烧结钕铁硼的晶界扩散改性、结构与性能研究进展
来源期刊:稀有金属2018年第3期
论文作者:崔熙贵 王兴华 崔承云 阴冠超 夏传达 方翠
文章页码:315 - 324
关键词:钕铁硼磁体;晶界扩散;矫顽力;微观机制;
摘 要:烧结钕铁硼磁体具有优异的磁性能,被广泛地应用于高新技术领域的核心功能器件。然而,新能源汽车和风力发电等低碳经济的发展对烧结钕铁硼磁体的磁性能提出了更高的要求,高矫顽力高磁能积磁体成为今后发展的重要趋势。高矫顽力和高磁能积一直以来都是一个矛盾体,晶界扩散技术的发展改变了这一现象。利用晶界扩散技术对磁体晶界成分和结构的调控实现了高矫顽力和高磁能积的双高综合磁性能,而且降低了制造成本,节约了重稀土资源。本文总结归纳了国内外晶界扩散技术的最新研究成果,重点介绍了晶界扩散后磁体界面微观结构和化学成分的变化规律及其与磁性能的内在联系,论述了相应的微观机制,为晶界扩散技术的进一步发展及钕铁硼磁体磁性能提高提供了理论参考。
网络首发时间: 2017-05-10 14:43
稀有金属 2018,42(03),315-324 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17010015
崔熙贵 王兴华 崔承云 阴冠超 夏传达 方翠
江苏大学机械工程学院
烧结钕铁硼磁体具有优异的磁性能, 被广泛地应用于高新技术领域的核心功能器件。然而, 新能源汽车和风力发电等低碳经济的发展对烧结钕铁硼磁体的磁性能提出了更高的要求, 高矫顽力高磁能积磁体成为今后发展的重要趋势。高矫顽力和高磁能积一直以来都是一个矛盾体, 晶界扩散技术的发展改变了这一现象。利用晶界扩散技术对磁体晶界成分和结构的调控实现了高矫顽力和高磁能积的双高综合磁性能, 而且降低了制造成本, 节约了重稀土资源。本文总结归纳了国内外晶界扩散技术的最新研究成果, 重点介绍了晶界扩散后磁体界面微观结构和化学成分的变化规律及其与磁性能的内在联系, 论述了相应的微观机制, 为晶界扩散技术的进一步发展及钕铁硼磁体磁性能提高提供了理论参考。
中图分类号: TM273
作者简介:崔熙贵 (1980-) , 男, 山东青岛人, 博士, 副教授, 研究方向:永磁材料;E-mail:ujscxg@163.com;;崔承云, 副教授;电话:0511-88797898;E-mail:cuicy@ujs.edu.cn;
收稿日期:2017-01-12
基金:国家自然科学基金项目 (51401087);中国博士后科学基金特别资助项目 (201104511) 资助;
Cui Xigui Wang Xinghua Cui Chengyun Yin Guanchao Xia Chuanda Fang Cui
School of Mechanical Engineering, Jiangsu University
Abstract:
Nd-Fe-B magnets possess excellent properties, and have been applied to the core functional devices in high and new technology field. However, the developments of low carbon economy in new energy vehicles, wind power etc. put forward higher requirements for magnetic properties of sintered Nd-Fe-B magnets. The magnet with high coercivity and high magnetic energy product has become an important trend for future development. High coercivity and high magnetic energy product have always been a contradiction, but the development of the grain boundary diffusion technology changed this phenomenon. The integrated magnetic properties of high coercivity and high magnetic energy product were achieved by control of interface microstructure and composition of magnet using grain boundary diffusion. Meanwhile, the manufacturing cost was reduced and the heavy rare earth resources were saved. In this paper, the latest research results of the grain boundary diffusion technology at home and abroad were summarized. The variation rules of the interface microstructure and chemical composition of the magnets and their inner links with magnetic properties were emphatically introduced. And corresponding micro mechanisms were discussed. This provided theoretical reference for the further development of grain boundary diffusion technology and the improvement of magnetic properties of Nd-Fe-B magnets.
