（材料学专业论文）（ndpr）feb系纳米晶永磁的制备及其结构与磁性能.pdf

四 川大学博十学 位论文 ( n d , p r ) f e b系纳米晶永磁的制备及其结构与磁性能 材料学专业 研究生:查五生指导教师:涂铭旅院士 在总结和分析纳米晶双相复合永磁材料交换祸合作用机理及其磁性能影 响因素的基础上， 采用熔体快淬加后续晶化退火的方法制备了多个系列的稀土 铁系永磁粘结磁体，并用x r d , a f m, d t a及t e m等手段，比较系统地研 究了 制备工艺 参数、 合金稀土含量 及掺杂 元素的 添加对合金显微组织结构、 磁 性相的本征磁学性质及合金磁性能的影响规律和影响机理。 合金快淬态结晶度显著影响其晶化后的晶 粒大小和均匀性。以2 4 , 2 6 , 2 8 和3 0 m / s 快淬的( n d o .8 p r o .2 ) i o .s f e r r 5 c o 5 z r , b b 合金， 快淬态薄带由 非晶 和部分微 晶组成。 快淬速度越高， 快淬态薄带结晶度越低。 含有微晶的快淬态薄带， 退 火时新相非均匀形核析出。以2 6 m / s 快淬的、 结晶度约为3 0 %的薄带， 新相析 出的形核率较高， 可获得细小、 均匀的显微组织结构， 合金具有较佳的综合磁 性能。结晶度过高， 形核率降低， 且微晶的 长大使显微组织结构不均匀; 结晶 度过低， 新相析出 形核以 均匀形核为主，形核率较低，显微组织结构较均匀， 但平均晶粒尺寸较大。晶化退火温度和时间也直接决定磁体的磁性能。在7 0 0 下退火1 0 m i n ,磁性相析出充分，晶粒均匀细小， 磁体综合磁性能较佳。 温 度低于7 0 0 0c ， 或时间少于1 0 m i n ， 磁性相析出不完全; 温度高于7 0 0 c ， 或时 间多于l o m i n ，磁性相析出充分， 但晶 粒会进一步长大。 随稀土含量的降 低， ( n d o .8 p r o .2 ) . f e g 8 _. c o 5 z r l b 合金的 软磁相含量增加， 合 金的 剩磁b , 增加， 而内 察矫顽力h e 。 和 最大 磁能 积( b h ) m 下降。1 0 % 是合金磁 性能发生较大 变化的临界稀土含量。 低于这一含量， 合金的内察矫顽力非常低。 这一实验结果与完全祸合软磁相体积分数计算示意模型的计算结果吻合较好. 依据完全祸合软磁相体积分数计算示意模型，计算出软磁相的临界体积分数 四川大学博十学位论文 为2 0 %。若软磁相的体积分数超过这一理论值，则会存在部分软磁相不被硬 磁相完全祸合，成为整个磁体反向磁畴的核心。 随 ( n d x p r l -x ) to s f e 77 ,5 c o s z r ,b 6 合金 中p r 含 量x 的 增 加， 磁 体的h * 单 调 上 升， b , 单调 下 降 ， ( b h ) m 在x = 0 .8 处 达 到 最 大 值7 0 .6 k j / m 3 。 该 系 列 合 金p r 替 代n d 的最佳分数为0 .8 . p : 基合金较高的内察矫顽力，来源于p r 2 f e l 4 b磁晶各向异 性常数比n d 2 f e t 4 b 高约3 0 。 加入p : 元素会使合金非晶态的晶 化转变温度和 转化能降低，热力学稳定性变差， 退火时晶粒易于长大， 从而使合金的显微组 织结构较粗大和较不均匀，降低合金的剩磁。 本论 文制备了 不同c o 含 量和不同z r 含量的 ( n d o .2 p r o .8 ) 1 0 .5 f e 8 z .s -x c o x z r , b 6 和 ( n d o .2 p r o .8 ) t o .5 f e s i .5 -. c o z z r . b 6 系 列 粘结磁体。 添 加的c o 原子 进入 硬磁相 和软 磁相，取代f e 原子位置，使合金的饱和磁化强度提高，内察矫顽力降低。 c o 元素 添加 量为2 % 的 合金， ( b h ) 。 和 退磁曲 线 方 形 度 达到 最 佳。 z r 元素 通 过 两 个 “ 钉扎”作用来影响合金磁性能。富z r 粒子和晶界处的富z r 相 “ 钉扎”磁 性相晶界移动，能非常有效地阻止磁性相的晶粒长大，从而提高合金的 b r . h c 。 和 ( b h ) . 。 富 集于 晶 界的 富z r 相 在 合金 退 磁时“ 钉 扎” 畴 壁， 阻 碍 其移 动， 从而提高合金的h a 。 但是， z : 元素添加过多， 富集于晶界的富z r 相体积增加， 厚度增大，隔离磁性相晶粒，减弱交换祸合，使合金剩磁下降。1 %是合金具 有较佳的综合磁性能的最佳z r 元素添加量。 本论文通过纳米晶复合永磁合金相组成、 各相磁性能及显微组织结构对合 金磁性能影响规律的研究，获得了低稀土含量、低n d 元素比例、低c 。 含量、 低 z r 含量的( n d o .2 p r o .8 ) i o .5 f e 8 o .5 c o 2 z r l b 6 六元合金。 合金的相组成大部分为 2 : 1 4 : 1 硬磁相， 小部分为软磁相a - f e 。 合金的平均晶粒尺寸为2 5 n m， 且晶粒 大小均匀、形状规整。粘结磁体具有良好的综合磁性能:b r= 0 . 