新型稀土—钴基高温永磁材料的成分、结构及制备工艺的研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:jiaguwenshurufa
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稀土-钴基永磁材料具有优异的磁性能和温度稳定性,在军工和民用高技术领域具有重要的应用。目前商用稀土-钴基永磁主要包括1:5型和2:17型烧结磁体,其典型代表分别为SmCo5和Sm(CoFeCuZr)z磁体。近年来,相关应用领域对高温永磁提出了进一步提高磁性能和使用温度的使用需求,从而引发了广泛关注。对此,本文从稀土-钴基永磁材料的成分、结构以及制备工艺等方面开展了研究工作,以期获得更佳的高温磁性能。主要的研究内容包括:第一,研制具有显著磁各向异性的纳米晶SmCo5永磁材料。第二,研究Tm元素取代的TmCox合金及Sm1-xTmxCo5合金的相组成,内禀磁性能和温度稳定性。第三,采用纳米颗粒掺杂改性技术制备新型Sm(CoFeCuZr)z磁体。采用放电等离子快速热压-热变形技术制备了全致密各向异性纳米晶SmCo5和PrCo5磁体,系统研究了制备过程的关键工艺参数对磁体晶体织构、显微组织和磁性能的影响。结果表明,随着变形量的增加,磁体的c轴晶体织构显著增强,磁体的剩磁和磁能积显著提高。对SmCo5磁体,其磁能积从各向同性的6.11MGOe提高到70%变形量的14.74MGOe。磁体的矫顽力随变形量的增加呈现先增加后减小的变化规律,其中SmCo5磁体在变形量为70%时达到52.95kOe。此外,磁体内部的晶粒组织随着变形量的增大逐渐从等轴晶转变为板条状,晶粒尺寸由纳米级长大为亚微米级。在此基础上,对热变形过程中c轴晶体织构的形成机理进行了初步分析,认为织构的形成与形变过程中晶粒转动和晶界滑移相关。采用感应熔炼和退火处理的方法制备了具有CaCu5结构的TmCox合金及Sm1-xTmxCo5合金,系统研究了合金的相组成和不同温度下的内禀磁性能。结果表明,TmCox合金以1:5相为主,并伴有少量的2:7相和2:17相,成相随Co原子数目的增加呈现出先变好后恶化的变化规律,在TmCo5.6时成相最好,其中1:5相的含量为91wt.%。TmCo5.6合金的饱和磁化强度随温度的升高缓慢增加,在30~200℃范围内的磁化强度温度系数为+0.0348%/℃。另一方面,Sm1-xTmxCo5合金以1:5相为主,同时含有不超过5.0wt.%的TmCo2相。Sm1-xTmxCo5合金的居里温度随Tm含量的增加而升高,饱和磁化强度和各向异性场随Tm含量的增加而降低。掺杂Tm后的Sm1-xTmxCo5合金的饱和磁化强度在30~200℃的范围内具有正的温度系数,温度系数随Tm含量的增加而升高。合金的各向异性场的温度系数随着Tm含量的增加而减小。采用放电等离子烧结技术制备了纳米晶Sm0.8Tm0.2Co5.2磁体,在30~300℃具有正的剩磁温度系数,为+0.0156%/℃。在在200~400℃范围内,纳米晶Sm0.8Tm0.2Co5.2磁体的剩磁高于纳米晶SmCo5磁体。系统研究了Sm(CobalFe0.09Cu0.09Zr0.03)7.69磁体的制备工艺,确定了磁体的最佳工艺制度为:烧结温度为1230℃,固溶温度为1185℃,时效工艺为840℃保温12h,以0.4℃/min冷却至420℃后保温10h,之后随炉冷却。最佳工艺下的磁性能为:Ms=10.67kGs,Br=9.89kGs,Hcj=40.78kOe,(BH)max=23.66MGOe。在此基础上,分别采用Sm、Co、Fe纳米粉对上述磁体进行了掺杂改性研究。结果表明,磁体的矫顽力随Sm纳米粉掺杂量的增加而降低,饱和磁化强度、剩磁和最大磁能积均随掺杂量的增加而升高。显微组织观察发现掺杂Sm纳米粉会降低胞状结构的尺寸,同时会破坏胞状结构尺寸的均匀性。掺杂Co纳米粉后磁体的饱和磁化强度随掺杂量的增加单调增加,矫顽力则是单调降低。剩磁和最大磁能积随掺杂量的增加表现出先升高后降低。掺杂2.0wt.%时磁性能最佳,分别为Ms=11.06kGs,Br=10.33kGs,Hci=30.21kOe,(BH)max=25.47MGOe。显微组织观察发现磁体胞状结构尺寸随Co掺杂量的增加而增加,从而造成磁体矫顽力的降低。磁体的饱和磁化强度随Fe纳米粉掺杂量的增加而升高,剩磁、矫顽力和最大磁能积的变化均为先升高后降低,在掺杂1.0wt.%时磁性能最佳,磁性能分别为Ms=11.33kGs,Br=10.12kGs,Hci=46.36kOe,(BH)max=24.31MGOe。显微组织观察发现掺杂Fe纳米粉后,磁体胞壁逐渐宽化,削弱了对畴壁的钉扎,降低磁体的矫顽力。此外,研究了Cu纳米粉掺杂对Sm(CobalFe0.08Cu0.10Zr0.03)7磁体磁性能的影响,掺杂Cu纳米粉会提高磁体的矫顽力,但会降低磁体其它各项磁性能。透射电镜观察表明,掺杂Cu纳米粉会增加片状富Zr相密度,从而提高磁体矫顽力。
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