Keyword:
Nd-Fe-B magnets; grain boundary diffusion; coercivity; micromechanism;
Received: 2017-01-12
Nd-Fe-B磁体具有优异的综合磁性能, 已被广泛应用于计算机、网络信息、通讯、航空航天、办公自动化、家电人体健康等高新技术领域的核心功能器件[1]。然而, 低矫顽力一直是制约Nd-Fe-B磁体应用和发展的关键, 因此, 提高矫顽力也一直是钕铁硼磁体的研究热点。随着电动汽车、混合动力汽车、风力发电等低碳经济的发展, 高矫顽力磁体的需求更加迫切。
影响Nd-Fe-B磁体矫顽力的主要因素包括磁体成分和微观结构[1,2]。重稀土元素Dy或Tb等引入是提高矫顽力和改善温度稳定性的重要方法。传统工艺主要通过Dy或Tb的合金化来获得高各向异性场的 (Nd, Dy) 2Fe14B或 (Nd, Tb) 2Fe14B主相, 进而提高磁体矫顽力;但是Dy或Tb等重稀土元素的引入不仅显著降低了磁体的剩磁和磁能积, 而且大大增加了磁体的成本[3,4]。同时, 这也增加了钕铁硼产业对Dy或Tb稀缺重稀土元素的依赖性, 导致重稀土元素的不可持续应用, 加剧了稀土危机。
发展高矫顽力磁体并降低Dy或Tb重稀土元素使用能够在满足实际应用需求的前提下, 降低生产成本, 促进稀土资源的高效合理应用。早期, 日本信越化学工业在传统工艺的基础上开发出性能更高的“晶界扩散双合金法”, 通过将Dy等稀有元素集中到磁体的晶界处, 提高磁体的耐热性, 并保持磁力不下降[5]。同样, Matchida等[6]也提出了提高磁体矫顽力的新方法, 即通过三维溅射在磁体薄片表面溅射一层Dy或Tb, 然后通过两级回火热处理, 使Dy或Tb有选择的向晶界扩散, 强化晶粒的外延层。这种晶界扩散方法不仅能够在保持剩磁不明显降低的基础上显著提高磁体矫顽力, 而且能够有效减少Dy或Tb重稀土元素的使用量, 因此, 近年来其得到了广泛而深入的研究。本文在总结前人研究的基础上, 详细阐述了晶界扩散改性方法及其对烧结Nd-Fe-B磁体微观结构和磁性能的影响规律和机制, 以为高性能低成本永磁体的开发提供重要参考。
1 钕铁硼晶界扩散方法和原理
晶界扩散方法最早是针对薄型烧结钕铁硼磁体提出的, 以恢复或提高薄型磁体的矫顽力。然而, 随着高性能钕铁硼磁体需求的增加和重稀土资源的紧缺, 晶界扩散方法引起了人们的广泛关注。通常, 晶界扩散方法是在烧结后的钕铁硼磁体表面附着一层含重稀土元素Dy或Tb的扩散源物质 (包括无机稀土化合物、稀土金属或稀土合金) , 然后在晶界富钕相熔点以上的温度进行高温扩散, 使Dy或Tb沿磁体晶界渗入内部, 在Nd2Fe14B主相晶粒表层形成高各向异性场的 (Nd, RE) 2Fe14B (RE=Dy或Tb) 磁硬层 (图1和2) , 从而提高磁体的矫顽力[7,8,9]。Dy或Tb有限深度的扩散硬化层就能有效提高磁体矫顽力, 因此, 较熔炼添加时晶粒内部也分布Dy或Tb相比, 晶界扩散方法能够大幅减少Dy或Tb的应用量, 同时由于晶内扩散深度有限, 这也有效抑制了磁体剩磁的降低。
晶界结构也是影响烧结钕铁硼磁体性能的重要微观因素。在烧结Nd-Fe-B磁体中不均匀分布的富RE相会使相邻的主相晶粒发生磁交换耦合作用, 使磁体出现大晶粒, 导致磁体的矫顽力降低, 所以增加富RE相的分布均匀性也可以提高磁体的矫顽力[10,11]。晶界扩散有助于使富RE相增加, 且沿着主相晶粒分布更加均匀, 这显著降低了硬磁晶粒间的磁耦合作用, 提高了磁体的矫顽力[12]。因此, 晶界扩散使磁体矫顽力大幅提高是主相晶粒表层各向异性场提高与晶界富钕相去交换耦合作用增强共同作用的结果。
