CN103785845A - 一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，属于粉末制备技术领域。其特征在于，经过精炼的Sm-Fe系合金液经过导流管喷嘴被高压氩气雾化破碎成许多细小的液滴，在液滴急速冷凝过程中迅速施加高压氮气，使其发生氮化，生成Sm-Fe-N微细球形粉末。用该法制备的磁性粉末的平均粒径10－80μm，具有表面光滑、球形度高、流动性好、氧含量低及冷却速度大等优点，适于注射成型粘结磁体用。在制粉过程同时实现了氮化，缩短了Sm-Fe-N磁粉的制备工艺流程。本发明设备相对简单、易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，属于粉末制备技术领域。
背景技术
钐铁氮稀土永磁材料是当今永磁材料领域的研究热点之一。其中的Sm2Fe17Nx稀土永磁材料具有优异的内禀磁性能，它的饱和磁化强度达 1.54T，可与 Nd-Fe-B 的 1.6T 相媲美；它的各向异性场比 Nd-Fe-B 的各向异性场大1倍；它的居里温度达476℃，比Nd-Fe-B的高160℃；并且其耐腐蚀性、热稳定性、抗氧化性也更优于 Nd-Fe-B永磁材料。
但是二元 Sm2Fe17 化合物是易基面，各向异性场低，不能制作成为有实用意义的永磁体。1990年，Coey等利用气固相反应法研制出系列R2Fe17Nx化合物，其中Sm2Fe17Nx化合物显示出室温单轴各向异性，为钐铁氮稀土永磁材料的发展奠定了良好的基础（Coey J D M，Sun Hong.J. Magn. Magn. Mater.，1990，87:251－254.）。在合金的氮化研究方面，国外的学者采取了多种先进方法进行了积极探索。韩国学者用 Sm2Fe17合金作为靶，采用从阴极真空溅射法，研究了氮气压力、流速、热处理温度等对氮化后合金显微结构和磁性能影响，发现热处理温度在 530℃，氮气速率为 20%时Sm2Fe17Nx 的饱和磁化强度达 6500G，矫顽力达 l000Oe；日本和巴西科学家则在流动的 N2/H2复合气体气氛中等离子体渗氮（Ken-ichi Machida, Akira Nakamoto, Yoshitaka Nakatani, et al. New processing routes for the preparation of Sm2Fe17Mx (M＝ C and/or N) materials. J.Alloys Compd., 1995, 222,(1-2): 18-22）。
国内，北京科技大学周寿增教授等和河北工业大学孙继兵等均采用 HDDR 法加常规氮化方法获得了高矫顽力的各向同性 Sm2Fe17Nx 永磁粉（周寿增，杨俊，张茂才，等。Sm2(Fe1-xCrx)17N2.7永磁材料的结构与磁性能。金属学报，1994, 30(2):B72-76）（孙继兵，崔春翔，崔 静，等。HDDR处理的Sm2Fe16Ti1Nx化合物高能球磨的研究。功能材料，2004,35:740-743）。中科院沈阳金属研究所也采用HDDR方法加常规氮化方法制备出了磁性能可达Br=0.81T，HcJ =1670kA/m，（BH） max =103.5kJ/m3 的Sm2Fe17Nx稀土永磁粉末。另外，北京科技大学胡国辉等采用 Sm2O3 和CaFe 作为原料，1100℃氧化还原 4～7h，然后水洗得到了单相的Sm2Fe17化合物，并采用NH3+H2复合气体进行渗氮处理制备 Sm-Fe-N 合金粉末（胡国辉，孙光飞， 陈菊芳，等. 还原扩散法制备稀土永磁Sm2Fe17Nx 的研究[J].功能材料，2004,35:728-730）。总的来说，我国在 Sm2Fe17Nx 磁粉的研究方面，主要是先采用氢化歧化（HDDR）法、熔体快淬法、机械合金化法、还原扩散法等制备Sm2Fe17合金粉，随后对粉末氮化处理制得Sm2Fe17Nx 磁粉。其中，机械合金化法不需要大型的设备，是一种简单的磁粉制造方法，但由于长时间的球磨，机械合金化法极易造成粉末氧化，再加上周期长等缺点，限制其在生产中的推广应用。熔体快淬法制备的 Sm2Fe17 化合物组织和成分均匀，晶粒细小，但粉末为层片状，流动性差。还原扩散法利用还原剂还原稀土氧化物，使之成为稀土金属，再通过稀土金属与过渡族金属的互扩散直接得到稀土永磁粉末，此法制备 Sm2Fe17Nx 化合物粉末的优点是原料成本低，缺点是实施起来比较困难。HDDR 工艺具有设备简单，均匀性好，含氧量低，收得率高，不仅能制备各向同性而且能制备各向异性磁体等特点，但是该过程涉及的反应众多，过程和机理复杂。
