發(fā)布時間：2020-07-22 12:33

【摘要】：燒結(jié)Nd-Fe-B磁體因具有高能量密度,而被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,包括傳感器、風(fēng)力發(fā)電機、汽車發(fā)動機和風(fēng)力渦輪機等。但是,實際矯頑力低和溫度穩(wěn)定性差嚴重限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。為了解決這一問題,最常用的方法是引入重稀土 Dy元素,在主相顆粒的外延層形成(Nd,Dy)2Fe14B磁硬化層。如何提高Dy元素利用率且提高磁體矯頑力是目前的研究熱點。S、P元素由于熔點低,且是鋼中晶界偏聚元素,因此引入S、P有望改善釹鐵硼磁體的邊界結(jié)構(gòu)。本文首先利用第一性原理計算了 S、P原子在燒結(jié)釹鐵硼磁體中的擇優(yōu)占位,并通過實驗引入S、P,系統(tǒng)研究了 S、P元素對燒結(jié)釹鐵硼磁體的組織結(jié)構(gòu)及磁性能的影響規(guī)律,重點研究了 S、P元素在磁體邊界中的分布及作用、S元素與Dy元素的相互作用,以及對矯頑力的影響機理。利用第一性原理,通過MS軟件搭建了 Nd2Fe14B/Nd2O3界面結(jié)構(gòu)模型,用VASP軟件模擬計算了單個S、P原子在界面結(jié)構(gòu)的Nd2Fe14B相和Nd2O3相中的結(jié)合能,發(fā)現(xiàn)S、P原子在界面結(jié)構(gòu)的Nd2O3相中的結(jié)合能均低于其在Nd2Fe14B相中的結(jié)合能。因此,在燒結(jié)Nd-Fe-B磁體中,S、P元素優(yōu)先占據(jù)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(重量百分數(shù))合金中分別添加0,0.1,0.2,0.3,0.5%(重量百分數(shù))的S,發(fā)現(xiàn)壓坯密度隨S含量增加而增加,從不添加S的3.87g·cm-3提高到添加0.5wt.%S的4.19g·cm-3,這一結(jié)果的重要意義在于可以省去冷等靜壓工藝步驟,減少燒結(jié)收縮量和燒結(jié)變形。磁體的矯頑力隨S添加量的增加先升高后下降,含0.2wt.%S的磁體矯頑力最高,為1326.2kA·m-1,相對于未添加S的1236.3kA·m-1,提高了 7.3%,且剩磁和磁能積略有降低。組織結(jié)構(gòu)分析表明,當(dāng)添加0.2wt.%S時,主相平均晶粒尺寸從9.12μm降低到7.83μm,富Nd相的熔點從1038K降低到1021K,晶界更加清晰、連續(xù),晶粒細化和邊界結(jié)構(gòu)改善是導(dǎo)致磁體矯頑力升高的主要原因。但S元素分布不均勻,且有一定的'團聚,,主要富集在晶界三角區(qū)域,形成密排六方的Nd2O2S相或四方的NdS2相。為了解決S元素'團聚'的問題,采用氣流磨的方法引入S元素。由于單質(zhì)S的密度低,加入量少,與磁體的密度差別較大,不便于在氣流磨過程中加入,因此通過添加中間化合物FeS2的方式引入S元素。以氣流磨添加0.2wt.%計量的S時,磁體的矯頑力從不含S的1236.3kA·m-1提高到1401.8kA·m-1,提高了 13.4%。組織結(jié)構(gòu)分析表明,S元素的分布更均勻,晶界相的分布也更加均勻,主相平均晶粒尺寸從7.86μm進一步細化到6.67μm。研究了復(fù)合添加S和Dy203對釹鐵硼磁體組織結(jié)構(gòu)與磁性能的影響,首先在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分數(shù))合金中分別添加0,0.5,1.0,2.0,3.0%(重量百分數(shù))的Dy203,磁體的矯頑力隨Dy203含量的增加而提高,當(dāng)添加3.0wt%Dy2O3時,磁體的矯頑力從1236.3kA·m-l提高到1665.9kA·m-1。組織結(jié)構(gòu)分析表明,晶界相更連續(xù),Dy進入主相顆粒的外延層形成(Nd,Dy)2Fe14B磁硬化層是矯頑力提高的主要原因。但是EPMA和EDS結(jié)果表明,Dy元素主要富集在晶間區(qū)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的基礎(chǔ)上,進一步添加0,0.1,0.2,0.3,0.5%(重量百分數(shù))的S,結(jié)果表明:磁體的矯頑力隨S含量增加先升高后下降,復(fù)合添加3.0wt.%Dy2O3/0.2wt.%S的磁體的矯頑力最高,磁體的矯頑力從只添加3.0wt%Dy2O3的1665.9kA·m-1提高到復(fù)合添加的1816.2kA·m-1,提高了 9.1%,剩磁和磁能積未出現(xiàn)明顯下降。EPMA和TEM結(jié)果表明:富集在晶間三角區(qū)域的hcp-Nd2O2S相與晶界三角區(qū)域的Dy原子相排斥,說明在釹鐵硼磁體中引入Dy元素的時候同時引入S元素,可以讓Dy原子更多的擴散到主相顆粒的外延層,而不是富集在晶界相內(nèi),充分利用Dy提高主相顆粒表層的各向異性場,從而提高磁體的矯頑力。在(NdPr)31.0Febal(Cu,Al,Co,Cr,Ga)4.0B1.0(重量百分數(shù))合金中分別添加0,0.05,0.08,0.1,0.2%(重量百分數(shù))的P,結(jié)果發(fā)現(xiàn),P元素在磁體中分布不均勻,主要與Nd、O元素結(jié)合,可能富集在晶間三角區(qū)域或晶界處。TEM分析表明:晶間三角區(qū)域的富P相主要是單斜結(jié)構(gòu)的NdPO4相,晶界處的富P相主要是六方結(jié)構(gòu)的NdPO4相。添加0.05wt.%P時,富Nd相的熔點從未添加的1038K降低到1022K,且主相平均晶粒尺寸從9.12μm降低到7.88μm。盡管P元素有效降低富Nd相的熔點,但由于P以大塊狀NdPO4相在晶界出現(xiàn),所以磁體矯頑力幾乎沒有改善。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG132.27
【圖文】：

