烧结Nd-Fe-B磁体低熔点共晶合金晶界扩散的研究

发布时间：2020-11-19 21:26

　　 第三代稀土永磁材料——Nd-Fe-B永磁体因其无与比拟的高的磁能积目前已被工业上广泛应用,Nd-Fe-B永磁体高的磁能积满足了设备轻量化、小型化的发展需求。近年来,电动/混和动力汽车等绿色交通工具、风力发电等新能源产业、高效变频空调压缩机等领域的快速发展对高矫顽力烧结Nd-Fe-B磁体的需求不断增加。目前,工业上高矫顽力烧结Nd-Fe-B磁体的制备都是通过在原料中利用重稀土元素Dy对轻稀土元素Nd的替换加入来实现的。Dy对Nd的替换一方面大大增加了Nd-Fe-B磁体的原料成本,另一方面,由于Dy原子和Fe原子的原子磁矩的反平行耦合,Dy的加入也降低了磁体的剩磁,进而牺牲了磁体的部分磁能积。发展低Dy或无Dy的高矫顽力Nd-Fe-B磁体已成为近年该领域的研究热点。烧结Nd-Fe-B磁体的晶界扩散技术是近年来提出的一种集约化利用重稀土元素Dy制备高矫顽力Nd-Fe-B磁体的新方法,该技术可以在提升磁体矫顽力的同时并保持磁体高的剩磁。本文重点研究了两类富稀土元素低熔点共晶合金晶界扩散对烧结Nd-Fe-B磁体微观组织及磁性能的影响。一类为轻稀土元素低熔点共晶合金Nd_(70)Cu_(30),另一类是重稀土元素共晶合金Dy_(70)Cu_(30)和Dy_(60)Co_(40)。此外,本文还研究了烧结Nd-Fe-B磁体退火过程冷却速度对磁性能的影响及磁体表面损伤层的磁学特征。本文的主要研究结论如下:Nd_(70)Cu_(30)共晶合金在烧结Nd-Fe-B磁体中晶界扩散的扩散动力不足,晶界扩散的深度较浅,扩散后富Nd相在晶粒边界的分布不均匀,扩散后的磁体矫顽力提升有限,并且扩散后磁体退磁曲线的方形度较低。在扩散过程中施加压力可以大大增加Nd_(70)Cu_(30)共晶合金的扩散深度及扩散后晶界富Nd相的分布均匀性,进而使得扩散后的磁体矫顽力大大提高,并且使磁体的退磁曲线保持较高的方形度。微观组织分析表明,压力作用下沿着晶粒边界产生的微观裂纹成为熔化Nd_(70)Cu_(30)合金的有益扩散通道。此外,压力的施加也增加了Nd_(70)Cu_(30)合金扩散渗透的毛细作用力。在相同的压力作用下,平行c轴加压晶界扩散的效果优于垂直于c轴的加压扩散效果,这是因为在750℃的扩散温度下,相同的压力大小使得平行于c轴施加压力产生的弹性应变能高于垂直于c轴施加压力产生的弹性应变能,高的弹性应变能更有利于产生作为扩散通道的微观裂纹。由于Dy_2Fe_(14)B的形成能(-7.721 eV/unit)远低于Nd_2Fe_(14)B的形成能(-3.486eV/unit),共晶合金Dy_(70)Cu_(30)和Dy_(60)Co_(40)在烧结Nd-Fe-B磁体中具有大的扩散驱动力。利用Dy_(70)Cu_(30)共晶合金沿着c轴晶界扩散后的Nd-Fe-B磁体的退磁曲线的方形度(0.92)优于垂直于c轴扩散后的磁体的退磁曲线的方形度(0.83)。我们将N52和N40两种不同矫顽力的烧结Nd-Fe-B磁体通过真空热压扩散焊制备出两个不同矫顽力分布梯度方向的复合Nd-Fe-B磁体,不同矫顽力分布梯度方向的复合Nd-Fe-B磁体的退磁特征差异类似于Dy_(70)Cu_(30)沿着不同方向晶界扩散后的磁体退磁曲线的特征差异。该实验结果表明,晶界扩散后烧结Nd-Fe-B磁体的退磁曲线的方形度依赖于磁体的矫顽力分布梯度方向与Nd-Fe-B磁体c轴的取向关系。利用微磁学模拟(OOMMF)从理论上对这一结论作了进一步的证明,矫顽力分布梯度平行于c轴的磁体的最初退磁增加了磁体的静磁能,矫顽力分布梯度垂直于c轴的磁体的最初退磁降低了磁体的静磁能。这使得矫顽力梯度方向平行于c轴的磁体的最初的退磁要克服更高的能垒,从而使沿着c轴晶界扩散处理的磁体的临界退磁场高于垂直于c轴晶界扩散处理的磁体。该研究结果从另一方面解释了之前文献中关于烧结Nd-Fe-B磁体沿着不同的方向晶界扩散后磁体退磁曲线方形度不同的原因。从该研究结果还可以进一步得出:沿着烧结Nd-Fe-B磁体的c轴方向晶界扩散对重稀土元素Dy的利用效率高于垂直于c轴晶界扩散对Dy的利用效率,这为集约化利用重稀土元素晶界扩散烧结Nd-Fe-B磁体提供了理论指导。Dy_(60)Co_(40)共晶合金对烧结Nd-Fe-B磁体晶界扩散后,在Nd_2Fe_(14)B晶粒边界能够同时形成富Dy和富Co的复合壳状结构。晶粒边界富Dy的壳状结构增加了Nd-Fe-B磁体反向磁畴的临界形核场,进而提升了磁体的矫顽力;晶粒边界富Co的壳层与晶粒内部的耦合作用提高了磁体剩磁的温度稳定性,在25℃到177℃这一温度区间,磁体的剩磁温度系数由退火态的-0.140%/°C降低到扩散后的-0.095%/°C,剩磁稳定性的提高使得扩散后磁体的高温剩磁高于未经扩散处理的退火态磁体的高温剩磁。然而,和未扩散的退火态的磁体的居里温度(318℃)相比,Dy_(60)Co_(40)共晶合金晶界扩散后的磁体的居里温度(320℃)仅提升2℃,由此说明,居里温度不是决定Nd-Fe-B磁体剩磁稳定性的唯一因素。该实验结果为制备高温下应用兼具高剩磁和高矫顽力的Nd-Fe-B磁体提供了新的思路。烧结Nd-Fe-B磁体高温退火后快速冷却会增加磁体的内应力,从而降低了磁体矫顽力,低温退火后的冷却速度对磁性能基本没有影响。由于烧结Nd-Fe-B磁体的表面损伤和氧化,烧结Nd-Fe-B磁体表层晶粒的矫顽力远低于磁体内部的矫顽力。对于小尺寸的烧结Nd-Fe-B磁体,增加磁体的比表面积会大大降低磁体的方形度和磁能积,而比表面积对磁体的矫顽力和剩磁没有影响。本文利用磁光克尔效应直接测量了烧结Nd-Fe-B磁体的平行于c轴表面的矫顽力,在远低于磁体矫顽力的周期磁场下即可得到磁体表面晶粒的磁滞回线,烧结Nd-Fe-B磁体的表面矫顽力约为磁体整体矫顽力的十分之一。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM273;TG146.45
【部分图文】：

