高效筛选扩散源以提高烧结Nd-Fe-B磁体的矫顽力和电阻率

本研究通过晶界扩散（GBD）处理不同Pr/Dy/M配比的扩散源，探究其对铸带（SC）薄片及烧结磁体的磁性能和电导率影响。实验表明，Pr50Dy20Al20Cu10可使薄片矫顽力从113.6提升至740.8 kA/m，磁体达1636 kA/m；Pr50Dy20Al10Cu10Ga10使薄片电阻率增至170.23 μΩ·cm，磁体沿易轴达189.53 μΩ·cm。研究揭示了GBD对磁性能和电导率的协同优化机制，为高效筛选扩散源提供新方法。

　　

陈东阳|康梦萍|江青正|李晓宇|江永林|高新强|黄青芳

江西科技学院磁性金属材料与器件重点实验室及稀土学院，中国赣州341000

摘要

通过重稀土（HRE）晶界扩散（GBD）处理来协同增强Nd-Fe-B磁体的磁性能和电阻率，对于确保电动机在高温运行时的热稳定性至关重要。扩散源的组成显著影响扩散效果，并且需要与基底材料兼容。合理设计与目标磁体最佳兼容的扩散源仍然是当前研究中的一个重要挑战。通过对烧结Nd-Fe-B磁体进行GBD实验来筛选合适的扩散源存在处理周期长和试验成本高的缺点。Nd-Fe-B带铸（SC）片的相组成和微观结构往往会传递给最终的烧结磁体，这些与最终磁体的磁性能和微观结构密切相关。本文研究了Pr_xDy_70?xM₃₀（M = Al, Cu, Ga）扩散源对具有相同组成的SC片和烧结磁体的磁性能和电阻率的影响，并讨论了其背后的机制。结果表明，Pr₅₀Dy₂₀Al₂₀Cu₁₀扩散在提高SC片的矫顽力（H_cj）方面最为有效，而Pr₅₀Dy₂₀Al₁₀Cu₁₀Ga₁₀扩散在提高电阻率方面效果最佳。经过Pr₅₀Dy₂₀Al₂₀Cu₁₀扩散处理的SC片的矫顽力从113.6 kA/m显著提高到740.8 kA/m，而烧结磁体的矫顽力从1203.2 kA/m提高到1636 kA/m。这种显著的增强归因于优化的晶界相（GBP）以及围绕主相颗粒形成的富Dy的硬磁壳。Pr₅₀Dy₂₀Al₁₀Cu₁₀Ga₁₀扩散还使SC片的电阻率从149.07 μΩ·cm提高到170.23 μΩ·cm。对于磁体，沿易磁化轴的电阻率从162.41 μΩ·cm提高到189.53 μΩ·cm，而沿难磁化轴的电阻率从137.43 μΩ·cm提高到160.48 μΩ·cm。结果表明，对于具有相同组成的SC片和磁体，合金GBD在磁性能和电阻率方面表现出一致的趋势。本研究探讨了扩散SC片的微观结构、磁性能和电阻率之间的相互关系，为高效筛选Nd-Fe-B磁体的匹配扩散源提供了实际探索。

引言

由于其优异的综合性磁性能[1]、[2]、[3]、[4]，烧结Nd-Fe-B磁体已广泛应用于新能源汽车的牵引电机和风力涡轮机等新能源领域。然而，烧结Nd-Fe-B磁体具有较低的居里温度（T_C）、较差的热稳定性和较低的电阻率。当用于稀土永磁电机时，这些限制会导致显著的涡流损耗，从而引起磁体温度升高。这会导致磁体磁性能急剧下降，并可能引发热退磁，从而影响永磁电机在高温下的运行可靠性。目前，解决这一问题的常见方法是提高磁体的高温矫顽力，以确保其在高温下的稳定运行。

在Nd-Fe-B熔炼过程中添加重稀土（HRE）金属可以显著提高矫顽力，但这会导致剩磁和最大磁能积的显著降低，从而限制了Nd-Fe-B磁体的应用[5]、[6]、[7]、[8]。晶界扩散（GBD）方法被证明是提高Nd-Fe-B磁体矫顽力的有效方法。该技术主要涉及用扩散源（如HRE金属、化合物或合金）涂覆磁体表面，然后进行适当的热处理，使扩散源渗透到磁体内部，形成典型的核壳结构，从而增强磁体的磁性能[9]、[10]、[11]。Tb₂Fe₁₄B和Dy₂Fe₁₄B的各向异性场（H_A）分别为17600 kA/m和12000 kA/m，远高于Nd₂Fe₁₄B的6000 kA/m。因此，GBD技术使Tb/Dy元素主要分布在主相颗粒的外延层中，有效提高了磁体的矫顽力，同时仅导致剩磁的轻微降低[12]、[13]、[14]、[15]。

近年来，许多学者对GBD技术进行了深入研究。例如，Du等人[16]使用Tb和Tb₇₀Fe₃₀对烧结Nd-Fe-B磁体进行了GBD处理。由于在扩散磁体中形成了具有高H_A的(Nd, Tb)₂Fe₁₄B壳层，矫顽力得到了显著提高。Huang等人[17]采用真空蒸发沉积对烧结Nd-Fe-B磁体进行了GBD处理，仅添加0.167 wt%的Dy，就使矫顽力提高了28%。Yang等人[18]使用DyF₃对烧结Nd-Fe-B磁体进行了晶界扩散处理，矫顽率从1236 kA/m显著提高到1500 kA/m。此外，含有轻稀土元素（Nd, Pr）或非稀土元素（Al, Cu, Ga）的扩散源可以优化烧结Nd-Fe-B磁体的扩散过程，有效改善其磁性能[19]。Chang等人的工作[20]通过Dy和Al的共扩散提高了GBP的润湿性，使得Dy的扩散深度超过1500 μm，是纯Dy扩散磁体的三倍。同时，Dy在更深区域的分布更加均匀。

