CN103440955B

CN103440955B - 复合粘结稀土永磁体及其制备方法

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Publication number: CN103440955B
Application number: CN201310407030.XA
Authority: CN
Inventors: 徐霞; 陈传龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103440955A

Abstract

复合粘结稀土永磁体，包括稀土合金永磁材料层；还包括与稀土合金永磁复合材料层粘结的基础材料层，所述基础材料层包括基础永磁粉末、粘结剂和润滑剂，且基础永磁粉末质量百分比大于90%，所述基础永磁粉末的磁能积低于稀土合金永磁材料层。采用本发明所述的复合粘结稀土永磁体及其制备方法，确保磁性能各项指标能够接近或者达到传统粘结稀土永磁体，并通过有效降低稀土材料的使用量，极大降低稀土永磁体的材料成本。

Description

复合粘结稀土永磁体及其制备方法

技术领域

本发明属于粘结永磁领域，涉及两种或两种以上永磁材料同铁基软磁材料复合复压粘结而成的新型粘结永磁材料，特别是一种复合粘结稀土永磁体及其制备方法。

背景技术

目前，粘结稀土磁体主要是将稀土合金粉末如钕铁硼粉末、钐钴粉末与高分子粘结剂混合造粒破碎制成粉料后通过冷压、热压、注射等工艺（各向异性需取向）复合制作而成。

相较于传统铁氧体直流电机和交流电机，稀土永磁具有高剩磁Br、高矫顽力、高磁能积(BH)max和线性退磁曲线等优异的磁性能。稀土永磁电机具有高效、质量轻、运行可靠等显著特点，自90年代批量生产以来，已大规模进入生产生活的各种应用领域，计算机应用、新型电动和混合动力汽车、家用小电器等高端应用领域广泛采用稀土粘结磁钢作为其能量器件。

我国是世界第一大稀土资源储备国，拥有世界已探明储量的70%，产销量更是达到世界的90%；但由于稀土开采特别是池浸等落后工艺对环境的严重破坏，虽目前我国为全世界提供廉价稀土，但同时为我国内蒙、江西、四川等省主要稀土产地带来了巨大的环境破坏，成本高昂。自2011年初以来，我国对稀土资源的无序开采、低附加值原料出口均逐步加强了管理；因此受资源因素影响，以金属钐、钕、钴为代表的稀有金属逐渐进入高价位运行，金属钕在2011年更是达到170万每吨的历史性高位，传统稀土磁钢受成本制约，难于大规模应用于普通功率电机上，与采用传统铁氧体的应用规模相比，稀土永磁体不及铁氧体应用规模的10%。

四川大学刘颖等于2003年7月3日公开的（中国专利申请公告号为03117200.8的）专利所说明的方法，采用两种或者两种以上以上合金材料混合均匀后与高分子粘结剂复合所制备的复合粘结磁体虽能够在一定程度上降低稀土金属的使用量，带来一定经济效益，但具有以下缺陷：

1.当复合磁体中稀土合金含量较低时，复合磁体矫顽力与内禀矫顽力低，在实际使用中抗退磁能力极差，工程领域难于替代现有稀土合金粘结永磁体。

2.实际应用中如需得到较高磁性能，须将混合比例中稀土合金比例提至80%乃至更高，极大降低经济效益；

3.在实际应用中，如需达到8.5MGOe以上磁能积要求，则必须采用纯的钕铁硼磁粉作为复合磁体的粉体配方，依据该专利所说明方法制备的复合磁体则无法达到；

4.当作为铁氧体替代材料时，由于含有价格十数倍于铁氧体的稀土金属，在同铁氧体等效的矫顽力与磁能积的该复合材料成本已上升至铁氧体的数倍，难于体现出经济价值。

日本专利JP61-284906A所说明的方法采用铁氧体与稀土合金粉末复合制备的粘结磁体虽能极大降低单位磁能积的成本，但具有如下缺陷：

1.由于稀土合金极易被氧化，磁体需要采用电泳涂层作为防腐表面涂层，但铁氧体具有不导电特性，复合磁体中会造成电泳涂层的不连续性，极大降低磁体的耐腐蚀性；

2.稀土合金粉末与铁氧体粉末由于存在密度、粒度大小与颗粒形状的极大差异，在粉末混合时，难于获得均匀的混合粉末，并且在粉末成型的过程中极易造成材料的成份偏析，影响器件的一致性；

