臺灣博碩士論文加值系統

本實驗探討以不同成分之低熔點DyCu、DyAl合金粉並改變擴散處理溫度及時間，以及透過調變製作粉體時之銅輪轉速(v)，探討合金粉結晶性及粒徑大小對5 mm 厚燒結NdFeB磁石晶界擴散效應及對其磁特性質影響進行研究。第一部分探討不同成分DyM (M=Cu、Al)合金粉(平均〜30 um大小)之效應。結果顯示在同一熱處理條件下，隨著合金熔點下降合金粉流動性增加，擴散效率提升，本質矯頑磁力也隨之提升。其中DyCu 粉之效應高於DyAl粉，而 Dy0.85Cu0.15粉最高可提升磁石iHc達7.4 kOe。第二部分探討低熔點Dy0.7Cu0.3合金粉之熱處理條件，以找尋低熔點合金粉的最佳擴散溫度及條件。結果顯示低溫(840 0C)擴散處理需為高溫(900 0C)的兩倍時間才能獲得相同效果。合金粉利用低溫擴散跟高溫擴散的路徑稍有不同，高溫擴散合金粉的流動性較佳，較多會直接進入晶界沿晶擴散進入磁體內部的晶界。而低溫擴散因合金粉體流動性較差，在磁石表面停留太久而易造成穿晶擴散進入磁體內部，再進行晶界擴散。第三部分探討Dy0.7Cu0.3合金粉的結晶性對NdFeB磁石晶界擴散效應及磁性之影響。透過調變銅輪轉速製作不同結晶度之合金薄帶，再予以粉碎後進行晶界擴散處理。轉速較快所製作之合金粉結晶性較差，擴散處理時需要先經過結晶過程後再進行晶界擴散，擴散效率較差，磁特性也受到影響。而本系列最好的磁特性出現在採用v=15m/s之合金粉，其iHc之提升量為7.1 kOe。第四部份以球磨製做超細粒徑(約6μm)之Dy0.7Cu0.3合金粉來做晶界擴散所用之擴散源，研究粒徑大小是否會影響磁特性之變化。結果顯示磁特性與粒徑大小有關，其Δ iHc約可達5.3 kOe，小於粗合金粉之7.1 kOe。
關鍵字:合金粉、釹鐵硼磁石、晶界擴散

The effects of composition of low melting DyCu and DyAl powders, wheel speed, particle size after pulverization and diffusion condition on coercivity enhancement (∆iHc) and microstructure of grain boundary diffusion (GBD) treated NdFeB magnets (5 mm in thickness) were reported. At first, the effect of composition of DyM (M=Cu and Al) powders of about 30μm was investigated. The result showed that ∆iHc was enhanced with the decrease of melting point of the alloy powders due to the increased flow ability during diffusion. DyCu powders display superior effect to that of DyAl powders. The optimal ∆iHc of 7.4 kOe was obtained for the case of Dy0.85Cu0.15 powders. Secondly, the effect of heat treatment condition on low melting Dy0.7Cu0.3 was investigated. Low temperature (840 0C) diffusion treatment requires twice time than the high temperature (900 0C) diffusion to achieve identical effect. The powders with high temperature diffusion have better flow ability which makes them enter the interior of the magnets mainly through the grain boundaries. Nevertheless, most of the powders prefer to enter the magnets through the grains at the beginning followed with the grain boundary diffusion, if low temperature diffusion process was employed. Thirdly, the alloy powders with different crystallinity were prepared by melt spinning followed by pulverization. The powders made by higher wheel speed exhibit worse crystallinity which makes them have inferior diffusion efficiency to those powders with fully crystalline structure. The alloy powders made with v=15m/s lead to the highest ∆iHc of 7.1 kOe. Finally, fine Dy0.7Cu0.3 powders of 〜6μm were adopted for grain boundary diffusion. △ iHc of 5.3 kOe is obtained which is lower than the value of 7.1 kOe achieved for coarser alloy powders, yet it is higher than the effect using DyF3 as the diffusion source.
