各向异性HDDR NdFeB磁粉的制备与研究

题名:各向异性HDDR NdFeB磁粉的制备与研究
作者:刘敏
学位授予单位:山东大学
关键词:SC+HDDR工艺;;HDDR磁粉;;微结构;;各向异性;;矫顽力
摘要:热处理的六元合金Nd12.8Fe72Co7.8B7Zr0.1Ga0.3铸片制备各向异性磁粉的可能性,并以三元合金Nd13.5Fe79.5B7为例研究了HDDR磁粉各向异性的起源和形成机理。主要研究工作如下：

 1.理论研究工作

 1)从HDDR磁粉晶粒的特殊微结构出发,研究了HDDR NdFeB永磁合金的反磁化过程和矫顽力机理。结果表明：在lex确定的条件下,当2ro/lex＜1.67时(r0和lex分别为晶粒表面结构缺陷厚度和晶粒间交换耦合长度),决定矫顽力的主要机制是畴壁钉扎；当2ro/lex＞1.67时,决定矫顽力的主要机制是反磁化成核。当2ro/lex=1.67时,矫顽力出现最大值,并与相关的实验结果符合很好。

 2)研究了晶粒间界相对磁体矫顽力的影响,改进了晶粒边界的各向异性理论模型。假定晶粒间界相是具有相同厚度的非磁性薄层,且在晶粒间均匀分布,给出了晶粒边界两种不同的各向异性表达式K1'(r)和K1''(r)。结果表明：非磁性晶粒间界相是晶粒之间畴壁位移的钉扎部位。当晶粒间界相厚度d为零时,根据两Magnetic lifter种表达式计算的矫顽力Hc均相等。d取非零值时,根据两种表达式计算的Hc均随d的增加而上升。其中根据K1''(r)计算的Hc随d的增加而上升的速率快。可是较厚的晶粒间界相又将会导致磁体的磁化强度及剩磁下降很多,限制了磁体磁能积的提高。厚度约为1nm的晶粒间界相可综合提高磁体磁性能。合理地调节合金成分配方及工艺条件,确保磁体中包含少量的富Nd相,不包含α-Fe,可以得到高性能的HDDR NdFeB磁体。当d为1nm, r0约为畴壁厚度(～4nm)时,根据两种表达式计算的矫顽力都与相关的实验结果符合较好。

 2.实验研究工作

 1)根据实验要求,对原有的实验设备进行了更新、升级和改造。调整并稳定了SC工艺的轮辊转速和石英喷嘴的压力,改造了扩散炉,增加了进气孔,配置了气体压力控制系统。

 2)采用SC工艺制备NdFeB合金铸片,研究了SC工艺的辊轮转速对铸片微结构的影响。结果表明：当辊轮转速v=3m／s时制备的铸片呈现最好的微结构。铸片的2：14：1主相被0.05-0.1μm左右的富Nd薄层分割成大约0.5-2μm的片状薄层,主相片状晶组成取向平行的晶粒团簇,富Nd分布均匀,合金中无α-Fe。这样的SC合金铸片经HDDR工艺处理后得到的磁粉晶粒尺寸细小且分布均匀。当轮辊转速过http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter低时,铸片容易出现软磁性相α-Fe,而轮辊转速过高时,贴辊面会出现弥散性分布的非晶,造成钕的偏析,富Nd相分布不再均匀,这都会导致磁粉性能降低。我们确定SC铸片的最佳冷凝速度为3m／s。

 3)采用六元合金Nd12.8Fe72Co7.8B7Zr0.1Ga0.3铸片为原料,研究了HDDR工艺过程中的缓慢脱氢再结合氢气压强(简称氢压)对磁粉性能的影响,探讨了直接采用未经均匀化热处理的SC铸片制备各向异性磁粉的可能性。结果表明：磁粉的剩磁Br,矫顽力Hcj,磁能积(BH)max及各向异性取向程度DOA均随氢压的增大先增加后减小。当氢压为30kPa时,磁粉性能均出现极大值,具有明显的各向异性,Br=1.3T, Hcj=954.3kA/m, (BH)max=259 kJ/m3, DOA=0.87。Morimoto等人采用未经均匀化热处理的SC铸片制备的NdFeB磁粉是各向同性的。两者的HDDR工艺区别在于：本文的歧化产物先经缓慢脱氢再结合反应；随后又经过了快速脱氢再结合反应；而Morimoto等人仅将歧化产物经过了快速脱氢再结合反应。歧化产物经缓慢脱氢再结合处理有利于磁粉各向异性的形成。

 4)采用三元Nd13.5Fe79.5B7铸片制备了各向异性磁粉,探讨了HDDR磁粉各向异性的产生机理。结果表明：当氢压为20kPa,歧化时间较短(10min)时,DOA=0.76,磁粉具有明显的各向异性。随着歧化时间的延长,DOA逐渐降低。说明磁粉的各向异性可能源于未分解Nd2Fe14B的各向异性,也可能与歧化产物的相成分或微结构相关。歧化产物的XRD谱线分析表明：不同的歧化时间所对应的歧化产物中均包含NdH2、a-Fe和Fe2B相,无任何其它相。说明HDDR磁粉的明显各向异性既不是源于未分解Nd2Fe14B的各向异性,也与歧化产物的相成分无关。歧化产物微结构的SEM分析表明：歧化时间小于10min时,歧化产物的微结构呈现片状晶。随着歧化时间的延长,片状晶逐渐粗化,歧化组织中开始有柱状晶出现。歧化时间进一步延长,歧化产物的微结构完全呈现柱状晶。说明歧化时间较短时,HDDR磁粉所呈现出来的明显各向异性与歧化产物的片状微结构密切相关。这可能是由于片状的歧化产物(中间相产物)保留或继承了原制备态SC合金的硬磁性母相的取向,又与再结合过程中新生成的Nd2Fe14B晶粒的取向有关,从而磁粉呈现各向异性取向。磁粉各向异性的产生机理符合“中间相模型”。

 我们的理论研究从HDDR晶粒的特殊微结构出发,建立了晶粒边界的各向异性理论模型,搞清了磁体的反磁化过程和矫顽力机理,为制备高矫顽力磁体提供了重要的理论参考。

 我们的实验研究表明：无论是否添加其他元素,直接采用未经热处理的SC合金铸片经优化的HDDR工艺处理都可以制备各向异性NdFeB磁粉。是否含有添加元素及SC铸片是否经均匀化热处理都不是制备各向异性磁粉的必要条件,其关键技术在于HDDR工艺的调节,即适当地加快歧化反应过程,减缓脱氢再结合过程以及控制缓慢脱氢再结合过程的合适氢气压强。我们的研究不仅节省了均匀化热处理的时间和能源,而且为降低成本,制备高性能的各向异性磁粉和磁体提供了参考。
学位年度:2010