3.稀土合金粉末与铁氧体的温度系数（Br%/℃）有很大差异，因此在器件的应用过程中难以保证温度稳定性、一致性；

由于铁氧体粉末呈球形，而钕铁硼粉末呈片状或针状结构，它们的混合粉末难于通过冷压制获得较高密度，因此难以获得具有较高性能的磁性器件。

发明内容

为克服现有稀土永磁体制造成本昂贵，复合型永磁体性能不能达到要求的技术缺陷，本发明公开了一种复合粘结稀土永磁体及其制备方法。

本发明所述复合粘结稀土永磁体，包括稀土合金永磁材料层；其特征在于，还包括与稀土合金永磁材料层粘结的基础材料层，所述基础材料层包括基础永磁粉末、粘结剂和润滑剂，且基础永磁粉末质量百分比大于90%，所述基础永磁粉末的磁能积低于稀土合金永磁材料层。

优选的，所述稀土合金永磁材料层占所述复合粘结稀土永磁体的高度比为3-50%。

优选的，包括多个稀土合金永磁材料层和基础材料层，所述多个稀土合金永磁材料层和基础材料层交错重叠。

优选的，所述基础永磁粉末组成符合下列情况之一：

A．铁氧体永磁粉末94%-98.5%；

B．铁基软磁材料粉末0%-95%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%；

C．铁基软磁材料粉末0%-95%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%，合金类永磁粉末0%-98.5%；

D．铁基软磁材料粉末0%-95%，磁能积为2-10兆高.奥稀土合金永磁粉末4%-98.5%；

E．磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末0%-95%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%；

F．磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末94%-98.5%；

上述百分比均为在基础材料层中的质量百分比。

针对不同的应用情况，对基础永磁粉末可以采取不同的组分选择和配比，以取得最佳使用效果。

进一步的，所述粘结剂和润滑剂在基础材料层中的质量百分比分别为1.45-5.5%和0.05-1.5%。

优选的，所述粘结剂为环氧树脂或尼龙，所述润滑剂为皂类金属盐。

优选的，所述稀土合金永磁材料层的工作面还有涂覆层。

优选的，所述基础材料层的两端均各自有一层稀土合金永磁材料层。

本发明还公开了一种复合粘结稀土永磁体制备方法，包括如下步骤

步骤1.将基础材料层和稀土合金永磁材料层分别按照其各自组分按比例混合均匀并同粘结剂混合造粒、破碎分别制备出基础材料层和稀土合金永磁材料层的熟料；

步骤2.将基础材料层和稀土合金永磁材料层的组分熟料分层装入成型机型腔压制成型，得到半成品；

步骤3.对半成品固化，固化条件为在130-190摄氏度下保温30-120分钟；

步骤4.进行环氧涂装或聚对二甲苯涂装。

优选的，所述步骤2具体为，先将基础材料层或稀土合金永磁材料层的组分装入成型机型腔进行预压，预压后不取出预压组分，将另一材料层的组分装入型腔进行成型压制，所述预压的单位面积压力小于成型压。

采用本发明所述的复合粘结稀土永磁体及其制备方法，确保磁性能各项指标能够接近或者达到传统粘结稀土永磁体，并通过有效降低稀土材料的使用量，极大降低稀土永磁体的材料成本。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式结构示意图；

图中附图标记名称为：1-稀土合金永磁材料层2-基础材料层3-涂覆层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示的一种复合粘结稀土永磁体，包括稀土合金永磁材料层1；还包括与稀土合金永磁复合材料层粘结的基础材料层2，所述基础材料层包括基础永磁粉末、粘结剂和润滑剂，且基础永磁粉末质量百分比大于90%，所述基础永磁粉末的磁能积低于稀土合金永磁材料层。

本发明所述的永磁体主要应用于永磁式电机以及类似结构中，通常为圆柱形的磁转子或瓦型的磁定子，以永磁式电机为例，在电枢通电后，在电枢磁场作用下，气隙磁场中低矫顽力磁钢会发生瞬间去磁现象，降低磁钢磁场与电枢磁场之间的相互作用力，并随着电枢电流增加，这种现象会越明显，导致电机扭矩特性的下降。伴随着永磁体矫顽力与磁能积的提升，这种去磁现象可以得到有效改善，因此一般在设计高效电机时，传统匀质永磁体的条件下，设计人员在成本可接受范围内选用高矫顽力与高磁能积磁性材料提升电机的扭矩特性。

