The role of dysprosium, terbium, gadolinium and holmium in sintered NdFeB

2019-09-10 19:31

烧结钕铁硼顾名思义是由钕Nd、铁Fe和硼B三种元素组成的化合物Nd2Fe14B为基体的合金材料,但烧结钕铁硼不是单相的,它由Nd2Fe14B相、富B相(又称Nd1.1Fe4B4相)和富Nd相(又称富稀土相)组成,其中Nd2Fe14B相为主相或基本项。

大部分稀土元素(RE)都形成RE 2Fe14B化合物,它是烧结稀土铁硼系永磁材料的基本相,占烧结稀土铁硼系永磁体的96%-98%。所有RE 2Fe14B化合物具有相同的晶体结构,但他们的磁性能有很大的不同,也就是说在烧结钕铁硼中添加其他稀土元素替代钕可以改变磁体的某些性能

重稀土金属Dy替代Nd的作用

1. 显著提高磁体矫顽力

Dy 2Fe14B化合物的各向异性场HA比Nd2Fe14B高2.14倍左右,因此用少量的Dy来替代Nd可显著提高磁体的矫顽力Hcj。理论上,每用1%(原子分数)Dy替代Nd,磁体的矫顽力Hcj 可提高11.4kA/m,但实际应用中矫顽力Hcj 的提高与其他组元的存在有关联。

2. 降低磁体的磁极化强度Js,从而降低剩磁Br和最大磁能积(BH) m

理论上每用1%(原子分数)Dy替代Nd,磁体的磁极化强度Js降低90mT

3. 降低磁体剩磁Br和最大磁能积(BH) m 的温度系数

需要注意的是,添加重稀土元素Dy会显著提高烧结钕铁硼永磁体的原材料成本,因此需综合考虑成本与磁体性能的关系。

重稀土金属Tb替代Nd的作用

在烧结钕铁硼磁体中添加Tb部分取代Nd,与上述Dy替代Nd有相同的作用,但Tb 2Fe14B的各向异性场HA 更高,因此能更加有效的提高永磁体的矫顽力。但Tb在稀土矿中的储量比Dy更少,价格更高。

金属Gd、金属Ho替代Nd的作用

在重稀土金属中Gd的储量最高,Gd也可以形成Gd2Fe14B化合物,该化合物的磁极化强度Js和各向异性场HA明显偏低,但其居里温度Tc最高。由于Gd的储量高价格低,一些厂商以钆铁合金的形式加入Gd以部分取代Nd,来制造低成本的烧结钕铁硼。但其实用Gd替代Nd是一种浪费,一旦未来发现Gd有更重要的用途,就会发现这是一种无可挽回的损失。用Ho替代Nd也有同样的效果和问题。

轻稀土金属La、Ce、Pr替代Nd的作用

轻稀土元素储量丰富,价格相对比较便宜,开发轻稀土金属应用于制造烧结钕铁硼材料是值得鼓励的。

La、Fe、B金属形成La2Fe14B相比较困难,温度非常窄,但一旦形成在860℃以下是稳定的。Nd在烧结钕铁硼成本中占65%-75%,而现阶段La的成本大概是Nd十分之一,用La替代Nd即可以降低成本,又可以促进稀土资源的综合利用。随着La含量的增加,合金的磁极化强度Js、剩磁Br、矫顽力Hcj 和最大磁能积(BH) m 都会降低,La是非磁性原子,由于磁稀释作用,导致(BH)m 的降低比Br降低要快的多。

Ce2Fe14B的稳定性较差,形成更为困难,随着Ce含量提高,各项磁性能均降低,同时Ce的添加会导致磁体的居里温度和温度稳定性降低。

Pr2Fe14B化合物具有可作为永磁材料的几个基本条件,在1060℃左右烧结可获得较好的磁性能。用(PrNd)- Fe金属作为原料可制造出具有良好磁性能的烧结钕铁硼永磁体。需要注意的是,Pr比Nd更容易氧化,某些要求稳定性高的材料要适当控制Pr的用量。

其他金属取代Fe的作用

烧结钕铁硼永磁材料矫顽力和居里温度偏低,温度稳定性欠佳,工作温度偏低(约80℃),抗腐蚀性能差等缺点限制了它的应用范围,为此,人们广泛地研究了各种元素对钕铁硼永磁材料的影响。

1. 钴Co部分取代Fe对烧结钕铁硼的作用

随着Co含量的增加,合金的居里温度线性的提高,磁感可逆温度系数α明显地降低。当Co含量小于5%(原子分数)时,(BH) m和Br 几乎不降低;当Co含量大于30%时,各项磁性能参数显著降低。添加的Co含量小于10%是十分有益的,既提高了合金的居里温度,又维持了较高的磁性能,同时磁感温度系数也得到改善。

2. Al部分取代Fe的作用

学者研究结果表明,添加少量的铝Al可显著的提高三元系Nd-Fe-B材料的矫顽力。研究结果指出,在Nd-Fe-Co-B永磁材料的基础上,添加Al可补偿由Co添加而引起的矫顽力降低,因而可获得综合性能较高的Nd-Fe-Co-Al-B合金。

3. Cu部分取代Fe对的作用

研究发现,在(Nd,Dy)-Fe-B和(Nd,Dy)- (Fe, Co)-B系中添加少量的铜Cu可使其矫顽力显著的提高,而Br 又几乎不降低,从而可制造出高Hcj和高(BH)m 的永磁体。

4. 其他元素部分取代Fe对的作用

三元系Nd-Fe-B合金基础上添加少量的铌Nb或锆Zr取代部分铁,可有效地提高合金的Hcj和方形度Hk,而Br降低得却很少,同时降低合金的磁通不可损失。实验结果表明Nd-Fe-B合金中铌Nb的最高含量是3%(原子分数),添加过量的Nb会使合金矫顽力迅速下降并使Nd2Fe14B变得不稳定镓Ga的添加可显著提高合金的矫顽力和降低不可逆磁场hirr,在Nd-Fe-Co-B系合金中,随着Co的含量增加,合金的Hcj 是降低的,但在添加Ga的情况下,出现了矫顽力升高的现象。预计在添加Ga的合金中,有可能制备出高居里点、高Hcj 的Nd-Fe-B系永磁材料镓Ga和铌Nb的复合添加,可更加显著的改善合金的温度稳定性本文主要参考《烧结钕铁硼 稀土永磁材料与技术》2014版,周寿增等著