CN103632834A - 一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，涉及永磁材料的制备技术。其主要步骤为：1)按照磁体成分称量各元素原料，将其混合；2)将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，获得钕铁硼合金坯件；3)将钕铁硼合金坯件进行热变形，获得磁织构；4)将热变形后的钕铁硼合金坯件进行真空强磁场热处理，进一步强化磁织构，制得各向异性钕铁硼磁体；5)将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。本发明过程简单，制备流程短，易于操作，适合于大规模批量化生产。

Description

一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法

 

技术领域

本发明涉及永磁材料制备技术领域，特指一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法。

背景技术

钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能和高的性价比，已成为通讯、医疗、汽车、电子、航空等高新技术产业的基础。钕铁硼磁体的磁能积已得到很大的发展，但其较低的矫顽力与较差的温度稳定性和耐腐蚀性能依然严重限制其应用范围的进一步拓展。因此，在保证较高磁能积的前提下，开发高矫顽力、耐热和耐腐蚀的钕铁硼磁体成为现阶段的重要任务。

目前，高性能钕铁硼永磁材料主要是通过粉末冶金工艺制备的烧结钕铁硼永磁体。该工艺包括熔炼、铸造或甩带、制粉、取向压型、烧结、回火等过程，工艺复杂，容易引入较多的氧含量，破坏其晶界结构，而且不易实现晶粒的有效细化。这严重限制了钕铁硼磁体综合磁性能的提高。钕铁硼永磁材料的磁性能与其微观组织结构密切相关，其晶粒大小、晶界相分布、晶粒取向等对磁性能都有显著影响。因此，获得取向完整、晶粒细小与晶界均匀分布的微观结构是保证高磁能积和高矫顽力的有效途径。经过多年的研究与发展，钕铁硼磁体的最大磁能积已高达474 kJ/m³，接近理论值的93%，但是其矫顽力却一直得不到有效的提高，而且其温度稳定性和耐腐蚀性能也较差。因此，发展一种新型制备工艺获得优化的微观组织结构以显著提高其综合磁性能成为需迫切解决的重要问题。

针对上述问题，本发明从制备工艺入手，提出采用喷射沉积快凝成形技术与力(热变形)-磁(强磁场热处理)双重取向技术相结合的复合工艺制备高性能各向异性钕铁硼磁体的方法。喷射沉积快凝成形技术是一种新型的快速凝固近终形材料制备技术，它包括金属熔化雾化和熔滴沉积两个过程，是一种具有组织细化、成分均匀等优点的短流程制备技术。相对传统的粉末冶金工艺，喷射沉积快凝成形技术工艺简单，流程短，能够有效细化晶粒，避免磁体氧化，克服粉末冶金氧化严重、工序复杂和成本高等问题；在此基础上，施以力-磁双重取向技术不仅能够使晶粒取向完整，保证高的磁能积，而且能够进一步优化晶界结构，提高矫顽力。因此，喷射沉积快凝成形技术与力-磁双重取向技术相结合的复合工艺能够实现高综合磁性能钕铁硼磁体的低成本短流程制备。

发明内容

钕铁硼磁体的磁能积已得到显著提高，但其矫顽力还比较低，而且其温度稳定性和耐腐蚀性能也较差，这都严重限制了其应用范围。为了满足高新技术产业发展的需求，必须在保证较高磁能积的前提下有效提高其综合性能。在重稀土元素应用日趋减少的条件下，微观组织结构优化，如晶粒细化、晶界相均匀化，成为提高其矫顽力、温度稳定性等的有效途径；但传统的粉末冶金工艺难以有效细化晶粒，避免或降低氧化，从而导致矫顽力、温度稳定性等得不到有效提高。本发明的目的是为解决上面的问题，提供一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其通过喷射沉积快凝成形技术与力-磁双重取向技术相结合的复合工艺，有效细化微观组织，优化晶界结构，控制晶粒取向，制备出晶粒细小、晶界相均匀分布、晶粒取向完整的高性能各向异性钕铁硼磁体。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用喷射沉积快凝成形技术与力-磁双重取向技术相结合的复合工艺制备高性能各向异性钕铁硼磁体，获得优化的微观组织结构和取向完整的晶粒，进而提高其综合性能。其步骤为：

1) 按照磁体成分称量各元素原料，将其混合；

2) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，获得钕铁硼合金坯件；

3) 将钕铁硼合金坯件进行热变形，获得磁织构；

4) 将热变形后的钕铁硼合金坯件进行真空强磁场热处理，进一步强化磁织构，制得各向异性钕铁硼磁体；

5) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

所述的磁体成分的原子百分比为Nd_aR_bFe_100-a-b-c-dB_cM_d，其中13≤a+b≤18，0.1≤b≤5，6≤c≤8，0.1≤d≤4，R为Pr、Dy、Tb、Ho、Gd元素中的一种或几种，M为Al、Cu、Ga、Mg、Zn、Sn、Si、Co、Ni、Nb、Zr、Ti、W、V、Hf元素中一种或几种。

