简介概要

钆对烧结钕铁硼磁体磁性能和相结构的影响

来源期刊：稀有金属2010年第1期

论文作者：刘国征李波鲁富强赵瑞金赵明静刘小鱼

关键词：钕铁硼; 磁性能; 相结构; 钆; sintered NdFeB magnet; magnetic properties; microstructure; gadolinium;

摘要：通过电弧炉冶炼合金,采用球磨制粉,在磁场下取向成型,真空烧结和热处理制备了Nd_(17-x)R_xFe_(76.5)B_(6.5)磁体,研究了在钕铁硼永磁体中用稀土Gd部分地代替钕时对永磁体的磁性能随Gd含量的变化.实验结果表明:在一定的烧结及热处理工艺条件下,Nd_(17-x)R_xFe_(76.5)B_(6.5)磁体在Gd含量小于5%(原子分数)时,Gd对磁体的剩磁和内禀矫顽力影响相对较小,当Gd含量＞5%时,磁体磁性能急剧下降.显微成分分析表明,在合金铸态下,Gd可抑制合金的α-Fe相的析出;在磁体中,Gd进入主相是降低磁体矫顽力的主要原因.

稀有金属 2010,34(01),121-124

钆对烧结钕铁硼磁体磁性能和相结构的影响

刘国征赵明静赵瑞金刘小鱼鲁富强李波

包头稀土研究院功能材料研究中心

钢铁研究总院安泰功能材料事业部

稀土冶金及功能材料国家工程研究中心功能材料工程化实验室

摘要：

通过电弧炉冶炼合金,采用球磨制粉,在磁场下取向成型,真空烧结和热处理制备了Nd17-xRxFe76.5B6.5磁体,研究了在钕铁硼永磁体中用稀土Gd部分地代替钕时对永磁体的磁性能随Gd含量的变化。实验结果表明:在一定的烧结及热处理工艺条件下,Nd17-xRxFe76.5B6.5磁体在Gd含量小于5%(原子分数)时,Gd对磁体的剩磁和内禀矫顽力影响相对较小,当Gd含量>5%时,磁体磁性能急剧下降。显微成分分析表明,在合金铸态下,Gd可抑制合金的α-Fe相的析出;在磁体中,Gd进入主相是降低磁体矫顽力的主要原因。

关键词：

钕铁硼;磁性能;相结构;钆;

中图分类号： TM273

作者简介：刘国征(1962-),男,内蒙古赤峰人,博士研究生,教授;研究方向:磁性材料(E-mail:liugz@brire.com);

收稿日期：2009-08-10

基金：国家自然科学基金项目(50761001)资助;

Influence of Substitution of Gd for Nd on Microstructure and Properties of Sintered Nd-Fe-B Magnets

Abstract：

The influence of substitution of Gd for Nd on microstructure and properties of Nd17-xRxFe76.5B6.5(x=0¹2) magnets was investigated. Alloys with the composition of Nd17-xRxFe76.5B6.5 were smelted into ingots in electric arc furnace in Ar gas. Powders were obtained by ball-milling and were oriented in a magnetic field magnet and pressed under pressure,and then sintered and annealed in vacuum environment. The results showed that the remanence and intrinsic coercivity decreased slowly for Nd17-xRxFe76.5B6.5,when the content of Gd was less than 5%(atom fraction),the magnetic properties decreased devastatingly when the content of Gd exceeded 5%. The main reason with lower intrinsic coercivity was that Gd entered into Nd2Fe14B phase in Nd17-xRxFe76.5B6.5 magnets (x≥5%).

Keyword：

sintered NdFeB magnet; magnetic properties; microstructure; gadolinium;

Received： 2009-08-10

钕铁硼稀土永磁材料因优异的磁性能和良好的性价比,已广泛地应用于电子、电力、机械、医疗器械等领域,与人们的现代生活息息相关,是现代高新技术产业中重要而不可缺少的材料。钕铁硼永磁材料的快速增长,稀土金属Nd,Pr,Dy和Tb大量的需求,有利地促进了稀土原材料行业的发展但也造成了稀土资源利用的失衡特别是直接造成La,Ce,Gd等稀土积压。为了平衡利用稀土资源,近年来人们都积极致力于La,Ce,Gd等稀土资源的应用开发。Gd作为重稀土元素,在钐钴永磁材料中应用制作低温度系数永磁体已普遍共知。这主要是因为重稀土的过渡族金属化合物中重稀土金属原子磁矩与3d金属原子磁矩为亚铁磁性耦合在一定的温度范围重稀土金属化合物的磁化强度随温度的升高而增加,表现出正的温度系数,降低了温度系数,改善磁体的热稳定性 ^[1,2] 。在1986年,Ma Baoming等 ^[3] 在研究具有零温度系数的钕铁硼磁体中涉及到Gd与其他元素添加对钕铁硼热稳定性的影响,李卫等 ^[4] 研究了替代元素钴、镝、钬、铒、钆等对Nd-Fe-B系永磁合金磁性及热稳定性的影响,于濂清等 ^[5] 研究了添加Cu和Gd对Nd(DyAl)FeB磁体热稳定性和磁性能的影响,以上不同研究人员在钕铁硼中添加Gd元素,重点在于研究其对烧结钕铁硼永磁体的剩磁温度系数影响。王发立等 ^[6] 采用Gd,Y等量取代原合金中的部分Nd,研究了其对烧结钕铁硼永磁体磁性能的影响。

