Krótkie wprowadzenie do procesu dyfuzji na granicy ziaren

Praktyczność magnesu trwałego można ocenić na podstawie stabilności remanencjiBr, wewnętrzna przymusowośćHcji maksymalnej ilości produktów energetycznych(BH)maks.w warunkach zewnętrznych. Magnes o wyższejBrmoże zapewnić silniejsze pole magnetyczne, a następnie wyższeHcjmoże służyć o wiele lepsze zdolności antyzakłóceniowe. Wartość(BH)maks.przedstawia zdolność magnesu trwałego do dostarczania energii magnetostatycznej. Można to zobaczyć na poniższym rysunku, wysokie(BH)maks.magnes może wytworzyć takie samo pole magnetyczne przy mniejszym zużyciu energii, to historia rozwoju magnesów trwałych jest w zasadzie procesem dążenia do uzyskania wyższej wydajności.

Większość pierwiastków ziem rzadkich może tworzyć RE₂Fe₁₄Związek B z Fe i B oraz Nd₂Fe₁₄Związek B ma najwyższe namagnesowanie nasycenia i funkcjonalne pole anizotropii magnetokrystalicznej wśród tych RE₂Fe₁₄Związki B. Poza tym, objętość rezerwowa neodymu w skorupie ziemskiej jest stosunkowo duża, co może utrzymać stabilność łańcucha dostaw i przewagę kosztową.

Wiele obserwacji mikrostruktury wskazuje, że w spiekanych magnesach neodymowych występuje sześć faz, a następnie Nd₂Fe₁₄Faza główna B i faza bogata w Nd są najlepiej znane ze względu na ich wpływ na wydajność magnetyczną. Nd₂Fe₁₄Główna faza B jest jedyną twardą fazą magnetyczną w spiekanym magnesie i jej ułamek objętościowy decydujeBrI(BH)maks.stopu Nd-Fe-B. Faza bogata w Nd odgrywa kluczową rolę w utwardzaniu magnetycznym spiekanych magnesów neodymowych. Jej skład, struktura, dystrybucja i morfologia są wysoce wrażliwe na warunki procesu. Faza bogata w Nd jest najlepiej w formie struktury warstwowej i jest ciągle rozłożona w obszarach granicznych ziaren.

Zwiększenie koercji spiekanych magnesów neodymowych

Generatory wiatrowe, nowe pojazdy energetyczne, energooszczędne urządzenia gospodarstwa domowego i najnowsze inteligentne terminale mobilne wymagają magnesów neodymowych spiekanych, które nie tylko mają wysoką(BH)maks., ale mają też lepszeHcj. Zawsze jest to ważna kwestia, aby ulepszyćHcjutrzymując jednocześnie wysoki poziomBrI(BH)maks..

Wewnętrzna koercja spiekanych magnesów neodymowych jest głównie zależna od mikrostruktury i składu. Optymalizacja mikrostruktury koncentruje się na uszlachetnieniu ziarna i poprawie rozkładu fazy bogatej w Nd. Skład można zoptymalizować poprzez dodanie innych pierwiastków w celu poprawy pola anizotropii magnetokrystalicznej ziarna fazy głównej. Istnieje dodatnia zależność między koercją spiekanych magnesów neodymowych a polem anizotropii magnetokrystalicznej ziarna fazy głównej. Oznacza to, że im wyższe pole anizotropii magnetokrystalicznej ziarna fazy głównej, tym wyższa koercja spiekanych magnesów neodymowych. H_Az Dy₂Fe₁₄B i Tb₂Fe₁₄B są znacznie wyższe niż Nd₂Fe₁₄B, a następnie dodanie niewielkich ilości pierwiastków Dy lub Tb w celu zastąpienia atomu Nd w sieci fazy głównej spowoduje utworzenie (Nd, Dy)₂Fe₁₄B lub (Nd, Tb)₂Fe₁₄B z wyższym H_Aco może skutecznie poprawić wewnętrzną koercję. Często stosowane metody dodawania obejmują tradycyjny proces stopowania, proces modyfikacji granicy ziarna i proces dyfuzji granicy ziarna.