6 6 2 t , 氏= 6 1 6 k a / m , 呱= 4 1 0 k a / m , ( b h ) m = 7 4 0 / m 3 , h k / h ;= 3 9 .9 % 。 合 金制 备的 原 材料成本也大幅度降低。 这对于更好地综合平衡利用稀土资源， 降低永磁材料 制备的原材料成本，具有重要的工程意义。 关键词:纳米晶永磁;稀土含量:添加元素;制备工艺;显微结构;磁性能 四川大 学博士学 位论文 a d i s s e r t a t i o n s u b m i t t e d t o s i c h u a n u n i v e r s i t y f o r t h e d e g r e e o f do c t o r i n e n g r n e e r mg p rep a r a t i o n o f ( n d , p r ) f e b n a n o c r y s t a l l i n e p e r m a n e n t ma g n e t s a n d t h e i r mi c r o s t r u c t u re a n d ma g n e t i c p r o p e r t i e s c a n d i d a t e : z h a wu s h e n g s u p e r v i s o r : p r o f . t u m i n g i i n g ma j o r : ma t e r i a l s c i e n c e a b s t r a c t a c c o r d in g t o t h e s u m m a r i z a t io n a n d a n a l y s i s o f t h e e x c h a n g e c o u p l i n g p r i n c i p l e f o r n a n o c r y s t a l l i n e c o m p o s i t e p e r m a n e n t m a gne t s a n d t h e i n fl u e n ce f a c t o r s o f t h e i r m a gne t i c p r o p e r t i e s , s e v e r a l s e r i e s o f i r o n - b a s e d b o n d e d m a gne ts h a v e b e e n p r e p a r e d b y u s i n g m e l t s p i n n i n g a n d p o s t a n n e a l i n g m e t h o d . b y m e a n s o f x r d , a f m, d t a , a n d t e m, t h e d e p e n d e n ce a n d m e c h a n i s m o f t h e p r e p a r i n g p r o c e s s p a r a m e t e r s , t h e r a r e e a r t h s c o n t e n t , t h e s u b s t i t u t i o n o f n d b y p r , a n d t h e a d d i t i o n o f c o a n d z r o n t h e m i c r o s tr u c t u r e o f a l l o y , t h e i n tr i n s i c m a gne t i c f e a t u r e o f m a g n e t i c p h a s e s , a n d t h e m a gne t i c p r o p e rt i e s o f b o n d e d m a gne t s h a v e b e e n s y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d . t h e c r y s t a l l i n i t y o f a s - s p u n a l l o y s i g n i f ic a n t l y in fl u e n c e s t h e m i c r o s t r u c t u r e o f c r y s t a l l i z e d r i b b o n s . f o r t h e ( n d o .8 p r o .2 ) i o .5 f e , 7 3 c o 5 z r 1 b 6 , t h e a s - s p u n a l l o y r ib b o n s r a p i d l y q u e n c h e d a t 2 4 , 2 6 , 2 8 , a n d 3 0 m / s c o n s i s t o f a m o r p h o u s p h a s e s a n d f i n e c r y s t a l l i t e s . t h e h i