D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2004.03.014 第26卷第3期 北京科技大学学报 Vol.26 No.3 2004年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2004 Nd-Fe-B磁体热等静压烧结的实验研究 李青华包小倩高学绪张茂才周寿增 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要研究了热等静压烧结对N-Fc-B磁体的致密度、显微组织及磁性能的影响，结果表 明：与常压烧结磁体相比，热等静压烧结磁体的内部存在较多的孔洞，致密度、晶粒取向度及 磁性都有所降低，用加热A气热膨胀而产生热等静压进行烧结的办法不适于制造高性能的 烧结磁体 关键词Nd-FeB永磁体；热等静压烧结；磁性能 分类号TG1322 被誉为“磁王”的烧结Nd-Fe-B永磁材料，由 到一系列不同致密度的预烧结体.然后将这些预 于其具有较高的剩磁B,矫顽力H。和最大的磁能 烧结体分别进行高温热等静压烧结和常压烧结， 积(B)等优异的磁性能而获得日益广泛的应 烧结温度为1080℃，烧结时间为3h.高温热等静 用.目前，尽管国际上烧结Nd-Fe-B永磁体的 压烧结在美国制造的QⅡH6热等静压设备中进 (B0实验室水平已达451kJ/m3,生产上也已超 行，通过加热使Ar气热膨胀而产生热等静压的 过400kJm-.然而国内大多数厂家制造的烧 办法进行高温烧结，最大压力为200MPa.常压烧 结Nd-Fe-B永磁体仍属中低档产品.这通常是由 结在箱式烧结炉中进行，真空度为103Pa.随后 于烧结温度过高造成晶粒异常长大，严重恶化磁 对所有试样在920℃进行2h的一级回火，在 体的方形度，影响磁体磁性能的提高.鉴于高温 600℃进行3h的二级回火处理. 热等静压烧结通常对加速合金致密化及控制晶 预烧结体、高温热等静压烧结和常压烧结磁 粒长大有突出作用，本文从高温热等静压烧结 体均用排水法测量密度，在垂直于圆柱轴线的截 对Nd-F©-B磁体的致密度、取向度、显微组织及 面用X射线衍射仪分析取向度，用扫描电镜背散 磁性能的影响的角度，进行实验研究，探索通过 射电子像观察磁体的显微组织，最后测磁性能 低温烧结来增加磁体的密度，细化晶粒，提高磁 体磁性能的可能性， 2 实验结果与分析 1实验方法 2.1对磁体致密度的影响 图1(a)为在1100℃预烧结的磁体的密度随 用工业纯的Fe,Nd,Dy,Al和B-Fe为原料，按 预烧结时间的变化.可以看到：当预烧结时间从 Ndzs4 DyoFe6s6AlB进行配比，在真空感应炉中 1h增加到1.5h时，预烧结体的密度急速增加，当 熔炼均匀后，浇注到水冷铜模中，得到10-15mm 预烧结时间从1.5增加到4h的过程中，预烧结体 厚的饼状铸锭，经过粗破、中破和气流磨后，得到 的密度仍在缓慢增加.图1(b)和1(c)分别为对应 4.5μm左右的粉末颗粒.在2T的取向磁场下压 的预烧结体在1080℃下高温热等静压烧结及常 成尺寸为中13mm×35mm的圆柱形毛坯，取向方 压烧结3h后磁体的密度曲线.不难看出，与预烧 向沿着圆柱轴线方向.为了系统研究热等静压烧 结体相比，相应的常压烧结磁体的密度均有进一 结的影响，将毛坯在1100℃预烧结14h,以便得 步提高，分别由7.013,7.370,7.385,7.424增加到 收稿日期200307-07李青华女，26岁，硕士 7.035,7.464,7.439,7.460gcm,增加了0.3% *国家“973”项目资助课题QN0.G200067201-3) 17%.然而值得注意的是，相应的高温热等静压
