简介概要

铽纳米颗粒掺杂烧结高性能NdFeB永磁的研究

来源期刊：稀有金属2009年第6期

论文作者：张久兴曹爱利刘卫强张东涛岳明菅志刚

关键词：铽纳米颗粒; 烧结NdFeB永磁; 矫顽力; 富Nd相; Tb Nano-particles; sintered NdFeB magnet; coercivities; Nd-rich phase;

摘要：分别采用物理气相沉积和快淬-氢爆工艺制备了Tb纳米粉和主相Nd_2Fe_(14)B磁性粉末, 研究了Tb纳米颗粒掺杂对烧结NdFeB永磁磁性能和微观结构的影响. 结果表明, 随着纳米Tb粉含量的增加, 磁体的矫顽力逐渐升高, 剩磁和磁能积则呈下降趋势. 显微组织研究表明, Tb元素富集在主相晶粒的边界层位置, 这种分布方式不仅有效地提高了磁体的矫顽力, 而且降低了Tb的添加量, 从而减小了Tb的添加对磁体剩磁及磁能积的负面影响.

稀有金属 2009,33(06),821-824

铽纳米颗粒掺杂烧结高性能NdFeB永磁的研究

菅志刚刘卫强曹爱利张东涛岳明张久兴

北京工业大学材料科学与工程学院

摘要：

分别采用物理气相沉积和快淬—氢爆工艺制备了Tb纳米粉和主相Nd2Fe14B磁性粉末,研究了Tb纳米颗粒掺杂对烧结NdFeB永磁磁性能和微观结构的影响。结果表明,随着纳米Tb粉含量的增加,磁体的矫顽力逐渐升高,剩磁和磁能积则呈下降趋势。显微组织研究表明,Tb元素富集在主相晶粒的边界层位置,这种分布方式不仅有效地提高了磁体的矫顽力,而且降低了Tb的添加量,从而减小了Tb的添加对磁体剩磁及磁能积的负面影响。

关键词：

铽纳米颗粒;烧结NdFeB永磁;矫顽力;富Nd相;

中图分类号： TM273

作者简介：菅志刚(1982-),男,内蒙古包头人,硕士;研究方向:稀土永磁材料;刘卫强(E-mail:liuwq@bjut.edu.cn);

收稿日期：2009-01-10

基金：国家自然科学基金(50371002);北京市教委科技发展计划(Km200310005019)资助;

Sintered NdFeB Permanent Magnets of High Performance with Addition of Tb Nanoparticles

Abstract：

Physical vapor deposition and melt-spinning hydrogen decrepitation technique were applied to prepare Tb nanoparticles and NdFeB powder,respectively.Microstructure and magnetic properties of the sintered NdFeB magnets with different content of Tb nano-particle addition were systematically studied.With the increase of Tb content in the magnets,the coercive force rose gradually,while the remanence of the magnets decreased.Microstructure observation showed that Tb distributed mainly in the boundaries of the crystal grains of the main phase.Such a distribution of Tb in the magnets improved the coercive force,reduced the consumption amount of Tb,and inhibited the side effect of Tb on remanence and maximum energy product of the magnets simultaneously.

Keyword：

Tb Nano-particles; sintered NdFeB magnet; coercivities; Nd-rich phase;

Received： 2009-01-10

烧结NdFeB是迄今为止磁性最强的永磁材料, 广泛地应用于电子、机电、仪表和医疗等诸多领域 ^[1] , 是当今世界上发展最快, 市场前景最好的永磁材料。但是烧结NdFeB的温度稳定性较差, 工作温度通常低于100 ℃, 因此在高温电机等领域的应用受到很大局限 ^[2] 。长期以来, 研究者针对这一问题开展了大量的工作, 试图找到提升磁体温度特性的有效途径。一种方法是在磁体中添加Co, 提高其居里温度, 从而改善其温度稳定性 ^[3] 。但这种方法不仅会降低磁体的技术磁性, 而且会因为Co资源的稀缺和价格昂贵而大幅提高磁体的原料成本。另一种有效并且更加实用的方法是向合金中添加重稀土Dy或Tb, 用以取代主相Nd₂Fe₁₄B中的Nd而形成具有更高各向异性场的Dy₂Fe₁₄B或Tb₂Fe₁₄B ^[4,5] 。磁体的矫顽力及其温度稳定性可以得到很好的改善, 但这同样会使磁体损失一些磁能积, 并且由于较多Dy或Tb的加入而提高原料成本。

