CN101240398A - 金属间化合物各向异性磁粉,制备方法及专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有磁性的单相稀土金属间化合物合金及其制备工艺和专用设备，该磁粉的化学式为：R_{12.5－X1－X2}SM_X2TC_{81.3－Y1－Y2}TM_Y2B_6.2－Z，按原子百分比计，其中：R为稀土元素，Nd是必选元素，其余从稀土元素Pr、Ce、Tb和Dy中任选一种或多种，Nd占稀土元素总量80－100％；SM为半导体元素，从Si、Ga、Ge中选一种或几种；TC是铁磁性元素，可选Fe或Co中的一种或两种，Fe占铁磁性元素的87－100％；TM是过渡金属元素，选自Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Cr、Mo和W中的一种或多种，X1、X2、Y1、Y2、Z的取值：－0.7≤X1≤0.7；0.05≤X2≤1；－2≤Y1≤2；0.05≤Y2≤0.5；－0.3≤Z≤0.3，该合金的BH_MAX＝16～43MGOe。

Description

金属间化合物各向异性磁粉，制备方法及专用设备

技术领域

本发明涉及一种单相稀土金属间化合物合金，特别涉及一种稀土金属间化合物各向异性磁粉及其制备方法，以及实施该工艺的专用设备。

背景技术

稀土金属间化合物是制备高性能永磁体的基础，它广泛应用于现代工业技术，科学研究和国防军事等各个领域。如家用电器、工业自动化仪表、微波通讯、计算机、电机、磁分离、磁化器、医疗器械、磁力机械及尖端科学实验等方面。在家用电器方面，典型的应用有高保真音响器件如扬声器、拾音器、受话器，以及冰箱、空调机和洗衣机等。在自动化仪表仪器方面，主要应用有电度表、转针式测量仪表及电传器等。在微波通讯方面，主要应用有行波管、磁控管、隔离器和环行器等。在计算机方面，主要是其外设，包括存储器，如软盘、光盘驱动器以及打印机等。在电机工程方面，主要应用有交、直流钕铁硼永磁电机、微动音圈电机、致动器，和视频摄像机中的微型电动机、磁聚焦圈等。在磁分离方面，主要应用有磁选矿机和净化器等。在磁化器方面，主要应用有磁化水除污器和磁化脱腊器等。在医疗器械方面，主要应用有核磁共振成像仪、磁疗器及磁化杯等。在磁力机械方面，主要应用有永磁吊车、传送带及磁悬浮无磨擦运动体系(如磁力轴承)等。在尖端科学实验方面，主要应用有同步加速器中的电子束偏转器、阿尔法磁谱仪和地震波检测器等。此外，各种新用途还正在不断被开发出来。

永磁材料是指在没有外加磁场的情况下也能在材料内部和外表面附近产生稳恒磁场的材料。物理学研究表明，材料的磁性来源于构成该材料的原子的磁性(称为磁矩)。在化学元素周期表中，只有3d过渡族元素如铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)以及4f稀土族元素如铈(Ce)镨(Pr)钕(Nd)和钐(Sm)等因具有未被填满的3d或4f内层电子壳层，因而具有原子磁矩。各种磁性材料在化学上都来源于这些过渡族和稀土族元素的不同化合，不同元素构成和相应的化学化合给我们造就了各种性能要求的磁性材料产品，应用于各个领域。作为永磁体来说主要技术指标有：

1、最大磁能积((BH)_MAX)：定义为单位体积磁体所能存储的最大静磁能。磁能积越大，产生相同磁场所需的永磁体体积越小。最大磁能积是衡量磁体性能的主要指标；

2、剩磁(H_CJ)：是指永磁体在外加磁场中充磁磁化然后撤去外场后在体内保留的磁矩。剩磁越大，磁能积越大；

3、矫顽力(Br)：是指为了使永磁体的磁性消失而需要在与永磁体磁化方向相反方向施加的外场大小。矫顽力越大，磁体抗干扰能力越强；

4、工作温度：指为保证永磁体正常工作所能承受的最高温度，主要在不同应用领域中考虑该指标。

八十年代以来，稀土永磁-钕铁硼合金材料(Nd₂Fe₁₄B)由于具有优越的性能(有“永磁王”之美称)，逐步成为具有代表性的第三代金属永磁产品。从金属永磁发展历史看，第一代金属永磁-铝镍钴(AlNiCo)，出现于1939，其磁能积为64kJ/m³，第二代金属永磁-钐钴磁体(Sm-Co)，出现于1967，其磁能积为200kJ/m³；1983年问世的第三代金属永磁-钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)，其磁能积高达290～470kJ/m³。总之，三代金属磁体产品的磁性能一代比一代不断提高。磁能积越大，产生相同磁场所需的永磁体体积就越小。由此可见，钕铁硼在精密仪器和小型装置方面开拓了前两代磁体不可能替代的新用途。

