各向異性熱壓稀土永磁體的熱變形機(jī)制及微磁結(jié)構(gòu)研究

李 衛(wèi)，朱明剛

(鋼鐵研究總院功能材料研究所，北京 100081)

1 前言

熱壓/熱變形(HP/HD)工藝最初用于陶瓷材料、大塊非晶材料、復(fù)合材料等的制備過程。直到20世紀(jì)80年代后期，人們才開始將熱壓/熱變形方法用于永磁體的制備。1985年，R W Lee采用熱變形工藝獲得了變形率為50%、最大磁能積為320 kJ/m3的各向異性磁體［1］。1988 年，R K Mishra等人認(rèn)為Nd－Fe－B磁體的變形與取向源于塑性變形與晶界滑移的組合［2］。1990年，C D Fuerst等人研究發(fā)現(xiàn)添加少量(0．5 wt% ～0．8 wt%)金屬Zn、Cu和Ni粉末可以顯著提高熱變形磁體的矯頑力［3］。1998年，T Saito等人分別采用冷壓與熱壓的方式制備壓坯磁體，再對(duì)其進(jìn)行熱變形處理［4］。但上述技術(shù)僅作為與燒結(jié)工藝并行的一種方案，由于當(dāng)時(shí)水平的限制僅局限于實(shí)驗(yàn)室制備，與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化相差甚遠(yuǎn)而遭到冷淡。

熱壓/熱變形工藝能再次引起人們的高度關(guān)注，是由于它為研究各向異性雙相復(fù)合納米晶永磁材料開辟了新的途徑。人們將高于正分比的Nd－Fe－B快淬帶與軟磁性α－Fe或FeCo相混合并進(jìn)行熱壓/熱變形，制備出稀土平均成分低于或接近正分的復(fù)合各向異性納米晶磁體。此外，對(duì)于環(huán)狀磁體，早期的制備多采用拼接技術(shù)，這種拼接磁環(huán)的非勻稱性帶來的誤差隨機(jī)性很高。鑒于此，開發(fā)了整體燒結(jié)永磁環(huán)，但早期的燒結(jié)永磁環(huán)不僅性能偏低，而且在燒結(jié)和機(jī)加工過程中容易開裂，成品率很低。隨后，開發(fā)了“輻向取向釹鐵硼永磁環(huán)及其制造方法”等新技術(shù)［5，6］，并探究了稀土永磁體力學(xué)特性各向異性的機(jī)理［7］，給出了稀土鈷基輻向永磁環(huán)斷裂的物理模型。采用對(duì)頂磁場，通過“直流+脈沖”的輻向取向成型方法，提高了磁環(huán)的均勻性，解決了燒結(jié)稀土永磁環(huán)易開裂的難題［8］，滿足了“神舟”系列航天飛船、“嫦娥”一號(hào)探月衛(wèi)星和多種國防重點(diǎn)預(yù)研型號(hào)的需求。近年來，采用熱壓/熱變形工藝能制備出比目前的燒結(jié)磁體性能高出近50%的永磁環(huán)。國內(nèi)已有單位開發(fā)出高性能各向異性熱壓磁體、輻向磁環(huán)及設(shè)備，并已形成產(chǎn)業(yè)雛形。熱壓磁體從根本上克服了燒結(jié)工藝的缺陷，相對(duì)于傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)工藝，熱壓工藝不受磁環(huán)或瓦尺寸的限制，具有低溫、短時(shí)間的特點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的近終成型短流程制備技術(shù)。

文章圍繞熱變形機(jī)制和微磁結(jié)構(gòu)表征，并結(jié)合國內(nèi)快淬－熱壓/熱變形磁體產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)所涉及的科學(xué)問題開展研究。

