高性能Sm2Co17型燒結(jié)永磁體的制備及微結(jié)構(gòu)研究

王 帥,雍 輝,侯衛(wèi)宵,馬江微,崔 燕,王志成

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

2∶17型SmCo永磁材料因具有飽和磁化強(qiáng)度大、居里溫度高和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、交通、通訊等眾多領(lǐng)域[1-4]。近些年來,在混合動(dòng)力汽車、高鐵等高速電機(jī)應(yīng)用中,需要磁體工作溫度接近200 ℃左右。由于重稀土元素價(jià)格昂貴,含有較多重稀土元素的超高矯頑力NdFeB永磁材料優(yōu)勢(shì)不再。高性能2∶17型SmCo永磁材料磁能積和矯頑力在200 ℃左右均已超過超高矯頑力NdFeB永磁材料,可以為產(chǎn)品提供更加高效穩(wěn)定的磁場(chǎng),因此在這些地方得到了大量應(yīng)用[5-6]。而進(jìn)一步研究并提高高性能2∶17型SmCo永磁材料綜合磁性能對(duì)這些應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意義。

提高Fe含量并降低非鐵磁性元素Cu、Zr含量一直都是人們提高2∶17型SmCo磁體剩磁和磁能積的有效方法之一[7-12],但其不可避免會(huì)造成磁體矯頑力的降低。眾所周知,2∶17型SmCo磁體具有典型的胞狀組織結(jié)構(gòu),其矯頑力源于胞壁處疇壁釘扎[13-15]。良好的微觀組織結(jié)構(gòu)是磁體獲得高矯頑力的關(guān)鍵。如何在提高2∶17型燒結(jié)SmCo永磁體剩磁和磁能積的同時(shí),使磁體保持較高的內(nèi)稟矯頑力(Hcj)是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文通過調(diào)整Cu含量制備了高性能2∶17型燒結(jié)SmCo永磁體,研究了Cu含量對(duì)磁體微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響,揭示了高性能2∶17型SmCo永磁體的磁性能增強(qiáng)機(jī)理。通過研究,可以更清楚地掌握使磁體獲得最佳性能所需的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而可以以微觀結(jié)構(gòu)變化指導(dǎo)磁體制備,為進(jìn)一步提高高性能2∶17型SmCo磁體磁性能提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

按照名義成分Sm(CobalCuxFe0.285Zr0.023)7.6(x=0.051,0.062,0.073)進(jìn)行配料,其中釤的純度大于99.9%,鈷和銅的純度大于99.99%,鋯為純度大于99.5%的海綿鋯,鐵使用純度大于99.5%的工業(yè)純鐵。為了防止釤在熔煉過程中揮發(fā)造成鑄錠合金成分偏差,配料過程中過量添加了3 wt%的釤。使用中頻感應(yīng)熔煉爐制備合金鑄錠。鑄錠經(jīng)粗破碎后再通過氣流磨制粉,制備出平均粒度尺寸約為(3～5)μm的合金粉末。隨后,合金粉末經(jīng)磁場(chǎng)取向成型及冷等靜壓制備出生坯。生坯首先在(1 478～1 488)K燒結(jié)處理1 h,接著在(1 363～1 473)K固溶處理(4～8)h后快速冷卻到室溫。然后,磁體再在(1 103～1 123)K 進(jìn)行時(shí)效處理(5～10)h,之后以1 ℃/min速度緩慢冷卻到 673 K,最后快速風(fēng)冷至室溫制備出最終磁體。

磁性能采用Pulsed Field Magnetometer(PFM)進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)試提供的最大脈沖磁場(chǎng)約為70 kOe,可以測(cè)得高矯頑力(Hcj>25 kOe)釤鈷磁體的完整退磁曲線。使用型號(hào)為FEI Tecnai G2 F20的透射電子顯微鏡(TEM)分析磁體納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu),利用配備的能譜分析設(shè)備energy-dispersive spectroscopy(EDS)來對(duì)磁體胞狀組織成分及元素分布進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

圖1為不同Cu含量下Sm(CobalCuxFe0.285Zr0.023)7.6磁體退磁曲線,其磁性能變化曲線如圖2所示,具體磁性能見表1.結(jié)合圖2和表1可知,隨著Cu含量由0.051增加到0.073,磁體Br明顯從11.97 kGs降低到11.42 kGs,Hcj首先從3.01 kOe快速增加到28.93 kOe,之后繼續(xù)增加到34.93 kOe,磁體(BH)max則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)x為0.062時(shí),磁體獲得最佳磁能積,并且磁體具有較高的Hcj和Hknee,磁性能為:Br=11.73 kGs,Hcj=28.93 kOe,(BH)max=32.88 MGOe,Hknee=17.12 kOe.眾所周知,Cu元素為非磁性元素,因此隨著Cu含量增加,磁體飽和磁化強(qiáng)度降低,Br也明顯降低。磁體(BH)max受Br和Hcj共同影響,開始隨Hcj快速增加而增大,但之后雖然Hcj繼續(xù)增大,但由于Br也隨著Cu含量繼續(xù)增加而明顯降低,因此(BH)max隨后總體呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。