晶界扩散按照附着扩散源物质的方法不同可分为表面涂覆扩散法[13]、表面溅射扩散法[6]、气相蒸镀扩散法[14]或直接填埋扩散法[15]等。晶界扩散方法能够大幅提高钕铁硼磁体的矫顽力, 并保持剩磁基本不变, 获得高矫顽力和高磁能积的双高磁体;但是由于晶界扩散效率低, 扩散深度有限, 所以其广泛应用也受到限制。
图1 晶界扩散处理的示意图Fig.1 Schematic representation of grain boundary diffusion process[7]
图2 晶界扩散处理后主相晶粒微观结构变化示意图Fig.2Diagrammatic sketch of microstructure change after grain boundary diffusion[8]
2 烧结Nd-Fe-B磁体晶界扩散研究
2.1 无机稀土化合物晶界扩散改性
稀土氟化物、氢化物、氧化物等无机化合物是钕铁硼磁体中常用的晶界扩散源物质, 得到了国内外学者的广泛研究。Nakamura等[13]最早报道了晶界扩散Dy2O3, Dy F3和Tb F3可以显著提高极小烧结钕铁硼磁体的矫顽力, 而且晶界扩散Dy F3磁体的矫顽力比晶界扩散Dy2O3磁体的矫顽力提高更显著, 这主要是因为热处理过程中不同的化学反应引起磁体中Dy的含量不同。Komuro等[16]也指出经Dy-F扩散处理的磁体的矫顽力得到显著提高, 这是由Dy扩散进入了主相晶粒表层引起的。
Dy或Tb沿晶界的扩散效果是决定矫顽力提升效果的重要因素。Xu等[17]研究发现烧结态磁体晶界扩散效果优于回火态, 磁体矫顽力提高更显著。Dy F3晶界扩散后, 晶界富Nd相沿主相晶粒分布更加连续均匀;在表面Dy富集于晶界相中, 在1 mm深处Dy主要分布于主相晶粒表层, 说明随深度增加Dy元素含量减少, 且Dy倾向于扩散进入主相晶粒表层, 形成高各向异性场的 (Nd, Dy) 2Fe14B磁硬层。因此, 去磁耦合的增强和磁硬层的形成是Dy F3晶界扩散后磁体矫顽力显著提高的主要原因。
为了进一步改善晶界扩散效果, Soder6nik等[18]提出了一种电泳沉积改进的晶界扩散技术, 首先通过电泳沉积在磁体表面沉积一层表面平整光滑、厚度均匀可控的Dy F3层, 然后热处理进行晶界扩散。研究发现电泳沉积EPD Dy F3晶界扩散磁体的矫顽力较浸涂Dy F3晶界扩散磁体提高更显著 (图3) , 这主要因为形成了更加连续均匀分布的晶界富钕相。Cao等[19]获得了类似的研究结果。同样, Soder6nik等[20]研究了烧结钕铁硼磁体的EPD Tb F3晶界扩散, 指出通过低的重稀土含量能够使磁体的矫顽力提高至2000 k A·m-1以上, 这与磁体中核-壳微观结构的形成是密切相关的 (图4) 。
稀土氢化物也是提高烧结钕铁硼磁体矫顽力的重要扩散源材料。Liu等[21]研究发现晶界扩散Tb H3后在晶界周围形成了富Tb的壳结构 (图5) , 提高了磁体的各向异性场和反磁化形核场, 从而显著提高了磁体矫顽力和温度稳定性, 并优化得出了最佳的Tb H3晶界扩散热处理温度 (900℃) 和时间 (7 h) 。晶界扩散Dy H3的研究也证明, 回收磁体的矫顽力同样可以得到显著提高[22]。这为废旧磁体的回收再利用提供了新的技术途径。另外, 原始磁体中的氧含量和表面状态对晶界扩散也具有重要影响[23,24]。氧含量较少的磁体, 浸涂Dy H2中Dy的扩散深度较深, 矫顽力增加更显著;优化的表面蚀刻也提高了Dy H2的扩散, 更有助于磁体矫顽力的提高。
图3 不同工艺处理磁体的退磁曲线Fig.3 Demagnetization curves of magnets after different treat-ments[18]