2 各向異性納米晶Nd－Fe－B熱變形機(jī)制研究

2．1 納米晶Nd－Fe－B磁體熱變形機(jī)制的研究現(xiàn)狀

對(duì)于其各向異性形成機(jī)理的探討是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，通常認(rèn)為熱壓/熱形變Nd－Fe－B磁體的取向機(jī)理源于晶粒邊界滑移和垂直于外加應(yīng)力方向的各向異性晶粒長大的組合［9～11］，還有一種論點(diǎn)是利用溶解－析出擴(kuò)散蠕變模型［12］來描述納米晶熱變形磁體的塑性變形過程，進(jìn)而揭示各向異性的形成。其蠕變本構(gòu)方程可表示為

其中，A為取決于微觀結(jié)構(gòu)的常數(shù);σ為應(yīng)力;n為應(yīng)力指數(shù)，取值范圍2～3，當(dāng)納米磁粉為快淬粉或機(jī)械合金化粉時(shí)，n值取3，而納米磁粉為HDDR粉時(shí)，n值取2;Q為過程的有效激活能;d為晶粒度;m為晶粒尺寸指數(shù)，取值范圍1～2;R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度。采用溶解－析出擴(kuò)散蠕變模型解釋各向異性形成機(jī)理的依據(jù)是，Nd2Fe14B化合物沿其易磁化軸方向的楊氏模量要小于沿其難磁化軸方向的數(shù)值［13］，由此認(rèn)為，在壓力作用下，c軸平行于壓力方向的晶粒的總能量要低于c軸不沿壓力方向的晶粒，更高的總能量使其活化溫度降低，故在熱變形過程中，同等溫度下，c軸與壓力方向成一定角度的Nd2Fe14B晶粒因具有更高的能量，更易于溶解在富Nd液相中。而c軸沿壓力方向的Nd2Fe14B晶粒沉積在富Nd液相中，并沿垂直壓力方向長大。并認(rèn)為材料的晶粒尺寸越小，其蠕變速率越高［14，15］。當(dāng)熱變形溫度過高時(shí)，Nd2Fe14B 晶粒在壓力下的應(yīng)變能減小，c軸沿壓力方向與不沿壓力方向的晶粒之間的應(yīng)變能差異也逐漸減小。致使c軸不沿壓力方向的晶粒難以全部溶解于富Nd液相中，而是與c軸沿壓力方向的晶粒共同存在于熱變形磁體中，從而導(dǎo)致熱變形磁體的織構(gòu)會(huì)隨變形溫度的升高而變差。

M Leonowicz等人研究了Nd含量為6 at%～12 at%熱變形Nd－Fe－B磁體的織構(gòu)形成情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)Nd含量超過12 at%時(shí)才會(huì)顯著形成織構(gòu)［16］?？梢?，納米晶磁粉的Nd含量對(duì)于熱變形磁體織構(gòu)的形成起著至關(guān)重要的作用。富Nd晶界相的液化使得晶粒間可產(chǎn)生滑移，在作用于晶界面的切應(yīng)力分量作用下晶粒之間可以沿晶界發(fā)生滑移，從而造成材料的變形。

實(shí)際上，多晶釹鐵硼磁體的變形通常由晶粒本身的變形、晶界滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)等部分組成，研究認(rèn)為，納米晶Nd－Fe－B磁體織構(gòu)的形成機(jī)制，應(yīng)異于晶粒擇優(yōu)生長的觀點(diǎn)，不僅應(yīng)考慮晶粒的塑性變形、晶粒邊界滑移以及晶粒邊界遷移，還應(yīng)考慮晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)以及再結(jié)晶過程中晶粒的擇優(yōu)生長。熱流變過程不是蠕變過程，僅僅采用擴(kuò)散－蠕變的物理模型不能很好地解釋熱形變過程發(fā)生的有趣現(xiàn)象。Nd2Fe14B化合物沿其易磁化軸方向的楊氏模量要小于沿其難磁化軸方向的數(shù)值，只能說明Nd2Fe14B化合物沿其易磁化軸方向更容易壓縮，而由此得出在壓力作用下，c軸平行于壓力方向的晶粒的總能量要低于c軸不沿壓力方向的晶粒這樣的結(jié)論是欠準(zhǔn)確的。擴(kuò)散－蠕變模型認(rèn)為c軸與壓力方向成一定角度的Nd2Fe14B晶粒會(huì)比c軸沿壓力方向的Nd2Fe14B晶粒擁有更高能量，出現(xiàn)c軸垂直于壓力方向的Nd2Fe14B晶粒溶解在富Nd液相中，而c軸平行于壓力方向的Nd2Fe14B晶粒將沉積在富Nd液相中并沿壓力(c軸)方向長大［12］，目前沒有證據(jù)確定會(huì)有這么大的能量差。筆者認(rèn)為晶界滑移、晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)和再結(jié)晶過程是熱流變磁體形成織構(gòu)的根本原因。

