稀土永磁材料 课件

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1、一、 RE2Fe14B系合金的磁性能 二、 NdFeB永磁合金影响因素 三、RE2Fe14B系合金的成分与性能 四、 Nd-Fe-B系永磁材料的烧结、热处理原理与技术 五、 RE2Fe14B化合物的磁矩和磁极化强度,2.6 稀土钕铁硼永磁材料,一、概述,市场需求：Fe代Co，储量丰富的Nd取代资源稀少的Sm。 企业：中科三环、宁波韵升、安泰科技、运城恒磁、成都银河 特点：不但磁能积高，而且低能耗、低密度、机械强度高。 广泛应用领域：电动机、电声器件、计算机、磁共振成像、磁选、磁分离、磁悬浮等。,RE的亚晶格具有很强的磁晶各向异性，3d族元素具有很高的饱和Ms和高的Tc，二者的结合有望得到综合性

2、很好的永磁合金。 RE-CoRE-Fe(REFe2,RE6Fe23 , RE2Fe17) 为什么RE2Fe17没能成为第三代永磁材料呢？ 因为RE-Fe中FeFe原子之间的距离太近Fe的局域性较强，受周围近邻原子数和原子间距的影响较大，最终导致合金的Tc点低。,发展思路,在二元 体系中 ，为何 要引入 B？,第三种元素，尤其是原子半径小的元素B、C等，可成为RE-Fe化合物的固溶元素，存在于晶格中，从而改变了Fe-Fe的距离和Fe原子周围环境及近邻原子数，最终导致居里温度的提高和永磁性能的改善。 小元素掺杂通常有两种结果：1.替代晶格位置；2.进入晶格间隙。,室温下 RECo5、RE2Co17

3、、RE2Fe17和RE2Fe14B 饱和磁化强度,二、RE2Fe14B系合金的磁性能,NdFeB 晶体结构是四方晶系。 Ms=1.6T Tc=312 HA=5840kA/m 理论（BH）m=512kJ/m Hc、Br和（BH）m对环境非常敏感，因此经常作为重要的磁性能进行考察。,当RE为Pr、Nd和Sm时，化合物有最高的饱和磁化强度，其中Nd2Fe14B最高，为1.6T，其(BH)m=512kJ/m3, HA=5840kA/m, Tc=312 为了进一步提高Nd-Fe-B 永磁材料的磁性能，在三元的基础上引入第四个元素。,Nd-Fe-T-B (T=Cr,Mn,Co,Ni,Al) Nd(Pr,C

4、e)-Fe-B MM- Fe-B Nd(Pr,Ce) -Fe-B Si(Al) Nd0.8Dy0.2(Fe0.86-xCo0.06B0.08Mx)5.5系合金（M=Al，Ga） 这些元素的硬磁性相均有RE2Fe14B。,三元NdFeB永磁材料的成分,三、RE2Fe14B系合金的成分与性能,Nd15Fe77B8,由于富Nd和富B都是非铁磁性的。随着富钕和富硼相数量的增加，合金的Ms和Br要降低。（通过实验确定最佳的含量比）,1. Nd含量对三元NdFeB磁性能的影响,最佳Nd含量为 12%16%,当Nd的含量过高时，形成过多的富钕相或形成非磁性的Nd2O3,起到磁稀释导致Br降低。若Nd的含量过

5、低，Nd12，Br也急剧下降。 Hc随Nd含量的增加而增加，当含量高于36时开始下降。（与晶粒长大有关）,2. B含量对三元NdFeB磁性能的影响,B是促进NdFeB四方相形成的关键元素。 B5时主要以Nd2Fe17形式存在，Hc和Br都很低。 B68时得到最佳的Hc和Br。,3. NdFeB的磁能积和成分的关系,4. Fe含量对NdFeB永性能的影响,小 结,1.为获得高Hc的NdFeB,除B含量适当（6.08）外，可适当提高Nd的含量。 2. 为获得高的(BH)m，应尽可能使B和Nd的含量向Nd2Fe14B四方相的成分靠近，尽可能提高合金的Fe含量。,当材料的环境改变时（掺杂其他元素，或替