八十年代初，日本和美国分别开发了制备NdFeB磁体的烧结工艺和粘结工艺，并进行磁体的商品生产。两种生产工艺各有所长，其中，烧结工艺能制备完全致密的磁体，因而其剩磁强度高，矫顽力高，磁能积高，可使用于较高温度。而粘结磁体由于含有相当分量的非磁性物质-粘结剂，其磁性因稀释而减弱，但此工艺能制备特殊形状的磁体，且一次成型，勿需再加工，其尺寸公差精度高；此工艺适合自动化，大规模生产，产品性能一致性好；由于磁粉是各向同性的，可任意方向充磁，其耐腐蚀性良好。

关于烧结钕铁硼母合金的制备，本发明人在其专利98102766.0(公开日：1999年2月17日)中有详细叙述。该专利主要涉及烧结磁体合金的制备工艺。发明人介绍了这种磁性材料烧结体的成份含量为R_x(Fe_1-mM_m)_yT_z，其中R是选自Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy中的一种或多种元素；M是选自Ti、V、Cr、Mn、Co、Mo中的一种或多种元素；T是B、C、N中的一种元素。代表性的磁体就是钕铁硼烧结体，其制备方法是将熔融金属液流浇铸在水冷辊轮上，使之速凝成薄片，此铸片在保护气体中继续冷却，而且合金铸片两面有一定的温度梯度，有利于柱状晶的形成。利用这种工艺制备的薄铸片经氢化处理，再进行机械破碎成细粉，粒度分布在1～9μm之间，平均粒度为4～5μm此细粉是单晶颗粒，可制备高性能烧结磁体。

对于粘结磁体而言，此粉太细，合适的粒度应是20～80μm。若能制备此粒度的各向异性磁粉，相对于各向同性的单相合金磁粉而言，必将是一个显著的飞跃。采用传统浇铸或速凝铸片工艺，可得到成分均匀的单相2∶14∶1金属间相。经过1100℃，20小时的均匀化处理，得到晶粒尺寸合适的单相合金，通过与氢的可逆多次反应，最终得到各向异性磁粉，本发明给出了此工艺的关键技术参数和高效专用氢处理炉的设计结构。在此前开发的各向同性磁粉，例如熟知的MQ粉(天津MQI公司生产)，其典型磁性如下表及图1所示，而各向异性磁粉如YX粉(北京罗氏旭阳磁技术公司，本发明人所提供的)性能和前者截然不同，其磁能积是前者的一倍以上。

各向同性和异性磁粉性能的对比

对比性能	牌号	Br，kG	HCJ，kOe	(BH)MAX，MGOe
					各向同性磁粉	MQ	7.5～8.0	9～15	8～11
各向异性磁粉	YX	9.5～10.8	12～17	16～43

上世纪90年代，人们发现当钕铁硼合金与氢气在高温(1073K，即800℃)下进行可逆反应可制备各向异性磁粉，也就是业内熟知的HDDR工艺，即钕铁硼合金经过氢化-歧化-脱氢-再结合的工艺。1995年日本的三菱材料公司为生产和销售商品名为HDDR的磁粉，专门在美国设厂和销售代表，但该工艺的关键参数却不能精确控制，使得所制备的磁粉性能不稳定，最后于1999年停产关闭。

发明人基于上述氢化处理的启发，对单相金属间化合物铸材进行更为精确可控又能规模化生产的氢化处理，工艺原理与HDDR工艺类似，但具体的工艺参数则大为不同，关键是对各反应阶段氢气压力的严格控制。发明人也对磁粉化学成份作了进一步的探索。在进行氢化处理实验时，发明人发现在现有的钕铁硼磁粉中加入适量的半导体元素和特定过渡族元素可扩宽最佳氢气压力范围，使反应过程易于控制，最终可得到磁性良好的各向异性磁粉。该磁粉为合金产品，为叙述方便下文只引用磁粉来叙述之。

