铈/钆比对高丰度烧结钕铁硼磁体微观结构和磁性能的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effects of Ce/Gd ratio on microstructure and magnetic properties of high-abundance sintered Nd-Fe-B magnets

　　

摘要

为降低烧结Nd-Fe-B磁体的生产成本，工业上常用Ce替代Nd，但Ce-Fe-B的磁性能较差，需要与Gd进行协同调控。本工作以固定的稀土总含量32.21 wt%制备了烧结Nd-Fe-B磁体，旨在探讨Ce/Gd比对微观组织和磁性能的影响。结果表明，降低Ce/Gd比可使矫顽力从6.68 kOe提高到8.65 kOe，同时剩磁和最大磁能积也得到改善。XRD Rietveld精修分析表明，主相含量从87.80%增加到92.40%，而CeFe₂缺陷相从9.77%降低到6.43%。其机理在于，过量的Ce导致价态分化、粗大CeFe₂析出和晶界润湿性差，而Gd则优化晶界结构并形成钝化层。适当的Ce/Gd比可协同调控CeFe₂形貌、晶界润湿性以及稀土价态/偏析，从而同步提升矫顽力和耐腐蚀性。

引言

烧结Nd-Fe-B永磁体因其优异的磁性能被广泛应用于各个领域，应用范围从小型玩具到风力发电机和混合动力汽车电机，在这些应用中，磁体需要在高温下保持良好的磁性能。在各项磁性能中，矫顽力是最重要的性能之一[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。矫顽力受磁体的微观组织和局部磁晶各向异性场控制。提高矫顽力的传统方法是在初始Nd-Fe-B材料中掺入重稀土元素，如Tb、Dy、Ce、Pr、Ga和Gd，因为稀土元素的添加可以增加Nd₂Fe₁₄B相的局部磁晶各向异性场，从而改善矫顽力。然而，由于稀土元素是不可再生的且储量有限，过量添加这些元素不可避免地会提高磁体成本。因此，如何制造兼具高性能磁性和低成本特性的Nd-Fe-B磁体一直是研究重点[9]、[10]、[11]、[12]。随着对高丰度稀土烧结Nd-Fe-B磁体需求的激增，Nd、Pr、Dy等中重稀土资源供应紧张且价格高昂，而地壳丰度高、成本低的La、Ce和Y长期未被有效利用，使得高丰度稀土的均衡利用成为产学研界的研究热点。本研究聚焦于以高丰度轻稀土（La/Ce/Y）替代的烧结Nd-Fe-B磁体的冶金行为和磁性能，结果表明，在25 wt% La/Ce/Y替代Nd后，Ce替代磁体表现出最优的综合性能，Y替代磁体形成核壳结构，而La替代磁体性能最差。具体而言，Nd-Ce-Fe-B磁体（Ce替代）实现了矫顽力H_cj = 11.82 kOe、剩磁B_r = 13.12 kGs和最大磁能积(BH)_max = 39.86 MGOe [13]、[14]。此外，通过在(Ce,Gd)-Fe-B合金中引入适量Gd并添加低熔点晶界添加剂以增强Ce-Fe-B，可显著提高RE₂Fe₁₄B相的结构稳定性并提高矫顽力；以Gd部分替代Nd也可通过细化晶粒结构和优化晶界结构有效改善烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能[15]。尽管已有上述研究进展，但Gd-Fe-B三元合金本身的组成与性能之间的关联鲜有报道。因此，本工作对不同Ce/Gd比含量的含高丰度稀土元素磁体进行了全流程结构演变的系统研究，以进一步挖掘其磁性能潜力，具有重要意义。这不仅对稀土资源的均衡利用具有重要价值，还可大幅降低稀土永磁体的制备成本。

章节摘要

实验

三种研究磁体的名义成分以重量百分比（wt%）按工业命名法表示，分别标记为PN_10.85Ce_19.94Gd_1.42、PN_12.65Ce_17.54Gd_2.02和PN_13.85Ce_15.94Gd_2.42（PN：Pr和Nd），其余成分为Fe（65.86 wt%）、B（0.91 wt%）及微量合金元素M（1.1 wt%，其中Cu 0.20、Al 0.60、Zr 0.12、Ti 0.10 wt%）。为简便起见，以下将根据其Ce/Gd含量将这些样品简称为Ce_19.94Gd_1.42、Ce_17.54Gd_2.02、Ce_15.94

XRD物相分析

通过X射线衍射（XRD）分析了烧结Nd-Fe-B样品的物相组成，并通过将衍射图谱与标准PDF卡片进行系统对比，明确鉴定了主要物相。随后对磁体的室温XRD数据进行了Rietveld精修，结果如图2所示。精修结果表明，主相含量为87.80%–92.40%，次相含量为6.43%–9.77%，其余部分对应

讨论

Rietveld精修结果表明，当名义成分从Ce_19.94Gd_1.42变化到Ce_15.94Gd_2.42时，RE?Fe??B主相含量从87.80%增加到92.40%，而CeFe?相含量从9.77%降低到6.43%。由于在固定稀土总含量下Ce含量降低而Gd和Pr/Nd含量同时增加，CeFe?的减少和晶格参数的变化应解释为耦合的组成效应，而非

结论

• (1)
  校正后的Rietveld精修结果表明，随着名义成分从Ce_19.94Gd_1.42变化到Ce_15.94Gd_2.42，RE?Fe??B主相含量从87.80%增加到92.40%，而CeFe?相含量从9.77%降低到6.43%。
• (2)
  相同的成分变化使Hcj从6.68 kOe提高到8.65 kOe，Br从9.57 kGs提高到10.67 kGs，(BH)max从20.68 MGOe提高到25.89 MGOe，矩形度从93.22%提高到96.31%。硬磁主相含量的增加、CeFe?的减少以及晶界连续性的改善

CRediT作者贡献声明

唐福全：撰写——初稿、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。卢兆：撰写——审阅与编辑、资源获取、资金获取。赵国栋：调查研究。姚庆荣：资源获取。余洪宝：监督指导、资源获取。江克伟：监督指导。甘芳宇：监督指导。黄彩民：撰写——审阅与编辑、资源获取、资金获取。付刚：资源获取、资金获取。史大为：资源获取、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的与本文报告的研究工作相关的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作由广西科技项目资助（项目编号：ZG2600640015、JF2503980011、AA24206012）。

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