FeCuNbSiB粘结磁体的制备及磁性能研究.pdf

3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 F e C u N b S i B 粘结磁体的制备及磁性能研究 刘珊，许启明，金丹 西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 5 5 摘要通过2 种途径将熔体快淬法制得的F e C u N b S i B 非晶薄带制成环状粘结磁体。一是将非晶薄带进 行晶化处理，再将晶化后的薄带粉碎成不同粒度的粉末，然后与粘结剂相混合制成粘结磁体。二是将非 晶薄带直接粉碎成不同粒度的粉末，再将此粉末进行晶化处理，将晶化后的磁粉与粘结剂相混合制成粘 结磁体。分析了磁粉粒度和模压压力对粘结磁体性能的影响。并对两种粘结磁体的性能进行比较。结 果表明，第一种方法制备的粘结磁体的性能优于第二种。 关键词熔体快淬；非晶；粘结磁体；磁性能 中图分类号T G l 3 2 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 1 ～0 0 3 8 一0 3 P r e p a r a t i o na n dR e s e a r c ho nM a g n e t i cP r o p e r t i e so f F e C u N b S i BB o n d e dM a g n e t s L I US h a n ，X UQ i m i n g ，J I ND a n C o H e g eo fM a t e r i a lS c i e n c e E n g i n e e r i n g ，X I A NU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y ．x i ’a r t7 1 0 0 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t R i n g s h a p e db o n d e dm a g n e t sw e r ep r e p a r e du s i n g m e l t s p u nF e C u N b S i Ba m o r p h o u st h i nr i b b o n sb y t w ok i n d so fm e t h o d s ．O n ei st h a tF e C u N b S i Ba m o r p h o u sr i b b o n sw e r ec r y s t a l l i z e da n dc r y s t a l l i z e dr i b b o n sw e r e s h a t t e r e dt op o w d e ro fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e ，m a g n e t i cp o w d e ra n da d h e s i v ew e r em i x e d ，b yb o n d i n gm e t h o d ， r i n g s h a p e db o n d e dm a g n e t sw e r ep r e p a r e di nd i f f e r e n tp r e s s u r e ．T h eo t h e ri st h a tt h ea m o r p h o u sr i b b o n sw e r e s h a t t e r e dt om a g n e t i cp o w d e ro fd i f f e r e n tp a r t i c l eS i z ed i r e c t l y ；t h ep o w d e rw a sc r y s t a l l i z e da n dm i x e dw i t ha d h e s i v et op r e p a r eb o n d e dm a g n e t s ．I n f l u e n c e so fm a g n e t i cp a r t i c l es i z ea n df o r m a t i o np r e s s u r eo nm a g n e t i cp r o p e r t i e so fb o n d e dm a g n e t sw e r ea n a l y z e d ．M a g n e t i cp r o p e r t i e so ft w ok i n d so fm a g n e t sw e r ec o n t r a s t e d ．T h er e s u i t sr e v e a lt h a tt h eb o n d e dm a g n e t sp r e p a r e db yt h ef i r s to n ew e r es u p e r i o r i t yt ot h eo t h e r ． K e y w o r d s M e l t s p i n n i n g ；A m o r p h o u s ；B o n d e dm a g n e t ；M a g n e t i cp r o p e r t i e s 粘结磁体大约出现在2 0 世纪7 0 年代。当时达 到商品化的S m C o 烧结永磁体的市场情况很好，但 难于精密加工成特殊形状，从而应用受到限制。为 解决这一问题，将永磁体粉碎，与塑料混合，在磁场 中压制成型，这是粘结磁体最原始的制造方法uJ 。 粘结磁体是将具有一定磁性能的磁性材料粉末与粘 结剂和其他添加剂按一定比例均匀混合，然后用压 制成形、注射成形等方法制成的复合磁体。