許魯江,孫穎莉,姜龍濤,廖雅琴,武高輝

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001； 2.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,寧波 浙江 315000)

Alnico8磁鋼的磁穩(wěn)定性研究

許魯江1,孫穎莉2,姜龍濤1,廖雅琴1,武高輝1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001； 2.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,寧波 浙江 315000)

針對(duì)自然貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金進(jìn)行了顯微組織與磁性能演化規(guī)律的研究,分析表明貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金試樣X射線衍射峰位置相同,但I(xiàn)(100)/I(200)隨貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,表明強(qiáng)磁相的有序度增加。富FeCo相也隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),尺寸大小更加均勻,相界面更加穩(wěn)定。同時(shí),不同自然貯存時(shí)間的Alnico8合金磁不可逆損失率不同,隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),Alnico8合金的磁不可逆損失率逐漸降低,磁穩(wěn)定性逐漸增加。

Alnico8合金;晶體結(jié)構(gòu);織構(gòu);穩(wěn)定性

0 引言

Alnico永磁材料具有高居里溫度、低溫度系數(shù)、抗腐蝕、不含稀土元素等優(yōu)點(diǎn)[1-4],同時(shí)也是目前溫度穩(wěn)定性最好的一類永磁合金[5],它突出的磁穩(wěn)定性使其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用中有著非常重要的地位。在加速度計(jì)中的使用中,Alnico磁鋼磁性能的變化會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)精度降低,縮短加速度計(jì)的服役壽命,因此對(duì)Alnico磁鋼磁穩(wěn)定性的研究十分必要。影響Alnico8永磁材料磁穩(wěn)定性的因素有很多,包括合金成分、溫度、時(shí)間沖擊和振動(dòng)、化學(xué)作用以及環(huán)境磁場(chǎng)等[6-16]。在加速度計(jì)中使用的Alnico磁鋼,周圍包覆軟磁合金,所以影響Alnico磁鋼的主要因素是溫度與時(shí)間。J. H. Phillips等[17]研究了溫度對(duì)Pt-Co、Ni3Au和Alnico三種沉淀合金的不可逆磁損失的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,合金的磁場(chǎng)強(qiáng)度與溫度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。K. J. Kronenberg等[18]指出矯頑力越高,磁鋼剩磁越穩(wěn)定,當(dāng)Hcj>2000Oe時(shí),剩磁可以保持1年不發(fā)生變化;充磁后部分退磁,可以增加剩磁的穩(wěn)定性。陳登明等[19]研究了Alnico永磁材料在28～160℃范圍的磁性能穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Alnico永磁合金的矯頑力、剩磁和磁能積都隨著溫度的升高而下降。目前對(duì)Alnico8合金的自然貯存磁穩(wěn)定性研究較少,對(duì)磁不可逆損失的微觀機(jī)理缺乏研究。因此本文研究了貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金的微觀組織及磁性能變化規(guī)律,以揭示磁穩(wěn)定性的微觀機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文所用材料為經(jīng)歷自然貯存1年、4年、6年的柱狀晶Alnico8合金。自然貯存過(guò)程中Alnico8合金未充磁。試樣尺寸為Φ10mm×5mm。采用D/max2200型X射線衍射儀(XRD)及配有電子背散射衍射接收探頭的JEOL733型電子探針(EBSD)對(duì)貯存時(shí)間為1年、4年、6年的試樣進(jìn)行了物相分析。采用化學(xué)分析方法分析了3個(gè)批次Alnico8合金的成分,結(jié)果如表1所示。采用Tecnai G2 F30場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行觀察。磁性能測(cè)試裝置是利用法拉第磁生電原理搭建而成的設(shè)備,采用專利技術(shù)(CN201410406409.3)對(duì)試樣進(jìn)行磁性能檢測(cè)。

表1 Alnico8合金成分(wt%)