g h e r t h e q u e n c h i n g s p e e d is , t h e l o w e r t h e a l l o y c r y s t a l l i n i t y i s , f o r th e a s - s p u n r i b b o n s w i t h t h e c r y s t a l l i n i t y o f a b o u t 3 0 % , w h i c h w e r e q u e n c h e d a t 2 6 m / s , t h e h e t e r o g e n e o u s n u c l e a t i o n o f n e w g r a i n s o c c u r s . t h e n u c l e a t i o n o f a 四川大学博士学位论文 s o l id p r e c i p i t a t e f r o m t h e m a t r i x o c c u r s m o s t e a s i l y o n b o u n d a r y a l r e a d y p r e s e n t i n t h e s t r u c t u r e a n d t h e a m o u n t o f n u c l e i i s l a r g e s t . t h e n a f i n e a n d h o m o g e n o u s m i c r o s t r u c t u r e a n d a n e x c e l l e n t c o m b i n a t i o n o f m a gne t ic p r o p e r t ie s a r e o b t a in e d . b e y o n d t h e 3 0 % o f c r y s t a l l i n i t y , t h e a m o u n t o f n u c l e i d e c r e a s e s a n d t h e c r y s t a ll i t e s p r e s e n t g r o w e a s i l y , w h i c h r e s u l t s i n a n i n h o m o g e n e o u s m i c r o s t r u c t u r e . b e lo w 3 0 % , t h e h o m o g e n e o u s n u c l e a t i o n o c c u r s i n t h e r i b b o n s a n d t h e a m o u n t o f n u c l e i r e d u c e s , w h i c h r e s u l t s i n a n u n i f o r m b u t a c o a r s e g r a i n s t r u c t u r e . t h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e a n d a n n e a l i n g t i m e d i r e c t l y d e t e r m i n e t h e p r o p e rt i e s o f b o n d e d m a gne t s , to o . c r y s t a l l i z e d a t 7 0 0 0c f o r 1 0 m i n u t e s , t h e m a gne t i c p h a s e s p r e c i p i t a t e c o m p l e t e l y a n d t h e i r g r a i n s a r e f i n e a n d u n i f o r m . t h e s i gni f ic a n t i n t e r a c t i o n a m o n g t h e m a gne t i c g r a i n s m a k e s t h e c o m b in a t i o n o f p r o p e r t i e s e x c e l l e n t . i f a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e 1 0 m i n , t h e m a gne t i c p h a s e s p r e c i p i t a t e c o m p l e t e l y , b u t t h e g r a i n s g r o w f u rt h e r m o r e . b o t h o f t h e m m a k e t h e e x c h a n g e c o u p l i n g s w e a k e n e d a n d t h e m a g n e t i c p r o p e rt i e s d e g r a d e d . wi t h t h