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摘要：简要阐述了高矫顽力烧结NdFeB永磁材料的理想微结构,并着重介绍了添加元素对烧结NdFeB永磁材料的微结构和矫顽力的影响。
关键词：烧结NdFeB永磁材料；添加元素；矫顽力
中图分类号：TM273文献标识码：A文章编号：1672-3198（2007）10-0251-01
1引言
烧结钕铁硼磁体的理论磁能积为512KJ/m3（64MGOe），是目前硬磁性能最高的稀土永磁材料。该材料一经问世就以优异的磁性能引起磁性材料界的关注，近二十年来磁性能指标不断刷新，研究水平从238KJ/m3（30MGOe）发展到目前的磁能积大于440KJ/m3（55MGOe），是磁性材料中发展最快的一类磁体。烧结钕铁硼磁体的各向异性场，即矫顽力的极限值为5572KA/m（70.02kOe），目前Nd-Fe-B磁体的矫顽力仅是其理论值的1/3~1/5左右，提高Nd-Fe-B系合金的矫顽力还有很大潜力。提高矫顽力不仅可提高其抗退磁能力,还可提高其温度稳定性,降低磁通不可逆损失和矫顽力温度系数。
2高矫顽力磁体的理想晶粒微结构
具有高矫顽力烧结NdFeB系永磁材料的显微组织结构模型应是:
（1）主相晶粒结构均匀，无杂质，无缺陷。
（2）尺寸集中在3～5mm。
（3）晶粒之间被富Nd相薄层间隔，隔断交换耦合相互作用。
（4）晶粒形状为球状或椭球状，边界完整、光滑，不存在尖锐的角、棱和突起，以降低有效退磁因子Neff。
3添加元素与矫顽力
为了使磁体的晶粒结构趋于理想晶粒微结构，从而提高磁体的矫顽力，在实验中通常在Nd-Fe-B三元系中添加元素,从而形成一系列三元以上的(NdR)-(FeM1M2)-B系永磁材料。添加元素可分为两种:取代元素和掺杂元素。
3.1取代元素
Nd元素的替代元素通常为Pr、Tb、Dy等。Pr、Tb、Dy等元素替代Nd可提高硬磁性相的各向异性和磁体的矫顽力,但使居里温度降低。重稀土元素Tb、Dy的原子磁矩与Fe原子磁矩方向相反,使分子磁矩减小,饱和磁矩及剩磁降低。通常用3at%的Dy替代Nd。
Fe的替代原子，替代Fe原子的元素有Co,Al,Ga,Si,Ni,Cr,Mn,Cu等。Co替代Fe增强交换相互作用，提高居里温度，改善温度性能。Nd2Co14B的居里温度可高达985K。用1.5个Co原子替代Fe可使四方相的分子磁矩达到最大值。但添加Co使各向异性和矫顽力降低。Al、Ga原子替代Fe使平面各向异性减小，相当于增强了单轴各向异性，从而提高了磁体的矫顽力。Al减小了交换作用，使居里温度降低。Ga替代Fe使居里温度上升，提高温度稳定性。Si替代Fe使居里温度提高，同时增强各向异性场，提高矫顽力。Al、Ga、Si替代Fe使分子磁矩减小，磁体的饱和磁化强度降低。
3.2掺杂元素
掺杂元素的加入能够提高磁体的矫顽力,改善耐蚀性。掺杂元素以其对磁体微结构的影响可分为两类:M1(Cu、Al、Ga、Sn、Ge、Zn等)形成二元M1-Nd或三元M1-Fe-Nd相;M2(Nb、Mo、V、W、Zr、Ti等)形成二元M2-B或三元M2-Fe-B相。
掺杂元素以下述方式影响NdFeB烧结磁体的微结构:(1)如果掺杂元素在高温(1100℃)时在主相中有一定的溶解度,可部分溶于Nd2Fe14B相中取代Fe原子,因而改变居里温度和各向异性场,大部分的M1属于这种情况;(2)如果掺杂元素在烧结温度下溶解度低,而在Nd2Fe14B相中析出,造成新的晶间相生成,M2就属于该种情况。M1在烧结或热处理过程中影响液相的润湿行为,因而影响晶粒的磁去耦,冷却后形成含Nd的晶界相如Nd6Fe13M1(M1=Al、Ga、Cu)、Nd3(Ga,Fe)+Nd5(Ga,Fe)3以及NdCu或NdCu2。硬磁晶粒良好的分离和去耦导致磁体矫顽力的提高,新的含M1的晶间相取代富钕相也改善了磁体的耐蚀性。M2如V、Mo以及W和Nb在硬磁相中有较低的溶解度,在Nd2Fe14B相中析出,并生成晶间硼化物相如(V,Fe)3B2、(Mo,Fe)3B2、NbFeB和WFeB,掺杂Ti和Zr则分别生成TiB2和ZrB2。
4结论
影响烧结NdFeB系永磁体矫顽力的因素比较复杂,为了获得性能优良的高矫顽力烧结NdFeB永磁体，需要在成分中通过取代和掺杂的方式添加微量元素，使得烧结NdFeB系永磁体的晶粒结构趋于理想晶粒微结构，从而提高磁体的矫顽力。
参考文献
［1］SagawaM,FujimureSandTogawaMetal.,NewmaterialforpermanentmagnetsonabaseofNdandFe［J］.J.Appl.Phys.,1984,55:2083-2088.
［2］周寿增，董清飞.超强永磁体-稀土铁系永磁材料［M］.北京：冶金工业出版社，1999.