2 結(jié)果與討論

對(duì)貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金試樣進(jìn)行物相分析,如圖1所示。從圖1中可以看出,貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金試樣物相相同,是體心立方結(jié)構(gòu),且X射線衍射峰位置相同,均只有3個(gè)衍射峰,分別為(100)、(110)和(200)衍射峰,其中強(qiáng)度以(200)晶面的衍射峰最大。Alnico8合金采用定向凝固法制備,晶粒為沿<100>方向生長(zhǎng)的柱狀晶,經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)熱處理,調(diào)幅分解后的強(qiáng)磁相α1相與基體相α2相均沿<100>方向生長(zhǎng),所以Alnico8合金為雙重織構(gòu),衍射峰在(200)方向較強(qiáng)。

圖1 Alnico8合金的X射線衍射譜Fig. 1 X-ray diffraction spectrum of Alnico8 alloy

由于Alnico8合金中存在織構(gòu),為了排除織構(gòu)對(duì)有序度表征的影響,選擇用(100)超結(jié)構(gòu)衍射峰的強(qiáng)度與(200)衍射峰的強(qiáng)度比值(I100/I200),來(lái)表征強(qiáng)磁相的有序度。I100/I200比值越大,則代表Alnico8合金中強(qiáng)磁相的有序度增加[20]。對(duì)比圖2中貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金的衍射峰強(qiáng)度比,可以看出貯存6年合金的衍射峰強(qiáng)比I100/I200最大,貯存4年的次之,貯存1年的衍射峰強(qiáng)比I100/I200最小,說(shuō)明高溫下合金發(fā)生調(diào)幅分解形成的富FeCo相及富NiAl相在自然時(shí)效中可以發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變,使得合金強(qiáng)磁相的有序度增加。

圖2所示為貯存時(shí)間為1年、4年、6年的Alnico8合金的顯微組織和富FeCo相尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖,圖中黑色顆粒為強(qiáng)磁相富FeCo相,白色顆粒為弱磁相富AlNi相。兩相分布均勻、元素分布界面明顯、取向性好等都對(duì)磁性能的提高有重要影響。圖2(a)中紅色圓圈內(nèi)有部分細(xì)小的相,經(jīng)過(guò)能譜分析為富FeCo相,結(jié)合圖2(d)可以看出，在貯存1年的Alnico8中富FeCo相尺寸分布不均勻。圖2(b)中細(xì)小的富FeCo相數(shù)量減少,部分尺寸較小的富FeCo相合并為一個(gè)較大的富FeCo相,同時(shí)部分較大的富FeCo相出現(xiàn)分裂的趨勢(shì)。圖2(c)中富FeCo相尺差別不大，分布較為均勻。對(duì)比圖2(d)、圖2(e)、圖2(f)可以看出，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),Alnico8合金中的富FeCo相尺寸差異性逐漸減小。富FeCo相尺寸分布均勻后達(dá)到穩(wěn)定,重新合并或分裂較少,從而相界面穩(wěn)定,對(duì)磁疇壁的釘扎作用增強(qiáng),疇壁不易移動(dòng)且磁疇的磁矩方向翻轉(zhuǎn)難度增加,同時(shí)由于富FeCo相分支的減少,其退磁場(chǎng)也相應(yīng)減小,這些特點(diǎn)能夠提高Alnico8合金的磁穩(wěn)定性[21]。

圖2 貯存時(shí)間為1年、4年、6年Alnico8合金的顯微組織和富FeCo相的尺寸分布 (a) (d) Alnico8-1;(b) (e) Alnico8-4;(c) (f) Alnico8-6Fig. 2 Alnico8 alloys which are stored 1 year, 4 years, 6 years’ microstructure and the size of the FeCo-rich phase distribution(a) (d) Alnico8-1; (b) (e) Alnico8-4; (c) (f) Alnico8-6

Alnico8合金在充磁后,磁矩會(huì)沿外加磁場(chǎng)方向,Alnico8合金的內(nèi)部會(huì)形成較大的磁致伸縮內(nèi)應(yīng)力[22],在自然貯存過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力緩慢釋放,相界元素?cái)U(kuò)散,磁疇出現(xiàn)合并及翻轉(zhuǎn),磁感應(yīng)強(qiáng)度降低[23]。圖3所示為Alnico8合金在自然貯存狀態(tài)下的磁不可逆損失變化規(guī)律及3條磁不可逆損失曲線的擬合方程,可以看出貯存1年的Alnico8合金磁不可逆損失率最大,而貯存6年的磁不可逆損失率最小,隨著貯存時(shí)間的增加,方程的斜率不斷減小,磁不可逆損失速率在不斷降低。說(shuō)明隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),Alnico8合金的磁穩(wěn)定性越好。

