В 21 веке быстрый прогресс технологий в таких областях, как промышленный интернет, возобновляемая энергия, высокоскоростной железнодорожный транспорт, 5G-коммуникации и интеллектуальное производство, значительно повлиял на глобальное промышленное развитие. Концепция "нового строительства инфраструктуры", введенная в Китае в 2018 году, подчеркивает важность этих секторов в национальном экономическом росте. Среди материалов, важных для этих достижений, постоянные магниты на основе неодима-железа-бора (Nd-Fe-B) играют ключевую роль благодаря своим исключительным магнитным свойствам, занимая более 50% рынка постоянных магнитов. Однако традиционные магниты Nd-Fe-B сталкиваются с проблемами, особенно в приложениях, требующих высокой температурной стабильности, таких как двигатели электромобилей и генераторы ветряных турбин.
Проблемы традиционных магнитов Nd-Fe-B
Одним из основных ограничений коммерческих спеченных магнитов Nd-Fe-B, особенно тех, которые не содержат тяжелых редкоземельных элементов (HREs), является их низкая коэрцитивная сила (около 1200 кА/м) и температура Кюри (Tc = 312°C). Коэрцитивная сила, являющаяся экструзивным магнитным свойством, тесно связана с составом и микроструктурой магнита. Увеличение коэрцитивной силы может эффективно противостоять размагничиванию при более высоких температурах, тем самым улучшая термическую стабильность магнита.
Для решения этой проблемы было исследовано несколько подходов. Один из методов включает добавление кобальтовых (Co) легирующих элементов для замены части железа (Fe) в фазе Nd2Fe14B, тем самым увеличивая температуру Кюри (Tc) магнита. Однако чрезмерное количество Co не только увеличивает стоимость материалов, но и ухудшает жесткие магнитные свойства. Другая стратегия заключается в добавлении HRE элементов, таких как диспрозий (Dy) и тербий (Tb), для замены неодима (Nd) в фазе 2:14:1, формируя фазу (HRE, Nd)2Fe14B с более высоким полем магнитной анизотропии. К сожалению, HREs редки, их содержание в земной коре составляет менее 10% от содержания Nd, что приводит к чрезвычайно высоким ценам. Введение HREs через традиционное плавление значительно увеличивает стоимость магнита, при этом материалы HRE составляют от 30% до 50% от конечной цены магнитов Nd-Fe-B. Более того, антиферромагнитное взаимодействие между атомами HRE и атомами Fe неизбежно снижает остаточную намагниченность и магнитную энергию магнита.
Технология диффузии по границам зерен (GBD)
В ответ на растущий спрос на высокотемпературные магниты Nd-Fe-B, разработка технологии GBD стала перспективным решением. Предложенная Накамурой и др. в 2005 году, технология GBD использует отдельные элементы или соединения HREs в качестве диффузантов. Посредством диффузионной термообработки HREs проникают в магнит с поверхности вдоль границ зерен, распределяясь в границах зерен и на поверхностях зерен для увеличения коэрцитивной силы магнита Nd-Fe-B. Процесс диффузии обычно происходит при температурах выше точки плавления богатой редкоземельной фазы в магните Nd-Fe-B, что способствует быстрому распространению вдоль границ зерен в жидкой богатой редкоземельной фазе.
Основной принцип GBD заключается в том, что реверсирование доменов намагниченности сначала формируется на поверхностях зерен, делая их самым слабым звеном в магните. Увеличивая поле анизотропии на поверхностях зерен, можно задержать формирование реверсивных доменов, тем самым увеличивая коэрцитивную силу всего магнита. GBD распределяет HREs преимущественно в границах зерен, минимизируя их проникновение в интерьеры зерен. Этот подход не только увеличивает коэрцитивную силу, но и смягчает негативные эффекты HREs на остаточную намагниченность, достигая отличных общих магнитных свойств.
Преимущества технологии GBD с Ce
Технология GBD предлагает несколько преимуществ, особенно при использовании церия (Ce). Ce является экономически эффективной альтернативой Nd и HRE из-за его доступности. Заменяя часть Nd на Ce, можно снизить стоимость материала, сохраняя или даже улучшая магнитные характеристики. Исследования показали, что магниты Nd-Fe-B, содержащие Ce, обработанные с помощью GBD, демонстрируют значительные улучшения в коэрцитивной силе. Например, диффузия Tb в спеченные магниты (Ce,Nd)-Fe-B, подготовленные методом двойной основной фазы, позволяет увеличить коэрцитивную силу до 65% с относительно незначительным снижением остаточной намагниченности и максимальной энергии.
Последние разработки и направления исследований
В последние годы технология GBD быстро развивалась и достигла уровня индустриализации. Практическое промышленное применение GBD позволило сократить потребление HRE более чем на 50%. Однако остаются несколько технических и теоретических проблем. Одной из критических задач является увеличение толщины магнитов, которые могут быть эффективно обработаны с помощью GBD. В настоящее время промышленная практика в основном сосредоточена на магнитах толщиной менее 4 мм, и лишь немногие превышают 8 мм. Для приложений, требующих более высоких запасов прочности, таких как двигатели и генераторы, работающие при температурах выше 125°C, предпочтительны более толстые магниты.
Для решения этой задачи исследователи изучают методы повышения скорости диффузии диффузантов, стремясь увеличить глубину диффузии в более толстых магнитах. Один из подходов включает модификацию состава диффузантов, например, через легирование или добавление примесей, для обеспечения более эффективных каналов диффузии. Например, использование смесей Al + TbH2 в качестве диффузантов значительно улучшает коэрцитивную силу магнитов толщиной 6,5 мм по сравнению с использованием только TbH2. Введение Al способствует образованию непрерывных тонкослойных фаз на границах зерен между зернами 2:14:1, улучшая размагничивающую связь и, таким образом, повышая коэрцитивную силу.
Перспективы на будущее
Будущее технологии GBD с Ce имеет значительный потенциал для разработки высокоэффективных, экономически выгодных магнитов Nd-Fe-B. Исследования продолжают сосредотачиваться на оптимизации составов диффузантов, повышении эффективности диффузии и понимании взаимосвязей между микроструктурой и свойствами в магнитах GBD. Кроме того, необходимо разработать методы для эффективной обработки более толстых магнитов, расширяя диапазон применения технологии GBD.
В заключение, последние достижения в технологии GBD с Ce представляют собой значительный шаг вперед в решении ограничений традиционных магнитов Nd-Fe-B. Используя уникальные свойства Ce и оптимизируя процесс GBD, исследователи прокладывают путь для широкого внедрения высокоэффективных, экономически выгодных постоянных магнитов в различных отраслях, стимулируя инновации и устойчивое развитие в 21 веке.