发明内容

本发明主要目的就是提供一种具有磁性各向异性的单相稀土金属间化合物磁粉，其化学式为：R_12.5-X1-X2SM_X2TC_81.3-Y1-Y2TM_Y2B_6.2-Z，按原子百分比(at.％)计算，其中R为稀土元素，Nd是必选元素，其余可从稀土元素Pr、Ce、Tb和Dy中任选一种或多种，Nd含量应占稀土元素总量的80～100％，X1的取值范围为-0.7≤X1≤0.7；SM是半导体元素Si、Ga、Ge中的一种或几种，优选为Ga，X2的取值范围为0.05≤X2≤1；TC是铁磁性元素，可以选自Fe或Co中的一种或两种，Fe含量占铁磁性元素的80～100％；Y1的取值范围为-2≤Y1≤2；TM是过渡金属元素，选自Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Cr、Mo和W中的一种或多种，优选为Nb，Y2的取值范围是0.05≤Y2≤0.5。

该磁粉的最大磁能积(BH)_MAX＝128～343kJ/m³＝16～43MGOe，优选为29～43MGOe。它比各向同性磁粉的最大磁能积要高出1～3倍，而且也远远高于HDDR磁粉的最大磁能积，性能更为稳定。

下面介绍具体制备方法，利用传统的铸造工艺将各种成份按上述化学式制成合金铸锭，此合金锭置于真空炉内进行1100℃均匀化处理20小时，然后将该铸锭置于专用的反应罐内进行氢化处理，注意此时铸片的化学成份为R_12.5-X1-X2SM_X2TC_81.3-Y1-Y2TM_Y2B_6.2-Z，为方便计，仅以其一种基本化学式Nd₂Fe₁₄B为例，氢化处理步骤如下：

钕铁硼磁粉的氢化处理过程示于图2(其中DR指歧化反应区，HD指脱吸与再结合区)，由彼此相继的4步组成：

I、吸氢反应：往氢处理炉内充入氢气，氢气压力保持在100kPa下，吸氢反应为：Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_X，此反应为放热反应，炉内合金锭因吸氢而自然升温，温度可达300℃，此过程持续约1小时，吸氢反应结束；此时开始加热反应炉，当温度达到750℃以上，进入歧化区，产生歧化反应；

II、歧化反应：将炉温保持在800～840℃，优选为820℃，氢气压必须瞬间调节至最佳范围内，具体气压因成分而异，一般在18～90kPa范围内。歧化持续3小时，合金铸片歧化为3个相：Nd₂Fe₁₄BH_X→NdH₂+Fe+Fe₂B。注意，Ga、Nb、Co的存在可有效扩宽最佳氢气压范围，使反应更容易控制，从而保证磁粉达到各向异性。对于不同成份配比的磁粉，其歧化反应时的最佳氢气压范围不同，对于某一具体成份，其最佳氢气压范围固定不变。某一具体成份的最佳氢气压根据实验确定具体数值，为精确测定最佳值，氢气压的间隔极小，仅为0.1个kPa，从而得出磁性峰值对应的最佳氢气压范围。实验时通过与反应罐连通的缓冲罐、精密气阀，真空泵机组联合使用，实现歧化反应时氢气压的严格控制。

III、脱吸与再结合：温度继续保持800～840℃，此时与真空机组连通的缓冲罐已被抽至10^-2Pa，打开反应罐与缓冲罐之间的控制阀门，反应罐内氢压骤降，通过精密阀门，将压力调至1～3kPa。脱吸过程即脱离歧化区的过程，此时歧化的产物将再结合，即NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_X，此过程持续仅约20分钟即完成；

IV、脱氢：将氢压降至100Pa以下，同时停炉降温至室温，为加快降温，可同时充入Ar，再抽真空，此后真空机组保持工作。为充分脱氢当温度降至50℃时可再次升温至800℃，然后再降至室温，此时真空度达10^-2Pa，脱氢过程为：Nd₂Fe₁₄BH_X→Nd₂Fe₁₄B+H₂↑此脱氢过程持续3小时。

步骤II和步骤III是出现各向异性的关键工艺，要点是控制氢气压，步骤I与步骤IV分别是吸氢与脱氢过程。虽然上述过程分步骤叙述，但实际操作过程是彼此连接的步骤，所述的瞬间或骤降也是相对而言的。