1 9 9 5 年，世界永磁体市场的总销售额达到4 0 亿美元，其 中约有1 0 亿美元，即2 5 ％属于粘结磁体旧J 。粘结 作者简介刘珊 1 9 8 0 一 ，女，满族，辽宁省抚顺市人，硕士生 磁体之所以能迅速占领市场，是基于其下述优点显 著高的特性／价格比；可直接形成后加工成形状复 杂、薄壁型结构的部件；便于成形后加工，而且可高 精度加工；具有很高的韧性，不易破损、开裂；特别是 用于小型化等。 粘结磁体一般归类于永磁体，本试验所进行的 是粘结软磁体的制备研究。1 9 8 8 年Y o s h i z a w a 等 人bJ 使用非晶晶化的方法首先制备出纳米晶软磁 材料F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 ．5B 9 简称F I N E M E T ，被誉 为非晶纳米晶材料研究上一项突破性进展HJ 。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 3 9 F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 ．5 8 9 纳米晶软磁材料以其优异的磁 性能和低廉的成本而倍受关注。这类材料具有高磁 导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损、频散特性好等 优点，是目前世界上公认的综合性能最好的软磁材 料l 卜6 | 。本试验是将F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 ．5 8 9 制成磁 粉，与粘结剂相混合制成粘结磁体。随着高新技术 的发展，粘结磁体得到迅速地发展，在过去的十几年 中，粘结磁体已成功地占领了市场，现在已广泛地用 于家用电器和办公用品，其发展前景十分广阔。 1试验 1 ．1 磁粉的制备 采用西安奥斯特磁材有限公司生产的F e C u N b S i B 非晶薄带。用真空感应炉熔炼母合金，成分为 原子百分数 F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 , 5 8 9 采用单辊急冷法 制备非晶薄带。带宽2 0m m ，厚约2 0 ～3 0 肛m 。 将一部分非晶带在5 5 0 ℃下氢气气氛下退火处 理3 0m i n ，得到晶粒尺寸为1 0 ～2 0n m 的纳米晶合 金。纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能，前提条 件是合金中的晶态相晶粒大小处于纳米量级[ 7 ] 。 控制好非晶合金的退火过程，获得均匀的纳米晶组 织，是使合金达到优异软磁性能的保证。退火温度 过低，合金不能晶化；处理的温度过高，又会使合金 中析出其他不利相颗粒，如F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 ．5B 9 合 金中析出F e 2 B ，或使晶化相与非晶相的性能差别过 大，导致合金的软磁性能下降。纳米晶F e C u N b S i B 软磁合金是通过晶化获得的，因此许多研究者 对晶化过程进行了大量的研究，以了解晶化过程的 特点及纳米晶形成机制。由于非晶态F e S i B 合金 在晶化后，通常析出的晶体相尺寸较大 约0 ．1 ～1 b t m ，且往往同时析出a F e 及F e 2 B 和F e 3 B 等相，很 难形成单一的均匀结构，而非晶态F e ．C u N b S i B 合金晶化后可形成单一的a F e S i 的纳米晶结构显 然和加入元素C u 和N b 有密切关系。F i n e m e n t F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 ．5 8 9 是在传统的F e S i B 非晶基 础上添加C u 、N b 制得的高肚型纳米晶合金。大量 的工作证实[ 8 _ 9 ] ，C u 有利于a 相的成核，N b 则阻止 晶粒长大，两者共同作用可形成单一a 相的纳米晶 结构。将制得的纳米晶F e 7 3 ．5 C u l N b 3 S i l 3 ．5 8 9 合金 薄带掰成小片状，将一定重量比的刚玉球和原料装 进球磨罐放在球磨机上球磨8h ，然后将球磨后的粉 末过筛，筛分出0 ．3 5 1m m 、0 ．2 4 6m m 、0 ．1 7 5m m 、 0 ．1 4 7m m 的粉末。 将另一部分非晶带直接按照上述球磨过程制备 出不同粒度的粉末，然后将粉末装入坩埚内密封好 进行晶化处理。从而得到第二种粉末。 将不同粒度的两种粉末分别编号进行以下试验 和测量。 1 ．2 粘结剂和耦联剂 粘结剂的选择及其添加量对粘结磁体性能有重 大影响。粘结剂的基本作用是增加磁性粉末颗粒的 流动性和它们之间的结合强度。粘结剂的种类很 多，选择粘结剂的原则是结合力大，粘结强度高，吸 水性低，尺寸稳定性好，固化时尺寸收缩小，使得粘 结磁体的产品尺寸精度高，热稳定性好。基于上述 原则，本试验选择热固性粘结剂环氧树脂作为粘结 剂。一般来讲，金属铁磁性粉末属于亲水性的，而作 为粘结剂的高分子材料属于亲油性的。如果是金属 磁性粉末颗粒的表面变成亲油的话，则两者的亲和 性就会增加，因此在制造粘结磁体时需加耦联剂。 1 ．3 粘结磁体成形工艺 粘结磁体成形加工法一般分为4 种压制成形、 注射成形、挤压成形和压延成形。本试验采用的是 压制成型法。将0 ．3 5 1m m 、0 ．2 4 6m m 、0 ．1 7 5m m 、 0 ．1 4 7m m 的粉末分别与本试验所选用的环氧树脂 粘结剂按1 0 0 ／7 ．5 的比例相混合 加入一定比例的 添加剂 ，将混合好的磁粉在F N A 一1 0 1 型鼓风干燥 箱内烘干后，取出研磨成均匀粉状，在W E 一5 0 0 型 万能材料试验机上，制备尺寸为西3 2m m 1 8m m 的环状样品。