所述的喷射沉积成形工艺参数为：雾化介质为纯度大于99.99%的氩气或氦气，雾化压力为1-3MPa，雾化温度为1400-1500℃，沉积盘旋转速度为10-50rpm，沉积盘下降速度为1-8mm/s，沉积距离为300-600mm。

所述的热变形工艺参数为：温度为650-1000℃，压力为50-300MPa。

所述的强磁场热处理工艺参数为：磁场强度为2-20T，热处理温度为500-900℃，热处理时间为1-4h。

所述的低温回火工艺参数为：温度为480-650℃，时间为0.5-4h。

本发明的优点在于：通过喷射沉积快凝成形技术制备磁体，工艺简单，流程短，能够获得细小均匀的快凝组织结构，避免磁体氧化，克服粉末冶金氧化严重、工序复杂和成本高等问题，保证矫顽力、温度稳定性等综合性能的有效提高；力-磁双重取向技术不仅能够有效诱导并强化晶粒取向，显著提高磁体取向度，保证其具有高的磁能积，而且能够进一步优化晶界结构，提高矫顽力，从而实现高综合性能各向异性钕铁硼磁体的制备。因此，本发明可以有效细化晶粒，获得完整晶粒取向，制备出高性能各向异性钕铁硼磁体，从而保证磁体各性能的良好匹配，进一步拓展其实际应用范围。此工艺过程简单，流程短，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以制备出高性能的各向异性钕铁硼磁体。

具体实施方式

本发明中高性能的各向异性钕铁硼磁体是通过喷射沉积快凝成形技术与力-磁双重取向技术相结合的复合工艺制备而成。首先将按磁体成分配制的混合原料进行真空熔炼，精炼后将液态金属雾化成细小的液态熔滴，在高速气流推动下喷射到沉积盘中获得钕铁硼合金坯件，然后将钕铁硼合金坯件进行热变形，诱导形成磁织构，最后将热变形后的钕铁硼合金坯件进行真空强磁场热处理，强化磁织构，以获得完整的磁取向，继而进行低温回火，进一步优化磁体微观组织结构。采用本发明制得的钕铁硼磁体晶粒细小、晶界相分布均匀、晶粒取向完整，实现了高性能各向异性钕铁硼磁体的制备，拓展了其实际应用。

实施例1：

1) 按照磁体成分Nd₉Pr₄Fe_80.9B₆Nb_0.1称量各元素原料，将其混合；

2) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，雾化介质为纯度大于99.99%的氩气，雾化压力为3MPa，雾化温度为1500℃，沉积盘旋转速度为50rpm，沉积盘下降速度为2mm/s，沉积距离为300mm，获得钕铁硼合金坯件；

3) 将钕铁硼合金坯件在1000℃下进行热变形，压力为150MPa，获得磁织构；

4) 将热变形后的钕铁硼合金坯件在20T磁场下进行700℃真空热处理，时间为4h，进一步强化磁织构，制得取向完整的各向异性钕铁硼磁体；

5) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，回火温度为600℃，回火时间为0.5h，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

采用本发明制备的钕铁硼磁体与铸造-热变形工艺相比，矫顽力提高约11%。

实施例2：

1) 按照磁体成分Nd₁₄Dy₁Fe_74.5Co₂B_6.5Cu_1.5Ga_0.5称量各元素原料，将其混合；

2) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，雾化介质为纯度大于99.99%的氦气，雾化压力为1.5MPa，雾化温度为1450℃，沉积盘旋转速度为10rpm，沉积盘下降速度为1mm/s，沉积距离为400mm，获得钕铁硼合金坯件；

3) 将钕铁硼合金坯件在800℃下进行热变形，压力为50MPa，获得磁织构；

4) 将热变形后的钕铁硼合金坯件在10T磁场下进行500℃真空热处理，时间为2h，进一步强化磁织构，制得取向完整的各向异性钕铁硼磁体；

5) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，回火温度为480℃，回火时间为2h，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

采用本发明制备的钕铁硼磁体与铸造-热变形工艺相比，最大磁能积提高约6%。

实施例3：

1) 按照磁体成分Nd₁₆Tb_0.1Fe_73.9Co₂B₆Al_1.5Zr_0.5称量各元素原料，将其混合；

2) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，雾化介质为纯度大于99.99%的氦气，雾化压力为1MPa，雾化温度为1400℃，沉积盘旋转速度为30rpm，沉积盘下降速度为4mm/s，沉积距离为600mm，获得钕铁硼合金坯件；

