纳米Al掺杂对烧结Nd-Fe-B结构与性能的影响.pdf

采用晶间掺杂方法将不同含量的纳米A l加入钕铁硼细粉中,制备出不同纳米A l掺杂量的烧结钕铁硼磁体.系统研究了纳米A l的掺杂对烧结钕铁硼磁体微观结构、磁性能和温度稳定性的影响.结果表明:纳米A l的掺杂可以明显提高磁体的矫顽力,其矫顽力由未掺杂纳米A l时的 k O e提高到掺杂 纳米A l时的 k O e,但纳米A l的掺杂也会导致磁体的剩磁和磁能积的降低.纳米A l的掺杂能够改善磁体的温度稳定性.由于纳米A l的熔点低,通过掺杂纳米A l既有助于烧结磁体的液相烧结促进其致密化,又能减少块状富稀土相,增加薄片状富稀土相,起到去磁耦合作用,对于烧结磁体的磁硬化具有重要作用.关键词:烧结N d F e B;纳米A l;晶间掺杂;磁性能;温度稳定性中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()E f f e c t o fA l n a n o p a r t i c l e sd o p i n go nt h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fs i n t e r e dN d F e BC AOY u j i e,Z HANGP e n g j i e,S UN W e i,XUG u a n g q i n gWANGJ i q u a n,WANGQ i a n,L IQ i n g h u a,WUY u c h e n gM I AOB i n g f e n gKANX u c a i(B G R I MM T e c h n o l o g yG r o u p,B e i j i n g ,C h i n a;B G R I MM M a g n e t i cM a t e r i a l sa n dT e c h n o l o g y(F u y a n g)C o L t d,F u y a n g ,A n h u i,C h i n a;N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r f o rM a g n e t i cM a t e r i a l s,B e i j i n g ,C h i n a;S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i ,A n h u i,C h i n a;S c h o o l o fP h y s i c s,N a n j i n gU n i v e r s i t y,N a n j i n g ,C h i n a;S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t y,H e f e i ,A n h u i,C h i n a)A b s t r a c t:S i n t e r e d N d F e B m a g n e t s w i t h d i f f e r e n tn a n o A ld o p i n gc o n t e n t w e r ep r e p a r e d b ya d d i n gd i f f e r e n tn a n oA l i n t oN d F e Bf i n ep o w d e rb yi n t e r g r a n u l a rd o p i n gm e t h o d T h ee f f e c t so fn a n oA ld o p i n go nt h em i c r o s t r u c t u r e,m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dt e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fs i n t e r e d N d F e B m a g n e t sw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d R e s u l t ss h o wt h a tt h ec o e r c i v i t yo ft h em a g n e t sc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db yd o p i n gn a n oA l T h ec o e r c i v i t y i n c r e a s e s f r o m k O ew h e nu n d o p e dn a n oA l t o k O ew h e nd o p e dw i t h n a n oA l H o w e v e r,t h ed o p i n go fn a n oA l c a na l s or e d u c e t h er e m a n e n c ea n dm a g n e t i ce n e r g yp r o d u c to f t h em a g n e t s T h ed o p i n go fn a n oA l c a ni m p r o v et