世使永磁材料进入了稀土永磁材料的时代，开启了永磁材料发展的新纪七十年代，人们在第一代稀土SmCo5永磁材料的基础上开发出了S料，Sm2Co17被称为第二代稀土永磁材料。与之前的永磁材料相比，稀磁体的磁能积大幅提升，综合磁性能更加优异。但是，其主要的组成稀土金属 Sm 和昂贵、稀缺的战略金属 Co，原料成本较高，限制了的普及应用。目前，Sm-Co 永磁体主要用于军事工业、航天电机等稳定性要求较高的高科技领域。十世纪八十年代，日本的住友特殊金属株式会社的佐川真人等在实末冶金的方法制备出了磁能积为 400 kJ/m3的各向异性的钕铁硼(N几乎在同一时期，美国的通用汽车公司利用甩带法制备了各向同性磁体。他们的研究成果均在 1983 年匹兹堡举办的磁性材料国际会议，从此掀开了永磁材料发展的新篇章。与传统的永磁材料相比，Nd-具有传统永磁材料无与比拟的高的磁能积，Nd-Fe-B 永磁材料为第材料，被冠以“磁王”的美誉，图 1-1 总结了二十世纪永磁材料磁能积过程[6]。

对于器件的小型化，轻量化发展意义重大。二十世能积就翻一番，但是进入二十一世纪以来尚且没有的新的永磁材料的出现。稀土 Nd-Fe-B 永磁体目的代表，目前，其市场份额超过所有其它类型的永磁体问世三十多年以来，一直是学术界和工业界研Nd-Fe-B 永磁材料主要有烧结 Nd-Fe-B 永磁体、粘结形环形 Nd-Fe-B 永磁体三大类[7-10]。2005 年日立m3的烧结态 Nd-Fe-B 磁体，该磁能积为 Nd-Fe-B 磁为止报道的磁能积最高的永磁体。该磁体的剩磁高积分数 0.982，取向度 0.991[11]。-Fe-B 磁体的微观组织特征e-B 磁体优异的永磁性能源于其特殊的微观组织结明，烧结 Nd-Fe-B 磁体一般由 Nd2Fe14B 基体相，12-15]。烧结 Nd-Fe-B 磁体的微观组织结构示意图如

通大学博士学位论文 第一章 绪参数为 a=b=0.882nm，c=1.219nm。图 1-3 给出了各原子的占位信息及利用标绘制出的晶胞结构示意图[16]，一个 Nd2Fe14B 晶胞内含有 68 个原子，其Nd 原子，56 个 Fe 原子，4 个 B 原子。其中，Nd 原子有 2 个不同的原子Fe 原子有 6 个不同的原子占位，B 原子仅有 1 个原子占位。从图 1-3 可以所有的 Nd 原子和 B 原子分布在 z=0 和 z=0.5 的坐标面上，而在这两个面 4 个 Fe 原子 Fe(c)分布，其余的 Fe 原子分布在这两个面之间形成密排的网。该层状结构类似于 Fe-Cr 和 Fe-Mo 合金中的 σ 相[17]，相邻的 Fe 原子间在 0.24 nm 到 0.28 nm 之间。此外，B 原子和 Fe 原子形成三棱柱结构，B于棱柱的中心。在实际的Nd2Fe14B化合物中，由于可能存在原子置换和空位e14B 相中原子比 Nd/Fe 介于 5.2～7.4 之间。其熔点是 1185℃，c 轴是其易向，其居里温度 585 K[18]。
【参考文献】

相关博士学位论文 前1条

1 徐芳;晶界结构和晶界化学对NdFeB材料矫顽力的影响[D];上海交通大学;2011年

相关硕士学位论文 前1条

1 尹媛;软磁薄膜磁化过程的微磁学模拟及高频磁性的研究[D];南京理工大学;2015年

本文编号：2890464