本发明的另一个方面涉及专门用于制备各向异性磁粉的氢化处理设备，整套设备的原理结构示于图3。图中标记1～5是设备主体-氢化处理反应罐26的相应部件，该反应罐主要包括：两个顶盖2、5，无缝不锈钢管4和两个端盖3；顶盖2呈漏斗型，两个端盖3分别开有若干圆孔，配合钢管4套入，端盖3与钢管密封焊成一个整体，每个反应罐优选包括4根钢管；端盖3上有固定密封圈的槽沟，从而保证端盖3和顶盖2、5可实现真空密封连接；阀门1位于漏斗型顶盖2出口处，用以控制出料。顶盖5上设置有：氢气进气阀门18，可控制和微调氢气的流入量；氢气压力表6，用以显示反应罐内的氢气压力；温度显示器21，用以精确显示钢管内部的温度；以及与氢气压调节装置22相连通的接口23。钢管4内底部设有加热组件24，用以均匀加热钢管4，可以为电热偶或与钢管4绝缘电阻丝，被处理材料分置于钢管4底部，加热组件24加热处理材料(见图5A与5B)。氢气压调节装置22采用在工业领域普遍应用的成熟技术。为使本发明的关键更明确，现简单介绍一下氢气压调节装置22的结构。氢气压调节装置22主要包括真空机组16、17，缓冲罐11以及三通管8。三通管8的第一端通过蛇形软管7与顶盖5上的接口23相通；其第二端通过真空阀门9与罗茨泵17和主机械泵16构成的真空机组相通；其第三端则通过精密阀门10和缓冲罐11连接，此缓冲罐的体积是反应罐体积的1.5～2倍；缓冲罐11通过阀门13与带蛇型软管14的接管和第一机械泵15连通。缓冲罐11上装有压力表12监控罐内压力。

为了加速钢管4内升温以及冷却速度，反应罐上设置有外部加热和冷却装置，为此在两端盖3内侧焊有一方形槽20，该方形槽20上部开口，这样在钢管4与方形槽20之间保留有一定空间，当钢管需要加热时，将加热装置25从外槽顶部插入槽与钢管之间(见图5A)；当钢管需要冷却时，移开加热器，往槽内注水直接冷却钢管(见图5B)，方形槽20底部设有一放水阀门19，可放空槽内冷却水。

加料时，打开顶盖5，将需要处理的合金料直接分别装入各钢管4内(见图5A与5B)，管内温度借置于管内的热电偶监控。加料完毕，将顶盖5与反应罐关紧，然后往反应罐内注氢，通过控温、控压装置调节罐内温度和氢气压力，从而进行氢化处理工艺。

各向异性磁粉的氢化-歧化-脱吸再结合-脱氢反应对气压、温度等反应条件的控制要求极为严格，不宜于大批量材料同时进行，而应分小批量实施，为增加产量计，只需添加反应罐的数量即可，这些反应罐可通过多头三通管分别与氢气压调节装置直接连通。

图4A是氢化处理反应罐的立体视图，图4B是氢化处理反应罐的平面剖视图，图4C为氢化处理反应罐沿图4B中AA的剖视图。

图5A、5B是反应罐外部加热与冷却时的剖视图，当钢管需要加热时，将加热装置25(见图5A)，从顶部插入方形槽与钢管之间；每组反应罐配两个加热器，每个加热器功率是3kW。当钢管需要冷却时，移开加热器，往槽内注水直接冷却钢管，如图5B所示，方形槽20底部设有一放水阀门19，可放空槽内冷却水。

附图说明

图1为各向同性(MQ)与各向异性(YX)磁粉的性能对比；

图2为Nd₂Fe₁₄B在温度-氢压(T-H)图中的HDDR工艺过程；

图3为各向异性磁粉制备设备组合示意图；

图4A为氢化处理反应罐的立体视图；

图4B为氢化处理反应罐的平面剖视图；

图4C为氢化处理反应罐沿图4B中AA的剖视图；

图5A为反应罐外部加热时的剖视图；

图5B为反应罐外部冷却时的剖视图；

图6显示组分Nd_12.5Fe_81.3B_6.2合金磁性与歧化时氢气压的相关性；

图7显示组分Nd_12.5Fe_80.6B_6.4Ga_0.3Nb_0.2合金磁性与歧化时氢气压相关性；

图8显示组分Nd_12.5Fe_80.1-XB_6.4Ga_1.0Co_X合金磁性与歧化时氢气压相关性。

具体实施方式

实施例1

实验室测得组分Nd_12.5Fe_81.3B_6.2合金磁性与歧化时氢气压的相关性如图6所示。与磁性锋值对应的氢气压范围为18±0.2kPa，压宽仅0.4kPa。

