基于壳层重构的界面各向异性调控技术，用于高效回收富铈钕铁硼磁体并降低镨元素消耗

《Journal of Alloys and Compounds》：Shell reconstruction-enabled interfacial anisotropy engineering for high-performance recycling of Ce-rich Nd-Fe-B magnets with reduced Pr consumption

　　

黄毅|卢青梅|杨志|刘伟强|刘友豪|易晓飞|宋杰|岳明

北京工业大学材料科学与工程学院，中国北京100124

摘要

Nd-Ce-Fe-B磁体废料的回收面临着磁性能恢复与稀土元素消耗之间的矛盾。为此，我们提出了一种两步协同策略：先通过La修饰晶界，再通过Pr扩散重构，以此克服这一限制。少量LaH_x可修复受损的晶界并调控REFe₂相，从而形成预设计的微观结构。随后，低含量的PrH_x会沿晶界扩散，将富含La的晶界层替换为富含Pr且各向异性更高的晶界层。微观结构分析及微磁模拟表明，这种晶界层重构能够增强晶界处的成核场，抑制反向磁畴的生成。与传统的1.5重量% PrH_x批量共掺策略相比，我们的方法可使Pr的消耗量减少33.3%，同时实现99.3%的剩磁恢复率和100.5%的矫顽力恢复率。这项工作为调控界面各向异性和磁化反转路径提供了一种新的晶界重构方法，为高价值、低稀土消耗的铈富集永磁体废料回收提供了有效途径。

引言

随着碳中和目标的快速推进，绿色技术领域对高性能稀土永磁体的需求急剧增加，这些应用包括电动汽车和风力发电[1]、[2]。在各类可用材料中，烧结Nd-Fe-B磁体因其优异的磁性能而不可或缺[3]。然而，其生产严重依赖Nd、Pr、Dy和Tb等关键稀土元素，这引发了人们对供应安全及成本上升的担忧。在此背景下，用更为丰富且成本较低的轻稀土元素，尤其是Ce，部分替代Nd/Pr已成为一项重要的工业策略。目前，含Ce的磁体（Nd-Ce-Fe-B）已占中国烧结Nd-Fe-B磁体总产量的近三分之一，而且这一比例还在持续上升[4]。因此，在制造和加工过程中会产生大量Nd-Ce-Fe-B废料，高效、环保的回收以及高价值再生对于实现资源可持续利用和循环经济具有重要意义。

对于大块废磁体，基于氢解法的“磁体间”短流程回收方法因操作简单且回收效率高而被广泛研究[5]、[6]、[7]。然而，粉末加工过程中稀土元素不可避免地会发生氧化，从而导致回收磁体的矫顽力大幅下降。为弥补这一损失，目前的做法是添加足够甚至过量的稀土合金或氢化物（如PrH_x和NdH_x）来重构晶界相[8]、[9]、[10]、[11]。例如，我们之前的研究表明，要在铈富集的回收磁体中完全恢复矫顽力，需要高达2.3重量%的PrH_x，这不仅大幅增加了成本，还会导致剩磁不可逆地损失[12]。因此，尽管这种方法在某种程度上有效，但它本质上存在着矫顽力恢复、剩磁保持与稀土消耗之间的权衡问题。

晶界扩散为克服这一限制提供了一条可行路径[13]。通过在磁体表面引入少量稀土元素（如Pr、Nd、Dy和Tb）或其共晶合金，再经过热处理，这些元素会优先沿晶界扩散，在晶界处形成高各向异性的核壳结构，从而在尽量少使用稀土的情况下提升矫顽力[14]、[15]。近期有研究将晶界扩散技术应用于回收磁体，并取得了令人鼓舞的结果[16]、[17]。此外，在直接制备的Ce-Nd-Fe-B磁体中，熔融纺丝过程中引入La可有效抑制REFe₂相的形成，从而在提升剩磁和矫顽力的同时，为后续的扩散过程创造更有利的微观结构条件[18]、[19]、[20]。

受上述进展的启发，本研究提出了一种新的协同策略，即“La晶界修饰与Pr扩散重构”，旨在以更低的稀土消耗实现Nd-Ce-Fe-B废料的高价值再生。与传统的一步批量共掺方法不同，这种两步法首先引入少量LaH_x来修复晶界并调控REFe₂的分布，从而构建出预设计的微观结构框架。随后，通过晶界扩散引入低剂量的PrH_x，将晶界表面的化学组成从低各向异性的富La结构转变为高各向异性的富Pr结构，从而最大化Pr的利用效率。通过系统的多尺度表征和模拟，本研究明确了La辅助晶界预处理与后续Pr诱导晶界层重构之间的结构-性能关系。特别研究了这种工程化的微观结构演变如何促进矫顽力的恢复以及Pr的利用效率，从而为铈富集的Nd-Fe-B磁体的高价值回收提供了一种有效的微观结构设计策略。

章节节选

磁粉的材料与制备

本研究以安徽熊猫先进磁性材料有限公司提供的Nd-Ce-Fe-B加工废料作为原料（以下简称原始废料）。该废料的名义组成为Ce_16.5(Pr/Nd)₁₇Fe_balM_1.15B_0.92（M = Al、Cu、Co、Zr、Ti），其初始室温磁性能为B_r = 12.01千高斯，H_cj = 12.28千奥氏，(BH)_max = 33.58 MGOe。虽然其表面存在较厚的氧化层，但主要相结构依然完好。经过

磁性能与相组成

如图2(a)和2(b)所示，展示了原始废料以及四种回收磁体的室温退磁曲线，相应的磁性能数据汇总于表S1中。未经掺杂的RM-Non磁体的矫顽力由于回收过程中的稀土元素流失而显著降低（H_cj = 9.50千奥氏）。加入0.5重量%的LaH_x后，RM-La0.5磁体的矫顽力略有提升，达到9.91千奥氏，这说明微量La在一定程度上修复了受损的晶界。

结论

本研究提出了一种晶界预处理与晶界层重构策略，用于解决回收的铈富集Nd-Fe-B磁体在矫顽力恢复与稀土消耗之间的矛盾。研究结果表明，少量LaH_x可以改变晶界化学性质并构建出预处理的界面结构，而随后的Pr晶界扩散则有助于形成富含Pr的晶界表面层。这种晶界层重构能有效

CRediT作者贡献声明

黄毅：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，正式分析，数据整理。刘伟强：数据整理。卢青梅：论文撰写——审阅与编辑，项目管理。杨志：论文撰写——审阅与编辑，项目管理。易晓飞：资金筹集。岳明：项目管理，资金筹集。刘友豪：资金筹集。宋杰：资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFC3906900）以及中国机械工程学会青年精英科学家培养计划的支持。