晶界扩散对含Ce热变形磁体结构与性能的影响研究

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Nd-Fe-B永磁材料快速增长的应用需求使得大量Nd、Pr、Dy、Tb等主要稀土原料被过度消耗,而高丰度稀土La、Ce等被大量积压,导致稀土资源利用严重不均衡。由于高丰度稀土Ce储量丰富和价格低等特点,将Ce引入Nd-Fe-B中制备含Ce磁体引起了广泛关注。然而,随Ce含量升高磁体磁性能尤其是矫顽力严重恶化,因此如何增强高Ce含量磁体的矫顽力是目前的主要问题。考虑到纳米晶结构的热变形磁体具有高矫顽力的潜力以及晶界扩散技术作为有效改善矫顽力的手段。本文采用热压/热变形技术制备了性能优异的高Ce含量热变形磁体,并分别通过Pr-Cu和DyF3晶界扩散进一步提高矫顽力,分析讨论晶界扩散对其结构和性能的影响,重点解释矫顽力增强机制,主要研究结果如下:通过热压/热变形技术制备了磁性能优异的Ce含量达30 wt.%的热变形磁体,尤其是矫顽力超过14.0 kOe,可媲美38M牌号的商用烧结Nd-Fe-B磁体。3 wt.%Pr-Cu扩散后磁性能可媲美33H牌号的磁体,具有低成本高磁性能的优势。微观结构表明,Pr-Cu扩散后,形成连续且厚的非铁磁性或弱铁磁性晶界相,隔离相邻晶粒,减弱了晶粒间的交换耦合作用,并且抑制了片状主相晶粒尺寸和长宽比,有利于矫顽力的提高,同时织构变差且非磁性相体积比增加导致了剩磁与最大磁能积下降。根据稳定性分析,Pr-Cu扩散后,矫顽力温度稳定性得到改善,耐湿热腐蚀性变化不大。采用DyF3扩散后,含Ce热变形磁体矫顽力大幅度提高。热处理后,矫顽力进一步提高。DyF3扩散增强矫顽力的效果比Pr-Cu更明显。DyF3扩散后,同样能够形成连续且厚的晶界相并且抑制了片状晶粒尺寸和长宽比,有利于矫顽力的提高。热处理后,DyF3扩散效应增强促进形成更厚晶界相,是矫顽力再次增强的原因,但部分晶粒长大一定程度上限制了矫顽力的提升幅度。部分Dy扩散进入主相形成含Dy壳层结构,提高了主相各向异性场,是大幅度提高矫顽力的重要原因。DyF3扩散后,磁体织构变差、非磁性相体积比增加以及Dy进入主相降低饱和磁化强度是导致剩磁与最大磁能积下降的原因。通过磁畴结构分析,部分含Dy壳层的形成提高了主相的形核场,增厚的晶界相增强了钉扎作用,导致原来的“树枝状”磁畴转变为“散点状”磁畴。DyF3扩散后,矫顽力和剩磁温度稳定性得到改善,并且热处理后使矫顽力温度稳定性进一步提高。本文研究的高性能含Ce热变形磁体,不仅为中低端永磁应用领域发展了一种资源节约型磁体的制备方法,而且对高丰度永磁材料的研究具有一定的指导和借鉴意义。
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