表1 不同Cu含量磁體磁性能

圖1 不同Cu含量磁體退磁曲線

圖2 Sm(CobalCuxFe0.285Zr0.023)7.6磁體Br (a),Hcj (b),(BH)max (c)隨Cu含量變化規(guī)律

為了研究Cu含量對(duì)磁體微觀結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)Sm(CobalCuxFe0.285Zr0.023)7.6磁體進(jìn)行了TEM分析。圖3為c軸垂直于觀察面時(shí)x=0.051(a,c)和x=0.073(b,d)磁體胞狀結(jié)構(gòu)TEM圖和選區(qū)電子衍射圖。通過3(a)和(b)可以看出,x=0.051和x=0.073磁體均形成了較完整的胞結(jié)構(gòu),其中x=0.051磁體平均胞尺寸約為104.1 nm,x=0.073磁體的平均胞尺寸約為106.8 nm,兩磁體平均胞尺寸相近。這與Y.Zhang[16]等人的報(bào)道相同,他們制備的不同Cu含量磁體的胞狀組織形貌基本一致?？梢?在本文中所研究磁體的Cu含量變化對(duì)胞狀組織形貌沒有造成影響。通過對(duì)x=0.051和x=0.073磁體的SEAD圖進(jìn)行標(biāo)定發(fā)現(xiàn),兩種磁體均由2∶17R相和1∶5H相組成,如圖3(c)和(d)所示,這說明本文中Cu含量的調(diào)整沒有造成相結(jié)構(gòu)的變化。

圖3 x=0.051(a,c)和x=0.073(b,d)磁體胞狀組織TEM和SEAD圖

另外,Y.Zhang[16]等人還報(bào)道了Cu含量對(duì)磁體片狀相形成的影響,發(fā)現(xiàn)隨Cu含量變化片狀相密度變化較小。同樣觀察了x=0.051和x=0.073磁體c軸平行于觀察面時(shí)的TEM圖和SEAD圖,如圖4所示。當(dāng)x=0.051時(shí),磁體片狀相密度約為0.041 1 nm,x=0.073時(shí)磁體片狀相密度約為0.044 1 nm,由此可見兩磁體片狀相密度基本相同,說明Cu含量變化對(duì)片狀相密度沒有造成影響。通過圖4(c)和(d)中的標(biāo)定進(jìn)一步確定了磁體由2∶17R和1∶5H相組成。

圖4 x=0.051(a,c)和x=0.073(b,d)磁體片狀組織TEM和SEAD圖

圖5為x=0.051和x=0.073磁體胞和胞壁處元素分布的線掃描能譜分析,其檢測(cè)位置為圖3(a)和(b)中白線處。從圖中可以看出,x=0.051和x=0.073磁體胞壁處Cu元素都存在富集現(xiàn)象,而x=0.073磁體胞壁相中Cu含量明顯高于x=0.051磁體,其胞壁處平均峰值Cu濃度分別為6.54 at%和22.5 at%.

圖5 不同Cu含量磁體通過TEM-EDS分析得到的Cu元素在胞和胞壁處的分布圖

2∶17型燒結(jié)SmCo磁體的矯頑力來源于2∶17R相和1∶5H相的疇壁能差(Δγ=γ2∶17-γ1:5)。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]可知:

(1)

式中:K12∶17、A2∶17、K11∶5、A1∶5分別為2∶17相和1:5相的各向異性常數(shù)和交換積分常數(shù),其中:

(2)

(3)

Ms為磁體飽和磁化強(qiáng)度,HA是各向異性場(chǎng)。由于kB、Z、S分別為Boltzmann常數(shù)、配位數(shù)、自旋量子數(shù),這里在同一體系中它們幾乎為常數(shù),因此,

A∞TC

(4)

對(duì)于1∶5H胞壁相來說,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,隨著Cu元素含量增加,其Ms、Tc、HA均會(huì)下降[19],這樣,根據(jù)公式(2)和(3)可知,會(huì)造成K11∶5、A1∶5的下降,再由公式(1)可以推斷出,γ1∶5會(huì)降低,這使得2∶17相和1∶5相的Δγ增大,磁體Hcj升高[20]。本文中,由于Cu元素含量沒有對(duì)Sm(CobalCuxFe0.285Zr0.023)7.6磁體胞尺寸和片狀相密度造成影響,Cu含量為0.051和0.073時(shí),磁體均獲得完整的胞結(jié)構(gòu),胞尺寸分別為104.1 nm和106.8 nm,同時(shí)其都具有較高的片狀相密度,分別為0.041 1 nm和0.044 1 nm.但是,當(dāng)Cu含量為0.051時(shí),磁體沒有數(shù)量足夠的Cu元素向胞壁處擴(kuò)散,所以盡管片狀相密度較大,但磁體胞壁處峰值Cu濃度較低,僅為6.54 at%,因此Δγ較小,磁體獲得較低Hcj.隨著Cu含量增加,胞壁處峰值Cu濃度也逐漸增大,磁體Hcj也相應(yīng)提高。

3 結(jié)論

(1)Cu含量對(duì)Sm(CobalCuxFe0.285Zr0.023)7.6(x=0.051,0.062,0.073)磁體胞尺寸和片狀相密度幾乎沒有影響,但隨著Cu含量由0.051增加到0.073,胞壁處峰值Cu濃度由6.54 at%增加到22.5 at%.

(2)隨著Cu含量增加,磁體Br逐漸減小,Hcj逐漸增大,(BH)max呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)x=0.062時(shí),磁體獲得最佳磁性能:Br=11.73 kGs,Hcj=28.93 kOe,(BH)max=32.88 MGOe,Hknee=17.12 kOe.