CN104425092A - 一种钕铁硼磁性材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钕铁硼磁性材料及其制备方法，所述钕铁硼磁性材料包括钕铁硼磁钢本体和分布于钕铁硼磁钢本体晶界处的非金属原子；所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。本发明提供的钕铁硼磁性材料，通过改善钕铁硼的显微组织，提高其电阻率，从而可有效降低钕铁硼磁性材料在电机环境中产生的涡流损耗，提高电机效率、降低电机发热。本发明提供的所述钕铁硼磁性材料的制备方法，工艺简单，易于实施。

Description

一种钕铁硼磁性材料及其制备方法

技术领域

本发明属于稀土永磁材料技术领域，尤其涉及一种钕铁硼磁性材料及其制备方法。

背景技术

1983年，日本住友金属公司首次发明了钕铁硼永磁材料，其是当今综合磁性能最高的永磁材料，目前已广泛应用于风电发、电动机、电声、IT、医疗等行业。自问世以来，钕铁硼永磁材料由于具有高磁能积、相对低廉的价格和充足的资源储备等优点，特别是钕铁硼具有很高的性能价格比，因此成为制造效能高、体积小、质量轻的磁性功能器件的理想材料，对许多应用领域产生革命性的影响。

但由于钕铁硼永磁材料的自身特性，其电阻率ρ很低，仅为1.4～1.6μΩ·m，在永磁电机环境中受交变磁场作用，钕铁硼磁钢内部会产生涡流，导致磁钢温度上升，造成能耗损失、磁钢磁性能降低、电弧导致磁钢烧蚀等各种不良。目前现有技术中为降低磁钢的涡流损耗，一般主要是通过在磁钢表面加绝缘涂层或减小磁钢规格入手，从而减小电机运行时产生涡流造成的损害。但由于钕铁硼材料本身的电阻率低，在电机大功率、高频环境使用钕铁硼磁钢内部仍会产生较大涡流损耗；而涡流最终会以热量形式耗散掉，造成电机整体温度升高、效率降低，极端情况还会引起磁钢磁性能较大损失造成电机失效。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的钕铁硼磁磁钢内部容易产生涡流导致能耗损失、磁性能降低的技术问题。

本发明提供了一种钕铁硼磁性材料，所述钕铁硼磁性材料包括钕铁硼磁钢本体和分布于钕铁硼磁钢本体晶界处的非金属原子；所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。

本发明还提供了所述钕铁硼磁性材料的制备方法，包括以下步骤：在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触，然后在200~600℃下进行热处理0.5~10h，冷却后得到所述钕铁硼磁性材料；所述非金属源在热处理条件下能释放出活性非金属原子并扩散进入钕铁硼磁钢本体中，所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。

本发明提供的钕铁硼磁性材料，通过改善钕铁硼的显微组织，提高其电阻率，从而可有效降低钕铁硼磁性材料在电机环境中产生的涡流损耗，保提高电机效率、降低电机发热。本发明提供的所述钕铁硼磁性材料的制备方法，工艺简单，易于实施。

具体实施方式

本发明提供了一种钕铁硼磁性材料，所述钕铁硼磁性材料包括钕铁硼磁钢本体和分布于钕铁硼磁钢本体晶界处的非金属原子；所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。

发明人发现，交变磁场中磁钢本体所受到涡流大小与其电阻率ρ呈反比，在其他条件不变情况下，电阻率越大、磁钢内部涡流越小。因此，本发明提供的钕铁硼磁性材料，通过改善钕铁硼的显微组织，提高其电阻率，从而可有效降低钕铁硼磁性材料在电机环境中产生的涡流损耗，提高电机效率、降低电机发热。

具体地，本发明中，所述非金属原子分布于钕铁硼磁钢本体的晶界处，从而改善钕铁硼磁钢本体的显微组织。发明人通过理论分析，认为：所述非金属原子以单质形式或与钕铁硼磁钢本体中的稀土元素以化合物形式存在。

本发明中，分布于钕铁硼磁钢本体内的非金属原子的含量无需过高，否则非金属元素与钕铁硼易形成另相导致磁性能降低，严重则导致钕铁硼主相分解丧失磁性能。优选情况下，以钕铁硼磁性材料的总质量为基准，所述非金属原子的含量为0.5wt%以下，优选为0.001-0.2wt%。本发明中，对于分布于钕铁硼磁钢本体内的非金属原子的含量的测试方法可通过EDS进行，但不局限于此。

