CN101325109B

CN101325109B - 晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体及其制备方法

Info

Publication number: CN101325109B
Application number: CN2008100603605A
Authority: CN
Inventors: 严密; 周向志; 崔熙贵; 樊熊飞
Original assignee: Zhejiang University ZJU; Zhejiang Innuovo Magnetics Industry Co Ltd
Current assignee: Zhejiang University ZJU; Zhejiang Innuovo Magnetics Industry Co Ltd
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2028-04-08
Also published as: CN101325109A

Abstract

本发明公开了一种晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体及其制备的方法。它的成分为Nd_eFe_100-e-f-gB_fM_g，其中6≤e≤24，5.3≤f≤6.4，0.01≤g≤6，M为Dy、Tb、Pr、Sm、Ce、Yb、Co、Ni、Mn、Nb、Ta、Zr、Si、Ti、Mo、Ag、Au、Mg、Cu、Al、Zn、Ga、Bi、Sn、In元素中一种或几种；方法为：将主相合金和晶界相合金分别制粉，然后均匀混合；将混合粉末在磁场中压制成型坯件；在高真空烧结炉内制成烧结磁体。本发明通过晶界相成分的重构，得到具有低熔点以及高强韧性的固溶晶界相合金，在保证磁性能的基础上提高了晶界相的强韧性，从而提高了磁体本身的强韧性，而且工艺过程简单，成本较低，适合于批量化生产。因此，结合晶界重构和双合金法可以制备具有高强韧性的烧结钕铁硼磁体。

Description

晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体及其制备方法。

背景技术

烧结NdFeB永磁材料属于第三代稀土永磁材料，与其他类型永磁材料相比，具有磁性能高，价格低等突出优点，使得其开发和应用得到了超常规的发展。目前其综合磁性能已达到较高水平，应用已涉及国民经济的各个领域，特别是在计算机、信息、汽车、核磁共振成像、CD、ROM、DVD等工业方面有着广泛的应用。

烧结NdFeB作为一种功能材料，科技人员的研究重点一直放在如何提高其磁性能上，经过24年的发展，已经取得了突破性的进展。商用产品最大磁能积已达到414-438kJ/m³(52-55MGOe)，实验室制备的磁体最大磁能积可达到473.62kJ/m³(59.5MGOe)，达到了理论值512kJ/m(64MGOe)的93％；相应的剩磁也已经从1.23T提升至1.555T，达到了理论值1.6T的96％以上。

随着烧结NdFeB稀土永磁磁性能的不断提高，其力学性能的缺点成了稀土永磁材料的致命弱点，大大限制了应用领域的进一步扩大。其力学特性如表.1所示，稀土永磁材料的抗拉、抗弯强度均较低，抗压强度较高；且其断裂韧性KIC比普通金属材料低1～2个数量级，与陶瓷材料的断裂韧性相当。强韧性差使稀土永磁体在加工过程中容易开裂、掉渣，这大大降低了磁体的成品率和加工精度，提高了磁体的加工成本，限制了磁体在高精度仪器仪表行业的应用。同时，由于稀土永磁材料的强韧性差，抗震、抗冲击能力相应也较差，使得材料在对抗震、抗冲击力要求较高的场合的应用也受到限制，比如，航空仪表和高速电机等领域。近年来，NdFeB稀土永磁体的力学特性越来越受到关注，如何提高烧结NdFeB稀土永磁体的强韧性已经成为了迫在眉睫的重要课题。

表1烧结NdFeB永磁体的力学性能指标

少数研究人员对稀土永磁材料的力学特性进行了研究，观察了磁体的微观结构，探讨了磁体强韧性差的微观机制。总结原因如下：(1)晶体结构复杂，滑移系少；(2)磁晶各向异性导致力学性能各向异性；(3)晶界富钕相力学性能差；(4)磁体制备工艺带来的缺陷。在磁体断裂机制和微观结构分析的基础上，研究人员提出了提高磁体强韧性的一些方法。最主要的方法是通过元素微量添加，使晶粒细化或晶界强韧化，从而达到提高磁体强韧性的目的。但是，元素的微量添加不能改变磁体的微观断裂机制，因此，对磁体强韧性的改变是有限的，不能使磁体从根本上摆脱强韧性差的本性，达不到其在军事、航天、高速电机等冲击振动强的领域的应用要求。

