0I:10.13374/j.1ssnl001053x.1998.06.012 第20卷第6期 北京科技大学学报 Vol.20 No.6 1998年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.1998 铸造-热压变形Pr1,Fe76sB,Cu15永磁 合金的组织结构与性能 周寿增董清飞史振华章守华 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，材料科学与工程学院，北京100083 精要研究了Pt1,Fe6B,Cu5永磁合金经铸造和热压变形量ε分别为0,30%，50%和70%后，样品 的成分、组织、性能随变形量的变化.随热压变形量的增加，样品的Pr和Cu的含量降低，而F和B 的相对含量提高；各向异性和各种磁参量，如4。M,B,以，以和(B团m均提高.热变形量大于80%， 并经最佳热处理后样品的性能达到：B,=1.2T,;H。=1.22MA/m,(B四m=260kJ/m,与烧结 Pr-e-B永磁体的性能相当. 关键词Pr-e-B永磁；热压变形；稀土水磁 分类号TG132.2 降造-热压（或热轧）变形法是生产RFe-B系永磁材料的生要方法之一山.例如成分为 Pr1,Fe6B,Cu1合金经真空感应炉冶炼、铸造并于1000℃退火24h后，各向同性永磁体的性能 为B,=0.66T,:H。=589kA/m,(Bm=70.0kJ/m.同样成分的合金铸造并经高温退火，于 1000℃Ar气保护下，在0.2~0.8MPa/cm2压力下进行热压变形，当变形率达到80%时，得到了 各向异性的永磁体，其磁性能达到B,=1.25T,H=796kAWm,(Bm=288.1kJ/m0.同样成 分的合金经热轧变形也得到各向异性永磁体，在垂直轧制方向，其永磁性能达到B=0.9T, H。=.1030kAWm,(B)m=150kJ/m).和烧结法相比，铸造，热变形永磁的制造工艺简单，磁 体的氧含量低，若能实现工业化生产，有可能降低永磁体的生产成本，本论文的目的是研究 Pr-F-B-Cu系合金铸造-热压变形永磁体的组织与磁性能的关系. 1实验方法 所研究的合金成分为Pt,Fe6,B,C山用金属Pr,工业纯Fe,电解Cu和B-Fe合金作原材 料，在真空感应炉内冶炼，用金属模浇铸成直径15mm、长80mm的棒，于1273K退火24h风 冷，接着于773K回火处理2h.为了使热压变形均匀将热处理后的样品切成直径12mm× 16mm,装人外径16mm、内径12mm、高24mm的保护套内，两端垫片厚度为4mm.在ntron 1185型材料试验机上进行热压变形.沿样品轴向施加压力.热压变形量ε为0,30%，50%和 70%;变形温度为973,1073和1173K;热变形速度为70×10-3s.采用金相观察、X射线、磁测 量技术分析热压变形过程中合金显微组织和磁性能的变化以及它们之间的相互关系， 1997-11-25收稿周寿增男，59岁，教授 ◆冶金部基金资助项目
第 卷 第‘ 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 物 段 卜 比 铸造 一 热压变形 ， ， ， ， ， ， ， 。 〕 。 永磁 合金的组织结构与性能 周寿增 董清飞 史振华 章守华 北京科技大学新金属材料国家重点实脸室 ， 材料科学与工程学院 ， 北京 摘要 研究了 ，，永磁合金经铸造和热压变形 分别为 。 ， ， 和 后 ， 样品 的成分 、 组织 、 性能随变形 的变化 随热压变形 的增加 ， 样 品的 和 的含 降低 ， 而 民 和 的相 对含量提高 各 向异性和各种磁参 ， 如气城 ， ， ， 入 和 伍功 。 均提高 · 热变形 大于 ， 并经 最佳热处理后 样品 的性能达到 ， 习 ， 刀切 ， 与烧结 一 永磁体的性能相 当 关挂词 民 一 永磁 热压变形 稀土永磁 分类号 铸造 一 热压 或热轧 变 形 法 是 生产 一 系永 磁 材料 的生要 方 法 之 一 川 例如 成分 为 尹户 合金 经真空感应炉冶炼 、 铸造并于 ℃ 退火 后 ， 各向同性永磁体的性能 为 ， ， 刀功 ， 同样 成 分 的 合金 铸 造 并 经 高温退 火 ， 于 ℃ 气保护下 ， 在 一 叭 ’压力下进行 热压变形 ， 当变形 率达到 时 ， 得 到 了 各 向异性 的永磁体 ， 其磁性能达到 ， 。 