h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo f t h em a g n e t s D u et o t h e l o wm e l t i n gp o i n t o f n a n oA l,d o p i n gn a n oA l c a nn o t o n l yh e l p t h e l i q u i dp h a s e s i n t e r i n go f s i n t e r e dm a g n e t sa n dp r o m o t e i t sd e n s i f i c a t i o n,b u t a l s or e d u c e t h em a s s i v e r a r ee a r t hr i c hp h a s e sa n d i n c r e a s e t h e收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目(Y F B );安徽省重点研究与开发计划项目();安徽省博士后研究人员科研活动经费资助项目(B )第一作者:曹玉杰,博士,工程师,主要研究方向为稀土永磁材料及其表面防护.E m a i l:c a o y u j i e c o m通信作者:张鹏杰,博士,正高级工程师;E m a i l:z h a n g p e n g j i e c o m曹玉杰等:纳米A l掺杂对烧结N d F e B结构与性能的影响l a m e l l a r r a r ee a r t hr i c hp h a s e s,w h i c hp l a y sad e m a g n e t i z i n gc o u p l i n gr o l ea n da ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a g n e t i ch a r d e n i n go f s i n t e r e dm a g n e t s K e yw o r d s:s i n t e r e dN d F e B;A l n a n o p a r t i c l e s;i n t e r g r a n u l a rd o p i n g;m a g n e t i cp r o p e r t i e s;t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y烧结钕铁硼稀土永磁材料具有高的饱和磁化强度、磁晶各向异性场以及较高的性价比,被广泛应用于汽车工业、风力发电、家用电器、医疗器械、各类电机、航空航天、国防军工等诸多领域 .烧结钕铁硼磁体是目前发展速度最快、应用范围最广、市场前景最好的磁性功能材料.磁体的物理特性与其成分及微观结构相关,烧结钕铁硼磁体主要由N dF e B主相、富N d相和富B相组成,其中分布在主相晶粒周围的富N d相熔点较低,既能起到液相烧结致密化的作用,又能隔离主相晶粒,起到去磁耦合的作用 .但是,实际应用中,富N d相很难沿主相之间均匀分布,导致磁体的矫顽力远低于其理论值,在一定程度上限制了烧结钕铁硼磁体的发展.适当增加稀土含量能够改善磁体主相晶粒之间富稀土相的分布,但是稀土含量的增加势必会提高磁体的生产成本,.为解决上述问题,通过调整合金配方来优化晶界富稀土相的分布情况,即 通 过 合 金 化 方 法 添 加 微 量 的C u、Z n、A l、G a等元素,但合金化会导致添加的元素进入主相晶 粒,降 低 磁 体 的 剩 磁 .另 一 种 常用的方法是 晶间掺杂法,该方法 可 以 有 效 避 免或减少添加的微量元素进 入主相晶 粒,.如倪俊杰 等 在 研 究C u S n 晶 界 添 加 对 钕 铁 硼磁性能的影响时发现,适量的C u S n 晶界添加能够改善晶 界富稀土相 的分布,提 高 磁 体 的 致密度,从而达到 改 善 磁 体 磁 性 能 的 目 的;成 问好等 采用混合合金法研究了G a的添加对烧结钕铁硼磁体 磁性能和微 观结构 的 影 响,结 果 表明G a的添加可以优化晶粒的边界相,提高磁体的内禀矫顽 力,降 低 磁 通 不 可 逆 损 失.本 文 采用晶间掺杂方法添加适量的纳米A l粉,研究纳米A l粉的添加对烧结钕铁硼磁体磁性能、温度稳定性及微观结构的影响.试验方法采用 人 工 合 成 试 剂 为 原 料,按 照 名 义 成 分为(P r N d)C o F eb a lB(质量百分比)进行配比,依次通过真空感应速凝制备速凝片,速凝片经过氢破碎和气流磨制粉工序后得到平均粒度在 m的细粉.将纳米A l粉按质量 分 数x、添加到制得的细粉中,并添加适量的防氧化剂和汽油,在三维混料罐中进行h的混料处理.然后在 T磁场下取向成型,并进行等静压,制得不同纳米A l含量的钕铁硼压坯.随后在真空烧结炉中 下烧结h,将烧结态磁体在 条件下一级回火h,在 条件下二级回火h.最后将磁体机加工成 mm mm的圆柱(高 mm方向为磁体的取向方向).采用P h e n o mP r oX型扫描电子显微镜(S EM,背 散 射 模 式)观 察 样 品 的 微 观 形 貌.采 用N I M H型磁滞回线测量仪测试样品在常温和 条件下的磁性能.利用亥姆霍兹线圈和磁通计测试磁体的磁通不可逆损失.结果与讨论 S EM分析图是不同纳米A l掺杂量的烧结钕铁硼磁体的S EM照片.