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        富鐵低鋯Sm2Co17型燒結(jié)永磁材料磁性能提升機(jī)理研究*

        2023-02-09 10:07:20朱亞武胡季帆
        功能材料 2023年1期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        王 帥,雍 輝,韓 婷,朱亞武,胡季帆

        (太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

        0 引 言

        Sm2Co17磁體作為第二代稀土永磁材料,因具有高的居里溫度、優(yōu)秀的磁性能、良好的溫度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),時(shí)至今日,仍是高溫永磁材料的最佳選擇,廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、高精度儀表、醫(yī)療器械、微波器件、傳感器、各種磁性傳動(dòng)裝置、高端電機(jī)等眾多領(lǐng)域[1-7]。

        眾所周知,2∶17型SmCo磁體具有典型的胞狀組織結(jié)構(gòu)[8-9]。其中胞為2∶17R相,其對Fe元素有較高溶解度,可以為磁體提供高的磁化強(qiáng)度;胞壁為1∶5H相,對Cu元素有較高的溶解度,通過合適的熱處理工藝,Cu元素可以在胞壁處富集并形成一定的濃度梯度,這也是2∶17型SmCo磁體獲得高矯頑力的關(guān)鍵所在[10-13]。另外,磁體中還存在片狀富Zr相結(jié)構(gòu),它為元素?cái)U(kuò)散提供了通道[14-16]。

        本實(shí)驗(yàn)中,我們通過調(diào)整Fe和Zr含量,在使磁體Br和(BH)max得到大幅提高的同時(shí),磁體Hcj也得到一定提升,并且結(jié)合EPMA、TEM等先進(jìn)的微結(jié)構(gòu)分析方法,研究了使磁體獲得最佳磁性能所需的微觀結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)而為以微觀結(jié)構(gòu)變化指導(dǎo)高性能2∶17型SmCo磁體的制備提供了有效思路。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法,按照商業(yè)上常用的高性能磁體成分Sm25Co51Fe15Cu6Zr3(%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))以及調(diào)整后的磁體成分Sm25Co47.4Fe19Cu6Zr2.6(%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))),分別制備出樣品A和樣品B。具體工藝為:使用中頻感應(yīng)熔煉爐制備合金鑄錠;鑄錠經(jīng)粗破碎后再通過氣流磨制粉,制備出平均粒度尺寸約為3~5 μm的合金粉末;隨后,合金粉末經(jīng)磁場取向成型及冷等靜壓制備出生坯;生坯首先在1 478~1 488 K燒結(jié)處理1 h,接著在1 423~1 453 K固溶處理4~8 h后快速冷卻到室溫;然后,磁體再在1 103~1 123 K 進(jìn)行時(shí)效處理8~10 h,之后以1 ℃/min速度緩慢冷卻到 673 K,最后快速風(fēng)冷至室溫制備出最終磁體。

        磁性能采用Hirst公司的Pulsed Field Magnetometer(PFM)進(jìn)行測量,其測試提供的最大脈沖磁場約為5 572 kA/m,可以測得高矯頑力(Hcj大于1 990 kA/m)釤鈷磁體的完整退磁曲線。采用Rigaku Smartlab型X射線衍射儀(XRD)分析磁體的相結(jié)構(gòu)。使用JXA-8530F場發(fā)射電子探針(EPMA) 進(jìn)行樣品微米級形貌和元素分布的觀察和分析。使用型號(hào)為FEI Tecnai G2 F20的透射電子顯微鏡(TEM)分析磁體納米級微觀結(jié)構(gòu),利用配備的能譜分析設(shè)備來對磁體胞狀組織成分及元素分布進(jìn)行分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 磁性能

        圖1為樣品A(Sm25Co51Fe15Cu6Zr3,%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))和B (Sm25Co47.4Fe19Cu6Zr2.6,%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))的退磁曲線,具體磁性能見表1。通過樣品A和B的磁性能對比可以看出,當(dāng)Fe含量由15%增加到19%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),Zr含量由3% 降低到2.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),磁體Br得到大幅提高,由1.07 T增加到1.13 T。(BH)max變化受Br增加影響,由217.15 kJ/m3增加到241.19 kJ/m3。另外可以發(fā)現(xiàn),磁體Hcj同時(shí)也得到一定提高,由2641.13 kA/m增加到2 774.86 kA/m。由此可見,樣品B并沒有因?yàn)镕e含量的增加和Zr含量的降低而造成矯頑力的下降,最終獲得了更高的綜合磁性能。

        圖1 樣品A和B的退磁曲線Fig.1 Demagnetization curves of samples A and B

        表1 樣品A和B的磁性能Table 1 Magnetic properties of the samples A and B

        2.2 相組成分析

        為了探究成分調(diào)整下,樣品A和B磁性能差異的原因,我們首先對磁體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖2為樣品A和B磁體粉末的XRD圖譜。由圖可知,不同F(xiàn)e、Zr含量下,樣品A和B粉末的XRD圖譜幾乎一樣。如圖2所示,樣品A和B終態(tài)磁體粉末均由2∶17R和1∶5H相組成。這說明XRD沒有表征出樣品A和B之間的差異。

        圖2 樣品A和B終態(tài)磁體粉末的XRD圖Fig.2 XRD patterns of the powders of aged specimens A and B