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 磁体热等静压烧结 的实验研究 李青华 包小 倩 高学绪 张茂才 周 寿增 北京科技大学新金属 材料 国家重 点实验 室 ， 北京 摘 要 研 究 了热等静压烧 结对 一 一 磁体 的致密度 、 显 微组 织及磁 性 能 的影 响 结果 表 明 与常压烧 结磁体相 比 ， 热等静压烧 结磁体 的 内部 存在较 多的孔 洞 ， 致密 度 、 晶粒取 向度 及 磁 性 都有 所 降低 用 加热 气 热 膨胀 而 产 生 热等静压 进行烧结 的办法 不适于 制造 高性 能 的 烧 结磁体 关键词 一 一 永磁 体 热 等静压烧结 磁 性 能 分 类号 犯 被誉为 “ 磁 王 ” 的烧 结 永磁 材 料 ， 由 于 其具有较 高 的剩 磁 ， 矫顽 力 和 最 大 的磁 能 积 伍功 等 优 异 的磁 性 能 而 获 得 日益 广 泛 的应 用 目前 ， 尽 管 国际上烧 结 一 永磁 体 的 伍刀 实验 室 水 平 己 达 ， 生产 上 也 已 超 过 〔回 然 而 国 内大 多数 厂 家 制 造 的烧 结 永磁 体仍 属 中低 档 产 品 这 通 常 是 由 于烧 结温度过 高造 成 晶粒异 常长 大 ， 严 重恶 化 磁 体 的方 形度 ， 影 响磁 体磁 性 能 的提 高 ‘ 鉴 于 高温 热 等 静压 烧 结通 常对 加速 合 金 致 密 化 及 控 制 晶 粒 长 大 有 突 出作用‘圳 ， 本 文 从 高温 热 等静 压 烧 结 对 小 一 磁 体 的致 密 度 、 取 向度 、 显 微 组 织 及 磁 性 能 的影 响 的角度 ， 进 行 实验研 究 ， 探 索通 过 低 温 烧 结 来 增 加 磁 体 的密 度 ， 细 化 晶粒 ， 提 高磁 体 磁 性 能 的可 能性 到 一 系列不 同致密度 的预烧 结体 然 后 将这 些 预 烧 结体 分 别进行 高温 热 等静压烧 结和 常压烧 结 ， 烧 结温 度 为 ℃ ， 烧 结 时 间为 高温 热 等静 压 烧 结在 美 国制造 的 热等 静压 设 备 中进 行 ， 通 过 加 热 使 气 热 膨 胀 而 产 生热 等静压 的 办法进行 高温烧 结 ， 最 大 压 力 为 常压烧 结在 箱式烧 结炉 中进 行 ， 真 空度 为 一， 随后 对 所 有 试 样 在 ℃ 进 行 的 一 级 回 火 ， 在 ℃ 进 行 的二 级 回火 处 理 预 烧 结体 、 高温 热 等静压 烧 结和 常 压烧 结磁 体均用 排 水 法测 量 密度 ， 在 垂直 于 圆柱轴线 的截 面用 射 线衍 射 仪 分 析 取 向度 ， 用 扫 描 电镜 背散 射 电子像观 察磁 体 的显 微 组 织 ， 最 后 测 磁 性 能 实验 方 法 用 工 业 纯 的 ， ， ， 和 一 为 原料 ， 按 氏 ‘ ，冰 刀 进 行配 比 ， 在 真 空感 应 炉 中 熔 炼 均匀 后 ， 浇 注 到 水 冷铜 模 中 ， 得 到 一 巧 厚 的饼状铸锭 经 过 粗 破 、 中破和 气 流磨 后 ， 得 到 娜 左 右 的粉 末 颗 粒 在 的取 向磁 场 下 压 成 尺 寸 为拟 的 圆柱 形 毛 坯 ， 取 向方 向沿着 圆柱 轴 线 方 向 为 了系统研 究热 等静压烧 结 的影 响 ， 将 毛 坯 在 ℃ 预 烧 结 一 ， 以便 得 收稿 日期 刁 刁 李 青华 女 ， 岁 ， 硕 士 国家 “ ，， 项 目资助 课题 巧 一 实验 结 果 与分 析 对 磁 体 致 密度 的影 响 图 为在 ℃ 预 烧 结 的磁 体 的密 度 随 预烧 结 时 间 的变 化 可 以看 到 当预烧 结 时 间从 增加 到 时 ， 预烧 结体 的密度 急速 增加 ， 当 预 烧 结 时 间从 增 加 到 的过程 中 ， 预 烧 结 体 的密 度 仍 在 缓 慢 增 加 图 和 灼分 别 为对 应 的预烧 结体 在 ℃ 下 高温 热 等 静压 烧 结及 常 压 烧 结 后磁 体 的密度 曲线 不难 看 出 ， 与预烧 结体相 比 ， 相 应 的常压烧 结磁 体 的密度 均有进 一 步提 高 ， 分 别 由 ， ， ， 增 加 到 ， ， ， ，， 增 加 了 一 然 而 值 得注 意 的是 ， 相应 的高温 热 等静压 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．03．014
