1.3 Система Nd-Fe-b. Магнитотвердые металлиды Nd2Fe14b

Соединение Nd₂Fe₁₄B имеет тетрагональную кристаллическую структуру, элементарная ячейка которой схематично представлена на рис. 2. Фаза Nd₂Fe₁₄B относится к пространственной группе Р4₂/mnm и содержит 68 атомов в элементарной ячейке. Причем, атомы железа в решетке занимают шесть неэквивалентных позиций, а атомы неодима – две неэквивалентные позиции.

Параметры тетрагональной кристаллической решетки Nd₂Fe₁₄B составляют: а = 0,881 нм, с = 0,122 нм.

На рис. 3 показана диаграмма состояния системы Nd-Fe-b при 900°с.

Эта система характеризуется наличием трех стабильных тройных соединений: Nd₂Fe₁₄B (Т₁), NdFe₄B₄ (Т₂), Nd₅Fe₂B₆ (Т₃). Интерметаллическое соединение Nd₂Fe₁₄B образуется по перитектической реакции L + αFe = Nd₂Fe₁₄B при 1453 К (где фаза α-Fe представляет собой твердый раствор на основе железа с ГЦК решеткой). Вертикальное сечение по линии (Nd/В = 2) системе Nd-Fe-B показано на рис. 4.

Рисунок 2 – Кристаллическая решетка соединения Nd₂Fe₁₄B

Рисунок 3 – Тройная диаграмма Nd-Fe-B при 900°С

Рисунок 4 – Вертикальное сечение (Nd/В = 2) в системе Nd-Fe-B

Магнитные свойства соединения Nd₂Fe₁₄B определяют наличие двух магнитных подрешеток: подрешетки неодима и подрешетки железа Спины атомов неодима и железа ориентированы антипараллельно, благодаря этому суммарные магнитные моменты подрешетки неодима и подрешетки железа складываются, вследствие чего соединение Nd₂Fe₁₄B имеет высокую намагниченность насыщения, равную 16,0 кГс при комнатной температуре.

Обогащённая Fe часть тройной диаграммы и, в частности, область в окрестности состава, соответствующего стехиометрии фазы Nd₂Fe₁₄B, детально исследовалась многими коллективами учёных. Тип, температуры и вид некоторых трёхфазных реакций были получены в работах.

На рис. 5 приведено изотермическое сечение тройной диаграммы при температуре 1050 ^оС, которое имеет важное практическое значение, так как находится в окрестности температуры, традиционно использующейся при жидкофазном спекании магнитов Nd-Fe-B.

Рисунок 5 – Изотермическое сечение диаграммы Nd-Fe-B при 1050 ^оС

На сечении диаграммы можно отметить, что имеется двухфазная область, в которой φ-фаза (фаза Nd₂Fe₁₄B) находится в равновесии с жидкой фазой и трёхфазная область, в которой φ-фаза находится в термодинамическом равновесии с жидкой фазой и ψ-фазой (фазой Nd_1,1Fe₄B₄). Примечательно, что самый популярный состав, используемый при получении постоянных магнитов, описывается формулой Nd₁₅Fe₇₇B₈ и находится именно в трёхфазной области (L + φ + ψ).

Следует отметить, что микроструктура спеченных магнитов Nd-Fe-B представляет собой зерна основной φ-фазы, окруженные жидкой фазой и ψ-фазой. Однако присутствие ψ-фазы обычно ассоциируется с острыми выступами на поверхности зёрен φ-фазы, которые, как предполагается, индуцируют большие размагничивающие поля и, как следствие, приводят к снижению коэрцитивной силы магнитов. ψ-фаза не образуется в сплаве номинального состава Nd_18.5Fe₇₃B_6.5, который располагается в узкой двухфазной области (L + φ) и, в свете вышесказанного, выглядит предпочтительнее. Однако этот сплав содержит избыточное, по сравнению со стехиометрией Nd₂Fe₁₄B, количество Nd, что неизбежно влечёт за собой снижение намагниченности насыщения соответствующих магнитов. Кроме того, учитывая сильную зависимость характера протекающих в сплавах системы Nd-Fe-B реакций от скорости затвердевания, можно ожидать определённых технологических трудностей при получении двухфазной структуры на практике, что также приведёт к ухудшению свойств магнитов.

В оставшихся четырёх трёхфазных областях, как видно на рис. 3, φ-фаза соседствует, по меньшей мере, с одной магнитомягкой фазой: Nd₂Fe₁₇, Fe или Fe₂В. Любая из них, появляясь в сплаве, оказывает катастрофическое влияние на свойства соответствующих магнитотвёрдых материалов. По этой причине, если сплавы соответствующего состава не находятся в нанокристаллическом состоянии, они не представляют какого-либо практического интереса как магнитотвёрдые материалы.

Что же касается обогащённой неодимом фазы, которая является второй структурной составляющей сплавов, традиционно использующихся при получении постоянных магнитов методами обычной порошковой металлургии, то, в зависимости от содержания растворённого железа, она кристаллизуется или с образованием гексагональной структуры с параметрами решётки а = 0,39 нм и с = 0,69 нм, если концентрация железа менее 3%, или же, при больших концентрациях железа, с образованием ГЦК структуры с параметром решётки а  = 0,52 нм, и служит эффективной изолирующей прослойкой между зёрнами основной магнитотвёрдой фазы [3].

Температура Кюри тройного интерметаллида Nd₂Fe₁₄B относительно низкая 310 ^оС. Это основной недостаток магнитов из сплавов системы Nd-Fe-B, который существенно ограничивает их применение в изделиях, работающих при температурах выше 100 ^оС. Частичное замещение Fe на Co позволяет повысить температуру Кюри основной магнитотвердой фазы, однако при этом наблюдается резкое снижение коэрцитивной силы магнитов.

Изменения максимальной магнитной энергии, остаточной индукции и коэрцитивной силы спеченных постоянных магнитов (СПМ) из сплавов системы Nd-Fe-B в зависимости от количества Nd и В представлены на рис. 6.

Рисунок 6 – Изменения (ВН) _max, В_r и Н_с спеченных постоянных магнитов из сплавов системы Nd-Fe-B в зависимости от количества Nd и В