e d e c r e a s e o f r a r e e a rt h s c o n t e n t f o r t h e ( n d o .b p r o .z ) x f e 8 8 .x c o 5 z r 1 b 6 a l l o y , t h e v o l u m e f r a c t i o n o f s o f t m a g n e t i c p h a s e a n d t h e r e m a n e n c e b , o f b o n d e d m a gne t s in c r e a s e . , b u t b o t h t h e i n t r i n s i c c o e r c i v i t y hi a n d t h e m a x i m u m e n e r g y p r o d u c t ( b h ) ,n d e c r e a s e . a t o m fr a c t i o n o f 1 0 % i s t h e c r i t i c a l r a r e e a rt h s c o n t e n t f o r t h e m a g n e t i c p r o p e rt i e s c h a n g e . b e lo w t h i s v a l u e , t h e m a gne t i c p r o p e rt i e s , e s p e c i a l l y h ;, a r e v e r y l o w . t h i s e x p e r i m e n t a l r e s u l t i s g e n e r a l l y c o n s i s t e n t w i t h t h e c a l c u l a t e d r e s u l t u s i n g t h e m o d e l o f v o l u m e f r a c t i o n o f s o f t m a gne t i c p h a s e c o u p l e d c o m p l e t e ly . a c c o r d i n g t o t h i s m o d e l s u g g e s t e d b y u s 2 0 % i s t h e m a x i m u m v o l u m e f r a c t i o n o f s o f t m a g n e t i c p h a s e c o m p l e t e l y c o u p l e d w i t h t h e h a r d m a gne t ic p h a s e . b e y o n d t h i s t h e o r e t i c a l v a l u e , t h e r e m a y e x i s t s o m e e x t r a s o f t m a gne t i c p h a s e s w h i c h a r e n o t c o u p l e d w i t h t h e h a r d m a gne t i c p h a s e . t h e s e s o f t m a gne t i c p h a s e s b e c o m e t h e n u c l e i o f t h e r e v e r s e m a gne t i c d o m a i n a n d c o n s e q u e n t l y i n i t i a t e a c a s c a d e - t y p e d e m a g n e t i z a t i o n p r o c e s s o f t h e a s s e m b l y . wi t h t h e i n c r e a s e o f p r c o n t e n t o f t h e ( n d , p r 1 .x ) 1 o s f e 7 7 .5 c o 5 z r 1 b 6 s e r ie s a l l o y , i v 四川大学博士学位论文 t h e h d o f b o n d e d m a g n e t s i n c r e a s e s , b u t t h e b , d e c r e a s e s . t h e ( b h ) m r e a c h e s t h e m a x i m u m v a lu e o f 7 0 .6 k j / m 3 a t x = 0 .8 . f o r th e s e a llo y s , t h e o p ti m u m s u b s t itu t e d f r a c t i o n o f n d b y p r i s 0 . 