Magnetic Performance of Ce-containing Nd-Fe-B-type Die-Upset Hybrid Magnet

Abstract

High performance of R-Fe-B-type (R = mostly Nd, Pr) magnet derives from excellent intrinsic hard properties of R2Fe14B-type main magnetic phase, in which the rare-earth plays a key role, albeit its content is small. In rare-earth ores such as Bastnasite and Monazite, from which the light rare-earths are refined, the most abundant rare-earth element is cerium. It would be preferable, therefore, if the more abundant and cheaper Ce could be used as rare-earth part of the R-Fe-B-type magnet. Ce-based R2Fe14B-type compound, however, has disappointingly too poor intrinsic hard magnetic properties for being a base compound for permanent magnet. Instead, Ce has been used as a substituent for Nd in the Nd-Fe-B-type magnet with the intention of lowering material cost. In this study, magnetic performance of Ce-containing Nd-Fe-B-type die-upset hybrid magnet composed of melt-spun material and HDDR powder was investigated. Ce-containing Nd-Fe-B-type die-upset hybrid magnet was prepared by hot-pressing and then die-upsetting the mixture of Nd-Fe-B-type melt-spun flake (MQU-F: Nd13.6Fe73.6Co6.6Ga0.6B5.6) and HDDR powder ((Nd0.55Ce0.45)15Fe72.2Co6.6Ga0.6B5.6). Overall magnetic performance of the hybrid magnet was improved with increasing vol% of the melt-spun material. Texture (presented by degree of alignment) in the hybrid magnet was dependent upon mixing ratio of the magnetic particles; texture stayed low and almost constant up to 75 vol% MQU-F, after which it increased drastically. Demagnetization curve of the hybrid magnet showed single phase-like demagnetization behavior regardless of mixing ratio, indicating good interaction between the two constituent materials through magneto-static (dipolar) interaction. One of the noteworthy findings was that the Ce-containing hybrid magnet exhibited reasonably sound magnetic performance: iHc = 6.8 kOe, Mr = 10.6 kG, and (BH)max = 19.8 MGOe for 50 vol% MQU-F - 50 vol% HDDR hybrid magnet (3.4 at% Ce).

R-Fe-B 계 (R= 희토류 원소, 특히 Nd, Pr) 자석의 높은 자기적 성질은 R의 함량이 적을지라도 우수한 고유 자기적 특성을 가지는 R2Fe14B 계 자성상으로부터 얻어진다. 바스트네사이트 및 모나자이트와 같은 희토류광석에서 가장 풍부한 희토류 원소는 Ce이다. 따라서, Nd 에 비해 더 풍부하고 가젹적으로 유리한 Ce이 R-Fe-B계 자석에 사용된다면 더욱 효율적일 것이다. 그러나 실망스럽게도 Ce계 R2Fe14B형 화합물은 영구자석의 기본 화합물로서의 고유 자기적 특성이 낮다. 반면에, Ce은 Nd-Fe-B계 자석에서 Nd를 대체함으로서 재료의 비용을 낮추기 위한 목적으로 사용되었다. 본 연구에서는 급냉응고한 재료와 HDDR분말로 구성된 Ce 를 함유하는 Nd-Fe-B 계 고온변형 하이브리드 자석의 자기적 성능을 조사하였다. Ce를 함유하는 열간변형 하이브리드 자석은 Nd-Fe-B계 급냉응고한 재료 (MQU-F: Nd13.6Fe73.6Co6.6Ga0.6B5.6) 및 HDDR 분말 ((Nd0.55Ce0.45)15Fe72.2Co6.6Ga0.6B5.6) 의 혼합물로 제조되었다. 전반적인 하이브리드 자석의 자기적 성능은 급냉응고한 재료의 vol%가 증가함에 따라 향상되었다. 하이브리드 자석에서의 텍스쳐(정렬된 정도의 표현)는 자성입자의 혼합비에 의존하고, 조직은 75 vol%의 MQU-F까지 낮고 거의 일정하며, 이후 크게 증가했다. 하이브리드 자석의 감자곡선은 혼합비에 관계없이 단일상과 같은 감자곡선을 보여주며, 하이브리드 자석은 쌍극자상호작용을 통해 두 재료 사이의 좋은 상호작용을 보여준다. 주목할만한 결과는 3.4 at% 의 Ce를 포함한 50 vol% MQU-F, 50 vol% HDDR의 하이브리드 자석이 iHc=6.8 kOe, Mr = 10.6 kG, (BH)max = 19.8 MGOe 로서 준수한 자기적 성능을 보였다는 것이다.