Vol.26 No.3 李青华等：Nd-Fe-B磁体热等静压烧结的实验研究 ·283· 烧结磁体的密度却均比相应的预烧结体的密度 23对磁体显微组织的影响 还低，分别由7.013,7.370,7.385,7.424降低到 图3给出了在1080℃下高温热等静压烧结 6.532,7.003,6.999,7.017g/cm,下降了5%10%， 和常压烧结磁体的背散射电子像.从图中可以看 并且磁体较为疏松，表面存在明显的裂纹，部分 出，高温热等静压烧结磁体和常压烧结磁体的晶 样品破裂.这是由于在200MPa的高压烧结过程 粒尺寸差不多，均为15~20m,并且常压烧结的 中，部分富Nd液相被压出磁体，在内部形成孔 磁体中富Nd相分布较均匀，孔洞稀少，而高温热 洞，磁体不能收缩，密度下降.另外，磁体内部的 等静压烧结的磁体中存在大量尺寸较大的孔洞， 孔隙成为断裂源，导致磁体产生明显的裂纹， 能谱分析表明它是富Fe的.预烧结体在200MPa 7.6 (b) 的高温热等静压下烧结时，由于高压的A虹渗入 7.4 样品内部，引起部分富Nd液相外流，残留较多的 (a) 72 孔洞，而孔洞底部就是2：14：1相，因此它是富 Fe的. 7.0 6.8 6.6 6.4 1.01.52.02.53.03.54.0 t/h 图1烧结Nd-Fe-B磁体的密度变化曲线.(a)预烧结体； ()常压烧结磁体；（©）高温热等静压烧结磁体 Fig.1 Density curves of Nd-Fe-B magnets:(a)pre-sin- tered samples;(b)conventionally sintered magnets;(c) HIP sintered magnets 2.2对磁体的取向度的影响 图2给出了预烧结体(1100℃，2h)在1080℃ 下高温热等静压烧结和常压烧结3后的烧结磁 体的XRD谱.通常可用(006)和(105)晶面衍射峰 强度之比(A=6儿)来定性评价各向异性烧结 Nd-FeB磁体的取向度.由图2不难看出，高温热 图3烧结Nd-Fe-B磁体的SEM背散射电子像.(a)高 等静压烧结磁体的取向度明显低于常压烧结的 温热等静压烧结磁体；(b)常压烧结磁体 取向度，分析表明，高压条件促进了已取向好的 Fig.3 Back-scattered electron images of Nd-Fe-B mag- 主相Nd.FenB晶粒的转动和位移，因此使磁体的 nets:(a)HIP sintering;(b)conventional sintering 取向度降低， 2.4对磁体磁性能的影响 表1为不同密度的预烧结体在1080℃下分 别进行3h的高温热等静压烧结和常压烧结后的 磁体磁性能.需要说明的是，由于高温热等静压 (a) 烧结样品表面较疏松，存在裂纹，故测得的磁性 能数据有一定的偏差. 从表中的数据可以看出，同一预烧结条 (b) 件下，高温热等静压烧结磁体的剩磁B,和磁能积 (B)均低于常压烧结磁体.根据铁磁学的理 20304050607080 90 论，多晶取向复相永磁材料的剩磁由下式决定四： 28/() B.=A(1-B)d/d coseJs (1) 图2烧结Nd-FeB磁体的XRD谱.(a)高温热等静压磁； ()常压烧结磁体 式中，A为正相畴体积分数，B为非磁性相的体积 Fig.2 X-ray diffraction patterns of Nd-Fe-B magnets:(a) 分数，(1-)为Nd,FeB主相的体积分数，d为磁体 HIP sintering;(b)conventional sintering 的实际密度，d。为磁体的理论密度，cos0为
