双主相Nd-Ce-Fe-B磁体的微观结构调控与磁性能研究

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钕铁硼永磁体是目前磁性能最强、应用最广的稀土永磁材料,其应用需求的快速增长导致每年消耗大量的Nd、Pr、Dy、Tb等稀土资源,造成了我国稀土资源利用的失衡。因此,发展富高丰度稀土Ce的Nd-Ce-Fe-B磁体不仅有利于促进稀土资源平衡利用,而且能够降低磁体成本,具有重要的研究价值和工程意义。但Ce均匀取代钕铁硼中Nd会降低Nd2Fe14B四方相的内禀磁性能,严重恶化磁体的磁性能。双主相工艺能够使Ce非均匀取代Nd形成多主相结构,抑制Ce替代Nd产生的磁稀释效应,获得较高的磁性能,已成为当前研究的热点。但是,过多的Ce替代Nd时,双主相Nd-Ce-Fe-B磁体的磁性能仍较低。为此,本文结合放电等离子烧结和双主相工艺制备了兼具“超细晶”和“多主相”结构的Nd-Ce-Fe-B磁体,采用微磁学模拟和实验研究相结合的方法系统研究了烧结温度和晶界改性对双主相Nd-Ce-Fe-B磁体微观结构、微观成分和磁性能的影响规律和机理,以期进一步提高磁体磁性能。主要研究内容和结果如下:(1)利用微磁学模拟揭示了Nd-Ce-Fe-B磁体的主相和晶界相微观结构与成分对磁体磁性能的影响规律。模拟结果表明,当晶界相为非磁性时,双主相磁体矫顽力高于单主相磁体;相反,晶界相为铁磁性时,双主相磁体的矫顽力低于单主相磁体,但当两主相间发生适量互扩散,形成(Nd,Ce)2Fe14B表面壳层时,有助于提高双主相磁体的矫顽力。对于双主相Nd-Ce-Fe-B磁体,非磁性晶界相厚度越厚,矫顽力越高;晶界相厚度相同时,晶界相磁性越小,矫顽力越高。而且,主相晶粒尺度越小,双主相磁体矫顽力越高。再者,主相晶粒表面形成(Nd/Ce,Pr)2Fe14B或(Nd/Ce,Dy)2Fe14B硬磁壳层也有利于提高磁体矫顽力。(2)烧结温度对双主相Nd-Ce-Fe-B磁体的微观结构和磁性能具有显著影响。研究发现,随着烧结温度提高,双主相磁体的密度逐渐增加,在700℃时基本达到完全致密。磁体的剩磁和磁能积与密度的变化趋势类似,这是因为剩磁和磁能积与磁体密度成正比关系。磁体矫顽力随烧结温度升高先增大后减小,在700℃时矫顽力达到最高值,为1048kA/m;随着烧结温度进一步升高,磁体矫顽力逐渐降低,当烧结温度增至800℃时矫顽力急剧降低。微观结构研究表明,随着烧结温度提高,孔洞逐渐减少,700℃时孔洞消失,达到完全致密化,与密度测试结果基本一致;同时,局部出现了主相晶粒长大现象,在800℃时,主相晶粒发生了较严重的异常长大,形成了大量微米尺度的粗晶组织,破坏了原有纳米晶结构。这是导致磁体矫顽力急剧降低的重要原因之一。另外,随着烧结温度提高,Nd/Ce互扩散加剧,过多的Nd(或Ce)扩散进入富Ce(或Nd)片层中,降低了双主相磁体的化学非均质性,这是过高烧结温度导致磁体矫顽力降低的另一重要原因,与微磁学模拟结果相一致。(3)对比研究了烧结温度对晶界添加DyF3和Cu粉双主相Nd-Ce-Fe-B磁体微观结构和磁性能的影响。研究发现,晶界添加DyF3和Cu粉的磁体同样在700℃完全致密,此时,磁体的剩磁和磁能积达到最大值;但是,与未添加磁体不同,晶界添加磁体在750℃时矫顽力达到最大值1250.5kA/m。这说明晶界添加DyF3和Cu粉后,磁体的烧结行为发生了变化。微观结构研究表明,添加DyF3和Cu粉改善了磁体内片状颗粒间界面,使界面相增加且分布更加连续、均匀;同时,添加DyF3和Cu粉使微米粗晶开始出现的温度提高至750℃,说明其有助于抑制界面处主相晶粒异常长大;另外晶界添加也降低了Nd/Ce互扩散,有助于保持主相化学非均质性。除密度差异最大的650℃外,相同烧结温度下晶界添加磁体的矫顽力均高于未添加磁体。这主要是因为烧结过程中Dy和Cu沿晶界向片内扩散形成了连续均匀的非磁性晶界相和具有高磁晶各向异性场的(Nd,Dy)2Fe14B和(Ce,Dy)2Fe14B硬磁壳层。
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