3) 将钕铁硼合金坯件在650℃下进行热变形，压力为300MPa，获得磁织构；

4) 将热变形后的钕铁硼合金坯件在15T磁场下进行800℃真空热处理，时间为1h，进一步强化磁织构，制得取向完整的各向异性钕铁硼磁体；

5) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，回火温度为650℃，回火时间为2h，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

采用本发明制备的钕铁硼磁体与铸造-热变形工艺相比，矫顽力提高约9%。

实施例4：

1) 按照磁体成分Nd₁₃Pr₂Gd₃Fe_71.5Ni₁B₈Sn₁Ti_0.5称量各元素原料，将其混合；

2) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，雾化介质为纯度大于99.99%的氩气，雾化压力为2MPa，雾化温度为1480℃，沉积盘旋转速度为40rpm，沉积盘下降速度为8mm/s，沉积距离为450mm，获得钕铁硼合金坯件；

3) 将钕铁硼合金坯件在700℃下进行热变形，压力为100MPa，获得磁织构；

4) 将热变形后的钕铁硼合金坯件在2T磁场下进行900℃真空热处理，时间为1.5h，进一步强化磁织构，制得取向完整的各向异性钕铁硼磁体；

5) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，回火温度为520℃，回火时间为4h，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

采用本发明制备的钕铁硼磁体与铸造-热变形工艺相比，最大磁能积提高约8%。

实施例5：

1) 按照磁体成分Nd₁₂Ho₂Fe₇₈B_6.5Mg₁W_0.5称量各元素原料，将其混合；

2) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，雾化介质为纯度大于99.99%的氩气，雾化压力为2.5MPa，雾化温度为1430℃，沉积盘旋转速度为20rpm，沉积盘下降速度为6mm/s，沉积距离为350mm，获得钕铁硼合金坯件；

3) 将钕铁硼合金坯件在900℃下进行热变形，压力为200MPa，获得磁织构；

4) 将热变形后的钕铁硼合金坯件在5T磁场下进行600℃真空热处理，时间为3h，进一步强化磁织构，制得取向完整的各向异性钕铁硼磁体；

5) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，回火温度为580℃，回火时间为1h，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

采用本发明制备的钕铁硼磁体与铸造-热变形工艺相比，矫顽力提高约10%。

Claims (6)

1.一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，采用喷射沉积快凝成形与热变形-强磁场热处理双重取向技术相结合的复合方法制备晶粒细小、晶界均匀分布、取向完整的各向异性钕铁硼磁体，提高其磁性能、力学性能、温度稳定性和耐腐蚀性能；其步骤为：

A) 按照磁体成分称量各元素原料，将其混合；

B) 将混合原料放入真空沉积炉中进行熔炼，待精炼后进行喷射沉积成形，获得钕铁硼合金坯件；

C) 将钕铁硼合金坯件进行热变形，获得磁织构；

D) 将热变形后的钕铁硼合金坯件进行真空强磁场热处理，进一步强化磁织构，制得各向异性钕铁硼磁体；

E) 将各向异性钕铁硼磁体进行真空低温回火，改善晶界结构，提高性能，获得高性能各向异性钕铁硼磁体。

2. 根据权利要求1所述的一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，所述步骤A)的磁体成分的原子百分比为Nd_aR_bFe_100-a-b-c-dB_cM_d，其中13≤a+b≤18，0.1≤b≤5，6≤c≤8，0.1≤d≤4，R为Pr、Dy、Tb、Ho、Gd元素中的一种或几种，M为Al、Cu、Ga、Mg、Zn、Sn、Si、Co、Ni、Nb、Zr、Ti、W、V、Hf元素中一种或几种。

3. 根据权利要求1所述的一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，所述步骤B)的喷射沉积成形的参数为：雾化介质为纯度大于99.99%的氩气或氦气，雾化压力为1-3MPa，雾化温度为1400-1500℃，沉积盘旋转速度为10-50rpm，沉积盘下降速度为1-8mm/s，沉积距离为300-600mm。

4. 根据权利要求1所述的一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，所述步骤C)的热变形参数为：温度为650-1000℃，压力为50-300MPa。

5. 根据权利要求1所述的一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，所述步骤D)的真空强磁场热处理参数为：磁场强度为2-20T，热处理温度为500-900℃，热处理时间为1-4h。

6. 根据权利要求1所述的一种高性能各向异性钕铁硼磁体的制备方法，其特征在于，所述骤E)的低温回火参数为：温度为480-650℃，时间为0.5-4h。