超导磁体在NdFeB 永磁材料制备技术中应用研究*
黄 晖,王 晖,宋守森,戴银明,雷沅忠,赵保志,
余运佳,王秋良,严陆光
(中国科学院电工研究所 应用超导研究部,北京 100080)
* 基金项目:自然科学基金资助项目(50307014);国家863计划资助项目(2002AA306311)
收稿日期:2004-03-01 通讯作者:黄 晖 作者简介:黄 晖(1970-),男,广东普宁人,副研究员,中国科学院电工研究所应用超导研究部,主要研究方面:超导磁体和
强磁场条件下亲材料研究。E-mail: huihuang@https://www.doczj.com/doc/cf1871128.html,, Tel: 010-********
摘 要:概述了超导磁体技术的研究进展,分析了超导磁体在NdFeB 永磁材料制备过程中的应用前景,重点讨论了超导磁体在烧结NdFeB 磁体、NdFeB 铸锭组织、HDDR (氢化-歧化)工艺制备NdFeB 纳米晶粉末等领域的具体应用情况。
关键词:超导磁体;NdFeB 永磁材料;烧结磁体;铸
锭;HDDR 磁粉。
中图分类号:TM2;O44 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2004)增刊
1 引 言
NdFeB 永磁材料的磁性能主要来源于具有四方结构的Nd 2Fe 14B 相,Nd 2Fe 14B 相c 轴为易磁化轴,a 轴为难磁化轴。如果永磁体中各晶粒的c 轴沿相同方向取向,制成各向异性磁体,则沿晶粒c 轴取向的方向有最大的剩磁,晶粒c 轴取向程度对磁体的磁性能有重要影响。目前磁场取向是制造各向异性NdFeB 永磁材料的最主要取向方法,产业部门普遍使用铜线圈绕制的电磁铁进行NdFeB 永磁材料磁场取向,但由于铜导线电流密度及铁芯饱和磁感应强度的限制,此类电磁铁的工作场强一般在2T 左右(50mm 间隙),同时由于铜导线存在电阻,工作时需要消耗较高的功率,并且需要冷却水循环带走铜导线电阻发热。
近年来,使用超导线圈制造的电磁铁技术得到了迅速发展,由于超导导线电流密度高,超导态运行时电阻几乎为0,可以较方便地制造5~10T 以上的强磁铁。尤其是制冷机传导冷却的电磁铁,由于不需要使用昂贵的液氦,极大地扩展了超导磁体的应用领域。国内中国科学院电工研究所率先开展了传导冷却超导电磁铁研制工作,2004年2月研制成功φ100mm 温孔、中心磁场6T 的传导冷却超导电磁铁,该磁铁
可长期稳定运行,满足各种强磁场实验要求。
在磁场中,Nd 2Fe 14B 晶粒取向的能量主要为磁晶各向异性能,表示为:△E=μ0△χVH 2/2,式中μ0是磁导率,△χ是晶粒c 轴与a 轴磁化率差值,V 是晶粒体积,H 是磁场强度,上式表明晶粒取向能量△E 与外磁场场强的平方成正比。当使用4~10T 的超导电磁铁后,外磁场场强增加2~5倍,晶粒取向能量将增加4~25倍,这将极大地提高取向NdFeB 永磁材料的磁性能。
2 烧结NdFeB 磁体
用粉末冶金法制备高性能烧结NdFeB 永磁材料过程中,3~5μm 单晶磁粉在磁场中取向成型是关键的工艺环节之一。目前产业界一般使用约2T 左右的脉冲电磁铁进行取向成型,为了有利于磁粉在磁场中旋转取向,常常加入有机物作为润滑剂,但加入有机物后可能引起Nd 的氧化,从而降低磁体的矫顽力;加入过多的有机物润滑剂还会降低取向成型粉末压坯的强度,为此必须增加取向成型时的压力,但垂直模压取向成型时增加压力会降低磁粉沿磁场的取向。另外,磁粉在模具中沿均匀的外磁场成型时,同时将产生非均匀的自场,长径比较小的粉末压坯产生的自场更大,磁粉的磁轴将沿复合场方向重新排列,为了减小自场对取向的干扰,必须加大外磁场的磁场强度。
美国Argonne 国家实验室与Magnequench 公司联合开展了用超导磁体研制烧结NdFeB 永磁材料实验,他们使用9T 、76.2mm 温孔的NbTi/Cu 超导磁体,制备φ12.7mm 、长径比为1的NdFeB 烧结磁体。与2T 电磁铁取向样品相比,超导磁体取向样品磁化强度提高10%,最大磁能积提高20%。而在NdFeB 产业界,一般认为磁性能提高3%就是重大的工艺改进[1]。
黄晖等:超导磁体在NdFeB永磁材料制备技术中应用研究 745
3 NdFeB铸锭组织
Nd2Fe14B化合物属于四角晶体,室温下沿c轴各向异性场高达5.6MA/m,在磁场下容易得到沿c轴取向的织构组织[2]。Nd2Fe14B化合物居里温度约为315℃,在居里温度以上,Nd2Fe14B化合物由铁磁性转变为顺磁性,磁化率将大幅减少,但晶体的磁各向异性仍然存在,沿c轴方向为磁化率最大方向,为了得到沿c轴取向的织构组织,必须采用更强的取向磁场。
