无需缓慢冷却即可制备高矫磁力的Sm2Co17型烧结磁体的方法：采用磁场热处理

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Preparation of high coercivity Sm2Co17-type sintered magnets without slow cooling: by magnetic field heat treatment

　　

朱晓宇|张志宏|李军|于能军

四川大学材料科学与工程学院，成都610065，中国

摘要

Sm₂Co₁₇型烧结磁体因其优异的磁性能和强大的热稳定性而备受关注。在本次研究中，系统地探讨了Sm₂Co₁₇型烧结磁体在磁场热处理并经过缓慢冷却后其磁性能、微观结构以及磁畴特性的变化。研究结果表明，磁场热处理有助于形成蜂窝状微观结构，并促进了等温老化过程中铁磁元素Fe在晶胞相中的富集。因此，反磁元素Cu在晶胞边界相中的含量增加，增强了晶胞壁相的成分梯度。这些因素使得磁体的磁畴结构变小，矫顽力提高。本研究为缩短Sm₂Co₁₇型磁体的制备时间并改善其磁性能提供了一种新方法。

引言

Sm₂Co₁₇型烧结永磁材料因其优异的高温磁性能和低温度系数而备受青睐[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]。这些磁体的磁性能源自其特殊的蜂窝状结构和元素分布，包括1:5H晶胞边界相、2:17R晶胞相以及1:3R层状相[9],[10],[11]。为了获得良好的蜂窝结构与元素分布，这些磁体通常通过粉末冶金工艺制备，该工艺包括烧结、固溶处理、等温老化和缓慢冷却等多个步骤，整个过程通常耗时较长（超过20小时）[12]。

在热处理过程中，缓慢冷却（从等温老化温度冷却至约400℃）是一个关键步骤。一般认为，在此阶段蜂窝结构不会发生显著变化，但元素会逐渐分离，从而导致Cu在晶胞边界相中的富集，从而显著提高磁体的内在矫顽力（H_cj[13],[14]。先前的研究[15]表明，经过缓慢冷却后，磁体的H_cj可从低于1 kOe提高到超过10 kOe。然而，缓慢冷却过程通常需要较长时间（约10小时），这也会增加磁体制备的成本。

本文发现，无需经过缓慢冷却，通过磁场热处理（MFHT）即可显著提高磁体的H_cj。完整的蜂窝结构以及Cu和Fe在晶胞边界相中的清晰梯度分布是实现这一优化的原因，为缩短热处理时间并改善Sm₂Co₁₇型磁体的磁性能提供了途径。

章节摘录

Sm₂Co₁₇型烧结磁体采用传统的粉末冶金工艺制备。使用感应熔炼炉制备了化学组成为Sm(Co_balFe_0.18Cu_0.08Zr_0.03)_7.3的合金锭，并添加了3.0 wt%的Sm以补偿蒸发损失。随后将合金锭用喷射磨机粉碎成磁粉，在2.00 T磁场和200 MPa的压力下进行冷等静压成型。得到的生坯在1473–1493 K的温度下烧结1–3小时。

固溶处理（OSHT）和磁场热处理（MFHT）后的磁体退磁曲线及磁性能变化如图1(a–e)所示，相关数据详见表1。在没有外加磁场的情况下，随着老化时间从1小时延长至5小时，剩磁（B_r）先从1.01 T增加到1.08 T，随后又降至1.05 T。同时，最大能量积((BH)_max)从42.4 kJ/m³稳步增加到160.7 kJ/m³。

总结来说，本研究通过磁场热处理（MFHT，无需缓慢冷却）制备出了室温下矫顽力为907.2 kA/m的磁体。研究发现，MFHT有效地促进了1:7H相分解为2:17R相和1:5H相，从而促进了蜂窝结构的完整形成。此外，磁场热处理加速了铁磁元素Fe在晶胞相中的富集，进而提高了磁体的矫顽力。

朱晓宇：撰写初稿。张志宏：数据可视化。李军：撰写、审稿与编辑、项目监督及资金申请。于能军：撰写、审稿与编辑。

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

本研究得到了浙江省“凌雁”关键研发计划（项目编号：2024C01189）、国家重点研发计划青年科学家项目（项目编号：2021YFB3501600）、盘西试验区第五批重大研发项目“高性能稀土钴永磁材料的关键技术与产业化”（项目编号：2021dfky005）以及国家自然科学基金面上项目的支持。