验数量，寻找最佳影响参数[12- 14]，特别是对于条件敏感的复杂试验，还可通过计算分析获得各因素对试验结果的影响程度。因此，本文使用Taguchi法研究了晶界扩散参数(扩散温度、扩散时间、Al添加量和研磨时间)对HDDR Nd- Fe- B磁粉磁性能的影响，在显著减少试验次数的前提下获得了最佳的扩散条件和各参数对磁性能的影响程度，为晶界扩散的高效研究提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试样的制备

在高纯氩气气氛的SUPER型手套箱内，使用玛瑙研钵将各向异性HDDR Nd- Fe- B粉末(大连凯翔有限公司)和Al粉末(湖南金马有限公司)研磨混合，然后将混合粉料在20 MPa的压力下压制10 min，获得生坯，再将坯料放入真空炉中进行扩散处理。用Lake Shore 7407振动样品磁强计测量磁粉的磁性能。

1.2 Taguchi试验设计

根据前期试验经验，选择扩散温度、扩散时间、Al添加量和研磨时间为HDDR Nd- Fe- B粉末的晶界扩散参数。Al粉晶界扩散HDDR Nd- Fe- B试样的制备条件，即试验因素及水平列于表1。根据情况选用了4个因素(包括1个误差项(e))4个水平的L16(45)正交表，得到共16组试验方案。考虑到Al的熔点(660 ℃)和富Nd相的熔化温度(约650 ℃)，将扩散温度定为550～700 ℃，间隔50 ℃。其他因素水平值参考文献[15]。

表1 试验因素和水平Table 1 Factors and levels used in the experiment

2 结果与讨论

对于4因素4水平试验，全部试验次数至少为256(44)次。Taguchi方法通过L16(45)正交排列将试验次数简化为16次，根据该法设计的具体因素及水平排列见表2中第2～5列，并以此条件制备试样，将获得的磁粉的矫顽力(Hci)、剩磁(Br)和最大磁能积(BHmax)的结果列于表2中后3列。

表2 Taguchi试验正交矩阵和磁性能Table 2 Taguchi experiment array and magnetic properties

2.1 各因素对磁性能的影响程度

ANOVA)方法考察影响磁性能的主要因素。下文将通过ANOVA计算各因素对磁性能的影响程度。根据Taguchi方法，总平方和(ST)可以通过式(1)得出[16]：

(1)

(2)

式中：SF表示因素F的总的平方和;F为因素A、B、C和D；i为水平数，取1、2、3和4;Fi为因素F在i水平的磁性能响应值的和；Se为误差项的总的平方和。并且，

ST=SA+SB+SC+SD+Se

(3)

因素F对磁性能的影响程度PF可根据式(4)得出：

PF=SF/ST

(4)

ANOVA计算的各因素对磁性能的影响程度见表3。各因素对矫顽力的影响的大小顺序为A>C>D>B，扩散温度的影响占比接近90%，说明扩散温度是影响晶界扩散HDDR Nd- Fe- B磁粉矫顽力的主要因素。而Al添加量是影响剩磁的主要因素，影响占比55.7%。扩散温度是影响最大磁能积的主要因素，影响占比43.0%，其次分别是研磨时间(24.9%)和Al添加量(24.5%)。

表3 各因素对磁性能的影响占比(P)的方差分析结果Table 3 ANOVA results for the contribution percentage (P) of each factor to magnetic properties

2.2 Al晶界扩散优化HDDR Nd- Fe- B磁性能的最佳条件

根据试验结果，计算了各因素不同水平下磁性能的平均值，并绘制了磁性能随各因素的变化趋势(图1)，以便于直接观察并寻找最优扩散条件。所有曲线均呈现先增大后减小的趋势，对于永磁体，期望其磁性能具有大响应值，即越大越好。除矫顽力外，还考虑了剩磁和最大能量乘积，并在图1中圈出了最佳扩散条件。

图1 磁性能随各因素的变化趋势Fig.1 Change tendency of magnetic properties with each factor

从图1可以看出，矫顽力和最大磁能积随扩散温度的变化而剧烈波动。因此，扩散温度对磁性能的影响程度远大于其他因素，这与2.1节的计算结果一致。磁性能随扩散时间的变化相对稳定，这可能是因为扩散时间在最佳范围内。较短的扩散时间会导致扩散不充分，而较长的扩散时间会导致晶粒长大，这都对磁性能产生不利影响。Al添加量对剩磁的影响明显。少量的Al可以充当润滑剂，从而改善粉末颗粒的取向，但过量的Al会导致剩磁降低。低熔点Al能提高晶界相的润湿性，平滑的界面结构可能降低退磁能并抑制相邻基体晶粒之间的交换耦合，从而提高矫顽力。研磨时间主要影响颗粒粒径，研磨不足会导致混合不均匀，过度研磨会导致颗粒氧化。

根据图1得出晶界扩散的最佳条件，即扩散温度为600 ℃，扩散时间为1 h，Al添加量为3%，研磨时间为15 min。根据最佳条件，在手套箱内配制Al添加量为3%的HDDR Nd- Fe- B磁粉，将其混合研磨15 min后压坯，生坯在600 ℃真空炉中扩散1 h，采用振动样品磁强计对磁粉试样进行磁性能表征。图2是最佳条件下制备的磁粉和初始磁粉的退磁曲线。初始磁粉的矫顽力、剩磁和最大磁能积分别为7.9 kOe、13.0 kG和21.0 MGOe。最佳扩散条件下制备的磁粉的矫顽力、剩磁和最大磁能积分别为9.9 kOe、13.9 kG和29.2 MGOe。经过优选的晶界扩散处理，磁粉矫顽力提高了25%。Al晶界扩散明显提高了HDDR Nd- Fe- B磁粉的矫顽力，表明Al是提高Nd- Fe- B矫顽力的廉价扩散源，对高矫顽力HDDR Nd- Fe- B磁粉的去镝化研究意义深远。最佳扩散条件下制备的磁粉磁性能比表2所有条件下制备的磁体磁性能都高，尤其是矫顽力，比表2中最大矫顽力(8.6 kOe)提高了15%。

图2 初始磁粉和最佳扩散条件下制备的磁粉的退磁曲线Fig.2 Demagnetization curves of initial magnetic powder and magnetic powders prepared under the optimal diffusion conditions

3 结论

采用Taguchi科学试验设计方法研究了Al晶界扩散优化各向异性HDDR Nd- Fe- B粉末的磁性能，将256(44)个试验简化为16个试验，获得了最佳晶界扩散条件，即扩散温度为600 ℃，扩散时间为1 h，Al添加量为3 %，研磨时间为15 min。在此条件下制备的Al晶界扩散HDDR Nd- Fe- B磁粉的磁性能最佳，矫顽力提高了25%。通过计算分析获得了各因素对磁性能的影响程度，扩散温度是影响矫顽力的最重要因素。Taguchi方法与试验相结合可以减少试验次数，为控制扩散条件指明方向，使晶界扩散研究更加高效。Al是提高HDDR Nd- Fe- B磁粉矫顽力的廉价扩散源，对HDDR Nd- Fe- B磁粉的去镝化研究及工业应用具有重要意义。