晶界扩散改善NdFeB磁粉性能的研究

发布时间：2020-04-26 02:26

【摘要】：作为目前综合磁性能最佳的永磁材料,钕铁硼永磁已经得到非常广泛的应用。但是它的居里温度低(314℃),热稳定性较差,温度升高时,矫顽力会随温度的升高而急剧降低。尤其是近年来,在一些新的应用领域如电动汽车和混合动力汽车等都需要钕铁硼永磁拥有良好的热稳定性,即在室温下的高矫顽力可以抵抗高温(大于150℃)工作环境下磁体的热退磁问题。钕铁硼磁粉经常用作粘结磁体的原材料,它的矫顽力和热稳定性通常较低,晶粒尺寸通常小于3μm且晶界相非常薄,相较于晶粒尺寸大于3μm且晶界相较厚的烧结钕铁硼而言,其矫顽力的提升空间更大,更有可能获得高的矫顽力。因此本文的目的就在于通过晶界扩散的方法提高钕铁硼磁粉的矫顽力,从而提高粘结磁体的矫顽力及其热稳定性,最终尽可能的减弱粘结磁体在高温环境下的磁通损失,进而满足一些高温应用领域对钕铁硼磁体热稳定性的需求。本实验利用晶界扩散改善钕铁硼磁粉磁性能,利用氢化和快淬方法制备得到NdCu、PrCu、NdAl、PrAl、NdCuAl、PrCuAl 及 NdCuAIZnx等扩散源,系统的探究了影响扩散效果的各种因素并得出最终的优选工艺参数;同时利用X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等分析设备系统地研究了晶界扩散前后磁粉磁性能、微观结构的改变,对扩散过程的行为进行了分析,最终制备粘结磁体进行了热稳定性的表征。(1)影响磁粉晶界扩散效果的主要因素包括扩散的温度、时间、扩散源与磁粉的粒度配比、扩散源比例、扩散源种类等。快淬磁粉进行扩散时磁粉与扩散源粒度的配比应为80目:80目,磁粉矫顽力会随扩散源比例的增加而不断升高最终趋于饱和,而不同种类扩散源对应的优选温度、时间不同,其中NdCu、NdCuAl为650℃、1h,PrCu、PuCuAl 为 625℃、3h,NdAl、PrAl 为 675℃、0.5h。各向异性(HDDR)磁粉进行扩散时磁粉与扩散源粒度的配比应为80目:200目,扩散NdCuAl及NdCuAlZnx的优选温度、时间为760℃、1h,同时扩散源比例最好控制在2%～4%之间;另外,当Zn的原子百分比x=3时,扩散效果相对最好。(2)晶界扩散后,快淬磁粉矫顽力发生明显变化,扩散6%、10%及20%的NdCuAl后,矫顽力分别提升41%、131%及189%,当扩散源比例达30%时,矫顽力最大,达到23.14kOe,较初始磁粉提高211%;由于磁粉中添加进入大量的非磁性合金,导致磁能积(BH)max及剩磁Br会有一定程度的下降。初始磁化曲线表明,初始磁粉中同时存在矫顽力的形核和钉扎机制,随扩散源比例的增加,磁化过程中钉扎机制逐渐占主导地位。扩散2%的NdCuAl及NdCuAlZn3后,HDDR磁粉矫顽力提升IkOe～2kOe,其中NdCuAlZn3相较于扩散NdCuAl矫顽力提高0.1kOe～0.2kOe。(3)快淬磁粉XRD分析结果表明,未扩散磁粉中只存在Nd2Fe14B相及少量α-Fe相,但当扩散源比例超过10%后,还出现了富Nd相及一些未知相,推测当扩散源比例较大时,并不能全部进入磁粉中而会有一部分熔化后包裹在磁粉周围,这一推测由扩散后磁粉的SEM图得到证实;另外,10%及30%NdCuAl扩散磁粉的有效扩散量约为44%及50%。快淬磁粉的TEM图表明随扩散源比例的增加,晶界相的数量、厚度、均匀性及连续性都会逐渐提升,晶界厚度会由最初的1nm增长为5nm,而晶粒尺寸会由最初的30nm生长到50～70nm。晶界扩散形成的富Nd相薄层可以作为非常有效的阻止畴壁运动的钉扎中心,这种钉扎效应最终表现为矫顽力的提升。HDDR磁粉SEM图表明扩散后晶界相数量明显增多,但整体分布不均匀;扩散2%的NdCuAlZn3后,出现了明显的晶界带,说明Zn的添加可能有助于增加扩散源的流动性,从而增大扩散效率。(4)晶界扩散后,相同温度及时间下,粘结磁体的磁通损失最大能够降低约80%;矫顽力温度系数β由-0.39%/℃提高到-0.37%/℃,且温度升高到175 ℃时矫顽力由未扩散的3.1kOe提高到9.8kOe,由此粘结磁时效稳定性及热稳定得到明显提升。
【图文】：

