采用熔体快淬和热处理工艺制备了(Pr 1−xLa x) 2Fe 14B (x = 0.0~0.25)合金薄带,其晶体结构为四方结构(P42/mnm空间群),晶胞参数随着La添加量的增加而增大。在不同退火温度、不同退火时间,通过VSM、SEM对薄带的磁性能和微观组织进行研究。结果发现,未掺杂La的薄带剩磁最高,为1.05 T。其中,(Pr 0.9La 0.1) 2Fe 14B合金在25 m/s快淬速度且在温度873 K下保温时间5 min时,测得的合金薄带综合性能最好。过高的晶化温度和过久的晶化时间均会影响薄带的磁性能。 (Pr 1−xLa x) 2Fe 14B (x = 0.0 - 0.25) alloy ribbons were prepared by melt quenching and heat treatment, and its crystal structure was tetragonal structure with P42/mnm space group. And the lattice parameters increase with an increase of La concentration. The magnetic properties and mi-crostructure of the ribbons with annealed different time and temperature were studied by methods of VSM and SEM. The results show that the undoped La thin strip has the highest remanence, which is 1.05 T. Moreover, the (Pr 0.9La 0.1) 2Fe 14B alloy at the rapid quenching speed of 25m/s and the temperature at 873 K for 5 min has a best comprehensive performance. Excessive crystallization temperature and prolonged crystallization time will affect the magnetic properties of the ribbons.
姚小玉,杨鹏程,姚青荣*
桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西 桂林
收稿日期:2017年11月21日;录用日期:2017年12月3日;发布日期:2017年12月11日
采用熔体快淬和热处理工艺制备了(Pr1−xLax)2Fe14B (x = 0.0~0.25)合金薄带,其晶体结构为四方结构(P42/mnm空间群),晶胞参数随着La添加量的增加而增大。在不同退火温度、不同退火时间,通过VSM、SEM对薄带的磁性能和微观组织进行研究。结果发现,未掺杂La的薄带剩磁最高,为1.05 T。其中,(Pr0.9La0.1)2Fe14B合金在25 m/s快淬速度且在温度873 K下保温时间5 min时,测得的合金薄带综合性能最好。过高的晶化温度和过久的晶化时间均会影响薄带的磁性能。
关键词 :快淬薄带,磁性能,微观组织
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NdFeB材料作为稀土永磁的代表,其高的能量密度被广泛应用于电子计算机、音响器件、通讯设备、航空航天、医疗器械等高新技术领域的核心器件中,目前已成为支撑现代制造业的重要基础材料之一 [
选用块状Nd (99.99 wt%)、La (99.99 wt%)、Fe (99.99 wt%)和B (99.99 wt%)为原料,按照(Pr1−xLax)2Fe14B (x = 0.0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25)各原子比进行配比,每个样品的质量为3 g。首先将原料放在真空非自耗电弧炉中,对并对炉中抽真空三次至3.0 × 10−3 Pa,熔炼时充入高纯氢气至0.05 MPa进行保护,然后在高温电弧加热下熔炼3次,获得成分均匀的合金样品,且合金样品烧损率小于0.1 wt%。熔炼好的合金锭先用砂纸打磨表面,去掉氧化层,取1.5 g样品放入石英坩埚中,在真空甩带机中充入高纯氢气进行保护,以25 m/s的速度进行快淬。将部分非晶态或完全非晶态薄带放在石英坩埚中,为防止氧化通入高纯氩气进行保护并放入退火炉内,在保温一定时间后水冷却至室温。合金薄带利用综合物性测量系统(PPMS)的振动样品磁强计(VSM)套件对起进行磁性能测试,微观组织通过SEM进行观察。
图1是以25 m/s速度采用熔体快淬法制备的(Nd1−xLax)2Fe14B (x = 0.0~0.25)薄带的XRD图谱。可以
图1. (Pr1−xLax)2Fe14B (x = 0.0~0.25)快淬薄带的X射线衍射图谱
看出,不同La含量添加后,薄带的射线衍射谱上均出现部分晶体衍射峰以及非晶衍射包,同时不同薄带衍射峰的强度不一,说明该快淬速度下制备的薄带磁体中既有晶相又有非晶相。通过与标准的衍射卡片对比可知,(Pr1−xLax)2Fe14薄带主要有具有四方结构(P42/mnm空间群)的Pr2Fe14B相及部分非晶相组成,没有发现其它杂相的衍射峰,说明La原子很好地进入了Pr2Fe14B晶格并替代了Pr原子位置。从放大的XRD图中可以看出,衍射峰位随着La添加量的增大逐渐往2θ角减小的方向偏移,表明La掺杂后晶胞参数在变大,这是由于La原子半径(1.87 Å)大于Pr的原子半径(1.83 Å),La替代Pr原子后引起了晶胞参数变大。
图2是以25 m/s速度快淬(Pr1−xLax)2Fe14B (x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.20, 0.25)薄带的退磁曲线,通过对比可知,Pr2Fe14B (x = 0.0)快淬薄带具有较好的方形度,内禀矫顽力Hcj和剩磁Br分别达为9870 Oe和1.05 T。随La的添加量逐渐增大时,内禀矫顽力呈现出先增大后减小的趋势,当La添加量到x = 0.05时达到了最大,这表明适量的La元素的添加是有利于提高Pr2Fe14B薄带的矫顽力,由于Pr2Fe14B合金中适量地添加La元素后,合金颗粒尺寸均匀细小且主相晶粒边界光滑,有助于磁体矫顽力的提高,这一结果与周晓庆 [
为进一步了解温度对合金薄带磁性能的影响,本实验探讨了(Pr0.9La0.1)2Fe14B薄带在不同退火温度、不同退火时间的磁性能。图4是在25 m/s快淬速度且时间为3 min晶化退火后的磁滞回线(M-H)。热处理温度为823 K时,合金的内禀矫顽力和剩磁分别为4163 Oe、0.73 T,随热处理温度的升高,剩磁、内禀矫顽力均有所提高。当温度升高至973 K时,剩磁迅速降低,这可能是由于热处理温度过高时,晶粒过分粗大,减弱了晶粒间的交换耦合作用。表1为合金薄带在不同热处理温度下的Br和Hcj。
图2. (Pr1−xLax)2Fe14B (x = 0.0~0.25)快淬薄带的退磁曲线
图3. (Pr1-xLax)2Fe14B (x = 0.0~0.25)快淬薄带的矫顽力和剩磁与La取代量x的变化关系
图4. (Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带经3 min晶化退火后的磁滞回线
图5是(Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带在873 K退火0 min,2 min,5 min,8 min后的M-H曲线。研究表明,随着热处理时间的延长,剩磁、内禀矫顽力都有所增加,当热处理时间达到5 min时磁性能最优异。晶化热处理时间进一步延长后,磁性能反而下降,退火5 min时的Br和Hcj均低于晶化热处理前。工艺参数对材料矫顽力、剩磁影响如表2所示。图6是873 K晶化热处理后薄带的SEM图,图中可以明显看出薄带晶粒尺寸随着晶化时间的延长逐渐粗化。
1) (Pr1−xLax)2Fe14薄带主要有具有四方结构(P42/mnm空间群)的Pr2Fe14B相及部分非晶相组成,且La添加量的增大晶胞参数逐渐在变大。
快淬速度 | 退火时间 | 退火温度 | 内禀矫顽力Hcj | 剩磁Br |
---|---|---|---|---|
m/s | min | K | Oe | T |
25 | 3 | 823 | 4163 | 0.73 |
873 | 6051 | 0.81 | ||
923 | 8218 | 0.92 | ||
973 | 2987 | 0.53 |
表1. (Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带在不同温度下退火3 min后的磁性能
快淬速度 | 退火温度 | 退火时间 | 内禀矫顽力Hcj | 剩磁Br |
---|---|---|---|---|
m/s | K | min | Oe | T |
25 | 873K | 0 | 4163 | 0.76 |
2 | 8016 | 0.89 | ||
5 | 9802 | 1.02 | ||
8 | 1496 | 0.36 |
表2. (Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带在873 K退火不同时间后的磁性能
图5. (Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带经873 K晶化退火后的退磁曲线
图6. (Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带873 K晶化热处理后的SEM图:(a) 2 min,(b) 5 min,(c) 8 min
2) 对于(Pr1−xLax)2Fe14B (x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.2)快淬薄带在25 m/s快淬速度下,剩磁随La的添加先增大再减小,当La添加量为0.05时,矫顽力达到最大,为1.05 T。
3) (Pr0.9La0.1)2Fe14B快淬薄带在873 K退火5 min,其综合磁性能最优异,剩磁和矫顽力分别达到1.02 T和9802 Oe。
国家自然科学基金(51361007, 51371061),广西自然科学基金(2016GXNSFGA380001),广西高校大学生创新创业。
姚小玉,杨鹏程,姚青荣. 添加La对PrFeB薄带的结构与磁性能影响The Effects of La-Doping on Structure and Magnetic Properties of PrFeB Ribbons[J]. 材料科学, 2017, 07(09): 745-751. http://dx.doi.org/10.12677/MS.2017.79097