钕铁硼永磁材料化学与热稳定性研究范文

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《航天器环境工程杂志》2014年第三期

1空间电机对永磁材料的要求

空间电机的性能、应用环境和寿命有着特殊的要求，故对永磁材料的磁性能和机械性能也提出更高的要求。本文以一种主流的航天机电产品用电机的结构为例（如图1所示），该电机为分装式，分为转子组件和定子组件。其中，导磁轭一般由软磁材料组成。每块磁钢之间由不导磁材料（如铝条等）隔开。每个磁钢与导磁轭之间有一定厚度胶层，故整个磁钢组件由4种不同种类材料组成。工作时，定子组件安装在转子组件的内外磁回路之间，相当于有内、外2个工作气隙。这种结构的无刷直流电机具有双定转子气隙特点，其磁间隙在0.4mm左右。为保证磁间隙的精度和一致性，在电机工艺中要求导磁轭、铝条和磁钢按照工艺基准通过胶层固定好之后再加工精磨到位，而在此过程中极易发生脆性磁钢崩角或开裂，这也是使用钐钴磁钢时遇到的最大问题，且目前工业上使用的工艺方法均无法根本杜绝钐钴磁钢材料脆性引发的自身隐患。新一代钕铁硼永磁材料发展至今，其室温下剩余磁感应强度Br已达到1.47T，内禀矫顽力HcJ已达到2786kA/m，最大磁能积(BH)max高达421.8kJ/m3，磁性能和机械性能都明显优于钐钴磁钢。如果能将钕铁硼永磁材料应用到机电产品上，就能从根本上解决电机磁钢加工和使用过程中易脆、易崩角的问题。

2钕铁硼永磁材料的稳定性

钕铁硼磁性材料的磁性能随环境、磁场、温度、化学以及时间变化而变化[4]，其温度系数大、居里点低，在应用时要注意工作温度对磁性能的影响。另外，钕铁硼磁性材料含有约30%的铁元素，极易氧化生锈，克服其化学不稳定性也是其应用中需要解决的重要问题。

2.1热稳定性钕铁硼永磁材料热稳定性，即其由于所处环境温度改变而产生的磁性能变化用材料的温度系数来表征。永磁材料的磁性能变化分为不可逆损失和可逆损失2部分：不可逆损失是指温度恢复到原来温度后永磁材料的磁性能不能恢复到原值，从而导致有的电机随着使用电气性能逐步下降[7]，应尽量避免；而可逆损失是难以避免的，在电机设计之初就必须充分考虑在稳定温升运行时必须达到的性能。随着钕铁硼永磁材料的发展，温度系数很小的永磁材料已经问世，可小到万分之一[6]。结合实际使用的磁钢尺寸和性能要求，选择目前国内大部分磁钢厂家生产的几种具有代表性的型号，结合退磁曲线、内禀矫顽力曲线和磁能积曲线对永磁材料性能进行测试，表1是几种钕铁硼永磁材料性能。文献[8]中分别对几种材料进行模拟使用条件温度发生变化的时效处理研究，一般钕硼永磁材料在处理后，如果使用温度不超过时效处理温度则不再产生不可逆磁性能下降。对比这几种材料：1）40SH剩余磁感应强度最高、矫顽力高、最大磁能积高，但其价格贵、内禀矫顽力低、时效后磁性能下降最多、温度系数较大，适用于温度要求较低、体积要求小、不太重要的场合。2）38SH同40SH或35SH相比，剩余磁感应强度适中、矫顽力较高、内禀矫顽力和最大磁能积均处于较高水平、价格适中、温度系数中等、时效后磁性能下降最小，适用于温度低于150℃，要求体积小、重量轻的场合。3）38UH剩余磁感应强度适中、内禀矫顽力高、价格最贵、但其使用温度最高，适用于温度低于180℃、要求稳定性好、可靠性高的场合。结合我国航天机电产品的工作温度以及过程温度均低于130℃的实际情况，剩余磁感应强度适中、矫顽力较高、性价比较高的38SH钕铁硼永磁材料是最优之选，对该型号材料进行了一系列的环境试验后再进行磁性能测试，其温度系数α均小于万分之一。试验结果证明了该材料的热稳定性满足航天机电产品的应用要求。