6、代，或温度时间等），相应的磁性能就会发生变化，实际上，导致这一现象的主要原因是分子内部的磁矩发生变化。,四. RE2Fe14B化合物的磁矩和磁极化强度,以RE2Fe14B化合物为基的永磁材料的磁极化强度Js是很重要的磁参量，它是该材料剩磁Br的极限值，也是决定该材料磁能积极限值或理论值(BH)m=Js2/4的磁学量。 材料具有高的Js是材料获得高的Br和高(BH)m的基础。 材料的Js是由原子磁矩J和分子磁矩M分子来决定的。,根据稀土金属间化合物的自发磁化理论，当RE2Fe14B化合物中原子磁矩J存在共线关系时，则它们的原子磁矩与分子磁矩有如下关系： 对于轻稀土化合物 对于重稀土化合物,原子磁

7、矩,中子衍射方法测定,能带理论计算,Mssbauer谱实验技术测定其超精细场Hhf,磁测量方法,另外，也可用磁测量的方法，测出质量饱和磁化强度s，再用下式计算分子磁矩 式中M分子以B为单位； A为相对分子质量(摩尔数)；NA为阿伏加德罗常数(6.0231023)，它是气体的分子数与摩尔数之比。,当RE2Fe14B化合物中RE为无磁矩的稀土原子(如La、Lu和Y等)时： 由此也可以求出化合物平均Fe原子磁矩。若已知分子磁矩M分子，,可以求出饱和磁极化强度。 式中0=410-7H/m,是真空磁导率；d是密度。,1. RE2Fe14B化合物的原子磁矩,由不同研究者用中子衍射、 Mssbauer谱和能

8、带理论计算得到的RE2Fe14B化合物中不同晶位上的Fe原子磁矩和RE原子磁矩列于下表。,不同格位的Fe 原子磁矩是不 同的，这与Fe 原子所处的局 域环境有关。,不同RE的化合物 在同一晶位上的 败原子磁矩也 是不同的。 相同的化合物 和相同的晶位 用不同的方法 得到的入原子 磁矩也是有 所不同的。,为便于比较，列出了用不同方法测定的不同RE化合物的Fe原子平均磁矩 。,它表明，Y、La和Lu是没有原子磁矩的。Y2Fe14B化合物的磁矩全部由Fe亚点阵贡献。用磁测定方法得到Y2Fe14B的平均原子磁矩为2.11B。 在Gd2Fe14B化合物中，Gd中的4f有7个电子，轨道磁矩已相互抵消，仅有

9、自旋磁矩对Gd原子磁矩有贡献，用磁测法得到Gd2Fe14B中平均铁原子磁矩为2.27B。,这些数值比用中子衍射法得到的偏低，其原因是在R2Fe14B化合物中存在4s电子极化现象，4s电子的极化将产生负磁矩。,例如在Nd2Fe14 B和Y2Fe14B化合物中存在极化现象，4s电子的极化产生的磁矩分别为 M4s-0.28B和-0.21B。 这些数值与在纯铁中的4s电子负极化效应M4s-0.25B相当。 （固定值） 将4s电子负极化效应引起的负磁矩M4s-0.25B考虑进去，那么用磁测量方法和Mssbauer谱技术测量得到的平均铁原子磁矩是正确的。,在RE2Fe14B化合物中，若RE原子有磁矩，则F

10、e原子磁矩比RE没有磁矩的多8.6(Ho)到12.5(Pr)。 原因是磁性RE原子与无磁性RE原子相比，某些晶位的Fe原子局域环境不同。 例如Fe2(4c)原子全部是以磁性RE原子作为最近邻的话，由于4f3d交换能作用引起3d能带展宽，造成正能带的3d电子数有所提高，因而Fe2(4c)晶位上的Fe原子磁矩提高。,2.RE2Fe14B元素取代对磁矩的影响,在4.2K， Y2Fe14-xTxB化合物分子磁矩与取代元素及其含量的关系如下图。,Co,Al,Si,Ni,Cu,稀释模型,图中实线分别是Cu和Ni按简单的稀释模型计算的结果，其他未实验结果。 Y2Fe14-xCoxB的分子磁矩随x的变化很小，

