S、P在烧结Nd-Fe-B永磁材料中的作用研究

发布时间：2020-07-22 12:33

【摘要】：烧结Nd-Fe-B磁体因具有高能量密度,而被广泛应用于各种领域,包括传感器、风力发电机、汽车发动机和风力涡轮机等。但是,实际矫顽力低和温度稳定性差严重限制了其在高温环境下的应用。为了解决这一问题,最常用的方法是引入重稀土 Dy元素,在主相颗粒的外延层形成(Nd,Dy)2Fe14B磁硬化层。如何提高Dy元素利用率且提高磁体矫顽力是目前的研究热点。S、P元素由于熔点低,且是钢中晶界偏聚元素,因此引入S、P有望改善钕铁硼磁体的边界结构。本文首先利用第一性原理计算了 S、P原子在烧结钕铁硼磁体中的择优占位,并通过实验引入S、P,系统研究了 S、P元素对烧结钕铁硼磁体的组织结构及磁性能的影响规律,重点研究了 S、P元素在磁体边界中的分布及作用、S元素与Dy元素的相互作用,以及对矫顽力的影响机理。利用第一性原理,通过MS软件搭建了 Nd2Fe14B/Nd2O3界面结构模型,用VASP软件模拟计算了单个S、P原子在界面结构的Nd2Fe14B相和Nd2O3相中的结合能,发现S、P原子在界面结构的Nd2O3相中的结合能均低于其在Nd2Fe14B相中的结合能。因此,在烧结Nd-Fe-B磁体中,S、P元素优先占据在Nd2O3相中,主要偏聚在晶界富Nd相中。在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分数)合金中分别添加0,0.1,0.2,0.3,0.5%(重量百分数)的S,发现压坯密度随S含量增加而增加,从不添加S的3.87g·cm-3提高到添加0.5wt.%S的4.19g·cm-3,这一结果的重要意义在于可以省去冷等静压工艺步骤,减少烧结收缩量和烧结变形。磁体的矫顽力随S添加量的增加先升高后下降,含0.2wt.%S的磁体矫顽力最高,为1326.2kA·m-1,相对于未添加S的1236.3kA·m-1,提高了 7.3%,且剩磁和磁能积略有降低。组织结构分析表明,当添加0.2wt.%S时,主相平均晶粒尺寸从9.12μm降低到7.83μm,富Nd相的熔点从1038K降低到1021K,晶界更加清晰、连续,晶粒细化和边界结构改善是导致磁体矫顽力升高的主要原因。但S元素分布不均匀,且有一定的'团聚,,主要富集在晶界三角区域,形成密排六方的Nd2O2S相或四方的NdS2相。为了解决S元素'团聚'的问题,采用气流磨的方法引入S元素。由于单质S的密度低,加入量少,与磁体的密度差别较大,不便于在气流磨过程中加入,因此通过添加中间化合物FeS2的方式引入S元素。以气流磨添加0.2wt.%计量的S时,磁体的矫顽力从不含S的1236.3kA·m-1提高到1401.8kA·m-1,提高了 13.4%。组织结构分析表明,S元素的分布更均匀,晶界相的分布也更加均匀,主相平均晶粒尺寸从7.86μm进一步细化到6.67μm。研究了复合添加S和Dy203对钕铁硼磁体组织结构与磁性能的影响,首先在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分数)合金中分别添加0,0.5,1.0,2.0,3.0%(重量百分数)的Dy203,磁体的矫顽力随Dy203含量的增加而提高,当添加3.0wt%Dy2O3时,磁体的矫顽力从1236.3kA·m-l提高到1665.9kA·m-1。组织结构分析表明,晶界相更连续,Dy进入主相颗粒的外延层形成(Nd,Dy)2Fe14B磁硬化层是矫顽力提高的主要原因。但是EPMA和EDS结果表明,Dy元素主要富集在晶间区域的富Nd相中,Dy元素未能得到充分有效利用。因此在添加3.0wt%Dy2O3的基础上,进一步添加0,0.1,0.2,0.3,0.5%(重量百分数)的S,结果表明:磁体的矫顽力随S含量增加先升高后下降,复合添加3.0wt.%Dy2O3/0.2wt.%S的磁体的矫顽力最高,磁体的矫顽力从只添加3.0wt%Dy2O3的1665.9kA·m-1提高到复合添加的1816.2kA·m-1,提高了 9.1%,剩磁和磁能积未出现明显下降。EPMA和TEM结果表明:富集在晶间三角区域的hcp-Nd2O2S相与晶界三角区域的Dy原子相排斥,说明在钕铁硼磁体中引入Dy元素的时候同时引入S元素,可以让Dy原子更多的扩散到主相颗粒的外延层,而不是富集在晶界相内,充分利用Dy提高主相颗粒表层的各向异性场,从而提高磁体的矫顽力。在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分数)合金中分别添加0,0.05,0.08,0.1,0.2%(重量百分数)的P,结果发现,P元素在磁体中分布不均匀,主要与Nd、O元素结合,可能富集在晶间三角区域或晶界处。TEM分析表明:晶间三角区域的富P相主要是单斜结构的NdPO4相,晶界处的富P相主要是六方结构的NdPO4相。添加0.05wt.%P时,富Nd相的熔点从未添加的1038K降低到1022K,且主相平均晶粒尺寸从9.12μm降低到7.88μm。尽管P元素有效降低富Nd相的熔点,但由于P以大块状NdPO4相在晶界出现,所以磁体矫顽力几乎没有改善。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.27
【图文】：