磁性材料,钕铁硼,稀土永磁,功能材料

磁性材料是当今社会￥常重要的一种功能材料，它以现代的高新技术作为支撑，逡逑成为新材料的重要组成部分，近年来得到迅猛发展。根据用处的不同和特性的不同，逡逑磁性材料可以分为不同的类型，如图１．１所示即为磁性材料的常见分类。逡逑１：５钐钴逡逑铁氧体逡逑永磁材料逦培镜钴逡逑烧结钱铁硼逡逑稀土永磁逡逑磁性材料逦钕铁硼逡逑软磁铁氧体逦ｂ／ｂ＾逦粘结钕铁硼逡逑软灥料逡逑非晶软酣料逡逑图１．１磁性材料分类逡逑以Ｎｄ２Ｆｅｉ４Ｂ相为主相的钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）永磁材料，是目前综合性能最优的磁逡逑性材料，是继钐钴稀土永磁后的第三代稀土永磁材料，它是１９８３年分别由日本［１】和逡逑美国［２］最先研制成功的。作为一种极其重要的功能材料，ＮｄＦｅＢ永磁体因为具有较高逡逑的Ｈｅ及高的Ｍｓ，因而几乎被应用在所有的现代电器设备中＋５１。逡逑然而，钕铁硼的居里温度点低（３１４°Ｃ），热稳定性差，在许多新的应用领域中逡逑如混合动力汽车和风力涡轮电机等，无法满足高温工作（＞２００°Ｃ）的需求Ｗ。由于居里逡逑温度较低，磁体在高温环境下工作时，其矫顽力会随着温度的升高而急剧的降低。目逡逑前常用的提高磁体矫顽力的方法是元素添加法

氟化物,磁体,涂覆,磁性能

，导致ＮｄＦｅＢ的成本升高［４３１。另一种提高矫顽力的方法就是优化磁粒尺寸和晶界相。为了减少重稀土的用量进而降低生产成本，研化晶界相的方法来提高矫顽力，并致力于这一方法的研宄，由此念。逡逑年，ＰａｒｉＪＭ等人首次提出了晶界扩散的概念，之后对重稀土元素ＦｅＢ中直接添加，而是通过表面涂覆及渗入的方式来提高矫顽力，土的用量，提高了使用效率。逡逑年日本的Ｋ．Ｈｉｒｏｔａ［４５］等人将Ｄｙ２０３涂覆在４ｘ４ｘ0．５ｍｍ３的磁体表面，力提高了邋０．５５Ｔ。此后，晶界扩散的方法就被逐渐运用到各种Ｎｄ烧结磁体［４６４８］、ＨＤＤＲ磁粉粘结磁粉曑以及热压磁体中对ＮｄＦｅＢ磁体的矫顽力有极大的提升作用，，进而对提高其热稳定年，ＭａｔａｈｉｒｏＫｏｍｕｒｏ［５３］研究了向ＮｄＦｅＢ磁粉中扩散ＤｙＦｘ、ＬａＦｘ、由原来的１．５邋ｋＯｅ提高了到０．１４邋ｋＯｅ、０．１３邋ｋＯｅ、０．１６邋ｋＯｅ，具体
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM273

【参考文献】