幻叼 ， 刀功 二 曰 同样成 分 的合金 经 热轧变形 也得 到各 向异性 永磁体 ， 在 垂直轧制方 向 ， 其永磁性 能达到 ， 幻叼 ， 刀功 以俪 和烧结法相 比 ， 铸造 一 热变形永磁 的制造工艺简单 ， 磁 体 的 氧 含量低 若 能 实现工 业化 生 产 ， 有可能降低永磁 体的生 产成本 本论 文 的 目的是研究 一 一 系合金铸造 一 热压变形永磁体的组织 与磁性能的关系 实验方法 所 研究 的合 金 成 分 为 ， 用 金 属 ， 工 业 纯 ， 电解 和 一 合金 作原材 料 ， 在 真 空 感 应 炉 内冶 炼 ， 用 金 属模 浇铸成 直径 巧 、 长 的棒 ， 于 退火 风 冷 ， 接 着 于 回 火 处理 为 了使热压 变形 均匀将热处理 后 的样 品切 成直径 ， 装 人 外 径 、 内径 、 高 的保护套 内 ， 两 端垫 片厚度 为 幻。 在玩枉。 型 材 料 试 验机 上 进 行 热 压 变 形 沿 样 品轴 向施 加压 力 热压 变形 为 ， ， 和 变形 温度为 ， 和 热变形速度 为 “ ’ 采用金相观察 、 射线 、 磁测 量技术分析热压变形 过程 中合金 显微组织 和磁性 能的变化 以及它们之 间的相互 关系 一 收稿 周 寿增 男 ， 岁 ， 教授 冶金部基金 资助项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．06．012
Vol.20 No.6 俦造-热压变形P17Fe6.B5Cu1s永磁合金的组织结构与性能 ·561· 2实验结果 图1和图2分别是合金的退磁曲线和磁参量随热压变形量的变化.图1表明随热压变形量 的增加，径向与轴向（平行压力的方向）退磁曲线的差别越来越大，意味着随变形量增加，磁体 的各向异性增加，图2表明随热压变形量的增加，样品的各项磁参量迅速地提高，其中饱和磁 极化强度4，M和剩磁B增加速度最快.内桌矫顽力H和磁感矫顽力H几乎同步增加.当变 形量大于30%后，它们增加的速度加快 e=0(未经加热) =30% 轴向 1.0 0.8 1.2 1000 轴向 0.6 1.1 M 900 径向 径向 0.4 1.0 800 0.2 的 0.9 700 .He E=50% 抽向 e■70% 轴向 1.2 0.8 600 1.0 a 0.7 500 0.3 oh 0.6 0.6 00 0.4 0.5 0 10203040506070 经问 0.2 0.0 变形量e/% 800600400200 600400200 H/kA.m 图2 样品的磁参量与热压变形量ε的关系 图1样品的退磁曲线与热压变形量ε的关系 饱和磁极化强度4，M属于内桌磁参 表1 不同形变量样品的化学成分（原子分数） % 量，它仅取决于永磁体的化学成分.分析了经 变形量ε/% Pr Fe B Cu其他 不同热变形量后样品的化学成分，其结果列 0 16.9275.264.851.54 143 于表1，可见随热变形量的增加，样品的Pr和 30 15.7276.455.011.38 1.44 Cu的含量降低，而Fe和B的相对含量增加. 50 14.6577.625.161.251.32 样品热变形前后和不同变形量后的金相 70 13.9778.115.261.131.53 组织示于图3.图3(a)是铸态并经1373K固溶处理24h后的金相组织.它由粗大的Pr,Fe4B晶 粒和少量富Pr(黑色)组成.富P相沿晶界或晶界交界处分布.经30%的热变形和773K回火后 Pr,F©，B的晶粒细化（图3b).富Pr相也相应地细化.经70%变形和773K回火的样品，Pr,Fe,B 晶粒进一步细化，富Pr相也进一步弥散均匀地沿晶界分布（图3d). 经不同热变形后样品的X射线衍射谱分折表明（图略），衍射面与压力方向垂直，热压变 形前的X射线衍射谱与无取向粉末的X射线衍射谱相近似，但不完全相同，其不同点在于 105,004,006和008的衍射峰稍高.这表明ε=0%的样品大体上是各向同性的，但不完全这 样，它有少量的各向异性，随变形的增加，许多X射线衍射峰减弱或逐渐消失，然而某些衍峰 如006,004,008和105衍射峰逐渐增强.这一结果说明，随变形量增加，具有四角晶体结构的 Pr,F,B相的c轴逐渐转向样品的轴向，即平行压力的方向，从而使样品形成各向异性.热变 形量越大，样品的各向异性越强
