钕磁铁中元素表面分析检测方案(电子探针)

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Application No.P108News岛津SHIMADZUhttp：//www.shimadzu.com.cn用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行日：2020年1月400-650-0439 前言 钕磁铁是所有的稀土类磁铁中拥有最强磁性特征的一种磁性材料，自1982年发明以来，广泛应用于各种领域，不仅包括手机的扩音器、笔记本电脑的硬盘，还应用于混合动力车、电动车的各种马达以及家电产品如冰箱、空调等。近年来，以节能为目的的电子设备小型化、轻量化的需求，使钕磁铁得到飞速发展，需求不断扩大，并扩展应用到了医疗用 MRI等领域。因此，对钕磁铁提出了耐热化、高矫顽力等更高技术的要求，相关研究开发工作正在推进。本文介绍使用岛津电子探针显微分析仪EPMATM (EPMA-8050G，以下简称EPMA)对晶界扩散烧结钕磁铁进行分析的事例。 S. Yoshimi， Tongxin Zhao 烧结钕磁铁的分析 烧结钕磁铁的主要构成元素是钕(Nd)、铁(Fe)、硼(B)，具有代表性的组成是 Nd1sFe77Bg. Nd Fe14B(强磁相)的主相被富B相NdFeBa相(非磁相)和富Nd相(非磁相)包围。 富Nd相是一种细薄相存在于主相的晶界处以及以氧化相形式(在空气中氧化)富集于三角晶界处。为了提高耐热性，在烧结钕磁铁中，通过使用镝(Dy)和铖(Tb)等重稀土元素代替NdFe14B主相中的部分Nd，从而提高矫顽力。在200℃左右的高温环境下， Tb提高矫顽力的效果比Dy 更大，但是由于在地壳中的储量略高，更为廉价的Dy 得到了更加广泛地使用。在钕烧结磁铁中添加10wt%以下的 Tb、Dy等重稀土类元素，可以提高主相晶界附近的磁晶各向异性，从而提高矫顽力，但是，其烧结温度非常高，达到了1100℃左右，存在重稀土类元素在主相内部扩散，导致剩磁性能下降的问题。另外，Tb、Dy主要产自中国南部的离子吸附型矿床中，储量较少，存在稳定供应的问题。因此，正在积极研究在减少 Tb、Dy使用量的同时，实现高矫顽力的方法。 图1所示为含Tb 的烧结钕磁铁的元素面分析结果，从中可以看出 Tb分布在主相晶界处，而有助于提高矫顽力的Co、Cu、Ga分布在富 Nd 相附近。 (wt9) (wt%) 2.00 8.00 40 19.0 0.00 FPr La 15.0kV 60x45pm 10pm Nd La 15.0kV 60x45pm 10pm Tb La 15.0kV60x45pm 10um 图1烧结钕磁铁的元素面 (Mapping)分析 烧结钕磁铁的晶界扩散处理 烧结磁铁的制造有二元合金法和晶界扩散法两种，其中，晶界扩散法包括通过溅射法在烧结后的磁铁表面沉积 Tb 和Dy， 并进行热处理的方法，以及涂覆 Tb、Dy 等的重稀土元素的化合物，并在低于烧结温度的温度下进行热处理的方法等。 在涂敷 Tb、Dy 的氟化物或者氧化物的晶界扩散法中，热处理时富 Nd 相溶解，部分扩散到烧结磁铁表面， Tb/Dy与之置换扩 散进入磁铁内部。通过在 Nd，Fe14B主相晶界附近产生薄而均匀且连续的富 Tb/Dy 壳层，可以抑制剩磁的下降，并同时提高矫顽力。 图2所示为对添加 Tb 并晶界扩散处理的钕磁铁表面至中心的分析结果，从中可以看出， Tb 通过主相晶界，从磁铁表面扩散到了约150um 的区域。在 COMPO 图像上的面分析结果上的线分析显示(各元素均为8wt%范围)中，可以看到 Tb 和Nd、Pr发生置换，并且 Tb 浓度沿着中心区域方向略微降低。 图2Tb 晶界扩散钕磁铁的广域元素面分析 |烧结钕磁铁的微细结构 烧结后，形成富Nd相(非磁性相)覆盖Nd，Fe4B (强磁性相)主相的结构，在主相的晶界附近容易产生逆磁畴，因此，通过扩散到晶界的 Tb， 抑制高温时的逆磁畴产生，可以实现耐热性。 将 Tb 晶界扩散处理后的钕磁铁的表面区域(图3(a))，中间区域(图3(b))，中心区域(图3(c))局部放大后进行面分析， 结果显示NdFe14B 主相晶粒呈多边形，晶粒直径为 5um左右。 与中心区域相比，表面区域的晶界 Tb浓度比主相内的浓度高，在中间及中心的内部区域中， Tb 集中在主相晶粒附近，形成了薄而均匀且连续的富 Tb壳层。 通过上述方式研究微细结构的变化，可以对耐热性和高矫顽力的特性进行评价。 图 3 Tb 晶界扩散钕磁铁的(a)表面区域、(b)中间区域、(c)中心区域的局部放大后的元素面分析 岛津应用云 ( 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 ) ( *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ) ( *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。 ) ( 如有变动，恕不另行通知。 ) 钕磁铁是所有的稀土类磁铁中拥有最强磁性特征的一种磁性材料，自1982年发明以来，广泛应用于各种领域，不仅包括手机的扩音器、笔记本电脑的硬盘，还应用于混合动力车、电动车的各种马达以及家电产品如冰箱、空调等。近年来，以节能为目的的电子设备小型化、轻量化的需求，使钕磁铁得到飞速发展，需求不断扩大，并扩展应用到了医疗用MRI等领域。因此，对钕磁铁提出了耐热化、高矫顽力等更高技术的要求，相关研究开发工作正在推进。本文介绍使用岛津电子探针显微分析仪EPMATM（EPMA-8050G，以下简称EPMA）对晶界扩散烧结钕磁铁进行分析的事例。