随着技术发展，高性能电机不断提高磁性能要求，同时因选用高矫顽力与高磁能积磁性材料所带来的成本也相应大幅增加。

永磁式电机在工作时，电枢通电导致自身磁场发生变化，从而驱动转子旋转，在转子和定子的接近区域，磁钢去磁现象明显，需要采用高矫顽力的材料改善电机扭矩特性。而在距离定子较远的区域，只需要使用低矫顽力的材料即可。

本发明基于上述原理，对永磁体采用分层设置，永磁体端头采用传统的高矫顽力与高磁能积稀土材料制成稀土合金永磁材料层，稀土合金永磁材料层下方为采用低矫顽力与低磁能积材料制成的基础材料层，基础材料层由基础永磁粉末、粘结剂和润滑剂组成，且基础永磁粉末质量百分比大于90%，基础永磁粉末的矫顽力与磁能积低于稀土合金永磁材料层，磁能积是衡量矫顽力与剩磁的参数。采用分层分材料制成的复合粘结稀土永磁体，由于现有的稀土合金价格是低磁能积的永磁材料数十倍，因此成本显著降低，并且保证了端部的高矫顽力与高磁能积的特征。稀土合金永磁材料层占永磁体的厚度比可以选择在3-50%，以取得较好的成本和性能平衡。在大多数应用场合中，只需要在基础材料层的一端具备高矫顽力的稀土合金永磁材料层，但也可以在基础材料层的两端都设置高矫顽力的稀土合金永磁材料层，以在一些特殊的永磁电机中运用。

本发明还提供一种针对大型或特大型磁钢结构的永磁体结构，包括多个稀土合金永磁材料层和基础材料层，所述多个稀土合金永磁材料层和基础材料层交错重叠。稀土合金永磁材料层和基础材料层的数量可以相等，稀土合金永磁材料层比基础材料层的层数也可以多一层，交错重叠使永磁体的两个端部分别是稀土合金永磁材料层和基础材料层，或都是稀土合金永磁材料层。由于在大型磁钢应用中，除开工作表面外需要考虑磁力线重构，需要考虑整个磁路的磁力线束的分布与调整。因此在这种多层结构中，各个基础材料层或稀土合金永磁材料层的组分可以一致，也可以不一致，可以根据磁力线束调整需求选择不同层的组份。

实际应用中，永磁体常会在冷热交变、高腐蚀等工作环境下长期工作，因此在稀土合金永磁材料层外还有涂覆层，例如环氧涂装或聚对二甲苯（PARYLENE）涂装，以提高稀土合金永磁材料层的抗腐蚀能力和使用寿命。

针对不同的应用情况，对基础永磁粉末可以采取不同的组分选择和配比，例如：对温度适应性与防腐蚀要求不高的一般应用，基础材料层中的基础永磁粉末为铁氧体永磁粉末，质量百分比为94%-98.5%；如对需要具有一定防腐蚀性要求但温度适应性需求不高的应用，基础永磁粉末为铁基软磁材料粉末0%-95%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%；另外对防腐蚀性、矫顽力与温度适应性都有一定要求的应用，基础永磁粉末为铁基软磁材料粉末0%-95%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%，合金类永磁粉末0%-95%；其中合金类永磁粉末为如铁三硼、钕铁硼、钐铁氮、钕铁氮及各向同性钐钴等一种或多种混合的粉体；对中等矫顽力的应用情况，基础永磁粉末为铁基软磁材料粉末0%-94%，磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末4%-98.5%；这里的稀土合金永磁粉末可以与稀土合金永磁材料层的组分相同或类似。对需要满足高矫顽力但对防腐蚀要求不高的应用情况，基础永磁粉末为磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末0%-94%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%；最后，对可满足替代传统单一磁粉组分稀土合金粘结永磁的需求，基础永磁粉末为磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末94%-98.5%。上述百分比均为在基础材料层中的质量百分比。

上述各个组分中，铁氧体永磁粉末成本最低，但矫顽力和防腐蚀性能都较差，铁基软磁材料的复合粉末防腐蚀性能较好，成本稍贵，合金类永磁粉末、磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末相对前两种粉末的防腐蚀性、矫顽力与温度适应性性能都有提升，但成本也更高，可以根据性能需求，选择不同的组分以实现成本控制。