11、在x45时，出现最大值，即在Co原子分数为28一35处，M分子有最大值。这与在FeCo合金中的结果相似。 已知Ni原子磁矩为 Al、Cu和Si原子是没有磁矩的，这些元素对分子磁矩的影响，可用简单的稀释模型来描述，即有,实验结果表明，当TSi或Al时，其磁化强度的降低比简单稀释模型降低得更快些。 原因：这种现象与这些元素取代后，改变了某些晶位Fe原子的局域环境有关，减弱了某些晶位Fe原子与相邻原子的交换作用强度，使铁3d能带展宽程度减弱，因而使铁的正3d能带的电子数减少。,当Fe原子被Si、Ru取代时，其分子磁矩或平均Fe原子磁矩降低。当Fe被Co取代时，在x1.5处，观察到分子磁矩存在极大值。

12、,3. 温度对RE2Fe14B化合物磁极化强度的影响,列出了不同研究者获得的RE2Fe14B化合物在室温的饱和磁极化强度和在4.2K时的分子磁矩、RE原子磁矩和化合物的Js。,轻 稀 土,重 稀 土,随着温度的升高，M分子一直降低。,在某一温度范围内，随温度的升高， 的提高比 的提高慢，因此在该温度范围内，就出现了M分子随温度升高而升高的现象。,NdFeB磁体的研发趋势,1. 高（BH）m NdFeB永磁材料 2. 耐热NdFeB永磁材料 3. NdFeB永磁的防锈处理技术 4. 各向异性粉末和各向异性粘结磁体,五、 Nd-Fe-B系永磁材料的烧结、热处理原理与技术,烧结RE-Fe-B系永磁合

13、金的磁性能对工艺因素十分敏感，相同成分的合金由于烧结和热处理工艺不同，其磁性能可以几倍，几十倍，甚至几百倍地变化。掌握烧结、热处理工艺对磁性能的影响规律是十分重要的。,Nd-Fe-B永磁合金烧结并快冷后(烧结态)磁性能较低。为了提高合金的磁性能，回火处理过程就变得尤为重要。,图2-49 RE-Fe-B系永磁合金的烧结和热处理工艺示意图 a-烧结后采用一级回火； b-烧结后采用二级回火,回火处理可显著提高Nd-Fe-B合金的磁性能，尤其是矫顽力 。 随着x的增加，合金中产生富Nd相而矫顽力均有所提高，但是回火处理的合金的平均矫顽力要比烧结态的高1倍多，且回火态的磁能积也远远高于烧结态，可见回火处

14、理对提高合金矫顽力的重要性。,回火处理对合金磁性能的影响,对于NdFeB合金二级回火处理的磁性能比一级回火处理的要好很多 。 当t1=9001000时，t2=660回火处理1h，可获得较高的矫顽力。,一级回火温度t1对合金的影响,加入Tb后，合金在575675下回火，合金的矫顽力较稳定。,二级回火温度t2对合金的影响,第二级回火温度t2对合金磁性稳定性也有重要的影响，含Co的合金更是如此 。,回火温度对合金性能的影响与合金内部富Nd相的数量、形貌和分布有关。 当RE-Fe-B系合金在比较高的温度下回火时，例如在900回火，短时间内在晶界交隅处的富Nd相变成液相，然后在t2回火时，会发生共晶反应

15、，液相数量减少，并且其成分也在变化。如能使富Nd液相成分优化至接近三元共晶温度时的Nd含量，就可获得有利于高矫顽力的显微组织。这样两级回火要比单级回火获得更加优化的显微组织。,773K,848K:随着回火时间的延长，矫顽力得到了有效的提高，且回火温度高时，合金体内的各相组分能更快的达到平衡。 923K,993K:不适当地延长回火时间，合金矫顽力要降低。估计这与合金内部形成不利于矫顽力的显微组织有关，如形成过量的富Nd相及其聚集等。因此回火温度和时间呈反比例增加有助于得到高的磁性能。,一级回火时间1对合金的影响,不同成分的Nd-Fe-B系合金对应不同的最佳回火温度。,小 结,实验结果表明，NdFeB系永磁合金的热处理工艺对其非结构敏感参数影响非常大，尤其是对矫顽力。同样组分的合金回火处理比烧结态的合金有更好的磁性能，且二级回火处理比一级回火处理更好。而回火处理过程中t1和t2与2对其磁性能的影响也很显著，且它们之间有一定的关联，可以通过调节得到最佳的回火处理条件。当然，合金组分对回火条件的要求也是不一样的。,