Nd-,2-Fe-,14-B-α-Fe納米復合永磁材料的制備工藝、結構和磁性能研究.pdf

1、Nd2Fe14B/α-Fe納米復合永磁材料是由納米晶粒尺度內產生交換耦合作用的硬磁相、軟磁相以一定比例和分布狀態(tài)組成的一種新型永磁材料。預計理論磁能積可達1000 kJ/m3，大大高于現(xiàn)有的任何一種單相材料，加之其還具有相對較低的稀土含量和較好的物理化學穩(wěn)定性，故納米復合永磁材料自1991年誕生以來，一直是永磁材料領域研究的熱點，理論及磁性能研究方面均取得了長足的進展。但迄今所有公開報道的磁能積還遠低于其理論預測值，主要原因是實際獲得材

2、料的晶粒度、軟硬磁相的含量和分布狀態(tài)、界面結構及晶體學取向等微結構狀態(tài)與理論模型尚有較大偏差。因此，控制納米復合永磁材料的微結構狀態(tài)，使之滿足理論模型的要求是提高納米復合永磁材料性能的關鍵。 本研究以Nd2Fe14B/α-Fe納米復合永磁材料的成分、制備設備、制備工藝為主要研究內容，以探討我國納米復合永磁材料產業(yè)化制備領域的關鍵技術問題及其解決方案為主線，以獲得與麥格昆磁公司同類產品性能相當?shù)募{米復合永磁材料為目標。研究取得了如

3、下成果： 納米復合永磁材料合金系的成分方面，在NdFeBCoZr五元合金系中，系統(tǒng)地研究了制備工藝以及B、Zr和稀土Nd元素含量對材料顯微結構及磁性能的影響。通過優(yōu)化研究，獲得了磁性能最佳的成分配比為：Nd10Fe75.9B6.4Co5Zr2.7為降低材料成本、合理平衡地利用稀土資源，在Nd10Fe75.9 B6.4Co5Zr2.7合金中進行了以Pr代Nd及Nd、Pr混合稀土金屬代Nd對合金磁性能、顯微結構、熱穩(wěn)定性影響的研究。

4、研究表明：(Nd1-xPrx)10Fe75.9Co5Zr2.7 B6.4中Pr的添加量選用x=0.25為宜；用釹、鐠混合稀土金屬MR(Nd/MR≈0.75，Pr/MR≈0.25)代替Nd0.75Pr0.25時，磁性能略有降低，但總的降幅僅2％左右，表明直接利用釹鐠混合稀土金屬MR代替稀土Nd作為Nd10Fe75.9Co5Zr2.7 B6.4的稀土組元是可行的。 在制備工藝方面，影響納米復合永磁材料磁性能的工藝因素較多，其中快淬及

5、晶化設備及其工藝參數(shù)是影響較為顯著的關鍵工藝因素。 在快淬工藝中，為了便于快淬速度Vx的優(yōu)選，首先建立了單輥熔體快淬工藝的傳熱物理模型，通過對熔體溫度與時間的關系式：T=T0+(Tm-T0)exp(-αT/ριcpιh)及基于單輥熔體快淬工藝傳熱物理模型熱傳遞的理論分析，獲得了熔體快淬工藝的冷卻速度與快淬薄帶厚度h之間的關系式：在牛頓冷卻方式下，冷卻速度與快淬薄帶的厚度h成反比：dT/dτ=α/ριCpιh(Tm-To)；

6、 而在理想和中間冷卻方式下，冷卻速度與快淬薄帶的厚度h的平方成反比：dT/dτ=λι(Tm-To)/ριCpιh2； 從形成非晶合金的冷卻速度條件和薄帶與輥面良好接觸的工藝要求出發(fā)，得到了轉輪輥的線速度范圍為：(ι/Tm-To)(dT/dT)gιass≤Vx≤(p+F)△HR0/αρsι△T據(jù)此，計算出了轉輪輥的線速度范圍為：14～54m/s，為快淬工藝參數(shù)的優(yōu)選提供了理論依據(jù)；通過不同成分的快淬工藝參數(shù)優(yōu)化研究表明：在成分一

