Dy35Fe65晶界扩散处理后的(Ce, Nd)-Fe-B烧结磁体的微观结构与磁性能

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Microstructure and magnetic properties of Dy35Fe65 grain-boundary-diffusion processed (Ce, Nd)-Fe-B sintered magnets

晶界扩散处理Dy35Fe65合金显著提升Ce基永磁材料的矫顽力、剩磁和最大磁能积，优化温度为880℃，形成RE Dy?Fe??B壳层并遵循溶解-凝固机制。

　　

胡睿|李安华|冯海波|王子健|李伟

中国钢铁研究总院功能材料研究所，北京100081

摘要

本文研究了基于Ce的磁体在晶界扩散（GBD）后微观结构和磁性能的变化。实验中，使用Dy??Fe??合金（Dy与Fe的配比为接近1:2）作为扩散源，以掺杂超过30% Ce的（Ce, Nd）-Fe-B烧结磁体作为起始材料。研究发现，Dy??Fe??的扩散有效提高了基于Ce的磁体的矫顽力。在880℃下扩散处理后，磁体达到了最佳的磁性能：矫顽力从11.09 kOe增加到14.29 kOe，剩磁（B_r）从13.06 kG略微增加到13.10 kG，最大能量积（((BH)_max）从39.91 MGOe显著提升至41.12 MGOe。经过最佳扩散工艺处理的Dy??Fe??基磁体的矫顽力与相应的Dy扩散磁体相当。值得注意的是，Dy??Fe??的GBD不仅增强了H_cj，还提高了B_r和(BH)_max。在经过Dy??Fe??扩散处理的基于Ce的磁体主相晶粒外形成了富Dy的(RE, Dy)?Fe??B壳层，其形成机制似乎遵循溶解-凝固机制。

引言

近年来，稀土永磁材料的快速发展加速了Nd、Pr、Dy、Tb等稀土资源的消耗，而储量丰富的Ce和La则大量积累。因此，研究人员对（Ce, Nd）-Fe-B磁体进行了广泛研究[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，尽管Ce?Fe??B的固有磁性能远低于Nd?Fe??B[16]。但由于矫顽力较低，（Ce, Nd）-Fe-B磁体的高温应用受到限制。为了提高Nd-Fe-B磁体的矫顽力和热稳定性，人们广泛采用了重稀土（HRE）晶界扩散（GBD）技术[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。相比之下，（Ce, Nd）-Fe-B烧结磁体的晶界扩散研究仍相对较少[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。先前的研究也表明，晶界扩散过程会显著提高R-Fe-B磁体的矫顽力，但同时会导致剩磁降低；通常，使用HRE Dy/Tb扩散的磁体剩磁会减少0.2–0.3 kG[36]、[37]、[38]、[39]，而使用HRE合金扩散的磁体剩磁会减少0.5 kG或更多[40]、[50]。

基于Ce的磁体中通常存在特征性的REFe?晶界相，其性质与Nd-Fe-B磁体中的富Nd相有显著差异。例如，REFe?相的熔点较高，在三相晶界处容易聚集，这对晶界扩散通道的形成有负面影响。因此，（Ce, Nd）-Fe-B烧结磁体的晶界扩散性能通常低于烧结Nd-Fe-B磁体[31]。研究发现，随着Ce含量的增加，（Ce, Nd）-Fe-B磁体经过GBD后的矫顽力增益（ΔH_cj）会降低[49]、[50]。一些研究者认为，在GBD过程中HRE元素倾向于通过形成（HRE, Ce）Fe?相而被消耗，因此基于Pr/Nd的低熔点合金可能是经济可行的基于Ce的磁体的理想扩散源[46]、[47]。关于HRE是否主要进入REFe?相从而影响具有高各向异性场（H_A）的(Nd,HRE)₂Fe₁₄B壳层的形成，这一观点仍存在争议[49]。

早期认为，HRE的晶界扩散机制是通过原子替代实现的：HRE元素通过晶界扩散并在主相晶粒外形成(Nd, HRE)₂Fe₁₄B相；同时，(Nd, HRE)₂Fe₁₄B相中Nd的排斥作用导致晶界相变厚。增厚的富Nd晶界相有助于改善主相晶粒间的磁隔离。因此，具有较高H_A的(Nd,HRE)₂Fe₁₄B壳层和增厚的富Nd相都应有助于提高矫顽力[37]。后来有研究提出，(Nd, HRE)₂Fe₁₄壳层是在从GBD温度冷却过程中通过液相凝固形成的[41]。2020年，化学诱导的液膜迁移（CILFM）理论被引入，用以解释出现的非常厚的(1–4 μm) (Nd, HRE)₂Fe₁₄B壳层[42]。然而，CILFM仍是一种现象学描述，尚未与潜在的微观机制联系起来。

鉴于(Nd,HRE)?Fe??B壳层是在晶间液相凝固过程中形成的，向扩散源中添加Fe应有助于形成(Nd, HRE)₂Fe₁₄壳层，并降低扩散源的成本。本实验使用Dy??Fe??合金作为扩散源，以掺杂超过30% Ce的(Ce, Nd)-Fe-B烧结磁体作为起始材料，系统研究了这种磁体在Dy??Fe??合金作用下晶界扩散后的微观结构和磁性能变化。

实验部分

实验

实验使用的起始材料为商业化的(Ce, Nd)-Fe-B烧结磁体，其名义组成为Ce??.?(Pr?.??Nd?.??)??.??Fe_balB?.??M?.?（wt%；M = Co + Al + Cu + Nb + Ti）。将磁体块切割成直径10 mm、高度5 mm的圆柱体（轴线平行于c方向），然后用砂纸打磨。Dy??Fe??（按百分比计）扩散源合金是在氩气氛围下通过非消耗性电弧熔炼制备的。将合金粉碎成约1 cm3的颗粒。

结果与讨论

图1显示了原始基于Ce的磁体以及在880℃下经过Dy??Fe??扩散处理的最佳磁体在室温下的退磁曲线和磁性能，同时也给出了最佳扩散处理的Dy磁体的退磁曲线以供参考。结果表明，Dy??Fe??扩散磁体的矫顽力（H_cj）得到了显著提高，从11.09 kOe增加到14.29 kOe，同时剩磁（B

结论

研究了经过Dy??Fe??晶界扩散处理的(Ce, Nd)-Fe-B烧结磁体的微观结构和磁性能变化。发现，在使用Dy??Fe??扩散的磁体中形成了(RE, Dy)₂Fe₁₄B壳层。Dy??Fe??扩散源（Dy与Fe的配比为接近1:2）并未在晶界处形成封闭的1:2相，而是在扩散温度下与现有晶界发生了相互作用。

新颖性声明

重稀土（HRE）晶界扩散（GBD）已被广泛用于提高Nd-Fe-B磁体的矫顽力和热稳定性。然而，（Ce, Nd）-Fe-B烧结磁体的晶界扩散研究仍相对较少。基于Ce的磁体中通常存在特征性的REFe?晶界相，其性质与Nd-Fe-B磁体中的富Nd相有显著差异。

一些研究者认为，在GBD过程中HRE元素倾向于通过形成(HRE, Ce)Fe?相而被消耗。

作者贡献声明

胡睿：撰写初稿、实验研究、数据分析。李安华：审稿与编辑、项目管理、方法论设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构思。冯海波：方法论设计、数据分析。王子健：数据分析。李伟：项目管理、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

伦理声明

本研究未涉及人类或动物实验，因此无需伦理审批。研究方案符合期刊规定的伦理标准。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（先进材料领域）（项目编号：2024ZD0605800）和四川省2025年地方科技发展引导基金的支持。