Giới thiệu tóm tắt về quá trình khuếch tán ranh giới hạt

Tính khả thi của nam châm vĩnh cửu có thể được đánh giá bằng độ ổn định của từ dưAnh, lực cưỡng bức nội tạiHcjvà sản phẩm năng lượng tối đa(BH)tối đatrong điều kiện bên ngoài. Nam châm có độ cao hơnAnhcó thể cung cấp cường độ từ trường mạnh hơn, sau đó cao hơnHcjcó thể phục vụ khả năng chống nhiễu tốt hơn nhiều. Giá trị của(BH)tối đathể hiện khả năng cung cấp năng lượng tĩnh từ của nam châm vĩnh cửu. Có thể thấy từ hình bên dưới, cao(BH)tối đaNam châm có thể cung cấp cùng một cường độ từ trường với mức tiêu thụ ít hơn, do đó lịch sử phát triển của nam châm vĩnh cửu về cơ bản là một quá trình theo đuổi hiệu suất cao hơn.

Hầu hết các nguyên tố đất hiếm có thể tạo thành RE₂Fe₁₄Hợp chất B với Fe và B, và Nd₂Fe₁₄Hợp chất B có từ độ bão hòa cao nhất và trường dị hướng từ tinh thể chức năng cao nhất trong số các RE này₂Fe₁₄Hợp chất B. Ngoài ra, trữ lượng Neodymium trong lớp vỏ Trái Đất tương đối dồi dào, có thể duy trì sự ổn định của chuỗi cung ứng và lợi thế về chi phí.

Nhiều quan sát về cấu trúc vi mô cho thấy có sáu pha tồn tại trong nam châm Neodymium thiêu kết, sau đó là Nd₂Fe₁₄Pha chính B và pha giàu Nd được biết đến nhiều nhất do ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất từ ​​tính. Nd₂Fe₁₄Pha chính B là pha từ cứng duy nhất trong nam châm thiêu kết và tỷ lệ thể tích của nó quyết địnhAnhVà(BH)tối đacủa hợp kim Nd-Fe-B. Pha giàu Nd đóng vai trò quan trọng trong quá trình tôi từ của nam châm Neodymium thiêu kết. Thành phần, cấu trúc, phân bố và hình thái của nó rất nhạy cảm với các điều kiện quy trình. Pha giàu Nd tốt nhất ở dạng cấu trúc phân lớp và phân bố liên tục trong các vùng ranh giới hạt.

Tăng cường lực kháng từ của nam châm Neodymium thiêu kết

Máy phát điện gió, xe năng lượng mới, thiết bị gia dụng tiết kiệm năng lượng và thiết bị đầu cuối thông minh di động mới nhất đều yêu cầu nam châm Neodymium thiêu kết không chỉ có độ bền cao(BH)tối đa, nhưng cũng có ưu việtHcj. Luôn luôn là một vấn đề lớn để nâng caoHcjtrong khi vẫn duy trì mức caoAnhVà(BH)tối đa.

Lực kháng từ nội tại của nam châm Neodymium thiêu kết chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cấu trúc vi mô và thành phần. Tối ưu hóa cấu trúc vi mô tập trung vào việc tinh chỉnh hạt và cải thiện sự phân bố của pha giàu Nd. Thành phần có thể được tối ưu hóa thông qua việc thêm các nguyên tố khác để cải thiện trường dị hướng từ tinh thể của hạt pha chính. Có mối quan hệ tích cực giữa lực kháng từ của nam châm Neodymium thiêu kết và trường dị hướng từ tinh thể của hạt pha chính. Nói cách khác, trường dị hướng từ tinh thể của hạt pha chính càng cao thì lực kháng từ của nam châm Neodymium thiêu kết càng cao. H_Acủa Dy₂Fe₁₄B và Tb₂Fe₁₄B cao hơn đáng kể so với Nd₂Fe₁₄B, sau đó thêm một lượng nhỏ nguyên tố Dy hoặc Tb để thay thế nguyên tử Nd trong mạng pha chính sẽ hình thành (Nd, Dy)₂Fe₁₄B hoặc (Nd, Tb)₂Fe₁₄B với H cao hơn_Acó thể cải thiện hiệu quả lực kháng từ nội tại. Các phương pháp bổ sung thường được sử dụng bao gồm quy trình hợp kim truyền thống, quy trình sửa đổi ranh giới hạt và quy trình khuếch tán ranh giới hạt.

