新型高性能納米晶永磁環

王會杰 賴 彬 趙 睿 朱明剛 李 衛

（鋼鐵研究總院功能材料研究所，北京 100081）

1 引言

稀土永磁電動機是釹鐵硼磁體最主要的應用領域，約占磁體總量的70%[1-2]。在電動機中應用永磁體，可使電動機產品輕型化、高性能化，其與電力電子技術結合，可制成速度、轉矩可調的機電一體化產品。

輻向取向R-Fe-B鐵基稀土永磁環適合應用于永磁電動機中。輻向取向磁環，如圖1所示，是指磁環的取向方向沿著環的徑向成輻射狀，在磁環內外兩側分別形成N極和S極；對輻向取向磁環進行特殊的脈沖磁化處理，可使磁環的內、外側形成N極和S極的多對極。輻向取向磁環最適合作電動機的轉子和定子，在各種電動機中有著廣泛的應用前景。目前在汽車、計算機等用的永磁電動機中，其轉子或定子多采用瓦型磁體拼接磁環。這種磁瓦拼接磁環，磁極波動較大，功率因數低，效率不高。在消費類電子產品用的微型電動機中多使用磁粉粘結磁環，磁環中晶粒取向為各向同性。粘結磁環磁性能偏低，并且受粘結劑制約其使用溫度也較低。

圖1 輻向取向永磁環示意圖

兩種方法可以制備全密度輻向取向R-Fe-B整體永磁環：一是傳統的粉末冶金燒結法，二是向后熱擠壓的方法（backward extrusion）。燒結輻向Nd-Fe-B永磁環采用粉末冶金工藝制備，由于需要同極對斥產生輻向磁場，對于小尺寸、高性能、高壁和薄壁的燒結磁環難以制備，且燒結磁環無法實現近終成型。熱變形納米晶Nd-Fe-B磁體相對于傳統的燒結磁體具有很多優勢：良好的環境穩定性；近終成型[3-4]；低溫、短時間的工藝特點使得制備復合磁體成為可能[5-8]，相對于燒結磁環，熱擠出輻向環具有高磁能積、薄壁和小尺寸的優點[9-11]。國外早在20世紀90年代就對熱擠壓輻環展開研究，主要側重于制備技術的研究。研究成分、工藝參數如溫度、應變速率等的影響，和熱擠壓輻環所能達到的磁性能。日本大同制鋼公司生產的熱擠壓R-Fe-B 輻環的磁能積已超過320kJ/m2[12]。鋼鐵研究總院在國內首先報道了制備出高性能熱壓納米晶磁環[13]，本文對納米晶熱壓磁環的熱變形過程進行了分析，分析了磁環磁性能、微觀結構，并利用三維有限元分析軟件（3D-Deform）分析了磁環織構形成過程。

2 實驗方法

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，接下來在高溫下將同性磁體熱擠出為輻向磁環。本實驗利用成分為 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。通過記錄不同熱變形溫度下熱變形過程中應力，溫度，以及變形率，研究Nd-Fe-B磁體的塑性變形過程。利用Lakeshore 7410震動樣品磁強計對磁環沿輻向方向磁性能進行測量。使用透射電鏡對磁環內晶粒形貌進行觀測。納米晶磁體塑性變形過程中應變率和流變應力的關系式可以表示為：

其中A，R為常數，ε為應變、σ為流變應力，T為絕對溫度，Q為應變激活能。利用3D-Deform軟件對磁環的熱擠出過程進行分析，分析其徑向織構產生過程。

3 實驗結果及討論

納米晶Nd-Fe-B磁體在熱變形過程中晶粒易于長的，導致磁體磁性能降低。為了避免晶粒長的，熱壓過程采用快速升溫，材料升溫過程如圖2所示，可見材料由室溫升至所需要的熱變形溫度僅需2min左右。快的升溫速率有助于避免納米晶磁體內晶粒長的，保證了納米晶Nd-Fe-B磁體熱變形對溫度控制的要求。

圖3（a）為磁環內晶粒的投射電鏡照片，箭頭方向為磁環的徑向方向，可見晶粒沿磁環軸向被顯著拉長，厚度方向約為80～100nm，長度方向約為500～800nm。圖3（b）為磁環沿徑向方向的XRD譜線，可見（004）、（006）及（008）的峰值顯著增強，表明材料沿徑向方向產生了強烈的c軸織構。

圖2 材料升溫過程曲線

圖3 磁環透射電鏡照片（a）及對應的XRD衍射譜（b）

圖4 磁環熱擠出過程中應力分布特征

圖4為利用3D-Deform軟件分析得到的磁環在熱擠出過程中應力的分布特征，可見在45°轉角方向具有最大的應力值，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，其塑性變形機理為溶解-擴散-蠕變過程。在切應力下材料發生了劇烈的剪切變形，45°轉角方向大的切邊應力也許是磁環沿徑向方向具有高c軸織構的原因。

圖5 熱壓磁環的退磁曲線

圖6 納米晶熱壓Nd-Fe-B磁環照片

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

圖7（a）為納米晶熱壓輻向磁環表面場分布，利用霍爾探頭沿磁環圓周方向對輻向環表面場進行測量，如圖7（b）所示。輻向環表面場均勻性較好，磁環表面場不均勻性小于3%。

為了測試納米晶熱壓磁環的溫度穩定性，研究測試了材料的溫度系數與磁環的溫

圖8為材料溫度穩定系數測試，測試樣品為圓柱，高度/直徑（L/D）為0.58，經測定材料溫度系數為-0.084%/℃。圖9為經過一系列溫度熱處理后磁環表面場損失情況（每個溫度下保溫2h），可見經過170℃兩小時保溫后，納米晶熱壓Nd-Fe-B磁環表面場幾乎無損失，表明納米晶Nd-Fe-B磁環具有良好的溫度穩定性。

圖7 熱壓磁環表面場分布

圖8 溫度系數測量

圖9 磁環溫度穩定性測量

4 結論

制備出了高性能熱壓Nd-Fe-B輻向環，納米晶熱壓Nd-Fe-B輻向環沿徑向方向具有良好的c軸織構。其磁性能較傳統燒結磁環顯著提高，且具有優異的表面場均勻性。同時熱壓磁環具有良好的溫度穩定性，可滿足較高溫度下使用要求。

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[13]高性能輻向熱壓磁環及其制備方法， 李 衛，王會杰，林 旻等，（中國發明專利號： 200710177080.8）.