烧结NdFeB磁体的断裂方式主要是沿晶断裂，这主要是由晶界富Nd相本身的弱化导致的。因此，要提高磁体的强韧性，关键是提高磁体晶界相的强度和韧性，这样可以从本质上改变磁体的微观断裂机制。双合金法是将主相与晶界相合金分别冶炼，有利于在保证磁性能的基础上进行晶界相成分的重新设计，使晶界相的强度和韧性得到提高，从而改变磁体的断裂机制，提高磁体的强韧性。

发明内容

本发明的目的是开发一种晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体及其制备方法。

晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体的成分为：Nd_eFe_100-e-f-gB_fM_g，其中6≤e≤24，5.3≤f≤6.4，0.01≤g≤6，M为Dy、Tb、Pr、Sm、Ce、Yb、Co、Ni、Mn、Nb、Ta、Zr、Si、Ti、Mo、Ag、Au、Mg、Cu、Al、Zn、Ga、Bi、Sn、In元素中一种或几种；

晶界相重构的高耐蚀性烧结钕铁硼磁体制备方法包括如下步骤：

1)主相合金采用铸造工艺制成钕铁硼铸锭合金或用速凝薄片工艺制成钕铁硼速凝薄片，晶界相合金采用铸造工艺制成铸锭合金或速凝薄片工艺制成速凝薄片或快淬工艺制成快淬带；

2)采用氢爆法或者机械破碎将主相合金的铸锭合金或速凝薄片和晶界相合金的铸锭合金、速凝薄片或快淬带进行破碎，破碎后，再通过气流磨或球磨制粉，分别得到平均粒径为2-10μm的主相合金粉末和1-3μm的晶界相合金粉末；

3)将主相合金粉末与晶界相合金粉末混合，主相合金与晶界相合金混合的重量比例为90∶10～97∶3，然后添加0.5-5％的汽油，在混料机中均匀混合；

4)将混合后的粉末在1.2-2.0T的磁场中压制成型坯件；

5)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1050-1125℃烧结2-5h，在890-920℃一级回火2-3h和500-650℃二级回火2-4h，制得烧结磁体。

所述的晶界相合金以原子百分比计，其成分为R_100-x-yM_xN_y，其中1≤x≤35，45≤y≤70，R为Nd、Dy、Tb、Pr、Sm、Ce、Yb元素中的一种或几种，M为Fe、Co、Ni、Mn、Nb、Ta、Zr、Si、Ti、Mo、Ag、Au元素中的一种或几种，N为低熔点的Mg、Cu、Al、Zn、Ga、Bi、Sn、In元素中一种或几种；

所述的主相合金以原子百分比计，其成分为Nd_aFe_100-a-b-cB_bM_c，其中7≤a≤16，5.4≤b≤6.6，0.01≤c≤6，M为Pr、Dy、Tb、Nb、Co、Ga、Zr、Al、Cu、Si元素中一种或几种。

本发明通过晶界相成分的重构，得到具有低熔点以及高强韧性的固溶晶界相合金，在保证磁性能的基础上提高了晶界相的强韧性，从而提高了磁体本身的强韧性，而且工艺过程简单，成本较低，适合于批量化生产。因此，结合晶界重构和双合金法可以制备具有高强韧性的烧结钕铁硼磁体。

具体实施方式

实施例1：

1)晶界相合金成分的再设计，成分为Nd_15.3Dy_2.4Ti₃₅Cu_13.1Al_34.2(at％)；

2)将主相合金和重构的晶界相合金分别制备。主相合金采用铸造工艺制成钕铁硼铸锭合金，其成分为Nd_13.12Fe_80.69B_5.73(Dy_0.22Ga_0.24)(at％)，重构的晶界相合金Nd_15.3Dy_2.4Ti₃₅Cu_13.1Al_34.2(at％)采用快淬工艺制成快淬带；