本发明中，对于钕铁硼磁钢本体没有特殊要求，其可为现有技术中常见组成的各种钕铁硼磁钢。对于钕铁硼磁钢本体中的稀土元素，一般为Nd，也可为现有技术中公知的各种可用于完全替代或部分替代Nd的元素，例如可以为Pr、Ho、Dy、Tb、Ga，但不局限于此。作为本发明的一种优选实施方式，所述钕铁硼磁钢本体的组成通式为：Re_aFe_(100-a-b-c)B_bM_c，其中9at%≤a≤18at%，5at%≤b≤8at%，0≤c≤15 at%；RE选自Nd、Pr、Dy、Tb、Ho、Ga中的至少一种，M选自Co、Al、Cu、Zr、Ni、Sn、Ga、Nb、Mo、Ti中的至少一种。发明人发现，采用该优选组成的钕铁硼磁钢本体，最终得到的钕铁硼磁性材料的磁性能更加优异。

本发明中，对于所述钕铁硼磁钢本体，可直接商购，也可通过自己制备。其中，商购的钕铁硼磁钢本体可以选用45SH牌号磁钢或者40UH牌号磁钢，但不局限于此。本发明中，所述钕铁硼磁钢本体也可以通过如下制备方法制备得到：按照钕铁硼磁钢本体的组成通式配比将各原料进行熔炼，得到铸锭或速凝薄片，然后对铸锭或速凝薄片依次进行破碎、制粉、混料、磁场取向压制成型、并在真空或惰性气氛中进行烧结和回火，得到所述钕铁硼磁钢本体。其中破碎、制粉、混料、磁场取向压制成型的步骤均为本领域技术人员所熟知，本发明中不再赘述。

本发明中，为进一步降低钕铁硼磁钢本体的涡流损耗，作为本发明的一种优选实施方式，所述钕铁硼磁性材料还包括包覆于钕铁硼磁钢本体表面的绝缘涂层。其中，所述绝缘涂层可以为本领域技术人员熟知的环氧、派瑞林、铁氟龙等绝缘涂层。

本发明还提供了所述钕铁硼磁性材料的制备方法，包括以下步骤：在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触，然后在200~600℃下进行热处理0.5~10h，冷却后得到所述钕铁硼磁性材料；所述非金属源在热处理条件下能释放出活性非金属原子并扩散进入钕铁硼磁钢本体中，所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。

对于钕铁硼磁钢本体的来源，如前所述，其可直接采用商购产品，也可通过自己制备。本发明提供的制备方法，其主要改进即在于如何实施非金属原子对常规钕铁硼磁钢的掺杂，从而保证能有效提高钕铁硼材料的电阻率。具体地，本发明中，通过先将钕铁硼磁钢本体与非金属源在密闭空间内接触，然后通过热处理使非金属源释放出活性非金属原子，密闭空间内的活性非金属原子会渗入钕铁硼磁钢本体的内部，并在其晶界处以单质形式存在，或者与晶界处的稀土元素（例如Nd、Pr、Ho、Dy、Tb、Ga，但不局限于此）原子形成化合物。本发明提供的所述钕铁硼磁性材料的制备方法，工艺简单，易于实施。

因此，本发明中，只需要非金属源能在热处理条件下能释放出活性非金属原子并渗入钕铁硼磁钢本体的晶界处即可，对于具体所采用的非金属源为何种形态没有特殊限定。因此，本发明中，所述非金属源可以为气体源、固体源、液体源中的一种或多种。

优选情况下，其中所述气体源可以选自甲烷、乙烷、氨气或尿素蒸汽中的一种或多种。所述固体源可以选自木炭、活性炭、碳化硼、非晶态硼粉、硼砂、硅铁粉、硫氰酸钾、硫氰酸钠中的一种或多种。而所述液体源可以选自煤油、苯、酒精、丙酮、四氯化硅中的一种或多种。

具体地，当所述非金属源为气体源时，在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触的步骤为：先将钕铁硼磁钢本体放置于密闭空间内，然后将密闭空间内抽真空，最后充入气体源。此时，即可对密闭空间内进行热处理，处于密闭空间内的气体源释放出活性非金属原子，由于密闭空间内非金属原子的活动空间有限，其只能往钕铁硼磁钢本体内渗透，进入其晶界处，从而可改善钕铁硼磁钢本体的显微组织。优选情况下，将密闭空间内抽真空至真空度为5×10^-2Pa以上，然后再充入气体源。充入气体源后至密闭空间内的压强为-0.1~0.3MPa即可。

