научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ND, PR, DY, TB)–FE–B МЕТОДОМ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ND, PR, DY, TB)–FE–B МЕТОДОМ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 8, с. 1151-1154

УДК 669.857'1'781:543.429.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ (Nd, Pr, Dy, Tb)—Fe—B МЕТОДОМ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

© 2015 г. Г. С. Бурханов1, Н. Б. Кольчугина1, А. А. Лукин2, С. К. Годовиков3, Ю. С. Кошкидько4, К. Скотницева4

E-mail: natalik014@yandex.ru

Методом мёссбауровской спектроскопии была изучена структура спеченных магнитов (Nd, Pr, Dy, Tb)-Fe-B и исходного сплава, обработанного по методу "strip-casting" и использованного для их получения. Тербий вводился в состав материала в виде гидрида TbH2, что обусловило заметное улучшение гистерезисных характеристик данных магнитов. Исследования показали существенную нормализацию распределения атомов железа в кристаллической решетке соединения Nd2Fe14B в результате выполненных термообработок и внедрения атомов тербия в решетку, а также увеличение локальной неоднородности окружения атомов железа.

DOI: 10.7868/S0367676515080050

ВВЕДЕНИЕ

Высококоэрцитивные магниты Nd—Fe—B требуются для применений в области производства экологически чистой энергии, в частности для гибридных и электрических автомобилей и ветряных генераторов. Магниты для данных устройств должны характеризоваться не только высокой остаточной индукцией Br, но и высокой коэрцитивной силой по намагниченности jHc. В последнее время производство и потребление таких магнитов значительно выросли, и рост будет продолжаться в будущем в связи с необходимостью решения проблем экологии.

Известно, что добавки тяжелых редкоземельных металлов (ТРЗМ) к сплаву Nd—Fe—B позволяют существенно увеличить коэрцитивную силу магнитов при одновременном снижении их остаточной индукции и максимального энергетического произведения. Поскольку данные металлы дефицитны и дороги, в последнее время значительное внимание уделяется разработке высококоэрцитивных магнитов с пониженным содержанием тяжелых РЗМ и даже без их использования.

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Бай-кова Российской академии наук, Москва.

2 ОАО "Спецмагнит", Москва.

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына.

4 Vysoka Skola banska — Technical University of Ostrava, 17 Lis-topadu, Ostrava-Poruba, Czech Republic.

Процесс зернограничной диффузии был разработан как очень эффективный способ снижения (до 50%) содержания тяжелых РЗМ в составе высококоэрцитивных магнитов [1, 2]. Зерногра-ничная диффузия приводит к созданию в магнитах специфической структуры: богатой неодимом сердцевины зерна основной магнитной фазы и богатой тяжелым РЗМ оболочки зерна, т.е. оболочки фазы (Nd,TP3M)2Fe14B вокруг каждого зерна, которая подавляет зарождение обратных доменов и смещение доменных стенок и, таким образом, повышает коэрцитивную силу. Используются различные технологии для реализации зернограничной диффузии [1]. Легирование основного состава Nd—Fe—B редкоземельными металлами, добавляемыми в виде гидридов, относится к одному из способов реализации зернограничной диффузии [3, 4].

В наших ранних исследованиях, выполненных с использованием гидрида тербия и обедненного неодимом основного сплава, нами были обнаружены ожидаемое улучшение гистерезисных свойств спеченных магнитов и некоторые особенности распределения тербия в зернах основной магнитной фазы [5, 6].

Цель данного исследования — изучение особенностей распределения атомов в решетке основной магнитной фазы Nd2Fe14B в сплаве, обработанном по методу "strip-casting", и изменение этого распределения при получении спеченных магнитов с использованием добавки гидрида тербия. Возможно, что исследование микрокристаллической структуры исходного сплава и конечного материала позволит объяснить непропорционально высокий по отношению к полю анизотропии На рост коэрцитив-

1152

БУРХАНОВ и др.

ной силы jHc при легировании спеченных магнитов тяжелыми редкоземельными металлами, в частности тербием, даже при отсутствии его очевидного градиента вблизи границ зерен.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Сплав в виде чешуек толщиной 300 мкм получен методом "strip-casting" с использованием промышленной установки в ФГУП ВНИИНМ. Химический состав сплава (мас. %): Nd — 24.0, Pr — 6.5, Dy — 0.5, В — 1.0, Al — 0.2, Fe — ост. Чешуйки были подвергнуты гидридному диспергированию в протоке сухого водорода при 375 K. После охлаждения порошка до комнатной температуры к нему был добавлен гидрид тербия TbH~2 (2 и 4 мас. %). Смесь была подвергнута тонкому помолу в вибрационной мельнице в среде изопропилового спирта до среднего размера частиц 3 мкм. Использовалось прессование в магнитном поле и спекание заготовок при 1340 K (2 ч). Полученные спеченные заготовки были обработаны по режиму: 1175 K (2 ч) + + 900 K (1 ч) + 775 K (2 ч) для получения высоких магнитных свойств.

Микроструктура полученных магнитов и химический состав присутствующих фаз были изучены методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и оже-спектрометрии с использованием электронного микроскопа Quanta 450 feg и спектрометра JEOL JUMP 9500F соответственно. Рент-геноструктурный анализ сплава стрип-кастинг и спеченных магнитов был выполнен с использованием дифрактометра Difrei 401 и СгКа-излучения.

