新型高性能納米晶永磁環(huán)

王會(huì)杰 賴(lài) 彬 趙 睿 朱明剛 李 衛(wèi)

（鋼鐵研究總院功能材料研究所，北京 100081）

1 引言

稀土永磁電動(dòng)機(jī)是釹鐵硼磁體最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占磁體總量的70%[1-2]。在電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用永磁體，可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品輕型化、高性能化，其與電力電子技術(shù)結(jié)合，可制成速度、轉(zhuǎn)矩可調(diào)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

輻向取向R-Fe-B鐵基稀土永磁環(huán)適合應(yīng)用于永磁電動(dòng)機(jī)中。輻向取向磁環(huán)，如圖1所示，是指磁環(huán)的取向方向沿著環(huán)的徑向成輻射狀，在磁環(huán)內(nèi)外兩側(cè)分別形成N極和S極；對(duì)輻向取向磁環(huán)進(jìn)行特殊的脈沖磁化處理，可使磁環(huán)的內(nèi)、外側(cè)形成N極和S極的多對(duì)極。輻向取向磁環(huán)最適合作電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子，在各種電動(dòng)機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用前景。目前在汽車(chē)、計(jì)算機(jī)等用的永磁電動(dòng)機(jī)中，其轉(zhuǎn)子或定子多采用瓦型磁體拼接磁環(huán)。這種磁瓦拼接磁環(huán)，磁極波動(dòng)較大，功率因數(shù)低，效率不高。在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品用的微型電動(dòng)機(jī)中多使用磁粉粘結(jié)磁環(huán)，磁環(huán)中晶粒取向?yàn)楦飨蛲?。粘結(jié)磁環(huán)磁性能偏低，并且受粘結(jié)劑制約其使用溫度也較低。

圖1 輻向取向永磁環(huán)示意圖

兩種方法可以制備全密度輻向取向R-Fe-B整體永磁環(huán)：一是傳統(tǒng)的粉末冶金燒結(jié)法，二是向后熱擠壓的方法（backward extrusion）。燒結(jié)輻向Nd-Fe-B永磁環(huán)采用粉末冶金工藝制備，由于需要同極對(duì)斥產(chǎn)生輻向磁場(chǎng)，對(duì)于小尺寸、高性能、高壁和薄壁的燒結(jié)磁環(huán)難以制備，且燒結(jié)磁環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)近終成型。熱變形納米晶Nd-Fe-B磁體相對(duì)于傳統(tǒng)的燒結(jié)磁體具有很多優(yōu)勢(shì)：良好的環(huán)境穩(wěn)定性；近終成型[3-4]；低溫、短時(shí)間的工藝特點(diǎn)使得制備復(fù)合磁體成為可能[5-8]，相對(duì)于燒結(jié)磁環(huán)，熱擠出輻向環(huán)具有高磁能積、薄壁和小尺寸的優(yōu)點(diǎn)[9-11]。國(guó)外早在20世紀(jì)90年代就對(duì)熱擠壓輻環(huán)展開(kāi)研究，主要側(cè)重于制備技術(shù)的研究。研究成分、工藝參數(shù)如溫度、應(yīng)變速率等的影響，和熱擠壓輻環(huán)所能達(dá)到的磁性能。日本大同制鋼公司生產(chǎn)的熱擠壓R-Fe-B 輻環(huán)的磁能積已超過(guò)320kJ/m2[12]。鋼鐵研究總院在國(guó)內(nèi)首先報(bào)道了制備出高性能熱壓納米晶磁環(huán)[13]，本文對(duì)納米晶熱壓磁環(huán)的熱變形過(guò)程進(jìn)行了分析，分析了磁環(huán)磁性能、微觀結(jié)構(gòu)，并利用三維有限元分析軟件（3D-Deform）分析了磁環(huán)織構(gòu)形成過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)方法

首先利用快淬工藝將合金制備成非晶或納米晶快淬帶，然后利用熱壓將快淬帶制備成為各向同性全密度磁體，接下來(lái)在高溫下將同性磁體熱擠出為輻向磁環(huán)。本實(shí)驗(yàn)利用成分為 Nd30Fe66.55Co4B0.95Ga0.5的快淬粉，磁粉在550℃～700℃，160～200MPa的壓力下熱壓形成全密度壓坯。壓坯在 750℃～900℃，270～300MPa的壓力條件下熱擠出成磁環(huán)。通過(guò)記錄不同熱變形溫度下熱變形過(guò)程中應(yīng)力，溫度，以及變形率，研究Nd-Fe-B磁體的塑性變形過(guò)程。利用Lakeshore 7410震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁環(huán)沿輻向方向磁性能進(jìn)行測(cè)量。使用透射電鏡對(duì)磁環(huán)內(nèi)晶粒形貌進(jìn)行觀測(cè)。納米晶磁體塑性變形過(guò)程中應(yīng)變率和流變應(yīng)力的關(guān)系式可以表示為：