2．2 流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率、熱變形溫度的關(guān)系

研究采用了自主研制開發(fā)的真空感應(yīng)熱壓爐，如圖1所示。將Nd－Fe－B快淬粉裝入熱壓模具中制備接近理論密度值的各向同性熱壓磁體，隨后，將壓坯磁體放入熱變形模具中，于650～900℃溫度下在0．03 MPa氬氣氛圍中進(jìn)行熱變形。

圖1 真空感應(yīng)熱壓爐Fig．1 Photo of vacuum induction hot-pressing furnace

圖2顯示了壓坯磁體在熱變形過程中的溫度、所受壓力以及高度減小量隨時(shí)間的變化。當(dāng)溫度加熱至850℃時(shí)，開啟上、下壓頭的位移程序，由于磁體已經(jīng)充分軟化，因而受到外加壓力作用后并沒有經(jīng)歷彈性變形階段而直接進(jìn)入彈塑性變形階段;在典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線中，彈塑性變形階段將出現(xiàn)屈服平臺(tái)，應(yīng)力雖然不增加，應(yīng)變卻以恒定的應(yīng)變率持續(xù)增加，磁體在保持變形抗力基本不變的情況下發(fā)生明顯而均勻的塑性變形;當(dāng)磁體即將填充整個(gè)模具時(shí)，變形抗力不再保持不變而是在應(yīng)變硬化點(diǎn)(時(shí)間t=250 s)處開始增加，若使磁體應(yīng)變繼續(xù)增大，則必須持續(xù)增加外加應(yīng)力，塑性變形抗力不斷增加，試樣的均勻變形階段終止，此時(shí)磁體均勻塑性變形的抗力達(dá)到最大值，標(biāo)志著熱變形過程的完成，如果繼續(xù)對(duì)磁體施加大于最大變形抗力的外加應(yīng)力，試樣將開始發(fā)生不均勻的塑性變形。

圖2 熱變形壓力位移曲線Fig．2 Displacement and pressure curves of the die-upset magnets

由于納米晶Nd－Fe－B磁體具有較長的彈塑性變形階段并以較快的速度從應(yīng)變硬化點(diǎn)達(dá)到最大值。因此，以圖2中的彈塑性變形階段為研究對(duì)象，以此作為Nd－Fe－B磁體的熱變形過程。我們以彈塑性變形階段的變形抗力平均值作為壓坯在熱變形過程中的流動(dòng)應(yīng)力。由于上、下壓頭的移動(dòng)速度并非恒定不變，因此，壓坯磁體在彈塑性變形階段的應(yīng)變率只能由變形量－時(shí)間曲線的斜率計(jì)算得到。由圖3得到納米晶磁體在熱變形溫度為850℃，應(yīng)變?yōu)?變形率為70%)以及上、下壓頭預(yù)設(shè)移動(dòng)速率的熱變形過程中的流動(dòng)應(yīng)力σ=170 MPa與應(yīng)變率=5×10－3s－1。通過同樣方法還可以得到磁體在變形溫度為 750、800、850、900℃，以及其他上、下壓頭預(yù)設(shè)移動(dòng)速率的工藝條件下的應(yīng)變率與流動(dòng)應(yīng)力，從而得到流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率、流動(dòng)應(yīng)力與熱變形溫度的關(guān)系曲線。壓坯磁體在不同熱變形溫度和恒定應(yīng)變?chǔ)?1．2下進(jìn)行變形過程時(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率之間的關(guān)系如圖3所示;圖4所示為壓坯磁體在不同應(yīng)變率和恒定應(yīng)變?chǔ)?1．2下進(jìn)行變形過程時(shí)流動(dòng)應(yīng)力與熱變形溫度倒數(shù)之間的關(guān)系。由此研究擬合得到描述這一過程的方程:

