釹鐵硼永磁材料化學與熱穩定性研究范文

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《航天器環境工程雜志》2014年第三期

1空間電機對永磁材料的要求

空間電機的性能、應用環境和壽命有著特殊的要求，故對永磁材料的磁性能和機械性能也提出更高的要求。本文以一種主流的航天機電產品用電機的結構為例（如圖1所示），該電機為分裝式，分為轉子組件和定子組件。其中，導磁軛一般由軟磁材料組成。每塊磁鋼之間由不導磁材料（如鋁條等）隔開。每個磁鋼與導磁軛之間有一定厚度膠層，故整個磁鋼組件由4種不同種類材料組成。工作時，定子組件安裝在轉子組件的內外磁回路之間，相當于有內、外2個工作氣隙。這種結構的無刷直流電機具有雙定轉子氣隙特點，其磁間隙在0.4mm左右。為保證磁間隙的精度和一致性，在電機工藝中要求導磁軛、鋁條和磁鋼按照工藝基準通過膠層固定好之后再加工精磨到位，而在此過程中極易發生脆性磁鋼崩角或開裂，這也是使用釤鈷磁鋼時遇到的最大問題，且目前工業上使用的工藝方法均無法根本杜絕釤鈷磁鋼材料脆性引發的自身隱患。新一代釹鐵硼永磁材料發展至今，其室溫下剩余磁感應強度Br已達到1.47T，內稟矯頑力HcJ已達到2786kA/m，最大磁能積(BH)max高達421.8kJ/m3，磁性能和機械性能都明顯優于釤鈷磁鋼。如果能將釹鐵硼永磁材料應用到機電產品上，就能從根本上解決電機磁鋼加工和使用過程中易脆、易崩角的問題。

2釹鐵硼永磁材料的穩定性

釹鐵硼磁性材料的磁性能隨環境、磁場、溫度、化學以及時間變化而變化[4]，其溫度系數大、居里點低，在應用時要注意工作溫度對磁性能的影響。另外，釹鐵硼磁性材料含有約30%的鐵元素，極易氧化生銹，克服其化學不穩定性也是其應用中需要解決的重要問題。

2.1熱穩定性釹鐵硼永磁材料熱穩定性，即其由于所處環境溫度改變而產生的磁性能變化用材料的溫度系數來表征。永磁材料的磁性能變化分為不可逆損失和可逆損失2部分：不可逆損失是指溫度恢復到原來溫度后永磁材料的磁性能不能恢復到原值，從而導致有的電機隨著使用電氣性能逐步下降[7]，應盡量避免；而可逆損失是難以避免的，在電機設計之初就必須充分考慮在穩定溫升運行時必須達到的性能。隨著釹鐵硼永磁材料的發展，溫度系數很小的永磁材料已經問世，可小到萬分之一[6]。結合實際使用的磁鋼尺寸和性能要求，選擇目前國內大部分磁鋼廠家生產的幾種具有代表性的型號，結合退磁曲線、內稟矯頑力曲線和磁能積曲線對永磁材料性能進行測試，表1是幾種釹鐵硼永磁材料性能。文獻[8]中分別對幾種材料進行模擬使用條件溫度發生變化的時效處理研究，一般釹硼永磁材料在處理后，如果使用溫度不超過時效處理溫度則不再產生不可逆磁性能下降。對比這幾種材料：1）40SH剩余磁感應強度最高、矯頑力高、最大磁能積高，但其價格貴、內稟矯頑力低、時效后磁性能下降最多、溫度系數較大，適用于溫度要求較低、體積要求小、不太重要的場合。2）38SH同40SH或35SH相比，剩余磁感應強度適中、矯頑力較高、內稟矯頑力和最大磁能積均處于較高水平、價格適中、溫度系數中等、時效后磁性能下降最小，適用于溫度低于150℃，要求體積小、重量輕的場合。3）38UH剩余磁感應強度適中、內稟矯頑力高、價格最貴、但其使用溫度最高，適用于溫度低于180℃、要求穩定性好、可靠性高的場合。結合我國航天機電產品的工作溫度以及過程溫度均低于130℃的實際情況，剩余磁感應強度適中、矯頑力較高、性價比較高的38SH釹鐵硼永磁材料是最優之選，對該型號材料進行了一系列的環境試驗后再進行磁性能測試，其溫度系數α均小于萬分之一。試驗結果證明了該材料的熱穩定性滿足航天機電產品的應用要求。

