快淬钇铁基稀土永磁材料的制备及其磁硬化机制研究
Preparation of Melt-spun Yttrium-iron-based Permanent Magnetic Materials and the Mechanism of Magetic Hardening
随着钕铁硼永磁材料的广泛应用,稀土元素如镨、钕、镝等的消费量日益上涨,但是另一方面以镧铈钇为代表的高产量稀土元素,由于应用范围及应用量较少,而出现了严重的供需失衡状况.永磁材料是稀土元素重要的应用领域,本论文主要的研究内容是探究钇铁基稀土永磁材料的磁性能,意义在于拓展钇元素的应用,促进我国稀土工业均衡发展.本论文利用熔体快淬技术,结合钇铁硼三元相图设计并制备了多个系列的钇铁硼合金,对其成分-磁性能关系进行了表征,同时针对不同成分的合金探究了辊速、晶化温度和晶化时间等工艺对其相结构及磁性能的影响.我们利用X射线衍射仪(XRD)、震动样品磁强计(VSM)和扫描透射电镜(STEM)等设备,对合金的相组成、磁化反转过程和微观组织形貌进行了细致的研究,并对其磁硬化现象产生的原因进行了讨论并得到如下结论:(1)通过多个批次的实验,获得的快淬纳米晶钇铁硼合金的磁能积(BH)max的最大值为5.2MGOe,最高矫顽力5.7kOe(Y16Fe69B15,35m/s快淬后700℃晶化10分钟急冷),最大剩磁6.1kGs(Y16Fe78B6,35m/s快淬后700℃晶化10分钟急冷);(2)钇铁硼合金中的各向异性主要来自于硬磁性相Y2Fe14B,其结晶化程度直接影响材料的硬磁性能.对于YmFe100-m-nBn合金,能够形成Y2Fe14B相结构的有效合金成分范围是13≤m≤19,6≤n≤18,采用35m/s辊速进行快淬的样品中以非晶态结构为主,在700℃晶化十分钟可以获得微观组织较好的纳米晶样品;(3)材料的矫顽力在钇含量为原子比16%硼含量为原子比15%时出现峰值,并且以峰值为中心向四周逐渐衰减,其中钇含量为原子比16~18%,硼含量为6-18%的区域内材料的矫顽力能够保持在3kOe以上,符合永磁材料的基本条件:(4)Y16Fe78B6合金中存在明显的Y2Fe14B/YFe2双相交换耦合作用,采用非晶晶化法获得的样品组织中,晶粒尺寸分布均匀(10-20nm),改变晶化工艺导致晶粒尺寸变大且分布均匀性下降,进而削弱了交换耦合作用,导致磁性能下降;Y16Fe78B6合金的快淬样品中存在α-Fe,采用非晶晶化方法可以减少α-Fe的生成和异常长大,从而提高材料的磁性能;(5) Y16Fe69B15合金的矫顽力高于其他成分,主要原因是晶界相的钉扎强化作用;晶界相的成分可以初步确定为YFe2B2,属于四方结构139号空间群I4/mmm.晶化时间为十分钟时产生的晶界厚度最为适宜且晶界相结构较为稳定,晶化时间延长,晶界相逐渐消失并形成YFe2晶粒.本课题对于钇铁基永磁合金的研究内容重点在于成分工艺对于相结构和磁性能的影响及其相应的磁化机制研究,初步地评估了该系列材料的磁性能.在实验过程中发现了有利于提高其磁性能的途径,包括提高纳米晶交换耦合作用以及提高矫顽力钉扎场等方法.今后关于钇铁基永磁合金的研究可以通过适当的元素添加和微观组织控制技术,进一步提高其磁性能,有望以此为基础开发出具有实用价值的钇铁基稀土永磁材料.
- 作者：
- 孙亮
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 专业名称：
- 材料科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 李红卫；于敦波
- 中图分类号：
- TM273
- 关键词：
- 稀土永磁；快淬；交换耦合；磁硬化；纳米晶
- rare earth permanent magnets; exchange-coupling; magnetic hardening; melt-spinning; nanocomposite;