8 , i n w h i c h t h e b e s t c o m b i n a t io n o f p r o p e rt ie s i s o b t a i n e d . t h e h i g h e r in t r i n s i c c o e r c i v i t y o f p r - b a s e d m a g n e t s i s d e r i v e d f ro m t h e 3 0 % h i g h e r a n i s o t r o p y f i e l d o f p r 2 f e 1 4 b t h a n t h a t o f n d 2 f e i4 b . wit h t h e s u b s t i t u t i o n o f n d b y p r t h e a l l o y h a s a lo w e r c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r e a n d a l o w e r c r y s t a l li z a t i o n e n e r g y o f a m o r p h o u s , w h i c h m e a n s t h a t p r m a k e s t h e a l l o y i n s t a b l e r i n c r y s t a l l i z a t i o n k i n e t i c s . s o t h e c r y s t a l l i z a t i o n t r a n s i t io n a n d t h e g r a i n g r o w t h t a k e p l a c e e a s i e r , w h i c h r e s u l t s i n a c o a r s e a n d in h o m o g e n e o u s m i c r o s t r u c t u r e a n d a l o we r r e ma n e n c e . t h e ( n d o .2 p r o .8 ) r o s f e 8 2 .s -x c o x z r 1 b 6 a n d ( n d o ,2 p r o .s ) l o s f e 8 r s - x c o 2 z r x b 6 s e r i e s a l l o y h a v e b e e n p r e p a r e d . t h e a d d e d c o a t o m s e n t e r b o t h t h e h a r d a n d s o f t m a g n e t i c p h a s e s , r e p l a c e t h e p o s i t i o n o f f e a t o m s , m a k e t h e m a g n e t i z a t i o n i n c r e a s e a n d i n t r i n s i c c o e r c i v i t y d e c r e a s e . t h e a l lo y w i t h 2 % o f c o e l e m e n t h a s t h e m a x i m u m ( b h ) . a n d t h e b e s t s q u a r e n e s s o f d e m a g n e t i z a t i o n c u r v e . t h e a d d e d z r e l e m e n t a f f e c t t h e a l l o y m a g n e t i c p r o p e rt ie s t h r o u g h h i n d e r i n g t h e g r a i n g r o w t h o f a l lo y a n d h o l d i n g t h e n u c l e a t i o n o f t h e r e v e r s e m a g n e t ic d o m a in s i n t h e s o f t m a g n e t i c p h a s e s . d u e t o t h e a d d it io n o f z r , t h e z r - r i c h p a rt i c l e s d i s tr i b u t i n g i n t h e g r a i n s a n d t h e z r - r i c h p h a s e s e n r i c h i n g o n t h e g r a i n b o u n d a r i e s s i g n i f i c a n t l y h i n d e r t h e g r o w i n g o f t h e m a g n e t i c p h a s e g r a in s a n d m a k e t h e m f i n e d t o in c r e a s e t h e b h , ;, a n d ( b h ) m . o n t h e o t h e r h a n d , t h e z r - r i c h