不同基材对晶界扩散效果的研究

＊杜伟 李滨 仉喜峰 耿亚南 张蒙 车一鸣 徐保翀

（安泰爱科科技有限公司 山东 255022）

稀土永磁材料是发展新兴产业、实施《中国制造2025》的关键功能性材料，被广泛应用于新能源、智能装备、轨道交通、电子信息等领域。目前，钕铁硼磁体在稀土永磁材料中占主要地位。钕铁硼永磁材料由于其突出的磁性能在现今社会的很多产业和高科技领域有着广泛应用，随着以混合动力汽车和风力发电为代表的新应用领域的不断拓展，对其磁性能、热稳定性和耐腐蚀性能等综合性能的要求也越来越高，提高钕铁硼永磁体的综合性能已成为其研究的一个重要方向。钕铁硼永磁材料的性能不仅与成分有关，而且还受到材料显微组织结构，尤其是晶界相显微结构的影响。通过晶界相调控和显微组织优化来改善材料性能一直受到研究者的广泛关注。晶界扩散工艺可通过强化晶粒表层的各向异性场或调控晶界来提高磁体的矫顽力和温度稳定性[3]。在一定的热处理条件下，重稀土元素择优分布在主相和晶界相的交界处[4]。晶界扩散就是通过晶界相的通道来实现的，因此，晶界扩散的效果受母材的影响较大，本研究就是针对不同配方母材的扩散效果进行的。

1.实验

(1)设备

①PVD高效自动镀膜线；②扩渗炉；③PFM-14脉冲磁场测试仪。

(2)实验描述

①选用表1中的不同配方的产品做母材，放于同一料盘同一位置，采用物理气相沉积（Physical Vapour Deposition，以下统一简称PVD）的方法进行镀膜生产，镀膜完成后装扩渗炉进行热处理，完成扩渗生产。

表1 不同配方母材清单

②扩渗完成后，加工成D8的样柱，用PFM-14脉冲磁场测试仪测试磁性能。

以下实验所涉及的配方用序号表示。

2.实验结果与讨论

(1)同规格重稀土含量相当的不同配方的母材的扩散效果

实验选用的是AK01和AK02两种配方的产品，加工成规格相同的两份产品，其配方成分中的Dy、Tb的含量相当，用相同的PVD工艺，同时装入一台扩渗炉进行热处理，出炉后加工成D8×5mm的样柱，具体扩散完成后的测试数据见表2。

表2 同规格不同配方产品的扩散数据

结论：从上表中数据来看，二者扩散后的性能基本一致，其中1号样品是单配方（AK01）产品，扩散后的剩磁（以下简称为Br）降低0.27kGs，内禀矫顽力（以下简称为Hcj）增加7.07-7.28kOe；2号样品是双合金（AK02）工艺生产的产品，扩散后Br降低了0.1-0.23kGs，Hcj增加了6.73-7.1kOe。单配方工艺的基体Hcj增长量高于双合金工艺生产的基体，因此单配方的母材比双合金工艺的母材更容易晶界扩散。

(2)重稀土含量不同的母材的扩散效果

实验选用的是重稀土含量不同的配方的产品（AK02、AK03、AK04），同样的规格、PVD工艺以及热处理，同时扩散后的性能见表3。

表3 重稀土含量不同的不同配方母材扩散数据

结论：从上表可以看出，2号样品（AK02）的母材扩散后Br降低0.1-0.23kGs，Hcj增加6.73-7.1kOe；3号样品（AK03）为重稀土含量高的配方，此配方扩散后Br降低0.14-0.26kGs，Hcj增加6.46-6.89kOe；4号样品（AK04）的配方为低重稀土含量的母材，扩散后Br降低0.27kGs，Hcj增加7.09-7.1kOe。4号样品扩散效果最好，2号样品次之，3号样品的扩散效果相对最差。

重稀土含量不同的产品，重稀土含量越高，其扩散的通道越窄，扩散的效果相对越差。

(3)相同规格、不同工艺的母材的扩散效果(重复实验)

实验选用3款相同规格（30mm×15mm×5mm）不同配方（AK05、AK06、AK07）的45H产品，同时进行PVD镀膜和热处理后，分别加工D8×5mm的样柱，用PFM-14脉冲磁场测试仪测试磁性能。测试数据见表4。

表4 相同规格不同配方工艺母材扩散数据

结论：6号样品（单配方，AK06）的母材扩散后Br降低0.22-0.23kGs，Hcj增加7.71-7.99kOe；7号样品（双合金，AK07）的母材扩散后Br降低0.2-0.27kGs，Hcj增加6.96-7.08kOe；5号样品（无重稀土，AK05）的母材，与其余产品相同工艺扩散后，Br降低0.22-0.24kGs，Hcj只增加了5.29-6.15kOe；因此，6号样品扩散效果最好，7号样品次之，5号样品扩散效果最差。

单配方的母材比双合金工艺的母材更容易晶界扩散。无重稀土配方因为其时效温度与常规产品有差异，晶粒粒径也有差异，因此其热处理工艺需要进行相应调整。

3.总结

不同配方的母材对扩散的效果有一定影响。晶界扩散实际是重稀土粒子在高温下，进入晶界相替代富钕相和镨钕（PrNd），形成更稳定清晰的晶界相。

（1）单配方与双合金工艺的母材，因为双合金工艺本身就加强过一次晶界相，因此在晶界扩散的过程中，晶界相的通道比单配方的通道窄，相对而言不容易扩散；

（2）不同重稀土含量的配方，原因同（1），重稀土含量高的母材，晶界相中的重稀土占比高，所对应的扩散的通道窄，因此重稀土含量越高，也相对不容易扩散；

（3）无重稀土配方生产的产品，因为缺少耐温性能较好的重稀土成分，为保证能生产出合格性能的坯料，晶粒一般会做的比较细；与常规工艺生产的粒径3μm以上的晶粒相比，无重稀土配方生产的产品晶粒能达到2μm至2.6μm；晶粒越细，其密度越大，硬度越高，晶界相的面积越大，无重稀土配方生产的产品，受其粒径较小的特性影响，渗透过程中，重稀土原子更难以覆盖整个晶界相，从而导致重稀土原子在晶界相中分布不均匀；因此无重稀土配方生产的产品渗透的难度远大于常规配方工艺生产的大粒径的产品。

针对以上情况，在进行晶界扩散生产的时候，需要根据基材的配方成分以及粒径方面考虑，结合晶界扩散的实际效果，对PVD镀膜工艺以及热处理的工艺进行针对性调整，来确保得到的产品性能可以达到预期，使晶界扩散的效果最大化，从而降低无用的损耗，提高靶材的利用率。