2.2化学稳定性和防腐蚀试验根据对Fe-Cr-Ni相图的分析，某些成分范围内的Fe-Cr-Ni系合金在特定状态下有能获得α/Y相变型合金类似的组织结构，可望得到具有一定永磁特性的不锈钢永磁材料，但同时带来价格大幅度上涨、磁性能下降的缺点。随着永磁电机在航天机电产品上应用的迫切性，钕铁硼永磁材料的防腐蚀问题将成为重要课题。钕铁硼粉末合金中的稀土元素钕性质活泼，使得整个合金的耐蚀性能很差，在湿热的气候环境中极易生锈、腐蚀，缩短了磁体的寿命，降低了产品的稳定性和可靠性。目前基于成本和磁性能的考虑，国内外大都采用电镀、涂覆、化学镀、电泳、封闭等保护方法来达到钕铁硼永磁材料的防腐蚀要求。2.2.1防腐层方式选择由于钕铁硼永磁材料是一种多孔隙材料，经粉末冶金而成，而粉末合金的高活泼性和高孔隙度使其曝露于空气和水溶液中极易氧化和腐蚀，氧化法成膜厚度一般，防腐效果有限；电镀方法结合力不好，并且多孔隙，长期使用防腐能力也不强，尤其针对航天机电产品用电机是对钕铁硼永磁材料组合件进行整体镀，有多种材料同时参与，常规的电镀工艺很难保证产品的品质稳定，镀层起泡、变色时有发生。结合空间电机的磁钢组件表面处理需求，化学镀镍是最优选择。在本文的研究工作中，一般的化学镀镍方法针对图1电机结构中不同种类材料组合镀也存在如下问题：1）由于组件中包含几种活性金属材料和非金属材料，且材料中的活性元素排列相差较远，分布于氯离子前后，故在镀层工艺中应严格控制含氯离子的酸性溶液的使用量，对前处理镀液的酸碱度和浸泡时间要有严格要求；2）化学反应速率快，镀层较易脱落；3）钕铁硼永磁材料活性大，如果镀层脱落会导致镀液的分解加速，因此在含钕铁硼永磁材料的磁钢组件上进行化学镀必须解决镀液酸碱度控制和镀层防脱落的问题，这就需要严格的前处理控制，合适的化学镀液配比、反应时间和后处理措施。

2.2.2镀层选择在众多的镀层工艺中，适合钕铁硼合金并符合经济性原则的镀层工艺有镀锌、镀铜、镀镍和镀镍磷合金。其中，镀镍磷合金成本最高，对维护管理及设备要求较高。镀铜则易氧化变色，影响外观装饰性，只能作底层（一般不作面层）。镀锌成本低，操作控制简便，耐蚀性也较好，可以应用在钕铁硼永磁体上。镀镍虽然成本较镀锌高，可耐蚀性和装饰性都优于镀锌，属于理想的工艺选择。镀锌和镀镍的防护原理不同，锌相对于钕铁硼而言，是一个阳极性镀层，这使得腐蚀主要局限在镀锌层之中，这时锌的铬酸盐转化膜的耐蚀性将直接影响镀锌层的外观和耐蚀性能；而镍镀层对于钕铁硼基体，因钕的活泼性和腐蚀电偶中的阳极加速作用，腐蚀一旦发生则会很快加剧，减少镀层的孔隙，将有利于提高镀层的耐蚀性，可以采用多层的复合镀层来满足实际的使用要求。本文中的空间电机用钕铁硼永磁材料的工艺特殊性给钕铁硼的表面处理工作增加了更大的困难。如前所述，由于磁钢防锈是在加工形成磁钢组件后才进行的，所以对磁钢组件进行表面处理时实际是对钕铁硼永磁材料、铝条、胶层和软磁材料4种材料的结合体进行表面处理，要求在这4种不同类型材料上均能形成合格的镀层质量。针对镀锌层和镀镍层的腐蚀特点，结合我国目前的镀层工艺水平，试验选用了化学镀镍的镀层方法。通过试验研究发现，电镀时要做好前处理，包括去锈、去油、磷化处理；由于钕铁硼永磁材料对酸、碱都发生反应，结合其他3种材料的要求，镀液酸碱度应控制在中性为宜；钕铁硼永磁材料的酸洗和其后的清洗都非常重要，应采用酸洗+活化及多次用超声波清洗，并严格控制各工序的镀液配比和反应时间；同时钕铁硼永磁材料施镀过程中渗氢现象较为严重，必须进行除氢处理。

2.2.3试验验证结合以上分析，经过几轮试验摸索之后，确定了一种专用表面处理工艺，可以实现对目前航天机电产品用电机使用钕铁硼永磁材料的磁钢组件的高耐蚀性表面处理。使用该工艺得到8～12µm的镀镍层，镀层光亮平整、结合力优良，如图2(a)所示。将该磁钢组件经过3.5个-20～+130℃温度区间的热循环试验观察其镀层质量和磁性能的变化，试验后的组件照片如图2(b)所示，通过对镀层质量的检查发现其在热循环试验前后没有发生变化。同时通过试验前后的磁性能测试对比发现，表面处理工艺中的120℃高温过程对38SH型号钕铁硼永磁材料的磁性能基本没有影响。

3结论

1）通过理论分析和试验验证可得，38SH钕铁硼永磁材料在低于130℃环境下使用时磁性能稳定，能够满足航天机电产品用电机的性能使用要求。2）对航天机电产品用电机中磁钢组件的表面处理是对几种不同材料同时进行，选用化学镀时严格控制镀液酸碱度防止镀层脱落能够实现比较好的镀层质量。3）对含有钕铁硼永磁材料的磁钢组件进行除油和酸洗时，宜使用中性和弱碱性的除油剂，使用稀硝酸溶液或弱有机酸短时间酸洗，不应使用强氯素酸，切忌使用高浓度的强酸，否则材料表面会急剧粗化乃至粉化。4）目前首次使用钕铁硼永磁材料的航天机电产品用电机的实验件已经基本完成，其中最关键的钕铁硼永磁材料热稳定性和防锈问题的解决方法在试验中均得到验证，性能均满足使用要求。为钕铁硼永磁材料在航天用永磁无刷直流电机上的广泛应用提供了参考。

作者：杨磊李连香杨屹单位：北京控制工程研究所