Исследование возможности получения композиционных материалов Pr₂Fe₁₄B/α-Fe методом окисления сплава Pr–Fe–B в струйной мельнице с псевдоожиженным слоем

Представлены результаты исследований по возможности получения композиционных материалов Pr₂Fe₁₄B/α-Fe методом окисления сплава Pr–Fe–B в струйной мельнице с псевдоожиженным слоем. Показано, что для  редкоземельных магнитотвердых материалов (МТМ) использование стандартной технологии порошковой металлургии, дополненной методом окисления сплава Pr–Fe–B в струйной мельнице с псевдоожиженным слоем, позволяет получать композиты Pr₂Fe₁₄B/α-Fe с высокими магнитными характеристиками. Установлено, что при получении мелкодисперсных порошков по предложенной  технологии в среде аргона, содержащей до  0,2  об.% кислорода, происходит рост остаточной магнитной индукции (B_r) при незначительном падении коэрцитивной силы ( jH_c). Данный эффект вызывает увеличение максимального энергетического произведения (BH)_max на 5 %. При дальнейшем повышении концентрации кислорода происходит практически полное окисление высокопразеодимовой фазы Pr_xFe, которое приводит к резкому падению коэрцитивной силы  и, как следствие, снижению (BH)_max. Образующиеся в результате окисления магнитного материала частицы фазы α-Fe формируются на границах меж ду зернами фазы Pr₂Fe₁₄B. При этом наивысшие магнитные характеристики реализуются в том случае, когда частицы α-Fe отделены от зерен основной магнитной фазы тонкими прослойками немагнитных фаз, что и позволяет поддерживать высокий уровень jH_c у спеченных образцов МТМ. При этом оптимальная толщина слоев α-Fe составляет 0,2–0,3 мкм.  На образцах, полученных при  содержании кислорода 0,3  об.%, толщина слоев α-Fe оказалась значительно больше (от 0,8 до 1,1 мкм),  что привело к снижению коэрцитивной силы  образцов почти на 10 %, а остальных магнитных параметров (B_r , (BH)_max)  – на 3–7 %. Таким образом, регулируя содержание кислорода в рабочей среде струйной  мельницы, можно изменять толщину прослойки образующейся фазы α-Fe в композиционном материале Pr₂Fe₁₄B/ α-Fe и контролировать его магнитные параметры.

1. Matsuura Y. Recent development of Nd—Fe—B sintered magnets and their applications. J. Magn. Magn. Mater. 2006. Vol. 303. P. 344—347.

2. Шумкин С.С., Прокофьев П.А., Семенов М.Ю. Производство постоянных магнитов из магнитотвердых сплавов с использованием редкоземельных металлов. Металлург. 2019. No. 5. С. 37—42.

3. Alymov M.I., Milyaev I.M., Yusupov V.S., Milyaev A.I. Nanocrystalline hard magnetic materials. Adv. Mater. Technol. 2017. No. 2. P. 10—18.

4. Gutfleisch O., Bollero A., Handstein A., Hinz D., Kirchner A., Yan A., Müller K.-H., Schultz L. Nanocrystalline high performance permanent magnets. J. Magn. Magn. Mater. 2002. Vol. 242—245. P. 1277—1283.

5. Wang C., Yan M., Zhang W.Y. Effects of Nb and Zr additions on crystallization behavior, microstructure and magnetic properties of melt-spun (Nd,Pr)2Fe14B/α-Fe alloys. J. Magn. Magn. Mater. 2006. Vol. 306. No. 2. P. 195—198.

6. Савченко А.Г., Менушенков В.П., Пластинин А.Ю., Щетинин И.В., Рафальский А.И., Бордюжин И.Г., Рязанцев В.А., Вербецкий В.Н. Фазовый состав и магнитные свойства нанокомпозитов Nd2Fe14B/α-Fe, полученных методом механического сплавления. Деформация и разрушение материалов. 2017. No. 10. С. 30—34.

7. Sheng H., Zeng X., Jin C., Qian H. Microstructure and magnetic properties of directly quenched Nd2Fe14B/α-Fe nanocomposite materials at different temperatures. J. Central South Univ. 2014. Vol. 21. Iss. 4. Р. 1275—1278.