为叙述方便，将各实施例的化学成份的原子百分比(at.％)换算成重量百分比(wt.％)。则组分Nd_12.5Fe_81.3B_6.2(at.％)，换算成重量百分比(wt.％)即为Nd_28.12Fe_70.83B_1.05(wt.％)合金。采用工业纯铁，金属钕(纯度为99％重量百分比)，B-Fe合金(含B 18wt.％)。按照传统的制备艺，如发明人的专利98102766.0介绍的方法制成合金锭。于1100℃在真空或保护气氛下，进行均匀化处理20小时，随后进行氢化-歧化-脱吸-再结合-脱氢处理，处理此合金的最佳工艺制度如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升温至300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在18±0.2kPa范围内，温度保持在820℃

③再结合(0.5hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

停止加热，打开真空机组，氢气压由3kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃再加热至820℃，随之再降至室温，保持抽真空，气压达10^-2Pa。

经上述处理的Nd_28.12Fe_70.83B_1.05(wt.％)合金粉料，其最大磁能积为(BH)_MAX＝230kJ/m³＝29MGOe。

实施例2

按组分Nd_12.5Fe_80.6B_6.4Ga_0.3Nb_0.2(at.％)换算成wt.％，则为：

Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)，采用工业纯铁，金属钕(纯度为99％重量百分比)，B-Fe合金(含B 18wt.％)，Ga(纯度为99.9％重量百分比)，Nb(纯度为98％重量百分比)。按照传统的制备艺，如发明人的专利98102766.0介绍的方法制成合金锭。于1100℃在真空或保护气氛下进行均匀化处理20小时，随后即可进行氢化处理。Ga与Nb的添加不仅扩宽了(BH)的峰宽范围，与不添加的情况相比，使之更易达到各向异性，此外，其峰值也高于不添加的情况。组分Nd_12.5Fe_80.6B_6.4Ga_0.3Nb_0.2合金磁性与歧化时氢气压的相关性示于图7。实验测出对该成份的合金锭氢化处理时歧化反应的最佳氢气压峰值范围是31.5±5kPa，压宽10kPa。为叙述方便，仅以基本成份Nd₂Fe₁₄B为例，叙述具体工艺制度如下(以下实施例中照此描述)：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持100kPa，温度从室温自然升温至300℃。

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在31.5±5kPa范围内，温度保持820℃

③脱吸再结合(0.5hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持在820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

打开真空机组，氢气压降至100Pa，温度由820℃降至50℃，保持抽真空，再升温至820℃，随即降温，氢气压抽至10^-2Pa，温度再降至室温即可出炉，脱氢过程持续约3个小时左右。

经上述处理的Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金粉料，其最大磁能积为：(BH)_MAX＝327kJ/m³＝41MGOe。

实施例3

与实施例2的成份配比以及处理工艺相同，唯一不同的是在氢化处理的歧化时氢气压力范围缩小至31.5±0.2kPa，其余操作均与实施例2相同。经上述处理的Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金粉料，其最大磁能积为：(BH)_MAX＝343kJ/m³＝43MGOe。

实施例4

与实施例2的成份配比以及处理工艺基本相同，不同的是在氢化处理的脱吸反应中，氢气压降到1kPa。经上述处理的Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金粉料的最大磁能积为(BH)_MAX＝322kJ/m³＝40.5MGOe。

实施例5

与实施例2的成份配比及处理工艺均相同，不同的是在氢化处理的歧化反应阶段，氢气压力控制在27±1kPa的范围，所得Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金粉料的最大磁能积为(BH)_MAX＝295kJ/m³＝37MGOe。

实施例6

与实施例2的成份配比及处理工艺相同，不同的是在氢化处理的歧化反应阶段，氢气压力控制在35±1kPa的范围，所得Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金料的最大磁能积是(BH)_MAX＝319kJ/m³＝40MGOe。

实施例7

与实施例2的成份配比及处理工艺相同，唯一的差别是温度维持在800℃，其它参数均与实施例2相同。经此处理的Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金料的最大磁能积是(BH)_MAX＝327kJ/m³＝41MGOe。

