鞏劭廷,蔣成保,張天麗

北京航空航天大學材料科學與工程學院 北京100191

摘要

關鍵詞：SmCo磁體;Fe含量;矯頑力;微觀結構

在航空航天等領域,高溫永磁材料有著廣闊的應用,微波管、磁軸承、陀螺儀、加速度計等器件都對永磁材料的高溫性能提出了較高的要求[1~6]。由于磁各向異性強、Curie溫度高、溫度穩定性好、耐腐蝕性強等特點,2:17型SmCo基永磁體成為較理想的高溫永磁材料[7~10]。

2:17型SmCo基永磁體具有胞狀結構,胞內主相為富Fe的Th2Zn17型菱方結構(2:17R),胞壁相為富Cu的CaCu5型六方結構(1:5H),片狀的富Zr相垂直于c軸分布,并貫穿胞結構[11,12]。永磁體的磁化強度主要由胞內相貢獻,而由于富Cu胞壁相會對磁疇形成強烈釘扎,使永磁體呈現高矯頑力[13~15]。目前,針對Cu含量對矯頑力的影響,已有較為系統的研究[16~18],認為高的Cu含量會增大矯頑力,這是由于Cu導致1:5H相疇壁能降低,引起兩相疇壁能差的增大而引起的。Fe對磁體性能的影響也很大,在之前的研究[19~21]中,雖然有很多關于Fe對磁體剩磁、矯頑力影響的分析,但未進行系統的討論,所以Fe對SmCo基永磁體矯頑力(包括室溫及高溫)的作用機制尚不明確。高溫矯頑力是決定磁體能否在高溫下使用的關鍵性能,研究Fe對SmCo磁體矯頑力的作用機制對發展高溫磁體有重要作用。

本工作對不同Fe含量的SmCo基永磁體的矯頑力進行了研究,確定了Fe含量對胞狀結構尺寸及胞壁和胞內兩相比例、兩相中成分分布的影響,并分析了Fe對室溫及高溫矯頑力的作用機制。

1 實驗方法

采用電弧爐熔煉名義成分為Sm(CobalFexCu0.08~0.10-Zr0.03~0.033)z(x=0.10~0.16,z=6.90和7.40)的合金錠,考慮Sm熔點較低,增加3% (質量分數)燒損。合金錠在粗破碎至可通過孔徑為180 μm篩后,采用球磨的方式得到粒徑為3~5 μm的磁粉。磁粉經磁場取向成型和冷等靜壓后成為緊實的壓坯,之后將其置于真空管式爐中,在1190~1220 ℃的Ar氣氛中燒結固溶。磁體的時效工藝為：在800~820 ℃下保溫24 h,之后以0.5 ℃/min的冷速緩冷至500 ℃,保溫10 h后淬火。

樣品的200~550 ℃永磁性能是由最大磁場為2000 kA/m的NIM-500C型永磁材料高溫測量系統完成,室溫性能則是通過PPMS-9型綜合物性測量系統(PPMS)進行測試。采用D/MAX-2500型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析,采用JEM-2100F型透射電子顯微鏡(TEM)進行微觀組織觀察,并使用其附帶的能譜儀(EDS)進行樣品的成分分析。采用圖像處理軟件Image-Pro對微觀組織形貌照片進行胞直徑以及兩相面積的測定,以確定胞尺寸和兩相比例。

2 實驗結果與討論

制備了x=0.10~0.16、z=6.90和7.40的Sm(CobalFex-Cu0.08~0.10Zr0.03~0.033)z高溫永磁體,通過調節固溶溫度,獲得了方形度較好的各成分磁體,并且分別在室溫~550 ℃進行了退磁曲線的測試。其中,x=0.16、z=6.90的SmCo基永磁體樣品的高溫性能最好,在500 ℃下其矯頑力可達603.99 kA/m,剩磁為0.70 T,磁能積達87.30 kJ/m3,其室溫~550 ℃的退磁曲線如圖1所示,室溫和500 ℃的永磁性能如表1所示。

圖1Sm(CobalFexCu0.08~0.10Zr0.03~0.033)z(x=0.16、z=6.90)永磁體在不同溫度下的退磁曲線

Fig.1Demagnetization curves of Sm(CobalFexCu0.08~0.10-Zr0.03~0.033)z(x=0.16,z=6.90) magnets under different temperatures (RT—room temperature)

圖2Sm(CobalFexCu0.08~0.10Zr0.03~0.033)z(x=0.10~0.16、z=6.90和7.40)永磁體矯頑力隨溫度變化曲線

Fig.2Temperature dependence of intrinsic coercivity of Sm(CobalFexCu0.08~0.10Zr0.03~0.033)zmagnets withx=0.10~0.16 andz=6.90 (a),z=7.40 (b)

