● 摘要
永磁材料是一种重要的功能材料，广泛应用于现代社会的各个方面。随着现代科技的快速发展一些重要行业对永磁材料的使用温度提出了更高的要求，航空航天、国防以及民用高科技领域均对使用温度高于400℃的永磁材料提出了明确需求。TbCu7结构的SmCo7永磁合金具有Sm2Co17合金大的饱和磁化强度、高的居里温度，以及SmCo5合金高磁晶各向异性场的优点，同时矫顽力温度系数也较低，极有可能发展成为一种性能优异的新型高温稀土永磁材料。本文系统研究了成分和制备工艺对Sm-Co 1:7型高温稀土永磁合金结构和磁性能的作用。以Sm-Co-Ti三元合金为对象，研究了成分Sm/(Co, Ti) 原子比率变化对合金结构和磁性能的影响，同时使用甩带快淬工艺和高能球磨加热处理工艺制备合金样品。研究了Al、Ni和Mo三种元素添加对Sm-Co 1:7型永磁合金结构和磁性能的作用，并对Sm-Co 1:7型纳米晶烧结永磁体的成形、制备技术进行了研究。 成功制备了SmCox-0.4Ti0.4 (x = 7.0 ~ 8.5) 宽成分1:7型纳米晶结构合金薄带，揭示了该系列合金磁性能随成分Sm/(Co, Ti) 原子比率的变化规律。SmCox-0.4Ti0.4甩带样品饱和磁化强度Ms随着合金Sm/(Co, Ti) 原子比率减小而线性增大，由1/7时71 Am2/kg增加到1/8.5时的84 Am2/kg，而剩余磁化强度Mr则先增加后减小，在x = 7.5时达到最大值43 Am2/kg。在x = 7.0和7.5合金薄带中均得到了大于0.9 T的高矫顽力uoiHc，这主要来源于合金1:7相高的磁晶各向异性及甩带样品具有的纳米晶结构。 掌握了SmCox-0.4Ti0.4 (x = 5.0 ~ 8.5) 合金非晶磁粉的制备工艺，明确了不同晶化温度对合金磁粉相组成和纳米晶晶粒长大的影响，并确定了成分Sm/(Co, Ti) 原子比率对样品相结构和磁性能的作用。在球料比为16:1的条件下，使用Spex8000高能球磨机球磨1小时已能实现该系列合金磁粉的非晶化，得到的非晶磁粉起始晶化温度约为463℃，为获得最大矫顽力而应采用的最佳热处理温度为700℃。经该温度两小时热处理后，SmCox-0.4Ti0.4 (x = 7.0 ~ 8.5) 合金磁粉由1:7单相结构组成，而x = 5.0 ~ 6.5样品中均有1:5相生成，各样品平均晶粒尺寸约为35 nm。特别是x = 6.0 ~ 7.5球磨热处理磁粉室温矫顽力均高于2 T，400℃时仍达到0.6 T，500℃时约为0.4 T，该温度范围的矫顽力温度系数为-0.17 %/℃。SmCox-0.4Ti0.4合金磁粉的磁硬化来源于纳米晶晶界对磁畴壁移动的钉扎，并且磁粉纳米晶晶粒之间存在强的交换作用，从而使得样品剩磁比Mr/Ms均大于0.6。 确定了Al、Ni和Mo三种元素的添加对Sm-Co 1:7亚稳相结构稳定性的作用，通过高能球磨及低温晶化热处理的工艺成功制备了这三组分SmCo7-xMx 1:7型合金磁粉，并明确了不同元素及其添加量对样品结构和磁性能的影响。对SmCo7-xMx铸态样品的研究结果表明，Al、Ni和Mo三种元素添加对于稳定Sm-Co 1:7相结构的作用不明显。Al的添加将导致合金球磨热处理磁粉中出现少量2:17相，同时使得样品纳米晶晶粒长大，当x = 0.5时SmCo7-xAlx合金矫顽力达到最大值1.22 T。而Mo元素则更易与合金中Co原子结合形成Co3Mo相，当x = 0.2时合金矫顽力达到1.26 T。Ni元素在Sm-Co 1:7相结构中具有非常高的固溶度，当Ni含量增加到1.0时SmCo7-xNix合金磁粉仍具有1:7单相结构。同时磁性Ni原子与1:7相中的Co原子间存在交换作用，从而使得SmCo7-xNix合金磁化强度和居里温度较其它非磁性元素替代的SmCo7-xMx要高（相同x时）。在该系列合金中当x = 0.6时样品矫顽力达到最大1.5 T，饱和磁化强度Ms = 78 Am2/kg, 剩余磁化强度Mr = 53.7 Am2/kg，剩磁比达到0.69。 揭示了不同烧结工艺对1:7型SmCo6.6Ti0.4永磁体密度和磁性能作用，确定了该合金磁体放电等离子烧结过程工艺参数，制备出达到理论密度94 %的1:7型纳米晶结构高温永磁体。SmCo6.6Ti0.4合金磁粉经过700 MPa等静压成形、1000℃普通工艺烧结两小时后，磁体密度仅为6.7 g/cm3，无法实现充分烧结。放电等离子烧结技术，能在低温下实现SmCo6.6Ti0.4合金磁体的烧结，同时压力对磁体最终密度产生重要影响。500 MPa压力下630℃烧结5分钟后磁体密度为7.9 g/cm3，达到理论密度的94 %。该合金磁体平均晶粒尺寸约为30 nm。室温矫顽力uoiHc为1.87 T，400℃时仍达到0.5 T，500℃时为0.26 T，矫顽力温度系数为-0.18 %/℃，优于普通商品Sm-Co 2:17型永磁合金的-0.30 %/℃。