新型纳米晶高剩磁Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金Ａ．Ｍａｎａｆ，Ｒ．Ａ．ＢｕｃｋｋｅｙａｎｄＨ．Ａ．Ｄ ａｖｉｅｓ本文介绍了通过旋淬法获得的含８～９ａｔ％Ｎｄ的新型Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金。所得到 的各向同性旋淬合金的剩磁大于１Ｔ，磁能积（ＢＨ）ｍａｘ超过１６０ｋＪ／ｍ￣３，内禀矫顽 力高达４８５ｋＡ／ｍ。合金的显微组织由硬磁相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ主相及其晶界上的颗 粒状α－Ｆｅ两相构成。Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒和α－Ｆｅ颗粒都是超细的。Ｊ－Ｈ曲线 第二象限部分是典型的单一硬磁相曲线。本文对纳米晶双相合金的磁性能与显微结构之间的关系进 行了探讨。１引言Ｃｒｏａｔ等的研究结果表明旋淬Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金的淬火速度对晶粒大小有 决定性作用。磁性能最佳的淬火速度取决于合金成份（尤其是Ｂ含量）。传统的旋淬Ｎｄ－Ｆｅ－ Ｂ合金的晶粒为单一磁畴（晶粒最大为０．１７～０．３μｍ）。典型的磁性能数据为：Ｊｒ≈０ ．８Ｔ，ｉＨｃ≈１４００～１６００ｋＡ／ｍ，（ＢＨ）ｍａｘ≈１１３ｋＪ／ｍ￣３。当淬火 速度大于最佳速度时，合金的非晶化将使磁性能下降。但作者的研究表明在一定的淬火速度范围内 矫顽力减小，但Ｊｒ依然大于０．８Ｔ。这一现象与晶粒细化到纳米晶有关，此时旋淬合金的晶粒 尺寸约为１５ｎｍ。Ｃｌｅｍｅｎｔｅ等报道添加Ｓｉ或Ａｌ元素后Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金的剩磁提 高，这被解释为邻近晶粒间磁的交换作用所致。很显然，提高剩磁需要的显微结构是：四方结构的 Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相的晶粒为规则排列随机取向的超细等轴晶粒，同时不存在阻碍Ｎｄ＿ ２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶间交换作用的任何晶间相。作者已在硼含量很低且无添加元素的三元Ｎｄ－ Ｆｅ－Ｂ旋淬合金中获得高剩磁。本文介绍了含低Ｎｄ的三元Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ旋淬合金，合金的纳 米结构是在主相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相中含有强铁磁性且弱各向异性的颗粒状次相（ｂｃｃ ，α－Ｆｅ）。２实验方法合金的名义成份见表１。熔液浇至Ａｒ气保护下的圆周速度为１８～２ ０ｍ／ｓ的铜辊上。浇铸室内抽至低于１０￣（－１）乇后充Ａｒ气至１０￣５Ｐａ（１ａｔｍ） 。取厚度为２５～３４μｍ的带状试样测试。磁性能测量在Ｏｘｆｏｒｄ振动试样测试仪上进行， 该仪器配备磁场达５Ｔ（５０Ｋｏｅ）的高导磁体。Ｘ－射线衍射峰标定相组成。振动样品的显微 组织观察在ＪＥＯＬ２００ｃｘ透射电镜下进行，加速电压为２００ｋＶ，试样通过离子轰击减薄 ３实验结果表１列出了三种不同成份的Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金的磁性能。由表可见，三种合金的Ｊｒ 超过了１Ｔ，（ＢＨ）ｍａｘ大于１５５ｋＪ／ｍ￣３，旦内禀矫顽力ｉＨｃ较低（４５８～４８ ５ｋＡ／ｍ）。图１示出Ｊ－Ｈ曲线的第二象限部分。为便于比较分别从ｘ（长度），ｙ（宽度） 、ｚ（厚度）三个方向进行测量。由图１可见，合金保持磁各向同性。透射电镜观察结果表明在合 金显微结构中不仅仅存在Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相，在主相（Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相） 的晶界及三个或更多晶粒交叉处存在颗粒状的次相（图２略）。第二相的粒径（＜１０ｎｍ）小于 主相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相的粒径（＜３０ｎｍ）。利用高分辨率透射电镜证实第二相为α －Ｆｅ，Ｘ－射线衍射图谱同样表明α－Ｆｅ的存在（图３略）。Ｘ－射线衍射花样中圆环为规则 的强度分布，表明晶体各向同性。这与在三个坐标轴方向测得的磁性能结果相一致（在测试误差范 围内）。因此，合金在晶体结构及磁特性两方面均为各向同性。