添加Zr、Ti 元素对烧结钕铁硼磁性能与时效工艺的影响

张文博 李秀燕 王新峰 张均飞 雒有成/文

甘肃稀土新材料股份有限公司

1 引言

随着风力发电、伺服电机、新能源汽车等领域的快速发展,高性能NdFeB 永磁体的需求迅速增大，因此提升钕铁硼磁性能，研发高性能烧结钕铁硼已成为首要技术攻关难题。目前高矫顽力磁体通常需要添加镝或铽等重稀土元素来提高矫顽力，然而战略性稀土元素镝、铽的储量较少且价格昂贵。在内禀磁特性不变的前提下，烧结 NdFeB 磁体的矫顽力主要取决于其晶间显微组织，所以通过细化晶粒、晶界合金化等工艺可以提高钕铁硼磁体性能，其中，在NdFeB磁体中添加微量元素成为细化晶粒的主要方法之一。研究工作者们发现，添加Zr、Ti 等元素均能起到细化晶粒、提高矫顽力的作用，且由于元素添加量及种类不同，所得磁体的晶界相结构、形态也不同，提高矫顽力的机理也不同，从而导致矫顽力差异较大，所对应的时效工艺也有所区别。

本文通过试验，验证了晶间合金法添加Pr-Nd、Dy 金属对烧结钕铁硼磁性能的提升，同时试验了不同烧结时效工艺对含Zr、Ti 钕铁硼磁性能的影响。

2 实验方法

本实验采用Pr-Nd、Fe、B-Fe、Tb、Co、Cu、Al、Nd-Fe、Ce、Gd-Fe、Zr、Ti 为原料，所用原料纯度均高于99.7%，首先直接以(Pr-Nd)22.5Gd2Dy0.25Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Fe 为合金设计成分进行配料。将所配原料再通过熔炼→氢碎→制粉→磁场成形，得到样品A。

以(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Fe 为主合金设计成分进行配料，通过熔炼→氢碎→制粉（采用晶间合金化工艺在制粉工序加入金属Pr-Nd 粉、Dy粉）→磁场成形，得到样品B。

分别以(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Ti0.3Fe 和(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Zr0.3Fe 为主合金设计成分进行配料，通过熔炼→氢碎→制粉（采用晶间合金化工艺在制粉工序加入金属Pr-Nd 粉、Dy 粉）→磁场成形，得到样品C1、C2。

将压坯在1060 ℃烧结，分别再经640 ℃时效处理，用永磁测量仪测量试样的磁性能。

对含Zr 和含Ti 磁体试验不同时效工艺，以寻找最优工艺与最高磁性能。

3 结果与讨论

3.1 晶间合金化工艺对磁体性能的影响

由表1 可知，样品B 对比样品A 矫顽力由15.2 KOe 提升至16.7 KOe，矫顽力提高1.5 KOe，并且剩磁变化不大，这是因为镨钕粉与镝粉通过晶间合金化工艺加入后，并不进入主相，而是富集在晶界位置，添加元素只影响边界结构而不影响晶内，从而在提高磁体矫顽力的同时不损害剩磁与磁能积。

表1 晶间合金化工艺对磁体性能的影响

3.2 添加Zr、Ti 元素对磁体磁性能的影响

以(Pr-Nd)22Gd2Ce7Cu0.2Al0.6Co0.5B0.92Ti0.3Fe 为主合金设计成分，同样在制粉工序分别加入0.5%的Pr-Nd粉、0.25%的Dy 粉制备成的磁体C1，磁性能检测结果如表2所示。由表2可知，在加入Ti 元素后，经640 ℃时效处理磁体矫顽力由16.71 KOe 提高至17.10 KOe，且剩磁变化不大。矫顽力提高0.3 KOe，涨幅明显，在添加Ti元素的烧结NdFeB磁体中，Ti 元素并不是溶解于主相或者晶界相，而是以TiB2沉淀形式均匀分散在晶界边角处阻止晶粒的长大，从而使晶粒尺寸变小。而含Zr 的C2 样品矫顽力却降至15.30 KOe，方形度也变差，初步判断是时效工艺不匹配导致的磁性能降低。添加高熔点的Zr 主要是提高磁体热稳定，并且在晶间上形成非磁性粒子，通过抑制晶粒长大来提高磁体的矫顽力。

表2 添加Zr、Ti 元素对磁体磁性能影响

3.3 添加Zr、Ti 元素后不同时效工艺对磁体磁性能的影响

如图1所示，在不同时效温度下，含Zr 磁体在640℃时效下矫顽力仅为15.8 KOe，而经过500 ℃时效后矫顽力提升至17.2 KOe，方形度为96.2%；而含Ti 磁体在640℃时效后矫顽力达到17.1 KOe，方形度更是达到97.7%，降低时效温度时矫顽力大幅度下降。

图1 不同时效工艺下磁体矫顽力

上述现象可能跟两种元素添加后所形成的相有关，Ti 元素主要以TiB2沉淀形式均匀分散在晶界边角处，较高的时效温度更利于高熔点TiB2的均匀分布，改善其在晶界处均匀分散，更利于阻止晶粒长大。而添加Zr 元素的磁体，Zr 元素主要分布在晶间位置，通过形成非磁性粒子以抑制晶粒长大，当时效温度较高时Zr 元素将溶解在富钕相中与其他微量元素合金化，未能起到强化晶界对畴壁的钉扎作用，不能实现磁隔离作用，同样不能起到抑制晶粒长大的作用，进而对矫顽力的提升作用不明显。

图2 B-Ti 金相图

4 结论

通过晶间合金化工艺及微量元素Zr、Ti 的适量添加，可以大幅度提高烧结钕铁硼磁性能，降低成本，减少战略性稀土元素的添加。同样含量的磁体，通过晶间合金化工艺矫顽力可提高1.5 KOe 左右。而添加0.3% wt 的Zr、Ti 金属矫顽力可提高0.3～ 0.4 KOe。对于添加高熔点Zr、Ti 金属时，针对其添加量不同添加元素不同，所对应的时效温度也不同。当加入0.3% wt Zr 金属时，时效温度为500 ℃时磁性能最优；而加入0.3 % wt Ti 金属时磁体最佳时效温度为640 ℃左右。这与其在磁体内部的分布和成相有关。Ti 元素的添加能大幅度改善磁体方形度，适量添加Ti 元素可以制得高方形度磁体。