图4 EPD Tb F3晶界扩散磁体的核-壳显微组织Fig.4Core-shell-type microstructure of magnet by diffusing EPD Tb F3[20]
图5 Tb H3纳米颗粒晶界扩散后磁体200μm深处Tb和Nd的EPMA图Fig.5EPMA profiles of Tb (a) and Nd (b) taken from a portion of a magnet after grain boundary diffusion process with Tb H3nanoparticles at a depth of 200μm from surface[21]
虽然稀土氟化物和氢化物都能够有效提高磁体的矫顽力, 但它们的作用机制不尽相同。Bae等[25]在研究浸涂Dy F3/Dy Hx混合物晶界扩散时发现, 随着Dy Hx含量的增加, 磁体的矫顽力逐渐增加, 而剩磁基本不变。与浸涂Dy F3磁体不同的是, 在浸涂Dy Hx磁体中Dy的扩散深度较深, 且形成了核-壳显微组织。这说明Dy Hx和Dy F3的扩散机制是不同的。再者, Kim等[26]将Dy-X (X=F或H) 的晶界添加和浸涂扩散同时应用于烧结钕铁硼磁体, 使磁体的矫顽力产生了协同增强作用。这不仅能够增强磁体矫顽力并最小化剩磁减小, 而且能够有效减少Dy的应用量, 具有有效提高磁体磁性能和节约稀土资源的双重作用。
此外, 系列研究证明稀土氧化物晶界扩散也能够显著提高磁体的矫顽力。Hirota等[27]和孙等[28]都通过Dy2O3的晶界扩散有效提高了磁体的矫顽力, 这主要是因为其与晶界富钕相发生置换反应生成的Dy扩散进入主相晶粒表层形成 (Nd, Dy) 2Fe14B磁硬层, 提高了局部磁晶各向异性场, 抑制了反磁化畴的形核。Kobayashi等[29]则通过涂覆Tb4O7与Ca H2混合物的还原扩散处理显著提高了烧结钕铁硼磁体的矫顽力。由于重稀土氧化物的成本较低, 因此, 其晶界扩散在制备低成本高矫顽力钕铁硼磁体方面具有巨大的潜力。
综合来看, 无机稀土化合物的晶界扩散对烧结钕铁硼磁体的磁性能具有显著影响, 这与扩散后磁体微观结构的变化密切相关。不同无机化合物在烧结钕铁硼磁体中的晶界扩散机制及其对磁体磁性能的影响是不同的, 即使同一种无机化合物晶界扩散对磁体产生的影响也有不同 (图6) , 这与磁体成分、磁体表面和界面状态、扩散方法、工艺参数等都有密切关系, 因此, 通过磁体成分和表界面的优化调控及工艺方法和参数的优化选择能够更有效改善磁体磁性能, 更好发挥其晶界扩散技术优势。
2.2 稀土金属晶界扩散改性
除了采用Dy或Tb的无机化合物, 重稀土金属也可以用来进行晶界扩散, 提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力。Watanabe等[30,31]最早研究了小尺寸烧结钕铁硼磁体的Dy或Tb蒸汽吸附扩散处理, 发现磁体的矫顽力得到成功提高, 这主要是因为Tb沿磁体晶界发生了扩散, 并在晶界形成了薄而连续的非晶Co-Nd (Tb) 浸润层 (图7) 。Li等[8]和包小倩等[9]则通过磁体表面溅射Dy/Tb或蒸镀Dy的晶界扩散提高了晶粒外延层的各向异性场, 进而显著提高了磁体的矫顽力。此外, 包小倩等[9]计算模拟了Dy元素在晶界和主相晶粒内的扩散系数及相应的扩散曲线, 为晶界扩散提供了理论依据。