圖3 不同變形溫度下流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率之間的關(guān)系(應(yīng)力指數(shù)取值為n≈2．5)Fig．3 Relationship between flow stress and strain rate after deformed at different temperatures(stress index value n≈2．5)

2．3 熱變形過程的描述方程的確立

圖3顯示不同溫度下的幾條擬合直線接近平行，因此變形過程可用僅含單一應(yīng)力指數(shù)的冪指數(shù)關(guān)系∝σn來描述，并由各平行直線的斜率得到應(yīng)力指數(shù)n≈2．5。不同應(yīng)變率下的擬合曲線接近直線，并且近似平行(如圖4所示)，可以得到lnσ =，對(duì)比式(1)，筆者認(rèn)為可以用它描述整個(gè)熱變形溫度區(qū)域的熱激活過程，對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到變形方程:

在圖3和圖4中，流動(dòng)應(yīng)力隨著熱變形溫度的增加和應(yīng)變率的降低而減小。雖然降低熱變形溫度和提高變形速率都可以減少磁體在變形過程中暴露于高溫下的時(shí)間，進(jìn)而有效抑制晶粒的粗化長大，但是與高變形溫度和低變形速率的情況相比，液相熔化不充分，較差的液相流動(dòng)性使得磁體變形更加困難，因此需要更大的流動(dòng)應(yīng)力才能維持塑性變形過程的發(fā)生。這也說明了晶粒邊界液相在變形過程中所起的重要作用，它在晶粒之間尤其是在相互滑動(dòng)的快淬帶之間起到了潤滑劑作用，加速了晶粒邊界滑移并通過提高擴(kuò)散率來加速晶粒長大。

圖4 相同應(yīng)變不同應(yīng)變率下流動(dòng)應(yīng)力和溫度倒數(shù)之間的關(guān)系。說明熱激活過程的均勻性并得出激活能Q≈380 kJ/molFig．4 Relationship between flow stress and temperature for different strain rates at the same strain．indicating a uniform thermally activated process and got actwated energy Q≈380 kJ/mol

2．4 熱變形納米晶Nd－Fe－B磁體的各向異性產(chǎn)生模型

研究認(rèn)為，各向異性的產(chǎn)生主要源于再結(jié)晶過程中晶粒的擇優(yōu)生長和通過邊界液相所促進(jìn)的晶粒滑移和旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力指數(shù)n≈2．5也說明在變形過程中發(fā)生了晶粒邊界的滑移［17］。由上述計(jì)算可知，納米晶Nd－Fe－B磁體在熱變形過程中的應(yīng)變激活能遠(yuǎn)大于純單質(zhì)原子的平均自擴(kuò)散激活能(ˉQ≈250 kJ/mol)［12，18］并具有一個(gè) n ＞1 的應(yīng)力指數(shù)。