p h a s e s b o l d t h e r e v e r s e d o m a i n s w a l l o f m a g n e t ic p h a s e s t o m o v e d u r i n g d e m a g n e t i z a t i o n , p r e v e n t t h e r e v e r s e d o m a i n s f r o m g r o w i n g a n d f a v o r t h e c o e r c iv i t y e n h a n c e m e n t o f m a g n e t s , a n d m a k e t h e i n t r i n s i c c o e r c i v i t y i n c r e a s e . h o w e v e r , e x c e e d i n g z r a d d i t i o n b e y o n d 1 a t % i n c r e a s e s t h e z r - r i c h p h a s e s c o n c e n t r a t i o n a n d t h i c k e n s th e l a y e r o f n o n m a g n e t i c z r - r i c h p h a s e s d e p o s i t i n g a t t h e g r a i n b o u n d a r i e s o f m a g n e t i c p h a s e s , w h i c h i s o l a t e o f f t h e g r a in s o f m a g n e t i c p h a s e s , r e s u l t in g i n t h e d e c r e a s i n g o f e x c h a n g e c o u p l i n g a m o n g g r a i n s a n d t h e r e m a n e n c e e n h a n c e m e n t . s o 1 % i s t h e b e s t z r c o n t e n t f o r ( n d o .2 p r o .8 ) l o .-i f e 8 l s -z c o 2 z r , b 6 a l l o y s t o g e t a n o p t i m u m m a g n e t i c p r o p e rt ie s . v 四川大学博士学位论文 t h e ( n d o .2 p r o s ) i o .s f e a o .5 c o 2 z r 1 b 6 a l l o y w i t h t h e f e a t u r e o f l o w e r r a r e e a rt h s c o n t e n t , l o w e r n d f r a c t i o n , l o w e r c o c o n t e n t , a n d l o w e r z r c o n t e n t h a s b e e n o b ta i n e d i n t h i s p a p e r . t h e a l lo y c o n s i s t s o f m a i n l y h a r d m a g n e t i c 2 : 1 4 : 1 p h a s e w i t h p a rt l y s o f t m a g n e t i c p h a s e o f a - f e . t h e m e a n g r a i n s i z e o f a l l o y o b s e r v e d b y t e m i s a b o u t 2 5 n m i n a n a r r o w r a n g e a n d t h e s h a p e o f g r a i n s i s r e g u l a r . t h e m a gne t s b o n d e d w i t h 3 . 2 5 w t % e p o x y h a v e a n e x c e l l e n t p r o p e rt i e s : b , = 0 . 