近年来, 研究者们采用一些新技术在相关研究中取得了较好的进展。他们采用特殊的方法将烧结NdFeB磁体表面包覆Dy, Tb单质或Dy, Tb化合物, 随后采用退火的方法将其扩散入磁体中。测试发现磁体的剩磁没有明显变化, 而矫顽力大幅提升。此外, 显微组织分析发现Dy或Tb主要沿主相晶界扩散, 并最终富集在Nd₂Fe₁₄B 晶粒的外延层 ^[6,7] 。 Tb或Dy在主相Nd₂Fe₁₄B晶粒边界层处取代Nd, 形成具有更高磁晶各向异性场(H_A)的Tb₂Fe₁₄B或Dy₂Fe₁₄B化合物 ^[8] 。这样可以有效提高NdFeB磁体的矫顽力, 同时可以避免NdFeB磁体剩磁和磁能积的大幅下降, 而且可以减少Dy或Tb的添加量, 从而降低NdFeB磁体的生产成本。这些研究为有效利用有限的重稀土元素改善磁体的温度稳定性提供了一种新的思路。但这种扩散方法仍然存在重稀土分布均匀性较差和扩散距离有限(<5 mm)等技术问题, 从而在应用上, 特别是在制备大尺寸磁体方面仍然面临挑战。

据此, 本文提出通过掺杂少量Tb纳米颗粒制备高矫顽力烧结NdFeB永磁体, 并研究磁体中Tb纳米颗粒的掺杂量对烧结NdFeB永磁体磁性能及显微结构的影响。

1 实验

采用传统的粉末冶金工艺制备实验磁体。在感应炉中高纯Ar保护气氛下, 将名义成分为Nd₁₂Pr_0.8Dy_0.5Fe_balAl_1.0Nb_0.3Cu_0.2B₆合金熔炼成铸锭。利用快淬技术制成厚带, 氢破碎后经气流磨制备成粒径为3～5 μm粉末; 采用物理气相沉积法制备Tb纳米颗粒(粒度为20～80 nm)。将NdFeB合金粉末与一定量的Tb纳米颗粒均匀混合后进行磁场取向和预压烧结。烧结温度为1083～1113 ℃, 分别在900～930 ℃和510 ℃下进行两次回火, 并迅速冷却。实验中将Tb纳米粉的加入量(质量分数)定为0%, 1%, 1.5%, 2%。

将烧结后的NdFeB磁体切割成14 mm×14 mm×10 mm的柱形样品, 饱和充磁后利用B-H永磁回线仪测量其磁性能, 利用扫描电镜(SEM)观察磁体的显微组织结构, 并用扫描电镜配备的能谱仪(EDS)分析磁体中的相成分。

2 结果与讨论

图1和2分别示出了采用物理气相沉积方法制备的Tb纳米粉和采用快淬-氢爆工艺制备的主相NdFeB粉末颗粒的显微形貌图。可以看出Tb纳米粉外观呈圆形颗粒状, 经分析, 其平均粒径在30 nm左右; 主相NdFeB粉末颗粒也呈圆形或椭圆形颗粒状, 其平均粒径约为5 μm。

