Повышение коэрцитивной силы La/Ce-богатых RE-Fe-B магнитов путем совместного легирования Dy₂O₃ и Ca

Аннотация

Редкоземельные RE-Fe-B постоянные магниты, богатые La и Ce, традиционно страдают от низкой коэрцитивной силы, ограничивая их коммерческую привлекательность, несмотря на преимущества в стоимости и доступности La и Ce. В этом исследовании мы использовали промышленный сплав (RE₁₀₀ = La₃₀.₆Ce₅₀.₂Pr₆.₄Nd₁₂.₈) и изготовили RE-Fe-B магниты методом высокоэнергетического шарового фрезерования с последующим вакуумным отжигом. Совместное легирование 7 м.% Dy₂O₃ и 2,3 м.% Ca дало драматическое увеличение коэрцитивной силы с 2,44 кОе до 11,43 кОе. Рентгеновская дифракция и ТЭМ показывают, что атомы Dy встроены в решетку RE₂Fe₁₄B, повышая магнитокристаллическую анизотропию, в то время как Ca восстанавливает Dy₂O₃, способствуя образованию Dy-богатых нанокристаллов, препятствующих движению доменных стенок. Эти синергетические эффекты обеспечивают превосходные магнитные свойства при использовании доступных редкоземельных элементов.

Введение

La и Ce привлекательны для производства постоянных магнитов благодаря своей доступности и низкой стоимости, однако их сниженная магнитокристаллическая анизотропия в La₂Fe₁₄B и Ce₂Fe₁₄B ухудшает характеристики. Обширные исследования фокусируются на замещении Nd на La/Ce в Nd-Fe-B магнитах и оптимизации микроструктуры для компенсации потерь. Тяжелые редкоземельные элементы, такие как Dy или Tb, хорошо известны как усилители коэрцитивной силы и термической стабильности; однако их высокая стоимость может нивелировать выгоды от использования La/Ce. Дешевые оксиды Dy и Tb в сочетании с восстановителем предлагают жизнеспособную альтернативу. Ca проявил себя как эффективный восстановитель в Ca-редукционно-диффузионном процессе, позволяя превращать оксиды редкоземельных элементов в активные легирующие компоненты при механическом фрезеровании и последующем отжиге.

Методы

Мы дуговыми плавлением сплавили промышленный RE-сплав (RE₁₀₀ = La₃₀.₆Ce₅₀.₂Pr₆.₄Nd₁₂.₈, 99,5 м.%) вместе с Fe (99,9 м.%) и Fe-B сплавом (RE₁₃.₆Fe₇₈.₄B₈, 99,5 м.%) для получения номинального состава RE₁₃.₆Fe₇₈.₄B₈. Шпильку размолили и фрезеровали в аргонатом наполненном перчаточном боксе стальными шарами (12 мм) при 700 об/мин в течение 5 ч. Легирующие добавки вносили перед фрезерованием: 2,3 м.% Ca (образец MC), 3 м.% Dy₂O₃ (M3D), 7 м.% Dy₂O₃ (M7D) и комбинация 7 м.% Dy₂O₃ + 2,3 м.% Ca (M7DC). Также подготовили эталонный образец без легирования (RM). Послефрезеровка отжиг проводили при 620–780 °C в течение 10 мин в высоком вакууме (<1,3 × 10⁻³ Па). Фазовый анализ выполняли Cu-Kα рентгеновской дифракцией (λ = 0,15406 нм). Магнитную гистерезис измеряли при комнатной температуре на LakeShore 7404 VSM; образцы пресовали в цилиндры 2 мм × 4 мм и корректировали на демагнитизацию (фактор 0,28). Температурно-зависимую намагниченность (300–700 К) и микроструктуру характеризовали на PPMS и JEM-2100F ТЭМ соответственно.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1 показывает, что все отожженные образцы преимущественно содержат фазу RE₂Fe₁₄B. Детальный XRD-анализ выявляет сужение решетки при легировании Dy₂O₃ и сужение обеих осей a и c при совместном легировании, указывая на встроение Dy в решетку 2:14:1. Ca в одиночку вызывает умеренное сжатие ячейки, предполагая частичную замещность RE-позиций. Общее уменьшение объема в совместнолегированном образце превышает сумму индивидуальных эффектов, подтверждая роль Ca в продвижении встроения Dy.

Кривые намагниченности от температуры (рис. 2) демонстрируют умеренный рост температуры Кюри с 551,5 К (RM) до 564,5 К (Ca-легированный) и 566,1 К (совместнолегированный), согласуясь с встроением Dy и Ca. Измерения коэрцитивной силы (рис. 3) иллюстрируют выраженное улучшение: M7D достигает 7,65 кОе, в то время как M7DC достигает 11,43 кОе — увеличение на 9,1 кОе относительно RM. Совместнолегированный образец показывает двойной механизм обращения — нуклеации и зажима доменных стенок, что видно из начальной кривой намагниченности.

Микроструктурное исследование (рис. 5 и 6) раскрывает нанокристаллическую матрицу с крупными Dy/Ca-богатыми зернами. Энергодисперсионная спектроскопия подтверждает высокие концентрации Dy в этих зернах, служащих эффективными центрами зажима благодаря их высокой анизотропии. Ca-драйвленное восстановление Dy₂O₃ усиливает диффузию Dy при отжиге, способствуя формированию этих выгодных микроструктурных особенностей.

Заключение

Совместное легирование La/Ce-богатых RE-Fe-B магнитов Dy₂O₃ и Ca драматически повышает коэрцитивную силу с 2,44 кОе до 11,43 кОе. Ca способствует встроению Dy в решетку RE₂Fe₁₄B через восстановительную реакцию, образуя нанокристаллическую структуру с Dy-богатыми зернами, препятствующими движению доменных стенок. Этот подход предлагает стоимость-эффективный путь к высокопроизводительным постоянным магнитам, доминирующим доступными редкоземелями.