从显微结构上看虽然第二相α－Ｆ ｅ的含量相当多，但由振动试样测试仪得出的磁滞回线为典型的单一硬磁相的特点（见图４）。当 旋淬合金带的厚度大于３４μｍ时ｉＨｃ小于４００ｋＡ／ｍ。此时Ｊｒ依然高于１Ｔ，由于ｉＨ ｃ太低，合金的（ＢＨ）ｍａｘ相当低（８８～１２０ｋＪ／ｍ￣３）．４ 讨 论对旋淬合金的 磁性能及显微结构的研究表明，提高Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金剩磁的新方法是切实可行的。以前对传统 的近化学计量单相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ合金的研究表明，当晶粒尺寸小于３０ｎｍ时，邻近 晶粒间的交换作用使剩磁高达０．８～０．９６Ｔ，超过了对无交换作用单轴单畴晶粒构成的多晶 体的估算值（对于Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ为０．８Ｔ）。然而，交换作用的存在显著降低合金 的磁晶各向异性能，对内禀矫顽大有不利影响。尽管如此，（ＢＨ）ｍａｘ已达到１４０ｋＪ／ｍ ￣３。另一种存在高剩磁的合金为Ｎｄ＿４Ｆｅ＿（７８）Ｂ＿（１８）。该合金晶化处理后的主 相为Ｆｅ＿３Ｂ软磁相，但在主相晶界上Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ硬磁相呈网络分布使该合金的 内禀矫顽力达到２５０ｋＡ／ｍ。尽管该合金存在高剩磁（１．２Ｔ），由于ｉＨｃ太低，磁能积 （ＢＨ）ｍａｘ仍比传统的Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金小（≈１１０ｋＪ／ｍ￣３）。另外，该合金剩磁 的提高被认为由于Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相与Ｆｅ＿３Ｂ主相间存在交换作用所至。本文所研 究合金的成分在上述两种合金中间。Ｎｄ含量比传统的近化学计量Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金低，但主相 依然是Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相。此外，仅有的第二相α－Ｆｅ相以极小的颗粒形式分散在主 相内。旋淬合金的磁性能见表１。由表可见。合金的剩磁超过１Ｔ，内禀矫顽力为４６０～５００ ｋＡ／ｍ。ｉＨｃ依然较低，但足以使得（ＢＨ）ｍａｘ超过１５５ｋＪ／ｍ￣３。ｉＨｃ的减小 伴随着Ｊｒ上升，同时对（ＢＨ）ｍａｘ有不利影响，但在某些情况下影响较小。合金的高剩磁取 决于合金的超细显微结构，Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒和α－Ｆｅ颗粒都足够细小从而产生了 很强的晶间交换作用。存在晶间交换作用的间距范围，Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相为４ｎｍ，α －Ｆｅ相为４０ｎｍ。α－Ｆｅ相晶间交换的作用间距超过其晶粒尺寸，强交换作用不仅存在于相 互邻近的Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒间，也存在于通过α－Ｆｅ颗粒相连的Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（ １４）Ｂ晶粒间。同时，α－Ｆｅ的饱和磁感应强度高于Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ（分别为２． ２Ｔ和１．６Ｔ），因此所研究的旋淬合金的饱和磁感应强度高于传统的近化学计量Ｎｄ－Ｆｅ－ Ｂ合金。这样，在８～９ａｔ％Ｎｄ的合金中，饱和磁感应强度的提高，Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４） Ｂ相中α－Ｆｅ足够细小从而在Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒间产生了很强的交换作用，合金的 剩磁得到大幅度上升。必须看到，传统的旋淬Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金中α－Ｆｅ的存在是有害的，它 使退磁曲线中第二象限部分下倾从而降低了磁能积；而对于本文所研究的合金，由于晶粒极细，旋 淬带厚度大于３４μｍ时也出现该现象，但并不明显。无论如何，合金中α－Ｆｅ的存在减小了磁 晶各向异性能，使内禀矫顽力降低，见图４。在这里ｉＨｃ减小较少，对磁能积的影响很小，与Ｎ ｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相为次相的低Ｎｄ合金的情况不同。