CE-FE-B永磁材料的微观结构、性能和稳定性研究

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为实现稀土资源在磁性材料中的平衡利用,降低永磁材料的成本,促进稀土磁性材料产业可持续发展,利用高丰度稀土Ce制备烧结稀土永磁材料成为近年来的研究热点。本论文系统研究了三元Ce-Fe-B合金的微观结构、相组成以及二者间的关系,奠定了Ce-Fe-B合金微观结构调控的理论基础,并通过添加元素优化了Ce-Fe-B合金的微观结构,从而使得烧结Ce-Fe-B磁体的各项磁性能得到大幅度地提升。深入研究了不同Ce含量的烧结Ce-(Pr, Nd)-Fe-B磁体制备工艺、磁性能和稳定性。发现了矫顽力随Ce含量增加出现反常升高的现象,在高Ce含量的磁体中获得了较高的矫顽力,极大地降低了磁体的成本和提高了稀土综合利用率。具体研究内容及结果见如下详述:  首先研究了三元Ce-Fe-B快速凝固合金的相组成和微观结构。物相分析表明在接近2∶14∶1正分比的三元Ce-Fe-B合金中存在Ce2Fe14B、CeFe2、α-Fe以及Fe2B等相。微观结构显示由α-Fe和Fe2B相组成的枝晶被Ce2Fe14B晶粒包裹,CeFe2相分布于三角晶界处。速凝片的微观结构呈现包晶凝固特征,因此具有严重的不均匀性。速凝片的形貌观察显示在自由面和贴辊面上存在大量的等轴晶和树枝晶。热分析表明Ce2Fe14B成相温度低,并且其凝固温区间窄是造成Ce-Fe-B合金微观结构不均匀的主要原因。研究发现改变凝固过程中的冷却速度或者优化退火工艺都很难在Ce-Fe-B合金中获得均匀的微观结构。  进一步研究了元素添加对Ce-Fe-B微观结构的影响。发现添加少量Nd、Dy、Ho或Mn等可以有效抑制Ce-Fe-B合金中的生成α-Fe相,促进2∶14∶1相的形成。添加Nd还可以改善Ce-Fe-B合金的晶界结构。通过成分调节,在Ce-Fe-B速凝片中获得了类似于Nd-Fe-B速凝片的均匀结构。速凝片结构优化使得Ce-Fe-B磁体晶界相分布改善、微观结构优化、磁性能大幅度提升。剩磁、矫顽力和磁能积分别从3.74 kGs、0.1 kOe和0.07 MGOe提高至9.41 kGs、3.59 kOe和18.45 MGOe。  在以上研究基础上,研究了Ce添加对烧结(Pr, Nd)-Fe-B磁体的制备过程、磁性能和稳定性的影响。速凝片的微观结构分析表明随着Ce含量增加,速凝片内柱状晶变宽。物相分析和微观结构观察显示富Ce速凝片中存在CeFe2相,该相存在于晶界交隅处,使得速凝片微观结构的均匀性变差。热分析结果表明Ce添加导致主相和晶界相熔点降低。随着Ce含量的增加,吸氢活化过程时间和吸氢饱和时间缩短,脱氢温度略微降低,最佳烧结温度随着Ce含量升高而降低。磁性能测试结果显示,常温和高温下磁体的剩磁、矫顽力和磁能积都随着Ce含量升高而呈现降低趋势,这主要是因为Ce添加导致磁体的饱和磁化强度和磁晶各向异性场都降低。然而,当Ce取代Pr-Nd的量(x)为24 wt.%时,矫顽力出现~2 kOe幅度的反常升高。微观结构观察和相组成分析表明,当x≧24 wt.%时,磁体内出现CeFe2相。该相使得磁体中主相体积分数下降,富稀土相(主要含Pr和Nd)含量上升,晶界增厚,微观结构优化。磁体的矫顽力受到微观结构优化和磁晶各向异性下降的双重影响。在x=24 wt.%处,微观结构优化对矫顽力的积极作用弥补了各向异性场下降对矫顽力的负面影响,使得磁体的净矫顽力升高。20-140℃的温度系数计算结果表明,x=24~32 wt.%的磁体的矫顽力温度系数为-0.51%/℃-0.52%/℃,高于x=0磁体的-0.59%/℃。经140℃保温2h后,x=24-32wt.%磁体的不可逆磁通损失为1-2%,约为x=0磁体的1/5。温度稳定性的改善归结于磁体微观结构优化和磁晶各向异性场温度稳定性的改善。此外,磁体HAST测试结果表明腐蚀后磁体的失重随着Ce取代Pr-Nd的量升高而略微增加,这是由于Ce含量增加,磁体晶界增厚,加剧了晶界腐蚀。
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