图中灰色区域为主相,白色区域为富稀土相.从图可以看出,未掺杂纳米A l粉的烧结钕铁硼磁体分布着团块状的富稀土相,在主相晶粒之间未形成连续分布的晶界富稀土相.随着纳米A l掺杂量的增加,主相晶粒之间的块状富稀土相逐渐减少,并且在主相晶粒边缘形成了薄片状的富稀土相.说明纳米A l粉的掺杂能够改善主相和富稀土相之间的浸润性,减少甚至消除了主相之间的块状富稀土相.由于纳米A l粉的熔点低,通过掺杂纳米A l既有助于烧结磁体的致密化,又能减少块状富稀土相,增加薄片状富稀土相,起到去磁耦合作用,对于烧结磁体的磁硬化具有重要作用,因此,纳米A l粉的掺杂可以提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力Hc j.磁性能和温度稳定性分析图是纳米A l的掺杂量对烧结钕铁硼磁体磁性能的影响.从图可以看出,烧结钕铁硼磁体的剩磁Br随纳米A l掺杂量的增加而增大,但磁体的内禀矫顽力Hc j和最大磁能积(BH)m a x却随纳米A l掺杂量的增加而减小.未掺杂纳米A l粉的烧结钕铁硼磁体的Br、Hc j和(BH)m a x分别为 k G s、k O e和 MG O e.当纳米A l的掺杂量为 时,磁体的Hc j达到了 k O e,提高幅度大,但是磁体的Br和(BH)m a x分别降低到 k G s和 MG O e.说明纳米A l粉的掺杂可以明显提高磁体的矫顽力,但纳米A l的掺杂也会导致磁体的剩磁和磁能积的降低.矿冶图不同纳米A l掺杂量烧结钕铁硼磁体的S EM图像:(a);(b);(c);(d);(e)F i g S EMi m a g e so f s i n t e r e dN d F e Bm a g n e t sw i t hd i f f e r e n tA l n a n o p a r t i c l e sd o p i n g l e v e l s:(a);(b);(c);(d);(e)图不同纳米A l掺杂量的烧结钕铁硼磁体的磁性能F i g M a g n e t i cp r o p e r t i e so f s i n t e r e dN d F e Bm a g n e t sw i t hd i f f e r e n tA l n a n o p a r t i c l e sd o p i n gl e v e l s作为磁体温度稳定性的重要指标之一,温度系数能够定量地反映温度变化对磁体性能的影响程度.通常采用剩磁温度系数|和矫顽力温度系数|来表示磁体剩磁和内禀矫顽力对温度的敏感程度,其计算公式为:Br(T)Br(T)Br(T)(TT)()Hc j(T)Hc j(T)Hc j(T)(TT)()式中,Br(T)和Hc j(T)分别是温度为T时的剩磁和内禀矫顽力,T.图是不同纳米A l掺杂量的烧结钕铁硼磁体在 的剩磁温度系数|和矫顽力温度系数|.从图可以看出,随着纳米A l粉的逐渐增加,磁体的|和|呈逐渐减小的趋势.未添加纳米A l粉烧结钕铁硼磁体的|和|分别为 /和 /.当纳米A l的掺杂量 为 时,磁 体 的|和|分 别 为 /和 /.说明纳米A l粉的添加可以降低磁体的剩磁温度系数|和矫顽力温度系数|,从而提高磁体的温度稳定性.曹玉杰等:纳米A l掺杂对烧结N d F e B结构与性能的影响图不同纳米A l掺杂量烧结钕铁硼磁体的温度系数和F i g T e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t sa n do f s i n t e r e dN d F e Bm a g n e t sw i t hd i f f e r e n tA l n a n o p a r t i c l e sd o p i n g l e v e l s磁体抗高温退磁能力可以由磁通不可逆损失表示.烧结钕铁硼磁体的磁通不可逆损失可由公式计算.hi r r()/()式中:hi r r表示磁体的磁通不可逆损失;表示磁体在烘烤前的磁通值;表示磁体经烘烤后恢复到室温时的磁通值.图是不同纳米A l掺杂量的烧结钕铁硼磁体的磁通不可逆损失随温度的变化情况.从图可以看出,当烘烤温度达到 之前,样品的磁通不可逆损失很小,可忽略温度变化对磁通不可逆损失的影响;当烘烤温度超过 后,随着烘烤温度的升高,样品的磁通不可逆损失显著增加.在相同测试条件下,样品的磁通不可逆损失随纳米A l掺杂量的增加而减小.在 下烘烤h后,样品图不同A l掺杂量烧结钕铁硼磁体的磁通不可逆损失随温度的变化F i g T e m p e r a t u r ed e p e n d e n t i r r e v e r s i b l e l o s so fm a g n e t i c f l u x i ns i n t e r e dN d F e Bm a g n e t sw i t hd i f f e r e n tA l n a n o p a r t i c l e sd o p i n gl e v e l s的磁通不可逆损失(hi r r)由纳米A l掺杂量为时的 降 低 到 纳 米A l掺 杂 量 为 时 的 ,因此,纳米A l粉的掺杂能够降低磁体的高温磁通不可逆损失,提高烧结钕铁硼磁体的温度稳定性.结论)纳米A l粉的掺杂可以明显提高磁体的矫顽力,但纳米A l的掺杂也会导致磁体的剩磁和磁能积的降低.)纳米A l粉的掺杂可以降低磁体的剩磁温度系数|、矫顽力温度系数|和高温磁通不可逆损失,提高磁体的抗高温退磁能力,从而提高其温度稳定性.)