心 铸造 一 热压变形 ， 永磁合金 的组织结构 与性 能 实验结果 图 和 图 分别是 合金 的退磁 曲线和磁参量 随热压 变形 量 的变 化 图 表 明 随热压变形 量 的增 加 ， 径 向与轴 向 平行压力 的方 向 退磁 曲线 的差别越来越 大 ， 意 味着 随变形 量 增 加 ， 磁体 的各 向异性增 加 图 表 明随热压变 形量 的增 加 ， 样 品 的各 项 磁 参量 迅 速 地 提 高 ， 其 中饱和 磁 极化强 度氏城 和剩磁 增加速度最快 内察矫顽 力 。 和磁感 矫顽 力 、 几乎 同步增加 当变 形 量大 于 后 ， 它们增加 的速度加快 厂 月 产。叭 一岁 ‘ 尹尸 月 ‘ ‘ ’ 一 一一一一一一一 声尸 一 日 了子 月 分 卜 丫了 一 」 匕产 户 一艾了 尸 通 显 卜 尸刀 月 飞 衍 ” 一 ” 」 一 ‘ 一一 一一一 一‘ 一‘ 一‘ 一 ‘ 一一 变形 ￡从 是﹄诸落策。 、卜傀找 “”八日”﹃︸︸﹃︸︹二︸﹄︸ 峥乡乙氏‘，‘‘八“月，，了月 。 仪未经加热 。 轴向 卢 万 下戈· 圈 样品的磁参 与热压变形 。 的关系 圈 样品的退磁曲线与热压变形 的关系 饱 和 磁 极 化 强 度气 城 属 于 内察 磁 参 表 不 同形变 样品的化学成分源子分数 量 ， 它仅取决于 永磁体的化学成分 · 分析了经 岌落亘落下砚一下于一一五一一不一花石一厌花， 不 同热 变 形 后 样 品 的化学成分 ， 其结果 列 于 表 ， 可 见 随 热 变形纽哟 增 加 ， 样 品 的 和 的含量 降低 ， 而 和 的相 对含量增加 ” 样 品热变形前后和不 同变形量后 的金相 · 组 织示 于 图 图 是 铸态并 经 固溶处理 后 的金相 组 织 它 由粗 大 的 乓 晶 粒和 少量 富 黑 色 组成 富 相沿 晶界或晶界交界处分布 经 的热变形 和 回火后 代 ， 的 晶粒细 化 图 富 相 也相 应地 细化 经 变形 和 回 火 的样 品 ， 氏 晶粒进一步细化 ， 富 相 也进一步弥散均匀地沿 晶界分布 图 经 不 同热变形 后 样 品 的 射线衍射谱分折表 明 图略 ， 衍射面 与压力方 向垂 直 热压 变 形 前 的 射线衍 射 谱 与 无 取 向粉 末 的 射线衍 射谱相 近 似 ， 但 不 完 全 相 同 其 不 同点 在 于 ， ， 和 的衍 射 峰稍 高 这 表 明￡ 的样 品大体上是 各 向同性 的 ， 但 不 完 全 这 样 ， 它有少 量 的各向异性 随变形 的增加 ， 许多 射线衍 射峰减弱 或逐 渐 消失 ， 然 而 某 些 衍峰 如 ， ， 和 衍 射 峰逐 渐 增 强 这 一 结果说 明 ， 随变形 量 增 加 ， 具 有 四 角 晶体结构 的 几 相 的 。 轴逐 渐 转 向样 品 的轴 向 ， 即平行 压力 的方 向 ， 从而 使样 品形 成各 向异 性 热变 形量越大 ， 样 品 的各 向异性越 强
心 铸造 一 热压变形 ， 永磁合金 的组织结构 与性 能 实验结果 图 和 图 分别是 合金 的退磁 曲线和磁参量 随热压 变形 量 的变 化 图 表 明 随热压变形 量 的增 加 ， 径 向与轴 向 平行压力 的方 向 退磁 曲线 的差别越来越 大 ， 意 味着 随变形 量 增 加 ， 磁体 的各 向异性增 加 图 表 明随热压变 形量 的增 加 ， 样 品 的各 项 磁 参量 迅 速 地 提 高 ， 其 中饱和 磁 极化强 度氏城 和剩磁 增加速度最快 内察矫顽 力 。 和磁感 矫顽 力 、 几乎 同步增加 当变 形 量大 于 后 ， 它们增加 的速度加快 厂 月 产。叭 一岁 ‘ 尹尸 月 ‘ ‘ ’ 一 一一一一一一一 声尸 一 日 了子 月 分 卜 丫了 一 」 匕产 户 一艾了 尸 通 显 卜 尸刀 月 飞 衍 ” 一 ” 」 一 ‘ 一一 一一一 一‘ 一‘ 一‘ 一 ‘ 一一 变形 ￡从 是﹄诸落策。 