熱擠壓流變過程可以通過圖5來簡單說明。如圖5(a)所示，變形之前的等軸晶顆粒(等邊六角形)，邊長為a。在橫向外加壓縮應(yīng)力σ作用下，等軸晶顆粒體積不變，形狀發(fā)生改變，由原來等邊六角形變成伸長了的六角形，即發(fā)生范性形變，見圖5(b)，這時(shí)顆粒中的晶粒除受前面所說的壓力作用外，還受到一個(gè)沿拉伸方向的切應(yīng)力作用，它來自不同流層間的摩擦力，切向拉伸與壓縮保持正交。對(duì)于單晶體，在單向受力的條件下發(fā)生形變時(shí)，在拉伸方向，滑移方向試圖轉(zhuǎn)向(或趨近)拉伸軸(主應(yīng)變方向)，在壓縮方向，滑移面試圖轉(zhuǎn)向(或趨近)壓縮面，當(dāng)形變量足夠大時(shí)，所有晶體的滑移方向或滑動(dòng)方向都將和參考方向或參考面平行。Nd－Fe－B是多晶體經(jīng)受這種形變后，盡管其中各晶粒的取向有差異、滑移有先后，形變有大小，但是各作用滑移系都有一個(gè)轉(zhuǎn)向與力軸方向平行的總趨勢，各個(gè)顆粒不但形狀發(fā)生改變，其晶粒的取向也隨著變化，使作用滑移系要向力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于平行c軸方向的彈性模量E∥小于垂直于c軸方向的彈性模量E⊥，當(dāng)拉伸力與某個(gè)晶粒的c軸成一銳角時(shí)的應(yīng)變能要大于拉伸力與c軸夾角為90°時(shí)的應(yīng)變能。因此在應(yīng)變能的驅(qū)動(dòng)下，晶粒c軸試圖轉(zhuǎn)動(dòng)到與拉伸力垂直的方向(或與壓力平行方向)。

圖5 擠壓流變模型示意圖Fig．5 Autothermal extrusion rheology model figured diagram

Nd2Fe14B單胞基平面原子鍵合力較強(qiáng)，在選定650～900℃之間的某一個(gè)溫度點(diǎn)后，進(jìn)行熱變形，在壓力的作用下Nd2Fe14B晶粒沿基面滑移導(dǎo)致晶粒表面積增大，表面能提高，這是一種不穩(wěn)定狀態(tài)。致使Nd2Fe14B晶粒在熱形變過程中會(huì)同時(shí)發(fā)生形核與再結(jié)晶，這一再結(jié)晶過程是在切向拉伸力作用下進(jìn)行的，只有c軸與拉伸應(yīng)力垂直(或壓應(yīng)力平行)的那些晶體由于應(yīng)變能低而得到長大，c軸與拉伸力夾角小于15．44°以上的那些晶體由于應(yīng)變能高，其長大受到限制，從而導(dǎo)致形核與長大均具有較強(qiáng)的方向性［19］。

研究認(rèn)為，取向晶粒在其基面的各向異性長大機(jī)理，不能夠用外加應(yīng)力所引起的非取向晶粒的溶解析出－擴(kuò)散蠕變模型［20］解釋清楚，有關(guān)這方面的問題筆者還將深入研究。

3 工藝參數(shù)對(duì)熱變形納米晶磁體性能的影響

3．1 快淬磁粉粒度尺寸分布對(duì)熱壓、熱變形磁體磁性能的影響

圖6給出各向同性磁體磁性能隨磁粉粒度尺寸分布的變化，可見，隨著磁粉粒度的增加，磁體的剩磁迅速降低，其變化范圍在0．804～0．862 T之間，剩磁大約降低了7%。而磁體的矯頑力卻隨磁粉粒度的增加而顯著提高，由粒度尺寸分布為50～70 μm時(shí)的1156 kA/m 升高至 200 ～350 μm 時(shí)的1381 kA/m。由于剩磁作為各向同性熱壓磁體的最大磁能積的主要決定因素，剩磁和矯頑力的相反作用使得各向同性磁體的最大磁能積隨著磁粉粒度尺寸的增加而降低。