Key Word: NdFeB、DyM (M=Cu、Al)、Grain boundary diffusion

目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 磁性材料分類 3
1-3 稀土永久磁石簡介 8
1-3-1 永久磁石發展歷程 8
1-3-2 第一代稀土永久磁石-RCo5 9
1-3-3 第二代稀土永久磁石-R2TM17 10
1-3-4 第三代稀土永久磁石-R2Fe14B 11
1-4 燒結NdFeB磁石製備 14
1-5 燒結釹鐵硼磁石發展現況 20
1-6 晶界擴散法簡介 23
1-7 合金及晶界擴散法文獻回顧 25
1-8 研究動機 29
第二章 理論基礎 30
2-1磁性來源和翻轉機制 30
2-1-1磁性來源 30
2-1-2磁的交互作用 31
2-1-3磁異向性1,39 32
2-2 磁性分類1,39 37
2-3 磁滯曲線1 42
2-4 稀土永磁的矯頑機制 44
2-5粒子大小對本質矯頑磁力的影響 48
2-6擴散理論42 50
2-7相圖42 55
第三章 實驗方法 59
3-1實驗流程 59
3-2金屬粉末製備 60
3-2-1 合金配製 60
3-2-2 電弧熔煉 60
3-2-3熔融旋淬 62
3-2-4 滾動球磨製粉技術 65
3-3 燒結NdFeB磁體的選用 66
3-4 晶界擴散 69
3-5 分析與量測 71
3-5-1 B-H tracer 磁性量測 71
3-5-2 EPMA 微觀組織觀察 71
第四章 結果與討論 73
4-1 沾覆不同成份之低熔點合金DyM (M=Cu, Al)做晶界擴散及對NdFeB磁石磁特性之影響 73
4-1-1 沾覆DyCu做晶界擴散對NdFeB磁石磁特性之影響 73
4-1-2 沾覆DyAl做晶界擴散對NdFeB磁石磁特性之影響 77
4-1-3 沾覆DyAl做晶界擴散對NdFeB磁石之微觀結構分析 79
4-2 改變第一段熱處理條件對沾Dy0.7Cu0.3合金粉NdFeB磁石磁特性之影響 81
4-2-1 對沾覆Dy0.7Cu0.3合金粉之磁石改變改變第一段熱處理溫度對NdFeB磁石磁特性之影響 81
4-2-2 改變第一段熱處理時間對沾覆Dy0.7Cu0.3合金粉之NdFeB磁石磁特性之影響 84
4-2-3改變第一段熱處理時間對沾覆Dy0.7Cu0.3合金粉之NdFeB磁石之微觀結構分析 86
4-3 Dy0.7Cu0.3球磨合金粉結晶度對NdFeB磁石磁特性之影響 89
4-3-1 銅輪轉速對Dy0.7Cu0.3球磨合金粉結晶性之影響 89
4-3-2 Dy0.7Cu0.3球磨合金粉結晶性差異對對NdFeB磁石磁特性之影響 91
4-4 球磨Dy0.7Cu0.3合金粉之粒徑大小對NdFeB磁石磁特性之影響 93
4-4-1 以氫氣爆碎法(HD)法製備球磨Dy0.7Cu0.3合金粉之粒徑變化 93
4-4-2探討Dy0.7Cu0.3球磨合金粉粒徑大小對NdFeB磁石晶界擴散之磁特性影響 96
4-5 不同磁石於高溫環境下之磁特性分析 98
4-5-1 商用42SH磁石高溫磁特性 98
4-5-2 Dy0.7Cu0.3高溫磁特性 101
4-5-3 磁石高溫特性比較 103
第五章 結論 105
一、以不同成分之合金粉做晶界擴散後對NdFeB磁石磁特性影響 105
二、不同熱處理條件對以Dy0.7Cu0.3進行晶界擴散之NdFeB磁石磁特性之影響 105
三、Dy0.7Cu0.3合金粉結晶性對NdFeB磁石磁特性影響 106
四、Dy0.7Cu0.3合金粉粒徑大小對NdFeB磁石磁特性影響 106
五、不同磁石於高溫環境下之磁特性分析 107
第六章 參考文獻 108
圖目錄
圖 1-1-1 磁性材料原理應用及運用相關領域 2
圖 1-2-1 磁性材料的分類 3
圖 1-2-2 B-H及4πM-H曲線1 4
圖 1-3-1 永久磁石材料最大磁能積的演進3 8
圖 1-3-2 長方體狀的NdFeB單位晶格結構25 12
圖 1-4-1 稀土永久磁石材料的製備流程 14
圖 1-4-2 各種形狀的燒結NdFeB磁石成品30 19
圖 1-5-1 不同溫度下退磁曲線 20
圖 1-6-1 反向磁區孕核成長型 24
圖 1-6-2 晶界改質示意圖 24
圖 1-7-1 Cu在磁體熱處理後傾向分佈在晶界與晶粒之間32 25
圖 1-7-2 於厚度14.5 mm磁體做晶界擴散實驗並切片進行磁性量測34 26
圖 1-7-3 在燒結NdFeB磁體上 27
圖 2-1-1 磁的交互作用39 34
圖 2-1-2 鐵單晶材料磁化曲線1 36
圖 2-2-1 磁性分類39 37
圖 2-2-2 (a) 自旋上下相等的能帶 (b) 自旋上下不相等的能帶39 40
圖 2-2-3 單晶立方體分成 (a) 單一磁區 (b) 雙磁區 (c)四個磁區39 40
圖 2-3-1 (a) 軟磁 (b) 半硬磁 (c) 硬磁 的初磁化曲線1 42
圖 2-3-2 B-H磁能積隨B值變化之關係1 43
圖 2-4-1 三種矯頑機制的顯微結構示意圖 44
圖 2-4-2 反向磁區孕核型的磁滯迴路 45
圖 2-4-3磁區壁栓固型的磁滯迴路 46
圖 2-5-1 微細粒子的磁場 (a) 單磁區 (b) 雙磁區 49
圖 2-5-2 晶粒尺寸對本質矯頑磁力的影響39 49
圖 2-6-1 (a) 間隙擴散 和 (b) 空位擴散 42 50
圖 2-6-2 兩個相鄰原子平面相互擴散A原子和B原子42 51
圖 2-6-3 擴散係數和溫度的關係42 52
圖 2-6-4 考慮時間效應的Fick’s second law42 53
圖 2-7-1水的P-V-T相圖中，在P-T平面的投影42 55
圖 2-7-2 理想的二元共構系統 成分-溫度相圖42 55
圖 2-7-3 計算相比例須先找尋中間的輔助線42 56
圖 2-7-4 槓桿原理42 56
圖 2-7-5 Dy-Cu相圖43 57
圖 2-7-6 Dy-Al相圖43 57
圖 3-1-1 實驗流程 59
圖 3-2-1 電弧熔煉爐裝置示意圖 61
圖 3-2-2 熔融旋淬機之操作步驟圖 62
圖 3-2-3 Melt-spinning示意圖 64
圖3-2-4 行星式球磨機工作原理 65
圖 3-3–1 50 M未熱處理磁石之退磁曲線 68
圖 3-4-1 兩段式熱處理 70
圖 3-5-2 進行EPMA觀察所採用之磁石觀測面與顯微組織示意圖 72
圖4-1-1 磁體上沾覆不同成分之DyCu合金粉進行晶界擴散之退磁曲線 74
圖4-1-2 DyCu成份變化熔點變化DTA圖 75
圖4-1-3 DyCu成份變化與本質矯頑磁力變化趨勢圖(上)、DyCu成份變化與熔點變化趨勢圖(下) 75
圖4-1-4 磁體上沾覆不同成分之DyAl合金粉進行晶界擴散之退磁曲線 77
圖4-1-5沾覆Dy0.5Al0.5 900 0C 擴散深度 100μm的BEI影像 79
圖4-1-6 沾覆Dy0.7Al0.3 900 0C 擴散深度 100μm的BEI影像 79
