Verhoging van de coerciviteit van La/Ce-rijke RE-Fe-B magneten via Dy₂O₃–Ca co-doping

Samenvatting

Zeldzame-aard-rijke RE-Fe-B permanente magneten lijden traditioneel aan lage coerciviteit, wat hun commerciële aantrekkelijkheid beperkt ondanks de kosten- en beschikbaarheidsvoordelen van La en Ce. In deze studie gebruikten we een industriële legering (RE₁₀₀ = La₃₀,₆Ce₅₀,₂Pr₆,₄Nd₁₂,₈) en fabriceren RE-Fe-B magneten via hoge-energie balmallen gevolgd door vacuümaanlozing. Co-doping met 7 wt.% Dy₂O₃ en 2,3 wt.% Ca produceerde een spectaculaire coerciviteitstoename van 2,44 kOe naar 11,43 kOe. Röntgendiffractie en TEM onthullen dat Dy-atomen in het RE₂Fe₁₄B-rooster geïncorporeerd worden, wat de magnetokristallijne anisotropie verhoogt, terwijl Ca Dy₂O₃ reduceert, wat de vorming van Dy-rijke nanokristallen bevordert die domeinwandbeweging hinderen. Deze synergistische effecten liggen ten grondslag aan de superieure magnetische prestaties die behaald worden met hoog beschikbare zeldzame aarden.

Achtergrond

La en Ce zijn aantrekkelijk voor permanente magnetproductie vanwege hun overvloed en lage kosten, maar hun verminderde magnetokristallijne anisotropie in La₂Fe₁₄B en Ce₂Fe₁₄B belemmert prestaties. Uitgebreid onderzoek heeft zich gericht op het substitueren van Nd met La/Ce in Nd-Fe-B magneten en het optimaliseren van de microstructuur om verlies te mitigeren. Zware zeldzame aarden zoals Dy of Tb zijn bekende verbeterders van coerciviteit en thermische stabiliteit; hun hoge kosten kunnen echter de voordelen van La/Ce-gebruik teniet doen. Goedkope Dy- en Tb-oxiden, gecombineerd met een reducerend middel, bieden een levensvatbare alternatief. Calcium heeft zich als effectief reductant in het Ca-reductie-diffusieproces bewezen, wat de transformatie van zeldzame-aard-oxiden in actieve legeringselementen tijdens mechanische maling en daaropvolgende aanlozing mogelijk maakt.

Methoden

We smolten de industriële RE-legering (RE₁₀₀ = La₃₀,₆Ce₅₀,₂Pr₆,₄Nd₁₂,₈, 99,5 wt.%) samen met Fe (99,9 wt.%) en een Fe-B legering (RE₁₃,₆Fe₇₈,₄B₈, 99,5 wt.%) om een nominële samenstelling van RE₁₃,₆Fe₇₈,₄B₈ te produceren. De lingot werd gepulveriseerd en gemalen in een argon-gevulde handschoenbak met stalen ballen (12 mm) bij 700 toer/min gedurende 5 u. Dopanten werden vóór maling toegevoegd: 2,3 wt.% Ca (monster MC), 3 wt.% Dy₂O₃ (M3D), 7 wt.% Dy₂O₃ (M7D) en de co-dopant combinatie 7 wt.% Dy₂O₃ + 2,3 wt.% Ca (M7DC). Een referentiemonster zonder dopanten (RM) werd ook voorbereid. Na-maling aanlozing werd uitgevoerd bij 620–780 °C gedurende 10 min onder hoog vacuüm (<1,3 × 10⁻³ Pa). Fase-identificatie werd gedaan met Cu-Kα röntgendiffractie (λ = 0,15406 nm). Magnetische hysterese werd bij kamertemperatuur gemeten met een LakeShore 7404 VSM; monsters werden geperst tot 2 mm × 4 mm cylinders en gecorrigeerd voor demagnetisatie (factor 0,28). Temperatuurafhankelijke magnetisatie (300–700 K) en microstructuur werden gekarakteriseerd door PPMS en JEM-2100F TEM, respectievelijk.

Resultaten en Discussie

Figuur 1 toont dat alle geanleede monsters voornamelijk de RE₂Fe₁₄B-fase bevatten. Gedetailleerde XRD-analyse onthult roostersamenvatting met Dy₂O₃-doping en zowel a- als c-as samenvatting met de co-dopanten, wat Dy-incorporatie in het 2:14:1 rooster aangeeft. Ca alleen induceert een bescheidene cel-samenvatting, wat partiële substitutie van RE-posities suggereert. De totale volumevermindering in het co-gedopte monster overstijgt de som van de individuele effecten, wat Ca's rol in het bevorderen van Dy-installatie bevestigt.

Magnetisatie-temperatuurcurves (Figuur 2) tonen een bescheidene Curie-temperatuurstijging van 551,5 K (RM) naar 564,5 K (Ca-gedopt) en 566,1 K (co-gedopt), consistent met Dy- en Ca-incorporatie. Coerciviteitsmetingen (Figuur 3) illustreren een duidelijke verbetering: M7D bereikt 7,65 kOe, terwijl M7DC 11,43 kOe bereikt – een toename van 9,1 kOe ten opzichte van RM. Het co-gedopte monster vertoont een dubbele nucleatie-domeinwand-pinning omkeermechanisme, zoals bewijzen door de initiële magnetisatiecurve.

Microstructureel onderzoek (Figuren 5 en 6) onthult een nanokristallijne matrix doorzet met grove Dy/Ca-rijke korrels. Energie-dispersieve spectroscopie bevestigt hoge Dy-concentraties in deze korrels, die dienstdoen als effectieve pinningplaatsen door hun verhoogde anisotropie. De Ca-gedreven reductie van Dy₂O₃ verbetert Dy-diffusie tijdens aanlozing, wat de vorming van deze gunstige microstructuurkenmerken vergemakkelijkt.

Conclusies

Co-doping van La/Ce-rijke RE-Fe-B magneten met Dy₂O₃ en Ca verhoogt de coerciviteit dramatisch van 2,44 kOe naar 11,43 kOe. Ca bevordert Dy-incorporatie in het RE₂Fe₁₄B-rooster via een reductieve reactie, wat resulteert in een nanokristallijne structuur met Dy-rijke korrels die domeinwandbeweging hinderen. Deze benadering biedt een kosteneffectieve weg naar hoogpresterende permanente gematine gedomineerd door overvloedige zeldzame aarden.