稀有金属 2002,(04),284-286 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.04.011

添加混合稀土的廉价Nd-Fe-B的研究

北京有色金属研究总院 北京100088

摘 要：

Nd-Fe-B永磁材料不仅具有很高的磁性能 , 而且不含资源紧缺的战略物资钴 , 因而其应用前景非常广阔。但人们希望其价格再降低 , 所以开发廉价磁体非常必要。可以通过降低原材料的成本 , 达到降低磁体成本的目的。实验对以混合稀土取代Nd Fe B合金中的钕的廉价铁基稀土永磁进行了研究 , 结果表明 :随着混合稀土的增加 , 磁性能有所下降 , 但在合金中添加少量的Al, Co, Nb , 可使磁体的磁感矫顽力 BHC上升 , 剩余磁感应强度Br、磁能积 (BH) m稍有下降。

关键词：

混合稀土;廉价;磁性材料;磁性能;

中图分类号： TM273

收稿日期：2001-11-14

Low-Priced Nd-Fe-B with Addition of Mixed Rare Earth Metals

Abstract：

Research on the low priced ferro based rare earth permanent magnet materials from substitution of mixed rare earth metals for neodymium in the Nd Fe B alloy was carried out. It shows that, with the increase of the mixed rare earth metals, the magnetism of the material decreases. However, when small amount of Al, Co, Nb is added in the alloy, the magnetic induction coercive forces of the magnetic bodies (magnet) increase and the residual magnetic flux density (Br) and the magneto energetic product decrease slightly.

Keyword：

Mm; Low Priced; Magnet materials; Magnetism;

Received： 2001-11-14

1983年研究成功的 Nd-Fe-B 永磁, 被称为第三代稀土永磁。该合金不仅具有创纪录的室温永磁性能, 而且与第一、二代稀土永磁相比, 不含资源紧缺的战略物资钴, 而代之以资源丰富且廉价易得的铁, 该永磁合金的稀土原料钕在稀土矿中含量是第一、二代稀土永磁合金的稀土原料Sm的5～15倍 ^[1] 。具有高性能的新型永磁合金 Nd-Fe-B, 不仅引起了磁学理论和磁性材料科研工作者的关注, 同时, 该永磁体广阔的应用前景也引起了永磁生产者和使用者的极大兴趣。开发应用 Nd-Fe-B 磁体, 对稀土资源极其丰富而又缺钴的中国, 有特别重要的意义。

虽然该类磁体比 RE-Co 磁体便宜, 但人们希望其价格再降低, 尤其有些应用场合并不需要磁体的磁能积很高, 所以开发廉价磁体有其必要性和可能性。降低磁体价格, 应从使用原料和磁体生产工艺上着手;本文主要通过降低原材料的成本, 以达到降低磁体成本的目的。本实验主要围绕以混合稀土 (Mm) 取代Nd展开, 对Mm的含量分别为 0%, 10%, 25%, 35% 的 (Mm-Nd) -Fe-B 磁体的性能进行了研究。

1 实验方法

实验采用传统的粉末冶金方法, 其生产过程包括:母合金冶炼—样品制备—磁性能测量。冶炼母合金的原料包括:Nd, Mm, Fe, Co, B-Fe, Al, Nb, 各种原料的成分见表1～3。工业纯铁:纯度为 99.61%; Al, Nb, Co的纯度均>99%。

各种配好的原材料分别在氩气保护下经真空非自耗电弧纽扣炉和真空感应炉熔炼成母合金。熔炼合金时, 各原料的损失在配料时预先加入, 各元素的烧损率为 (质量分数) :Nd:5%;B:8%;Al:5%;Mm:5%;Nb, Co, Fe 不计烧损。熔炼后的合金锭, 作为制备磁体的母合金, 经过粉末冶金工艺制成磁体样品。该过程各工序依次为:制粉、磁场取向并压制成型、压坯烧结、烧结后热处理、磁性能测量。

表1 Nd的成分  下载原图

Table 1 Composition of Nd

表1 Nd的成分

表2 Mm的成分  下载原图

Table 2 Composition of mixed rare earth metals

表2 Mm的成分

表3 B-Fe合金的成分  下载原图

Table 3 Composition of B-Fe alloy

表3 B-Fe合金的成分

2 结果与讨论

2.1 RE-Fe-B合金成分与磁性能的关系

本实验共熔炼了五炉合金。用真空非自耗电弧纽扣炉熔炼的有:1^#—Nd_15.5Fe₇₈B_6.5;2^#— (Nd_0.65Mm_0.35) _15.5 Fe₇₈B_6.5;3^#— (Nd_0.65Mm_0.35) _15.5 (Fe_0.90Co_0.06Al_0.02Nb_0.02) ₇₈B_6.5;用真空感应炉熔炼的有:4^#—Nd_15.5B_6.5 (Fe_0.90Co_0.06Al_0.02Nb_0.02) ₇₈;5^#— (Nd_0.65Mm_0.35) _15.5 (Fe_0.92Co_0.06Al_0.02) ₇₈B_6.5。用1^#～5^# 合金锭, 按需要配制各种成分的合金。