Quá trình hợp kim

Quá trình hợp kim hóa là quá trình thêm một tỷ lệ nhất định HREE Dy hoặc Tb vào nguyên liệu thô của nam châm Neodymium thiêu kết, sau đó tất cả các nguyên tố đều thể hiện sự đồng nhất về thành phần thông qua quá trình nóng chảy. Cơ chế kháng từ của nam châm Neodymium thiêu kết chỉ ra rằng miền từ đảo ngược có xu hướng hình thành hạt nhân tại các vùng ranh giới của pha chính và sự phân bố đồng đều của HREE sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên và tăng chi phí. Trên hết, sự kết hợp phản sắt từ giữa các nguyên tử Fe và các nguyên tử Dy sẽ tạo ra hiệu ứng pha loãng từ nghiêm trọng và làm suy giảm đáng kểAnhVà(BH)tối đa.

Quá trình sửa đổi ranh giới hạt

Để cải thiện tỷ lệ sử dụng HREE và tránh hiệu ứng pha loãng từ tính, quy trình sửa đổi ranh giới hạt được đề xuất. Đầu tiên, quy trình sửa đổi ranh giới hạt sản xuất Nd₂Fe₁₄Hợp kim chính B và hợp kim phụ giàu HREE tương ứng, sau đó ép và thiêu kết sau khi trộn hai hợp kim theo tỷ lệ nhất định. Dy và Tb sẽ khuếch tán đến hạt pha chính từ ranh giới hạt trong quá trình thiêu kết, do đó hình thành (Nd, Dy)₂Fe₁₄B hoặc (Nd, Tb)₂Fe₁₄B các lớp làm cứng từ tại các vùng ranh giới của pha chính và do đó làm giảm sự hình thành hạt của miền từ đảo ngược. Ngay cả quá trình sửa đổi ranh giới hạt cũng thúc đẩy tỷ lệ sử dụng hoặc HREE, HREE vẫn tồn tại không thể tránh khỏi bên trong hạt pha chính và tạo ra hiệu ứng pha loãng từ. Quá trình sửa đổi ranh giới hạt có ý nghĩa khai sáng đối với quá trình khuếch tán ranh giới hạt tiếp theo.

Quá trình khuếch tán ranh giới hạt

Quá trình khuếch tán ranh giới hạt bắt đầu bằng cách đưa lớp HREE vào bề mặt nam châm, sau đó trải qua quá trình xử lý nhiệt chân không trên điểm nóng chảy của pha giàu Nd. Do đó, nguyên tố HREE khuếch tán vào nam châm dọc theo ranh giới hạt và tạo thành (Nd, Dy, Tb)₂Fe₁₄Cấu trúc lõi-vỏ B xung quanh hạt của pha chính. Sau đó, trường dị hướng của pha chính sẽ được tăng cường, trong khi đó, pha ranh giới hạt trở nên liên tục và thẳng hơn, điều này sẽ làm suy yếu sự ghép nối trao đổi từ giữa các pha chính. Đặc điểm quan trọng nhất của quá trình khuếch tán ranh giới hạt là cho phép nam châm tăngHcjtrong khi đồng thời duy trì mức caoAnh. Không giống như quá trình hợp kim hóa, các nguyên tố HREE không cần phải đi vào pha chính, do đó tạo ra sự giảm đáng kể về lượng HREE và giá thành trong nam châm Neodymium thiêu kết có độ kháng từ cao thông thường. Ranh giới hạt cũng có khả năng sản xuất một số loại mới mà trước đây không thể tưởng tượng được thông qua quá trình hợp kim hóa, chẳng hạn như N54SH và N52UH.

Xử lý khuếch tán ranh giới hạt sẽ được thực hiện sau quá trình gia công. Lớp HREE có thể thu được bằng cách phun, lắng đọng hơi vật lý (PVD), điện di và bốc hơi nhiệt.

Hạn chế của quá trình khuếch tán ranh giới hạt

Quá trình khuếch tán ranh giới hạt chủ yếu bị hạn chế bởi độ dày của nam châm, và mức độ tăng cường của lực kháng từ nội tại giảm khi độ dày tăng. Tăng nhiệt độ khuếch tán hoặc kéo dài thời gian khuếch tán có thể thúc đẩy độ sâu và nồng độ của HREE khuếch tán, sau đó thúc đẩy phần thể tích của cấu trúc lõi-vỏ HREE. Tuy nhiên, nhiệt độ và thời gian khuếch tán quá mức sẽ dẫn đến sự phát triển hạt của pha chính, trong khi đó, cấu trúc pha và sự phân bố của pha giàu Nd cũng sẽ thay đổi.