Мёссбауэровская спектроскопия выполнена при комнатной температуре с использованием традиционного изотопа 57Fe и источника 57Co в матрице Rh. Для обработки спектров использована программа UNIVEM.

Магнитные характеристики образцов измерены после шлифования магнитов и намагничивания до насыщения. Измерения выполнены при комнатной температуре в магнитных полях до 3 Тл в закрытой цепи гистерезисметра. Магниты, изготовленные из сплава "strip-casting" без добавок гидрида тербия, имеют следующие магнитные параметры jHc = 1000 кА • м-1, Br = 1.36 Тл, (BH)max = = 358 кДж • м-3. Легирование сплава 2 и 4 мас. % гидрида тербия TbH2 приводит к росту коэрцитивной силы до 1520 и 1900 кА • м-1 соответственно. При этом снижение остаточной индукции и максимального энергетического произведения незначительно, а именно: до 1.3 Тл и 328 кДж • м-3 для магнита с 2 мас. % гидрида и до 1.22 Тл и 286 кДж • м-3 для магнита с 4 мас. % гидрида соответственно. Таким образом, показано, что использование добавок гидрида тербия позволяет существенно увеличивать коэрцитивную силу по намагниченно-

сти при незначительном уменьшении остаточной магнитной индукции.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Известно [7], что структура основной магнитной фазы спеченных магнитных материалов Nd-Fe-B тетрагональная, типа Nd2Fe14B, пространственная группа P42/mmm, параметры решетки -а = 8.80 А и с = 12.20 А, на ячейку приходится 68 атомов и только 4 из 56 атомов Fe находятся в плоскостях с атомами РЗМ и B. Существует шесть кристаллографических положений атомов Fe: 16Kb 16K2, 8j1, 8/2, 4c и 4e. Имеются два неэквивалентных положения атомов Nd: 4f и 4g и одно для атомов бора - 4f. Характерно, что атомы бора группируются в отдельных плоскостях с малым содержанием атомов Fe(4c). Основная масса атомов железа группируется между этими плоскостями в восьми гексагональных пирамидах, попарно соединенных вершинами друг с другом. В точках этих соединений находятся атомы Fe(8j2). Таким образом, структура достаточно сложная и содержит легкие атомы.

Расчетами показано [8], что при замещении атомов неодима атомами Tb происходит уменьшение размера элементарной ячейки 2-14-1. Атомы Tb и Dy предпочитают позиции 4f, а не 4g, эти данные согласуются с тем фактом, что объем позиции 4f меньше, чем 4g, притом что атомные радиусы Tb и Dy меньше, чем Nd. Энергия замещения атомов Nd на атомы Tb в решетке фазы 2-14-1 отрицательна и равна -0.33 эВ/атом, т.е., данное замещение стабилизирует структуру.

Микроструктуры исходного сплава, обработанного по методу "strip-casting" и спеченного магнита, полученного с добавкой 4 мас. % TbH2, показаны на рис. 1а и 1б.

Микроструктура чешуек сплава (рис. 1а), обработанного по методу "strip-casting" состоит из блоков, представленных группами параллельных пластин - зерен фазы 2-14-1. Поперечный размер 4-5 мкм. Между зернами наблюдаются ламели фазы, богатой неодимом (празеодимом). Микроструктура спеченного магнита традиционна (рис. 1б) и представлена зернами основной магнитной фазы Nd2Fe14B, типичные размеры которых находятся в интервале 5-10 мкм, в небольшом количестве присутствуют зерна размером 15-20 мкм. Границы зерен содержат фазу, богатую Nd(Pr); тройные стыки зерен содержат оксидные фазы.

Были определены параметры решетки основной магнитной фазы в исходном сплаве и спеченном магните, равные a = 8.80, c = 12.23 А и a = = 8.81, с = 12.20 А соответственно. Таким образом, установлено увеличение параметра a и уменьшение параметра с в результате выполненных обрабо-

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

1153

Рис. 1. Микроструктура сплава "strip-casting" (а) и спеченного магнита, изготовленного из порошковой смеси с 4 мас. % TbH2 (б), и электронно-микроскопическое изображение (СЭМ в режиме вторичных электронов) его поверхности (в) и соответствующее распределение тербия (в режиме оже-электронов) (г) мелкие белые точки.

ток и введения тербия в состав материала. Наблюдаемое уменьшение одного из параметров ожидаемо и может быть объяснено меньшим радиусом атомов тербия по сравнению с радиусом атомов неодима. Небольшой рост параметра а, вероятно, связан со специфическим распределением атомов тербия в решетке, которое будет рассмотрено ниже.

Ранее установленные особенности распределения тербия в зернах основной магнитной фазы [6], а именно существование областей размером около 50—150 нм, обогащенных тербием и обедненных неодимом и празеодимом, были подтверждены при исследовании структуры спеченного магнита методом оже-спектроскопии (рис. 1в, 1г).

Таким образом, структура спеченного магнита (Nd, Pr, Dy, Tb)—Fe—B, полученного при использовании добавок гидрида те

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком