Improvement of NdFeB permanent magnets via diffusion annealing

Abstract

Os magnetos sinterizados de Nd-Fe-B, têm o maior produto de energia de todos os magnetos e têm vindo a substituir progressivamente os magnetos ferróicos em aplicações onde é necessária uma maior densidade de energia. São áreas como carros híbridos, acionamento de turbinas eólicas, bobines de motores, e também na miniaturização de dispositivos eletrónicos. Um parâmetro importante é a sua coercividade, e respetiva dependência na temperatura, que determina o intervalo de temperatura de aplicação. A fim de melhorar as temperaturas de funcionamento, elementos diversos, especialmente terras raras pesadas (HRE), tais como disprósio ou térbio, têm sido adicionadas como um meio de aumentar a coercividade, levando, no entanto, a uma diminuição da remanência. Embora as HREs sejam tradicionalmente incorporadas durante o processo de sinterização, foi demonstrado que a aplicação de uma camada superficial de Dy, seguida de recozimento pode exigir menos Dy, a fim de obter uma determinada coercividade. Este processo utiliza a difusão por fronteiras de grão (Grain Boundary Diffusion, GBD). O objetivo deste trabalho foi reduzir a quantidade de Dy necessário para atingir um desejado aumento da coercividade em pequenos magnetos de Nd-Fe-B utilizando processos GBD e experimentação com adições de Cu. Os magnetos foram revestidos usando deposição física de vapor (PVD), sujeitos a tratamento térmico e, em seguida caracterizados utilizando técnicas de medição magnética, bem como microscopia electrónica de varrimento SEM. As medições magnéticas foram também usadas para avaliar o processo de difusão de Cu e Dy durante o recozimento. A coercividade aumentou com o tempo de recozimento, em que Dy é difundido no sistema, alcançando melhorias de cerca de 50% na coercividade. No entanto, a distância de difusão foi limitada a cerca de 100 μm a partir da superfície da amostra. Os aumentos relativos na coercitividade por unidade de Dy adicionado ao sistema usando GBD foram maiores do que com Dy incorporado durante a sinterização. A Inclusão de Cu não foi considerada benéfica para o sistema.

Sintered Nd-Fe-B rare earth (RE) magnets have the highest energy product of any magnets and have been progressively replacing ferrous magnets in applications where a high energy density is needed. This pertains to areas such as hybrid cars, direct-drive wind turbines, voice coil motors, as well as the miniaturization of electronic devices. An important parameter of these magnets is their coercivity, respectively the temperature dependence thereof, which determines the temperature range accessible to the magnets. In order to improve the working temperatures, various elements, most notably heavy rare earth (HRE) elements such as dysprosium or terbium, have been alloyed in order to increase the coercivity; however, a remanence decrease results. Although HREs are traditionally included during the sintering process, it has been shown that applying the Dy as a coating after sintering followed by annealing may require less Dy in order to reach a given coercivity. This process is called Grain Boundary Diffusion (GBD). The aim of this work was to reduce the amount of Dy needed to attain a desired increase in coercivity in small Nd-Fe-B magnets by employing GBD processes and experimentation with Cu additions. Magnets were coated using physical vapor deposition (PVD) techniques, heat treated, and then assessed using magnetic measurement techniques as well as scanning electron microscopy (SEM). Magnetic measurements were also used to assess the diffusion process of Dy and Cu into the magnets during annealing. The coercivity increased as annealing time progressed and Dy interdiffused throughout the system, reaching improvements in coercivity of about 50%. However, the diffusion distance was limited to about 100 μm from the sample surface. For small Dy additions, the relative gains in coercivity per unit Dy added to the system using GBD were greater than magnets with Dy incorporated during sintering. Inclusions of Cu were not found to be beneficial to the system.