关于烧结NdFeB磁体在高温高湿氧气和氮气环境中的腐蚀行为的研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Study on the corrosion behavior of sintered NdFeB magnets in hot and humid oxygen and nitrogen environments

　　

秦文强|郑必章|江建军|杨丽静|赵萍萍|李建忠|江青正|宋振伦

江西科学技术大学，中国赣州341000

摘要

烧结钕铁硼（NdFeB）永磁体因其优异的磁性能而被广泛使用。然而，其具有化学活性的多相微观结构导致在高温潮湿环境中的耐腐蚀性较差，这限制了其实际应用。为了研究这些磁体的腐蚀行为，在180°C和10巴的压力下，分别在氧气（O₂）和氮气（N₂）环境中，以及不同相对湿度（RH）条件下进行了实验。此外，为了研究两种不同等级磁体在高温高湿度环境下的腐蚀行为，分别在氧气环境中使用了N52H磁体，在氮气环境中使用了N52磁体。实验结果表明，在O₂和N₂环境中，磁体的重量增加和表面粗糙度通常随湿度的增加而增加，表明湿度是这些条件下反应过程的主要控制因素。在N₂环境中，腐蚀产物主要是氧化物，尽管磁体表面还与N₂发生了反应。值得注意的是，在80%的相对湿度下，重量增加和表面粗糙度出现了异常减少现象，这归因于磁体表面形成了致密的Fe₃O₄薄膜。这一发现挑战了传统观点，即腐蚀随湿度单调增加的观点，并阐明了在特定条件（180°C、10巴、2天暴露时间）下腐蚀与湿度的非单调依赖性，同时为开发NdFeB磁体的新型表面保护技术提供了潜在的途径。

引言

钕铁硼（NdFeB）磁体由于其高剩磁（B_r）、高矫顽力（H_cj）和高最大能量积而在电机、发电机、磁悬浮装置、计算机硬盘和风力涡轮机等众多领域得到广泛应用。[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6] 1984年，Sagawa等人[5]通过粉末冶金法制备了NdFeB磁体，Croat等人[7]通过熔融旋铸法制备了NdFeB磁体。此后，NdFeB磁体在各个行业中发挥了重要作用。[8]、[9] 它们的优异磁性能与其微观结构密切相关，其中四方相Nd₂Fe₁₄B颗粒（φ相或T1相）被一层薄的、连续的富钕晶界相所包围。[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17] 这层晶界相有效抑制了反磁化畴的形成，防止了主相颗粒之间的交换耦合，从而提高了磁体的矫顽力。[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23] 然而，在高温潮湿环境中，NdFeB中各组成相的高化学活性导致其耐腐蚀性较差。腐蚀会降低磁体的磁性能，影响设备的精度和稳定性，从而限制了NdFeB磁体在更广泛的应用中的使用。[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]

在高温潮湿条件下，电化学反应占主导地位，对此有两种对立的观点。一种观点认为，由于晶界相和主相的体积分数差异较大，NdFeB的腐蚀行为受两者之间电位差的控制[33]、[34]、[35]、[36]；在这种观点下，晶界相的腐蚀起主导作用，而主相则基本不受影响。另一种观点认为，Yan等人在高温潮湿氧化过程中发现，腐蚀机制不会区分晶界相和主相，两者都会受到均匀影响[27]；在这种观点下，主相的腐蚀也会导致NdFeB磁体的重量增加。

关于NdFeB的腐蚀机制已经达成了一定的共识。在高温潮湿环境中，水蒸汽会在磁体表面凝结成细小的液滴或薄膜。富钕相中的Nd和主相中的Fe作为阳极，产生Nd³⁺和Fe²⁺离子，这些离子在阴极与OH^?反应形成不溶的Nd(OH)₃和Fe(OH)₂沉淀物。因此，在富钕相和主相的腐蚀坑周围会形成凸起。[27] 在高温潮湿环境中腐蚀后，NdFeB磁体会出现许多坑洞。随着晶界腐蚀的进展，Nd₂Fe₁₄B主相颗粒会脱落，导致磁体碎裂。这种腐蚀行为在150°C以下潮湿环境中随着相对湿度（RH）的增加而加剧，而在更高温度下水蒸气是一个重要的加速因素。[24]、[37] 此外，先前的研究表明大气成分会影响腐蚀过程；例如，氮气（N₂）可以在一定程度上抑制NdFeB磁体在高温下的蒸汽腐蚀，而高氧分压则会显著加快腐蚀速率。

然而，仍存在一些不足之处。首先，以往的研究主要关注空气环境，而在纯氧气（O₂）或氮气（N₂）等单气环境中不同相对湿度下的全面系统研究尚缺乏。其次，大多数研究集中在150°C以下的温度，关于NdFeB磁体在150°C以上高温高压环境下的腐蚀行为的系统数据也很少。此外，目前对湿度引起的腐蚀的理解仍然较为定性，即腐蚀随湿度增加而加剧，但尚未系统探讨在磁体表面原位形成保护性氧化膜所需的湿度条件。

本研究系统研究了烧结NdFeB磁体在高温高压潮湿环境下的腐蚀行为，旨在阐明极端湿度条件下的腐蚀模式。在180°C、10巴和2天暴露的具体条件下，观察到腐蚀与相对湿度的非单调依赖性。结果表明，在O₂和N₂环境中，80%相对湿度下磁体表面原位形成的Fe₃O₄保护相的含量相对较高。这些发现有助于阐明湿度对NdFeB磁体在高温高压下的腐蚀行为和界面演变的影响，并为评估其在高温潮湿环境下的使用性能和原位保护技术提供了实验基础和理论参考，从而有助于提高NdFeB磁体的环境适应性和扩展其在高端设备中的应用。

章节摘录

材料

本研究使用了N52H和N52圆柱形磁体（Φ10×5毫米；宁波永磁有限公司）。两种磁体的化学成分列于表1中。此外，为了研究两种不同等级磁体在高温高湿度环境下的腐蚀行为，分别在氧气环境和氮气环境中使用了N52H磁体和N52磁体。测试前，未磁化的磁体依次经过600目研磨。

结果与讨论

图2显示了在不同相对湿度（RH）下，NdFeB磁体在氧气（O₂）和氮气（N₂）环境中暴露后的宏观外观以及通过光学显微镜观察到的表面形态。从宏观外观来看，磁体表面的锈蚀量通常随相对湿度的增加而增加。红色锈蚀通常表示形成了Fe₂O₃。然而，在80%的相对湿度下，磁体表面出现了一种不同于红色锈蚀的蓝色腐蚀产物。

结论

本研究使用高压反应器在不同相对湿度条件下生成了180°C和10巴的氧气（O₂）和氮气（N₂环境，并研究了烧结NdFeB磁体在高温潮湿条件下的腐蚀行为。主要结论如下：

1.

相对湿度（RH）是控制NdFeB磁体在高温高压环境中腐蚀行为的主要因素。腐蚀后磁体的重量增加和表面粗糙度通常会增加。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。