而当所述非金属源为固体源时，在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触的步骤则为：先将钕铁硼磁钢本体和固体源整体放置于密闭空间内，然后将密闭空间内抽真空，再充入惰性气体。其中，对于固体源的具体粉末粒度没有特殊要求，只需其在热处理条件下能释放出活性非金属原子即可。优选情况下，所述固体源的粉末粒度为20~500目，但不局限于此。此时，将密闭空间内抽真空至真空度为5×10^-2Pa以上，充入惰性气体后密闭空间内的压强为-0.1~0.3MPa。惰性气体为本领域技术人员公知的各种惰性气体，本发明没有特殊限定。

如前所述，分布于钕铁硼磁钢本体内的非金属原子的含量无需过高，因此，优选情况下，所述钕铁硼磁钢本体与固体源的重量比为1：0.01~1。需要指出地是，为保证非金属原子能充分渗入固体源内部，在制备过程中固体源的用量也可适当增加，只需在热处理完成后清除掉钕铁硼磁钢本体表面未反应完全的固体源即可。

而当所述非金属源为液体源时，所述在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触的步骤为：先将钕铁硼磁钢本体浸入液体源中，然后整体放置于密闭空间内，然后将密闭空间内抽真空，再充入惰性气体。需要注意地是，当非金属源为液体源时，将密闭空间内抽真空至真空度≤5Pa即可。然后，再充入惰性气体至密闭空间内的压强为-0.1~0.3MPa。

本发明中，所述密闭空间可选用真空炉或其它可密闭的热处理炉膛，但不局限于此。

所述热处理的条件包括：温度为200~600℃，时间为0.5~10h。优选情况下，热处理时的升温过程为：以5℃/min的速率将密闭空间内从常温升至200~400℃，然后保温4~10h。

优选情况下，本发明中热处理完成后的冷却过程可快速进行，以保证高温状态显微组织得到很好保持，其可采用现有技术中常用的各种快速冷却方法，例如可以通过采用风机进行快速冷却，但不局限于此。

本发明中，主要是通过改善钕铁硼磁钢本体的显微组织，以提高钕铁硼材料的电阻率，从而有效降低其在电机环境中的涡流损耗。此外，本发明还可配合现有技术中常用的其它各种降低涡流损耗的方式，例如可以在钕铁硼磁钢本体表面沉积绝缘涂层、或者用绝缘树脂对磁钢本体进行灌封，还可以通过减小磁钢规格等各种方式。其中，通过在钕铁硼磁钢本体表面沉积绝缘涂层，可以使磁钢之间、磁钢与硅钢片之间互相绝缘，降低磁钢涡流及避免磁钢边角放电导致烧蚀、退磁。而在电机装配过程中对钕铁硼磁钢本体采用绝缘树脂灌封，其作用与在钕铁硼磁钢本体表面沉积绝缘涂层作用类似，此外还可以有效减少磁钢在电机中震动造成磁钢碎裂、磁性损失风险。而减小磁钢规格的方法则需要配合表面沉积绝缘涂层进行，其目的同样是为了减小涡流电流。因此，根据本发明提供的制备方法，作为本发明的一种优选实施方式，在冷却之后还包括磁钢本体表面沉积或喷涂绝缘涂层的步骤。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例及对比例中所采用原料均通过商购得到。

实施例1

选取45SH牌号磁钢加工为方形，其规格为46.2mm×36mm×2mm，将该磁钢放入真空炉内抽真空至真空度为5×10^-2Pa，然后充入气体源，该气体源为甲烷气体，充入气体源至真空炉内的压强为0.01MPa。然后对真空炉内进行升温，先以5℃/min的升温速率从室温升至400℃，并保温5h，然后采用风机对真空炉进行快速冷却，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S10。