        2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

        為了揭示樣品A和B微觀結(jié)構(gòu)區(qū)別,我們對磁體采用EPMA進(jìn)行表征。圖3為樣品A和B的背散射(BSE)和EPMA元素分布圖。如圖3(a)所示,樣品A中除了灰色基體相和白色相外,還存在許多塊狀沉淀相(如圖中箭頭所示位置)。而樣品B中沒有發(fā)現(xiàn)塊狀沉淀相存在。表2給出了樣品A和B中各相的成分,可以看出,樣品A和B中白色相為釤的氧化物(Sm2O3),而樣品A中塊狀相為富Zr相??梢?,隨著Fe含量由15%增加到19%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),Zr含量由3% 降低到2.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),磁體中塊狀富Zr相明顯減少。這是由于樣品本身Fe含量增加, Zr含量的降低造成的,因此,最終樣品B中沒有發(fā)現(xiàn)富Zr沉淀相存在。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[22-23],富Zr相為軟磁相,會(huì)降低磁體Br,從而降低(BH)max,這也是樣品B的Br和(BH)max得到提高的一個(gè)原因。

        圖3 磁體SEM背散射圖及Sm, Co, Cu, Fe, Zr元素EPMA面掃圖: (a)樣品A; (b)樣品BFig.3 SEM-BSE and EPMA mapping images of Sm, Co, Cu, Fe and Zr elements of the magnets: (a) specimen A; (b) specimen B

        磁體磁性能和其胞狀組織結(jié)構(gòu)及胞壁處Cu元素分布密切相關(guān)。為了揭示磁體(BH)max增加的同時(shí),Hcj提高的原因,我們對樣品A和B的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的TEM分析。圖4為樣品A和B觀察面垂直于c軸(a、b)和平行于c軸(c、d)的TEM圖片。如圖4(a)和(b)所示,磁體均形成了完整的胞狀組織結(jié)構(gòu),其中樣品A擁有的胞狀組織尺寸較小,平均胞尺寸約為92.09 nm,樣品B胞尺寸較大,平均胞尺寸約為100.62 nm。圖4(c)和(d)給出了磁體片狀相組織的情況??梢?,樣品A和B均析出了清晰的片狀相,片狀相密度分別約為0.043 1/nm和0.036 1/nm,樣品A的片狀相密度略高于樣品B,這是由于樣品A成分中含有更高的Zr含量所致。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[20],兩樣品磁體均有足夠的片狀相為Cu元素?cái)U(kuò)散提供通道。

        表2 圖3中相應(yīng)位置相的Sm, Co, Fe, Cu, Zr含量Table 2 Sm, Co, Fe, Cu and Zr content of the locations shown in Fig. 3

        圖4 磁體TEM圖:(a)樣品A,(b)樣品B(c軸垂直于觀察面);(c)樣品A,(d)樣品B(c軸平行于觀察面)

        圖5(c)和(d)為樣品A和B磁體胞和胞壁處Cu元素分布的線掃描能譜分析,其檢測位置為圖5(a)和(b)中白線處。從圖中可以看出,樣品A和樣品B磁體胞壁處Cu元素都存在富集現(xiàn)象,而樣品B磁體胞壁相中Cu含量明顯高于樣品A磁體,樣品A和B胞壁處平均峰值Cu濃度分別約為21.4%和26.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

        2.4 磁性能提升機(jī)理

        通過以上分析結(jié)果可知,F(xiàn)e、Zr元素含量變化可對磁體微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響,也正因如此,磁體表現(xiàn)出不同的磁性能。樣品A和B相比較,隨著Fe含量由15%增加到19%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),Zr含量由3% 降低到2.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),磁體平均胞尺寸得到增加,這和文獻(xiàn)報(bào)道一致[14, 17, 20]。此時(shí)磁體形成較大的胞狀組織,胞壁相減少,由于磁體中Cu元素總含量一定,胞壁相的減少導(dǎo)致胞壁相中Cu濃度提高,因此,樣品B胞壁處獲得了更高的Cu濃度。2∶17型燒結(jié)SmCo磁體的Hcj來源于2∶17R相和1∶5H相的疇壁能差(Δγ=γ2∶17-γ1∶5),對于1∶5H胞壁相來說,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,隨著Cu元素含量增加,γ1∶5會(huì)降低,這使得2∶17相和1∶5相的Δγ增大,磁體Hcj升高[24-26],因此,樣品B獲得了更高的Hcj。但當(dāng)Fe含量過高時(shí),磁體會(huì)形成過大且不完整的胞狀組織結(jié)構(gòu),造成磁體Hcj急劇下降;當(dāng)Zr含量過低時(shí),會(huì)造成磁體片狀相密度很低,因此,沒有足夠的擴(kuò)散通道使Cu元素在胞壁處富集,導(dǎo)致胞壁處Cu濃度較低[20]。所以,以微觀結(jié)構(gòu)特征為指導(dǎo),在合適范圍內(nèi)調(diào)控Fe、Zr含量是磁體同時(shí)獲得高(BH)max和Hcj的關(guān)鍵。

        3 結(jié) 論

        本文通過調(diào)整Fe、Zr含量,使磁體(BH)max和Hcj同時(shí)得到了提升,并從微觀結(jié)構(gòu)角度,研究了磁體磁性能提高的原因,得出以下結(jié)論:

        (1)隨著Fe含量由15%增加到19%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),Zr含量由3% 降低到2.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),磁體Br和 (BH)max得到了顯著提高,并且,磁體Hcj也得到一定提高,由2641.13 kA/m增加到2 774.86 kA/m。

        (2)當(dāng)Fe含量為15%, Zr含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),磁體內(nèi)有塊狀富Zr相存在,降低磁體剩磁。

        (3)當(dāng)Fe含量為19%, Zr含量為2.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),磁體形成了較大尺寸的胞組織(100.62 nm),因此胞壁處獲得了較高的峰值Cu濃度(26.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))),這是磁體在Br和 (BH)max提高的同時(shí),Hcj也得到提高的主要原因。

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