基于晶界重构的高矫顽力烧结钕铁硼磁体研究

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作为磁性能最高的稀土磁性化合物,烧结Nd-Fe-B磁体已发展成为国民经济建设和国防技术领域的关键材料。然而,实际磁体中主相晶粒边界层反磁化畴形核场低,导致磁体实际矫顽力远低于其理论值,因而磁体温度稳定性差,无法满足高温环境的应用需求,是该材料发现30多年来仍未解决的关键问题。本文基于晶界重构技术,设计了Dy71.5Fe28.5、Dy6Fe13Cu及Ho63.4Fe36.6系列辅合金与近2:14:1正比相成分的主合金混合制备烧结磁体;通过优化辅合金的添加量及烧结和热处理工艺,细化了主相晶粒尺寸、提高了主相晶粒边界层的磁晶各向异性场、形成了均匀连续分布的晶界相,从而抑制了反磁化畴在主相晶粒边界层弱磁性区域的形核,有效提高了矫顽力。主要结果如下:根据R2Fe14B化合物的磁学理论和合金相图,设计制备了Dy71.5Fe28.5、 Dy6Fe13Cu及Ho63.4Fe36.6三种低熔点辅合金进行烧结Nd-Fe-B磁体晶界重构。首先,三种辅合金熔点均低于磁体烧结温度,在烧结过程中熔化为液态从而增大磁体中液态晶界相的体积分数,提高主相与晶界相的润湿性;可有效提高磁体的致密度、形成连续均匀分隔主相晶粒的晶界相;其次,Dy2Fe14B和Ho2Fe14B的磁晶各向异性场HA分别为150 kOe和75 kOe,均大于Nd2Fei4B的67 kOe,重稀土Dy和Ho从晶界扩散进入主相晶粒边界层可有效提高磁体主相晶粒边界层的局域磁晶各向异性场HA,增大反磁化畴的形核场;最后,三种辅合金中均不含会大量扩散进入主相的非磁性元素,可避免磁稀释作用,从而保持剩磁。使用熔点为874.5℃的Dy71.5Fe28.5共晶合金进行晶界重构,可制备出高矫顽力、高温度稳定性的烧结Nd-Fe-B磁体。在近正比相的(Pr, Nd)12.3FebalB6.1磁体中添加3 wt.%Dy71.5Fe28.5,矫顽力Hcj由9.6 kOe提高到17.0 kOe,剩磁Br和最大磁能积(BH)max保持在13.6 kGs和45.0 MGOe;使用3 wt.% Dy71.5Fe28.5对(Pr,Nd)12.82Tb0.33Febal(Ga,Al,Zr)0.73B5.88磁体进行晶界重构,磁体Hcj由17.3 kOe提高到24.2 kOe;室温到120℃下磁体剩磁温度系数αBr由-0.133 %/℃提高到-0.113%℃,矫顽力温度系数βHcj由-0.685%/℃提高到-0.587%/℃,磁体温度稳定性明显提高。同时,晶界相中形成电极电位更高的富(Pr,Nd,Dy)相和Dy-oxides,缩小了与主相之间的电极电位差,降低了磁体腐蚀反应的驱动力,有效提高了重构磁体的抗腐蚀性能。另外,低熔点Dy71.5Fe28.5合金与高熔点Zr粉共同添加可在抑制主相晶粒异常长大的同时,改善磁体的液相烧结过程,减少磁体在烧结过程中产生的组织缺陷。与单独添加Zr粉相比,3 wt.% Dy71.5Fe28.5和0.3 wt.% Zr共同添加在细化晶粒的同时,磁体致密度更高,孔洞数量减少,晶界相更连续,磁体矫顽力Hcj由14.0kOe提高到21.9kOe,剩磁Br、最大磁能积.(BH)max分别为13.3 kGs和43.0 MGOe。使用Dy6Fe13Cu辅合金进行晶界重构可降低晶界富稀土相的共晶温度,通过调节二级热处理工艺改善磁体晶界相的分布,促进重稀土Dy向主相晶粒边界层扩散,可提高Dy对矫顽力的提高幅度。在(Pr, Nd)12.82Tb0.33Febal(Ga, Al, Zr)0.73B5.88磁体中添加3 wt.% Dy6Fe13Cu,晶界相共晶温度由665℃降低为445.2℃。在465℃进行热处理,熔化的液态晶界相通过流动、包裹主相晶粒形成更加连续的晶界相隔离层;同时,作为重稀土Dy的扩散通道,流动的液态晶界相带动Dy进一步向主相晶粒边界层扩散形成富Dy的(Pr, Nd, Dy)2Fe14B磁硬化层,增大磁体的磁晶各向异性场。磁体矫顽力Hcj由17.3 kOe增大到22.8 kOe,经计算,每添加1wt.%的Dy,矫顽力的增长为3.33 kOe,高于Dy71.sFe28.5重构磁体中的2.61 kOe。使用价格为Dy71.5Fe28.5合金1/5左右的Ho63.4Fe36.6辅合金进行晶界重构,可制备出矫顽力高于18.0 kOe的无Dy烧结Nd-Fe-B磁体。在(Pr, Nd)13.08Ga0.19FebalB6.27磁体中添加2.5 wt.% Ho63.4Fe36.6,通过优化烧结工艺,磁体中形成均匀细小的主相晶粒、具有高磁晶各向异性场的(Nd, Ho)2Fe14B磁硬化层和Fe含量~9.03wt.%的连续晶界相,磁体矫顽力Hcj由14.0 kOe提高到18.0 kOe,剩磁Br和最大磁能积(BH)max分别为13.15 kGs和42.0 MGOe,均高于使用直接熔炼法制备的相同Ho含量的(Pr, Nd)13.16Ho0.8(Fe, M)balB5.78商用磁体(Hcj=16.5 kOe, Br=12.3 kGs, (BH)max=35.5 MGOe)。另外,实现相同矫顽力,与Dy71.5Fe28.5晶界重构磁体相比,使用Ho63.4Fe36.6共晶合金进行晶界重构,磁体原材料成本降低~18%。
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