涡流损耗与磁体的电阻率成反比。因此，提高Nd-Fe-B磁体的电阻率可以有效减少涡流损耗并降低磁体的温升[21]、[22]、[23]。部分研究报告指出，掺杂高熔点元素（如Zr、Cr和Si）可以提高电阻率，但添加非磁性材料可能导致磁稀释效应[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。Ruoho等人[29]对稀土永磁体的电阻率进行了详细研究。磁化样品与未磁化样品之间的电阻率差异约为0.1%，表明磁化对Nd-Fe-B磁体的电阻率没有显著影响。此外，Nd-Fe-B磁体沿易磁化轴的电阻率大约比沿难磁化轴的高出18%，显示出明显的各向异性。NdFeB磁体的电阻率各向异性与其内在晶体结构、电子结构和磁有序状态有关。在基本物理层面上，四方晶格的结构各向异性导致电子能带结构和有效质量的各向异性，从而沿c轴方向的电子传输特性与垂直于c轴的方向不同。根据电流方向与自发磁化方向之间的角度，传导电子与局域磁矩之间的交换散射强度不同，表现为电阻率的各向异性。此外，烧结NdFeB磁体具有高度的晶体取向，使得这种内在的微观各向异性能够在整体磁体性能中得到有效体现。将1 wt%的ZrN掺入热变形磁体中破坏了Nd-Fe-B磁体的原始晶格周期性，增强了电子散射并形成了屏障层，从而使电阻率提高到250 μΩ·cm。然而，ZrN在磁体中的严重聚集会导致磁性能下降[30]。此外，使用SiO₂包覆的Nd-Fe-B粉末通过热压和热变形制备出了电阻率高达280 μΩ·cm的磁体[31]。Liu等人[32]通过掺入DyN同时提高了Nd-Fe-B磁体的矫顽力和电阻率。矫顽力的提高归因于Dy向主相的扩散，而电阻率的增加主要是由于N溶解到晶界相（GBPs）中并形成了非晶GBPs。在Ce_8.5La₃₄Tb_27.5Cu₃₀扩散磁体中，Ce优先与晶界处的氧结合，形成了高电阻率的稀土氧化物，从而提高了电阻率。在扩散源中部分替换Ce为La可以减少富Ce颗粒的形成，并促进Tb的扩散，从而提高矫顽力[33]。

在晶界扩散过程中，扩散源的组成显著影响扩散效率，扩散源的组成与基底基体之间存在关键的匹配关系。为了确定与基底基体匹配的扩散源，传统做法是在基底上进行不同扩散源的扩散实验，然后根据扩散后磁体的磁性能选择最优的扩散源。然而，漫长的处理周期和高成本阻碍了扩散源的高效和精确选择。带铸（SC）片的相组成和微观结构往往会传递给最终的烧结磁体，这些与最终磁体的磁性能和微观结构密切相关。SC片厚度极小（在微米级别），使得扩散源能够在短时间内快速渗透到SC片内部。本研究系统评估了不同扩散源对SC片和磁体磁性能和电阻率的影响，旨在通过使用SC片作为加速测试基底来开发高效的扩散源筛选方法，以快速确定适用于整体磁体的最优扩散源。首先，使用不同组成的HRE合金对SC片进行了GBD处理。通过比较扩散后SC片的磁性能、电阻率和微观结构，筛选出了三种类型的HRE合金。然后，将选定的扩散源应用于与SC片具有相同名义组成的磁体上进行GBD处理，以研究HRE合金扩散对SC片和整体磁体磁性能和电阻率的影响趋势。进一步分析了扩散后的SC片和磁体的微观结构、磁性能和电阻率之间的相关性。

实验部分

实验

SC片和磁体的名义组成为Nd_23.32Pr_6.63Fe_balB_0.98Cu_0.1Al_0.18Co_0.49Ga_0.1Zr_0.17（wt%）。扩散源的组成为Pr_xDy_70?xM₃₀（M= Al, Cu, Ga，x = 35, 50，wt%）。Pr_xDy_70?xM₃₀合金在氩气氛围中通过电弧熔炼制备。合金条带在铜辊速度为35 m/s的条件下通过高真空旋压淬火系统制备。然后将合金条带研磨成粒径约为75 μm的粉末。

结果与讨论

图1(a)和(b)显示了扩散后的SC片和磁体的室温退磁曲线。扩散后，SC片的矫顽力显著提高。其中，Pr₅₀Dy₂₀Al₂₀Cu₁₀扩散对SC片的磁性能提升最为显著，矫顽力从113.6 kA/m显著提高到740.8 kA/m。相比之下，Pr₃₅Dy₃₅Al₁₀Ga₂₀扩散的SC片矫顽力最低，H_cj仅为472 kA/m。

结论

本研究系统研究了Pr_xDy_70?xM₃₀（M= Al, Cu, Ga，x = 35, 50，wt%）合金中的GBD对SC片和磁体的磁性能、电阻率和微观结构的影响机制。研究了具有相同名义组成的SC片和磁体在GBD处理后的影响趋势。Pr₅₀Dy₂₀Al₂₀Cu₁₀扩散的SC片和磁体的矫顽力分别达到了740.8 kA/m和1636 kA/m。Al的扩散动力学更快

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究还得到了江西科技学院的青江优秀青年人才计划（JXUSTQJYX2020003）的支持。