3)将主相合金和重构的晶界相合金分别制粉。通过颚式破碎机进行粗破，通过中破碎机进行中破，然后在氮气保护下通过气流磨分别制成平均颗粒直径为4.3μm和2μm的粉末；

4)将重构的晶界相合金粉末与主相合金粉末均匀混合，晶界相合金粉末重量占总重量的10％，同时添加1.5％的汽油，在混料机中均匀混合；

5)将混合后的粉末在1.6T的磁场中压制成型坯件；

6)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1065℃烧结3.5h，在900℃一级回火2h和600℃二级回火3.5h，制得烧结磁体；

7)采用双合金工艺，按上述方法添加重量比10％的未重构晶界相合金Nd_36.22Fe_57.78B₆(at％)组成混合粉末，采用相同的磁场取向压型和烧结、回火工艺制备成磁体。

采用三点弯曲实验测试了试样的抗弯强度，试样尺寸为4mm×7mm×30mm，采用SENB法测定试样的断裂韧性，试样尺寸为7mm×14mm×63mm，结果如表2。

从上表可以看出，采用晶界重构制得烧结钕铁硼磁体强韧性比未晶界重构的磁体高，因此通过晶界重构可以制备出高强韧性的烧结钕铁硼磁体。

实施例2：

1)晶界相合金成分的再设计，成分为Nd_12.58Tb_2.6Co_10.13Mn_8.89Cu_12.7Zn_26.1Ga_22.5Sn_4.5(at％)；

2)将主相合金和重构的晶界相合金分别制备。主相合金采用速凝甩带工艺制成钕铁硼薄片，其成分为Nd_14.33Fe_78.91B₆(Ga_0.36Cu_0.2Zr_0.2)(at％)，重构的晶界相合金Nd_12.58Tb_2.6Co_10.13Mn_8.89Cu_12.7Zn_26.1Ga_22.5Sn_4.5(at％)采用铸造工艺制成铸锭合金；

3)将主相合金和重构的晶界相合金分别制粉。通过颚式破碎机进行粗破，通过中破碎机进行中破，然后在石油醚的保护下通过球磨分别制成平均颗粒直径为3.5μm和1.5μm的粉末；

4)将重构的晶界相合金粉末与主相合金粉末均匀混合，晶界相合金粉末重量占总重量的3％，同时添加1.2％的汽油，在混料机中均匀混合；

5)将混合后的粉末在1.8T的磁场中压制成型坯件；

6)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1050℃烧结5h，在920℃一级回火2h和560℃二级回火2h，制得烧结磁体；

7)采用双合金工艺，按上述方法添加重量比3％的未重构晶界相合金Nd_36.22Fe_57.78B₆(at％)组成混合粉末，采用相同的磁场取向压型和烧结、回火工艺制备成磁体。

采用三点弯曲实验测试了试样的抗弯强度，试样尺寸为4mm×7mm×30mm，采用SENB法测定试样的断裂韧性，试样尺寸为7mm×14mm×63mm，结果如表3。

实施例3：

1)晶界相合金成分的再设计，成分为Nd_16.44Ce_3.56Nb_17.3Ta_13.3Si_4.4Cu_9.7Mg_9.7In_5.6Al₂₀(at％)；

2)将主相合金和重构的晶界相合金分别制备。两者均采用速凝甩带工艺制成钕铁硼薄片，其成分分别为Nd_12.2Fe_80.15B_5.9(Tb_0.31Co_1.24Nb_0.2)(at％)和Nd_16.44Ce_3.56Nb_17.3Ta_13.3Si_4.4Cu_9.7Mg_9.7In_5.6Al₂₀(at％)；

3)将主相合金和重构的晶界相合金分别制粉。通过氢爆法直接破碎，在室温下饱和吸氢，然后在520℃脱氢8h制成氢爆粉，最后在氮气保护下通过气流磨分别制成平均颗粒直径为4.5μm和3μm的粉末；