纳米A l粉的掺杂可以提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力Hc j,通过掺杂纳米A l既有助于烧结磁体的致密化,又能减少块状富稀土相,增加薄片状富稀土相,起到去磁耦合作用,对于烧结磁体的磁硬化具有重要作用.参考文献S AG AWA M,F U J I MUR AS,T O G AWAN,e t a l N e wm a t e r i a l f o rp e r m a n e n tm a g n e t so nab a s eo fN da n dF e(i n v i t e d)JJ o u r n a lo f A p p l i e d P h y s i c s,():HONOK,S E P EHR I AM I NH S t r a t e g y f o rh i g h c o e r c i v i t yN d F e Bm a g n e t sJ S c r i p t aM a t e r i a l i a,():WU Y C,GA O Z Q,X U G Q,e ta l C u r r e n ts t a t u sa n d c h a l l e n g e si n c o r r o s i o n a n d p r o t e c t i o ns t r a t e g i e sf o rs i n t e r e d N d F e B m a g n e t sJA c t aM e t a l l u r g i c aS i n i c a,():吴波,邓小霞H o取代对烧结N d F e B显微结构和磁体性 能 的 影 响 J磁 性 材 料 及 器 件,():,WUB,D E N GXX I n f l u e n c eo fH os u b s t i t u t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f s i n t e r e dN d F e Bm a g n e tJJ o u r n a l o f M a g n e t i c M a t e r i a l s a n dD e v i c e s,():,L I ULH,S E P E HR E AM I N H,OHK U B OT,e ta l C o e r c i v i t ye n h a n c e m e n t o fh o t d e f o r m e dN d F e Bm a g n e t sb yt h ee u t e c t i cg r a i nb o u n d a r yd i f f u s i o np r o c e s su s i n gN d D y A l a l l o yJS c r i p t aM a t e r i a l i a,:钱尼健,严长江氧含量对P r N d C e F e B烧结磁体性能的影响J磁性材料及器件,():Q I AN NJ,YANCJ E f f e c to fo x y g e nc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so fs i n t e r e dP r N d C e F e B m a g n e t sJ矿冶J o u r n a lo f M a g n e t i c M a t e r i a l sa n d D e v i c e s,():P L U S A D M e c h a n i s m o f m a g n e t i z a t i o n r e v e r s a l i nN d F e BP e r m a n e n t M a g n e t sJ I E E ET r a n s a c t i o n so nM a g n e t i c s,():P AN M X,Z HANGPY,L IXJ,e ta l E f f e c to ft e r b i u m a d d i t i o n o nt h ec o e r c i v i t y o ft h es i n t e r e dN d F e Bm a g n e t sJJ o u r n a lo fR a r eE a r t h s,():HUZH,QU HJ,MA D W,e ta l I n f l u e n c eo fd y s p r o s i u ms u b s t i t u t i o no nm a g n e t i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f h i g h i n t r i n s i c c o e r c i v i t y N d F e Bm a g n e t s p r e p a r e d b y d o u b l e a l l o y p o w d e r m i x e dm e t h o dJJ o u r n a lo fR a r eE a r t h s,():Z E NG H X,WAN G Q X,Z HAN G JS,e ta l G r a i nb o u n d a r yd i f f