其中A，R為常數(shù)，ε為應(yīng)變、σ為流變應(yīng)力，T為絕對(duì)溫度，Q為應(yīng)變激活能。利用3D-Deform軟件對(duì)磁環(huán)的熱擠出過(guò)程進(jìn)行分析，分析其徑向織構(gòu)產(chǎn)生過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

納米晶Nd-Fe-B磁體在熱變形過(guò)程中晶粒易于長(zhǎng)的，導(dǎo)致磁體磁性能降低。為了避免晶粒長(zhǎng)的，熱壓過(guò)程采用快速升溫，材料升溫過(guò)程如圖2所示，可見(jiàn)材料由室溫升至所需要的熱變形溫度僅需2min左右?？斓纳郎厮俾视兄诒苊饧{米晶磁體內(nèi)晶粒長(zhǎng)的，保證了納米晶Nd-Fe-B磁體熱變形對(duì)溫度控制的要求。

圖3（a）為磁環(huán)內(nèi)晶粒的投射電鏡照片，箭頭方向?yàn)榇怒h(huán)的徑向方向，可見(jiàn)晶粒沿磁環(huán)軸向被顯著拉長(zhǎng)，厚度方向約為80～100nm，長(zhǎng)度方向約為500～800nm。圖3（b）為磁環(huán)沿徑向方向的XRD譜線(xiàn)，可見(jiàn)（004）、（006）及（008）的峰值顯著增強(qiáng)，表明材料沿徑向方向產(chǎn)生了強(qiáng)烈的c軸織構(gòu)。

圖2 材料升溫過(guò)程曲線(xiàn)

圖3 磁環(huán)透射電鏡照片（a）及對(duì)應(yīng)的XRD衍射譜（b）

圖4 磁環(huán)熱擠出過(guò)程中應(yīng)力分布特征

圖4為利用3D-Deform軟件分析得到的磁環(huán)在熱擠出過(guò)程中應(yīng)力的分布特征，可見(jiàn)在45°轉(zhuǎn)角方向具有最大的應(yīng)力值，納米晶Nd-Fe-B磁體的形變和取向源于塑性變形、晶界遷移、晶界滑移的組合，其塑性變形機(jī)理為溶解-擴(kuò)散-蠕變過(guò)程。在切應(yīng)力下材料發(fā)生了劇烈的剪切變形，45°轉(zhuǎn)角方向大的切邊應(yīng)力也許是磁環(huán)沿徑向方向具有高c軸織構(gòu)的原因。

圖5 熱壓磁環(huán)的退磁曲線(xiàn)

圖6 納米晶熱壓Nd-Fe-B磁環(huán)照片

圖5為高矯頑力熱壓納米晶Nd-Fe-B磁環(huán)沿徑向方向的退磁曲線(xiàn)，磁體的剩磁Br為12.24，內(nèi)稟矯頑力為20.62kOe，最大磁能積達(dá)到35.79MGOe。圖6為熱壓磁環(huán)照片。

圖7（a）為納米晶熱壓輻向磁環(huán)表面場(chǎng)分布，利用霍爾探頭沿磁環(huán)圓周方向?qū)椣颦h(huán)表面場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，如圖7（b）所示。輻向環(huán)表面場(chǎng)均勻性較好，磁環(huán)表面場(chǎng)不均勻性小于3%。

為了測(cè)試納米晶熱壓磁環(huán)的溫度穩(wěn)定性，研究測(cè)試了材料的溫度系數(shù)與磁環(huán)的溫

圖8為材料溫度穩(wěn)定系數(shù)測(cè)試，測(cè)試樣品為圓柱，高度/直徑（L/D）為0.58，經(jīng)測(cè)定材料溫度系數(shù)為-0.084%/℃。圖9為經(jīng)過(guò)一系列溫度熱處理后磁環(huán)表面場(chǎng)損失情況（每個(gè)溫度下保溫2h），可見(jiàn)經(jīng)過(guò)170℃兩小時(shí)保溫后，納米晶熱壓Nd-Fe-B磁環(huán)表面場(chǎng)幾乎無(wú)損失，表明納米晶Nd-Fe-B磁環(huán)具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖7 熱壓磁環(huán)表面場(chǎng)分布

圖8 溫度系數(shù)測(cè)量

圖9 磁環(huán)溫度穩(wěn)定性測(cè)量

4 結(jié)論

制備出了高性能熱壓Nd-Fe-B輻向環(huán)，納米晶熱壓Nd-Fe-B輻向環(huán)沿徑向方向具有良好的c軸織構(gòu)。其磁性能較傳統(tǒng)燒結(jié)磁環(huán)顯著提高，且具有優(yōu)異的表面場(chǎng)均勻性。同時(shí)熱壓磁環(huán)具有良好的溫度穩(wěn)定性，可滿(mǎn)足較高溫度下使用要求。

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[13]高性能輻向熱壓磁環(huán)及其制備方法， 李 衛(wèi)，王會(huì)杰，林 旻等，（中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利號(hào)： 200710177080.8）.