安防之家讯：摘 要： 研究了低Co含量的快淬Nd-Fe-B磁粉的制备工艺，主要是快淬速度和晶化温度对磁性能的影响。结果表明，快淬后磁粉的显微结构与快淬速度和晶化温度密切相关。合适的快淬速度和晶化温度可以获得较高磁性能磁粉。并且，低Co含量磁粉的性能价格比远远高于MQP-B磁粉。
关键词：快淬Nd-Fe-B磁粉；快淬速度；晶化温度；显微结构；磁性能；性能价格比
1 引言
近年来，由于粘结Nd-Fe-B具有成品磁体尺寸精确、允许制作任何复杂形状磁体、材料利用率高、磁性能一致性好、 热稳定性和耐蚀性好等特点，引起了人们极大的关注。快淬法制备磁粉工艺简单，具有连续化和自动化程度高等特点，因而成为研究的热点之一。
随着电子工业的不断发展，高性能、低成本、能满足各种应用条件的永磁材料将成为今后永磁材料的发展方向。众所周知，目前由于Magquench公司Nd-Fe-B磁粉的专利保护，使得磁粉的价格居高不下。但是该公司的磁粉专利保护即将到期，面对磁粉市场的激烈竞争，研制高性价比的磁粉势在必行。要降低磁粉的价格，降低磁粉中的Co含量是一个可行的方法。中国虽然是稀土资源的大国，但却是一个贫Co的国家。并且Co是战略物资之一，这使得Co的应用受到很大的限制。发展低Co含量的Nd-Fe-B快淬磁粉显然是符合中国的实际资源状况。
2 实验
2.1 实验用原材料
原材料选用99.95%的纯金属钕，工业硼铁(含硼为20%)，工业纯金属钴以及金属锆。另外采用Magquench公司的MQP-B磁粉。粘结剂选用E-20型环氧树脂，偶联剂选用KH-550。
2.2 实验方法
用SF2002-04真空感应熔炼炉熔炼母合金，冷却后得到钴含量为0.5～1.0wt%的Nd11(Fe,Co, Zr)83B6的合金铸锭。
铸锭破碎后放入快淬炉的坩埚中。铸锭经电弧熔化后，合金液通过坩埚嘴溢流出来，被高速旋转的辊轮边缘带走，合金液体以105～106℃/s的速度凝固，得到厚度约为30～50μm的合金薄带。辊轮转速的高低实际上就是冷却速度的标志，也是合金快淬速度的标志[1]。选用LZK-12A型快淬炉进行快淬，快淬速度选为28m/s、30 m/s以及32 m/s，得到不同淬速下的薄带。
将不同淬速的薄带用DG型动态真空晶化炉进行晶化。各种淬速都选用660℃、680℃和700℃三个温度进行晶化，保温一定时间后取出。将薄带粉碎后得到磁粉。
将制得的磁粉和待用的MQP-B粉，先用KH-550进行包覆，然后将磁粉与树脂按 40:1 的质量比加入E-20环氧树脂。在OLB-D型单柱式40t压机上选取8t的压力将其压制成?10×10mm的标准试样后，放入ZK-82B型真空烘箱中进行固化。
制得的磁体在国产AMT-3磁特性自动测量仪上测试剩磁Br、磁感矫顽力Hcb、内禀矫顽力Hcj和磁能积(BH)max。
3实验结果与讨论
3.1 快淬速度对微观结构的影响
图1为不同淬速下合金薄带的XRD谱。从图1可以看出，三种淬速的XRD衍射谱都明显有非晶态特征峰（非晶态组织的XRD衍射谱为峰宽比较大的山丘状峰），还存在其他的尖峰（晶态组织的XRD衍射谱为峰宽很小的尖锋）。晶态峰与非晶态峰相互重叠，表明快淬后的磁粉的组织基本上为非晶态，但是存在小部分晶态组织。同时比较三种淬速下的XRD谱发现，在淬速为32m/s时磁粉的非晶态特征峰最明显，表明此时显微结构非晶化的程度最高。而淬速为30m/s和28m/s时晶态相较多。
从磁性能的角度进行进一步分析。将不同淬速的淬态磁粉制成标准试样后进行磁性能测试，结果见表1。
表1也可以反映出快淬后磁粉的显微结构基本上呈非晶态，但还是具有少量的晶态结构。淬速为28m/s的磁粉具有一定的磁性能是因为此时磁粉中有少量的晶态相 (晶态相主要是Nd2Fe14B和a-Fe)。晶态相中Nd2Fe14B是磁性相，因而具有一定的磁性能；而淬速为32m/s的样品，显微组织比淬速较低时的非晶化程度更加完全。非晶态相是非磁性相，因而磁性能很低。非晶态磁粉矫顽力来源于非晶态合金的磁各向异性，稀土金属Nd具有很强的自旋-轨道耦合作用，非晶态合金中少量微晶粒的析出破坏了材料的均匀连续性，加强了磁性的不均匀性和磁各向异性，从而使非晶态呈现一定的矫顽力。晶态相的多少决定了矫顽力的大小。快淬速度越高，晶态相越少，因而矫顽力随快淬速度的增高而降低[7]。
3.2 快淬速度对磁性能的影响
