新型高性能纳米晶永磁环

王会杰 赖 彬 赵 睿 朱明刚 李 卫

（钢铁研究总院功能材料研究所，北京 100081）

1 引言

稀土永磁电动机是钕铁硼磁体最主要的应用领域，约占磁体总量的70%[1-2]。在电动机中应用永磁体，可使电动机产品轻型化、高性能化，其与电力电子技术结合，可制成速度、转矩可调的机电一体化产品。

辐向取向R-Fe-B铁基稀土永磁环适合应用于永磁电动机中。辐向取向磁环，如图1所示，是指磁环的取向方向沿着环的径向成辐射状，在磁环内外两侧分别形成N极和S极；对辐向取向磁环进行特殊的脉冲磁化处理，可使磁环的内、外侧形成N极和S极的多对极。辐向取向磁环最适合作电动机的转子和定子，在各种电动机中有着广泛的应用前景。目前在汽车、计算机等用的永磁电动机中，其转子或定子多采用瓦型磁体拼接磁环。这种磁瓦拼接磁环，磁极波动较大，功率因数低，效率不高。在消费类电子产品用的微型电动机中多使用磁粉粘结磁环，磁环中晶粒取向为各向同性。粘结磁环磁性能偏低，并且受粘结剂制约其使用温度也较低。

图1 辐向取向永磁环示意图

两种方法可以制备全密度辐向取向R-Fe-B整体永磁环：一是传统的粉末冶金烧结法，二是向后热挤压的方法（backward extrusion）。烧结辐向Nd-Fe-B永磁环采用粉末冶金工艺制备，由于需要同极对斥产生辐向磁场，对于小尺寸、高性能、高壁和薄壁的烧结磁环难以制备，且烧结磁环无法实现近终成型。热变形纳米晶Nd-Fe-B磁体相对于传统的烧结磁体具有很多优势：良好的环境稳定性；近终成型[3-4]；低温、短时间的工艺特点使得制备复合磁体成为可能[5-8]，相对于烧结磁环，热挤出辐向环具有高磁能积、薄壁和小尺寸的优点[9-11]。国外早在20世纪90年代就对热挤压辐环展开研究，主要侧重于制备技术的研究。研究成分、工艺参数如温度、应变速率等的影响，和热挤压辐环所能达到的磁性能。日本大同制钢公司生产的热挤压R-Fe-B 辐环的磁能积已超过320kJ/m2[12]。钢铁研究总院在国内首先报道了制备出高性能热压纳米晶磁环[13]，本文对纳米晶热压磁环的热变形过程进行了分析，分析了磁环磁性能、微观结构，并利用三维有限元分析软件（3D-Deform）分析了磁环织构形成过程。

2 实验方法

首先利用快淬工艺将合金制备成非晶或纳米晶快淬带，然后利用热压将快淬带制备成为各向同性全密度磁体，接下来在高温下将同性磁体热挤出为辐向磁环。本实验利用成分为 Nd30Fe66.55Co4B0.95Ga0.5的快淬粉，磁粉在550℃～700℃，160～200MPa的压力下热压形成全密度压坯。压坯在 750℃～900℃，270～300MPa的压力条件下热挤出成磁环。通过记录不同热变形温度下热变形过程中应力，温度，以及变形率，研究Nd-Fe-B磁体的塑性变形过程。利用Lakeshore 7410震动样品磁强计对磁环沿辐向方向磁性能进行测量。使用透射电镜对磁环内晶粒形貌进行观测。纳米晶磁体塑性变形过程中应变率和流变应力的关系式可以表示为：

其中A，R为常数，ε为应变、σ为流变应力，T为绝对温度，Q为应变激活能。利用3D-Deform软件对磁环的热挤出过程进行分析，分析其径向织构产生过程。

3 实验结果及讨论

纳米晶Nd-Fe-B磁体在热变形过程中晶粒易于长的，导致磁体磁性能降低。为了避免晶粒长的，热压过程采用快速升温，材料升温过程如图2所示，可见材料由室温升至所需要的热变形温度仅需2min左右。快的升温速率有助于避免纳米晶磁体内晶粒长的，保证了纳米晶Nd-Fe-B磁体热变形对温度控制的要求。

图3（a）为磁环内晶粒的投射电镜照片，箭头方向为磁环的径向方向，可见晶粒沿磁环轴向被显著拉长，厚度方向约为80～100nm，长度方向约为500～800nm。图3（b）为磁环沿径向方向的XRD谱线，可见（004）、（006）及（008）的峰值显著增强，表明材料沿径向方向产生了强烈的c轴织构。

图2 材料升温过程曲线

图3 磁环透射电镜照片（a）及对应的XRD衍射谱（b）

图4 磁环热挤出过程中应力分布特征

图4为利用3D-Deform软件分析得到的磁环在热挤出过程中应力的分布特征，可见在45°转角方向具有最大的应力值，纳米晶Nd-Fe-B磁体的形变和取向源于塑性变形、晶界迁移、晶界滑移的组合，其塑性变形机理为溶解-扩散-蠕变过程。在切应力下材料发生了剧烈的剪切变形，45°转角方向大的切边应力也许是磁环沿径向方向具有高c轴织构的原因。

图5 热压磁环的退磁曲线

图6 纳米晶热压Nd-Fe-B磁环照片

图5为高矫顽力热压纳米晶Nd-Fe-B磁环沿径向方向的退磁曲线，磁体的剩磁Br为12.24，内禀矫顽力为20.62kOe，最大磁能积达到35.79MGOe。图6为热压磁环照片。

图7（a）为纳米晶热压辐向磁环表面场分布，利用霍尔探头沿磁环圆周方向对辐向环表面场进行测量，如图7（b）所示。辐向环表面场均匀性较好，磁环表面场不均匀性小于3%。

为了测试纳米晶热压磁环的温度稳定性，研究测试了材料的温度系数与磁环的温

图8为材料温度稳定系数测试，测试样品为圆柱，高度/直径（L/D）为0.58，经测定材料温度系数为-0.084%/℃。图9为经过一系列温度热处理后磁环表面场损失情况（每个温度下保温2h），可见经过170℃两小时保温后，纳米晶热压Nd-Fe-B磁环表面场几乎无损失，表明纳米晶Nd-Fe-B磁环具有良好的温度稳定性。

图7 热压磁环表面场分布

图8 温度系数测量

图9 磁环温度稳定性测量

4 结论

制备出了高性能热压Nd-Fe-B辐向环，纳米晶热压Nd-Fe-B辐向环沿径向方向具有良好的c轴织构。其磁性能较传统烧结磁环显著提高，且具有优异的表面场均匀性。同时热压磁环具有良好的温度稳定性，可满足较高温度下使用要求。

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[13]高性能辐向热压磁环及其制备方法， 李 卫，王会杰，林 旻等，（中国发明专利号： 200710177080.8）.