李青 华等 一 一 磁体 热 等静压 烧结 的 实验 研究 烧 结磁 体 的密 度 却 均 比 相 应 的预 烧 结 体 的密 度 还 低 ， 分 别 由 ， ， ， 降低 到 ， ， ， ，， 下 降 了 一 ， 并 且 磁 体 较 为疏 松 ， 表 面存 在 明显 的裂 纹 ， 部 分 样 品破 裂 这 是 由于 在 的高压烧 结 过 程 中 ， 部 分 富 液 相 被 压 出磁 体 ， 在 内部 形 成 孔 洞 ， 磁 体 不 能 收缩 ， 密 度 下 降 另 外 ， 磁 体 内部 的 孔 隙成 为 断裂源 ， 导致 磁 体产 生 明显 的裂 纹 弓 二二 二二二二 开里 气 卜 一” 一 ’ 对 磁 体 显 微 组 织 的影 响 图 给 出 了在 ℃ 下 高温 热 等 静 压 烧 结 和 常压 烧 结磁 体 的背 散射 电子像 从 图 中可 以看 出 ， 高温 热 等静压 烧 结磁 体和 常压烧 结磁 体 的 晶 粒 尺 寸 差 不 多 ， 均 为 一 林 ， 并 且 常压 烧 结 的 磁 体 中 富 相 分 布较 均 匀 ， 孔 洞 稀 少 ， 而 高温 热 等静压 烧 结 的磁 体 中存 在 大量 尺 寸较 大 的孔洞 ， 能谱分 析 表 明它 是 富 的 预 烧 结体 在 的高温 热 等 静压 下烧 结 时 ， 由于 高压 的 渗 入 样 品 内部 ， 引起 部 分 富 液 相 外 流 ， 残 留较 多 的 孔 洞 ， 而 孔 洞 底 部 就 是 相 ， 因此 它 是 富 的 ， ︶切 图 烧结 一 磁 体 的密度 变化 曲线 预 烧 结体 常压 烧结磁 体 高 温 热 等静压 烧 结磁体 · 毕 一 一 伪 一 皿 对磁 体 的取 向度 的影 响 图 给 出 了预 烧 结 体 ， 在 下 高温 热 等 静压 烧 结和 常 压烧 结 后 的烧 结磁 体 的 谱 通 常 可 用 和 晶面衍 射 峰 强度 之 比 城 〕 来 定 性评 价 各 向异 性烧 结 ， 一 磁 体 的取 向度 由图 不 难 看 出 ， 高温 热 等静 压 烧 结 磁 体 的取 向度 明显 低 于 常 压 烧 结 的 取 向度 分 析 表 明 ， 高 压 条 件 促 进 了 已 取 向好 的 主 相 违 卫 晶粒 的转 动 和 位 移 ， 因此 使 磁 体 的 取 向度 降低 图 烧结 磁 体 的 背散 射 电子 像 高 温 热等静 压 烧结磁 体 常压 烧 结磁 体 一 一 了 一 翩 心 尸 、 二 尸 ‘ ， 、 叫 曰产 已 召 蠕翩协咧 印 寸 比 洲晶灵 翎瀚沁鲡痴一儡 峭 侧慧禽籍 图 烧结 磁体 的 谱 高温 热等静压 磁 伪 常压 烧 结磁 体 · 一 一 一 对 磁 体 磁 性 能 的 影 响 表 为 不 同密 度 的预 烧 结 体 在 ℃ 下 分 别 进行 的高温 热 等 静 压烧 结 和 常 压烧 结 后 的 磁 体 磁 性 能 需要 说 明 的是 ， 由于 高温 热 等静 压 烧 结样 品表 面 较 疏 松 ， 存 在 裂 纹 ， 故 测 得 的磁 性 能数 据 有 一 定 的偏 差 从 表 中 的 数 据 可 以 看 出 ， 同 一 预 烧 结 条 件 下 ， 高温 热 等静 压 烧 结磁 体 的剩磁 和 磁 能积 归功 均 低 于 常 压 烧 结 磁 体 根 据 铁 磁 学 的 理 论 ， 多 晶取 向复相 永 磁 材料 的剩磁 由下 式 决定 ‘ 一月留凤 式 中洲为 正 相 畴 体 积 分 数 渭为 非 磁 性 相 的 体 积 分 数 ， 一刃为 卫 主 相 的体 积 分 数 ， 为磁 体 的 实 际 密 度 ， 为 磁 体 的 理 论 密 度 ， 为