圖3Sm(CobalFexCu0.08~0.10Zr0.03~0.033)z(x=0.10和0.16、z=6.90和7.40)永磁體樣品的XRD譜

Fig.3XRD spectra of Sm(CobalFexCu0.08~0.10Zr0.03~0.033)z(x=0.10 and 0.16,z=6.90 and 7.40) magnets

圖2為x=0.10~0.16、z=6.90和7.40的SmCo基永磁體的矯頑力隨溫度變化曲線。可以看出,隨著溫度的升高,所有磁體的矯頑力都會下降,但Fe含量較高的磁體矯頑力下降幅度更大,即Fe含量高的磁體矯頑力溫度系數較大。在室溫下,Fe含量較高的磁體矯頑力更大,而在高溫下則剛好相反。特別是,上述規律在z=6.90時比z=7.40時要更為明顯。

研究[23]認為,2:17型SmCo磁體的內稟矯頑力Hcj主要由1:5H相和2:17R相的疇壁能差Δγ決定,并滿足以下關系：

$\begin{array}{c}{?}_{\mathit{cj}}\propto \raisebox{1ex}{$\mathit{\Delta \gamma }$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${?}_{?}?$}\right.\end{array}$(3)

$\begin{array}{c}\mathit{\Delta \gamma }={?}_{2:17}-{?}_{1:5}={?}_1\sqrt[]{{?}_{2:17}{?}_{2:17}}-{?}_2\sqrt[]{{?}_{1:5}{?}_{1:5}}\end{array}$(4)

式中,γ為疇壁能密度,Ms為飽和磁化強度,d為胞的平均尺寸,A為交換積分常數,K為各向異性常數。

隨著磁體Fe含量增加,2:17R相中Fe含量升高,1:5H相中Cu含量升高。對于1:5H相,隨著Cu含量增加,Sm(Co, Cu)5磁化強度下降,Curie溫度降低,胞壁疇壁能快速降低[24]。對于2:17R相,由于Fe含量增加,Sm2(Fe, Co)17Curie溫度隨之下降,其各向異性也會略微降低,故胞內相的疇壁能減小[25,26]。

增加SmCo基永磁體的Fe含量后,對于室溫矯頑力,由于1:5H相中的Cu含量明顯提升,γ1∶5降低得更快,故此時矯頑力由這一項所決定,疇壁能差增大,即在室溫下,隨著材料Fe含量升高,矯頑力增加。而當溫度在500 ℃左右時,由于Cu含量的升高,1:5H相已達Curie溫度[26],γ1∶5變為0,矯頑力由γ2∶17決定,而這時,2:17R相中Fe含量增加導致γ2:17降低,所以疇壁能差也會減小,也就是說,高溫下隨著Fe含量的增加,SmCo基永磁體的矯頑力降低。

如前所述,z=6.90時,不同Fe含量樣品的室溫矯頑力差異很大;而z=7.40時,不同Fe含量樣品室溫矯頑力差異較小。在室溫下z=6.90和7.40的樣品,Δγ和d都會隨著材料Fe含量增加而上升,而室溫矯頑力與Δγ成正比,與d成反比。在z=6.90時,隨Fe含量增加,d只有輕微增大,故此時d對矯頑力的影響不大,室溫矯頑力隨材料Fe含量增加而明顯上升;在z=7.40時,x=0.16樣品比x=0.10樣品的胞尺寸大很多,這時胞尺寸增大對矯頑力的不利作用不能忽略,故而考慮Δγ和d兩方面因素,z=7.40樣品的室溫矯頑力只會輕微增加。

3 結論

(1) SmCo基永磁體中Fe含量的增加會導致胞狀結構尺寸增大,1:5H相比例降低。

(2) SmCo基永磁體中Fe含量的增加會導致2:17R相中Fe含量升高,1:5H相中Cu含量升高。

(3) 在室溫下,隨著材料Fe含量的增加,由于胞壁中Cu含量快速提高,1:5H相疇壁能迅速下降,導致兩相疇壁能差增大,引起室溫矯頑力升高;在高溫下,1:5H相達Curie溫度,矯頑力由2:17R相的疇壁能決定,而2:17R相的疇壁能密度隨材料Fe含量升高而減小,故這時提高Fe含量,矯頑力反而會降低。z=6.90時,材料Fe含量增加只會導致樣品胞尺寸的輕微增大,其對矯頑力的不利影響較小,室溫矯頑力隨Fe含量上升而明顯增大;z=7.40時,x=0.16樣品比x=0.10樣品的胞尺寸大很多,由于考慮胞尺寸明顯增大對兩相疇壁能差的抵消作用,導致Fe含量升高對其室溫矯頑力增加的作用較小。

來源--金屬學報