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参考文献

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2000.02.010

Sn对烧结钕铁硼合金磁性能影响的微磁学分析

张正富黄伯云周科朝左铁镛

中南工业大学粉末冶金国家重点实验室!长沙410083

摘要：

通过Kronm櫣ｌｌｅｒ微磁学矫顽力腜湍夂喜煌露认虏獾玫慕猛缌?, 分析了Sn对三元NdFeB合金和Nd DyFeB合金磁性能的影响及与显微组织的关系。发现掺杂Sn并未改变合金的矫顽力机制 , 在 1 50℃以下 , 合金的反磁化过程由形核控制 ;在 1 50℃以上 , 则由畴壁钉扎控制。然而 , 掺杂Sn却使两者的局部有效退磁因子Neff都减小 , 同时也增大了晶粒表面缺陷对矫顽力的影响。局部退磁因子减小 , 是NdDyFeBSn合金矫顽力提高的主要原因。而对于NdFeBSn合金 , 晶粒表面缺陷增大的影响超过了局部退磁因子减小的作用 , 故矫顽力反因Sn的存在而降低。在 1 50℃以上 , NdDyFeBSn合金中能形成更为有效的钉扎中心

关键词：

NdFeB磁体;掺杂;矫顽力机制;微磁学;

中图分类号： TM27

收稿日期：1999-08-03

Micromagnetic analysis of effects of Sn on NdFeB magnets

Abstract：

The correlation of magnetic properties and microstructural improvement of NdFeB doped Sn was analyzed by fitting temperature dependence of coercivity with Kronmüller’s model. Results showed that coercive mechanism is not changed by doping Sn. Beneath 150 ℃, nucleation controls demagnetization and pinning of domain wall determines it above 150 ℃. However, microstructural parameters, N eff and α K, are reduced because of doping Sn. The reduction of localized effective demagnetic field improves the coercivity of NdDyFeBSn. For NdFeBSn, decrement of coercivity by imperfections at the grain surface is larger than coercivity increment by reducing N eff . Above 150 ℃, more effective pin site can be formed by doping Sn.

Keyword：

NdFeB magnet; doping; coercive mechanism; micromagnetism;

Received： 1999-08-03

矫顽力是永磁材料最重要的外禀性能, 也是对显微组织十分敏感的参量。分析显微组织与矫顽力的关系, 是理解材料反磁化过程的基础之一, 也是进一步提高矫顽力的重要前提。对于稀土永磁材料反磁化行为的描述, 已经有许多模型 ^[1,2,3] ; 其中, Kronmüller的微磁学矫顽力模型包含了反映显微组织对矫顽力影响的参数, 因此, 可用于分析不同掺杂元素对显微组织的改变作用, 以及这种变化与矫顽力的关联。 Kronmüller的模型已成功地用于分析烧结NdFeB, PrFeB材料 ^[4,5] 。

Schrey ^[6] 、 Hashimoto ^[7] 等发现, 在NdDyFeAlB合金中添加Sn能显著改善矫顽力热稳定性, 减小磁通不可逆损失, 从而使合金的工作温度大大提高, 具有重要的现实意义。但是, 迄今为止, 对Sn的作用机制没有一个满意的解释。本文将借助于Kronmüller的微磁学矫顽力模型, 分析Sn对钕铁硼合金显微组织的影响以及矫顽力变化的机制。

1 实验方法

磁体用传统粉末冶金方法制备。 Dy和Sn分别通过合金Nd₂₀Dy₄₀Fe_38.9B_1.1和Nd₄₅Fe_43.9Sn₁₀B_1.1的粉末引入。将生坯在1 120 ℃烧结、 600～900 ℃回火后切割成d2 mm×4 mm的样品, 用LDJ9600型振动样品磁强计 (VSM) 测量不同温度下的磁滞回线。样品成分如表1。

表1 所研究的样品成分

Table 1 Constituent of samples (%)

Sample	Nd	Dy	Fe	B	Sn
N	33.6		65.3	1.1
B	33.6		64.8	1.1	0.5
D	31.9	1	66	1.1
K	31.9	1	65.7	1.1	0.3

由于Sn在Nd₂Fe₁₄B相中的固溶度很有限, 加之Dy和Sn采用辅合金引入, Sn主要分布在富Nd相中, 所添加的少量Dy也主要分布在晶粒外层。因此, 可近似认为所添加的Sn和Dy对磁晶各向异性场H_A、饱和磁化强度M_S的影响可以忽略不计。本研究主要是对比分析Sn掺杂的效应, 故这样的近似不会影响结论的正确性。

2 实验结果与讨论

2.1 实验结果

样品的矫顽力与温度关系如图1所示。可见, 室温下B样品的矫顽力低于N样品, 说明掺杂Sn对三元NdFeB合金的矫顽力有害; 而K样品的矫顽力则高于D样品, 说明当合金中存在Dy时, 添加Sn有利于矫顽力提高。下面来分析Sn在合金中的作用机制。 Nd₂Fe₁₄B的磁晶各向异性常数K₁, K₂及饱和磁极化强度J_s随温度的变化, 引自Kronmüller和Hock等人的工作 ^[8] , 见表2。其中H_{N_min}为处于最不利取向的晶粒的形核场, 按下式计算 ^[9] :

$\begin{array}{l} Η_{Ν_{\min}} = \frac{1}{J_{s}} ? \frac{1}{2 \sqrt{2}} [Κ_{1} + \frac{Κ_{2}}{4} (W - \frac{Κ_{1}}{Κ_{2}} + 3)] \\ \sqrt{[W (\frac{Κ 1}{Κ_{2}} + 1) - (\frac{Κ_{1}}{Κ_{2}})^{2} + 2 \frac{Κ_{1}}{Κ_{2}} + 3]} ? ? ? (1) \end{array}$

式中 $W = \sqrt{(\frac{Κ_{1}}{Κ_{2}} + 1)^{2} + 8}$

图1 样品矫顽力与测量温度的关系

Fig.1 Temperature dependence of coercive field of samples

表2 Nd2Fe14B相的内禀磁性能参数[8]

Table 2 Intrinsic magnetic properties of Nd₂Fe₁₄B

T/K	J_s/T	K₁/ (MJ·m^-3)	K₂/ (MJ·m^-3)	H_{N_min}/ (MA·m^-1)
293	1.61	4.361	0.73	3.198
323	1.57	4.071	0.38	2.845
348	1.53	3.748	0.25	2.618
373	1.48	3.361	0.22	2.424
398	1.42	3.039	0.18	2.270
423	1.36	2.710	0.15	2.106
448	1.30	2.361	0.13	1.919
473	1.22	1.942	0.10	1.676
498	1.12	1.484	0.07	1.389
523	0.99	1.123	0.005	1.139

2.2 矫顽力机制检验

2.2.1 钉扎机制

Kronmüller等从微磁学原理出发推导出平面缺陷对畴壁的钉扎场为 ^[10,11] :

$Η_{c} = α_{p} \frac{2 Κ_{1}}{J_{s}} - Ν_{e f f} \frac{J_{s}}{μ_{0}} ? ? ? (2)$

式中

$\begin{array}{l} α_{p} = \frac{π}{3 \sqrt{3}} ? \frac{r_{0}}{δ_{B}} ? (r_{0} ＜ δ_{B}) \\ α_{p} = \frac{2}{3 π} ? \frac{δ_{B}}{r_{0}} ? (r_{0} ＞ δ_{B}) \end{array}} ? ? ? (3)$

δ_B为Nd₂Fe₁₄B相的畴壁厚度, r₀为磁性非均匀区宽。

用式 (2) 拟合20～150 ℃实验测得的矫顽力数据可求得α_p, 再用α_p与r₀关系式 (3) , 可算出相应的磁性非均匀区宽度r₀, 结果如表3。由Taylor等的工作可知 ^[12] , 在200 K～500 K范围内δ_B变化不大, 计算中取300 K时δ_B的值为40 。

表3 20～150 ℃范围内的钉扎场修正系数αp和钉扎中心宽r0

Table 3 Pinning parameter α_p and width of pin site between 20 ℃ and 150 ℃

Item	N	B	D	K
α_p	0.702	0.657	0.833	0.797
r₀/?, r₀<δ_B	46.5	43.5	55.1	52.7
r₀/?, r₀>δ_B	12.1	12.9	10.2	10.6

由表3可见, 所算得的钉扎中心宽度r₀与计算前提矛盾。故在20～150 ℃范围内, 所研究合金的反磁化过程都不是由钉扎控制。

2.2.2 形核机制

Kronmüller等从微磁学原理出发, 同时考虑晶粒取向和磁性非均匀缺陷区对反磁化形核的影响, 推导出形核场公式。在磁体晶粒间存在较强的磁耦合情况下, 反磁化形核场公式为 ^[13] :

H_N=α_KH_{N_min}-N_effJ_s/μ₀ (4)

