晶界扩散对钕铁硼烧结磁体内禀矫顽力的影响

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近年来,随着烧结钕铁硼永磁体在混合动力汽车/纯电动汽车、风力发电和节能家电等众多领域的应用日益增多,为了适应其在新领域中的应用要求及稀土原材料高涨的新形势,提高磁体综合磁性能和降低成本已成为烧结钕铁硼研究工作的两大主要目标。本论文通过全面优化现有技术的配方和工艺制备了高性能烧结钕铁硼磁体,并采用双合金方法制备了低成本混合稀土烧结钕铁硼磁体,特别是对这两类磁体分别进行了晶界扩散(Grain boundary diffusion,简称“GBD”)工艺处理并进行了研究,考察了晶界扩散对磁体内禀磁性和外禀磁性的影响,同时结合对磁体内部的相组成、显微结构和磁畴特征的分析,研究了晶界扩散的富钕相通道效应,并重点讨论了晶界扩散对烧结钕铁硼磁体内禀矫顽力的作用。  通过优化配方、速凝工艺、气流磨工艺并配合低温烧结,尤其是最后辅以晶界扩散处理,最终获得了具有内禀矫顽力Hcj为35.2 kOe(2803 kA/m),最大磁能积(BH)max为40.4 MGOe(321.6 kJ/m3)的钕铁硼烧结磁体,其综合磁性能Hcj(kOe)+(BH)max(MGOe)>75.0。该磁体在20℃到200℃的剩磁温度系数为αBr=-0.122%/℃,相比晶界扩散处理前基本没有变化;内禀矫顽力温度系数改善到αHcj=-0.403%/℃。导磁系数Pc=2.0的圆柱磁体(长径比为0.66)其高温磁通不可逆损失数据表明,磁体的最高使用温度能达230℃。此外,实验还表明晶界扩散处理对磁体耐蚀性不产生负面影响。  采用双合金法将混合稀土铁硼合金(MM-Fe-B,MM含La27.06 wt.%,Ce51.46 wt.%,Pr5.22 wt.%,Nd16.16 wt.%,以及0.1 wt.%的其他杂质)和常规的钕铁硼(Nd-Fe-B)合金按不同比例混合制备得到稀土铁硼(R-Fe-B)的烧结磁体。在原子比MM/R不大于21.5 at.%时,可以得到Br≥12.1 kGs、Hcj≥10.7 kOe、(BH)max≥34.0 MGOe的可实用的R-Fe-B烧结磁体。通过晶界扩散处理可进一步将内禀矫顽力提高至13.2 kOe。  在主相晶粒表层形成具有高磁晶各向异性场的“硬壳”,是晶界扩散处理提升矫顽力的主要因素。从磁体表面向体内扩散R-Fe或R-Cu合金,内禀矫顽力的提升量δHcj与R2Fe14B的磁晶各向异性场Ha成较好的线性关系。当扩散合金的稀土元素R与磁体主相成分相同时,内禀矫顽力基本不变;而扩散Tb、Dy的合金时,整个磁体的内禀矫顽力获得提升;扩散Y或Gd的合金则造成内禀矫顽力下降。扫描电镜图像显示,晶界扩散处理使磁体晶界变得更加清晰且平滑,扩散的稀土元素集中分布于晶界及晶界附近的主相晶粒表层,并且由磁体的扩散处理表面至内部逐渐减少。由此表明,晶界扩散处理对磁体内禀矫顽力的改变存在两方面作用,一是扩散稀土元素通过固溶交换对晶粒表层磁晶各向异性场的影响,二是对晶界及附近的显微结构的改善,并且该实验结果表明前者是晶界扩散影响磁体内禀矫顽力的主导因素。由于主相晶粒表层形成的稀土元素固溶层((R,Nd)2Fe14B)体积比很小,因而没有影响整个磁体的内禀磁性。磁体内禀磁性测量表明,晶界扩散前后磁体的居里温度Tc、饱和磁化强度Ms和磁晶各向异性场Ha都基本没有改变,因此磁体剩磁Br和最大磁能积(BH) max的下降幅度很小或基本不变。类似地,在高混合稀土含量的双合金烧结R-Fe-B磁体中,混合稀土La、Ce倾向于分布在主相晶粒的外部,形成包围主相晶粒的低磁晶各向异性场“软壳”层,反磁化核易在该区域形成,这也是高混合稀土含量烧结R-Fe-B磁体内禀矫顽力偏低的重要因素之一。  作为晶界扩散的液相通道,晶界富稀土相的存在及其分布特征对晶界扩散的效果非常重要。对烧结钕铁硼磁体的极面(垂直取向方向的表面)和侧面(平行取向方向的表面)分别用Dy合金进行晶界扩散处理,发现在反向磁化过程中,磁场强度接近内禀矫顽力值时二者的反磁化行为有较大差异,表现为从极面扩散Dy后磁体退磁曲线方形度比从侧面扩散的更高,即从极面扩散效果更均匀。磁光克尔显微照片结合样品表面侵蚀后的光学显微原位照片表明富Nd相倾向于分布在平行于c轴的面上。作为晶界扩散的通道,富Nd相分布的各向异性造成了晶界扩散效果的各向异性。另一方面,在高混合稀土含量的烧结R-Fe-B磁体中,Ce与Fe生成CeFe2相而非富Ce相,CeFe2相对富Nd相具有较高的熔点,在磁体中以独立晶粒的形式出现,而不是浸润主相的晶界相,这导致了作为晶界扩散通道的光滑而连续的富稀土相的缺失,由此造成这类磁体晶界扩散后内禀矫顽力提升很少或几乎没有提升。晶界薄带状富稀土相的缺失同样导致了相邻晶粒的直接接触而进行交换耦合,造成反磁化畴极易扩展,这也是高混合稀土含量的烧结R-Fe-B磁体内禀矫顽力低的重要原因。
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