高性能烧结ndfeb成分设计及工艺的研究

河北工业大学硕士学位论文高性能烧结NdFeB成分设计及工艺的研究姓名：张巧格申请学位级别：硕士专业：材料工程指导教师：王宝奇;田藏韬20070501河北工业大学工程硕士学位论文i高性能烧结NdFeB成分设计及工艺的研究摘要钕铁硼永磁体是目前硬磁性能最高、应用最广、发展最快的新一代永磁材料,在现代科学技术各领域,如计算机、信息、通讯、航空航天、交通运输(汽车)、办公自动化、家电技术与人体医疗和保健等方面获得广泛的应用.虽然国际先进水平的工业生产的钕铁硼磁体的磁能积已可以达到414kJ/m3(52MGOe)，但是国内的多数钕铁硼生产企业,由于生产设备陈旧,工艺技术落后,致使产品性能低,且性能的一致性和稳定性差,一直不能进入钕铁硼磁体的主流应用领域.基于这种现状,本文结合河冶科技的实际生产装备条件生产高附加值产品的市场需要，选择《高性能烧结NdFeB成分设计及工艺研究》课题开展研究.本文首先根据高磁能积烧结钕铁硼磁体成分设计理论，计算了试验材料的制备成分，并结合实际冶炼的烧损等因素，制定了实际材料的设计成分。根据高磁能积永磁材料的显微组织因素，选择了薄板铸锭＋HD＋气流磨制备粉体的烧结粉体制备工艺，对粉体的几何尺寸特征进行了测定并与传统机械制备法进行了比较。表明HD工艺制备的粉体具有几何颗粒尺寸细小均匀（4um），单晶颗粒比例高的特征。对两种工艺制备的粉体进行不同温度烧结的试验表明，与传统工艺相比，HD+气流磨工艺烧结的磁体的剩磁、内禀矫顽力、最大磁能积均高于传统工艺，且烧结温度较低。通过不同比例添加润滑剂的试验，即对不同润滑剂添加量的粉料进行了磁体烧结和磁性能测定，得到了最佳的润滑剂添加量（0.05％）。磁性能提高主要归结于磁场成型过程中获得了高的取向度，同时减小了烧结过程中的氧化。通过Dy、Nb单独添加以及复合添加对磁性能影响的研究，得出了制备N45磁体最佳的Dy、Nb添加量。结果表明，Dy的添加量不高于1％，同时添加不到1％的Nb，可使磁体矫顽力提高的基础上，由于复合添加Nb，弥补由于添加Dy造成的剩磁下降，从而使综合磁性能达到较高的水平。本工作结合河冶科技现有的生产设备,通过调整工艺参数,优化成分配方,添加微量元素等手段,使磁体的硬磁性能得以大幅度提高,工业化批量生产的烧结钕铁硼磁体磁性能稳定地达到了N45所要求的性能指标。关键词：稀土铁系永磁材料，钕铁硼，HD+气流磨，润滑剂，微量元素高性能烧结NdFeB成分设计及工艺的研究iiSTUDYONTHEDESIGNOFCOMPOSITIONANDPREPARATIONOFHIGHPERFORMANCESINTEREDNdFeBMAGNETABSTRACTAsthenewgenerationofperformanentmagneticmaterialswithhighestmagneticproperties,NdFeBpermanentmagnethasbeenappliedinmanykindsfieldsinmordenscienceandtechnology,suchascomputer,communications,aerospace,transportviechdesandofficeautomationetc.AlthoughenergyproductoftheNdFeBmagnetshasachievedashighas414kJ/m3(52MGOe)fortheworldleadinglevelproducedinindustrialscaleinpresent.Therestillexistssomebackwardinmagneticpropertiescomsistencyandstabililyforthemajorityproductofdomesticentderpriseduetooutdatedproductionequipmentandprocess,Thesereasonscausethepoormarketingintosomefieldsofhighperformancerequirement.BasedonthissituationandHEYESPECIALSTEEL.CO.,LTD.,ThedesignofcompositionandprocessforhighperformanceofNdFeBmgnetshasbeenstudiedinthiswork,Accordingtothetheoryofcompositiondesignforhighmagneticenergyproductandtheactuallossesofsomealloyelementsinmagnet-making,thecompositionoftestmaterialshasbeencalculated.Consideringthemicrostructuretogetthehighpermanentmagneticproperties,Thesheetingot+HD+JetMillprocessforsinteringpowderhasbeenchosen.Thegeometriccharacteristicsandsizedistributionhavebeenanalysedandcomparedwiththatoftraditionalmechanicalpreparation.ItisshowthatthatthepowderprocessedbyHD+JetMillhasbeencharacterisedbysmallsize,highuniformitydistributionroundingeometricallyandhighproportionofsingle-crystalpowder.Theexperimentsofsinteringfortwokindsofpowderunderdifferenttemperatureshasshownthatnotexceeding1%forDycontentand1%forNbcontent.TheadditionofNbenhancethecoercivityofmagnets,butleadtothedecreaseoftheremanane.ThisproblemcanbesolvedbyDyadditionsothatthegoodmagneticpropertiescanbeachieved.Throughthiswork,theprocessparameterandcompositionhasbeenoptimizedonthisbasis,theexpectedmircrostructureofsinteringmagnetcancharacterised.Atpresent,TheindustrialproductionofN45magnetsinHEYESPECIALSTEEL.CO.,LTD.stable.KEYWORDS:rareearthpermanentmagnetmaterial,Nd-Fe-B,HD+JetMill,lubricanttraceelements河北工业大学工程硕士学位论文1第一章绪论§1-1永磁材料简介1-1-1永磁材料的种类可用于制造磁功能器件的强磁性材料称为磁性材料，它包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、磁致冷材料以及磁蓄冷材料等。它们统称为磁功能材料，其中用量昀大和用途昀广的是硬磁材料和软磁材料。硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材料的各向异性场（HA）高，矫顽力（Hcj）高，磁滞回线面积大，磁化到技术饱和需要的磁化场大。因此硬磁材料又称为永磁材料或恒磁材料。现代工业与科学技术广泛应用的永磁材料有铸造永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其他永磁材料等四大类。铸造AlNiCo永磁材料的居里温度Tc高，温度稳定性好，磁感温度系数低，但它含有较多的战略金属钴和镍。在20世纪60年代稀土永磁出现之前，它的产量曾高达23000t。到1995年铸造永磁材料全球产量已降低到约8000t，今后还有逐年降低的趋势；铁氧体永磁材料的主要特点是原材料资源丰富，价格低，虽然磁性能不高，但仍然在汽车工业、音响、通讯、家用电器、办公室自动化设备中得到广泛的应用，其产量将持续增长，平均年增长率约10%。Sm-Co系永磁材料居里点高，温度稳定性好，但含有较高金属Co和Sm（衫）。Sm在稀土矿中含量较少，且价格高，因此Sm-Co系永磁的应用受到限制，自1994年以来其产量逐年降低；稀土铁系永磁材料，如NdFeB系永磁（包括烧结和粘结永磁）材料磁性能高，不含战略金属钴和镍，相对价格较低，因而得到广泛应用，平均年增长率高达20%～30%。1-1-2永磁材料的发展从永磁材料的发展历史来看，十九世纪末使用的碳钢，磁能积（BH）max(衡量永磁体储存磁能密度的物理量)不足7.96KJ/m3，而目前国外批量生产的Nd-Fe-B永磁材料，磁能积已达400KJ/m3以上，永磁材料的磁能积得到了数量级的提高。在这一发展过程中，材料的剩磁Br提高甚小，磁能积的显著提高，归功于矫顽力Hcj的提高。而矫顽力的提高，主要得益于高磁晶各向异性化合物的发现以及制备技术的进步。二十世纪初，人们主要使用碳钢、钨钢、铬钢和钴钢作永磁材料。二十世纪三十年代末，AlNiCo永磁材料开发成功，才使永磁材料的大规模应用成为可能。五十年代，钡铁氧体的出现，既降低了永磁体成本，又将永磁材料的应用范围拓宽到高频领域。到六十年代，稀土钴永磁的出现，则为永磁体的应用开辟了一个新时代。1967年，美国Dayton大学的Strnat等，用粉末粘结法成功地制成SmCo5永磁体，标志着稀土永磁时代的到来。迄今为止，稀土永磁已经历了第一代SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，发展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。此外，在历史上被用作永磁材料的还有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、A1MnC合金等。这些合金由于性能不高、成本不低，在大多数场合已很少采用。而AlNiCo、FeCrCo、PtCo等合金在一些特殊场合还得到应用。目前Ba、Sr铁氧体仍然是用量昀大的永磁材料，但其许多应用正在逐渐被NdFeB系永磁材料取代。并且，当前稀土类永磁材料的产值已大大超过铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的生产已发展成一大产业。稀土永磁材料是当代新发展起来的、磁能积昀高的一类永磁材料，是主要含稀土族和铁族元素的金属间化合物。由于这类永磁材料综合了一些稀土元素的高磁晶各向异性和铁族元素高居里温度的优点，因而能获得当前昀大磁能积和昀高的永磁性能。1-1-3永磁材料的功能特性永磁材料放在外磁场中磁化时，外磁场对永磁体做的功，称为磁化功。对于闭路永磁体来说，磁化功以磁能（BH）的形式贮存于永磁材料内部。对于开路永磁体来说，磁化功一部分贮存于永磁材料内部，另一部分以磁场的形式贮存于两磁极附近的空间。永磁体在气隙中贮存的磁场能与永磁体的磁能积成高性能烧结NdFeB成分设计及工艺的研究2正比。永磁体是一个贮能器。利用永磁体磁极的相互作用和气隙的磁场可以实现机械能或声能和电磁能的相互转换，可做成多种多样的功能器件。例如，利用磁场与运动导线的相互作用，制造发电机、话筒、传感器，将机械能或声能转变为电能或电信号，利用磁场与载流导线的相互作用制造各种永磁电机诸如音圈电机（VCM）、步进电机以及扬声器、耳机等，将电能或电信息转变为机械能、声能或非电信息等；利用磁极间的相互作用力可实现磁传动、磁悬浮、磁起重、磁分离等；利用磁场与荷电粒子的相互作用做成各种微波功率器件，如微波通讯中的行波管、返波管、环行器等；利用磁场对物质作用产生的各种物理效应，如磁共振效应、磁化学效应、磁生物效应、磁光效应、磁霍耳效应等，制造核磁共振成像仪以及使宏观物质（包括固态、液态和气态）磁化以改变物质内部结构或它们