论文摘要
Nd2Fe14B／α-Fe纳米复合永磁材料是由纳米晶粒尺度内产生交换耦合作用的硬磁相、软磁相以一定比例和分布状态组成的一种新型永磁材料。预计理论磁能积可达1000 kJ／m3，大大高于现有的任何一种单相材料，加之其还具有相对较低的稀土含量和较好的物理化学稳定性，故纳米复合永磁材料自1991年诞生以来，一直是永磁材料领域研究的热点，理论及磁性能研究方面均取得了长足的进展。但迄今所有公开报道的磁能积还远低于其理论预测值，主要原因是实际获得材料的晶粒度、软硬磁相的含量和分布状态、界面结构及晶体学取向等微结构状态与理论模型尚有较大偏差。因此，控制纳米复合永磁材料的微结构状态，使之满足理论模型的要求是提高纳米复合永磁材料性能的关键。本研究以Nd2Fe14B／α-Fe纳米复合永磁材料的成分、制备设备、制备工艺为主要研究内容，以探讨我国纳米复合永磁材料产业化制备领域的关键技术问题及其解决方案为主线，以获得与麦格昆磁公司同类产品性能相当的纳米复合永磁材料为目标。研究取得了如下成果：纳米复合永磁材料合金系的成分方面，在NdFeBCoZr五元合金系中，系统地研究了制备工艺以及B、Zr和稀土Nd元素含量对材料显微结构及磁性能的影响。通过优化研究，获得了磁性能最佳的成分配比为：Nd10Fe75．9B6.4Co5Zr2．7；为降低材料成本、合理平衡地利用稀土资源，在Nd10Fe75.9B6．4Co5Zr2.7合金中进行了以Pr代Nd及Nd、Pr混合稀土金属代Nd对合金磁性能、显微结构、热稳定性影响的研究。研究表明：(Nd(1-x（Prx）10Fe75．9Co5Zr2．7B6.4中Pr的添加量选用x=0．25为宜；用钕、镨混合稀土金属MR（Nd／MR≈0．75，Pr／MR≈0．25）代替Nd0．75Pr0.25时，磁性能略有降低，但总的降幅仅2％左右，表明直接利用钕镨混合稀土金属MR代替稀土Nd作为Nd10Fe75．9Co5Zr2．7B6．4的稀土组元是可行的。在制备工艺方面，影响纳米复合永磁材料磁性能的工艺因素较多，其中快淬及晶化设备及其工艺参数是影响较为显著的关键工艺因素。在快淬工艺中，为了便于快淬速度VX的优选，首先建立了单辊熔体快淬工艺的传热物理模型，通过对熔体温度与时间的关系式：T=T0+（Tm-T0）exp(-（ατ）/(ρlcplh))及基于单辊熔体快淬工艺传热物理模型热传递的理论分析，获得了熔体快淬工艺的冷却速度与快淬薄带厚度h之间的关系式：在牛顿冷却方式下，冷却速度与快淬薄带的厚度h成反比：（dT）/（dτ）=α/(ρlCplh)（Tm-To）；而在理想和中间冷却方式下，冷却速度与快淬薄带的厚度h的平方成反比：（dT）/（dτ）=（λ1（Tm-To））/(ρlCplh2)．从形成非晶合金的冷却速度条件和薄带与辊面良好接触的工艺要求出发，得到了转轮辊的线速度范围为：（l/（Tm-To））（（dT）/（dτ））glass≤Vx≤（（P+F）△HR0）/（αρsl△T）据此，计算出了转轮辊的线速度范围为：14～54m／s，为快淬工艺参数的优选提供了理论依据；通过不同成分的快淬工艺参数优化研究表明：在成分一定时，最佳磁性能总是与某一快淬速度相对应，即与一定比例的微晶与非晶共存的淬态组织相对应：在NdFeBCoZr五元合金系中，对应于最佳磁性能的最佳快淬速度主要与Co、Zr合金元素的含量有关，而与Nd、Fe、B元素关系不大。在熔体快淬设备的研究方面，发现电弧式真空熔体快淬设备制备MR10Fe75．6B6．4Co5Zr2．7时，易产生成分及晶粒大小的不均匀性问题是导致其难以获得高性能纳米复合永磁材料的主要原因。讨论了电弧式熔体快淬工艺引发成分不均匀性的原因，建立了电弧式熔体快淬工艺水冷铜坩埚中熔体结晶凝固的一维传热物理模型，获得了水冷铜坩埚中Zr元素分布的数学关系式，并用化学分析方法分析了水冷铜坩埚壁上合金凝固层及残留熔体的成分，证明了Zr的不均匀分布规律，表明水冷铜坩埚壁上合金凝固层的存在是引发成分不均匀性的主要原因；讨论了电弧式熔体快淬工艺引发晶粒大小不均匀性的原因，研究表明：电弧式熔体快淬工艺制备的快淬薄带厚度不均匀是引发晶粒大小不均匀性的主要原因；为了减弱电弧式熔体快淬工艺引发的不均匀性问题，从改进送料机构及提高水冷铜坩埚的保温性能入手，对现有电弧式熔体快淬设备进行了改进，在一定程度上改善了水冷铜坩埚内温度、成分及甩制条带的厚度不均匀性；为了克服电弧式熔体快淬工艺引发成分及显微组织的不均匀性问题，研制了具有产业化应用潜力的感应式熔体快淬设备及制备非（微）晶纤维圆丝的实验设备，用以代替电弧式熔体快淬设备制备了Nd10Fe75.6B6．7Co5Zr2．7合金，获得了较好的磁性能：Br=0．734T，Hcj=710kA／m，（BH）max=88kJ／m3（粘结磁体φ10×10，ρ=6±0．1／cm3），达到并超过了麦格昆磁公司MQP-B牌号磁粉的性能水平。在晶化工艺的研究方面，通过晶化温度、晶化时间、升温速率及晶化处理后的冷却速度对快淬薄带晶化行为的影响分析，获得了满足高性能纳米复合永磁材料的晶化工艺要求为“快速升温、均匀保温、快速冷却”。在晶化设备的研究方面，发现小型石英管式晶化炉较现有的生产型管式晶化炉处理的磁粉性能优异，主要原因是小型石英管式晶化炉能较好地满足“快速升温、均匀保温、快速冷却”的晶化工艺要求，而国产生产型管式晶化炉导致磁性能降低的主要原因是不能较好地满足“快速升温、均匀保温、快速冷却”的晶化工艺要求；为了实现“快速升温、均匀保温、快速冷却”的晶化工艺要求，克服国内现有产业化晶化设备的不足，提出了生产型管式晶化炉的改进措施及整体旋转冷却式真空连续晶化炉的研究方案，初步实施结果表明：该研究方案是可行的。讨论了Zr元素及晶间非晶薄层相的作用机理，提出了晶间非晶薄层相的“共格耦联效应”及其作用机理模型，并计算出了与文献报道较为吻合的晶间非晶薄层相的适宜厚度（2nm左右）；据此，提出晶间非晶薄层相的作用主要有两方面：阻碍了晶粒的长大，细化了软、硬磁相的晶粒，提高了晶粒的均匀性；适量的晶间非晶薄层相还具有“共格耦联效应”，可改善软、硬磁相间的共格关系，提高软磁相α-Fe、硬磁相Nd2Fe14B间的交换耦合作用，提高材料的磁性能。
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