永磁体是否具有实用性可根据其剩磁、内禀矫顽力及最大磁能积三个参数及其在外界条件下的稳定性来衡量。最大磁能积体现永磁体提供静磁场能量的能力,在满足同样空间范围的相同磁场值时,最大磁能积越大则材料使用量越少。剩磁越大,则永磁体向空间提供的磁场强度就越大。内禀矫顽力大的材料,抗外界干扰能力强。纵观永磁体的发展史,实际上是一个追求更高磁性能的过程。

晶界扩散工艺-1

        绝大多数稀土元素均能够与Fe和B共同形成RE2Fe14B化合物,而Nd2Fe14B在其中具有最高的饱和磁极化强度及具备功能性的磁晶各向异性场。除此之外,Nd元素在地壳中储量较为丰富,能够保证供应链稳定性及成本优势。

晶界扩散工艺-2

大量的材料显微结构观察显示:烧结钕铁硼磁体中存在六种相。Nd2Fe14B主相和富钕相对于磁体性能具有最直接影响故而被熟知。Nd2Fe14B主相是烧结钕铁硼磁体中唯一硬磁相,其体积分数决定磁体剩磁及最大磁能积的大小。富Nd相对烧结钕铁硼磁体的磁硬化起着至关重要的作用,其成分、结构、分布和形貌对于工艺参数十分敏感。富Nd相硬应尽可能呈层状结构,并沿晶界连续分布。

晶界扩散工艺-3

烧结钕铁硼磁体矫顽力提升途径

        风电、新能源汽车、节能家电及趋于小型化和轻质化的移动智能终端均要求烧结钕铁硼磁体不但具备高磁能积,还需要具备更高的内禀矫顽力,即双高磁体。烧结钕铁硼的内禀矫顽力主要由磁体组织和成分决定。组织优化的主要途径包括细化晶粒尺寸及改善富钕相分布展开。成分优化是通过添加其他元素提升主相磁晶各向异性场。烧结钕铁硼磁体的内禀矫顽力与主相磁晶各向异性场成正比。Dy2Fe14B和Tb2Fe14B的磁晶各向异性场显著高于Nd2Fe14B。因此,添加少量Dy及Tb取代主相晶格中的Nd,可形成具有更高磁晶各向异性场和内禀矫顽力的(Nd, Dy)2Fe14B及(Nd, Tb)2Fe14B。常用的重稀土元素添加方案包括传统的熔炼合金化工艺、晶界改性工艺及晶界扩散工艺。

熔炼合金化工艺

熔炼合金化工艺是按照一定比例将重稀土元素Dy和Tb添加至磁体成分中,经熔炼后,所有元素实现成分均匀化,重稀土元素在主相晶粒中呈均匀分布,形成具有更高内禀矫顽力的(Nd, Dy)2Fe14B及(Nd, Tb)2Fe14B。烧结钕铁硼磁体的矫顽力机制指出,反磁化畴主要在主相表面缺陷位置形核和长大。而对于熔炼合金化工艺来说,重稀土元素在主相晶粒中均匀分布一方面将引起铁原子与重稀土原子间的反铁磁耦合,导致磁体剩磁及最大磁能积的降低,同时大幅度增加生产成本并消耗重稀土资源。

晶界扩散工艺-4

晶界改性工艺

为提升重稀土元素利用率,晶界改性工艺应运而生。分别制备主合金及富重稀土辅合金,按照一定比例混合后进行成型、烧结。在烧结过程中,重稀土元素Dy、Tb将扩散入主相晶粒,并在主相晶界位置形成(Nd, Dy)2Fe14B及(Nd, Tb)2Fe14B磁硬化层,减少反磁化畴形核。即便晶界改性工艺显著提升了重稀土元素利用率,但重稀土元素依旧不可避免地进入了主相晶粒内部,并引起磁稀释效应。事实上,晶界改性工艺对后续晶界扩散工艺具有启发意义。

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晶界扩散工艺

晶界扩散工艺是指在磁体表面引入重稀土元素Dy、Tb的膜层后,于富钕相熔点以上进行高温真空热处理,使重稀土原子沿晶界液相扩散至磁体内部,病于主相晶粒外部表层进行(Nd, Dy, Tb)2Fe14B壳层结构,增加主相磁晶各向异性场,并使晶界相变得连续、平直,减弱主相间的磁交换耦合作用。晶界扩散工艺最突出的优点是提升内禀矫顽力的同时,剩磁和最大磁能积基本保持不变。晶界扩散工艺既适用于常规高矫顽力磁体的降本,亦可制备传统合金化工艺无法生产的N54SH及N52UH等双高磁体新牌号。

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晶界扩散处理通常在磁体机加工后进行。重稀土元素膜层可通过喷涂、物理气相沉积、电泳及热蒸发等工艺获得。

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晶界扩散工艺局限性

晶界扩散工艺适用性受磁体厚度制约,内禀矫顽力提升效果随磁体厚度增加而降低。提高扩散温度或延长扩散时间均可增加重稀土元素扩散深度及浓度,提升富重稀土壳层结构的体积分数。但是,过高的扩散温度及过长的扩散时间将造成主相晶粒长大,同时,富钕相的相结构及分布也随之发生变化。

晶界扩散工艺-8

晶界扩散磁体磁性能

牌号 剩磁

Br

磁感矫顽力

(Hcb)

内禀矫顽力

(Hcj)

最大磁能积

(BH)max

温度系数
最高工作温度

Tw

典型值

(kGs / T)