在压制过程中采用不同的压力，压力 由小到大逐渐增加从而得到不同的粘结磁体。最后 将环状样品在1 5 0 ℃下固化1h 得到环状粘结磁体。 2 结果与分析 由M A T S 一2 0 1 0 S D 软磁直流测试装置测出环 状粘结磁体的磁性能。不同磁粉粒度下，两种方法 制得的环形磁体的磁性能如表1 所示。 通过表l 可以看出随着磁粉粒度的减小，“、 、肛m 、B s 、B r 、H c 也随之减小，这是由于 1 随着磁粉粒度的不断变小，粉粒的比表面积 变得越小，这就使得松装体积变大，导致压制成型后 磁体体积大、密度小，从而使得粘结磁体的“、p m 、 B s 、B r 、H c 都减小，磁性能降低。 2 随着磁粉粒度的不断变小，对应的粉粒表面 积相应的变大了，所以在空气中就容易氧化，所以使 得以上数值相应变小。 第一种方法即晶化后的薄带制得的粘结磁体的 磁性能优于第二种 未晶化薄带制得的粘结磁体 。 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 原因分析未晶化薄带的粉碎时间长，氧化度严重，晶粒边缘度破坏大，导致磁性能下降。 表1不同磁粉粒度下粘结磁体的磁性能 T a b l e1 M a g n e t i cp r o p e r t i e so fb o n d e dm a g n e t si nd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e 随着压力的增加，粘结磁体的磁性能也随之增 加，这是由于单位压力增大使压坯的空隙大大减小， 压坯的密度增大，使得晶体中产生大量的缺陷和内 应力，晶体内的位错密度增加，产生的点阵畸变增 大，应力场增强。按照矫顽力的钉扎理论，缺陷越 多，应力场越强，对畴壁移动的阻碍运动愈大。另一 方面，按形核场理论，随压力的增加，粉末颗粒间孔 隙减少，从而减少了反向形核的位置[ 7 | 。当压力增 加到1 8t 时，再增加压力，磁性能变化不大。表2 是压力为1 8t 和2 0t 时粘结磁体的磁性能的变化 情况。 表2 不同压力下粘结磁体的磁性能 、 T a b l e2P r o p e r t i e so fb o n d e dm a g n e t i cu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e 通过表2 可以看出，当压力由1 8t 到2 0t 时， 上述几个量变化不大。从而得出，材料的磁性能在 此压力下基本达到饱和。 3结论 1 F e C u N b S i B 粘结磁体的磁性能与粉末粒度 有关。粒度调整可以提高磁粉的松装密度和流动 性，生产中应根据产品的要求不同来确定合适的粒 度； 2 随着模压压力的增加，粘结磁体的磁性能 也随之增加，但当压力增加到一定程度时，磁性能变 化不大，说明磁性能在此压力下基本达到饱和； 3 晶化后的薄带制得的粘结磁体的磁性能优 于未晶化薄带制得的粘结磁体。 参考文献 [ 1 ] 田民波．磁性材料[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 0 ． [ 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，2 0 0 4 ． [ 3 ] Y o s h i z a w aY ．N e wF e b a s e ds o f tm a g n e t i ca l l o y sc o r n ． p o s e do fu l t r a f i n eg r a i ns t r u c t u r e [ J ] ．JA p p lP h y s ，1 9 8 8 ， 6 4 1 0 6 0 4 4 6 0 4 6 ． [ 4 ] 王新林．非晶和纳米晶软磁合金从研究到产业化 二 [ J ] ．金属功能材料，1 9 9 6 6 2 0 5 2 3 3 ． [ 5 ] 卢志超，李德仁，周少雄．非晶、纳米晶合金的国内外发 展概况及应用展望[ J ] ．新材料产业，2 0 0 2 3 2 0 2 3 ． [ 6 ] 沈桂娣，李建平，周传伟，等．铁基非晶软磁合金及其晶 化[ J ] ．南京理工大学学报，1 9 9 8 ，2 2 ， 6 5 4 4 5 4 7 ． [ 7 ] 吴承健，陈国良．金属材料学[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 0 ． [ 8 ] Y o s h i z a w aY ．F e b a s e ds o f tm a g n e t i ca l l o y sc o m p o s e do f u l t r a f i n eg r a i ns t r u c t u r e [ J ] ．M a t e r i a l sT r a n s a c t i o n ，J I M ， 1 9 9 0 ，3 1 4 3 0 7 3 1 4 ． [ 9 ] Z h o uf e i ，H eK a i y u a n ，S u iM a n l i n g ．N u c l e a t i o na n d g r o w t hc h a r a c t e r i s t i c so fa m o r p h o u sF e - S i B 一 C u 一 N b a l l o y sd u r i n gi s o t h e r m a lc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 4 ，A 1 8 1 ／A 1 8 2 1 4 1 9 1 4 2 2 ． 万方数据