Proces stopowania

Proces stopowania polega na dodaniu pewnej proporcji HREE Dy lub Tb do surowca spiekanych magnesów neodymowych, a następnie wszystkie elementy wykazują homogenizację składu poprzez proces topienia. Mechanizm koercji spiekanych magnesów neodymowych wskazuje, że odwrócona domena magnetyczna ma tendencję do zarodkowania na obszarach granicznych fazy głównej, a równomierny rozkład HREE spowoduje marnotrawstwo zasobów i wzrost kosztów. Przede wszystkim sprzężenie antyferromagnetyczne między atomami Fe i atomami Dy wygeneruje poważny efekt rozcieńczenia magnetycznego i znacznie pogorszyBrI(BH)maks..

Proces modyfikacji granic ziaren

Aby poprawić współczynnik wykorzystania HREE i uniknąć efektu rozcieńczenia magnetycznego, zaproponowano proces modyfikacji granicy ziarna. Po pierwsze, proces modyfikacji granicy ziarna wytwarza Nd₂Fe₁₄B stop główny i stop pomocniczy bogaty w HREE odpowiednio, następnie prasowanie i spiekanie po zmieszaniu dwóch stopów zgodnie z określoną proporcją. Dy i Tb będą dyfundować do ziarna fazy głównej z granicy ziarna podczas procesu spiekania, tworząc w ten sposób (Nd, Dy)₂Fe₁₄B lub (Nd, Tb)₂Fe₁₄B warstwy utwardzania magnetycznego na obszarach granicznych fazy głównej, a tym samym zmniejszają nukleację odwróconej domeny magnetycznej. Nawet proces modyfikacji granicy ziarna promował współczynnik wykorzystania lub HREE, HREE nadal nieuchronnie występuje we wnętrzu ziarna fazy głównej i powoduje efekt rozcieńczenia magnetycznego. Proces modyfikacji granicy ziarna ma oświecające znaczenie dla późniejszego procesu dyfuzji granicy ziarna.

Proces dyfuzji na granicy ziarna

Proces dyfuzji granicy ziarna rozpoczyna się od wprowadzenia warstwy HREE na powierzchnię magnesu, a następnie poddania jej obróbce cieplnej w próżni powyżej temperatury topnienia fazy bogatej w Nd. Dlatego element HREE dyfunduje do magnesu wzdłuż granic ziarna i tworzy (Nd, Dy, Tb)₂Fe₁₄Struktura rdzenia-powłoki B wokół ziarna fazy głównej. Następnie pole anizotropii fazy głównej zostanie wzmocnione, w międzyczasie faza graniczna ziaren stanie się bardziej ciągła i prosta, co osłabi sprzężenie wymiany magnetycznej między fazami głównymi. Najważniejszą cechą procesu dyfuzji granicy ziaren jest umożliwienie magnesowi zwiększeniaHcjjednocześnie utrzymując wysoki poziomBr. W przeciwieństwie do procesu stopowania, elementy HREE nie muszą wchodzić do fazy głównej, co powoduje znaczną redukcję ilości HREE i ceny kosztowej w konwencjonalnych spiekanych magnesach neodymowych o wysokiej koercji. Granica ziarna jest również w stanie wytworzyć niektóre nowe gatunki, które wcześniej były niewyobrażalne w procesie stopowania, takie jak N54SH i N52UH.

Obróbka dyfuzyjna granic ziaren zostanie wdrożona po procesie obróbki. Warstwę HREE można uzyskać przez natryskiwanie, fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD), elektroforezę i odparowanie termiczne.

Ograniczenia procesu dyfuzji na granicy ziarna

Proces dyfuzji granicy ziarna jest głównie ograniczony przez grubość magnesu, a stopień wzmocnienia wewnętrznej koercji zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości. Podniesienie temperatury dyfuzji lub wydłużenie czasu dyfuzji może zwiększyć głębokość i stężenie rozproszonego HREE, a następnie promować ułamek objętości struktury rdzenia i powłoki HREE. Jednak nadmierna temperatura i czas dyfuzji spowodują wzrost ziarna głównej fazy, w międzyczasie struktura fazy i rozkład fazy bogatej w Nd również ulegną zmianie.