烧结NdFeB永磁晶界结构和晶界相调控及其对性能影响

发布时间：2018-02-26 20:25

本文关键词： NdFeB永磁材料晶界相矫顽力晶界扩散耐腐蚀性　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：烧结钕铁硼(NdFeB)永磁具有优异的室温永磁性能,已经成为国民经济和国防工业的重要基础性材料。进入二十一世纪,电子信息、医疗设备、混合动力汽车、风力发电等产业的迅猛发展对烧结NdFeB磁体的矫顽力热稳定性提出了更高的要求。越来越多的研究者开展了大量的研究工作来提高烧结NdFeB的永磁性能和热稳定性。烧结NdFeB永磁材料的性能不仅与主相Nd_2Fe_(14)B的内禀性能有关,而且还受到晶界相显微组织结构、分布和体积分数的影响。通过对主相、晶界相以及它们之间的界面调控能有效提高烧结NdFeB永磁材料的性能。添加重稀土元素Dy来提高主相颗粒的各向异性场是目前提高NdFeB永磁材料矫顽力最有效的手段之一。但是,由于重稀土Dy与Fe的原子磁矩为反铁磁性耦合,它的添加会降低材料剩磁和最大磁能积;同时,重稀土元素Dy在自然界中含量稀少,价格昂贵。因此,Dy的添加显著增加了材料的制造成本。目前,发展不含重稀土Dy或者少含重稀土Dy的高矫顽力烧结NdFeB磁体已经成为了当今研究的主要方向。本论文基于NdFeB永磁材料高性能化和低成本化,主要开展了三个方面的研究工作:一是通过热处理工艺优化改善烧结NdFeB磁体的显微组织和晶界结构,提高矫顽力;二是采用目前较为流行的重稀土元素晶界扩散技术调控NdFe B永磁材料的晶界结构,改善显微组织和磁性能,并研究了相关机理;三是为了进一步降低烧结NdFeB的制造成本,开发不含重稀土元素Dy的高矫顽力烧结NdFe B磁体,提出和研究了一种新的晶界扩散工艺——非稀土氧化物晶界固体扩散技术,在进一步减少稀土含量的同时增加了磁体矫顽力,系统分析了相关的物理机制。为了研究烧结NdFeB磁体晶界相和界面结构对磁性能,特别是矫顽力的影响机理,对工业化批量生产的烧结NdFeB磁体进行了二次优化热处理工艺探索。在900℃/1h和550℃/1h热处理条件下,磁体的矫顽力从1399 kA/m提高到1560 kA/m。研究发现,连续、光滑、清晰的薄带状晶界富Nd相以及光滑的界面结构对于烧结NdFeB磁体矫顽力的提高有很大的帮助。此外,还以实际观察到的烧结NdFe B显微组织为基础,通过微磁学模拟的手段研究了不同形貌晶界相对于NdFeB磁体反磁化过程的影响。在退磁过程中,发现位于主相颗粒角隅的大块晶界富Nd相诱发该区域优先形成反磁化畴;而连续、笔直、光滑的薄带状富nd相,不仅有利于提高界面处的局部各向异性场,抑制反磁化畴的形核,并且对反磁化畴的畴壁扩张有明显地阻碍作用。这对理解烧结ndfeb磁体显微结构与矫顽力的相互关系具有重要意义。采用重稀土氧化物dy2o3作为扩散介质,对ndfeb快淬粉末和烧结永磁材料进行了晶界固体扩散工艺研究,分析扩散工艺对磁性能的影响。结果表明,重稀土氧化物晶界固体扩散处理能显著提高磁体的矫顽力,并且剩磁基本保持不变。通过工艺优化快淬ndfeb磁粉的矫顽力从1678ka/m提高到2086ka/m;烧结ndfeb磁体矫顽力从965ka/m提高到1154ka/m。研究还发现,扩散进入的dy并没有在晶界相中富集,而主要在主相颗粒外延层偏聚,这有利于降低烧结ndfeb磁体中重稀土的使用量。此外,结合扩散后磁体的显微组织结构变化及显微组织结构参数的计算,总结了重稀土元素或化合物对提高矫顽力的作用机理:第一是扩散进入的dy会替代主相晶粒表层的nd原子,形成(nd,dy)2fe14b新相,起到磁硬化作用,抑制了主相颗粒表层的反磁化畴的形核;第二是替换出来的nd原子进入晶界相,增加了ndfeb晶界相的含量,起到去磁耦合作用;第三是在扩散过程中,晶界相结构、分布以及界面结构得以优化,加强了晶界相对反磁化畴畴壁的钉扎作用。这一系列工作对研究晶界扩散对ndfeb永磁材磁性能的作用机理有十分重要的参考价值。为了摆脱传统晶界扩散对于稀土元素的依赖,首次提出以非稀土氧化物mgo作为扩散介质的晶界固体扩散工艺。