·284. 北京科技大学学报 2004年第3期 Nd,FeB晶粒c轴沿取向轴方向的取向度，为 (2)富Nd液相的外流，引起晶粒转动，在一定 Nd.FeB化合物单晶体饱和磁极化强度.从式(1) 程度上破坏了Nd,FeB晶粒的取向，导致取向度 中不难看出，Nd.FeB主相的体积分数越高，磁体 下降 的实际密度越大，Nd.FeB晶粒的取向度越好，磁 (4)高温热等静压烧结磁体的磁性能比常压 体的剩磁也就越高.由前面知道，高温热等静压 烧结磁体的磁性能低 烧结磁体的密度和取向度均比相应的常压烧结 (3)用加热Ar气热膨胀而产生热等静压进行 磁体的低，因此高温热等静压烧结磁体的剩磁也 高温热等静压烧结的办法不适用于制造高性能 就低于常压烧结磁体， 的烧结Nd-Fe-B永磁体， 表1不同预烧结磁体在1080℃高温热等静压烧结和 参考文献 常压烧结3h后样品的磁性能 1 Brown D,Ma B M,Chen Z M.Developments in the pro- Table 1 Magnetic properties of Nd-Fe-B magnets by HIP cessing and properties of NdFeB-type permanent magnets and conventional sintering(1080'℃，3h) [J].J Magn Magn Mater,2002,248(3):432 样品号B,/THa(kA·m)(BH)-/(kJm) 2 Bernardi J,Fidler J,Sagawa M,et al.Microstructure analy- HSI 1.083 1203.2 195.8 sis of strip cast Nd-Fe-B alloys for high(BH)magnet CS1 1.164 1026.6 257.0 ).J Appl Phys,1998,83(1I):6396 HS2 1.176 956.5 243.5 3 Slusarek B.Dudzikowski I.Application of permanent CS2 1.232 1472.2 282.5 magnets made from Nd-Fe-B powder and from mixtures HS4 1.190 1205.6 262.6 of powders in DC motors [J].J MagnMagn Mater,2002, CS4 1.225 1162.6 269.8 239(3):597 注：表中HS,CS分别代表高温热等静压烧结和常压烧 4王占勇，谷男驹，王宝奇，等.影响烧结Nd-FeB磁体 结；1,2,4分别代表预烧结的时间为1,2,4h. 退磁曲线方形度的因素[).磁性材料及器件，2003， 341):7 3结论 5马福康，等静压技术[M.北京：治金工业出版社，1992 6 Wang Z C,Zhou S Z,Zhang M C,et al.High-performance (1)高温热等静压烧结时，由于高压气体渗入 a-Fe/Pr2FeB-type nanocomposite magnets produced by 样品内部，引起部分富Nd液相外流，残留较多孔 hot compaction under high pressure[J].J Appl Phys,2000, 洞，从而导致磁体的密度下降，低于预烧结体 88(1):591 5%~10%,并且磁体较为疏松，表面存在明显的 7周寿增.超强永磁体一稀土铁系永磁材料M.