各向异性HDDR NdFeB磁粉的制备与研究

摘要

钕铁硼(NdFeB)永磁体是硬磁性能最高、最具有发展前途的永磁材料。按其制备工艺可分为烧结和粘结磁体两类。与烧结磁体相比,粘结磁体的制备工艺简单、成本低,具有很高的韧性,不易破损、开裂,可以制备成各种形状的产品。制备粘结磁体所采用的各向异性磁粉通常由HDDR(Hydrogenation,Decomposition,Desorption,Recombination)工艺制备。HDDR工艺可将原始合金中的Nd2Fe14B大晶粒转化为晶粒尺寸约为0.3μm的小晶粒,其尺寸接近单畴晶粒的大小。这样的晶粒微结构既不同于烧结磁体,也不同于纳米复合磁体的晶粒微结构。由于磁体的矫顽力与晶粒微结构密切相关,因此,HDDR粘结磁体的矫顽力机理既不同于烧结磁体,也不同于纳米复合磁体。目前,人们对HDDR粘结磁体的矫顽力机理尚未达成共识。
　　 采用HDDR工艺制备NdFeB磁粉时,多数研究者都以大块铸锭合金为原料。由于其含有软磁性相α-Fe,所得的磁粉性能不高。采用SC(Strip Casting)方法制备的铸片具有良好的柱状晶结构,均匀细小的富Nd相薄层将2:14:1主相均匀隔开,不含有软磁性相α-Fe,非常适合于进行HDDR工艺处理。Morimoto等人采用未经均匀化热处理的SC合金铸片制备的NdFeB磁粉是各向同性的。后来他们采用均匀化热处理的SC合金铸片制备了各向异性磁粉。目前尚未见到采用未经均匀化热处理的SC合金铸片制备各向异性磁粉的报道。
　　 早期,实验上只有在NdFeB三元合金中添加少量的Co,Zr,Nb或Ga才可以制备出各向异性磁粉。后来的实验表明:纯三元NdFeB合金经优化的HDDR工艺处理也可以制得各向异性磁粉。不仅添加元素,HDDR工艺参数对磁粉各向异性的形成也起着重要作用。由于采用HDDR工艺制备各向异性磁粉的成分和工艺尚未完全成熟、定型,各向异性的形成条件和机理尚未达成共识。
　　 我们的研究工作包括理论和实验两个方面。理论上,从HDDR磁粉晶粒的特殊微结构出发,建立了晶粒边界的各向异性理论模型,研究了HDDR NdFeB磁体的反磁化过程和矫顽力机理及晶粒间界相对磁体矫顽力的影响。实验上,我们采用SC+HDDR工艺制备HDDR NdFeB磁粉,探索了直接采用未经均匀化热处理的六元合金Nd12.8FenCo7.8B7Zr0.1Ga0.3铸片制备各向异性磁粉的可能性,并以三元合金Nd13.sFe79.5B7为例研究了HDDR磁粉各向异性的起源和形成机理。主要研究工作如下:
　　 1.理论研究工作
　　 1)从HDDR磁粉晶粒的特殊微结构出发,研究了HDDR NdFeB永磁合金的反磁化过程和矫顽力机理。结果表明:在lex确定的条件下,当2r0/lex<1.67时(r0和lex分别为晶粒表面结构缺陷厚度和晶粒间交换耦合长度),决定矫顽力的主要机制是畴壁钉扎；当2r0/lex>1.67时,决定矫顽力的主要机制是反磁化成核。当2r0/lex=1.67时,矫顽力出现最大值,并与相关的实验结果符合很好。
　　 2)研究了晶粒间界相对磁体矫顽力的影响,改进了晶粒边界的各向异性理论模型。假定晶粒间界相是具有相同厚度的非磁性薄层,且在晶粒间均匀分布,给出了晶粒边界两种不同的各向异性表达式K1'(r)和K1

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号说明

第一章 绪论

1.1 磁性材料的概述

1.2 NdFeB粘结磁体的制备

1.2.1 NdFeB粘结磁体所采用的磁粉制备方法

1.2.2 粘结磁体的成形工艺

1.3 HDDR工艺的发展及其对磁粉性能的影响

1.3.1 HDDR工艺及其发展历程

1.3.2 HDDR工艺对磁粉性能的影响

1.4 HDDR NdFeB磁体各向异性的形成机理和矫顽力机理

1.4.1 HDDRNdFeB磁体各向异性的形成机理

1.4.2 HDDR NdFeB磁体的矫顽力机理

1.5 本文研究的意义及内容

1.5.1 研究的目的和意义

1.5.2 研究的内容

参考文献

第二章 HDDR NdFeB磁体的晶粒微结构对其矫顽力的影响

2.1 晶粒表面结构缺陷对HDDR NdFeB磁体矫顽力的影响

2.1.1 HDDR NdFeB磁体单个晶粒的各向异性

2.1.2 HDDR NdFeB磁体的各向异性和矫顽力

2.1.3 结果与讨论

2.1.4 小结

2.2 晶粒间界相对HDDR NdFeB磁体矫顽力的影响

2.2.1 晶粒间界相存在时单个磁粉晶粒的各向异性

2.2.2 晶粒边界区的平均各向异性和磁体矫顽力

2.2.3 结果与讨论

2.2.4 小结

2.3 本章小结

参考文献

第三章 样品制备及其微结构和磁性能测试

3.1 样品的制备方法

3.1.1 合金铸锭的制备

3.1.2 SC合金铸片的制备

3.1.3 HDDR磁粉的制备

3.2 样品微结构和磁性能的测试

3.2.1 X-射线衍射分析样品的相成分

3.2.2 扫描电镜分析样品的微结构

3.2.3 振动样品磁强计测量样品的磁性能

参考文献

第四章 各向异性HDDR NdFeB磁粉的制备与研究

4.1 SC工艺对NdFeB铸片微结构和HDDR磁粉性能的影响

4.1.1 SC工艺的辊轮转速对NdFeB铸片微结构的影响

4.1.2 SC工艺的辊轮转速对HDDR磁粉性能的影响

4.2 六元合金Nd12.8Fe72Co7.8B7Zr0.1Ga0.3各向异性HDDR磁粉的制备

4.2.1 HDDR工艺流程

4.2.2 HDDR工艺的歧化时间和温度对磁粉性能的影响

4.2.3 HDDR工艺的缓慢脱氢再结合氢气压强对磁粉微结构和磁性能的影响

4.3 以三元合金Nd13.5Fe79.5B7为例研究HDDR磁粉的各向异性起源

4.3.1 HDDR工艺流程

4.3.2 HDDR工艺的歧化时间对磁粉各向异性和微结构的影响

4.3.3 HDDR工艺的缓慢脱氢再结合氢气压强对磁粉磁性能的影响

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结和展望

5.1 本文总结

5.2 展望

致谢

博士期间发表论文及获奖情况

附录一 发表英文文章全文三篇

学位论文评阅及答辩情况表