最小值

(kGs / T)

典型值

(kOe / kA/m)

最小值

(kOe / kA/m)

最小值

(kOe / kA/m)

典型值

(MGOe / kJ/m3)

最小值

(MGOe / kJ/m3)

剩磁
(%/℃)
内禀矫顽力
(%/℃)
G54H 14.7 / 1.47 14.5 / 1.45 14.3 / 1136 13.9 / 1109 17.0 / 1353 54.0 / 430 52.0 / 414 0.11 0.55 120
G52H 14.4 / 1.44 14.3 / 1.43 14.0 / 1113 13.7 / 1090 17.0 / 1353 52.0 / 414 50.0 / 398 0.11 0.55 120
G54SH 14.7 / 1.47 14.5 / 1.45 14.3 / 1.43 13.9 / 1109 20.0 / 1592 54.0 / 430 52.0 / 414 0.11 0.50 150
G52SH 14.4 / 1.44 14.3 / 1.43 14.0 / 1113 13.7 / 1090 20.0 / 1592 52.0 / 414 50.0 / 398 0.11 0.50 150
G50SH 14.2 / 1.42 14.0 / 1.40 13.8 / 1097 13.5 / 1071 20.0 / 1592 50.0 / 398 48.0 / 382 0.11 0.50 150
G48SH 13.9 / 1.39 13.7 / 1.37 13.5 / 1074 13.2 / 1048 20.0 / 1592 48.0 / 382 46.0 / 366 0.11 0.50 150
G45SH 13.5 / 1.35 13.3 / 13.3 13.1 / 1043 12.8 / 1018 20.0 / 1592 45.0 / 358 43.0 / 342 0.11 0.55 150
G52UH 14.4 / 1.44 14.3 / 1.43 14.0 / 1113 13.7 / 1090 25.0 / 1990 52.0 / 414 50.0 / 398 0.11 0.50 180
G50UH 14.2 / 1.42 14.0 / 1.40 13.8 / 1097 13.5 / 1071 25.0 / 1990 50.0 / 398 48.0 / 382 0.11 0.50 180
G48UH 13.9 / 1.39 13.7 / 1.37 13.5 / 1074 13.2 / 1048 25.0 / 1990 48.0 / 382 46.0 / 366 0.11 0.50 180
G45UH 13.5 / 1.35 13.3 / 1.33 13.1 / 1043 12.8 / 1018 25.0 / 1990 45.0 / 358 43.0 / 342 0.11 0.50 180
G42UH 13.1 / 1.31 12.9 / 1.29 12.7 / 1012 12.4 / 987 25.0 / 1990 42.0 / 334 40.0 / 318 0.11 0.50 180
G40UH 12.8 / 1.28 12.6 / 1.26 12.4 / 989 12.1 / 964 25.0 / 1990 40.0 / 318 38.0 / 303 0.11 0.50 180
G48EH 13.9 / 1.39 13.7 / 1.37 13.5 / 1074 13.2 / 1048 30.0 / 2389 48.0 / 382 46.0 / 366 0.11 0.50 200
G45EH 13.0 / 1.39 13.3 / 1.33 13.1 / 1043 12.8 / 1018 30.0 / 2389 45.0 / 358 43.0 / 342 0.11 0.50 200
G42EH 13.1 / 1.31 12.9 / 1.29 12.7 / 1012 12.2 / 987 30.0 / 2389 42.0 / 334 40.0 / 318 0.11 0.50 200
G40EH 12.8 / 1.28 12.6 / 1.26 12.4 / 989 12.1 / 964 30.0 / 2389 40.0 / 318 38.0 / 303 0.11 0.50 200
G38EH 12.5 / 1.25 12.3 / 1.23 12.1 / 966 11.8 / 941 30.0 / 2389 38.0 / 302 36.0 / 287 0.11 0.50 200
G35EH 12.0 / 1.20 11.8 / 1.18 11.7 / 927 11.3 / 903 30.0 / 2389 35.0 / 279 33.0 / 263 0.11 0.50 200
G45AH 13.5 / 1.35 13.3 / 1.33 13.1 / 1043 12.8 / 1018 35.0 / 2787 45.0 / 358 43.0 / 342 0.11 0.50 220
G42AH 13.1 / 1.31 12.9 / 1.29 12.7 / 1012 12.4 / 987 35.0 / 2787 42.0 / 334 40.0 / 318 0.11 0.50 220
G40AH 12.8 / 1.28 12.6 / 1.26 12.4 / 989 12.1 / 964 35.0 / 2787 40.0 / 318 38.0 / 303 0.11 0.50 220
G38AH 12.5 / 1.25 12.3 / 1.23 12.1 / 966 11.8 / 941 35.0 / 2787 38.0 / 302 36.0 / 287 0.11 0.50 220
G35AH 12.0 / 1.20 11.8 / 1.18 11.7 / 927 11.3 / 903 35.0 / 2787 35.0 / 279 33.0 / 263 0.11 0.50 220
G33AH 11.6/ 1.16 11.4 / 1.14 11.3 / 986 11.0 / 872 35.0 / 2782 33.0 / 263 31.0 / 247 0.11 0.50 220
G30AH 11.0 / 1.10 10.8 / 1.08 10.7 / 850 10.4 / 826 35.0 / 2787 30.0 / 239 28.0 / 223 0.11 0.50 220
* 上表中磁性能数据基于室温测量。
* 磁体最高工作温度同时受长径比、镀层厚度和其他环境因素共同影响。