u s i o n t r e a t m e n t o f s i n t e r e dN d F e Bm a g n e t sb yl o w c o s tL a A l C ua l l o y s w i t hv a r i o u sA l/C ur a t i o sJ J o u r n a l o fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s,:D O I:/j j mmm TANG M H,B A O X Q,Z HOU Y S,e ta l M i c r o s t r u c t u r ea n da n n e a l i n ge f f e c t so fN d F e Bs i n t e r e dm a g n e t s w i t h P r C u b o u n d a r y a d d i t i o nJ/O LJ o u r n a l o fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s,:h t t p s:/d o i o r g/j j mm m D E R EWN I C K A K R A WC Z Y N S K A D,F E R R A R I S,B I L OV O LV,e ta l I n f l u e n c eo fN b,M o,a n dT ia sd o p i n gm e t a l so ns t r u c t u r ea n dm a g n e t i cr e s p o n s ei nN d F e Bb a s e d m e l ts p u nr i b b o n sJJ o u r n a lo fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s,:HA R L A N DCL,D A V I E S HAM a g n e t i cp r o p e r t i e s o fm e l t s p u n N d r i c h N d F e B a l l o y s w i t h D y a n d G as u b s t i t u t i o n sJ J o u r n a l o fA l l o y sa n dC o m p o u n d s,():仲洁,黄祥云,曾亮亮,等掺杂P r D Y F e 对烧结钕铁硼磁性能和微观组织的影响J中国稀土学报,():Z HO N GJ,HU A N GXY,Z E N GLL,e ta l E f f e c to fd o p e dP r D y F e a l l o y so nm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e o f s i n t e r e d N d F e B m a g n e t sJJ o u r n a l o f t h eC h i n e s eS o c i e t yo fR a r eE a r t h s,():CHE N H,YAN GX,S UNL,e t a l E f f e c t so fA go nt h em a g n e t i ca n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs i n t e r e dN d F e Bp e r m a n e n tm a g n e t sJJ o u r n a lo f M a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s,:倪俊杰,王永康,贾正锋,等C u S n 晶界添加对N d F e B磁性及抗蚀性的影响J稀有金属材料与工程,():N I JJ,WAN G Y K,J I A Z F,e ta l E f f e c to fi n t e r g r a n u l a ra d d i t i o no fC u S n o n m a g n e t i ca n da n t i c o r r o s i o np r o p e r t i e so fN d F e Bm a g n e t sJR a r eM e t a l M a t e r i a l s a n d E n g i n e e r i n g,():成问好,李卫,李传健,等混合合金法添加G a对N d D y F e C o B烧 结 磁 体 的 磁 性 和 微 观 结 构 的 影响J金属学报,():CHE NG W H,L IW,L ICJ,e ta l E f f e c to fG aa d d i t i o no n t h em a g n e t i cp r o p e r t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r e o fN d D y F e C o Bs i n t e r e dm a g n e tp r e p a r e db yb l e n d i n gm e t h o dJA c t a M e t a l l r u g i c aS i n i c a,():(编辑:王爱平)