实施例8

与实施例2的成份配比及处理工艺相同，唯一的差别是温度维持在840℃，其它参数均与实施例2相同。经此述处理Nd_28.1Fe_70.2B_1.1Ga_0.3Nb_0.3(wt.％)合金料的最大磁能积为(BH)_MAX＝327kJ/m³＝41MGOe。

合金Nd_12.5Fe_80.1-XB_6.4Ga_1.0Co_X的最大磁能积与歧化时氢气压力的相关性示如图8。含Co成分合金Nd_12.5Fe_80.1-XB_6.4Ga_1.0Co_X随Co_X含量的增加，歧化的氢气压力需相应地提升以达到最佳磁能积值：X＝0时，最佳值(BH)_MAX＝230kJ/m³，对应于氢气压约31±0.2kPa；X＝10时，最佳值(BH)_MAX＝250kJ/m³，略有升高，对应于氢气压约52±1kPa，范围极狭窄；X＝20时，最佳值(BH)_MAX＝250kJ/m³，对应于氢气压约90±10kPa，即气压范围略有增宽。若Co含量增高至X＝30时，歧化氢气压显著变宽：180±20kPa，但磁性也明显降低，约125kJ/m³，

实施例9

合金Nd_12.5Fe_80.1B_6.4Ga_1.0(at％)，换算成wt.％，则Nd_27.98Fe_69.87B_1.07Ga_1.08(wt.％)，此合金不含钴，歧化的最佳气压变窄，具体处理工艺如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升温至300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在31±0.2kPa范围内，温度保持在820℃

③再结合(0.5hr)NdH₂+Fe+Fe₂B  →Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持在820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

关闭加热，打开真空机组，氢气压由3kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃，再加热至820℃，随即停止加热，持续抽真空，温度由820℃再降至室温，真空度达到10^-2Pa。

经此处理的Nd_27.98Fe_69.87B_1.07Ga_1.08(wt.％)合金粉，其BH)_MAX＝230kJ/m³＝28.9MGOe。

实施例10

含Co合金Nd_12.5Fe_70.1B_6.4Ga_1.0Co₁₀(at.％)换算成wt.％，则是Nd₂₈Fe_60.8B₁Ga_1.08Co_9.12(wt.％)，此合金因含钴，歧化的最佳气压变宽，具体处理工艺如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升至300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在52±1kPa范围内，温度保持820℃

③再结合(0.5hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持在820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

关闭加热，打开真空机组，氢气压由3kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃，再加热至820℃，随即停止加热，持续抽真空，温度由820℃再降至室温，真空度达到10^-2Pa。

经此处理的Nd₂₈Fe_60.8B₁Ga_1.08Co_9.12(wt.％)合金粉，其(BH)_MAX＝247kJ/m³＝31MGOe。

实施例11

含Co合金Nd_12.5Fe_60.1B_6.4Ga_1.0Co₂₀(at.％)换算成wt.％，则Nd_27.83Fe_51.83B_1.06Ga_1.08Co_18.2(wt.％)，此合金因含Co较高达18.2wt％，歧化时对应磁性峰值的氢气压约90+10kPa，即气压范围显著增宽。具体处理工艺如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升至300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在90±10kPa的范围内，温度保持在820℃

③再结合(0.5hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持在820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

关闭加热，打开真空机组，氢气压由3kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃，再加热至820℃，随即停止加热，持续抽真空，温度由820℃再降至室温，真空度达到10^-2Pa。

经此处理的Nd_27.83Fe_51.83B_1.06Ga_1.08Co_18.2(wt.％)合金粉，其最大磁能积是(BH)_MAX＝240kJ/m³＝30.1MGOe。

实施例12

与实施例11的成份配比及处理工艺相同，唯一的差别是歧化时的氢压控制在90±0.5kPa范围内，其它工艺参数均与实施例11完全相同。经此处理的Nd_27.83Fe_51.83B_1.06Ga_1.08Co_18.2(wt.％)合金粉料，其最大磁能积是(BH)_MAX＝250kJ/m3＝31.4MGOe。

实施例13

含Co合金Nd_12.5Fe_50.1B_6.4Ga_1.0Co₃₀(at.％)换算成wt.％，则Nd_27.7Fe₄₃B_1.06Ga_1.08Co_27.16(wt.％)，此合金因含Co较高(27.16wt％)，歧化时对应于磁性峰值的氢气压力颇宽，约180±20kPa，但磁性峰值也明显降低，具体处理工艺如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升温至300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在180±20kPa范围内，温度保持在820℃