圖7給出磁粉粒度尺寸分布變化對(duì)各向異性磁體性能的影響規(guī)律，可見，對(duì)各向異性和各向同性磁體，磁粉粒度分布對(duì)磁體性能的影響情況相反，隨著快淬磁粉尺寸的增加，各向異性磁體的剩磁迅速提高，并在粒度分布為200～350 μm時(shí)達(dá)到極大值;熱變形磁體的矯頑力同樣與快淬磁粉粒度尺寸存在單調(diào)遞增的函數(shù)關(guān)系，矯頑力在粒度尺寸分布為70～100 μm時(shí)僅有微量增加。各向異性磁體的性能在磁粉粒度分布為200～350 μm時(shí)達(dá)到極大值，其矯頑力、剩磁與最大磁能積依次為:Hcj=1149 kA/m，Br=1．472 T，(BH)max=421 kJ/m3。與普通快淬磁粉相比，由粒度尺寸為200～350 μm磁粉所制備的熱變形磁體在保持較高剩磁Br=1．472 T的同時(shí)，矯頑力仍然可以達(dá)到一個(gè)較高的數(shù)值Hcj=1149 kA/m，而由普通磁粉所制備的熱變形磁體其矯頑力通常僅為Hcj=980 kA/m，磁粉粒度尺寸對(duì)熱變形磁體退磁曲線的方形度也有極大影響。圖8顯示，隨著磁粉粒度尺寸的增加，熱變形磁體退磁曲線的方形度逐漸提高，當(dāng)粒度尺寸為200～350 μm時(shí)，Hk/Hcj達(dá)到極大值0．92，熱變形磁體的性能最高［21］。

圖6 磁粉粒度尺寸對(duì)各向同性熱壓磁體磁性能的影響Fig．6 Dependence of magnetic properties of isotropic hot-pressed magnets on the magnetic powder size

圖7 磁粉粒度尺寸對(duì)各向異性熱變形磁體磁性能的影響Fig．7 Dependence of magnetic properties of anisotropic die-upset magnets on the magnetic powder size

3．2 變形率對(duì)納米晶Nd－Fe－B磁體性能的影響

采用對(duì)納米晶磁體熱變形過程的計(jì)算結(jié)果作為預(yù)設(shè)參數(shù)，應(yīng)變激活能Q≈380 kJ/mol，應(yīng)力指數(shù)n≈2．5，常數(shù)A≈ 1×10－14，應(yīng)用塑性變形模擬軟件DEFORM－D3對(duì)納米晶磁體不同變形率的變形過程進(jìn)行模擬，假設(shè)變形過程方程為=，模具材料設(shè)定為剛體，磁體與模具接觸面間的摩擦系數(shù)使用同石墨相接近的0．3。

圖8 磁粉粒度尺寸對(duì)各向異性熱變形磁體矩形度的影響Fig．8 Influence of the powder size on the squareness of demagnetization curves of the anisotropic magnets

圖9(a)所示為變形率60%納米晶磁體的橫截面應(yīng)變分布輪廓圖，磁體表面和中心區(qū)域的應(yīng)變值分別為52．85%和118%，這會(huì)導(dǎo)致磁體沿其軸向方向的晶體織構(gòu)和磁性能存在顯著的變化［9］。對(duì)于變形率為70%的情況，如圖9(b)所示，磁體內(nèi)所有區(qū)域的有效應(yīng)變值較圖9(a)都有顯著增加，中心處有效應(yīng)變增加為146%，織構(gòu)和磁性能也會(huì)因此而提高。圖9(c)所示為變形率80%的情況，磁體表面和中心區(qū)域的應(yīng)變值已增至90．26%和192%。對(duì)于65%、75%、83%的情況，也可以得到類似結(jié)果，磁體各個(gè)區(qū)域的有效應(yīng)變均隨變形率的增加而提高。上述三幅圖中，邊角區(qū)域的應(yīng)變均明顯高于其他位置，這是由于壓頭對(duì)磁體上下表面的擠壓不僅使其沿壓力方向發(fā)生流變同時(shí)還有橫向流變的發(fā)生，在墩粗過程中橫向流變受到模具壁的限制而流動(dòng)到邊角處，將邊角處空隙填滿，因此邊角區(qū)域的有效應(yīng)變最大。