圖4-1-7沾覆不同成分之DyAl磁體經由晶界擴散後，表面至50μm對Dy及Al做Color Mapping 80
圖4-2-1 沾覆Dy0.7Cu0.3之合金粉改變熱處理溫度進行晶界擴散之退磁曲線 82
圖4-2-2 沾覆Dy0.7Cu0.3合金粉以8400C延長時間進行晶界擴散之退磁曲線 84
圖4-2-4沾覆Dy0.7Cu0.3做840 0C,10 hr擴散深度 150μm的BEI影像
86
圖4-2-4沾覆Dy0.7Cu0.3做900 0C,5 hr擴散深度 180 μm的BEI影像
86
圖4-2-5沾覆Dy0.7Cu0.3熱處理條件(900 0C, 5hr及840 0C, 10hr)晶界擴散後，表面至50 μm對Dy及Cu做Color Mapping 87
圖4-3-1 改變轉速之Dy0.7Cu0.3薄帶之XRD圖 89
圖4-3-2 轉速30 m/s Dy0.7Cu0.3薄帶之DTA圖 90
圖4-3-3 不同轉速之Dy0.7Cu0.3合金粉做晶界擴散之退磁曲線 91
圖4-3-4 Dy0.7Cu0.3合金薄帶轉速與熱處理後磁特性變化趨勢圖 92
圖4-4-1 中鋼公司所製備之球磨合金粉之XRD圖 94
圖4-4-2 中鋼公司量測其球磨後金屬粉之粒徑分析 95
圖4-4-3 不同粒徑大小之Dy0.7Cu0.3球磨合金粉進行晶界擴散之退磁曲線 96
圖4-5-1 磁石(42SH)之室溫退磁曲線 99
圖 4-5-2磁石(42SH)之變溫退磁曲線(CSC量測) 99
圖4-5-3 CSC(5 mm)磁石沾覆Dy0.7Cu0.3球磨合金粉經熱處理後之高溫退磁曲線 101
圖4-5-4 各磁體之溫度係數比較 103

表目錄
表 1-2-1 永磁材料的成分與性能2 7
表 1-3-1 R2Fe14B化合物的晶格常數與磁特性26-28 13
表 2-1-1 立方晶系的易磁化方向與K1和K2數值之關係(K1>0)1 35
表 2-1-2 立方晶系的易磁化方向與K1和K2數值之關係(K1<0)1 35
表 2-6-1 Erf函數值對照表42 54
表 2-7-1一大氣壓下各元素的熔點42 58
表 2-7-2 Dy-Cu相圖推估DyCu合金熔點 58
表 2-7-3 Dy-Al相圖推估DyAl合金熔點 58
表 3-2-1 本實驗所需合金比例 60
表4-1-1 磁體上沾覆不同成分之DyCu合金粉進行晶界擴散之磁特性變化 74
表4-1-2 磁體上沾覆不同成分之DyAl合金粉進行晶界擴散之磁特性變化 78
表4-2-1 沾覆Dy0.7Cu0.3之合金粉改變熱處理溫度進行晶界擴散之磁特性變化 82
表4-2-2 沾覆Dy0.7Cu0.3之合金粉改變熱處理溫度及延長時間進行晶界擴散之磁特性變化 85
表4-3-1 不同轉速之Dy0.7Cu0.3合金粉做晶界擴散之磁特性變化 91
表4-4-1 中鋼公司使用之氫氣爆碎法(HD)之條件及反應列表 93
表4-4-2 中鋼公司與中正大學球磨條件比較表 94
表4-4-3 不同粒徑大小之Dy0.7Cu0.3球磨合金粉進行晶界擴散之磁特性變化表 96
表4-5-1 磁石(42SH)之成分表 98
表4-5-2磁石(42SH)之變溫磁特性與溫度係數 100
表4-5-3 CSC(5 mm)磁石沾覆Dy0.7Cu0.3 球磨合金粉經熱處理後之高溫磁特性 102

第六章 參考文獻
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