③再结合(0.5hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

停止加热，打开真空机组，氢气压由3kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃，再加热至820℃，随即停止加热，持续抽真空，温度由820℃再降至室温，真空度达到10^-2Pa。

经此处理的Nd_27.7Fe₄₃B_1.06Ga_1.08Co_27.16(wt.％)合金粉，其(BH)_MAX＝104kJ/m³＝13MGOe，不显示明显的各向异性。

实施例14

与实施例13的成份配比及处理工艺相同，唯一的差别是歧化时的氢气压控制在180±0.5kPa范围内，其它工艺参数均与实施例13完全相同。经此处理的Nd_27.7Fe₄₃B_1.06Ga_1.08Co_27.16(wt.％)合金粉，其BH)_MAX＝120kJ/m³＝15MGOe，仍不显示明显的各向异性。

实施例15

合金成分Nd_13.7Fe_63.5Co_16.7B₆Zr_0.1(at.％)换算成wt.％，则Nd₃₀Fe₅₄Co_14.8B₁Zr_0.2(wt.％)，实验测出对此成份的合金锭氢化处理时歧化反应的最佳氢气压范围是55±2kPa，压宽4kPa。具体处理工艺如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升高至300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在55±2kPa范围内，温度保持820℃

③再结合(0.3hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至3kPa，温度保持820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

关闭加热，打开真空机组，氢气压由2kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃，再加热至820℃，随即停止加热，持续抽真空，温度由820℃再降至室温，真空度达到10^-2Pa。

合金Nd₃₀Fe₅₄Co_14.8B₁Zr_0.2经上述处理的最佳磁性：(BH)_MAX＝104kJ/m³＝13MGOe。

实施例16

与实施例15的成份配比及处理工艺相同，唯一的差别是歧化时的氢气压控制在55±0.2kPa范围内，其它工艺参数均与实施例15完全相同。经此处理的合金Nd₃₀Fe₅₄Co_14.8B₁Zr_0.2(wt.％)，其最佳磁性：(BH)_MAX＝128kJ/m³＝16MGOe。

实施例17

合金Pr_13.7Fe_63.5Co_16.7B₆Nb_0.1(at.％)换算成wt.％，则Pr₂₉Fe₅₅Co_14.8B₁Nb_0.2(wt.％)，实验测出对该成份的合金锭氢化处理时歧化反应的最佳氢气压峰值范围是55±2.5kPa，压宽5kPa，具体处理工艺如下：

①吸氢(1hr)Nd₂Fe₁₄B+H₂→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压保持在100kPa，温度从室温自然升高到300℃

②歧化(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→NdH₂+Fe+Fe₂B

氢气压控制在55±2kPa范围内，温度保持820℃

③再结合(0.3hr)NdH₂+Fe+Fe₂B→Nd₂Fe₁₄BH_x

氢气压降至2kPa，温度保持820℃

④脱氢(3hr)Nd₂Fe₁₄BH_x→Nd₂Fe₁₄B

关闭加热，打开真空机组，氢气压由3kPa降至100Pa，温度由820℃降至50℃，再加热至820℃，随即停止加热，持续抽真空，温度由820℃再降至室温，真空度达到10^-2Pa。

合金Pr₂₉Fe₅₅Co_14.4B₁Nb_0.2的最佳磁性：(BH)_MAX＝88kJ/m³＝11MGOe，不显示各向异性。

实施例18

与实施例17的成份配比及处理工艺相同，唯一的差别是歧化时的氢气压控制在55±0.2kPa范围内，其它工艺参数均与实施例17完全相同。经此处理的合金Pr₂₉Fe₅₅Co_14.8B₁Nb_0.2，其最佳磁性：(BH)_MAX＝104kJ/m³＝13MGOe，不显示各向异性。

通过以上实施例的具体数据可知，本发明的磁粉的最大磁能积(BH)_MAX最高可达43MGOe，它比各向同性磁粉的最大磁能积要高出3.5倍，而且最低的显示各向异性的磁粉的最大磁能积也达到了16MGOe以上，也高于各向同性磁粉的最大值，且性能更为稳定。

Claims (13)