4)将重构的晶界相合金粉末与主相合金粉末均匀混合，晶界相合金粉末重量占总重量的8％，同时添加0.5％的汽油，在混料机中均匀混合；

5)将混合后的粉末在2T的磁场中压制成型坯件；

6)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1080℃烧结2h，在890℃一级回火3h和650℃二级回火2.5h，制得烧结磁体；

7)采用双合金工艺，按上述方法添加重量比8％的未重构晶界相合金Nd_36.22Fe_57.78B₆(at％)组成混合粉末，采用相同的磁场取向压型和烧结、回火工艺制备成磁体。

采用三点弯曲实验测试了试样的抗弯强度，试样尺寸为4mm×7mm×30mm，采用SENB法测定试样的断裂韧性，试样尺寸为7mm×14mm×63mm，结果如表4。

实施例4：

1)晶界相合金成分的再设计，成分为Nd_19.2Pr_4.6Sm₂Dy_3.2Ag_0.5Au_0.5Cu_20.5Mg_7.8Al_23.3Ga_3.1Zn1_0.2Bi_2.1Sn₃(at％)；

2)将主相合金和重构的晶界相合金分别制备。两者均采用速凝甩带工艺制成钕铁硼薄片，其成分分别为Nd₁₆Fe_77.39B_6.6Cu_0.01(at％)和Nd_19.2Pr_4.6Sm₂Dy_3.2Ag_0.5Au_0.5Cu_20.5Mg_7.8Al_23.3Ga_3.1Zn_10.2Bi_2.1Sn₃(at％)；

3)将主相合金和重构的晶界相合金分别制粉。通过颚式破碎机进行粗破，通过中破碎机进行中破，然后在石油醚的保护下通过球磨分别制成平均颗粒直径为10μm和3μm的粉末；

4)将重构的晶界相合金粉末与主相合金粉末均匀混合，晶界相合金粉末重量占总重量的9％，同时添加3％的汽油，在混料机中均匀混合；

5)将混合后的粉末在1.6T的磁场中压制成型坯件；

6)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1060℃烧结3h，在900℃一级回火2h和540℃二级回火3h，制得烧结磁体；

7)采用双合金工艺，按上述方法添加重量比9％的未重构晶界相合金Nd_36.22Fe_57.78B₆(at％)组成混合粉末，采用相同的磁场取向压型和烧结、回火工艺制备成磁体。

采用三点弯曲实验测试了试样的抗弯强度，试样尺寸为4mm×7mm×30mm，采用SENB法测定试样的断裂韧性，试样尺寸为7mm×14mm×63mm，结果如表5。

实施例5：

1)晶界相合金成分的再设计，成分为Nd_9.63Yb_5.7Mo_9.2Zr_5.47Cu_7.9Mg_16.57Al_19.52Zn_23.21Bi_2.8(at％)；

2)将主相合金和重构的晶界相合金分别制备。两者均采用速凝甩带工艺制成钕铁硼薄片，其成分分别为Nd_11.88Fe_78.95B_5.7(Dy_2.6Al_0.5Cu_0.15Zr_0.11Nb_0.11)(at％)和Nd_9.63Yb_5.7Mo_9.2Zr_5.47Cu_7.9Mg_16.57Al_19.52Zn_23.21Bi_2.8(at％)；

3)将主相合金和重构的晶界相合金分别制粉。通过颚式破碎机进行粗破，通过中破碎机进行中破，然后在石油醚的保护下通过球磨分别制成平均颗粒直径为2μm和1μm的粉末；

4)将重构的晶界相合金粉末与主相合金粉末均匀混合，晶界相合金粉末重量占总重量的6.5％，同时添加2％的汽油，在混料机中均匀混合；

5)将混合后的粉末在1.7T的磁场中压制成型坯件；

6)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1070℃烧结2h，在910℃一级回火2h和500℃二级回火3h，制得烧结磁体；

7)采用双合金工艺，按上述方法添加重量比6.5％的未重构晶界相合金Nd_36.22Fe_57.78B₆(at％)组成混合粉末，采用相同的磁场取向压型和烧结、回火工艺制备成磁体。