2.2化學穩定性和防腐蝕試驗根據對Fe-Cr-Ni相圖的分析，某些成分范圍內的Fe-Cr-Ni系合金在特定狀態下有能獲得α/Y相變型合金類似的組織結構，可望得到具有一定永磁特性的不銹鋼永磁材料，但同時帶來價格大幅度上漲、磁性能下降的缺點。隨著永磁電機在航天機電產品上應用的迫切性，釹鐵硼永磁材料的防腐蝕問題將成為重要課題。釹鐵硼粉末合金中的稀土元素釹性質活潑，使得整個合金的耐蝕性能很差，在濕熱的氣候環境中極易生銹、腐蝕，縮短了磁體的壽命，降低了產品的穩定性和可靠性。目前基于成本和磁性能的考慮，國內外大都采用電鍍、涂覆、化學鍍、電泳、封閉等保護方法來達到釹鐵硼永磁材料的防腐蝕要求。2.2.1防腐層方式選擇由于釹鐵硼永磁材料是一種多孔隙材料，經粉末冶金而成，而粉末合金的高活潑性和高孔隙度使其曝露于空氣和水溶液中極易氧化和腐蝕，氧化法成膜厚度一般，防腐效果有限；電鍍方法結合力不好，并且多孔隙，長期使用防腐能力也不強，尤其針對航天機電產品用電機是對釹鐵硼永磁材料組合件進行整體鍍，有多種材料同時參與，常規的電鍍工藝很難保證產品的品質穩定，鍍層起泡、變色時有發生。結合空間電機的磁鋼組件表面處理需求，化學鍍鎳是最優選擇。在本文的研究工作中，一般的化學鍍鎳方法針對圖1電機結構中不同種類材料組合鍍也存在如下問題：1）由于組件中包含幾種活性金屬材料和非金屬材料，且材料中的活性元素排列相差較遠，分布于氯離子前后，故在鍍層工藝中應嚴格控制含氯離子的酸性溶液的使用量，對前處理鍍液的酸堿度和浸泡時間要有嚴格要求；2）化學反應速率快，鍍層較易脫落；3）釹鐵硼永磁材料活性大，如果鍍層脫落會導致鍍液的分解加速，因此在含釹鐵硼永磁材料的磁鋼組件上進行化學鍍必須解決鍍液酸堿度控制和鍍層防脫落的問題，這就需要嚴格的前處理控制，合適的化學鍍液配比、反應時間和后處理措施。

2.2.2鍍層選擇在眾多的鍍層工藝中，適合釹鐵硼合金并符合經濟性原則的鍍層工藝有鍍鋅、鍍銅、鍍鎳和鍍鎳磷合金。其中，鍍鎳磷合金成本最高，對維護管理及設備要求較高。鍍銅則易氧化變色，影響外觀裝飾性，只能作底層（一般不作面層）。鍍鋅成本低，操作控制簡便，耐蝕性也較好，可以應用在釹鐵硼永磁體上。鍍鎳雖然成本較鍍鋅高，可耐蝕性和裝飾性都優于鍍鋅，屬于理想的工藝選擇。鍍鋅和鍍鎳的防護原理不同，鋅相對于釹鐵硼而言，是一個陽極性鍍層，這使得腐蝕主要局限在鍍鋅層之中，這時鋅的鉻酸鹽轉化膜的耐蝕性將直接影響鍍鋅層的外觀和耐蝕性能；而鎳鍍層對于釹鐵硼基體，因釹的活潑性和腐蝕電偶中的陽極加速作用，腐蝕一旦發生則會很快加劇，減少鍍層的孔隙，將有利于提高鍍層的耐蝕性，可以采用多層的復合鍍層來滿足實際的使用要求。本文中的空間電機用釹鐵硼永磁材料的工藝特殊性給釹鐵硼的表面處理工作增加了更大的困難。如前所述，由于磁鋼防銹是在加工形成磁鋼組件后才進行的，所以對磁鋼組件進行表面處理時實際是對釹鐵硼永磁材料、鋁條、膠層和軟磁材料4種材料的結合體進行表面處理，要求在這4種不同類型材料上均能形成合格的鍍層質量。針對鍍鋅層和鍍鎳層的腐蝕特點，結合我國目前的鍍層工藝水平，試驗選用了化學鍍鎳的鍍層方法。通過試驗研究發現，電鍍時要做好前處理，包括去銹、去油、磷化處理；由于釹鐵硼永磁材料對酸、堿都發生反應，結合其他3種材料的要求，鍍液酸堿度應控制在中性為宜；釹鐵硼永磁材料的酸洗和其后的清洗都非常重要，應采用酸洗+活化及多次用超聲波清洗，并嚴格控制各工序的鍍液配比和反應時間；同時釹鐵硼永磁材料施鍍過程中滲氫現象較為嚴重，必須進行除氫處理。

2.2.3試驗驗證結合以上分析，經過幾輪試驗摸索之后，確定了一種專用表面處理工藝，可以實現對目前航天機電產品用電機使用釹鐵硼永磁材料的磁鋼組件的高耐蝕性表面處理。使用該工藝得到8～12µm的鍍鎳層，鍍層光亮平整、結合力優良，如圖2(a)所示。將該磁鋼組件經過3.5個-20～+130℃溫度區間的熱循環試驗觀察其鍍層質量和磁性能的變化，試驗后的組件照片如圖2(b)所示，通過對鍍層質量的檢查發現其在熱循環試驗前后沒有發生變化。同時通過試驗前后的磁性能測試對比發現，表面處理工藝中的120℃高溫過程對38SH型號釹鐵硼永磁材料的磁性能基本沒有影響。

3結論

1）通過理論分析和試驗驗證可得，38SH釹鐵硼永磁材料在低于130℃環境下使用時磁性能穩定，能夠滿足航天機電產品用電機的性能使用要求。2）對航天機電產品用電機中磁鋼組件的表面處理是對幾種不同材料同時進行，選用化學鍍時嚴格控制鍍液酸堿度防止鍍層脫落能夠實現比較好的鍍層質量。3）對含有釹鐵硼永磁材料的磁鋼組件進行除油和酸洗時，宜使用中性和弱堿性的除油劑，使用稀硝酸溶液或弱有機酸短時間酸洗，不應使用強氯素酸，切忌使用高濃度的強酸，否則材料表面會急劇粗化乃至粉化。4）目前首次使用釹鐵硼永磁材料的航天機電產品用電機的實驗件已經基本完成，其中最關鍵的釹鐵硼永磁材料熱穩定性和防銹問題的解決方法在試驗中均得到驗證，性能均滿足使用要求。為釹鐵硼永磁材料在航天用永磁無刷直流電機上的廣泛應用提供了參考。

作者：楊磊李連香楊屹單位：北京控制工程研究所