0 前言

自1983年钕铁硼永磁材料问世以来, 由于具有优良的使用性能, 其生产能力在世界范围内迅速增长, 作为钕铁硼永磁材料的主要原料——金属钕得以大量应用。目前, 国内外钕铁硼永磁材料生产厂家对金属钕的主要杂质碳的含量一般要求小于0.03 %, 少数厂家要求小于0.05%。金属钕工业生产主要采用氟盐体系电解氧化钕的方法。由于在电解金属钕的过程中, 使用了石墨材料作电解槽和阳极, 这就不可避免地使碳成为金属钕中的主要杂质之一, 且在电解生产过程中最难以控制。使用碳含量高的金属钕制备钕铁硼永磁材料时, 会使磁体的内禀矫顽力大大降低^[1]。另外, 在金属钕工业生产的实践中发现, 低碳含量时(小于0.03%), 同一金属钕锭的不同部位, 碳含量的测定结果相差悬殊。任何一种金属材料, 化学成分与其组织结构和性能有着密不可分的关系, 由于碳元素是金属钕的主要杂质, 因此对金属钕生产厂家来说, 了解并掌握碳含量对金属钕的组织结构和性能的影响就显得非常必要。

1 试验方法 1.1 试样的制备

在3kA电解炉中采用氟盐体系电解氧化钕得到的液态金属钕, 于1100℃左右浇注在长方体钢质模具内(模具壁厚约20mm, 预热温度300~ 350℃), 冷却后进行表面熔盐剥离, 得到的金属钕锭作为制备金相分析和硬度测试试样的母体。

在上述金属钕锭的中部截取的15mm×15mm× 15mm一小块金属钕作为金相分析和硬度测试的试样。由于金属钕具有硬度低且极易氧化的特点, 所以在表面抛光时宜低速和轻微加压, 抛光时应同时在抛光面上滴加无水酒精。

1.2 分析方法

(1) 纯度分析:采用等离子光谱法进行测定。

(2) 稀土总量:采用草酸盐重量法进行分析。

(3) 碳含量:采用CS-DD5型碳硫单测仪测定, 在金属钕锭正反面中部各取样测定一次, 取其平均值为该金属钕锭的碳含量结果。

(4) 非稀土杂质:采用原子吸收光谱和化学法。

(5) 显微组织:用光学显微镜观测, 拍摄金相照片。

(6) X射线衍射谱线:用X射线衍射仪进行物相分析。

(7) 硬度测定:分别测定宏观硬度(HB)和显微硬度(HV)。

2 试验结果 2.1 金属钕的化学成分

分别取同一原料不同电解炉生产的碳含量小于0.03%、0.05 %左右和0.08%左右的金属钕锭进行化学成分分析, 分析结果列于表 1。

2.2 金属钕的显微组织和X射线衍射谱线

用75mL冰醋酸+25mL30 %的过氧化氢溶液作腐蚀剂, 在光学显微电镜下所见金属钕的显微组织如图 1。4号试样的X射线衍射谱线见图 2。

从图 1可见:在工业生产状态下, 金属钕锭的显微组织中存在黑相和白相, 且随着碳含量的增加, 黑相越来越多, 白相越来越少。1、2号试样大部分表现为白相, 4号试样的黑相比例最大, 并“均匀”地弥散在白相中间。

2.3 金属钕的硬度

1 ~ 4号试样的宏观硬度(HB)和4号试样的黑、白两相及相界的显微硬度(HV)测定结果列于表 2。

3 分析与讨论 3.1 金属钕的晶体结构

根据图 2所示的4号试样的X射线衍射谱线位置与衍射数据卡片(PDF卡片)对照可知, 图 2中标有•的一组衍射谱线与7-90卡片(该卡片是关于金属钕的dhcp结构的有关数据)上的数据基本相符, 证明4号试样中存在具有双密集六方结构的α-Nd。同时, 在图 2中还能看到一组标有▲的衍射谱线, 从现有的有关金属钕卡片的数据看, 该组谱线都与之不吻合, 说明在4号试样中确实存在另一种结构的Nd, 这与文献[2]的结果基本一致。文献[2]表明, 另一种结构的Nd是具有体心立方结构(bcc)的β-Nd, 且α-Nd和β-Nd的化学成分基本相同, 钕在t =855 ±9 ℃时会发生同素异型转变, 即β-Nd经同素异型转变而消失, 而在平衡条件下金属钕的室温组织为α-Nd。

