HDDR法制备NdFeB各向异性磁粉及纳米复合永磁体的研究

摘要

本实验通过HDDR(Hydrogenation-Disproportionation-Desorption-Recombination)法和快淬法分别成功制备了性能优异的各向异性NdFeB磁粉和Nd2Fe14B/α-Fe型及Fe3B/Nd2Fe14B型双相纳米晶复合磁体。通过磁性测量仪、X射线衍射仪分析(XRD)、高场脉冲磁强计、差热分析(DTA)等技术和手段系统地研究了制备工艺和添加合金元素对磁体结构以及性能的影响。 HDDR法制备各向异性NdFeB磁粉的研究表明：均匀化处理可以部分消除有害α-Fe相并提高合金磁性能。研究发现，随氢气压力的增大，合金的磁性能增强，氢压增大到一定程度后，磁性能增强不显著。Nd2(Fe,Co)i4B化合物与氢气的歧化行为同时受到了热力学与动力学因素的影响，通过热力学计算，动力学分析和实验得出，只有在一定温度范围内和高于某一临界氢压时，氢致歧化反应才能进行，在临界温度范围外，合金以Nd2(Fe,Co)14BHx的形式存在，在临界温度范围内，合金以歧化产物α-(Fe,Co)、NdH2、(Fe,Co)2B的形式存在；NdFeB合金最终磁各向异性及磁性能取决于HD处理温度和时间、DR处理温度和时间；首先发现，低真空处理及脱氢分压是影响合金磁性能的关键因素，提出在HD处理及高真空脱氢处理之间加上低真空脱氢处理后，可制备出高性能各向异性HDDRNdFeB磁粉，其中，低真空处理时间以25min为宜，而脱氢分压应控制在0.2×105Pa左右。 合金元素Co、Ga、Al等的适量添加对于NdFeB合金的磁各向异性及磁性能有着重要的作用。歧化阶段，Ga的添加可以提高合金的最佳歧化温度，改变材料歧化分解的特征；再复合阶段，Ga可抑制晶粒的长大，细化晶粒。同时，Ga的加入可提高合金磁性能及磁各向异性；Co元素的添加可提高合金磁性能及磁各向异性；Al元素的添加可以改善合金的综合磁性能。研究发现，复合添加Co、Zr和Ga合金元素并采用短时间、高真空脱氢再化合是制备高性能磁体的理想工艺，利用该工艺制备出了具有国际先进水平的高各向异性、高性能NdFeB磁粉，其性能达到：Br=1.18T，jHc=813kA/m，(BH)max=243.7kJ/m3，DOA=0.563。 HDDR相变晶粒细化作用机理的研究表明，氢气压力的降低及再复合温度的升高会增大歧化产物再复合的驱动力，从而提高新相的形核率，但氢气压力的降低对晶粒长大速度没有明显的影响。HDDR工艺在再复合温度一定时，降低氢压，可实现晶粒的细化。 在纳米复合磁体研究中发现，利用单辊熔体快淬工艺，合理的冷却辊速，适当的晶化处理时间和温度，可以得到具有较好的微观结构、磁性能较高的纳米复合磁体。 在研究Nd2Fe14B/α-Fe型纳米复合磁体时发现，完全非晶态的NdDyFeBGa(E系列)合金DTA曲线上有两个放热峰，第一个放热峰出现在568～578℃范围内，第二个放热峰出现在650℃附近，其晶化过程为：E1合金：Am→Am′+α-Fe+Nd2Fe14B+Nd2Fe23B3→α-Fe+Nd2Fe14B，E2合金：Am→Am′+α-Fe+Nd2Fe14B+Fe23B6→α-Fe+Nd2Fe14B，E3合金：Am→Am′+α-Fe+Nd2Fe14B+Nd2Fe23B3→α-Fe+Nd2Fe14B+Fe3B；完全非晶态的NdFeCoNbB(F系列)合金具有两个放热峰，随Nb含量的增多，第一个放热峰的峰值温度不变，第二个放热峰峰值温度升高。XRD衍射结果表明，F2非晶合金相变过程为： F2合金：Am→Am'+α-Fe+Nd2Fe14B+Fe20Nd3B2→Nd2Fe14B+α-Fe辊速对于合金的磁性能及结构有较大的影响，含部分非晶的快淬条屑经晶化处理后，其磁性能优于完全非晶快淬条屑经晶化处理后的磁性能。这主要是由于随快淬辊速的增加，晶化后软、硬磁性相晶粒尺寸增加造成的；Ga元素的添加可有效抑制软、硬磁性相晶粒的长大，提高合金的磁性能；适量Nb元素的加入可使纳米复合永磁体晶粒细化及磁性能提高，添加0.5at％Nb为最佳；Dy的加入可以提高合金的内禀矫顽力，但却会损害合金的剩余磁感应强度及最大磁能积；辊速25m/sE3合金晶化处理后磁性能达到：Br=0.897T；jHc=409kA/m；(BH)max=80.7kJ/m3；辊速40m/sF2合金晶化处理后磁性能达到：Br=0.964T，jHc=381kA/m，(BH)max=82.8kJ/m3。 在Fe3B/Nd2Fe14B型纳米复合磁体研究中发现，B含量高，容易形成非晶，对于H系列合金，辊速15m/s可形成完全非晶；对于Ⅰ系列合金，辊速20m/s可形成完全非晶。通过DTA和XRD分析发现，H2合金、I1合金及I2合金相变过程分别为： H2合金：Am→Fe3B+Nd2Fe14B+α-FeI1合金：Am→Fe3B+Nd2Fe14B+α-FeI2合金：Am→Am'+Fe3B+Nd2Fe23B3+Nd2Fe14B+α-Fe→Fe3B+Nd2Fe14B+α-FeNb元素的添加可稳定非晶相，阻碍Fe3B、α-Fe和Nd2Fe14B三相的析出；适量Nb元素的添加可以提高合金的磁性能；Cr元素取代Co元素可使NdFeB合金的矫顽力对晶化处理温度不敏感，并使晶粒细化。辊速15m/sH2合金经晶化处理后其磁性能达到：Br=1.04T,jHc=358kA/m，(BH)max=80.2kJ/m3；辊速20m/sI2合金磁性能达到：Br=0.944T,jHc=383kA/m，(BH)max=77.5kJ/m3。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1永磁材料的发展

