CN104934175B - 一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体 - Google Patents

一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高钕铁硼磁体内禀矫顽力的材料，其特征在于在原磁体基础上引入一定量的Ag元素位于晶界，且基本消除了Fe元素在晶界的析出，其具有比未经改进的合金具有更高的内禀矫顽力，并且在相同矫顽力的情形下所需镝（铽）的量更少，从而实现提高内禀矫顽力、降低镝（铽）元素用量的目的，可以满足对高内禀矫顽力、低成本、高使用温度磁体有需要的各种场合。

Description

一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体
技术领域
本发明涉及一种提高内禀矫顽力、降低镝（铽）用量、以R2Fe14B 结构化合物（R为稀土）为主相的晶界改进型永磁材料，能够满足对高矫顽力、低成本块状钕铁硼永磁体的需要，能运用于对使用温度高于室温有需求的各种适当场合。
背景技术
重稀土镝是一种具有多种用途、储量有限的战略资源。凡是涉及激光、核反应堆、计算机硬碟、汽电混和动力引擎等，都必须要使用镝。近年来，随着汽电混和动力、纯电动汽车对Nd-Fe-B 用量逐年增长，带动了对金属镝的需求。汽电混和动力汽车上的Nd-Fe-B磁体，其工作温度约为200 摄氏度，要求磁体的内禀矫顽力Hcj 在室温达到30 kOe。用Dy对Nd-Fe-B 磁体中的Nd 元素进行取代形成 (Nd,Dy)2Fe14B 相是目前提高矫顽力最重要的手段。但是，由于Dy 原子与Fe 原子磁矩反平行排列，Dy2Fe14B 的饱和磁化强度(0.7 T)仅为Nd2Fe14B（1.6 T）的44%，镝对钕的替代会造成磁体剩余磁化强度和磁能积的大幅度下降。另外，镝元素稀缺、成本高（每公斤镝的价格约为钕的10 倍），典型的含镝合金的组分为Nd12Dy2.7Fe76Cu0.2B6M2.6(M=Al, Co, Nb)，Dy 约占8 wt.%，所以寻找无Dy 高矫顽力永磁体是工业和资源可持续利用的迫切需求。
生产 Nd-Fe-B 磁体时，晶界相的性能、晶体结构、成分、应力状态对高矫顽力无镝Nd-Fe-B 永磁体的开发尤其重要。通过非磁性原子对晶界改性是充分发挥Nd2Fe14B 相的磁晶各向异性的一种有效手段。这些非磁性元素对晶界改性的过程可以分解为：改性元素与Nd 偏聚到晶界、与Nd 元素在晶界形成低熔点共晶、对晶界进行平滑和润湿三步，如图1所示（此示意图是在文献：H. Sepehri-Amin, T. Ohkubo, T. Shima, K. Hono, ActaMater. 60(2012) 819.中图13 基础上再加工而得）。但是，目前用这些非磁性元素对钕铁硼磁体进行掺杂时，Fe、Co 等铁磁性元素在晶界偏聚，同时掺杂元素固溶在Nd2Fe14B 晶粒内部，对磁体的剩余磁化强度产生消极影响，制约着矫顽力的进一步提高。如文献：H.Sepehri-Amin, T.Ohkubo, T. Shima, K. Hono, Grain boundary and interfacechemistry of an Nd-Fe-B-based sintered magnet, Acta Mater., 60 (2012) 819-830报道Cu 微量添加的钕铁硼磁体晶界的Fe+Co 的含量高达65 at.%（图2），并且晶界相呈铁磁态，导致晶界相对Nd2Fe14B 晶粒的磁隔离作用减弱，Nd2Fe14B 晶粒间将发生磁耦合效应，阻碍了磁体内禀矫顽力的进一步提高。因此，如何抑制软磁性相在晶界形成，即抑制Fe元素在晶界偏聚，同时又保持Nd2Fe14B 相的磁性不成为近两年研究高内禀矫顽力(Hcj>30kOe)、低镝Nd-Fe-B 永磁体的关键问题。
发明内容
本发明的目的是通过消除Fe 元素在钕铁硼磁体晶界偏聚，从而实现提高内禀矫顽力、降低镝（铽）元素用量的目的，以满足对高内禀矫顽力、低成本、高使用温度块状磁体有需要的各种场合。
为了达到以上目的，在大量的文献调研、理论分析和实验的基础上，本发明提供一种基于钕铁硼永磁体的改进型合金材料，其特征在于含有少量的Ag 元素，基本消除了Fe元素在晶界的析出，其具有比未经改进的合金具有更高的内禀矫顽力，并且在相同矫顽力的情形下所需镝（铽）的量更少。
本发明创造性地将Ag 微量引入Nd-Fe-B 磁体，所发明材料的通式为（M）Agx，其中0<x<1.0 at.%，M 代表主相（磁性相）为R2Fe14B 结构的钕铁硼合金（R=稀土，主要为Nd）。