8. Li H., Li W., Zhang Y., Zhang X., Gunderov D.V. Phase evolution, microstructure and magnetic properties of bulk α-Fe/Nd2Fe14B nanocomposite magnets prepared by severe plastic deformation and thermal annealing. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 651. P. 434—439.

9. Zeng X., Sheng H., Jin C., Qian H. Magnetic properties and microstructure of melt-spun Nd2Fe14B/α-Fe nanocomposite magnets with a perpendicular anisotropy. J. Magn. Magn. Mater. 2016. Vol. 401. P. 1155—1158.

10. Daisuke Ogawa, Kunihiro Koike, Shigemi Mizukami, Takamichi Miyazaki, Mikihiko Oogane, Yasuo Ando, Hiroaki Kato. Negative exchange coupling in Nd2Fe14B(100)/α-Fe interface. Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107. P. 102406.

11. Praseodymium and neodymium-based nanocrystalline hard magnetic alloys. URL: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-online-proceedings-library-archive/article/praseodymium-and-neodymiumbased-nanocrystalline-hard-magnetic-alloys/FA6BBB993817B26F7B-051308C6ECB099 (дата обращения: 24.10.2019 г.)

12. Besley L., Garitaonandia J.S., Molotnikov A., Kishimoto H., Kato A., Davies C., Suzuki K. Low temperature texture development in Nd2Fe14B/α -Fe nanocomposite magnets via equal channel angular pressing. AIP Advances. 2018. Vol. 8. Iss. 5. P. 219—226.

13. Benabderrahmane C., Berteaud P. Nd2Fe14B and Pr2Fe14B magnets characterisation and modelling for cryogenic permanent magnet undulator applications. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. А. 2012. Vol. 669. P. 1—6.

14. Neznakhin D.S., Politova G.A., Ivanov L.A., Volegov A.S., Gorbunov D.S., Tereshina I.S., Kudrevatykh N.V. Low-temperature magnetic hysteresis in Nd(Pr)—Fe—B nanostr uctured alloys with Nd2Fe14B type main phase composition. Defect Diffus. Forum. 2018. Vol. 386. P. 125—130.

15. Tang W., Zhou S., Wang R., Graham C.D. An investigation of the Nd-rich phases of the Nd—Fe—B system. J. Appl. Phys. 1988. Vol. 64. No. 10. P. 5516—5518.

16. Hao Z., Zhang S., Bao D., Han X. Investigation of high coercivity Dy/Tb-free sintered NdFeB magnet microstructure and mass production. In: Proc. 24th Intern. workshop on rare earth and future permanent magnets and their applications (REPM 2016) (Darmstadt, Germany, 28 Aug. — 1 Sept. 2016). Р. 56—62.

17. Rybalka S.B., Goltsov V.A., Didus V.A., Fruchart D. Fundamentals of the HDDR treatment of Nd2Fe14B type alloys. J. Alloys Compd. 2003. Vol. 356—357. P. 390—394.

18. Kim Tae-Hoon, Kang Min-Chul, Lee Junggoo, Kwon Hae-Woong, Kim Dong, Yang Сheol-Woong. Crystallographic alignment of Fe2B and Nd2Fe14B for texture memory in hydrogenation—disproportionation—desorption—recombination-processed Nd—Fe—B powders. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 732. P. 32—42.

19. Нагата Х., Сагава М. Идеальная технология получения спеченных магнитов NdFeB. В сб.: Материаловедение и металлургия. Перспективные технологии и оборудование: Матер. Росс.-Япон. сем. МИСиС—ULVAC Inc., 2003. C. 105—113.

20. Goll D., Seeger M., Kronmuller H. Magnetic and microstructural properties of nanocrystalline exchange coupled PrFeB permanent magnets. J. Magn. Magn. Mater. 1998. Vol. 185. P. 49—60.

21. Fan X.D., Tian N., You C.Y. Inf luence of Nd doping on the magnetic properties of Nd2Fe14B/α-Fe nanocomposite magnets. Mater. Sci. Forum. 2015. Vol. 809—810. P. 88—92.

22. Manta E., Cekić B., Ivanovski V., Umićević A., Ćirić K. Mössbauer spectroscopic analysis of (Nd,Pr,Dy)2(Fe,Co)14B/ α-Fe permanent magnetic nanocomposites. Powder Metall. Adv. Mater. 2018. Vol. 8. Р. 70—79.