简介概要

Co/Nb复合添加对Nd2Fe14B/α-Fe纳米晶双相复合永磁体的影响

来源期刊：稀有金属2009年第1期

论文作者：马瑞卢斌

关键词：纳米晶双相复合永磁体; 非晶形成能力; 交换耦合; 磁性能;

摘要：通过复合添加,采用熔体快淬法制备Nd8　Fe82　Co3　Nb1　B6纳米晶双相复合永磁体,研究了Co,Nb对合金微观组织及磁性能的影响.结果表明,合金元素Co/Nb的复合添加,可降低剩磁和矫顽力的温度系数,增强软、硬磁相的高温稳定性;其次,提高合金的非晶形成能力,在合金的晶化退火处理中促进晶粒细化,改善显微组织,增加两相晶粒间的铁磁交换耦合作用,有利于合金综合磁性能的提高,其最佳磁性能为Br＝1.14 T,Hcj＝320 kA·m-1,(BH)max＝109.3 kJ·m-3.

稀有金属 2009,33(01),22-25+4 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2009.01.026

Co/Nb复合添加对Nd₂Fe₁₄B/α-Fe纳米晶双相复合永磁体的影响

卢斌

贵州大学材料科学与冶金工程学院

中南大学材料科学与工程学院

摘要：

通过复合添加, 采用熔体快淬法制备Nd8Fe82Co3Nb1B6纳米晶双相复合永磁体, 研究了Co, Nb对合金微观组织及磁性能的影响。结果表明, 合金元素Co/Nb的复合添加, 可降低剩磁和矫顽力的温度系数, 增强软、硬磁相的高温稳定性;其次, 提高合金的非晶形成能力, 在合金的晶化退火处理中促进晶粒细化, 改善显微组织, 增加两相晶粒间的铁磁交换耦合作用, 有利于合金综合磁性能的提高, 其最佳磁性能为Br=1.14 T, Hcj=320 kA.m-1, (BH) max=109.3 kJ.m-3。

关键词：

纳米晶双相复合永磁体;非晶形成能力;交换耦合;磁性能;

中图分类号： TM273

收稿日期：2008-01-31

Effect of Combined Cobalt and Niobium Additions on Nd₂Fe₁₄B/α-Fe Nanocrystalline Two-Phase Composite Permanent Magnets

Abstract：

The influence of Co, Nb on the Nd8Fe82Co3Nb1B6 nanocomposite magnets was investigated via Co and Ni simultaneous addition.The results showed that the high temperature stability of two phases was increased.Adding Co+Nb could improve the glass forming ability of the alloy, reduce the size of grains, increase the exchange coupling ability of two phases, and obviously increase the magnetic properties of the alloy.The best values of magnetic properties for samples obtained were Br=1.14 T, Hcj=320 kA·m-1 and (BH) max=109.3 kJ·m-3.

Keyword：

nanocrystalline two-phase composite permanent magnets;glass forming ability;exchange coupling ability;magnetic properties;

Received： 2008-01-31

自1988年Coehoorn等 ^[1] 在快淬低Nd永磁合金中首次发现了Nd₂Fe₁₄B/Fe₃B双相交换耦合作用引起高剩磁和高最大磁能积现象以来, 纳米晶双相复合永磁合金以其含有少量昂贵稀土元素的同时具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积等特点引起广泛重视 ^[2] 。交换耦合作用理论分析表明 ^[3] , 为了获得最佳的耦合效果, 理想的组织结构模型应为:晶粒尺寸在10～20 nm之间, 晶粒形状规则均匀, 软磁性相的比例控制在30%～40%之间, 硬磁性晶粒理想平均取向等。熔体快淬法和机械合金化法是制备纳米晶双相复合永磁合金的主要方法 ^[4,5] , 然而这些方法很难控制纳米结构。Nb, Zr, Ti, Co等元素的添加可抑制晶粒的长大, 改变合金相的析出规律, 从而改善合金的性能 ^[6,7,8,9] 。但对于Co与Nb复合添加的报道还较少, 本文以Nd₂Fe₁₄B/α-Fe系纳米晶双相复合永磁合金中具有典型代表性的Nd₈Fe₈₆B₆合金 ^[10] 为研究对象, 以Co+Nb取代部分Fe, 分析了Co, Nb合金元素的复合添加对合金非晶形成能力、微观组织及磁性能的影响。