实施例2

选取40UH牌号磁钢加工为方形，其规格为20mm×5mm×1.2mm，将该磁钢放入烧舟内，然后往烧舟内加入固体粉末对磁钢进行填埋，其中固体粉末为活性炭、硼粉与硅铁粉质量比为2：0.5：2的混合粉末，粉末粒度为60~100目。且磁钢与固体粉末的质量比为1：0.5。将该装有磁钢与固体粉末的烧舟整体放入热处理炉膛内，然后对热处理炉膛抽真空至真空度为5×10^-2Pa，然后充入氩气保护，至炉膛内的压强为0.02Mpa。然后对热处理炉膛内进行升温，先以5℃/min升温速率从室温升至500℃，并保温3h，然后采用风机进行快速冷却，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S20。

实施例3

选取40UH牌号磁钢加工为方形，其规格为30mm×20mm×3.7mm，将该磁钢浸入存放有煤油与四氯化硅混合液的容器中，其中煤油与四氯化硅的质量比为1：1。将装有磁钢及煤油、四氯化硅混合液的容器整体放入热处理炉膛内，然后对热处理炉膛粗抽真空≤5Pa，然后充入氩气保护，至炉膛内的压强为0.02Mpa。然后对热处理炉膛内进行升温，以5℃/min升温速率从室温升至400℃，并保温6h，然后采用风机进行快速冷却，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S30。

实施例4

选取45SH牌号磁钢加工为方形，其规格为46.2mm×36mm×2mm，将该磁钢放入真空炉内抽真空至真空度为6×10^-2Pa，然后充入气体源，该气体源为乙烷与氨气体积比10:1的混合气体，充入气体源至真空炉内的压强为0.1MPa。然后对真空炉内进行升温，先以5℃/min的升温速率从室温升至400℃，并保温5h，然后采用风机对真空炉进行快速冷却，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S40。

实施例5

选取40UH牌号磁钢加工为方形，其规格为20mm×5mm×1.2mm，将该磁钢放入烧舟内，然后往烧舟内加入固体粉末对磁钢进行填埋，其中固体粉末为硼砂、硫氰酸钾质量比为2：1的混合粉末，粉末粒度为80~300目。且磁钢与固体粉末的质量比为1：1。将该装有磁钢与固体粉末的烧舟整体放入热处理炉膛内，然后对热处理炉膛抽真空至真空度为6×10^-2Pa，然后充入氩气保护，至炉膛内的压强为0.2Mpa。然后对热处理炉膛内进行升温，先以5℃/min升温速率从室温升至500℃，并保温3h，然后采用风机进行快速冷却，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S50。

实施例6

按照通式（PrNd）_12.2Dy_3.0Fe_75.38B₆Co_2.1Al_0.95Cu_0.22Zr_0.15配比将各原料进行熔炼，得到铸锭，然后对铸锭依次进行破碎、制粉、混料、磁场取向压制成型、并在真空或惰性气氛中进行烧结和回火，采用切片机切加工得到本实施例的规格为45mm×20mm×5mm的钕铁硼磁钢本体。然后将该钕铁硼磁钢本体放入真空炉内抽真空至真空度为5×10^-2Pa，然后充入气体源，该气体源为甲烷与尿素蒸汽体积比1:1的混合气体，充入气体源至真空炉内的压强为0.3MPa。然后对真空炉内进行升温，先以5℃/min的升温速率从室温升至250℃，并保温10h，然后采用风机对真空炉进行快速冷却，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S60。

实施例7

选取45SH牌号磁钢加工为方形，其规格为46.2mm×36mm×2mm，将该磁钢放入真空炉内抽真空至真空度为5×10^-2Pa，然后充入气体源，该气体源为甲烷与乙烷体积比1:1的混合气体，充入气体源至真空炉内的压强为0.01MPa。然后对真空炉内进行升温，先以5℃/min的升温速率从室温升至400℃，并保温5h，然后采用风机对真空炉进行快速冷却，然后继续在磁钢本体表面沉积厚度为15~30微米的派瑞林绝缘涂层，得到本实施例的钕铁硼磁性材料，记为S70。

性能测试

1、对实施例1-7中各钕铁硼磁性材料的晶界处及晶粒进行EDS分析，可探测到钕铁硼磁钢本体中确实有非金属原子存在。

2、采用苏州晶格电子有限公司的ST2258型多功能能数字式四探针测试仪，对各实施例及对比例中热处理前的磁钢本体、以及热处理后的钕铁硼磁性材料的电阻率ρ进行测试。测试结果如表1所示。

