稀土永磁材料從發(fā)明以來因其高的磁能密度而快速應(yīng)用推廣，是現(xiàn)代技術(shù)必不可少的基礎(chǔ)性功能材料。中國每年開采并向全世界提供半數(shù)以上的稀土資源，而這其中半數(shù)以上都用作稀土永磁材料的制造原料。

    稀土永磁材料在不同應(yīng)用場合會因為環(huán)境影響發(fā)生腐蝕失效，用于稀土永磁材料的一些防護技術(shù)本身也會給磁體帶來失效隱患。

    SmCo5、Sm2Co17主相和Nd2Fe14B主相的晶體結(jié)構(gòu)

    外界化學環(huán)境如氣體、水溶液、有機溶液，外界物理環(huán)境如壓力、振動、高溫、輻照等均可能造成稀土永磁材料的失效。從能量角度，所有物質(zhì)都自發(fā)向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。鐵、釹、釤等與氧化合后形成的氧化物能量狀態(tài)比鐵、釹、釤、氧單質(zhì)存在時的能量狀態(tài)低，稀土永磁材料在使用環(huán)境中會發(fā)生氧化，氧化過程會從表面向磁體內(nèi)部擴展，造成磁性材料失效。

    我們將材料在環(huán)境介質(zhì)的物理化學因素作用下發(fā)生破壞的現(xiàn)象稱之為腐蝕。主要分為三類：化學腐蝕：金屬基體與非電解質(zhì)直接發(fā)生反應(yīng)而引起的腐蝕，釹鐵硼、釤鈷磁體在干燥空氣中的氧化以及釹鐵硼、釤鈷磁體在高溫下的吸氫等屬于化學腐蝕；電化學腐蝕：金屬基體與離子導電的介質(zhì)發(fā)生電化學作用而引起的氧化；物理腐蝕：由于物理溶解發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。由于磁性材料應(yīng)用場合較多，其失效多因為化學原因產(chǎn)生，這里主要考慮化學腐蝕和電化學腐蝕。

    釹鐵硼磁體化學防護技術(shù)

    釹鐵硼磁體的防護技術(shù)簡單地分為化學防護技術(shù)和物理防護技術(shù)兩大類。化學防護技術(shù)主要包括制備金屬鍍層的電鍍、化學鍍，制備陶瓷鍍層的轉(zhuǎn)化膜以及有機涂層的噴涂、電泳等。生產(chǎn)中以電鍍工藝在釹鐵硼磁體工件表面制備金屬防護鍍層最為常用。

    電鍍是將磁體工件作為陰極，利用外電流，將電鍍?nèi)芤褐械慕饘訇栯x子在磁體表面還原，形成金屬鍍層的過程。燒結(jié)釹鐵硼磁體電鍍防護主要以提高磁體耐腐蝕性能為主，同時兼有提高表面力學性能、裝飾等作用。電鍍的優(yōu)點包括：工藝相對簡單，成膜速度快，易于大批量生產(chǎn)。大部分用于鋼鐵、有色金屬工件防護的電鍍金屬層的鍍種均可用于釹鐵硼磁體。用于釹鐵硼磁體防護的主要鍍種有Zn、Ni、Cu、Cr、Sn、Au、Ag等。由于釹鐵硼磁體具有多孔結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)活潑，單層鍍層常不能滿足較高的耐蝕要求，一般說來采用多層復合鍍可為磁體表面提供更為有效的防護。目前廣泛采用的有電鍍鋅、電鍍Ni-Cu-Ni、電鍍Ni-Cu-Ni+Ag、電鍍Ni-Cu-Ni+Au、電鍍Ni-Cu-Ni+電泳環(huán)氧等。

    鋅沒有磁性，作為防護鍍層對磁體磁性能影響小。與鎳、銅相比，鍍鋅價格相對低廉。鋅的硬度較低，鍍層內(nèi)應(yīng)力較小，不適用于防護易磨損的釹鐵硼磁體工件。有文獻報導鋅鍍層用于釹鐵硼磁體防護形成原電池時可以通過犧牲陽極來保護基體。鋅鍍層的標準電極電位是-0.762V，在研究了釹鐵硼磁體各成分相的電極電位后基本可以認定鋅鍍層并不能提供完全的陽極防護。實際使用效果上來看，鋅鍍層對釹鐵硼磁體的犧牲防護的效果并不明顯。鋅鍍層如果不經(jīng)過處理，在空氣中會變暗，因此鍍鋅后還需要進行鈍化處理。