1 实验

原材料采用纯度优于99.5%的纯Fe, Co, Nb, Nd以及Fe-20%B (质量分数) 中间合金。采用非自耗真空电弧感应炉熔炼名义成分为Nd₈Fe₈₆B₆和Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆的母合金, 为保证合金成分均匀, 反复翻转熔炼4次。将母合金破碎后, 在ZK-10TCⅢ型真空熔炼快淬炉中采用旋熔法, 氩气保护下制备快淬薄片。炉内真空度为10^-5 torr, 喷射压力为1.4×10^-5 Pa, 喷嘴直径为0.7 mm, 喷嘴与铜辊表面距离为8～10 mm, 铜辊表面的线速度为25 m s^-1, 快淬薄带的宽度为2～3 mm, 带厚约30μm。薄带样品进行充氩气封管处理后置于热处理炉中进行670℃晶化退火处理30 mi n。样品热分析在WCT-2A型微机差热天平上进行 (升温速率10℃min^-1) 。相结构分析采用D/max-RB型日本理学 (Rigaku) X射线衍射仪, 依据Scherrer关系式估算平均晶粒尺寸D值, 依据关系式 (1) ^[11] 来估算α-Fe相的体积分数V_α-Fe,

其中, V_α-Fe为α-Fe相的体积分数 (%) , I_α-Fe和I_Nd2Fe14B分别为α-Fe相的衍射面和Nd₂Fe₁₄B相的衍射面的衍射强度。磁性测量采用HH-15型振动样品磁强计。

2 结果与讨论

2.1 对合金高温稳定性的影响

对Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆非晶态样品进行了DTA分析以确定晶化温度。图1为该淬态非晶合金在10℃min^-1升温速率下的DTA曲线。从图中可以看出, 在升温曲线上出现了两个明显的放热峰, 其中, 第一个放热峰温为597℃, 第二个放热峰温为669℃。研究表明 ^[7,8] , 第一个放热峰应与α-Fe相的析出有关, 第二个放热峰与Nd₂Fe₁₄B相的析出有关。同时也可看出, 与Nd₈Fe₈₆B₆合金 ^[10] 相比, 由于Co/Nb的复合加入, 使该合金中α-Fe相和Nd₂Fe₁₄B相的晶化温度都有所升高, 说明该合金具有较好的高温稳定性。

2.2 对合金非晶形成能力的影响

图2为快淬态Nd₈Fe₈₆B₆合金与快淬态Nd₈Fe₈₃Co₃Nb₁B₆合金的XRD谱。从图中可以看出, Nd₈Fe₈₆B₆合金中存在着大量的Nd₂Fe₁₄B相和α-Fe相, 依据Scherrer方法估算出它们的平均晶粒尺寸约为60 nm。当复合添加Co/Nb后, Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆合金淬态样品基本上为非晶态, 仅出现少量的Nd₂Fe₁₄B相和α-Fe相。结果表明, Co/Nb复合添加具有明显促进Nd₈Fe₈₆B₆合金非晶化的作用。根据Inoue等 ^[12] 提出的多组元非晶合金玻璃形成能力三条经验规律可知, 由于Nb元素和Fe, Co元素之间的原子半径差大于12%, 且Fe-Nb, Co-Nb, Nb-B等原子对之间有很大的负混合热, 有利于形成非晶。此外, 由于Nb为高熔点物质 (熔点2741 K) , 高熔点元素的加入会使得合金从过冷液体到晶化所需的原子排列变得困难, 且Nb的加入还使得合金过冷液体中可以形成更加致密的填充结构, 也导致晶化相析出所需的原子重排更加困难, 从而有利于非晶态的形成和非晶态热稳定性的提高。