1. 一种具有磁性的单相稀土金属间化合物合金，按原子百分比(at.％)计算，其化学式为：R_12.5-X1-X2SM_X2TC_81.3-Y1-Y2TM_Y2B_6.2-Z，其中：R为稀土元素，Nd是必选元素，其余可从稀土元素Pr、Ce、Tb和Dy中任选一种或多种，Nd含量应占稀土元素总量的80～100％；SM为半导体元素，可从Si、Ga、Ge中任选一种或几种；TC是铁磁性元素，可选自Fe或Co中的一种或两种，Fe含量占铁磁性元素的87-100％；TM是过渡金属元素，选自Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Cr、Mo和W中的一种或多种，

X1的取值范围是：-0.7≤X1≤0.7；

X2的取值范围是：0.05≤X2≤1；

Y1的取值范围是：-2≤Y1≤2；

Y2的取值范围是：0.05≤Y2≤0.5；

Z的取值范围是；-0.3≤Z≤0.3。

2. 根据权利要求1所述的具有磁性的单相稀土金属间化合物合金，其中的半导体元素为Ga。

3. 根据权利要求1所述的具有磁性的单相稀土金属间化合物合金，其中的过渡金属元素为Nb。

4. 根据权利要求1～3任意一项所述的具有磁性的单相稀土金属间化合物合金，该合金的最大磁能积BH_MAX＝16～43 MGOe。

5. 制备权利要求1～4任意一项所述的合金进行的氢化处理方法，其包括步骤：

I、吸氢反应：往氢处理炉内充入氢气，压力为100kPa，炉内合金锭因吸氢而自然升温，温度可达300℃，此过程持续约1小时，然后加热反应炉；

II、歧化反应：首先将氢气压力调至最佳气压范围，最佳氢气压视合金成分而定，它在18～90kPa之间；随后加热炉温，使达800～840℃，在此氢压和温度下，歧化持续3小时即完成；

III、脱吸与再结合：温度继续保持800～840℃，将反应罐内氢压骤降至1～3kPa，此过程持续约30分钟，优选为20分钟；

IV、脱氢：打开真空泵，将氢压降至100Pa以下，同时停炉降温，持续抽真空，最终氢压降至10^-2Pa，此脱氢过程持续3小时。

6. 根据权利要求5所述的氢化处理方法，其中歧化、脱吸反应阶段的炉温均保持在820℃。

7. 根据权利要求5所述的氢化处理方法，其中脱氢阶段，可同时充入Ar，再抽真空。

8. 根据权利要求5所述的氢化处理方法，其中脱氢阶段，当温度降至50℃时可再次升温至800～840℃，然后再降至室温。

9. 制备权利要求1～4任意一项所述磁粉的专用氢化处理设备，其包括：

反应罐(26)和氢气压调节装置(22)，其中反应罐包括两个顶盖(2、5)，若干无缝不锈钢管(4)和端盖(3、3)，端盖(3、3)与顶盖(2、5)密封连接；

端盖(3、3)与钢管焊成一体，两个端盖(3、3)分别开有若干孔，配合钢管(4)套入并密封焊接；

顶盖(5)上设置有：氢气进气阀门(18)，用于控制和微调氢气的流入量；氢气压力表(6)，用以显示反应罐内的氢气压力；温度显示器(21)，用以精确显示钢管内部的温度；以及与氢气压调节装置(22)相连通的接口(23)；

加热组件(24)，位于钢管(4)内底部，用以均匀加热钢管(4)；

阀门(1)位于漏斗型顶盖(2)出口处，用以控制出料。

10. 根据权利要求9所述的氢化处理设备，其中，无缝不锈钢钢管(4)为4根。

11. 根据权利要求9所述的氢化处理设备，端盖(3、3)设有固定密封圈的槽沟，以保证工作时端盖(3、3)和顶盖(2、5)之间的密封连接。

12. 根据权利要求9～11任意一项所述的氢化处理设备，其中，反应罐还包括一外部加热冷却装置，其包括一方形槽(20)，其位于两端盖(3、3)内侧，方形槽(20)上部开口，在钢管(4)与方形槽(20)之间保留有一定空间，用以插入加热装置(25)或加入冷却液，方形槽(20)底部设有一放水阀门(19)。

13. 根据权利要求9～11任意一项所述的氢化处理设备，其中，外部加热冷却装置为缠绕在钢管(4)并与之绝缘的电阻丝。

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