比较耐受性控制的多线锯切与研磨对烧结Nd-Fe-B薄磁体表面损伤及机电磁性能的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Comparative effect of tolerance-controlled multi-wire sawing versus grinding on surface damage and mechano-magnetic properties of sintered Nd-Fe-B thin magnets

　　

詹立春|潘文宇|张泽华|刘伟强|赵毅|杜瑞华|岳明|贾胜利|魏启峰

中国北京工业大学材料科学与工程学院，教育部先进功能材料重点实验室，北京 100124

摘要

烧结的Nd-Fe-B薄磁体对表面缺陷非常敏感，这些缺陷会严重影响其性能。本研究系统地比较了采用公差控制的多线切割（使用直径为120微米的金刚石线）和传统研磨方法对表面完整性和机械磁性能的影响。两种工艺都满足了所需的组装公差；然而，虽然研磨方法提供了略好的平整度和尺寸一致性，但引入了严重的亚表面损伤和晶粒拔出现象。相比之下，多线切割样品保持了更好的表面完整性，具有致密且完整的表面层。这导致其显微硬度为675.2 HV，比研磨样品高约4.5%，平均三点弯曲力增加了9.8%（54.8 N），且未观察到低强度的异常值。此外，多线切割磁体在100°C下暴露2小时后，单位质量的磁矩提高了约1.78%，不可逆磁通量损失降低了约0.54%。微观结构分析表明，公差控制的多线切割工艺有效地保留了表面层，抑制了反磁化畴的成核。这些发现表明，该工艺可以在保持尺寸精度的同时协同提高机械和磁性能，为低损伤、高效率制造烧结Nd-Fe-B薄磁体提供了理论基础。

引言

由于其出色的磁性能[1]，[2]，[3]，[4]，烧结Nd-Fe-B永磁体被广泛应用于消费电子、新能源汽车以及信息和通信技术领域。终端设备向小型化和薄型化的趋势不断推动了对薄小Nd-Fe-B磁体的需求不断增加[5]，[6]，[7]。然而，烧结Nd-Fe-B本质上硬度高且脆性大，通常被认为是一种难以加工的材料，这严重限制了其在精密部件中的应用[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。

金刚石线切割技术具有切割损耗低、加工效率高、环保和成本相对较低等优点[9]，[12]，已被广泛用于切割单晶硅[13]、多晶硅[14]和陶瓷[15]等硬脆材料。鉴于烧结Nd-Fe-B也具有类似的硬度和脆性，金刚石多线切割已成为制造这些磁体（尤其是薄磁体）的主要工艺。在更广泛的制造领域中，其他低损伤的非传统方法存在明显的局限性。电火花加工（EDM）和激光切割[6]，[10]可以避免机械应力，但产量低且会引起严重的热损伤（例如热影响区和重铸层）。磨料水射流加工（AWJM）[10]可以避免热效应，但会导致磨料颗粒嵌入。因此，多线切割仍然是高产量大规模生产的首选方法。对于薄磁体而言，尺寸精度至关重要，因为它直接影响磁通量均匀性。然而，传统多线切割产生的表面粗糙度和波纹度往往无法满足实际要求，通常需要额外的研磨步骤来确保尺寸精度并符合电镀标准。这不可避免地会增加生产时间和制造成本[16]，[17]。这种“切割+研磨”的组合方法不可避免地会导致严重的亚表面机械损伤，并增加生产成本。因此，本文提出的单步公差控制多线切割方法提供了一种优化的替代方案，在高表面完整性、生产效率和成本效益之间取得了良好的平衡。

关于Nd-Fe-B磁体的金刚石线切割已经进行了大量研究。Costa等人[8]利用压痕和金刚石划痕测试，基于其微观结构和磁各向异性来表征Nd-Fe-B的弹性及机械行为，从而阐明了基本的材料去除机制。Zhang等人[8]在工业参数范围内进行了单因素切割实验，系统地研究了进给速度、线速、工件尺寸和线磨损对表面形态、脆性去除率、粗糙度和波纹度的影响。他们的结果表明，当金刚石线处于稳定磨损阶段时，可以获得最佳的表面质量。Liu等人[17]在切割过程中监测了切割力和线材横向位移，证明线材横向振动是周期性表面波纹的主要原因，这与正向切割力呈正相关。Peng等人[19]采用正交实验设计研究了关键参数对表面粗糙度（Ra）和波纹度（Wa）的影响，确定进给速度是最重要因素，并建立了优化的参数集。Wu等人[16]通过监测线材横向运动分析了表面形成过程，报告称在不影响表面质量的情况下，切割效率几乎可以翻倍。此外，Costa等人[7]研究了金刚石线切割对Nd-Fe-B微磁体表面完整性和磁性能的影响，发现亚表面损伤主要由晶粒拔出和晶间微裂纹组成，磁性能下降与表面积与体积比的增加密切相关。