圖3 Alnico8磁不可逆損失率ΔB/B隨時(shí)間的變化規(guī)律及其擬合方程Fig. 3 Alnico8 magnetic irreversible loss ΔB/B changing with the time and the fitting equation

通過(guò)不同貯存時(shí)間的Alnico8合金的顯微組織與磁穩(wěn)定性的對(duì)比,長(zhǎng)時(shí)間的貯存后強(qiáng)磁相的有序度增加[20]。由于Alnico8合金為晶粒與相雙重織構(gòu)結(jié)構(gòu),磁性能主要由形狀各向異性決定,富FeCo相與富NiAl相有序化轉(zhuǎn)變后,作為單疇粒子的富FeCo相磁疇翻轉(zhuǎn)更加困難[24],從而磁矩方向更加穩(wěn)定,合金的磁穩(wěn)定性也增加。由圖1與圖3對(duì)比可以證實(shí)，隨著合金有序性增加,磁穩(wěn)定性也增加。強(qiáng)磁相富FeCo相尺寸也隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而更加均勻,分裂與合并減少,兩相界面更加穩(wěn)定,疇壁更易得到釘扎,磁疇翻轉(zhuǎn)與合并減少,磁穩(wěn)定性增加[21，23],圖2與圖3也說(shuō)明了這一點(diǎn)。富FeCo相與富NiAl相有序化程度增加,兩相界面穩(wěn)定,富FeCo相分支減少后退磁能減少,均能提高Alnico8合金的磁穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文研究了自然狀態(tài)下貯存時(shí)間為1年、4年、6年的未穩(wěn)定化Alnico8合金的物相和顯微組織結(jié)構(gòu),并在自然貯存狀態(tài)下研究了Alnico8合金的磁穩(wěn)定性。通過(guò)以上分析得出以下結(jié)論:

1)Alnico8合金具有體心立方結(jié)構(gòu),貯存時(shí)間為6年的Alnico8合金(100)超結(jié)構(gòu)衍射峰的強(qiáng)度與(200)衍射峰的強(qiáng)度比值(I100/I200)最大,有序度最好。

2)Alnico8合金富FeCo相隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，尺寸變得均勻,分裂與合并減少。

3)不同自然貯存時(shí)間的Alnico8合金磁不可逆損失率不同,其中自然貯存6年的Alnico8合金磁不可逆損失率最小,即隨著貯存時(shí)間的增加，Alnico8合金的磁不可逆損失率獎(jiǎng)低,磁穩(wěn)定性增加。

4)提高合金的取向度和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性,可改善磁體的磁穩(wěn)定性。

[1] Kramer M J, McCallum R W, Anderson I A, et al. Prospects for non-rare earth permanent magnets for traction motors and generators[J].Jom, 2012, 64(7): 752-763.

[2] Skomski R, Manchanda P, Kumar P, et al. Predicting the future of permanent-magnet materials[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(7): 3215-3220.

[3] 賈貴元，陳吉林. 我國(guó)Alnico8永磁工業(yè)的現(xiàn)狀與未來(lái)[J].Magn Mater Device， 1998，29(6):22-26.

[4] Bauer D, Diamond D, Li J, et al. U.S. Department of Energy Critical Materials Strategy[R]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 2010.

[5] Clegg A G,McCaig M. The high temperature stability of permanent magnets of the iron-nickel-aluminium system[J]. British Journal of Applied Physics, 1958, 9(5): 194.

[6] Szymura S. The effect of manganese on the modification of non-metallic inclusions and magnetic properties of columnar Alnico 5 permanent magnets[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1983, 30(3): 389-394.

[7] Hao S M, Ishida K, Nishizawa T. Role of alloying elements in phase decomposition in alnico magnet alloys[J]. Metallurgical Transactions A, 1985, 16(2): 179-185.

