HDDR法制備Sm-,2-（Fe，M）-,17-Nx中的結(jié)構(gòu)演變及其對(duì)磁性能影響.pdf

1、Sm<,2>Fe<,17>Nx型化合物自問(wèn)世以來(lái)，因其具有居里溫度、磁晶各向異性場(chǎng)高，熱穩(wěn)定性、抗氧化性和耐腐蝕性能好，磁性能與Nd<,2>Fe<,14>B系稀土永磁相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，而成為下一代稀土永磁材料最具有實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)者，是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。本文采用氫化-歧化-脫氫-再化合(HDDR)的方法制備出了各向同性的Sm<,2>Fe<,17>N<,x>稀土永磁材料，并通過(guò)XRD、SEM、EDX、TEM、HRTEM、 Rietveled、D

2、TA/TG，VSM等分析方法系統(tǒng)地研究了SmFe合金在凝固、熱處理、HDDR和氮化過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和相組成演變的規(guī)律及其對(duì)Sm<,2>Fe<,17>N<,x>永磁性能的影響規(guī)律與機(jī)理，取得了以下創(chuàng)新性成果及新進(jìn)展： (1)比較系統(tǒng)地研究了Sm-Fe合金凝固和熱處理過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和相組成的演變規(guī)律及機(jī)理，開(kāi)發(fā)了以Sm-Fe合金熔煉中的滯后加釤技術(shù)以及提高Sm-Fe熔體凝固速度的薄板鑄錠工藝為核心的單一Sm<,2>Fe<,17>合金制

3、備新技術(shù)，解決了國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)Sm<,2>Fe<,17>相合金中存在的稀土釤容易揮發(fā)，難以獲得成分均勻、相組成單一的Sm<,2>Fe<,17>母合金的共性難題，為工業(yè)化生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)； (2)系統(tǒng)研究了Sm-Fe合金氫化.歧化.脫氫.再化合(HDDR)過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)、相組成的演變規(guī)律和晶粒細(xì)化機(jī)理，研究表明：Sm2Fe<,17>合金約200℃時(shí)就大量吸氫生成Sm<,2>Fe<,17>H<,x>相，同時(shí)伴隨著大量的微觀裂紋，約3

4、50℃時(shí)吸氫逐漸完成，當(dāng)溫度高于500℃時(shí)，合金再次吸氫，在相同條件下裂紋附近的合金優(yōu)先歧化，600℃歧化后的SmFe合金最終以納米晶SmHx相和納米晶α-Fe相交替出現(xiàn)的雙相的層狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，750℃時(shí)這種交替的片狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生"瑞利失穩(wěn)"現(xiàn)象向各向同性的球狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，隨著溫度的繼續(xù)升高合金的晶粒發(fā)生長(zhǎng)大；Sm-Fe合金的脫氫-再化合過(guò)程是通過(guò)同時(shí)升高溫度和降低氫氣壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)近程擴(kuò)散和相變、晶界形核的過(guò)程，700℃合金的再化合過(guò)

5、程開(kāi)始，其過(guò)程是由SmH<,x>解析的高活性的Sm原子與基體相α-Fe原子之間互擴(kuò)散，在SmHx和α-Fe相晶界形核，同時(shí)因擴(kuò)散的不均勻性，合金中會(huì)伴隨著少量富釤相的出現(xiàn)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)其經(jīng)歷著SmFe<,2>相到SmFe<,3>的變化，再化合形成的新相并非是Th<,2>Zn<,17>結(jié)構(gòu)的Sm<,2>Fe<,17>，而是TbCu<,7>結(jié)構(gòu)的Sm<,10>Fe<,90>亞穩(wěn)相，750℃保溫15分鐘后亞穩(wěn)定相Sm<,10>Fe<,9

6、0>開(kāi)始向穩(wěn)定相Sm<,2>Fe<,17>轉(zhuǎn)變，保溫30分鐘后除Sm的氧化相外，其它雜相幾乎消失，再化合轉(zhuǎn)變完成，保溫1h后絕大部分的亞穩(wěn)定相Sm<,10>Fe<,90>轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的Sm<,2>Fe<,17>相，合金晶粒大小約150nm左右；隨著溫度升高到800℃，亞穩(wěn)定相Sm<,10>Fe<,90>向穩(wěn)定的Sm<,2>Fe<,17>相轉(zhuǎn)變更趨完全，但由于Sm的揮發(fā)和氧化加劇，雜相的含量會(huì)略有增加，合金晶粒長(zhǎng)大；在HDDR過(guò)程中，H對(duì)合