6 6 2 t , h , ;= 6 1 6 k a / m , h e y = 4 1 0 k a / m , ( b h ) m = 7 4 k 7 / m 3 , h w/ h ;= 3 9 .9 % , w h ic h is p r a c t ic a b l e a n d h a s g r e a t e n g i n e e r i n g s i g n i f ic a n c e i n u t i l i z i n g p r i n t o p e r m a n e n t m a gne t i c ma t e r i a l s a n d r e d u c i n g t h e m a n u f a c t u r i n g c o s t o f p e r m a n e n t m a gne t s . k e y w o r d : n a n o cr y s t a l l i n e p e r m a n e n t m a gne t s ; r a r e e a rt h s c o n t e n t ; d o p a n t o f c o a n d z r ; p r e p a r i n g p r o c e s s ; mi c r o s t r u c t u r e ; m a gne t i c p r o p e rt i e s 四川大学博士学位论文 本论文创新之处 1 、运用经典金属学的固态相变非均匀形核理论，很好地解释了快淬态薄 带结晶 度对纳米晶 ( n d o s p r o .2 ) i o .5 f e r 7 .5 c o 5 z r 1 b 6 双相复合交换祸合永磁合金显 微组织结构和磁体磁性能影响规律。 由 非晶 态和晶 态组织混合组成的快淬态薄 带， 晶化退火过程中 新相的析出为非均匀形核， 微晶晶界造成新相的临界晶核 形成功降低，形核容易， 有利于提高合金的形核率， 可获得细小、 均匀的显微 组织结构，从而获得最佳磁性能。3 0 %是合金获得最佳磁性能的快淬结晶度。 结晶度过高， 形核率降低， 且原有的微晶的长大使显微组织结构不均匀; 结晶 度过低，新相析出形核以 均匀形核为主， 形核率较低， 显微组织结构较均匀， 但平均晶粒尺寸较大。 故结晶 度过高或过低， 均不利于磁体磁性能。 据此， 提 出了合金快淬和晶化退火过程中，显微组织结构演化的示意模型. 2 、根据双相交换祸合复合磁体的基本原理和特征，提出了完全祸合软磁 相体积分数计算示意模型。 计算出纳米晶双相复合交换祸合永磁合金中软磁相 的临界体积分数理论值为加%， 若软磁相的体积分数超过这一理论值， 则会 存在部分软磁相晶粒不被硬磁相完全祸合， 成为整个磁体反向 磁畴的核心。 这 一计算结果与实验得出的结果吻合较好。 实验研究发现， 1 0 % 是磁体磁性能发 生较大变化的临界稀土含量， 低于这一含量时， 磁体综合磁性能变得很差， 特 别是磁体的内察矫顽力非常低。 3 、 从合金显微组织结构角度， 解释了 随n d , p r 稀土混合金属d i 中p r 元 素比例分数增加磁体剩磁降低的现象。 合金中以p r 代n d ， 使非晶态的晶化转 变温度和转化能降低， 热力学稳定性变差， 快淬薄带退火时晶化转变及晶粒长 大易于进行， 从而使合金的显微组织结构较粗大和较不均匀。 粗大且不均匀显 微组织结构不利于交换祸合作用，使磁体剩磁下降。 4、根 据 合 金 中 z r元 素 的行为和 实验 优 化 研 究 ，发现 四川大学博十学位论文 ( n d o .2 p r o .s ) i o .5 f e s i . s - x c o 2 z r . b 6 合金z r 元素 最佳 添加量为1 % o z : 元素 对合 金 磁 性能的影响通过两个 “ 钉扎” 作用来实现。 富z r 粒子和晶界处的富z r 相对磁 性相晶粒的晶界移动产生“ 钉扎” 作用， 能非常有效地阻止磁性相的长大， 使 晶 粒 细 化， 从 而 提高 合 金的b , h ; 和 ( b h ) . 。 富 集 于 磁 性 相晶 界 的 富z r 相 在 磁体退磁时成为“ 钉扎” 畴壁移动的钉扎场中心，阻碍磁畴壁的移动， 从而提 高合金的内 察矫顽力h ; o z r 元素添加量过少， 钉扎作用不明 显; z r 元素添加 量过多，在晶界处的富集的非磁性富z r 相体积增加，厚度增大，在磁性相之 间产生隔离作用， 减弱了交换祸合而使合金剩磁下降。 并且， 采用示意物理模 型，描述了合金添加z r 元素微观结构和磁性能的演化过程。 5 、充分利用纳米晶交换祸合永磁材料结构敏感性强的特点， 通过系统的 合 金相 结构 和 显 微组 织演 化， 优 化出 了 成 分 为 ( n d o s p r o .s ) i o .s f e 8o s c o 2 z r i b 。 的 合 金。( n d o .2 p r o .s ) , o s f e s o .5 c o 2 z r 1 b 6合金具有 b , = 0 . 6 6 2 t , h , ;= 6 1 6 k a / m , h , b = 4 1 0 k a / m , ( b h ) m a x = 7 4 .o k j / m 3 , h k / h i= 3 9 .9 % 的良 好的 粘 结 磁 体 综 合 磁 性 能，其成分具有低混合稀土d i 含量、低n d 含量、低c o 和低z r 添加量的特 点。 既降低了永磁材料的原材料成本， 又能更好地综合平衡利用稀土资源， 具 有重要的工程意义。 四川大学博十 学位论文 第一章 绪论 永磁材料具有很高的内察矫顽力， 饱和磁化后能长期保持很强的磁性， 被 加工制造成功能器件， 广泛应用于现代工业、 科学技术及人民生活的许多领域. 永 磁 材 料主要 包括 铸造永 磁材 料、 铁 氧体 永 磁材料、 稀土 永磁材料 和其 它 永磁 材料等几大类，其中，以 钦铁硼 ( n d 2 f e t 4 b ) 为代表的稀土铁系永磁材料性能 最好，价格相对较低，发展最为迅速。 