与目前研究最多的低熔点稀土-金属共晶化合物晶界扩散工艺不同,虽然mgo不包含稀土元素,但经过晶界固体扩散工艺处理后,磁体的矫顽力也有了较大幅度的提高,从1094ka/m提高到1170ka/m,剩磁也没有显著降低,并且磁体的耐腐蚀性也有了显著的增强。初步研究表明,扩散进入的mgo主要存在于晶界相中,一方面,mgo与晶界相反应有助于改善晶界相的润湿性,液相扩散使主相颗粒边缘棱角溶解,形成光滑和连续的薄带层状的富nd相,减少了界面处的缺陷,抑制了该区域反磁化畴的形核;另一方面,形成新的nd-o-fe-mg晶界相优化了晶界相的成分和结构,加强了晶界相对畴壁的钉扎作用。正是这两个原因,使得该工艺比传统合金添加对于磁体综合磁性能的提高作用更加显著。这为降低制造成本,发展不含重稀土元素的烧结ndfeb永磁材料提出了一个新的思路。在之前提出的非稀土化合物晶界固体扩散技术的基础上,以zno作为扩散介质,研究了ZnO晶界固体扩散工艺及其对烧结NdFeB性能的影响。通过工艺优化,磁体矫顽力从1085 kA/m提高到1290 kA/m,提高幅度高达19%。这种新的晶界扩散工艺对磁体晶界相结构、成分和分布的调控有着一系列独特的优点,包括:实现了主相和晶界相界面的错配度降低,使界面处缺陷减少;晶界相对畴壁钉扎的作用增强;晶界相从铁磁性向非磁性转变等。研究还发现,通过扩散处理之后磁体的耐腐蚀性也有了较大提高。这些性能的改善都归功于ZnO作为“催化介质”对磁体晶界相和界面显微结构的调控。此外,论文还详细分析了不同晶界相结构和分布对于烧结NdFeB磁体矫顽力的影响机理。该系列工作为拓展晶界扩散体系,开发不含重稀土、高矫顽力NdFeB永磁材料的新型制备工艺有着重要的指导意义。
[Abstract]:In order to improve the properties of sintered NdFeB permanent magnetic materials , the properties of sintered NdFeB permanent magnetic materials have been improved by means of high performance and low cost . In this paper , the effect of rare earth element or compound on the magnetic properties is studied . The results show that the solid diffusion treatment of the grain boundary of heavy rare earth oxide can obviously improve the coercive force of the magnets and the residual magnetism remains the same . The results show that the diffusion of the rare earth oxide mgo into the grain boundary phase is beneficial to improve the wettability of the grain boundary phase . In addition , the effect of grain boundary phase structure and distribution on the coercivity of sintered NdFeB magnet is discussed in detail . It is also found that the effect of different grain boundary phase structure and distribution on the coercivity of sintered NdFeB magnet is attributed to the improvement of the structure and distribution of grain boundary phase .

【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM273

【参考文献】