永磁材料,历程

应用于计算机、交通、通讯、航空航天、工业自动化和医疗等领域，己成为逡逑促进各种高新技术与新兴产业发展以及社会进步的重要物质基础之一［１＾。逡逑根据永磁材料的成分，其发展过程经历了三个阶段，如图２．１所示。第逡逑一阶段：上世纪初开始了铸造永磁合金的生产，如铸造ＡｌＮｉＣｏ合金，具有逡逑高达１１６３Ｋ的居里温度，具有很好的高温稳定性，但是由于含有较多战略资逡逑源钴和镍金属，高昂的价格，限制了其应用。第二阶段：上世纪五十年代初逡逑期的铁氧体，主要有锶铁氧体和钡铁氧体，其磁性能很低，但是其原料资源逡逑丰富、生产成本很低，广泛应用各个领域。第三阶段：上世纪六十年代初研逡逑制的稀土永磁材料，是迄今为止性能最高的永磁材料，主要有钐－钴和钕铁硼逡逑两大类等。逡逑６０逦■逦Ｉ逦■逦ｖ逦４３０逡逑５０邋－逦ｔ逦Ｊ邋－邋４００逡逑Ｎｄ－ＦＧ－Ｂ邋—？邋Ｊ邋ｃ逡逑４０邋－逦Ｘ邋Ｓｍ＊逦３２０逦＾逡逑Ｓ．邋３０邋－逦Ｓｍ－Ｃ0邋＾逦１邋—－邋２４０邋—逡逑Ｉ＊邋２０邋－逦广邋ｒ邋－邋１６０邋Ｊ逡逑Ｓ－逦Ａｌｎｉｃｏ逦？逡逑１０邋．邋Ｓｔｅａｌｓ邋Ｆｅｒｒｉｔｅｓ逦ｊ逦，逦＿邋ｏｑ逡逑／邋一

示意图,永磁材料,显微组织,示意图

烧结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ磁体是由粉末冶金工艺制备的多相组成的永磁材料，其主逡逑要包括Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相、富Ｎｄ相和富Ｂ相，各相体积分数分别约为８０￣８５％、逡逑５￣２０％和０￣８％，其显微组织示意图如图２．２所示［９＞１６］。此外，在烧结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ逡逑磁体中还可能存在氧化物相（Ｎｄ２０３）、软磁相（ａ－Ｆｅ、Ｎｄ２Ｆｅ１７）、杂质以及孔洞逡逑等［１，１７］。然而，随着磁体成分的多元化，磁体中也会出现其他一些金属间化逡逑合物相［１８１逡逑图２．２烧结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁材料的显微组织示意图Ｗ逡逑（１）主相邋Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ逡逑主相Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ是烧结钕铁硼磁体中唯一的铁磁性相，晶粒呈不规则多边逡逑形，其体积分数约占磁体的８０？８５％，它很大程度上决定了磁体的剩磁和最逡逑大磁能积。烧结Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁材料之所以具有最好的永磁性能，与其基体相逡逑Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ的晶体结构是密不可分的。Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ属于四角晶体（简称四方相），逡逑晶体点阵常数ａ＝８．８０４Ａ，邋ｃ＝１２．２０５Ａ，理论密度为７．６２ｇ，ｃｍ＿３。其晶体单胞的逡逑空间结构如图２．３所示。每个晶胞由４个Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ分子组成，共有６８个原逡逑子

示意图,结构空间,单胞,晶体

【相似文献】