法国科学院电磁场处理实验室(EPM)开展了Nd2Fe14B晶体在高温强磁场条件下取向实验研究[3]。他们将30%(质量分数)Nd2Fe14B单晶粉末(粉末尺寸为100μm长,10μm宽)与70%(质量分数)Nd/Cu=7/3 (原子分数)共晶合金混合,升温至1015℃,Nd2Fe14B 相仍为固相,NdCu共晶合金完全熔化为液相,随后在5T强磁场(超导磁体)下以100℃/h速度冷却至400℃,撤除磁场后冷却至室温。对样品进行观察发现大部分Nd2Fe14B相c轴平行外磁场方向取向。在随后的实验中,将混合物升到更高的温度并按相同条件冷却, 发现升温至1100℃,冷却后仍能得到很好的Nd2Fe14B 相取向组织;但如果升温温度比1100℃更高,发现冷却后样品中Nd2Fe14B相取向度下降;当升温温度达到1200℃,冷却后样品中Nd2Fe14B相没有明显的取向。上述实验表明,在1100℃的高温下,Nd2Fe14B 化合物转变已为顺磁性,但晶体的磁各向异性仍然存在,沿c轴方向为磁化率最大方向,在5T强磁场下凝固可以诱发出取向组织。同时研究发现,在凝固过程中,由于有温度梯度、结晶晶粒相互作用等影响因素,磁场诱发的取向组织容易受到干扰。
在NdFeB合金熔融-凝固过程中施加强磁场直接制备沿c轴取向的多晶织构组织,将从根本上改变目前生产NdFeB材料的粉末冶金工艺流程,由于不需要制粉-取向成型-烧结等工艺环节,简化了生产工艺,具有广泛的应用前景,当然目前该工艺在推广之前还有许多基础性问题需要深入研究。
4 HDDR(氢化-歧化)工艺制备NdFeB
纳米晶粉末
HDDR工艺可制备高矫顽力的NdFeB纳米晶粉末,将NdFeB合金铸锭装入不锈钢容器,先抽真空至10-2Pa,再通入高纯氢气,使其压力保持在105Pa,然后缓慢升温至700℃左右保温,随后抽真空至2~10Pa,在850℃左右保温,完成氢化—歧化反应,形成具有纳米晶粒尺寸的Nd2Fe14B相。HDDR工艺制备的NdFeB粉末具有很高的矫顽力,最高可达1.2MAm-1。但HDDR工艺制备的NdFeB粉末一般为各向同性,用这种粉末制备的磁体磁性能不是很高。进一步研究发现通过添加Co、Zr等元素,调整HDDR 工艺可制备出各向异性的NdFeB粉末,但这些工艺目前还处在探索阶段[2]。
近来的研究发现,在HDDR工艺过程中施加强磁场,有利于形成各向异性的NdFeB粉末。实验采用了7T的超导磁体,在高温下通过Nd-Fe-B和H的固/气相反应生成了高度取向的纳米晶Nd2Fe14B粉末。利用超导磁体研制高度取向的纳米晶Nd2Fe14B 粉末对进一步开发高性能NdFeB材料将起到积极作用[4]。
5 结论
超导磁体在NdFeB材料制备中具有一定的技术优势,并已在烧结NdFeB磁体、NdFeB铸锭组织、HDDR(氢化-歧化)工艺制备NdFeB纳米晶粉末等研究领域得到应用。
参考文献:
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Nd-Fe-B powders prepared under magnetic field. [J]. J. of
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功能材料
746 2004年增刊(35)卷Application of superconducting magnet on NdFeB synthesizing HUANG Hui, WANG Hui, SONG Shou-sen, DAI Yin-ming, LEI Yuan-zhong, ZHAO Bao-zhi,
YU Yun-jia, WANG Qiu-liang, YAN Lu-guang
(Applied Superconductivity Center, Institute of Electrical Engineering,CAS, Beijing 100080, China) Abstract:This paper reviews the development of superconducting magnet and its application on NdFeB Synthesizing. In the fields of NdFeB sintering, casting and HDDR technique, the superconducting magnet has been used and showed excellent results.
Key words:superconducting magnet;NdFeB;sintering;casting;HDDR