基于晶界添加的RE-Fe-B热压/热变形磁体的结构与磁性能研究

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Nd-Fe-B基永磁材料因具有优异的磁性能,广泛应用于新能源汽车、风力发电、磁悬浮轨道等各大传统与新兴领域。由于Nd-Fe-B基合金的高温性能较差,难以在高于150oC环境中使用。通常采用重稀土Dy/Tb替代Nd元素来提高磁晶各向异性场,从而改善磁体的高温性能。然而,Dy/Tb重稀土元素资源稀缺,价格昂贵,增加了磁体生产成本,因此开发低重稀土含量的高性能Nd-Fe-B基磁体成为当务之急。本论文以商用Nd-Pr-Fe-B基和自制Nd-Ce-Fe-B基磁粉为主合金粉,利用晶界添加技术,优化晶界,以期进一步降低重稀土Dy的用量,制备出高性能RE-Fe-B基热压/热变形磁体。以商用Nd-Pr-Fe-B基磁粉为原材料,利用SPS技术制备了Nd-Pr-Fe-B基热压磁体,探索了烧结温度与性能之间的关系,优化了烧结工艺。以SPS热压磁体为前驱体,采用热变形技术制备出各向异性Nd-Pr-Fe-B基磁体,并对热变形工艺进行了优化。当热变形工艺为790oC/100 MPa、保温3 min和保压1 min时,磁体的性能最佳:Jr=13.23 kG,Hcj=9.94 kOe,(BH)max=37.59 MGOe。将Nd-Pr-Fe-B磁粉与1 wt.%的Dy70Cu30、Dy20Pr50Cu30、Dy20Pr50Cu15Al15、Dy10Pr50Cu20Al20合金粉混合均匀,采用以上优化的SPS和热变形工艺,制备了晶界添加的Nd-Pr-Fe-B基热压/热变形磁体。实验结果表明,Dy合金添加后,Nd-Pr-Fe-B基热压磁体矫顽力增加了1.271.69 kOe。在温度300-400 K内,其剩磁温度系数(α)和矫顽力温度(β)系数分别由-0.108%/K,-0.510%/K优化至-0.087-0.105%/K,-0.489-0.495%/K。微观结构显示,Dy合金添加后,Dy主要富集于粉末边界处。随着Dy含量的降低,Dy更倾向于进入粉末内部,有助于提升磁性能。热变形后,各向异性Nd-Pr-Fe-B基磁体的主相峰位向右偏移且晶格常数略有减小,表明部分Dy进入了主相,形成了(Nd,Pr,Dy)-Fe-B硬磁性相,使矫顽力提升了3.654.08 kOe。利用熔体快淬技术制备了纳米晶Nd-Ce-Fe-B基合金条带,探索了Ga取代量对合金条带磁特性及显微结构的影响。当Ga添加量为0.5 at.%时,Nd-Ce-Fe-B基合金具有较为均匀一致的微观结构,磁性能最佳:Jr=7.60 kG,Hcj=17.28 kOe,(BH)max=12.51 MGOe。以(Nd0.8Ce0.2)13.8Fe68.46Ga0.5Co3.31B5.74合金成分为原材料,通过SPS技术制备了Nd-Ce-Fe-B基热压磁体,并选取性能最优的SPS磁体作为前驱体,通过热压方法制得了热变形Nd-Ce-Fe-B基磁体,分析了变形温度、变形压力、保温时间及保压时间与各向异性Nd-Ce-Fe-B基磁体性能之间的关系。当变形温度、变形压力、保温时间和保压时间分别为:790oC/80 MPa/5 min/1 min时,Nd-Ce-Fe-B基磁体性能为:Jr=11.59 kG,Hcj=12.32kOe,(BH)max=28.94 MGOe。通过晶界添加技术制备了纳米晶各向同性Nd-Ce-Fe-B基磁体。结果显示,晶界添加Dy合金后,SPS磁体的矫顽力增加了0.61 kOe,剩磁和磁能积略微下降。其α和β也分别由-0.128%/K,-0.497%/K优化至-0.110-0.127%/K,-0.475-0.492%/K。Dy70Cu30合金添加后,在粉末边界处有大量的富稀土相富集。随着Dy含量的降低,富稀土相富集现象有所减少。在低熔点Dy合金添加后,热变形Nd-Ce-Fe-B基磁体的主相颗粒排列整齐度略有降低,剩磁轻微下降,而矫顽力提升了12 kOe。综上所述,通过Dy合金的添加,Nd-Pr-Fe-B基和Nd-Ce-Fe-B基热压/热变形磁体的矫顽力均有所提高。随着晶界添加Dy含量的降低,热压/热变形磁体的磁性能无明显变化,从而在降低重稀土Dy用量的同时仍能有效改善磁体的矫顽力。
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