[8] Iwama Y, Takeuchi M. Spinodal decomposition in AlNiCo 8 magnet alloy[J]. Transactions of the Japan Institute of metals, 1974, 15(5): 371-377.

[9] Н.И.Михеев.О Влиянии. Основных компанентов и кремния в сплавах магнико. Ми ТОМ, 1973(2):26-28.

[10] Gaona-Tiburcio C, Almeraya-Calderón F, Chacon-Nava J G, et al. Electrochemical response of permanent magnets in different solutions[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2004, 369(1-2):78-80.

[11] Yang G. Permanent magnetism material's stability and its application in motor[C]//2011 International Conference on Electronics and Optoelectronics (ICEOE). IEEE, 2011: 211-214.

[12] Yu L Q,Wen Y H, Yan M. Effects of Dy and Nb on the magnetic properties and corrosion resistance of sintered NdFeB[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2004, 283(2): 353-356.

[13] 尤學(xué)貴. 促使磁鋼老化的幾種因素[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn), 1992(3):3.

[14] 王運(yùn)新, 劉瑞群. Alnico 8永磁合金析出相的形貌觀察[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1979(4):26-30.

[15] 王楠. Alnico永磁材料的輻照效應(yīng)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[16] Zijlstra H. Maximum energy product of crystal‐oriented polycrystalline ticonal G (Alnico 5) magnet steel[J]. Journal of Applied Physics, 1956, 27(10):1249-1250.

[17] Phillips J H, Woolley J C, Street R. Theinfluence of temperature on magnetic viscosity[J]. Proceedings of the Physical Society, 1955, 68(6): 345.

[18] Kronenberg K J, Bohlmann M A. Long term magnetic stability of alnico and barium ferrite magnets[J]. Journal of Applied Physics, 1960, 31(5): 82-84.

[19] 陳登明, 劉先橋, 孫建春,等. 鋁鎳鈷永磁材料高溫Q點(diǎn)穩(wěn)定性研究[J]. 功能材料, 2010, 41(3):487-488.

[20] Palasyuk A, Blomberg E, Prozorov R, et al. Advances in characterization of non-rare-earth permanent magnets: exploring commercial Alnico Grades 5-7 and 9[J]. Jom, 2013, 65(7): 862-869.

[21] Sun Y L, Zhao J T, Liu Z, et al. The phase and microstructure analysis of Alnico magnets with highcoercivity[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 379: 58-62.

[22] Loffler M,Nierla M, Kadur M, et al. Optimizing the dimensions of an inverse magnetostrictive MEMS pressure sensor by means of an iterative Finite Element scheme[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2016:1.

[23] Zhou L, Miller M K, Lu P, et al. Architecture and magnetism of alnico[J].Acta Materialia, 2014, 74(4):224-233.

Alnico8 Alloy Magnetic Stability Research

XU Lu-jiang1, SUN Ying-li2,JIANG Long-tao1, LIAO Ya-qin1,WU Gao-hui1

(1.School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China； 2.Ningbo Institute of Industrial Technology,Ningbo，Zhejiang 315000,China)

The Alnico8 alloys which are stored 1 year, 4 years, 6 years have been studyed on the microstructure and magnetic evolution. The analysis result indicates that the Alnico8 alloys which are stored 1 year, 4 years, 6 years have same X-ray diffraction peak position,butI(100)/I(200)increases with the extension of storage time, suggest that the ordered phases’ ordered degree have increased. Also with the extension of storage time, FeCo-rich has more uniform size and more stable phase interface .At the same time,Alnico8 alloys which stored different time have different magnetic irreversible loss rate, and with the increase of storage time ,the lower magnetic irreversible loss rate of Alnico8 alloy, the better of the magnetic stability.

Alnico alloy; Grain structure;Texture; Stability

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.017

2016-06-12；

2016-07-30。

許魯江(1991-)，男，碩士，主要從事Alnico磁鋼的磁穩(wěn)定性研究。E-mail：xulujiang1991@163.com

U666.12

A

2095-8110(2017)01-0094-04