本发明所述材料中的Ag 元素中分布在磁体中的Nd2Fe14B 晶粒的边界，在Nd2Fe14B相内的残留量很少，几乎不影响Nd2Fe14B 相的磁性。
本发明所述添加Ag 的材料比没有Ag 存在时的内禀矫顽力提高，其提高的幅度大于20%，并且获得相同的内禀矫顽力对镝（铽）需求量减少2 wt.%以上，另外在高于室温使用时，矫顽力下降幅度更小。
本发明的永磁材料可采用钕铁硼永磁材料的粉末冶金法进行制备，不需增加额外的工序，但其烧结后的退火工艺需进行优化。
附图说明
图1 过渡族元素Cu扩散偏聚改变晶界过程示意图。
图2 目前钕铁硼磁体存在晶界含大量Fe(60 at.%)的问题阻碍了矫顽力的进一步提高。
图3 Nd14Fe75B8、Nd14Fe75B8Ag0.4 合金的退磁曲线。
图4 横穿晶界的元素分布图。
具体实施例
以下实施方式仅用于对本发明进行举例说明而并非用以限定本发明的范围。
实施例一：
按化学式 Nd14Fe75B8、Nd14Fe75B8Ag0.4 配制合金并进行真空熔炼，熔炼后的合金在1110 摄氏度均匀化退火16 小时，机械破碎之后利用气流磨进行制粉并检验粉末颗粒尺寸小于10 μm，然后将粉末在2 T 的磁场中取向并压制成型，之后将压坯置入真空烧结炉内，在1050 摄氏度烧结4 小时，烧结完成后进行二级热处理，其中一级热处理温度950 摄氏度处理2 小时，二级热处理温度650 度处理1 小时。所制备磁体的磁性能指标列于表1中，退磁曲线示于图3 中，晶界处的成分分布如图4（本例中的工艺仍可进一步优化）。
Compositions Temp.(℃) Br(kGs) Hcj(kOe) (BH)max(MGsOe)
Nd<sub>14</sub>Fe<sub>75</sub>B<sub>8</sub> 23 11.25 11.26 31.5
Nd<sub>14</sub>Fe<sub>75</sub>B<sub>8</sub>Ag<sub>0.4</sub> 23 11.20 14.23 30.7
表1 Nd14Fe75B8 合金添加Ag 元素前后的磁性能对比。
按化学式 Nd12Fe72Co8B6.5Ga0.2、Nd12Fe72Co8B6.5Ga0.2Ag0.3 配制合金并在真空甩片炉内制成速凝薄片，将这些合金薄片机械破碎之后与氢气进行反应（HDDR 工艺），并检验粉末颗粒尺寸小于10 μm，然后将粉末在2 T 的磁场中取向并压制成型，之后将压坯置入真空烧结炉内，在1050 摄氏度烧结4 小时，烧结完成后进行二级热处理，其中一级热处理温度950 摄氏度处理2 小时，二级热处理温度650 度处理1 小时。所制备磁体的各项磁性能指标列于表2 中。
Compositions Temp.( ℃) Br(kGs) Hcj(kOe) (BH)max(MGsOe)
Nd<sub>12</sub>Fe<sub>72</sub>Co<sub>8</sub>B<sub>6.5</sub>Ga<sub>0.2</sub> 23 11.35 14.26 33.1
Nd<sub>12</sub>Fe<sub>72</sub>Co<sub>8</sub>B<sub>6.5</sub>Ga<sub>0.2</sub>Ag<sub>0.3</sub> 23 12.01 18.21 32.3
表2 Nd12Fe72Co8B6.5Ga0.2 合金添加Ag 元素前后的磁性能对比。

Claims (4)

1.一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体，其特征在于，该材料含有一定量的Ag，其通式为（M）Agx，其中M表示任何不含Ag的以R2Fe14B结构化合物为主相的钕铁硼磁体，R＝稀土，0<x<1.0 at.%；所述材料通过熔炼后制备成尺寸小于10μm颗粒，烧结后采用950℃+650℃的二级退火工艺来控制材料中的Ag元素分布在晶界和晶界处Fe元素含量低于10 at.%。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体，其特征在于：0.1<x<0.85 at.%。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体，其特征在于：添加Ag的材料比没有Ag存在时的内禀矫顽力提高，其提高的幅度大于20%。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于晶界改性的高矫顽力低镝/铽钕铁硼磁体，其特征在于：获得相同的内禀矫顽力对镝/铽需求量可减少2 wt.%以上。
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