1.2稀土永磁材料的基本类型

1.2.1 RCo5系永磁体

1.2.2 R2Co17系永磁合金

1.2.3 Nd2Fe14B永磁体

1.2.4铁基稀土间隙化合物永磁材料

1.3烧结Nd-Fe-B磁体

1.4粘结磁体

1.4.1粘结永磁材料发展

1.4.2粘结永磁体的磁性能与影响因素

1.5 HDDR技术制备磁粉

1.5.1 HDDR相变

1.5.2固态HDDR相变

1.5.3 HDDR相变的其它应用

1.6纳米复合稀土永磁材料

1.6.1纳米复合稀土永磁材料的发展

1.6.2双相纳米晶复合永磁材料的交换耦合模型

1.6.3纳米复合稀土永磁材料

1.7本文研究的意义与主要内容

参考文献

第二章实验原理与实验方法

2.1 HDDR法制备Nd-Fe-B永磁粉

2.1.1样品制备

2.1.2磁性能和结构分析

2.2快淬法制备双相纳米复合Nd-Fe-B永磁粉

2.2.1样品制备

2.2.2样品的测量与分析

参考文献

第三章HDDR技术制备各向异性NdFeB磁粉

3.1 HDDR制备各向异性Nd-Fe-B磁粉工艺设计原则

3.2均匀化处理工艺对HDDR各向异性磁粉微观结构与性能影响

3.3 HDDR技术

3.3.1氢在HDDR工艺中的作用

3.3.2 HDDR技术制备各向异性NdFeB磁粉

3.3.3改进HDDR工艺制备各向异性NdFeB磁粉

3.3.4 HDDR技术相关因素对各向异性NdFeB磁性能的影响

3.3.5 HDDR工艺制备高性能各向异性NdFeB磁粉

3.3.6合金的最佳磁性能

3.4本章小结

参考文献

第四章HDDR各向异性NdFeB磁粉的成分

4.1磁粉成分设计的基本原则

4.2基本成分的设计与确定

4.3合金元素在HDDR各向异性NdFeB磁粉中的作用

4.3.1 Ga元素的添加对磁粉各向异性及磁性能的影响

4.3.2 Co元素的添加对磁粉各向异性及磁性能的影响

4.3.3 Al元素的添加对磁粉各向异性及磁性能的影响

4.4本章小结

参考文献

第五章HDDR晶粒细化机理

5.1磁粉Nd2(Fe，Co)14B歧化产物再复合的热力学分析

5.2 Nd2(Fe，Co)14B歧化产物再复合的动力学分析

5.3 HDDR相变中晶粒细化原理

5.4本章小结

参考文献

第六章Nd2Fe14B/α-Fe型纳米晶双相复合永磁体

6.1引言

6.2快淬工艺参数

6.3 NdDyFeBGa合金的磁性能与结构分析

6.3.1 NdDyFeBGa合金的DTA曲线和相变分析

6.3.2快淬辊速对NdaDy1Fe83.5B5Ga2.5合金磁性能的影响

6.3.3晶化处理工艺对NdaDy1Fe86-xB5Gax合金磁性能的影响

6.3.4合金成分对Nd8Dy1Fe86-xB5Gax合金磁性能的影响

6.4 NdFeCoNbB合金的磁性能与结构分析

6.4.1 NdFeCoNbB合金的DTA曲线和相变分析

6.4.2晶化工艺对合金磁性能的影响

6.5 NdDyFeCoB合金的磁性能

6.6本章小结

参考文献

第七章Fe3B/Nd2Fe14B型纳米晶双相复合永磁体

7.1引言

7.2 Fe3B/Nd2Fe14B纳米双相复合永磁体成分设计

7.3 Nb的添加对Fe3B/Nd2Fe14B纳米双相复合永磁体磁性能与微观影响

7.3.1 DTA曲线及晶化过程相变分析

7.3.2晶化处理对Nd5.5Fe70.5-xCo5Cu0.5NbxB18.5合金磁性响

7.4 Cr和Co对Fe3B/Nd2Fe14B纳米复合磁体微观结构与磁响

7.4.1 Nd5Fe72.3Cu0.2M4B18.5合金的DTA曲线和相变分析

7.4.2晶化处理对Nd5.5Fe70.5-xCo5Cu0.5NbxB1 8.5合金磁响

7.5本章小结

参考文献

第八章结论

攻读博士学位期间发表和接收的论文目录

致谢