、卜傀找 “”八日”﹃︸︸﹃︸︹二︸﹄︸ 峥乡乙氏‘，‘‘八“月，，了月 。 仪未经加热 。 轴向 卢 万 下戈· 圈 样品的磁参 与热压变形 。 的关系 圈 样品的退磁曲线与热压变形 的关系 饱 和 磁 极 化 强 度气 城 属 于 内察 磁 参 表 不 同形变 样品的化学成分源子分数 量 ， 它仅取决于 永磁体的化学成分 · 分析了经 岌落亘落下砚一下于一一五一一不一花石一厌花， 不 同热 变 形 后 样 品 的化学成分 ， 其结果 列 于 表 ， 可 见 随 热 变形纽哟 增 加 ， 样 品 的 和 的含量 降低 ， 而 和 的相 对含量增加 ” 样 品热变形前后和不 同变形量后 的金相 · 组 织示 于 图 图 是 铸态并 经 固溶处理 后 的金相 组 织 它 由粗 大 的 乓 晶 粒和 少量 富 黑 色 组成 富 相沿 晶界或晶界交界处分布 经 的热变形 和 回火后 代 ， 的 晶粒细 化 图 富 相 也相 应地 细化 经 变形 和 回 火 的样 品 ， 氏 晶粒进一步细化 ， 富 相 也进一步弥散均匀地沿 晶界分布 图 经 不 同热变形 后 样 品 的 射线衍射谱分折表 明 图略 ， 衍射面 与压力方 向垂 直 热压 变 形 前 的 射线衍 射 谱 与 无 取 向粉 末 的 射线衍 射谱相 近 似 ， 但 不 完 全 相 同 其 不 同点 在 于 ， ， 和 的衍 射 峰稍 高 这 表 明￡ 的样 品大体上是 各 向同性 的 ， 但 不 完 全 这 样 ， 它有少 量 的各向异性 随变形 的增加 ， 许多 射线衍 射峰减弱 或逐 渐 消失 ， 然 而 某 些 衍峰 如 ， ， 和 衍 射 峰逐 渐 增 强 这 一 结果说 明 ， 随变形 量 增 加 ， 具 有 四 角 晶体结构 的 几 相 的 。 轴逐 渐 转 向样 品 的轴 向 ， 即平行 压力 的方 向 ， 从而 使样 品形 成各 向异 性 热变 形量越大 ， 样 品 的各 向异性越 强
Vol.20 No.6 铸造-热压变形Pr7Fe76.sB5Cu1.5永磁合金的组织结构与性能 ·563· 的实验结果是一致的.热变形前样品存在少量的各向异性与合金冶炼用金属模铸造成棒状样 品有关.Pr,Fe,B相具有四角晶系结构，其a轴是优先结晶生长方向.在俦造结晶时，a轴沿垂 直于模壁方向生长，使部分晶粒的c轴沿棒状样品轴向，从而使样品在热变形前就具有少量 的各向异性，在此基础上，随热变形量的增加，各个晶粒的c轴逐渐转向样品的轴向，使样品 的各向异性增加，导至其剩磁B随热形量的增加而显著地提高，在热压变形过程中样品各向 异性的形成机理在文献[5]中已作了详细论述. 经80%的热压变形和最佳热处理后，样品B4。M,比值可达到0.96，获得高各向异性高性 能的样品.其磁性能达到：B=1.25T,H=1.22MA/m,(B刊。=260kJ/m3. 4结论 铸造，热压变形法可制造各向异性的P-Fe-B系永磁材料；各向异性永磁体的磁性能随热 变形量的增加而增加，但样品的Pr和Cu相对含量减少，Fe和B的相对含量增加，样品的饱和 磁极化强度4。M,增加，晶粒细化，富Pr相均匀地沿晶界分布，矫顽力升高；当变形量大于80%， 并经最佳热处理后，获得的磁性能与烧结Pr-F-B系永磁体的磁性能相当. 参考文献 1周寿增.稀土永磁材料及其运用.北京：冶金工业出版社，1995,208 2 Shimoda T,Akiok K,Kobayashi O.High-energy Cast Pr-Fe-B Magnet.J Appl Phys,1998,64(10):5290 3 Mukai T,Sakamoto H.New Method of Hot Rolling for Fabricating Anisotrpic Pr-Fe-B-Based Magnets.Appl Phys Lett 1987,54:1597 4田静华，黄毅，梁敬魁.Pr-Fe-B三元相图.中国科学(A辑)，1987(2)：1597 5周寿增，蓝清飞，史振华，章守华.铸造，热压PrFB系永磁合金的热变形与磁性能.