烧结NdFeB磁体磁性能随Tb纳米粉末掺杂量的变化如图3所示。随着Tb纳米粉末掺杂量的增加, 烧结NdFeB磁体的矫顽力大幅度上升, 当Tb掺杂量超过1.5%时, 矫顽力上升趋势变缓。原因是: Tb纳米粉末烧结后扩散进入主相Nd₂Fe₁₄B的边界层, 取代了主相Nd₂Fe₁₄B中的Nd, 形成了具有更高各向异性场的Tb₂Fe₁₄B, 从而提高烧结NdFeB磁体的矫顽力。同时, 烧结NdFeB磁体的磁能积与剩磁则随着Tb掺杂量的增加有一定程度的下降, 这可能是部分Tb扩散进入主相Nd₂Fe₁₄B内部导致主相磁化强度下降, 或者单质Tb对NdFeB磁体存在“磁稀释”作用所致 ^[9] , 具体原因有待于探明。

利用SEM观察了掺杂Tb纳米粉末烧结NdFeB磁体的显微组织, 磁体的背散射图如图4所示。其中灰色基体部分为主相NdFeB, 白色的点状与块状的区域部分为富稀土相。可以看出, 随着Tb纳米粉末掺杂量的增加, 烧结NdFeB磁体组织中白色富稀土相比例逐渐增大, 而且形貌也由颗粒状分布逐渐变为颗粒状和块状区域共存。这说明Tb添加入使烧结NdFeB磁体中富稀土相的比例增多, 且分布较不均匀。

图3 掺杂Tb纳米颗粒烧结NdFeB磁体磁性能

Fig.3 Magnetic properties of sintered magnets with adulteration of Tb nano-particles

图4 掺杂Tb纳米颗粒烧结NdFeB磁体SEM图

Fig.4 SEM patterns of sintered NdFeB magnets with adulteration of Tb nano-particles (a) 0% Tb; (b) 1.0% Tb; (c) 1.5% Tb; (d) 2.0% Tb

为了进一步考察Tb在烧结NdFeB磁体的主相、富钕相等处的具体含量, 本文对掺杂1.5%Tb纳米粉末烧结NdFeB磁体中不同位置的Tb含量进行了成分分析, 结果如图5和表1所示。根据图5中标注的位置, 我们分别在富钕相内部A点、主相晶粒边界层处B点以及主相晶粒内部C点3个位置进行了成分分析。结果如表1所示, 主相晶粒边界层中的Tb含量高达2.82%, 而主相晶粒内部和富稀土相中的Tb含量分别为0.87%和0.89%。主相晶粒边界层中Tb含量是晶主相粒内部Tb含量的3倍以上。这一分析结果有力的证实了采用Tb纳米粉添加工艺制备新型烧结NdFeB磁体的工艺是可行的, 所添加的Tb大部分存在于主相晶粒的边界层位置, 这对于有效改善烧结NdFeB永磁内部重稀土元素的分布, 充分发挥重稀土添加提高烧结磁体矫顽力的作用具有重要意义。

图5 掺杂1.5%Tb烧结NdFeB磁体显微组织

Fig.5 SEM of sintered NdFeB magnet with adulteration of 1.5% Tb nano-particles

A:Nd-rich phase;B:Surface region of Nd₂Fe₁₄B grains;C:Center of Nd₂Fe₁₄B grains

表1 掺杂1.5%Tb烧结NdFeB磁体能谱分析结果

Table 1EDS results of sintered NdFeB magnet with adulteration of 1.5% Tb nano-particles

Spectrum	Fe	Pr	Nd	Tb	Total
Nd-rich phase A	0	29.39	69.72	0.89	100
Surface region of the Nd₂Fe₁₄B grains B	68.20	8.87	20.11	2.82	100
Center of the Nd₂Fe₁₄B grains C	75.72	6.99	16.42	0.87	100

3 结论

本文研究了Tb纳米颗粒掺杂烧结NdFeB永磁的磁性能和结构显微组织。研究表明: 随着Tb纳米颗粒掺杂量的增加, 烧结NdFeB永磁的矫顽力大幅度升高, 剩磁和磁能积则有一定程度下降。掺杂的Tb元素主要分布在NdFeB主相晶粒的边界层处, 这种分布方式有效地提高了烧结NdFeB永磁的矫顽力, 同时减小了对烧结NdFeB永磁的剩磁和磁能积的负面影响。