近年来,随着风力发电机、电动车的快速发展,所需的耐热性好的超高矫顽力钕铁硼磁体用量将会更大,所消耗的Dy,Tb资源将会进一步增加,将加剧Dy,Tb资源的紧张。为此,针对稀土资源有效利用,本文研究的目的是用Gd部分代替Nd,研究其对烧结钕铁硼永磁材料的磁性能和相结构的影响,探索Gd取代部分Nd提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的途径。

1 实验

采用纯度分别为99.5%的金属钕、纯铁、钆以及含硼20%(质量分数)的硼铁作为原料,用电弧炉冶炼成分为Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5合金。铸锭破碎后,在有机介质中进行球磨制粉,粉末平均粒度为3～5μm,粉末经过干燥后,在955 kA m^-1的取向磁场下成型,通过等静压后,在1090℃下烧结1.5h。样品经过冷却后再在900℃×1 h+600℃×2 h热处理。

采用直流永磁材料磁特性测试仪(MIN2000)进行永磁特性测量,用强磁场强磁计测量合金的各向异性和饱和磁化强度,用扫描电子显微镜进行相结构分析和微区成分分析。

2 结果与讨论

Nd₁₇Fe_76.5B_6.5合金铸锭的扫描电子显微镜背散射图像如图1所示,图中灰色相是Nd₂Fe₁₄B主相,白色的为富稀土相,可以看出,黑色枝晶相为α-Fe相虽然合金具有较高的稀土含量但在铸锭心部仍然有大量α-Fe相。图2为Nd₁₁Gd₆Fe_76.5B_6.5合金铸锭的扫描电子显微镜背散射图像,在Nd₁₁Gd₆Fe_76.5B_6.5合金中,除了主相和富稀土相外,几乎观察不到α-Fe相,Gd的加入,有效地抑制了α-Fe相的析出,而且此合金比未加入Gd的钕铁硼合金脆得多,非常容易破碎。

图3为烧结Nd₁₅Gd₂Fe_76.5B_6.5磁体的背散射图像。从图中可以看到灰色的主相以及在主相晶粒间的白色富稀土相。为了分析Gd在不同相区的含量,用扫描电镜能谱分析进行了不同相区的成分分析,如图3中A,B,C区域。3个区域的扫描电镜能谱分析结果如表1所示。

表1 Nd₁₅Gd₂Fe_76.5B_6.5磁体的扫描电镜能谱分析结果(%,质量分数) 下载原图

Table 1 Results of energy spectrum analysis for Nd₁₅Gd₂Fe_76.5B_6.5magnet(%,mass fraction)

表1 Nd₁₅Gd₂Fe_76.5B_6.5磁体的扫描电镜能谱分析结果(%,质量分数)

图3 Nd15Gd2Fe76.5B6.5烧结钕铁硼磁体的扫描电镜背散射像及富稀土B区域能谱

Fig.3 Backscattered electron micrograph(left)and data of energy spectrum analysis of area B(right)for Nd₁₅Gd₂Fe_76.5B_6.5sintered magnet

由表中A,B,C3个区域的数据可以看出钆进入了主相,含量约为7%。而B和C区域除了有较高的Nd含量外,还有较高的Gd含量,但二者的成分差别较大,B区域Gd的含量为14.21%,明显高于C区域,且铁和氧含量也有较大不同。在进行成分分析过程中,也发现了碳杂质主要存在于富稀土相中。

Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5烧结钕铁硼磁体的磁性能随Gd含量的变化曲线如图4所示,在Gd含量小于5%(原子分数)时,Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5烧结钕铁硼磁体的剩磁、内禀矫顽力影响不大,在Gd含量等于1%时,磁体的剩磁还略有增高,然后缓慢下降。当Gd含量达到5%(原子分数)时,剩磁、内禀矫顽力和最大磁能积迅速下降,尤其最大磁能积降低最为显著。当Gd含量达到12%时,剩磁仅为0.74 T,内禀矫顽力为191 kA m^-1。因此,在高氧含量工艺下制作低挡烧结钕铁硼磁体,Gd的加入量应小于5%。

图4 Nd17-xGdxFe76.5B6.5烧结钕铁硼磁体的磁性能与Gd含量的变化关系

Fig.4 Dependence of Magnetic properties on Gd content for Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5magnet

图5为Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5磁体的饱和磁化强度和各向异性场随Gd含量的变化关系,从图中可以看到,磁体的饱和磁化强度随着Gd含量的增加,降低较为缓慢,但各向异性场却显著降低。这是因为Gd的4f电子数有7个,4f电子处于半满状态,其轨道磁矩为零,所以Gd₂Fe₁₄B化合物的各向异性场较低。在Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5磁体中,Gd进入Nd₂Fe₁₄B主相化合物中形成(NdGd)₂Fe₁₄B,引起各向异性场降低,且随着Gd进入量增多,各向异性场降低显著。但对比Nd_17-xGd_xFe_76.5B_6.5磁体的内禀矫顽力随Gd含量的变化关系,可以看到,磁体的内禀矫顽力随着Gd含量的增加下降比各向异性场缓慢得多,所以,形成(NdGd)₂Fe₁₄B导致磁体内禀矫顽力的降低仅仅是一个方面,磁体显微组织的影响也起着重要的作用。因此,Gd含量小于5%的含Gd烧结钕铁硼磁体,为了获得较高的矫顽力,须有效控制磁体的显微组织。