［3］FidlerJ,SchreflT,OverviewofNd-Fe-Bmagnetsandcoercivity［J］.J.ApplPhys,1996,79(822A):5029-5032.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：烧结NdFeB永磁材料；添加元素；矫顽力
中图分类号：TM273文献标识码：A文章编号：1672-3198（2007）10-0251-01
1引言
烧结钕铁硼磁体的理论磁能积为512KJ/m3（64MGOe），是目前硬磁性能最高的稀土永磁材料。该材料一经问世就以优异的磁性能引起磁性材料界的关注，近二十年来磁性能指标不断刷新，研究水平从238KJ/m3（30MGOe）发展到目前的磁能积大于440KJ/m3（55MGOe），是磁性材料中发展最快的一类磁体。烧结钕铁硼磁体的各向异性场，即矫顽力的极限值为5572KA/m（70.02kOe），目前Nd-Fe-B磁体的矫顽力仅是其理论值的1/3~1/5左右，提高Nd-Fe-B系合金的矫顽力还有很大潜力。提高矫顽力不仅可提高其抗退磁能力,还可提高其温度稳定性,降低磁通不可逆损失和矫顽力温度系数。
2高矫顽力磁体的理想晶粒微结构
具有高矫顽力烧结NdFeB系永磁材料的显微组织结构模型应是:
（1）主相晶粒结构均匀，无杂质，无缺陷。
（2）尺寸集中在3～5mm。
（3）晶粒之间被富Nd相薄层间隔，隔断交换耦合相互作用。
（4）晶粒形状为球状或椭球状，边界完整、光滑，不存在尖锐的角、棱和突起，以降低有效退磁因子Neff。
3添加元素与矫顽力
为了使磁体的晶粒结构趋于理想晶粒微结构，从而提高磁体的矫顽力，在实验中通常在Nd-Fe-B三元系中添加元素,从而形成一系列三元以上的(NdR)-(FeM1M2)-B系永磁材料。添加元素可分为两种:取代元素和掺杂元素。
3.1取代元素
Nd元素的替代元素通常为Pr、Tb、Dy等。Pr、Tb、Dy等元素替代Nd可提高硬磁性相的各向异性和磁体的矫顽力,但使居里温度降低。重稀土元素Tb、Dy的原子磁矩与Fe原子磁矩方向相反,使分子磁矩减小,饱和磁矩及剩磁降低。通常用3at%的Dy替代Nd。
Fe的替代原子，替代Fe原子的元素有Co,Al,Ga,Si,Ni,Cr,Mn,Cu等。Co替代Fe增强交换相互作用，提高居里温度，改善温度性能。Nd2Co14B的居里温度可高达985K。用1.5个Co原子替代Fe可使四方相的分子磁矩达到最大值。但添加Co使各向异性和矫顽力降低。Al、Ga原子替代Fe使平面各向异性减小，相当于增强了单轴各向异性，从而提高了磁体的矫顽力。Al减小了交换作用，使居里温度降低。Ga替代Fe使居里温度上升，提高温度稳定性。Si替代Fe使居里温度提高，同时增强各向异性场，提高矫顽力。Al、Ga、Si替代Fe使分子磁矩减小，磁体的饱和磁化强度降低。
3.2掺杂元素
掺杂元素的加入能够提高磁体的矫顽力,改善耐蚀性。掺杂元素以其对磁体微结构的影响可分为两类:M1(Cu、Al、Ga、Sn、Ge、Zn等)形成二元M1-Nd或三元M1-Fe-Nd相;M2(Nb、Mo、V、W、Zr、Ti等)形成二元M2-B或三元M2-Fe-B相。
掺杂元素以下述方式影响NdFeB烧结磁体的微结构:(1)如果掺杂元素在高温(1100℃)时在主相中有一定的溶解度,可部分溶于Nd2Fe14B相中取代Fe原子,因而改变居里温度和各向异性场,大部分的M1属于这种情况;(2)如果掺杂元素在烧结温度下溶解度低,而在Nd2Fe14B相中析出,造成新的晶间相生成,M2就属于该种情况。M1在烧结或热处理过程中影响液相的润湿行为,因而影响晶粒的磁去耦,冷却后形成含Nd的晶界相如Nd6Fe13M1(M1=Al、Ga、Cu)、Nd3(Ga,Fe)+Nd5(Ga,Fe)3以及NdCu或NdCu2。硬磁晶粒良好的分离和去耦导致磁体矫顽力的提高,新的含M1的晶间相取代富钕相也改善了磁体的耐蚀性。M2如V、Mo以及W和Nb在硬磁相中有较低的溶解度,在Nd2Fe14B相中析出,并生成晶间硼化物相如(V,Fe)3B2、(Mo,Fe)3B2、NbFeB和WFeB,掺杂Ti和Zr则分别生成TiB2和ZrB2。
4结论
影响烧结NdFeB系永磁体矫顽力的因素比较复杂,为了获得性能优良的高矫顽力烧结NdFeB永磁体，需要在成分中通过取代和掺杂的方式添加微量元素，使得烧结NdFeB系永磁体的晶粒结构趋于理想晶粒微结构，从而提高磁体的矫顽力。
参考文献
［1］SagawaM,FujimureSandTogawaMetal.,NewmaterialforpermanentmagnetsonabaseofNdandFe［J］.J.Appl.Phys.,1984,55:2083-2088.
［2］周寿增，董清飞.超强永磁体-稀土铁系永磁材料［M］.北京：冶金工业出版社，1999.
［3］FidlerJ,SchreflT,OverviewofNd-Fe-Bmagnetsandcoercivity［J］.J.ApplPhys,1996,79(822A):5029-5032.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”