晶界掺纳米TiC热变形钕铁硼的制备与性能研究

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钕铁硼合金应用于电机、电子通讯、航空航天、交通运输等领域,是应用最广泛的高性能稀土永磁材料。该合金可通过粘结法、烧结法和热变形法制备,其中热变形法可获得高取向度、高致密度的钕铁硼磁体,所得材料中常存有粗晶粒区和不均匀带状富钕相,不利于磁体矫顽力与耐蚀性,这限制了钕铁硼的应用。针对该问题,本文基于硬质相晶界钉扎理论,采用晶界掺杂纳米TiC的思路制备热变形钕铁硼磁体。系统地研究了热变形钕铁硼磁性、抗蚀性能与纳米TiC数量/尺寸、热变形压力、保温时间之间的关系,对材料构-效关系做了分析。研究发现:(1)变形压力为100MPa、保温时间为30min时所得的磁体兼具高耐蚀性和高磁性。(2)掺杂0.25-1.00 wt%纳米(50nm)TiC时,热变形磁体的综合磁性能为55-56(MGOe+kOe),比未掺磁体的相应指标提高了3.3%-6.1%;随纳米TiC的添加量的增加,磁能积先增后减;掺杂0.25 wt%TiC时,磁体获得最大矫顽力为16.61kOe,比未掺磁体的相应指标提高了~2.5%。(3)在掺杂不同尺寸(30nm、40nm、50nm)纳米TiC磁体中,纳米TiC尺寸为50nm时,热变形磁体回火处理后的综合性能为59.57(MGOe+kOe),比未掺磁体的相应指标提高了~3.6%;纳米TiC尺寸为40nm时,矫顽力为15.24 kOe,比未掺磁体的相应指标提高了~2.3%。(4)晶界掺杂纳米TiC能提高磁体在酸性和含Cl-中性介质环境中的抗蚀性,添加量为0.5 wt%时抗蚀性最优。使磁体侧面在0.005 M H2SO4、0.6 M Na Cl的水溶液中的腐蚀电流密度由7.039mA/cm2和3.569mA/cm2分别降为4.5mA/cm2、0.906mA/cm2,降幅达36.1%、74.6%。基于钕铁硼构-效关系分析,磁性能与磁体内部富钕相的形貌分布密切相关,而后者与热变形关键参数及纳米TiC的数量/尺寸有关。变形压力为100 MPa、变形保温时间为30 min时制备的磁体具有均匀的富钕相分布以及小的平均晶粒尺寸(约为175nm),使磁体获得优异的矫顽力和方形度;适量的添加纳米TiC改善了带状富钕相的分布与含量,主相纳米晶颗粒被晶间富钕相均匀包裹,磁硬化作用增强,热压热变形过程中,高硬度、高稳定性的纳米TiC随着液态富钕相流动于磁体中,处于晶界的纳米TiC具有阻碍晶粒长大的作用,有利于提高磁体磁性能。此外,磁体抗蚀性与富钕相的形态分布/化学稳定性有关,后者受纳米TiC的数量/尺寸影响。0.5 wt%尺寸为50nm TiC磁体的富钕相分布均匀,能够有效阻碍如SO42-、Cl-等具有腐蚀性的离子向磁体内部的扩散;同时还提高了富钕相的化学稳定性,减小了富钕相与主相之间的电位差,降低了腐蚀动力,从而提高了热变形磁体的耐蚀性。
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