    鎳鍍層的標準電極電位為-0.25V，較釹鐵硼磁體正，為陰極性鍍層，一旦外界電解質(zhì)滲入鍍層內(nèi)部，反而會造成基材加速腐蝕，導致鍍層和基體的結(jié)合力變差，出現(xiàn)鍍層分層、起泡等缺陷，應(yīng)用中對鎳鍍層致密度的要求非常高。釹鐵硼磁體表面電鍍鎳，通常采用多層體系如Ni-Cu-Ni來降低鍍層的孔隙率，提高鍍層抗耐蝕性能。相對而言，電鍍Ni-Cu-Ni成本比電鍍鋅高，但因耐高溫、抗氧化、耐蝕、裝飾性能、力學性能較優(yōu)而受到用戶青睞。

    可直接用于釹鐵硼磁體防護的單質(zhì)金屬電鍍層還有銅、錫、金、銀等，同時還有相當多的合金鍍技術(shù)也可以用于釹鐵硼磁體防護，如鎳磷合金、鎳硼合金、鋅鐵合金、鋅鎳合金等等。對于釹鐵硼磁體來說，Zn-Ni合金鍍層是陰極型鍍層，在研究了不同組成的Zn-Ni合金鍍層的穩(wěn)定電位[[iii]]后表明，含Ni量為13%左右時，Zn-Ni 鍍層為γ相的單相金屬間化合物，它具有很高的熱力學穩(wěn)定性和耐蝕性。

    經(jīng)過多年生產(chǎn)和使用證明，釹鐵硼磁體電鍍防護鍍層的缺點也相當明顯：鍍層孔隙率大，鍍層不致密，有形狀依耐性，工件邊角處會因電鍍過程中電力線集中鍍層增厚，需要對磁體邊角做倒角處理，對深孔樣品無法施鍍；電鍍工藝對磁體基體有損傷作用，在一些較嚴酷的場合，電鍍鍍層長時間使用后，會出現(xiàn)鍍層開裂、剝離、易脫落等問題，防護性能下降；隨我國環(huán)保意識的日益提高，用于電鍍?nèi)龔U處理的成本在磁體總成本中的比例急劇增長。

    化學鍍鎳技術(shù)是指在不加外加電流的情況下，鍍液中的金屬鹽和還原劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在工件表面的催化作用下，金屬離子還原沉積的過程。與電鍍相比，化學鍍工藝設(shè)備簡單，不需要電源及輔助電極，鍍層厚度均勻，特別適合形狀復雜的工件、深孔件、管件內(nèi)壁等表面施鍍，鍍層的致密度和硬度較高。化學鍍也存在一些缺點，鍍層厚度上不去，可鍍的品種不多，工藝要求相對較高，鍍液維護比較復雜。化學鍍鍍種主要有鍍鎳、鍍銅以及鍍銀等。目前化鍍學鎳磷合金在釹鐵硼磁體防護工藝中有一定的采用，且多作為電鍍鍍層的追加防護使用。由于化學鍍鎳過程中有大量的氫氣析出，對釹鐵硼磁體基體造成較大損傷，同時使得鍍膜具有較高的應(yīng)力，使用過程中鍍層易出現(xiàn)開裂、起皮等現(xiàn)象。

    采用轉(zhuǎn)化膜如磷化、鈍化等技術(shù)在鋼鐵中很常見。在釹鐵硼磁體表面采用傳統(tǒng)的磷化也可以在表面形成一層致密的防護層。釹鐵硼磁體磷化后可增加運輸過程的防護，同時提高粘膠的結(jié)合力。

    有機涂層的種類很多，大多可采用噴涂、刷涂以及電泳等方法進行涂覆加工。有機涂層成膜致密，對鹽霧、水蒸氣等有較好的阻隔作用。有機涂層可以與釹鐵硼磁體電鍍技術(shù)復合使用，達到進一步提高磁體防護性能的要求。

    釤鈷的防護薄膜制備

    釤鈷磁體高溫條件下會出現(xiàn)老化層，老化層的形成與氧的擴散有關(guān)。如果針對高溫使用的磁體采用表面處理的方法加以防護，隔絕氧向磁體內(nèi)部的擴散，可以極大地延緩釤鈷磁體的磁性能衰減。另外，釤鈷磁體力學性質(zhì)較脆，其中又以Sm2Co17脆性更為嚴重，在機加工以及使用過程中很容易出現(xiàn)開裂和缺角現(xiàn)象。通過電鍍、物理氣相沉積等手段，可以改善釤鈷的脆性，提高使用可靠性。

    本文摘編自宋振綸著《稀土永磁材料的失效與防護》。

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責任編輯：王元

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