图1 (a, b, c) 表示了 (Nd_1-xMm_x) _15.5B_6.5 (Fe_0.90Co_0.06Al_0.02Nb_0.02) ₇₈合金的磁性能随Mm含量的变化。从图1可以看出, 随Mm含量的增加, 磁性能下降, _BH_C, (BH) _m 下降速率较大, B_r变化比较平稳。但由于Mm的价格比Nd便宜得多;因此, 用Mm取代部分Nd是降低成本的有效途径之一。

据文献 [ 2] 报道, 在各稀土元素形成的四方化合物 RE₂Fe₁₄B 中, Nd的饱和磁化强度最大, Pr比Nd略低, Ce、La低很多。从原子结构来说, Nd、Pr呈三价, 有未成对电子, 原子磁矩较大;Ce易失掉4个电子, 使原子磁矩为零。将RE₂Fe₁₄B 化合物的各向异性场进行比较:Nd最大, Pr略小于Nd, 它们都比Ce和La大得多, La最小。所以随混合稀土取代Nd的量的增加, 磁性能降低。图1所示的磁性能是Nd, Pr, Ce, La综合作用的结果。

2.2 添加少量Nb, Al, Co元素对合金磁性能的影响

表4为REFeB 合金添加 Nb, Al, Co 前后的磁性能比较结果。从表4中可看出, 少量Co, Al, Nb对合金性能起着重要的作用 ^[3] , Al 对 Nd-Fe -B 磁体磁感矫顽力的提高有重要作用, 以Al取代部分Fe, 使合金磁体磁感矫顽力升高, 剩余磁感应强度和磁能积下降, 综合考虑, 加Al是提高磁性能的有效途径。Al的加入可改善磁感矫顽力的原因为:Al部分进入基体代替Fe原子, 可提高Fe原子点阵的磁晶各向异性, 但稀释了Fe-Fe原子间的交换作用, 这样总的效果会使畴壁变窄, 有利于实现晶粒间晶界的畴壁钉扎, 未进入主相的部分Al有可能形成有利于晶粒间界钉扎的缺陷或另一个相, 从而总效应是使磁感矫顽力提高。加入Nb, 使剩余磁感应强度稍有降低, 但提高了磁感矫顽力;因为随Nb加入, 晶粒细化, 这可能是Nb提高矫顽力的原因之一。与此同时, 由于剩余磁感应强度的降低, 表明Nb也可能出现于晶粒内部。Co能提高居里温度, 但降低磁感矫顽力, 所以Co与Nb联合作用, 既可提高磁性材料的居里温度, 又可提高矫顽力。Al比Nb提高矫顽力的效果显著, 且又比Nb便宜, 所以一般加Al来提高磁性材料的磁感矫顽力。表4中所得出的磁性能是Al, Nb, Co综合作用的结果, 至于每种元素的具体作用, 有待于进一步研究。

图1 (Nd1-xMmx) 15.5B6.5 (Fe0.90Co0.06Al0.02Nb0.02) 78合金的磁性能随Mm含量x的变化

Fig.1 Magnetism changes of (Nd_1-xMm_x) _15.5B_6.5 (Fe_0.90Co_0.06Al_0.02Nb_0.02) ₇₈alloy with x

(a) 磁能积随x的变化; (b) 磁感矫顽力随x的变化; (c) 磁性能随x的变化

表4 REFeB合金添加Nb, Al, Co前后的磁性能  下载原图

Table 4 Magnetism of REFeB alloy before and after Nb, Al, Co were added

表4 REFeB合金添加Nb, Al, Co前后的磁性能

3 结论

1.RE-Fe-B永磁体随Mm取代量的增加, 磁性能下降。

2.Nd_15.5Fe₇₈B_6.5合金中由Al, Nb, Co取代10% (原子分数) , 其磁性能变化为:B_r由1.27→1.037, _BH_C由700→968kA·m^-1, (BH) _m由307.2→192 kJ·m^-3。

参考文献

[1] 　TokunagaM , MeguroN , EhdohMetal.IEEETrans.OnMagn., MAG 21, 1985, (5) :1964

[2] 　吴灵藏, 赵风山, 李学东等仪表材料, 1986:17 (6) :353

[3] 　SagawaM , FuzimuraS , GogawaNetal.J.Appl.Phys., 15Mar., 1984, 55 (6) :2083