Sepehri-Amin等[32,33]深入研究了气相Dy晶界扩散磁体的微观结构和矫顽力增强机制。经过扩散处理后磁体的富Nd相增多并在晶界处连续分布, 而且在Nd2Fe14B晶粒外层形成了 (Nd, Dy) 2Fe14B壳层 (图8) , 这是导致磁体矫顽力显著提高的主要根源。Dy的晶界扩散使其在 (Nd, Dy) 2Fe14B壳层相的含量呈现梯度变化, 从磁体表面到心部逐渐减小, 可见, 磁体表面区域的矫顽力增强要高于磁体心部。然而, 晶界扩散磁体经900℃退火并水淬后, 磁体的矫顽力却显著下降, 这主要是由晶界富Nd相层消失导致的 (图9) 。这也进一步证明晶界扩散后磁体矫顽力的提高是 (Nd, Dy) 2Fe14B壳层和晶界富Nd相层共同作用的结果。Périgo等[34]进一步利用小角度中子散射的方法证明晶界扩散Tb增加了反磁化形核点的磁各向异性场, 抑制了反磁化形核, 从而提高了磁体矫顽力。
图6 无机稀土化合物晶界扩散磁体的矫顽力增量Fig.6 Coercivity increment of magnets by grain boundary diffu-sion with inorganic rare earth compounds[8,16,17,18,19,20,21,22,23,24]
图7 三叉晶界明场TEM图像, 白色四边形标记区域的高分辨图像和相应的SAD花样, 白色虚线的EDS线扫描轮廓Fig.7 Bright field TEM image of a triple junction (a) , a high resolution image from region marked with a white quadrilateral and cor-responding a SAD pattern (b) , and EDS line profiles (c~f) taken from a white dotted line in (a) [31]
L9ewe等[35]则通过烧结钕铁硼磁体表面涂覆Dy粉晶界扩散的研究提出了不同的 (Nd, Dy) 2Fe14B壳层形成机制。由于在 (Nd, Dy) 2Fe14B壳结构中Dy和Nd元素含量基本保持不变 (图10) , 所以作者认为主相晶粒表层的富Dy壳结构应该是通过凝固结晶形成的。他们利用EBSD研究进一步证实了 (Nd, Dy) 2Fe14B壳的外延生长, 这与磁畴结构的研究也是非常符合的。然而, 随着扩散深度增加, 富Dy壳的厚度及其中的Dy含量逐渐减小, 而且Dy含量在壳中的变化规律也显著不同, 这显示了可能包含体扩散的不同的富Dy壳形成机制。可见, 晶界扩散磁体表层和内部 (Nd, Dy) 2Fe14B壳层的形成机制是完全不同的, 但这仍需要进一步的研究来证实。结合微磁学计算[36]表明, 即使磁体较深处 (1.5mm) 形成的较薄富Dy壳层 (20~30 nm) 也足够显著影响块体磁体的矫顽力。而且, 矫顽力随富Dy壳的各向异性场线性增加, 当富Dy壳层厚度超过15 nm时, 几乎所有的矫顽力增加的贡献都来源于富Dy壳的各向异性场, 不依赖于心部的Dy成分[37]。
图8 GBDP磁体近表面的BSE SEM图像和EDX图谱Fig.8BSE SEM image and EDX maps of GBDP sample near surface[33]
图9 GBDP磁体及其退火和水淬后的微观结构特征示意图Fig.9 Schematic of microstructure features of GBDP (a) and annealed and quenched GBDP (b) magnets[33]