Sm2Fe17Nx 磁体一般采用先制备出 Sm2Fe17Nx 粉末然后制作成粘结磁体。粘结磁体是将磁粉与粘结剂和其它添加剂按一定比例均匀复合，然后用压制、注射、挤出和压延成型等方法制作而成。气雾化制粉技术是利用高速气流作用于熔融液流，使气体动能转化为熔体表面能，进而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒，粉末呈表面光滑的球形状，流动性好，适于注射成形用。Magnequench公司用气雾化法生产了牌号为 MQP-S-9-8的纳米复合钕铁硼粉,即熔融母合金被高压Ar气由喷嘴喷出，并雾化成细小的金属液滴，射向旋转粉碎盘，落在雾化器底部，迅速凝固成球形合金颗粒，可使磁粉的装载量从62％提高到69％。(C.H. Sellers, D.J. Branagan, T.A. Hyde, et al. Proceedings of the 14th International Workshop on Rare-Earth Magnets and Their Applications, World Scientific,Singapore,1996,p.28.)。
发明内容
本发明的目的是为了制备微细高球形度的Sm-Fe-N系永磁粉以提高磁粉的装载量，同时缩短 Sm-Fe-N 磁粉的制备工艺流程，在制粉过程中同时实现氮化。
本发明的具体实施步骤为：
1)根据成分设计并考虑钐元素10-30wt％损耗配料，放入熔炼坩埚内，抽真空后在高纯氩气保护下，升温至1400－1600℃，感应熔炼钐铁合金；
2)经过精炼的钐铁合金液倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴；
3)从导流管喷嘴出来的合金液被3－8MPa的氩气雾化破碎成大量细小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亚球形颗粒过程中迅速施加0.3－0.8MPa的氮气，使其发生氮化，从而得到Sm2Fe17Nx微细球形粉末；微细球形粉末尺寸为10－80μm；
4)粉末筛分；
5)产品检验及真空包装。
本发明的原理是：经过精炼的合金液通过导流管喷嘴由高压气流将金属液体雾化破碎成大量细小的液滴，细细的液滴在飞行中急速凝固成粉末。由于高速气流的动能最大限度的转化成新生粉末的表面能，粉体表面光滑，球形度高，流动性好，适于注射成型用。二元 Sm2Fe17 化合物是易基面，各向异性场低，不能制作成为有实用意义的永磁体。只有对Sm2Fe17进行氮化得到Sm2Fe17Nx化合物才能显示出室温单轴各向异性，从而制成真正的永磁体。因此Sm-Fe合金的氮化是制作Sm-Fe-N永磁体的关键步骤。不同于普通的钢铁氮化，Sm2Fe17 氮化要求所有的Sm2Fe17晶粒必须充分氮化，否则未氮化的 Sm2Fe17 会作为软磁相而严重影响Sm2Fe17Nx的永磁性能。经过精炼的Sm-Fe合金液通过导流管喷嘴由高压气流雾化破碎成大量细小的液滴，细细的液滴在飞行中经过高压氩气＋氮气的复合气流，既可以保证高的冷却速度实现快速凝固，又在合金凝固过程中提供合适的氮源供Sm2Fe17化合物全部氮化成Sm2Fe17N3化合物。由此，氩气＋氮气的复合气雾化方法可以实现制备钐铁合金粉的同时进行氮化，可以缩短Sm-Fe-N 磁粉的制备工艺流程。
本发明提出的一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其优点在于：
1)制备钐铁合金粉的同时实现了氮化，缩短了 Sm-Fe-N 磁粉的制备工艺流程；
2)高速气流的动能最大限度的转化成新生粉末的表面能，粉体表面光滑，球形度高，流动性好，适于注射成型粘结磁体用；
3)高压气流的作用，使合金液滴快速的在喷嘴附近经过多次破碎，并快速冷凝成粉体，因此粉体非常细小，10－80μm；
4)氮含量可控，氧含量低。
附图说明
图1 平均粒径为20μm的气雾化Sm2Fe17N3粉SEM照片；