1 . 1 稀土铁系永磁材料的发展历程 稀土永磁材料是稀土金属元素与过渡族金属元素所组成的金属间化合物， 自 上世纪六十年代末稀土永磁材料问 世以 来， 随制备技术的发展和新品种的开 发， 稀土永磁材料的应用越来越广泛。 在稀土钥系元素中， 4 f 电子层可容纳较 多的7 对未成对电子， 组成晶体时4 f 电子层又被外层的5 s 和5 p 电子层所屏 蔽， 晶场对轨道磁矩的固定作用很弱， 轨道磁矩和自 旋磁矩同时对原子磁矩有 贡献。当轻稀土元素与过渡族元素结合形成化合物时，过渡族元素 3 d层原子 与稀土元素4 f 层原子的总磁矩平行，能得到更大的联合磁矩和更大的饱和磁 化强 度 门 。并且，这类化合物常常具有很高的磁晶各向异性， 有利于产生很高 的 矫顽力。因此，稀土永磁材料具有非常优异的磁性能。 作为第三代稀土永磁材料的稀土铁系永磁材料，或称铁基稀土永磁材料， 出现于上世纪八十年代初， 其典型代表是n d f e b 系三元合金， 它由主相n d , f eb 和少量富n d 相、富b 相组成，理论磁能积可达5 1 2 k j / m ，是目 前永磁材料中 磁性能 最高的一种， 被称为“ 永磁 之王” 。 1 9 8 3 年， 日 本住友特殊金属公司的m . s a g a w a 等人cz , 31 发现n d f e b 三元合金 具有非常高的磁性能， 用粉末冶金方法制备出了 剩磁b , 为1 . 2 3 t 、内察矫顽力 h ， 为9 6 0 k a / m ,磁感矫顽力h e 为8 8 0 k a / m 和最大磁能积( b h ) 。 为2 9 0 k j / m 的 磁 体， 其最大磁能积( b h ) 。 创下了当时最高 纪录。 与此同时， 美国的j . j . c r o a t 等人用熔体快淬方法制备出了磁能积为 1 4 m g o e ( - 1 1 2 k j / m ) 、内察矫顽力为 1 5 k o e 卜1 2 0 0 k a / m ) 的各向同性 n d f e b三元合金磁粉，美国通用汽车公司( g m ) 四川大学博士学位论文 也宣称以n d z f eb 相为基体的实用磁体开发成功。这些新的发现，标志着第三 代稀土永磁材料- - - - n d f e b 系永磁材料的诞生. 在诞生以来的二十年中， n d f e b 系稀土永磁材料的开发和应用突飞猛进。 化学组成的不断优化， 制备工艺技术与设备的不断改进， 使其磁性能不断提高。 日 本信洲大学通过严格控制磁体组成、 烧结条件最佳化和采用等静压压制新工 艺等手段， 成功地制备出了 最大磁能积( b h ) . 达到4 4 4 0/ m 的世界最高水平烧 结磁体，其最大磁能积占n d z f eb 理论值 5 1 2 0/ m 的8 6 % 。并且，日 本现己能 够批量生产烧结磁体的磁能积也达到了4 0 0 0/ m 。熔体快淬工艺制备的n d f e b 系各向同性磁粉，广泛地应用于粘结磁体生产，其实验研究的磁能积己达到 2 0 0 0/ m 。美国麦格昆磁公司批量生产的 m q 系列磁粉，( b h ) 。 达到了 1 1 0 - 1 3 0 0 / m 3 ， 一 直 处 于 世 界 领 先 地 位。 以n d f e b 系三元合金为代表的稀土铁系永磁材料， 具有非常优异的磁性能， 加工工艺相对简单， 制造成本相对较低， 使其在许多领域获得了大量应用，己 成为现代工业、 科学技术和人们日 常生活中不可缺少的磁性材料， 广泛应用于 磁力机械、 电 子工业、 仪表与家用电 器、 选矿、 磁疗健身器械等领域。 从1 9 8 3 年开发出来后， 其产量年增长率高达2 0 % - 3 0 % , 1 9 9 9 年世界烧结n d f e b磁体 的产量达到了1 3 0 0 0 吨， 总产值达1 2 亿美元。 2 0 0 0 年， 世界粘结n d f e b磁体 的产量达到了2 0 0 1 吨，预计 2 0 0 5 年这一数字将增加到 5 0 0 1) 吨。今后，随电 子计算机、电子通讯等设备的普及，以及汽车用微电机的高速发展，稀土铁系 永磁材料的应用前景更加广阔。 人们在开发利用第三代稀土永磁材料的同时， 并没有停止新一代永磁材料 的研究和发现。上世纪九十年代， 在金属间化合物中引入间隙原子，发展了间 隙型稀土永磁化合物s m 2 f e l 7 n 3 _ a , r e 3 ( f e m ) 2 9 n i . 。 等， 这也就是正在研究开发 的第四代稀土永磁。与此同时，人们又在原有的s m c o系和 n d f e b系永磁材 料的基础上发展起来了一类全新的稀土永磁材料一 双相纳米晶交换祸合复合 永磁材料【5 一 l(j 。它由 具有纳米级尺寸晶 粒的硬磁相和软磁相复合而成， 矫顽力 机制完全不同于前几类稀土永磁材料， 而是依赖于硬磁相和软磁相的交换祸合 作用。因此， 有人将它们称为下一代稀土永磁材料，并在世界范围内引起广泛 的关注与兴趣，人们初步研究t n d 2 f e l 4 b / n - f e . n d 2 f e l 4 b / a - f e + f e 3 b . 四川大学博士学位论文 s m 2