图1 0 Dy涂覆磁体900℃退火6 h后的横截面BSE SEM图像和相应的Dy和Nd含量的WDX线扫描Fig.10BSE SEM image of transverse section of a Dy-coated magnet after annealing at 900℃for 6 h (a) and cor-responding WDX line scan (b) [35]
可见, 重稀土金属也是一种重要的晶界扩散源物质, 其晶界扩散同样能够显著改善磁体的微观结构和成分, 从而提高磁体的矫顽力。然而矫顽力提高效率与其采用的扩散方法直接相关 (图11) , 进一步研究不同扩散方法的扩散机制, 优化其工艺参数, 将有助于增加矫顽力提高效率, 减少重稀土元素消耗。
2.3 稀土合金晶界扩散改性
较Dy或Tb的无机化合物和纯金属, 稀土合金是由Dy或Tb与其他合金元素配合组成, 其熔点得到显著降低, 加之其他合金元素对晶界富钕相的改性作用, 能够有效增加Dy或Tb的扩散效率, 并提高主相晶粒间的去磁耦合作用。因此其晶界扩散将更有利于磁体矫顽力的提高。目前, 许多研究都集中于含Dy合金化合物的晶界扩散。Tang等[12]研究了商业烧结钕铁硼磁体晶界扩散Pr68Cu32, Dy70Cu30和Pr35Dy35Cu30合金, 发现磁体的矫顽力得到显著提高, 但其增强机制有所不同。Dy70Cu30的晶界扩散引入了Dy元素, 强化了Nd2Fe14B晶粒的外延层, 而Pr68Cu32晶界扩散则形成了连续的界面相层, 降低了晶粒间的磁耦合作用。Pr35Dy35Cu30合金的晶界扩散综合了Dy70Cu30和Pr68Cu32的共同作用, 使磁体矫顽力提高最显著 (图12) 。
图1 1 稀土金属晶界扩散磁体的矫顽力增量Fig.11 Coercivity increment of magnets by grain boundary dif-fusion with rare earth metals[30,31,32,33,34,35]
图1 2 Pr68Cu32和Dy70Cu30合金扩散处理样品的SEM图和Pr, Dy, Cu元素的EPMA图Fig.12 SEM images and EPMA mapping images of Pr, Dy and Cu elements for processed sample by Pr68Cu32 (a, b, c) and Dy70Cu30 (d, e, f) alloys[12]
Popov等[15]将磁体直接埋入Dy Cu, Dy Ga和Dy3Co合金粉末中进行高温扩散处理, 磁体的矫顽力都得到了提高, 其中Dy Ga和Dy3Co扩散处理后磁体矫顽力提高较明显。另外, 矫顽力的提高与扩散合金粉的粒径、扩散退火时间和温度有关。孙宝玉等[38]研究了烧结钕铁硼磁体表面磁控溅射Dy Al合金薄膜的真空热扩渗行为, 磁体矫顽力随薄膜厚度增加而增大。宫清等[39]对比研究了蒸镀Dy和Dy Fe扩散处理磁体的磁性能, 得出晶界扩散Dy Fe磁体的矫顽力增幅显著高于晶界扩散Dy磁体, 这可能因为Dy Fe合金自身熔点和蒸汽压低, 首先进入晶界液相并进一步降低了液相熔点, 使Dy扩散更容易。Oono等[40]则提出了Dy-Ni-Al共晶合金晶界扩散新方法, 由于Ni和Al显著降低了晶界相的熔点, 所以提高了Dy元素的扩散系数, 使其能够扩散进入厚度6 mm磁体的中心部位, 从而更有效提高较厚磁体的矫顽力 (图13) 。矫顽力提高同样是由Dy元素扩散进入磁体后在Nd2Fe14B晶粒表面形成了富Dy层引起的, 形成机制如图14所示。
图1 3 晶界扩散处理后矫顽力增量与样品厚度的关系图Fig.13 A plot of coercivity improvement produced by various GBD treatments against sample thickness[40]
