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热压/热变形技术以其独特的制备工艺和可近终成型的特点,与粉末冶金烧结工艺已经成为制备全密度各向异性高性能NdFeB材料的两种基本生产工艺路线,而我国在热压/热变形磁体的产业化生产方面尚处于空白状态。本文立足于实验室,系统研究了影响纳米晶NdFeB磁体高性能化的因素,重点对合金成分、快淬工艺、热压工艺、热变形工艺等关键影响因素进行了分析。从改善微观结构和提高晶体取向的角度,研究了磁粉粒度尺寸分布对纳米晶磁体微观结构和磁性能的影响。按照晶界滑移扩散蠕变模型初步分析了纳米晶磁体的热变形机制,并就其热变形过程进行了三维有限元模拟,研究了变形率对纳米晶磁体有效应变的影响以及磁体内部有效应变的不均匀分布,得到了有效应变与晶体织构的关系。
最佳快淬速度为25m/s。当Nd含量为29.3wt%时纳米晶磁体具有最佳磁性能。使用2wt%Pr取代Nd可以显著提高晶体取向,使剩磁及最大磁能积达到极大值:Br=1.3T,(BH)max=312kJ/m3。添加Ga可以显著提高矫顽力。
热压温度T<650℃,压坯密度较低;T>650℃,引起晶粒迅速长大。提高热压温度会增加热变形磁体中非取向晶粒层的体积分数,从而导致织构形成率降低。在热压温度550~600℃、热变形温度800~850℃、变形速率1×10-2s-1的工艺下纳米晶磁体具有最佳磁性能:Br=1.43T,(BH)max=401kJ/m3。随着变形率提高,纳米晶磁体的矫顽力显著降低,而其剩磁逐渐增加,并在变形率为80%时达到饱和,随后开始降低。粗大等轴晶仅出现在变形率较低的纳米晶磁体中,片状晶粒的晶体取向随变形率的增加而显著提高,当变形率过大时,晶粒取向开始混乱。
纳米晶磁体磁性能随磁粉粒度尺寸的增加均有显著提高,使用粒度尺寸为200~350μm磁粉所制备的纳米晶磁体在具有较高矫顽力同时能保持较高的剩磁,其性能为Hcj=1149kA/m,Br=1.472T,(BH)max=421kJ/m3。随着磁粉粒度尺寸增加,纳米晶磁体中孔隙与超大晶粒的数量急剧减少,片状晶粒的晶体取向显著提高。
纳米晶NdFeB磁体的热变形过程属于界面反应控制型蠕变,其变形机理可由伴随着晶粒聚集再结晶的晶界滑移扩散蠕变来解释。纳米晶磁体在热变形过程中的流动应力随热变形温度的增加以及应变率的降低而减小,其应力指数n=2.5,应变激活能Q≈380kJ/mol。热变形磁体各个区域的有效应变均随变形率增加而提高。有效应变在磁体内部不均匀分布,磁体中心区域的有效应变最大,有效应变沿磁体轴向的变化要大于径向。有效应变在一定范围内反映了晶体取向程度。