2.3 对晶化合金显微组织的影响

依据DTA分析结果, 将Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆非晶合金在670℃下进行30 mi n的退火处理。图3为该合金晶化退火处理后的XRD谱。从图中可以看出, 晶化退火处理后的试样, α-Fe相和Nd₂Fe₁₄B相的衍射峰强度较大, 表明有大量的α-Fe相和Nd₂Fe₁₄B相析出。依据Scherrer关系式和关系式 (1) 估算出平均晶粒尺寸和体积分数V_α-Fe。估算结果表明, 此时平均晶粒尺寸约为50 nm, 此时α-Fe相体积分数约为48%。Co/Nb元素的复合添加不仅有利于非晶的形成, 更能有效抑制α-Fe相和Nd₂Fe₁₄B相晶粒的长大。非晶晶化过程仍是一个典型的形核和长大的过程。首先, 由于结构起伏形成Fe或Nd富集区、晶胚, 达到形核的条件。晶核形成后, 其长大过程受控于原子扩散过程。在晶粒长大时, Nb等原子扩散至晶界非晶相, 由于Nb原子之间结合能较小存在择优相互作用, 可形成较为稳定的原子簇团。而Nb原子簇团与α-Fe之间的扩散机制属于交换机制, 这种机制所需的扩散激活能很大, 因此较难实现。从而这种较大的原子簇团难以扩散, 聚集在α-Fe晶粒周围形成界面, 抑制了α-Fe晶化相界面迁移, 阻碍晶粒长大, 最终形成了晶粒均匀分布的纳米晶相。

图3 Nd8Fe82Co3Nb1B6合金晶化退火处理后的XRD谱

Fig.3 XRD of Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆ribbons under annealingtreatment

2.4 对合金磁性能的影响

纳米晶双相永磁合金的磁性能主要取决于软、硬磁相在相界处的铁磁交换耦合作用。软、硬磁的交换耦合作用一方面提高了软磁性相的成核场, 另一方面又降低了硬磁性相的成核场。图4所示为快淬态Nd₈Fe₈₆B₆合金和晶化态Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆合金的磁性能。由图可知, 快淬态Nd₈Fe₈₆B₆合金的磁滞回线出现台阶, 合金中软、硬磁相的晶粒尺寸较粗大, 阻碍了软、硬磁晶粒间有效的交换耦合作用, 软磁相的部分磁矩发生反转, 合金的剩磁和矫顽力较小。晶化态Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆合金磁滞回线的矩形度较好, 表现出单相合金所具有的光滑回线特征, 说明合金具有单一硬磁性。此时合金晶粒尺寸较合适, 晶粒分布较为均匀, 两相的体积分数比达到较佳状态, 两相间铁磁交换耦合作用也最有效, 合金的剩磁和矫顽力达到最大值, B_r=1.14 T, H_cj=320 kA m^-1, (BH) _max=109.3 kJ m^-3。

图4 快淬态Nd8Fe86B6合金 (a) 和晶化态Nd8Fe82Nb1Co3B6合金 (b) 的磁滞回线

Fig.4 Magnetic hysteresis loop of alloys: (a) as-spun ribbons of Nd₈Fe₈₆B₆alloy; (b) crystalline Nd₈Fe₈₂Nb₁Co₃B₆alloy

3 结论

1.随着合金元素Co/Nb的复合添加, 所添加合金元素均匀分布于软、硬磁相间, 降低了剩磁和矫顽力的温度系数, 从而增强了软硬磁相的高温稳定性;其次, 提高合金的非晶形成能力, 在合金的晶化退火处理中可以细化晶粒, 改善其显微组织, 从而增加两相晶粒间的铁磁交换耦合作用, 最终有利于合金综合磁性能的提高。

2.通过Co/Nb合金元素的复合添加, 晶化态Nd₈Fe₈₂Co₃Nb₁B₆合金的平均晶粒尺寸约为50 nm, 软磁相体积分数约为48%, 这种合金具有较快淬态Nd₈Fe₈₆B₆合金更好的显微结构和综合磁性能, 其最佳磁性能为B_r=1.14 T, H_cj=320 kA m^-1, (BH) _max=109.3 kJ m^-3。