7、金晶粒細(xì)化起著重要作用，一方面通過(guò)與Sm-Fe合金的歧化反應(yīng)大幅降低合金的晶粒大小，改變合金微觀形貌(相界面)，為再化合過(guò)程中Sm原子和Fe原子相互擴(kuò)散形成Sm<,2>Fe<,17>相提供更多的形核位置，提高Sm<,2>Fe<,17>相形核率I，細(xì)化其晶粒，另一方面利用降低氫壓來(lái)提高再化合的形核率而不改變晶粒長(zhǎng)大速度，抑制了晶粒的長(zhǎng)大，使得Sm-Fe合金晶粒大小從初始母合金的數(shù)百微米降低到一百納米左右； (3)率先將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

8、應(yīng)用到SmFeN稀土永磁材料的制備中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了氫化。歧化溫度、時(shí)間，脫氫-再化合溫度、時(shí)間對(duì)SmFeN稀土永磁材料磁性能影響的連續(xù)的數(shù)學(xué)模型和磁性能和工藝預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化出HDDR的工藝條件，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。 (4)系統(tǒng)研究了HDDR工藝后SmFe合金的氮化過(guò)程、氮化機(jī)理、分解機(jī)理以及N原子在Sm<,2>Fe<,17>合金晶胞中的原子占位、占位率等情況，研究表明：HDDR工藝后Sm-Fe合金在287.6℃時(shí)開(kāi)始吸

9、氮，342℃后合金快速氮化，之后急劇放熱，重量急劇增加，450℃到530℃是N在合金中擴(kuò)散過(guò)程，氮的進(jìn)入并不改變合金的結(jié)構(gòu)，隨著氮化溫度的升高，合金的晶格常數(shù)、單胞體積增大，氮含量不斷增加，490℃時(shí)達(dá)到峰值，雖然在氮化過(guò)程中伴隨著分解反應(yīng)的發(fā)生，但由于分解反應(yīng)涉及到原子的遷移，在低于490℃范圍內(nèi)合金氮化占主導(dǎo)地位，溫度高于510℃分解加劇，引起合金中氮解析，導(dǎo)致氮含量降低，非磁性或軟磁性相增多，氮化后合金的磁性能隨溫度的升高先增大后

10、減小，在490℃達(dá)到最大值；粒度對(duì)SmFe合金的氮化過(guò)程有重要的影響，未經(jīng)球磨的SmFe合金的顆粒粗大，在相同工藝條件下合金中氮含量最低，磁性能也最低，球磨10分鐘后合金顆粒大多分布在10um范圍內(nèi)，氮化后合金中氮含量最高，各項(xiàng)磁性能指標(biāo)達(dá)到峰值，隨后隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，合金粉末的粒度變細(xì)，氧化含量增加，在相同工藝條件下分解嚴(yán)重，雜相含量增多，磁性能降低；隨著氮?dú)獾膲毫Φ脑黾?，氮原子的活度提高，利于SmFe合金的氮化，同時(shí)增加氮?dú)獾姆謮?/p>

11、，能有效的抑制分解反應(yīng)的進(jìn)行，但受設(shè)備的限制，通常采用0.3Mpa氮?dú)鈮毫κ禽^為適宜；經(jīng)過(guò)HDDR過(guò)程的合金其表面得以凈化和活化了，同時(shí)伴隨著大量的微觀裂紋，增加了合金表面積，大大降低了SmFe合金氮化激活能，氮化過(guò)程中，表面和缺陷區(qū)域優(yōu)先吸氮，之后由合金表面向顆粒芯部擴(kuò)散，并且優(yōu)先占據(jù)Sm<,2>Fe<,17>合金的9e晶位，4h后N在Sm<,2>Fe<,17>合金的9e晶位占位率達(dá)到99％，合金中氮含量達(dá)到了很高的水平，同時(shí)合金中主

12、相的含量達(dá)到了97.9％wt，成功制備出了N含量高、分布均勻，相組成單一Sm<,2>Fe<,17>Nx稀土永磁粉末，同2.5％wt的粘結(jié)劑混合制備出了剩磁Br=0.67T，內(nèi)稟矯頑力Hcj=1415kA/m，最大磁能積(BH)max=73.7kJ/m<'3>的Sm<,2>Fe<,17>Nx粘結(jié)稀土永磁體，在此基礎(chǔ)成功地進(jìn)行了公斤級(jí)的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。 (5)率先系統(tǒng)研究了W、Nb等微量合金元素的添加SmFe合金鑄錠以及HDDR、氮化過(guò)程