3、采用磁测仪（绵阳双极电子有限公司，AMT-4永磁测试仪）对热处理前的磁钢本体、以及热处理后的钕铁硼磁性材料进行磁性能对比测试，测试结果如表2所示。   

表1

。

从表1的测试结果可以看出，采用本发明提供的制备方法可以对钕铁硼磁钢本体内部进行非金属原子渗透，从而改善钕铁硼磁钢本体的内部显微组织，使得其电阻率ρ增加幅度达到4倍以上，能有效降低钕铁硼磁性材料在电机环境中的涡流损耗，明显优于现有技术中的各种方法。    

表2

。

从表2的磁性能对比测试结果看出，热处理前后磁体磁性能仅略有降低或差距不大，说明本发明对磁体处理方式可行实用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种钕铁硼磁性材料，其特征在于，所述钕铁硼磁性材料包括钕铁硼磁钢本体和分布于钕铁硼磁钢本体晶界处的非金属原子；所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的钕铁硼磁性材料，其特征在于，以钕铁硼磁性材料的总质量为基准，所述非金属原子的含量为0.5wt%以下。

3.根据权利要求1所述的钕铁硼磁性材料，其特征在于，以钕铁硼磁性材料的总质量为基准，所述非金属原子的含量为0.001-0.2wt%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的钕铁硼磁性材料，其特征在于，所述钕铁硼磁钢本体的组成通式为：Re_aFe_(100-a-b-c)B_bM_c，其中9at%≤a≤18at%，5at%≤b≤8at%，0≤c≤15 at%；RE选自Nd、Pr、Dy、Tb、Ho、Ga中的至少一种，M选自Co、Al、Cu、Zr、Ni、Sn、Ga、Nb、Mo、Ti中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的钕铁硼磁性材料，其特征在于，所述钕铁硼磁钢本体的制备方法为：按照钕铁硼磁钢本体的组成通式配比将各原料进行熔炼，得到铸锭或速凝薄片，然后对铸锭或速凝薄片依次进行破碎、制粉、混料、磁场取向压制成型、并在真空或惰性气氛中进行烧结和回火，得到所述钕铁硼磁钢本体。

6.根据权利要求1所述的钕铁硼磁性材料，其特征在于，所述钕铁硼磁性材料还包括包覆于钕铁硼磁钢本体表面的绝缘涂层。

7.一种权利要求1所述的钕铁硼磁性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触，然后在200~600℃下进行热处理0.5~10h，冷却后得到所述钕铁硼磁性材料；所述非金属源在热处理条件下能释放出活性非金属原子并扩散进入钕铁硼磁钢本体中，所述非金属原子选自C、N、B、Si、S中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述非金属源为气体源、固体源、液体源中的一种或多种；

其中气体源选自甲烷、乙烷、氨气或尿素蒸汽中的一种或多种；固体源选自木炭、活性炭、碳化硼、非晶态硼粉、硼砂、硅铁粉、硫氰酸钾、硫氰酸钠中的一种或多种；液体源选自煤油、苯、酒精、丙酮、四氯化硅中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固体源的粉末粒度为20~500目。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述非金属源为气体源，所述在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触的步骤为：先将钕铁硼磁钢本体放置于密闭空间内，然后将密闭空间内抽真空，最后充入气体源。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，将密闭空间内抽真空至真空度为5×10^-2Pa以上，充入气体源后密闭空间内的压强为-0.1~0.3MPa。

12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述非金属源为固体源，所述在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触的步骤为：先将钕铁硼磁钢本体和固体源整体放置于密闭空间内，然后将密闭空间内抽真空，再充入惰性气体。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述钕铁硼磁钢本体与固体源的重量比为1：0.01~1。

14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，将密闭空间内抽真空至真空度为5×10^-2Pa以上，充入惰性气体后密闭空间内的压强为-0.1~0.3MPa。

15.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述非金属源为液体源，所述在密闭空间中将钕铁硼磁钢本体与非金属源接触的步骤为：先将钕铁硼磁钢本体浸入液体源中，然后整体放置于密闭空间内，然后将密闭空间内抽真空，再充入惰性气体。

16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，将密闭空间内抽真空至真空度≤5Pa，充入惰性气体后密闭空间内的压强为-0.1~0.3MPa。

17.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在冷却之后还包括磁钢本体表面沉积或喷涂绝缘涂层的步骤。