7、定時，最佳磁性能總是與某一快淬速度相對應，即與一定比例的微晶與非晶共存的淬態(tài)組織相對應；在NdFeBCoZr五元合金系中，對應于最佳磁性能的最佳快淬速度主要與Co、Zr合金元素的含量有關，而與Nd、Fe、B元素關系不大。 在熔體快淬設備的研究方面，發(fā)現(xiàn)電弧式真空熔體快淬設備制備MR10Fe75.6B6.4Co5Zr2.7時，易產生成分及晶粒大小的不均勻性問題是導致其難以獲得高性能納米復合永磁材料的主要原因。 討論了電弧式

8、熔體快淬工藝引發(fā)成分不均勻性的原因，建立了電弧式熔體快淬工藝水冷銅坩堝中熔體結晶凝固的一維傳熱物理模型，獲得了水冷銅坩堝中Zr元素分布的數(shù)學關系式，并用化學分析方法分析了水冷銅坩堝壁上合金凝固層及殘留熔體的成分，證明了Zr的不均勻分布規(guī)律，表明水冷銅坩堝壁上合金凝固層的存在是引發(fā)成分不均勻性的主要原因： 討論了電弧式熔體快淬工藝引發(fā)晶粒大小不均勻性的原因，研究表明：電弧式熔體快淬工藝制備的快淬薄帶厚度不均勻是引發(fā)晶粒大小不均勻性

9、的主要原因：為了減弱電弧式熔體快淬工藝引發(fā)的不均勻性問題，從改進送料機構及提高水冷銅坩堝的保溫性能入手，對現(xiàn)有電弧式熔體快淬設備進行了改進，在一定程度上改善了水冷銅坩堝內溫度、成分及甩制條帶的厚度不均勻性； 為了克服電弧式熔體快淬工藝引發(fā)成分及顯微組織的不均勻性問題，研制了具有產業(yè)化應用潛力的感應式熔體快淬設備及制備非(微)晶纖維圓絲的實驗設備，用以代替電弧式熔體快淬設備制備了Nd10Fe75.6B6.7Co5Zr2.7合金，獲

10、得了較好的磁性能：Br=0.734T，Hcj=710kA/m，(BH)max=88kJ/m3(粘結磁體φ10X 10，ρ=6±0.1/cm3)，達到并超過了麥格昆磁公司MQP-B牌號磁粉的性能水平。 在晶化工藝的研究方面，通過晶化溫度、晶化時間、升溫速率及晶化處理后的冷卻速度對快淬薄帶晶化行為的影響分析，獲得了滿足高性能納米復合永磁材料的晶化工藝要求為“快速升溫、均勻保溫、快速冷卻”。在晶化設備的研究方面，發(fā)現(xiàn)小型石英管式晶化爐

11、較現(xiàn)有的生產型管式晶化爐處理的磁粉性能優(yōu)異，主要原因是小型石英管式晶化爐能較好地滿足“陜速升溫、均勻保溫、快速冷卻”的晶化工藝要求，而國產生產型管式晶化爐導致磁性能降低的主要原因是不能較好地滿足“快速升溫、均勻保溫、快速冷卻”的晶化工藝要求；為了實現(xiàn)“快速升溫、均勻保溫、快速冷卻”的晶化工藝要求，克服國內現(xiàn)有產業(yè)化晶化設備的不足，提出了生產型管式晶化爐的改進措施及整體旋轉冷卻式真空連續(xù)晶化爐的研究方案，初步實施結果表明：該研究方案是可行

12、的。 討論了Zr元素及晶間非晶薄層相的作用機理，提出了晶間非晶薄層相的“共格耦聯(lián)效應”及其作用機理模型，并計算出了與文獻報道較為吻合的晶間非晶薄層相的適宜厚度(2nm左右)；據(jù)此，提出晶間非晶薄層相的作用主要有兩方面：阻礙了晶粒的長大，細化了軟、硬磁相的晶粒，提高了晶粒的均勻性；造量的晶間非晶薄層相還具有“共格耦聯(lián)效應”，可改善軟、硬磁相間的共格關系，提高軟磁相α-Fe、硬磁相Nd2Fe14B間的交換耦合作用，提高材料的磁性能。