不同變形率熱變形磁體的XRD圖譜如圖10所示。磁體變形率分別為60%、70%和80%時(shí)所對(duì)應(yīng)的(006)與(105)峰值比分別為 1．26、1．45 和1．78。晶體取向可以通過圖10中(006)和(105)峰強(qiáng)的比值來評(píng)估，較高的比值說明更優(yōu)的晶體取向。因此，隨著變形率的增加，晶體取向得到改善，并導(dǎo)致了剩磁和磁能積的提高。圖11所示為變形率分別為60%、70%和80%的熱變形磁體退磁曲線。變形率的提高導(dǎo)致了磁體矯頑力的下降和剩磁的提高，因此曲線方形度得到了改善，提高了磁體性能。在變形率為75%的熱變形磁體中，片狀晶粒排列整齊取向一致(如圖12所示)，較好的晶體取向使磁體具有較高的剩磁及最大磁能積(426 kJ/m3)。

圖9 不同變形率的熱變形磁體有效應(yīng)變輪廓圖Fig．9 Effective strain contour inside die-upset forged magnets with different deformation ratio

4 各向異性納米晶Nd－Fe－B微磁結(jié)構(gòu)表征

微磁結(jié)構(gòu)是鐵磁性材料的本質(zhì)特征之一。對(duì)各向異性納米晶Nd－Fe－B材料微磁結(jié)構(gòu)的深入研究，便于揭示納米晶粒之間的靜磁和交換耦合相互作用、磁化和反磁化機(jī)制、熱退磁的微觀機(jī)制等。

4．1 熱退磁態(tài)(磁中性)的微磁結(jié)構(gòu)

圖10 不同變形率的熱變形磁體中心處取樣XRD圖譜Fig．10 XRD patterns of die-upset magnet specimens with different deformation ratio

圖11 變形率分別為60%、70%和80%的熱變形磁體退磁曲線Fig．11 Demagnetization curves of die-upset magnet specimens with deformation ratio 60%，70%and 80%

運(yùn)用磁力顯微鏡在室溫大氣環(huán)境下，研究了各向異性納米晶 Nd－Fe－B磁體(BHmax=426 kJ/m3)的微磁結(jié)構(gòu)，如圖13所示。法線平行于壓力方向的平面呈現(xiàn)出典型的條形疇結(jié)構(gòu)(圖13(a))，條形疇的疇寬約為530 nm，且延伸到幾個(gè)微米的尺寸范圍。而由圖12可見，各向異性納米晶Nd－Fe－B磁體中的晶粒尺寸約為長400 nm、寬60 nm。因此，圖13(a)所揭示的微磁結(jié)構(gòu)是一種典型的交換耦合疇［22］。它是由多個(gè)磁化強(qiáng)度方向一致的晶粒組成。這種交換耦合疇類似于沉淀硬化Sm2Co17型磁體中所呈現(xiàn)的磁疇［23］。法線垂直于壓力方向的平面上呈現(xiàn)的是片狀疇結(jié)構(gòu)(圖13(b))。片狀疇疇壁的走向接近晶粒的易磁化軸(c軸)的方向?？梢姡藰悠分芯Я５腸軸排列非常整齊，這是各向異性納米晶Nd－Fe－B磁體具有好的磁性能(BHmax=426 kJ/m3)的關(guān)鍵原因之一。

圖12 模壓溫度850℃、變形率分別為70%的熱變形磁體斷口高分辨掃描電鏡照片(壓力方向如圖中所示)Fig．12 HRSEM micrograph of the fractured surface of the die-upset Nd－Fe－B magnets，with the deformation ratio of 70%at 850℃(the pressure direction is indicated)

4．2 高溫時(shí)微磁結(jié)構(gòu)的表征

實(shí)際使用中的稀土永磁材料都經(jīng)過飽和磁化。因此，了解環(huán)境變化，如溫度等對(duì)磁體性能和微磁結(jié)構(gòu)的影響尤為重要。通常是測試樣品的磁性能隨溫度的變化情況。而如何解釋這種溫度效應(yīng)，最直接、有效、簡單的方式就是運(yùn)用磁力顯微鏡揭示出樣品的微磁結(jié)構(gòu)隨溫度的變化情況。