总之，以往的研究主要集中在切割参数（如线速、进给速度和张力）如何影响表面特性（包括形态和粗糙度）上。然而，对加工后磁体的机械性能和整体磁性能的系统研究仍然很少。此外，现有研究通常使用直径相对较大的金刚石线（例如直径350微米[7]、240微米[16]、250微米[17]、220微米[18]、[19]），并且主要基于单线切割设置[16]，[17]，[18]，[19]。而在工业实践中，已经广泛使用直径较细的金刚石线（约140-180微米）进行烧结Nd-Fe-B磁体的大规模多线切割；甚至更细的线材（约120微米）也已被大规模应用。尽管如此，使用这种细线进行烧结Nd-Fe-B多线切割的研究，特别是针对直径120微米的系统研究仍然明显不足。从物理角度来看，细线切割的低损伤特性源于两种耦合机制：密集的磨料分布降低了单颗粒负荷，促进了延性切割[17]，[18]；而柔性的线芯减弱了横向振动，防止了晶间拔出[16]，[17]。这种机制减少了亚表面损伤，并保持了坚固的表面能垒，防止了反磁化畴的成核。对于薄小磁体而言，其较大的比表面积使得加工过程对磁性能的影响不可忽视[20]，[21]，[22]，[23]。然而，关于这种磁体几何形状的多线切割的系统研究在文献中仍然很少。

为了解决这一差距，本研究系统地比较了商业烧结Nd-Fe-B薄磁体在大规模生产条件下的微观结构、机械性能和磁性能，这些磁体通过两种不同的工艺进行处理：一种是使用直径120微米的金刚石线进行公差控制的多线切割（不进行后续研磨），以下简称“多线切割”；另一种是结合多线切割和研磨的传统方法，以下简称“研磨”。消除研磨步骤，加上细线带来的切割损耗减少，提高了材料利用率并降低了整体生产成本。例如，对于厚度为0.5毫米的磁体，如果典型的研磨余量为0.05毫米，这种优化工艺可以降低成本约9%，对于更薄的产品，节省效果更为显著。重要的是，本实验设计全面评估了这两种加工方法。因此，细线动力学的内在物理优势不能与消除严重研磨损伤的优势完全分开。因此，本研究严格从系统层面进行评估，将细线实现的“无研磨”工艺与传统的“切割+研磨”方法进行比较，以直接满足工业需求。本研究旨在阐明公差控制多线切割影响烧结Nd-Fe-B薄磁体性能的机制，从而为这种组件的高效、高精度加工提供理论基础和实际指导。

部分摘录

实验

N45SH级烧结Nd-Fe-B毛坯的名义组成为Nd_22.21Pr_7.40Dy_1.09Fe_balM_2.37B_0.95（M = Al, Cu, Ga, Co, Zr，按重量计），由杭州Magmax科技有限公司提供，并作为本研究的起始材料。这些毛坯被加工成最终尺寸为5毫米×1.88毫米×0.5毫米的薄磁体样品，其中0.5毫米的方向对应于易磁化轴（c轴）。为了保持一致性，所有样品的长度（5毫米）和宽度（1.88毫米）都保持一致

尺寸精度和平整度

为了评估加工样品的几何精度，从每组中随机选取了六十四个样品，测量了关键厚度尺寸（0.5毫米）和平整度。结果如图3和图4所示。

如图3所示，多线切割样品的厚度分布相对较宽，近似呈对称的正态分布。该组的最大值和最小值分别为0.527毫米和0.517毫米，范围为0.010毫米。

结论

• (1)
  该工艺提供了可靠的“接近净形状”的能力。尽管切割样品的厚度范围（0.011毫米）和平均平整度（0.002毫米）略宽于研磨样品，但两者都完全满足了薄磁体组件所需的严格组装公差。这证实了该工艺作为昂贵且具有损伤性的研磨步骤的直接替代方案的几何适用性。
• (2)
  研磨会导致严重的亚表面损伤、晶粒拔出和边缘剥落。

CRediT作者贡献声明

詹立春：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据整理、概念化。潘文宇：方法论、研究。张泽华：研究。刘伟强：撰写——审阅与编辑、概念化。赵毅：验证。杜瑞华：研究。岳明：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。贾胜利：资源协调。魏启峰：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52401226）的财政支持。