因此，为了提高Ｊｒ，合金含８～９ ａｔ％Ｎｄ为最佳成份，（ＢＨ）ｍａｘ达到最高值，合金的纳米结构为相当数量的α－Ｆｅ相以 颗粒形式分布在主相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ硬磁相中。５结论含８～９ａｔ％Ｎｄ的三元Ｎｄ －Ｆｅ－Ｂ旋淬合金的剩磁超过１Ｔ。合金中铁含量较高，相当数量的超细颗粒状α－Ｆｅ软磁相 分布在主相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ硬磁相中。尽管存在α－Ｆｅ，合金对退磁的阻抗作用使（ ＢＨ）ｍａｘ大于１５５ｋＪ／ｍ￣３，矫顽力也比较高。该材料性能优良，在粘结永磁体方面具 有巨大的应用价值。同时，稀土元素Ｎｄ的含量较低，经济效益相当可观。刘汉强译自Ｊ．Ｍａｇ ｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．１２８（１９９３）３０２－３０６刘际昌 校对新型纳米晶高剩磁 Nd－Fe－B合金@刘汉强传统的近化学计量Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金低，但主相依然是Ｎｄ＿２Ｆ ｅ＿（１４）Ｂ相。此外，仅有的第二相α－Ｆｅ相以极小的颗粒形式分散在主相内。旋淬合金的 磁性能见表１。由表可见。合金的剩磁超过１Ｔ，内禀矫顽力为４６０～５００ｋＡ／ｍ。ｉＨｃ 依然较低，但足以使得（ＢＨ）ｍａｘ超过１５５ｋＪ／ｍ￣３。ｉＨｃ的减小伴随着Ｊｒ上升， 同时对（ＢＨ）ｍａｘ有不利影响，但在某些情况下影响较小。合金的高剩磁取决于合金的超细显 微结构，Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒和α－Ｆｅ颗粒都足够细小从而产生了很强的晶间交换作 用。存在晶间交换作用的间距范围，Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相为４ｎｍ，α－Ｆｅ相为４０ｎ ｍ。α－Ｆｅ相晶间交换的作用间距超过其晶粒尺寸，强交换作用不仅存在于相互邻近的Ｎｄ＿２ Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒间，也存在于通过α－Ｆｅ颗粒相连的Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒间。 同时，α－Ｆｅ的饱和磁感应强度高于Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ（分别为２．２Ｔ和１．６Ｔ） ，因此所研究的旋淬合金的饱和磁感应强度高于传统的近化学计量Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金。这样，在 ８～９ａｔ％Ｎｄ的合金中，饱和磁感应强度的提高，Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ相中α－Ｆｅ足 够细小从而在Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ晶粒间产生了很强的交换作用，合金的剩磁得到大幅度上 升。必须看到，传统的旋淬Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ合金中α－Ｆｅ的存在是有害的，它使退磁曲线中第二 象限部分下倾从而降低了磁能积；而对于本文所研究的合金，由于晶粒极细，旋淬带厚度大于３４ μｍ时也出现该现象，但并不明显。无论如何，合金中α－Ｆｅ的存在减小了磁晶各向异性能，使 内禀矫顽力降低，见图４。在这里ｉＨｃ减小较少，对磁能积的影响很小，与Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１ ４）Ｂ相为次相的低Ｎｄ合金的情况不同。因此，为了提高Ｊｒ，合金含８～９ａｔ％Ｎｄ为最佳 成份，（ＢＨ）ｍａｘ达到最高值，合金的纳米结构为相当数量的α－Ｆｅ相以颗粒形式分布在主相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ硬磁相中。５结论含８～９ａｔ％Ｎｄ的三元Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ旋淬合金的剩磁超过１Ｔ。合金中铁含量较高，相当数量的超细颗粒状α－Ｆｅ软磁相分布在主相Ｎｄ＿２Ｆｅ＿（１４）Ｂ硬磁相中。尽管存在α－Ｆｅ，合金对退磁的阻抗作用使（ＢＨ）ｍａｘ大于
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