图2 平均粒径为10μm的气雾化Sm1Fe9N2.8粉SEM照片。
具体实施方式
实施例1：Sm2Fe17N3粉体的制备（制备出的Sm2Fe17N3粉SEM照片如图1所示）：
设计Sm10.6Fe89.4(wt％)合金成分，考虑钐元素15wt％损耗配料，将配好的Sm、Fe原料放入熔炼坩埚内，抽真空后，在高纯氩气保护下，升温至1400－1600℃，感应熔炼钐铁合金；将经过精炼的钐铁合金液倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴，从导流管喷嘴出来的钐铁合金液被5MPa氩气雾化破碎成大量细小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亚球形颗粒的过程中迅速施加0.4MPa的氮气，使其发生氮化，从而得到Sm-Fe-N微细球形粉末，在雾化塔中进行沉降，落入收粉罐中，粉体粒度主要在15－30μm之间；对粉末进行筛分；最后对产品进行检验及真空包装。
实施例2： Sm1Fe9N2.8粉体的制备（制备出的Sm1Fe9N2.8粉SEM照片如图2所示）：
设计Sm10.1Fe89.9(wt％)合金成分，考虑钐元素15wt％损耗配料，将配好的Sm、Fe原料放入熔炼坩埚内，抽真空后，在真空环境下，升温至1400－1600℃，感应熔炼钐铁合金；将经过精炼的钐铁合金液倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴，从导流管喷嘴出来的钐铁合金液被8MPa氩气雾化破碎成大量细小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亚球形颗粒的过程中迅速施加0.4MPa的氮气，使其发生氮化，从而得到Sm-Fe-N微细球形粉末，在雾化塔中进行沉降，落入收粉罐中，粉体粒度主要在10－15μm之间；对粉末进行筛分；最后对产品进行检验及真空包装。
Claims (6)
1.一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其特征在于，经过精炼的Sm-Fe系合金液经过导流管喷嘴被高压氩气雾化破碎成许多细小的液滴, 在液滴急速冷凝过程中迅速施加高压氮气，使其发生氮化，生成Sm-Fe-N微细球形粉末；
工艺步骤为：
1)根据成分设计并考虑Sm元素10-30wt％损耗配料，放入熔炼坩埚内，抽真空后在高纯氩气保护下，升温至1400－1600℃，感应熔炼合金；
2)经过精炼的合金液倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴；
3)从导流管喷嘴出来的合金液被高压氩气雾化破碎成大量细小的液滴，在液滴快速凝固成球形或亚球形颗粒的过程中迅速施加高压氮气，使其发生氮化，从而得到Sm-Fe-N微细球形粉末；微细球形粉末尺寸为10－80μm；
4)粉末筛分；
5)产品检验及真空包装。
2.根据权利要求1所述的一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其特征在于：氩气的压力范围3-8 MPa，氮气的压力范围0.3－0.8 MPa。
3.根据权利要求1所述的一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其特征在于：通过调节导流嘴的流率和气体压力调控Sm-Fe-N粉末颗粒尺寸和晶粒尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其特征在于：通过调节导流嘴的流率和氮气的压力调控氮含量。
5.根据权利要求1所述的一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其特征在于：Sm-Fe基的化合物是：2:17, 3:29, 1:12, 1:11, 1:9, 1:7和 1:5型,或者在Sm-Fe合金的基础上根据需要添加适当的合金元素。
6.根据权利要求1所述的一种微细球形Sm-Fe-N系永磁粉的制备方法，其特征在于：制粉过程同步氮化，缩短Sm-Fe-N 磁粉的制备工艺流程，且粉末表面光滑、球形度高、流动性好、氧含量低。
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