北京： 裂纹 冶金工业出版社，1999.251 Heat Isostatic Pressing Sintering of Nd-Fe-B Permanent Magnets LI Qinghua,BAO Xiaogian,GAO Xuexu,ZHANG Maocai,ZHOU Shouzeng State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The effects of Heat Isostatic Pressing(HIP)sintering on the density,microstructure and magnetic properties of Nd-Fe-B permanent magnets were studied.Results showed that compared to conventional magnets, the magnetic properties of HIP sintered ones decreased due to the deterioration of alignment of Nd,FeB grains and the lower density of the magnets,which resulted from the existence of more holes in the HIP sintered magnets.It is concluded that HIP sintering is not suitable for producing high performance sintered Nd-Fe-B magnets. KEY WORDS Nd-Fe-B permanent magnets;HIP sintering;magnetic properties
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 氏 尹 晶 粒 轴 沿 取 向轴 方 向 的取 向度 ，几 为 选 尹 化 合 物 单 晶体饱 和 磁 极化 强度 从 式 中不难看 出 ， 主相 的体积 分 数越 高 ， 磁 体 的实 际密度 越 大 ， 山 卫 晶粒 的取 向度越 好 ， 磁 体 的剩磁 也就 越 高 由前 面 知 道 ， 高温热 等 静压 烧 结磁 体 的密度和 取 向度 均 比相 应 的常 压 烧 结 磁 体 的低 ， 因此 高温 热 等静压烧 结磁 体 的剩磁 也 就 低 于 常压 烧 结磁 体 表 不 同 预 烧 结磁 体 在 ℃ 高温 热 等静压 烧 结 和 常压 烧结 后 样品 的磁 性能 吕 一 “ ， 样 品号 。 以 · 一 今 伍功 · 一 注 表 中 ， 分别 代表 高温 热 等静压烧结 和 常压 烧 结 ，， 分别代表预烧 结的时 间为 ， ， 结 论 高温 热等静压烧 结 时 ， 由于 高压 气 体渗入 样 品 内部 ， 引起 部 分 富 液相 外流 ， 残 留较 多孔 洞 ， 从 而 导致磁 体 的密度 下 降 ， 低 于 预 烧 结体 一 ， 并且 磁 体较 为疏 松 ， 表 面 存 在 明显 的 裂 纹 富 液 相 的外流 ， 引起 晶粒转动 ， 在 一 定 程 度 上 破 坏 了 ’ 晶粒 的取 向 ， 导 致取 向度 下 降 高温 热 等 静 压 烧 结磁 体 的磁 性 能 比常压 烧 结磁 体 的磁 性 能低 用 加热 气 热 膨胀 而 产 生 热等静 压 进 行 高温 热 等 静压 烧 结 的办 法 不 适 用 于 制 造 高性 能 的烧 结 一 永磁 体 参 考 文 献 ， ， 刀 ， ， ， ， ， 一 一 肠叨 勿 ， ， ， 一 一 ‘ ， ， 王 占勇 ，谷 男 驹 ， 王 宝 奇 ，等 影 响烧 结 磁 体 退磁 曲线 方 形 度 的 因 素 磁性 材 料 及 器件 ， ， 马福 康 等静压 技术 北 京 冶金 工 业 出版社 ， ， ， ， 孤 一 。 ， 一 即 ， ， 周寿增 超强 永磁 体一稀土 铁系永磁 材料 【 北 京 冶 金 工 业 出版社 ， 一 一 ” ， ， ， 月只刃 凡白 ， 习 ， ， ， 仪 叮 一 ， ， ， 一 一 一 一