金属学报，1994， 30(8):366 Microstructure and Magnetic Properties of Hot-pressing Cast PrFeB Permanent Magnetic Alloys Zhou Shouzeng Dong Qinfei Shi Zhenghua Zhang Shouhua Material Science amd Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The changes of composition,microstructure and magnetic properties for the samples with composition of Pr,FesB,Cus cast alloys after hot-pressing with different strains to be 0%,30%,50%and 70%have been studied.As increasing of the strains,Pr and Cu contents of the smples decrease and Fe,B content of the samples increase, however the magnetic anisotropy and magnetic parameters such as M,B,H,H and (BH)m of the samples enhance.The optimum magnetic properties of B,=1.2 T,H.= 1.22 MA/m and (BH)m=260 kJ/m for the samples with hot pressing strains to be more than 80%were obtained,which approaches to the magnetic properties of sintered Pr-Fe-B system magnets. KEY WORDS Pr-Fe-B saystem magnets;hot-deformation magnet;rare earth magnets
铸造 一 热压变形 永磁合金 的组织结构 与性能 · · 的实验结果是 一致 的 热变形 前样 品存在 少量 的各 向异性 与合金冶 炼 用 金属模铸造成棒状样 品有 关 代 相 具有 四 角 晶系结构 ， 其 。 轴是 优先结 晶生 长方 向 在铸 造 结 晶 时 ， 。 轴沿垂 直于 模壁 方 向生 长 ， 使部分 晶粒 的 。 轴沿 棒状样 品轴 向 ， 从而 使样 品在 热变形 前 就具 有 少 量 的各 向异性 在 此基 础 上 ， 随热变 形量 的增 加 ， 各个 晶粒 的 轴逐 渐 转 向样 品 的轴 向 ， 使样 品 的各 向异性增 加 ， 导至其剩磁 ，随热形量 的增加而显著地 提 高 在 热压 变形 过程 中样 品各 向 异性 的形成机理在文献 【 中已作 了详细论述 经 的热压变形 和最佳热处理后 ， 样 品 助 理。 比值可 达到 ， 获得 高各 向异 性 高性 能 的样 品 其磁性 能达到 ， 二 ， 召功 结论 铸造 一 热压变形 法 可制造各 向异性 的 卜 一 系永磁材料 各 向异 性 永磁 体 的磁性 能 随热 变形 量 的增 加 而 增 加 ， 但样 品的 和 相 对含量 减 少 ， 和 的相 对含 量 增 加 ， 样 品 的饱和 磁极 化强 度八 增加 ， 晶粒细化 ， 富 相 均匀地沿 晶界分布 ， 矫顽 力 升高 当变形 量 大于 ， 并经最佳热处理后 ， 获得 的磁性能与烧结 卜 一 系永磁体 的磁性 能相 当 ， 考 文 献 周寿增 稀 土永磁材料及其运 用 北京 冶金工 业 出版社 ， 团 ， 上 ， 比 一 一 ， ， ， 田的 噪 ’ 一 一 昭加 此 ， 田静华 ， 黄毅 ， 梁敬魁 一 三元相 图 中国科学 辑 ， 周 寿增 ， 董清飞 ， 史振华 ， 章守华 铸造 一 热压 民 系永磁合 金 的热变形 与磁性 能 金属 学 报 ， 一 助 及 从 助 助 肠 记 ‘ 别 ， ， ， 】 ， 而 币 卜 ， ， ， 由 ， ， 吧 丽 群。 城 ， ， ， 召阅 叩 吧 讲 ， 了 刀娜 ， 衅 画 ， 币 一 一 七