在基础材料层中，除了基础永磁粉末外，还掺有少量的粘结剂和润滑剂，所述粘结剂和润滑剂在基础材料层中的质量百分比分别为1.45-5.5%和0.05-1.5%。其中粘结剂为高分子粘结剂，如环氧树脂或尼龙等，润滑剂为皂类金属盐，如硬脂酸钙和硬脂酸锌等。

制备上述复合粘结稀土永磁体的制备方法，包括如下步骤

步骤4.进行环氧涂装或聚对二甲苯涂装。

步骤2中可以将基础材料层和稀土合金永磁材料层的组分依次装入型腔，一次压制成型。也可以分两次压制，具体为，先将基础材料层（或稀土合金永磁材料层）的组分装入成型机型腔进行预压，预压后不取出基础材料层（或稀土合金永磁材料层），将稀土合金永磁材料层（或基础材料层）的组分装入型腔进行成型压，成型压的压力通常为5-13吨/平方厘米，优选的可以设置在8-13吨，以提高两层之间的粘结牢固程度，第一次预压的单位面积压力小于成型压压力。步骤3中的固化温度和固化时间的选择可以根据基础材料层的组分设置，特别是其中粘结剂的材料设定，以提高成品的牢固程度，通过实验方法得到固化温度和固化时间。例如对基础材料层由质量百分比98%基础永磁粉末、1.8%的环氧树脂作为粘结剂、0.2%的硬脂酸钙作为润滑剂组成，对厚度15毫米（其中基础材料层12毫米）、半径2.5毫米的圆柱形永磁体，发明人经过实验验证，温度范围在160-180摄氏度，固化时间在90分钟以上，得到的复合粘结稀土永磁体牢固度较佳。

采用本发明所述的复合粘结稀土永磁体及其制备方法，确保磁性能各项指标能够接近或者达到传统粘结稀土永磁体，并通过有效降低稀土材料的使用量，极大降低稀土永磁体的材料成本。根据各种不同应用情况，对基础材料层选择不同的组分配比，取得更好的使用效果，拓宽了产品的使用范围。

采用稀土合金永磁材料层和基础材料层分层设置,克服了现有技术直接混合粉末带来的耐腐蚀性,材料一致性性能下降带来的永磁体性能下降的问题,在工作层,即稀土合金永磁材料层取得了良好的温度系数,保证了产品的良好的性能。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.复合粘结稀土永磁体，包括稀土合金永磁材料层；其特征在于，还包括与稀土合金永磁材料层粘结的基础材料层，所述基础材料层包括基础永磁粉末、粘结剂和润滑剂，且基础永磁粉末占基础材料层的质量百分比大于90%，所述基础永磁粉末的磁能积低于稀土合金永磁材料层；

所述稀土合金永磁材料层占所述复合粘结稀土永磁体的厚度比为3-50%。

2.如权利要求1所述的复合粘结稀土永磁体，其特征在于，包括多个稀土合金永磁材料层和基础材料层，所述多个稀土合金永磁材料层和基础材料层交错重叠。

3.如权利要求1或2所述的复合粘结稀土永磁体，其特征在于，所述基础永磁粉末组成符合下列情况之一：

A．铁氧体永磁粉末94%-98.5%；

B．铁基软磁材料粉末0%-95%，铁氧体永磁粉末4%-98.5%；

F．磁能积为2-10兆高.奥的稀土合金永磁粉末94%-98.5%；

上述百分比均为在基础材料层中的质量百分比。

4.如权利要求3所述的复合粘结稀土永磁体，其特征在于，所述粘结剂和润滑剂在基础材料层中的质量百分比分别为1.45-5.5%和0.05-1.5%。

5.如权利要求1所述的复合粘结稀土永磁体，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂或尼龙，所述润滑剂为皂类金属盐。

6.如权利要求1所述的复合粘结稀土永磁体，其特征在于，所述稀土合金永磁材料层的工作面还有涂覆层。

7.如权利要求1所述的复合粘结稀土永磁体，其特征在于，所述基础材料层的两端均各自有一层稀土合金永磁材料层。

8.复合粘结稀土永磁体制备方法，包括如下步骤：

步骤4.进行环氧涂装或聚对二甲苯涂装。

9.如权利要求8所述的复合粘结稀土永磁体制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为，先将基础材料层或稀土合金永磁材料层的组分装入成型机型腔进行预压，预压后不取出预压组分，将另一材料层的组分装入型腔进行成型压制，所述预压的单位面积压力小于成型压。