综上所述, 重稀土合金具有多金属元素特点和更低的熔点, 能够增加晶界扩散反应活性, 提高扩散深度。而且, 其晶界扩散后除了能够形成核壳主相晶粒结构外, 也利于改善晶界相的浸润性, 提高主相晶粒间的去磁耦合作用, 从而显著提高磁体矫顽力。但是, 矫顽力提高的幅度与晶界扩散所用稀土合金种类和自身理化性质具有重要关系, 且受扩散工艺的影响 (图15) 。因此, 进一步研究稀土合金中合金化元素对磁体晶界扩散和晶界结构的影响机制将有助于充分挖掘其晶界扩散的作用。
3 扩散工艺对比
晶界扩散是提高磁体矫顽力的有效手段, 晶界扩散工艺相对晶界掺杂和合金化工艺更能够有效提高磁体的矫顽力 (图16) 。晶界扩散磁体中形成的核壳结构能够有效利用Dy元素, 这可能是其矫顽力提高更有效的原因[10]。但是, 不同的扩散工艺和扩散源物质对矫顽力的提高效率具有重要影响。在晶界扩散工艺中, 电泳沉积扩散方法处理磁体的矫顽力增加率要高于浸涂扩散和溅射扩散方法, 但是略低于蒸镀扩散方法 (图17) [19]。电泳沉积扩散方法能够获得更加连续均匀的晶界富钕相, 这是其处理磁体具有更高矫顽力的重要原因。另外, 在3种类别的晶界扩散源物质中, 稀土合金相较无机稀土化合物和稀土金属具有更高的扩散效率, 更利于提高矫顽力[39,40]。
图1 4 Dy取代Nd的可能机制的示意图Fig.14 Schematic of a possible mechanism for replacement of Nd with Dy[40] (a) Before GBD treatment; (b) During annealing; (c) After diffusion annealing
图1 5 稀土合金晶界扩散磁体的矫顽力增量Fig.15 Coercivity increment of magnets by grain boundary dif-fusion with rare earth alloys[12,15,38,39,40]
图1 6 不同工艺处理下有效Dy添加量 (质量分数) 与磁体矫顽力提高的关系Fig.16Coercivity enhancement as function of effective Dy content under different processing treatments[10]
图1 7 不同处理磁体的矫顽力变化Fig.17 Coercivity variations for various processed magnets[19]
4 结语
晶界扩散技术是钕铁硼磁体的革命性改性技术, 其能够在显著提高磁体矫顽力的同时, 保持剩磁基本不变, 制备出高矫顽力高磁能积的双高磁体, 满足新能源汽车、风力发电等新兴发展领域的特殊工作环境, 而且该工艺有效减少了Dy或Tb稀缺重稀土元素的应用, 既降低了成本, 又有效解决了稀土资源危机。晶界扩散技术得到了业界的广泛认可和研究, 目前重点探讨了无机稀土化合物、稀土金属及稀土合金的晶界扩散对烧结钕铁硼磁体微观结构和磁性能的影响规律, 得出了磁性能变化规律和物理机制。然而, 其扩散效率低, 处理磁体厚度有限的问题尚未解决, 而且晶界扩散效果受磁体表界面状态、扩散物质、扩散方法和工艺参数等多因素影响。因此, 今后需要细化工艺研究, 深化机制探索, 着重于扩散效率和矫顽力提升效果的改善, 以充分挖掘晶界扩散技术优势, 并在此基础上不断开发新技术和新方法, 以为低或无重稀土高矫顽力新型永磁体的开发和产业化提供有效的理论和技术支撑。
参考文献