式中 H_{N_min}为不考虑晶粒表面缺陷影响时, 处于最不利取向的晶粒的形核场, H_{N_min}=α_{ψ_min}2K₁/J_s; α_ψ为反映晶粒取向对形核场影响的因子, α_{ψ_min}为它的最小值; α_K为反映晶粒表面缺陷对形核场影响的因子; N_eff为局部有效退磁因子。

实验表明, 烧结钕铁硼磁体的晶粒间存在较强的磁耦合 ^[14] , 可用式 (4) 分析其反磁化行为, 该式已成功地用于分析烧结NdFeB, PrFeB和热变形NdFeB的矫顽力 ^[1,2,3] 。若式 (4) 能表达材料的矫顽力, 则实验测得的、不同温度下的H_c/J_s与H_{N_min}/J_s应成直线关系。用实验数据和表2的参数值, 作H_c/J_s-H_{N_min}/J_s图, 如图2～5所示。可见在20～150 ℃范围内, 四个合金样品都较符合直线关系。因此, 在该温度范围, 所有成分合金的反磁化过程都由形核控制。在150 ℃以上时, 实验数据与该直线偏离较大, 说明此时矫顽力机制发生变化, 反磁化过程由畴壁钉扎控制。

图2 N样品的Hc/Js-HNmin/Js关系

Fig.2H_c/J_s vs H_{N_min}/J_s for sample N

图3 B样品的Hc/Js-HNmin/Js关系

Fig.3H_c/J_s vs H_{N_min}/J_s for sample B

2.3 Sn掺杂效应的分析

2.3.1 矫顽力由形核控制的情形

在20～150 ℃时矫顽力由形核控制。通常情况下, 合金的晶粒取向度主要由工艺过程决定。在不计内禀磁参量变化时, 掺杂主要影响式 (4) 中的α_K和N_eff。用最小二乘拟合可求得α_K和N_eff如表4所示。室温下, 晶粒表面缺陷和有效退磁场使形核场下降的幅度如表5所示。

与表2中293 K时的H_{N_min}值相比发现, 对于三元NdFeB合金N, 晶粒表面缺陷使形核场H_N下降达23.6%; 而局部有效退磁场使H_N下降高达52%。看来对于烧结NdFeB合金, 在最佳热处理状态下, 局部退磁场是危害矫顽力的一个主要因素。晶粒表面缺陷对矫顽力的危害反而次之。

图4 D样品的Hc/Js-HNmin/Js关系

Fig.4H_c/J_s vs H_{N_min}/J_s for sample D

图5 K样品的Hc/Js-HNmin/Js关系

Fig.5H_c/J_s vs H_{N_min}/J_s for sample K

表4 合金的微磁学参数αK, Neff

Table 4 Microstructural parameters α_k and N_eff

Item	N	B	D	K
α_K	0.764	0.706	0.874	0.818
N_eff	1.297	1.203	1.540	1.347

表5 室温下晶粒表面缺陷和有效退磁场对形核场的影响

Table 5 Effect of defects at grain surface and effective demagnetic field on nucleation field at room temperature (MA/m)

Item	N	B	D	K
(1-α_k) H_{N_min}	0.755	0.940	0.403	0.582
N_effJ_s/μ₀	1.662	1.541	1.973	1.726

合金中掺杂Sn后, 使局部退磁场N_effJ_s/μ₀降低。但是同时也增大了晶粒表面缺陷的影响。对于含Sn的合金B, 晶粒表面缺陷导致的H_N下降, 比三元NdFeB合金N高出0.185 MA/m; 其局部退磁场相对于后者仅减小0.121 MA/m, 不足以抵消表面缺陷的较大危害。故而, B合金的矫顽力比三元合金N要低 (图1) 。

D和K合金由于含Nd量与N和B合金不同, 且还含少量Dy, 不便与N和B合金相比较。但是, 掺杂Sn的K合金比D合金的退磁场减小0.247 MA/m。同时, 晶粒表面缺陷导致的形核场下降幅度也增加了0.179 MA/m。退磁场减小幅度大于表面缺陷导致的形核场下降幅度。因此, 在NdDyFeB合金中添加Sn后矫顽力提高, 主要是局部有效退磁场减小的结果 (图1) 。

显微分析表明, 添加Sn后晶粒未得到细化。所以, N_eff的减小主要是Sn促使晶界富Nd相与基体润湿性改善, 从而使晶粒尖角、锐棱钝化及晶粒间磁耦合作用减弱。