采用三点弯曲实验测试了试样的抗弯强度，试样尺寸为4mm×7mm×30mm，采用SENB法测定试样的断裂韧性，试样尺寸为7mm×14mm×63mm，结果如表6。

实施例6：

1)晶界相合金成分的再设计，成分为Nd_13.43Dy_5.26Ni_13.39Mn_3.6Nb_2.8Ti_5.7Cu_13.21Ga_6.31Al_16.12Zn_20.18(at％)；

2)将主相合金和重构的晶界相合金分别制备。主相合金采用速凝甩带工艺制成钕铁硼薄片，其成分分别为Nd₇Fe_81.6B_5.4(Pr_5.25Ga_0.25Cu_0.1Zr_0.1Nb_0.1Si_0.2)(at％)，重构的晶界相合金Nd_13.43Dy_5.26Ni_13.39Mn_3.6Nb_2.8Ti_5.7Cu_13.21Ga_6.31Al_16.12Zn_20.18(at％)采用快淬工艺制成快淬带；

3)将主相合金和重构的晶界相合金分别制粉。主相合金通过氢爆法直接破碎，在室温下饱和吸氢，然后在520℃脱氢8h制成氢爆粉，最后在氮气保护下通过气流磨分别制成平均颗粒直径为3.4μm的粉末；晶界相合金通过颚式破碎机进行粗破，通过中破碎机进行中破，然后在石油醚的保护下通过球磨制成平均颗粒直径为1.8μm的粉末；

4)将重构的晶界相合金粉末与主相合金粉末均匀混合，晶界相合金粉末重量占总重量的7％，同时添加5％的汽油，在混料机中均匀混合；

5)将混合后的粉末在1.2T的磁场中压制成型坯件；

6)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1125℃烧结2h，在890℃一级回火3h和580℃二级回火3.5h，制得烧结磁体；

7)采用双合金工艺，按上述方法添加重量比7％的未重构晶界相合金Nd_36.22Fe_57.78B₆(at％)组成混合粉末，采用相同的磁场取向压型和烧结、回火工艺制备成磁体。

采用三点弯曲实验测试了试样的抗弯强度，试样尺寸为4mm×7mm×30mm，采用SENB法测定试样的断裂韧性，试样尺寸为7mm×14mm×63mm，结果如表7。

Claims

1.一种晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体制备方法，其特征在于包括如下步骤：

4)将混合后的粉末在1.2-2.0T的磁场中压制成型坯件；

5)将型坯件放入高真空烧结炉内，在1050-1125℃烧结2-5h，在890-920℃一级回火2-3h和500-650℃二级回火2-4h，制得烧结钕铁硼磁体；

所述的烧结钕铁硼磁体成分为：Nd_eFe_100-e-f-gB_fM_g，其中6≤e≤24，5.3≤f≤6.4，0.01≤g≤6，M为Dy、Tb、Pr、Sm、Ce、Yb、Co、Ni、Mn、Nb、Ta、Zr、Si、Ti、Mo、Ag、Au、Mg、Cu、Al、Zn、Ga、Bi、Sn、In元素中一种或几种；

所述的晶界相合金以原子百分比计，其成分为R_100-x-yM_xN_y，其中1≤x≤35，45≤y≤70，R为Nd、Dy、Tb、Pr、Sm、Ce、Yb元素中的一种或几种，M为Fe、Co、Ni、Mn、Nb、Ta、Zr、Si、Ti、Mo、Ag、Au元素中的一种或几种，N为低熔点的Mg、Cu、Al、Zn、Ga、Bi、Sn、In元素中一种或几种。

2.根据权利要求1所述的一种晶界相重构的高强韧性烧结钕铁硼磁体制备方法，其特征在于所述的主相合金以原子百分比计，其成分为Nd_aFe_100-a-b-cB_bM_c，其中7≤a≤16，5.4≤b≤6.6，0.01≤c≤6，M为Pr、Dy、Tb、Nb、Co、Ga、Zr、Al、Cu、Si元素中一种或几种。