在烧结Nd-Fe-B磁体进行涂层返工过程中，几何约束导致磁性能下降：晶界处HNi的协同侵入作用

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Geometric confinement induced magnetic degradation in sintered Nd-Fe-B magnets during coating rework: Synergistic HNi intrusion at grain boundaries

　　

詹立春|潘文宇|刘伟强|张宏国|唐林杰|赵毅|贾胜利|魏启峰|吴雄飞|岳明

中国北京工业大学材料科学与工程学院，先进功能材料国家重点实验室，北京 100124

摘要

本研究阐明了经过Ni-Cu-Ni涂层重处理后，薄烧结Nd-Fe-B磁体尺寸依赖性磁性能退化的机制。通过研究具有相同磁导率系数但表面积与体积比（厚度分别为0.5毫米和1.2毫米）相差2.45倍的磁体，我们定量地将磁性能下降与微观结构损伤联系起来。高表面积与体积比显著加剧了退化：0.5毫米厚的磁体在100°C下老化后，磁化强度降低了10.0%，磁通量不可逆损失了9.28%，远超过1.2毫米厚磁体的4.05%损失。这种加速的劣化过程是由界面效应驱动的。定量分析显示，薄磁体中的氢原子保留量几乎是厚磁体的三倍，这归因于界面吸附能力的增强和缺陷捕获作用。同时，截面表征证实镍原子渗透到了晶界处，形成了连续的铁磁网络，严重破坏了Nd₂Fe₁₄B晶粒之间的磁隔离。因此，氢脆化和镍诱导的磁桥接效应被认为是导致尺寸依赖性性能下降的主要因素。这些发现为了解电化学处理过程中金属间界面的失效提供了关键的微观结构见解，这对于确保微型永磁体的可靠性至关重要。

引言

烧结Nd-Fe-B磁体代表了最先进的稀土金属间永磁体，由于其出色的磁性能，在电动汽车到消费电子等多个领域都至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。随着设备小型化和厚度减小的趋势，对高性能、复杂形状和薄型Nd-Fe-B磁体的需求持续增加[5]、[6]。然而，作为一种多相材料，烧结Nd-Fe-B（或通过金属注射成型等增材制造方法制成的磁体）含有化学活性高的富钕晶间相，在潮湿和高温服役条件下极易发生晶间腐蚀，从而严重限制了磁体的使用寿命和可靠性[7]、[8]。

电镀作为一种成熟、成本效益高且可工业化大规模应用的表面保护技术，被广泛用于提高Nd-Fe-B磁体的耐腐蚀性[9]。多层涂层系统（如Ni-Cu-Ni或CuNi）已成为主流解决方案，为磁体提供了有效的保护[10]。其中，Ni-Cu-Ni涂层特别适用于薄烧结Nd-Fe-B磁体，因为它们具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和机械强度。目前该领域的研究主要集中在通过结构设计和后处理工艺来优化耐腐蚀性能[9]、[10]、[11]、[12]、[14]。例如，王帆等人[14]开发了Cu/Ni-P复合涂层，在提高耐腐蚀性的同时最小化了磁屏蔽效应。Rampin等人[11]系统评估了Ni/Cu/Ni涂层Nd-Fe-B磁体在各种环境下的腐蚀行为。赵毅杰等人[15]通过热处理提高了涂层的热稳定性，同时基本保持了磁性能。然而，在工业电镀过程中，工艺波动不可避免地会导致涂层缺陷，需要通过剥离和重新电镀来去除这些缺陷，这通常被称为电镀重处理。迄今为止，对于薄磁体在整个“电镀-剥离-重新电镀”过程中的磁性能演变仍缺乏系统的理解。现有研究主要集中在单步电镀操作或涂层系统本身的耐腐蚀性和热稳定性上。几何尺寸和表面积与体积（S/V）比以及重处理过程中氢和镍的侵入所造成的累积损伤尚不清楚。关于薄烧结磁体，中村肇等人[16]和Katter等人[17]的研究表明，表面损伤层和微型化（特征尺寸<5毫米）会显著降低磁性能。然而，他们的模型没有考虑磁导率P_c[18]、[19]，也没有比较电镀状态和重处理状态下的磁性能。

Nd₂Fe₁₄B的性能稳定性与其晶界对化学侵蚀的抵抗力密切相关。在开路条件下，宏观磁响应受几何因素P_c的控制。然而，不可逆退化的敏感性根源于微观结构，其中高S/V比会极大地放大界面脆弱性。在薄截面烧结Nd-Fe-B磁体中，这种几何效应与工业电镀重处理（酸洗-电镀-剥离-重新电镀）的影响相结合，导致微观结构损伤的累积，从而影响性能。

因此，本研究探讨了几何尺寸变化如何影响外来元素的侵入并决定随后的性能退化。具体来说，它研究了：(i) 重处理过程中磁化强度和高温不可逆磁通量损失的演变是否表现出明显的尺寸依赖性累积特征；(ii) 增加的S/V比如何加剧物理化学损伤，加速性能失效；以及(iii) 氢和镍如何共同驱动微观结构退化。

为了分离这些效应，将商用N45SH级烧结Nd-Fe-B磁体设计成两种几何形状，它们的磁导率P_c几乎相同，但S/V比相差2.45倍。这种关键设计将几何尺寸变化的影响与整体退磁反馈分离开来。通过系统地跟踪整个重处理过程中的磁性能和微观结构，并将定量氢分析结果与镍分布图进行关联，本研究加深了对稀土金属间化合物环境退化的基本理解，并为微型磁体的可靠再处理提供了机制基础；几何限制（高S/V比）与元素侵入之间的协同作用对于任何功能可靠性依赖于近表面区域的组件来说都是一个基本问题。

章节摘录

实验

本研究使用了杭州Magmax科技有限公司提供的商用N45SH级烧结Nd-Fe-B永磁体。采用相同的加工设备和标准化的制造流程，制备了两种具有相同磁导率P_c但S/V比不同的薄烧结磁体。表1总结了它们的几何尺寸和相关参数。这些样品分别称为1.2毫米厚和0.5毫米厚的磁体。

磁极化演变和尺寸效应

评估了未涂层（电镀前的酸洗样品和电镀后的剥离样品）和涂层（电镀样品和重新电镀样品）状态的磁极化J（定义为J = μ?(j/V)，其中j是磁偶极矩，V是磁体体积，μ?是真空磁导率）。对于涂层状态，体积V包括非磁性涂层，这直接导致了几何磁稀释效应。图1

结论

本研究展示了多步涂层重处理过程中烧结Nd-Fe-B磁体的功能退化。这种退化是由几何尺寸依赖性效应引起的，该效应加剧了微观结构损伤。主要发现如下：

几何限制决定了磁极化损失：观察到明显的尺寸依赖性磁极化（J）降低，其中薄而高S/V比的磁体（0.5毫米）的磁极化降低了约10.0%，而厚而低S/V比的磁体（1.2毫米）则没有这种降低。

CRediT作者贡献声明

詹立春：撰写——原始草稿、方法论、实验研究、数据整理、概念构建。潘文宇：方法论、实验研究。刘伟强：撰写——审稿与编辑、概念构建。张宏国：撰写——审稿与编辑。唐林杰：实验研究。赵毅：方法论。贾胜利：资源协调。魏启峰：撰写——审稿与编辑。吴雄飞：验证。岳明：撰写——审稿与编辑、项目监督。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFB3508500）和国家自然科学基金（编号52401226）的财政支持。