3.2 碳含量与金属钕的相组成

一般来说, 纯金属的显微组织只存在单相组织, 而图 1所示的结果却发现, 试样1~ 4号都可见两相——黑色相和白色相。根据金属钕的晶体结构分析结果可以推断, 黑色相是具有bcc结构的β-Nd, 白色相是具有dhcp结构的α-Nd, α-Nd不是金属钕在浇铸冷却过程中而析出的具有不同成分的新相。且随着碳含量的升高, α-Nd越来越少, β-Nd越来越多, 即当金属钕锭的碳含量小于0.03%时, α-Nd的比例最大, 当碳含量为0.08%左右时, α-Nd的比例最小, 这说明金属钕锭中的主要杂质元素碳会阻止α-Nd的形成。

3.3 碳含量与金属钕的硬度

硬度是金属材料一个重要的性能指标, 由表 2的测试结果可以看出, 含碳量越高, 金属钕的宏观硬度越大, 这是因为NdC₂在金属钕的结晶过程中是以非自发晶核的作用细化了晶粒, 即碳含量是影响金属钕宏观硬度的主要因素。从显微硬度的测试结果看, α-Nd和β-Nd的硬度较为接近, 而两相的相界面硬度是其硬度的两倍, 根据金属化合物均具有较高的熔点和硬度^[3], 因而可以判断, 工业生产的金属钕中的主要杂质元素碳不是或绝大部分不是以固溶体的形式存在, 而可能是以金属化合物(Nd₂C₃或NdC₂等)的形式存在于α-Nd和β-Nd的相界面上。根据金属钕碳含量与α-Nd和β-Nd的量的比例关系, 即碳含量(低于0.03 %)时, β-Nd稀少; 相界面少; 高碳含量(0.08%左右)时, β-Nd增多, 相界面自然增加, 且“均匀”地弥散在α-Nd之间。由此可以认为, 当碳含量较低(如低于0.03 %)时, 碳在金属钕锭中的分布有不均匀的特点, 随着碳含量的不断增加(如0.08%左右或更大), 碳的分布趋于均匀。这一点与工业生产实践得出的经验基本一致:当碳含量高于0.05%时, 金属钕锭不同部位碳含量测定结果的误差较小, 而当碳含量低于0.03 %时, 测定结果的误差高达30%。

3.4 碳含量与金属钕的使用性能

如前所述, 尽管碳含量是金属钕的组织结构和性能的主要影响因素, 但就磁性材料厂家来说, 目前对金属钕的质量要求仅限于化学成分, 对组织结构及硬度等性能指标未作具体规定。在使用过程中, 金属钕对磁性材料的内禀矫顽力影响机理, 目前国内外还未见更多的报道, 尚需进行较深入的探索。

4 结论

(1) 在工业生产的金属钕锭显微组织中, 存在成分和硬度基本相同的α-Nd和β-Nd两相。碳含量的高低, 会影响两相在金属钕组织中的存在比例, 碳含量越低, β-Nd越少, 碳含量越高, β-Nd越多, 说明随着碳含量的增加, 会阻止α-Nd的形成。

(2) 碳含量是影响金属钕宏观硬度(HB)的主要因素, 在金属钕工业生产过程中, 可利用这一特点粗略地判断其碳含量。

(3) 金属钕的显微组织和显微硬度的测定结果表明, 碳元素在其中可能是以金属碳化物的形式存在于相界面上。当碳含量低于0.03%时, 碳的分布存在不均匀性, 随着碳含量的增加(如0.08%左右或更大), 碳的分布趋于均匀。

(4) 尽管碳含量是金属钕的组织结构和性能的主要影响因素, 但碳含量与金属钕的使用性能之间的关系尚需进行进一步的探索。