應(yīng)用于計算機、交通、通訊、航空航天、工業(yè)自動化和醫(yī)療等領(lǐng)域，己成為逡逑促進各種高新技術(shù)與新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及社會進步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一［１＾。逡逑根據(jù)永磁材料的成分，其發(fā)展過程經(jīng)歷了三個階段，如圖２．１所示。第逡逑一階段：上世紀初開始了鑄造永磁合金的生產(chǎn)，如鑄造ＡｌＮｉＣｏ合金，具有逡逑高達１１６３Ｋ的居里溫度，具有很好的高溫穩(wěn)定性，但是由于含有較多戰(zhàn)略資逡逑源鈷和鎳金屬，高昂的價格，限制了其應(yīng)用。第二階段：上世紀五十年代初逡逑期的鐵氧體，主要有鍶鐵氧體和鋇鐵氧體，其磁性能很低，但是其原料資源逡逑豐富、生產(chǎn)成本很低，廣泛應(yīng)用各個領(lǐng)域。第三階段：上世紀六十年代初研逡逑制的稀土永磁材料，是迄今為止性能最高的永磁材料，主要有釤－鈷和釹鐵硼逡逑兩大類等。逡逑６０邐■邐Ｉ邐■邐ｖ邐４３０逡逑５０邋－邐ｔ邐Ｊ邋－邋４００逡逑Ｎｄ－ＦＧ－Ｂ邋—？邋Ｊ邋ｃ逡逑４０邋－邐Ｘ邋Ｓｍ＊邐３２０邐＾逡逑Ｓ．邋３０邋－邐Ｓｍ－Ｃ0邋＾邐１邋—－邋２４０邋—逡逑Ｉ＊邋２０邋－邐廣邋ｒ邋－邋１６０邋Ｊ逡逑Ｓ－邐Ａｌｎｉｃｏ邐？逡逑１０邋．邋Ｓｔｅａｌｓ邋Ｆｅｒｒｉｔｅｓ邐ｊ邐，邐＿邋ｏｑ逡逑／邋一

燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ磁體是由粉末冶金工藝制備的多相組成的永磁材料，其主逡逑要包括Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相、富Ｎｄ相和富Ｂ相，各相體積分數(shù)分別約為８０￣８５％、逡逑５￣２０％和０￣８％，其顯微組織示意圖如圖２．２所示［９＞１６］。此外，在燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ逡逑磁體中還可能存在氧化物相（Ｎｄ２０３）、軟磁相（ａ－Ｆｅ、Ｎｄ２Ｆｅ１７）、雜質(zhì)以及孔洞逡逑等［１，１７］。然而，隨著磁體成分的多元化，磁體中也會出現(xiàn)其他一些金屬間化逡逑合物相［１８１逡逑圖２．２燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁材料的顯微組織示意圖Ｗ逡逑（１）主相邋Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ逡逑主相Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ是燒結(jié)釹鐵硼磁體中唯一的鐵磁性相，晶粒呈不規(guī)則多邊逡逑形，其體積分數(shù)約占磁體的８０？８５％，它很大程度上決定了磁體的剩磁和最逡逑大磁能積。燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁材料之所以具有最好的永磁性能，與其基體相逡逑Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ的晶體結(jié)構(gòu)是密不可分的。Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ屬于四角晶體（簡稱四方相），逡逑晶體點陣常數(shù)ａ＝８．８０４Ａ，邋ｃ＝１２．２０５Ａ，理論密度為７．６２ｇ，ｃｍ＿３。其晶體單胞的逡逑空間結(jié)構(gòu)如圖２．３所示。每個晶胞由４個Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ分子組成，共有６８個原逡逑子

燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ磁體是由粉末冶金工藝制備的多相組成的永磁材料，其主逡逑要包括Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相、富Ｎｄ相和富Ｂ相，各相體積分數(shù)分別約為８０￣８５％、逡逑５￣２０％和０￣８％，其顯微組織示意圖如圖２．２所示［９＞１６］。此外，在燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ逡逑磁體中還可能存在氧化物相（Ｎｄ２０３）、軟磁相（ａ－Ｆｅ、Ｎｄ２Ｆｅ１７）、雜質(zhì)以及孔洞逡逑等［１，１７］。然而，隨著磁體成分的多元化，磁體中也會出現(xiàn)其他一些金屬間化逡逑合物相［１８１逡逑圖２．２燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁材料的顯微組織示意圖Ｗ逡逑（１）主相邋Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ逡逑主相Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ是燒結(jié)釹鐵硼磁體中唯一的鐵磁性相，晶粒呈不規(guī)則多邊逡逑形，其體積分數(shù)約占磁體的８０？８５％，它很大程度上決定了磁體的剩磁和最逡逑大磁能積。燒結(jié)Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ永磁材料之所以具有最好的永磁性能，與其基體相逡逑Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ的晶體結(jié)構(gòu)是密不可分的。Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ屬于四角晶體（簡稱四方相），逡逑晶體點陣常數(shù)ａ＝８．８０４Ａ，邋ｃ＝１２．２０５Ａ，理論密度為７．６２ｇ，ｃｍ＿３。其晶體單胞的逡逑空間結(jié)構(gòu)如圖２．３所示。每個晶胞由４個Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ分子組成，共有６８個原逡逑子

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