论文部分内容阅读
烧结Nd-Fe-B磁体因具有高能量密度,而被广泛应用于各种领域,包括传感器、风力发电机、汽车发动机和风力涡轮机等。但是,实际矫顽力低和温度稳定性差严重限制了其在高温环境下的应用。为了解决这一问题,最常用的方法是引入重稀土 Dy元素,在主相颗粒的外延层形成(Nd,Dy)2Fe14B磁硬化层。如何提高Dy元素利用率且提高磁体矫顽力是目前的研究热点。S、P元素由于熔点低,且是钢中晶界偏聚元素,因此引入S、P有望改善钕铁硼磁体的边界结构。本文首先利用第一性原理计算了 S、P原子在烧结钕铁硼磁体中的择优占位,并通过实验引入S、P,系统研究了 S、P元素对烧结钕铁硼磁体的组织结构及磁性能的影响规律,重点研究了 S、P元素在磁体边界中的分布及作用、S元素与Dy元素的相互作用,以及对矫顽力的影响机理。利用第一性原理,通过MS软件搭建了 Nd2Fe14B/Nd2O3界面结构模型,用VASP软件模拟计算了单个S、P原子在界面结构的Nd2Fe14B相和Nd2O3相中的结合能,发现S、P原子在界面结构的Nd2O3相中的结合能均低于其在Nd2Fe14B相中的结合能。因此,在烧结Nd-Fe-B磁体中,S、P元素优先占据在Nd2O3相中,主要偏聚在晶界富Nd相中。在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分数)合金中分别添加0,0.1,0.2,0.3,0.5%(重量百分数)的S,发现压坯密度随S含量增加而增加,从不添加S的3.87g·cm-3提高到添加0.5wt.%S的4.19g·cm-3,这一结果的重要意义在于可以省去冷等静压工艺步骤,减少烧结收缩量和烧结变形。磁体的矫顽力随S添加量的增加先升高后下降,含0.2wt.%S的磁体矫顽力最高,为1326.2kA·m-1,相对于未添加S的1236.3kA·m-1,提高了 7.3%,且剩磁和磁能积略有降低。组织结构分析表明,当添加0.2wt.%S时,主相平均晶粒尺寸从9.12μm降低到7.83μm,富Nd相的熔点从1038K降低到1021K,晶界更加清晰、连续,晶粒细化和边界结构改善是导致磁体矫顽力升高的主要原因。但S元素分布不均匀,且有一定的’团聚,,主要富集在晶界三角区域,形成密排六方的Nd2O2S相或四方的NdS2相。为了解决S元素’团聚’的问题,采用气流磨的方法引入S元素。由于单质S的密度低,加入量少,与磁体的密度差别较大,不便于在气流磨过程中加入,因此通过添加中间化合物FeS2的方式引入S元素。以气流磨添加0.2wt.%计量的S时,磁体的矫顽力从不含S的1236.3kA·m-1提高到1401.8kA·m-1,提高了 13.4%。组织结构分析表明,S元素的分布更均匀,晶界相的分布也更加均匀,主相平均晶粒尺寸从7.86μm进一步细化到6.67μm。研究了复合添加S和Dy203对钕铁硼磁体组织结构与磁性能的影响,首先在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分数)合金中分别添加0,0.5,1.0,2.0,3.0%(重量百分数)的Dy203,磁体的矫顽力随Dy203含量的增加而提高,当添加3.0wt%Dy2O3时,磁体的矫顽力从1236.3kA·m-l提高到1665.9kA·m-1。组织结构分析表明,晶界相更连续,Dy进入主相颗粒的外延层形成(Nd,Dy)2Fe14B磁硬化层是矫顽力提高的主要原因。但是EPMA和EDS结果表明,Dy元素主要富集在晶间区域的富Nd相中,Dy元素未能得到充分有效利用。因此在添加3.0wt%Dy2O3的基础上,进一步添加0,0.1,0.2,0.3,0.5%(重量百分数)的S,结果表明:磁体的矫顽力随S含量增加先升高后下降,复合添加3.0wt.%Dy2O3/0.2wt.%S的磁体的矫顽力最高,磁体的矫顽力从只添加3.0wt%Dy2O3的1665.9kA·m-1提高到复合添加的1816.2kA·m-1,提高了 9.1%,剩磁和磁能积未出现明显下降。EPMA和TEM结果表明:富集在晶间三角区域的hcp-Nd2O2S相与晶界三角区域的Dy原子相排斥,说明在钕铁硼磁体中引入Dy元素的时候同时引入S元素,可以让Dy原子更多的扩散到主相颗粒的外延层,而不是富集在晶界相内,充分利用Dy提高主相颗粒表层的各向异性场,从而提高磁体的矫顽力。在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分数)合金中分别添加0,0.05,0.08,0.1,0.2%(重量百分数)的P,结果发现,P元素在磁体中分布不均匀,主要与Nd、O元素结合,可能富集在晶间三角区域或晶界处。TEM分析表明:晶间三角区域的富P相主要是单斜结构的NdPO4相,晶界处的富P相主要是六方结构的NdPO4相。添加0.05wt.%P时,富Nd相的熔点从未添加的1038K降低到1022K,且主相平均晶粒尺寸从9.12μm降低到7.88μm。尽管P元素有效降低富Nd相的熔点,但由于P以大块状NdPO4相在晶界出现,所以磁体矫顽力几乎没有改善。