将不同淬速的磁粉在660℃下进行晶化处理后制成标准试样，磁性能见表2。由表2可以看出快淬速度对磁性能有很大影响。当淬速比较低时，合金液就有相对足够的时间来冷却，得到的快淬薄带中就有部分晶态相存在，在随后的晶化过程中，晶态相会在原来的基础上长大，这使磁粉的晶粒比较粗大，硬磁相之间、硬磁相与软磁相之间的磁耦合作用减弱，磁性能降低。当淬速过高时，合金条带的显微结构呈完全的非晶状态，在随后的晶化过程中要经过成核和长大两个阶段，主相和a-Fe相析出和长大不均匀，也影响了硬磁相之间以及硬磁相与软磁相之间的磁耦合，造成磁性能下降，例如淬速为32 m/s的样品。只有当淬速达到一个临界值时，快淬后合金的显微结构是由微晶与非晶组成。在随后的热处理过程中，已有的很小尺寸的微晶Nd2Fe14B和a-Fe等相作为非晶向晶态转变时成核的核心，其晶化后获得的Nd2Fe14B相和a-Fe相等晶粒的尺寸细小且分布均匀，从而使得Nd2Fe14B相之间，Nd2Fe14B相和a-Fe相之间的磁耦合效应增强，磁粉具有较高的磁性能，如28m/s淬速时[2～4]。
3.3 晶化处理对快淬合金磁性能的影响
非晶态合金快淬后需进行晶化处理，目的是将淬态的非晶态组织转化成由硬磁相和软磁相组成的具有较高磁性能的显微结构。
图2为淬速28m/s、660℃晶化后磁粉的XRD谱。从图中可以看到晶化后的磁粉大部分都已经从非晶态转化成为晶态。在转变过程中由于形成了大量的晶界，钉扎了磁畴，提高了矫顽力；晶化后的相大部分是Nd2Fe14B硬磁相，再加上硬磁相之间、硬磁相与软磁相a-Fe相之间的交换耦合，使得磁粉的磁性能得到很大的提高。
晶化处理的温度不同，磁性能也有所不同。将所制得的磁粉分别在660℃、680℃和700℃进行晶化后制成磁体，磁性能如表3所示。从表中可以看出淬速为28m/s时，磁粉适宜的晶化温度是660℃。从图1(c)中可知28m/s的淬速下磁粉有一定数量的晶态相存在，晶化温度不宜选得太高，因为晶化温度太高，虽然Nd2Fe14B相和a-Fe相析出充分，但是晶化前存在的Nd2Fe14B相和a-Fe相也会充分长大，从而减弱相与相之间的交换耦合。而且晶粒尺寸过大，其中心部位易于反磁化，使得矫顽力降低[5]，引起磁能积下降。
淬速为30m/s时，磁粉适宜的晶化温度是680℃。从图1(b)中得知淬速为30m/s时有大量的非晶相存在，晶化过程中需要一定的温度和一定的时间来实现非晶相向晶态相转变。若晶化温度太低，Nd2Fe14B相和a-Fe相析出转变不充分，还会出现不均匀长大；另外，Nd2Fe14B相周围存在一定数量未转变的非晶相，减弱了Nd2Fe14B相之间以及Nd2Fe14B相和a-Fe相的交换耦合，使磁性能降低。晶化温度太高，如700℃，又将出现析出相的长大粗化，减弱交换耦合，容易形成反磁化核，引起矫顽力下降，降低了磁性能 [6～9]。
淬速为32m/s时，磁粉适宜的晶化温度是700℃。从图1(a)中得知淬速为32m/s时微观结构几乎全是非晶态，大量非晶态相向晶态相转变需要一定的晶化温度和晶化时间。温度太低，非晶态相转变不完全，交换耦合作用弱，磁性能比较低；当晶化温度达到700℃，硬磁相析出充分，在一定的时间内晶粒还来不及长大，比较细小均匀，因而磁性能较高。
3.4 磁粉的性能价格比
用MQP-B粉制得的标准试样与本实验中对应最佳淬速(28m/s)和最佳晶化温度(660℃)的磁粉制得的标准试样测试性能后比较其性价比。结果见表4。由该表可知，MQP-B磁粉虽然磁性能占优，但其性价比远远低于本实验所制得的磁粉。本实验中磁粉的价格仅仅为MQP-B磁粉价格的1/3；做成粘结磁体后，价格也仅在260￥/kg左右，所以这种磁粉在市场上具有很强的竞争力。
4 结论
（1）磁粉最佳快淬速度应该是使磁粉的显微结构为尺寸细小的微晶与非晶的复合体。过淬和欠淬都能引起磁性能的下降。就本实验中所选择的淬速而言，合适的淬速是28m/s。
（2）晶化温度要根据快淬后磁粉的显微结构来确定。本实验最合适的晶化温度是660℃。
（3）本实验中磁粉磁性能可达到75.46kJ/m3 (9.43MGOe)，MQP-B粉可以达到86.16kJ/m3 (10.77 MGOe)。但是前者的性能价格比远高于后者。
参考文献：
[1] 周寿增. 稀土永磁材料及其应用[M], 北京: 冶金工业出版社, 1995.1.
[2] 祝景汉. 金属功能材料, 1995, (4-5): 195-199.
[3] 金瑞湘. 电工合金, 1995, (2): 1-5.
[4] 周寿增, 张茂才. 磁性材料及器件, 1997, 28(1): 43-45.
[5] Xiao Q F,et al. J Magn Magn Mater, 2001, 223: 215.
[6] 周寿增, 等.超强永磁体--稀土铁系永磁材料. 北京: 冶金工业出版社, 1999, 3.
[7] 杨仕清, 等. 稀土, 1999, (20): 36.
[8] 刘颖, 等. 中国稀土学报, 2000, (18): 112.
[9] 刘颖. 塑料粘结NdFeB永磁复合材料的组分、结构与性能[D], 博士学位论文, 四川大学, 1999.
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