工艺与微量元素对NdFeB性能的影响

2017-10-30 08:05| 发布者: 尚助磁业| 查看: 365| 评论: 0

永磁材料已成为现代科学技术,如计算机技术、信息技术、航空航天技术、通讯技术、交通运输技术、办公自动化技术、家电技术与人体健康和保健等的重要物质基础。现在常用的永磁材料主要有铁氧体、铝镍钴及稀土永磁。稀土永磁材料包括钐钴及钕铁硼等,其中钕铁硼具有创记录的高剩磁、高矫顽力和高磁能积,称为新一代稀土永磁或第三代稀土永磁。钕铁硼磁体按其制备工艺可分为烧结钕铁硼磁体、粘结钕铁硼磁体和热变形钕铁硼磁体。烧结钕铁硼磁体的磁能积高,目前国际实验室研究水平已达到444kJ/m<'3>(55.8MGOe),工业生产已达到414 kJ/m<'3>(52MGOe),但是我国的多数钕铁硼生产企业,由于生产设备陈旧,工艺技术落后,致使产品性能低(磁能积一般在278-320kJ/m<'3>(35-40MGOe)左右),并且性能的稳定性和一致性差,一直不能进入钕铁硼磁体的主流应用领域。 烧结钕铁硼永磁材料以其高磁能积、低成本和良好的加工性能而获得了迅速的推广应用。随着其应用领域的扩大,对其综合性能的要求也越来越高,特别是钕铁硼永磁电机应用环境的要求越来越苛刻,对高耐热性烧结钕铁硼磁体的需求也越来越强烈。高矫顽力烧结磁体,如果配合低的温度系数,就可以使钕铁硼磁体在较高的温度下使用,特别是能在200℃以上温度使用的烧结钕铁硼磁体,其应用范围将越来越广阔。这是因为尽管Sm-Co系磁体能在300℃以上温度工作,但由于需要添加大量的战略元素Co,价格昂贵。因此在200~300℃这个温度范围内,烧结钕铁硼磁体具有很大的优势。首先是其磁性能高,一般其最大磁能积都大于30MG0e,而Sm-Co磁体的磁能积要低得多。其次,烧结钕铁硼磁体中不含或仅含少量Co、Ni等战略元素,价格比Sm-Co的要便宜,综合起来性价比要高得多。而且,烧结钕铁硼磁体的机械力学性能好,较Sm-Co磁体可加工性能好,从而降低废品率,提高生产效率。因此开发高矫顽力烧结钕铁硼磁体是今后可参与竞争的一个重要方向。钕铁硼磁体的硬磁性能主要取决于Nd<,2>Fe<,14>B(2:14:1)主相。调整磁体中主相成分可以提高内禀磁性参数、优化磁体晶粒微观结构可以提高宏观硬磁性能。我们采用先进的生产设备,采取全新的磁体制备工艺,通过调整工艺参数,优化成分配方,添加微量元素等手段,使磁体的硬磁性能得以大幅度提高。我们的主要研究工作如下:   
    (1)采用传统粉末冶金方法制备了Nd<,33.5>Dy<,0.99>Fe<,bal>.Al<,0.52>Cu<,0.1>B<,1.15>(wt%)合金磁体,研究了添加微量元素Dy、Cu和Al对磁体微结构和磁性能的影响,开发了高矫顽力的磁体。研究结果表明:采用传统工艺复合添加Dy、Cu和Al对提高烧结磁体的矫顽力特别有效。添加Dy不仅使磁体的各向异性场提高,同时细化晶粒,抑制合金中析出软磁性的a-Fe,有效地改善了磁体的微结构,使磁体的矫顽力明显加强。添加Cu使磁体矫顽力提高有两个方面的原因:一个是Cu进入主相,占据了J<,2>晶位,减少了平面各向异性,有利于提高单轴各向异性场,提高磁体的矫顽力。另一方面Cu使晶粒细小,晶粒的比表面增加,对低钕成分的高性能磁体,需要富钕相分布更加均匀。Al的特殊湿润性在晶粒边界起到很好的润湿作用,且在晶粒边界形成新的含Al富钕相,使晶粒边界变得清晰,更有效地减弱了晶粒间的交换耦合的退磁作用,使矫顽力提高。采用磁力显微镜对磁畴结构进行分析,可以发现磁畴的宽度比平均晶粒尺寸小得多,说明在热退磁状态下,烧结钕铁硼晶粒几乎都为多畴结构。 
    (2)采用氢处理破碎(Hydrogen Decrepitation,HD)工艺及气流磨(Jet Milling,JM)工艺制备了Nd<,31.0>Dy<,1.08>Fe<,bal>.Nb<.0.5>Al<,0.34>B<,1.1>(wt%)磁体。研究了氢处理破碎和气流磨制粉工艺条件对磁体微结构的影响。结果表明: 
    a: 采用该工艺可使磁体的合金成分配比接近主相Nd<,2>Fe<,14>B的成分,且主相晶粒细小,富钕相分布均匀,避免产生软磁性的a-Fe相。采用这种工艺制备的合金微观结构满足了高性能钕铁硼磁体对合金的要求,为制备高性能钕铁硼磁体开辟了新的途径。加入一些合金元素可以改善烧结NdFeB的磁性能。 
    b: Nb加入到合金中形成了NbFe和Nb<,2>Fe<,3>两种类型的化合物,在一定程度上阻碍了a-Fe的析出,细化了烧结体的晶粒。并且添加Nb使烧结磁体的晶粒形状更加规则、尺寸趋于一致,晶间富Nd相分布更加均匀。Nb主要在富钕相中,有时与Dy伴生,而Dy主要进入主相。在制粉时加入Dy<,2>O<,3>,可以改善烧结体的矫顽力,阻碍颗粒的长大。通过观察磁畴,分析了磁畴产生的原因和磁畴形态,将晶粒形貌与相对应磁畴结构联系,发现Dy,Nb和Al的复合添加使磁体的磁畴结构更加清晰,说明微磁织构已经形成。同时也解释了磁畴结构与磁性能的关系。我们还研究了脉冲磁场与取向度的关系,结果表明:重复脉冲磁场取向工艺对提高坯块的取向度非常有利。  
    (3)通过重稀土取代轻稀土,减少氧含量且低温长时间细晶粒液相烧结技术,制备了35UH高矫顽力烧结NdFeB材料。研究了添加微量元素对磁体矫顽力的影响,通过添加Tb制备高使用温度、高矫顽力磁体,解决钕铁硼磁体高温稳定性差的问题,制备出满足电机领域应用的高矫顽力磁体。通过对Tb在烧结NdFeB磁体中的作用进行系统研究发现:添加Tb使烧结NdIFe-B磁体的磁性能得以改善的原因是添加Tb改善了磁体的微观结构。具体表现在:添加Tb使烧结NdFeB磁体中晶粒的尺寸趋于一致,使晶粒的形状明显规则。添加Tb还可以细化晶粒,提高Hci和退磁曲线的方形度。对于烧结钕铁硼磁体,由于晶粒尺寸比较大(μm级),晶粒之间有非磁性相隔离,晶粒之间的交换相互作用比较弱,影响矫顽力的主要是长程静磁相互作用。晶粒尺寸减小,晶粒细化、均匀,晶粒间的长程静磁相互作用逐渐减弱,磁体矫顽力大幅度增加,剩磁微弱增强;取向磁体的剩磁明显大于未取向磁体,对此发动场理论给出了比较好的解释。另外,样品的退磁曲线还显示外加取向场对磁体性能的影响有类似于近邻晶粒间交换耦合相互作用的效果。
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