樣品經(jīng)過7 T的脈沖磁場磁化后，處于剩磁態(tài)時(shí)的典型磁疇結(jié)構(gòu)如圖14(a)所示。可見，此時(shí)磁力圖的信號(hào)很弱。磁力圖的信號(hào)與雜散磁場的二階倒數(shù)成正比，可由于剩磁態(tài)樣品中晶粒的磁化強(qiáng)度方向排列整齊，致使樣品表面雜散磁場分布均勻，二階倒數(shù)值很小，因而磁性針尖能夠探測到的磁信號(hào)很小，得到了較弱對(duì)比度的磁力圖。圖14(a)～(e)為剩磁態(tài)樣品在不同溫度下(室溫至240℃時(shí))同一個(gè)測試點(diǎn)(圖14(f))的磁疇結(jié)構(gòu)。這其實(shí)是一個(gè)熱退磁的過程?？梢?，80℃時(shí)(圖14(b))，已有少量反向疇出現(xiàn)，即樣品出現(xiàn)了一定程度的退磁。隨著溫度的升高，反向疇的數(shù)目逐步增加，當(dāng)溫度大于180℃(圖14(d))后，樣品已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重退磁。這說明，目前這種納米晶Nd－Fe－B樣品較難工作于200℃以上，這是Nd－Fe－B磁體的居里溫度偏低(312℃)所致。燒結(jié)Nd－Fe－B磁體經(jīng)過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，已研制出工作于200℃的樣品。因此，高使用溫度各向異性納米晶Nd－Fe－B磁體也將是 今后的重要研究方向之一。

圖13 高性能各向異性納米晶Nd－Fe－B磁體(最大磁能積為426 kJ/m3)的典型微磁結(jié)構(gòu)Fig．13 Typical magnetic domains of anisotropic nanoscale Nd－Fe－B magnets((BH)max=426 kJ/m3)

圖14 剩磁態(tài)的熱變形磁體在不同溫度下的典型磁疇結(jié)構(gòu)和形貌Fig．14 MFM images captured at the same area for the remanent die-upset Nd－Fe－B sample at different temperatures

5 結(jié)語

簡述總結(jié)了熱壓/熱變形釹鐵硼磁體的研究歷程和發(fā)展現(xiàn)狀、進(jìn)展，初步探索和分析了現(xiàn)有描述熱變形過程的理論模型存在的問題，認(rèn)為熱變形過程不僅應(yīng)考慮晶粒的塑性變形、晶粒邊界滑移以及晶粒邊界遷移，還應(yīng)考慮晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)以及再結(jié)晶過程中晶粒的擇優(yōu)生長，以往的擴(kuò)散－蠕變模型不能完全反映熱形變過程的物理信息，文章研究了變形溫度、變形速率以及壓下率對(duì)熱變形磁體性能的影響，并得到如下主要結(jié)果:

1)通過對(duì)納米晶Nd－Fe－B磁體的各向異性形成機(jī)理的研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到描述熱形變過程的數(shù)學(xué)方程，實(shí)驗(yàn)顯示，應(yīng)變激活能遠(yuǎn)大于純單質(zhì)原子的平均自擴(kuò)散激活能。晶粒取向、磁性能和微結(jié)構(gòu)與磁體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布密切相關(guān)。獲得了最佳磁性能為:Hcj=1157 kA/m，Br=1．465 T，(BH)max=426 kJ/m3納米晶Nd－Fe－B磁體;

2)運(yùn)用磁力顯微鏡，揭示出高性能各向異性納米晶Nd－Fe－B磁體的典型磁疇結(jié)構(gòu)是一種交換耦合疇。交換耦合疇的溫度依賴關(guān)系是影響磁體使用溫度的主要因素。

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