CN104439258A

CN104439258A - 一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法

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Publication number: CN104439258A
Application number: CN201410698740.7A
Authority: CN
Inventors: 李纪恒; 高学绪; 包小倩; 汤明辉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明涉及一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法。以吸氢钕铁硼粉末为原料，通过大功率超声波脉冲射流的水锤作用，水楔-拉伸作用、空化作用、摩擦剪切作用以及颗粒之间的强烈冲击碰撞迫使吸氢钕铁硼颗粒物料破碎，最终制备适宜粒度的钕铁硼合金粉末。本发明的优点在于：利用大功率超声波脉冲射流制粉，除了颗粒之间的高速碰撞外，超声射流的水锤作用、水楔作用、射流打击以及剪切作用等大大增加了对物料颗粒破碎的打击力，提高粉碎效果和效率；大功率超声波产生高频脉冲振荡，有限避免了细颗粒的团聚；采用钝化水或油能有效降低合金粉末的氧含量。本发明生产效率高，适合工业生产。

Description

一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法

技术领域

本发明属于磁性材料领域，涉及一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法。

背景技术

钕铁硼稀土永磁合金,以其优良的磁性能得到越来越多的应用，被广泛用于医疗的核磁共振成像，计算机硬盘驱动器，音响、手机等；随着节能和低碳经济的要求，钕铁硼稀土永磁合金又开始在汽车零部件、家用电器、节能和控制电机、混合动力汽车，风力发电等领域应用。截止至2011年，我国稀土钕铁硼永磁体实际产量已经超过10万吨，可实现产量达到15-20万吨，跃居世界首位，但是由于我国生产的大多数永磁性材料都属于低端产品，只能靠廉价的劳动力和低廉的商品价格掺与国际市场的竞争，造成我国虽然是永磁体生产技术大国，却非生产技术强国的现状。当前钕铁硼工艺的研发基本接近于行业瓶颈，近2-3年内都未能有所突破，究其主要原因在于工艺的革新进度。每一次性能的大幅度提升，都源于工艺的改进。如从传统球磨到气流磨，增加氢破工艺，甩片工艺，无氧工艺、渗Dy工艺等。

目前的钕铁硼工艺是配料后熔炼铸锭、粗碎、中碎、细碎后球磨或者气流磨，最终制备平均粒度在2μm-5μm左右的粉末。广泛使用的为SCHD工艺，工艺方案为采用速凝甩带炉制备0.2mm左右薄片，后采用氢破、气流磨工序，最终制备平均粒度在2μm-5μm左右的粉末，虽然SCHD工艺较原始工艺更有利于钕铁硼主相的生产，也较铸锭工艺把稀土使用量由传统的30-33.5％wt降低28.5-30.5％wt，同时改善了磁性能。然而整体工艺复杂，其中气流磨工艺工作效率低且容易提高氧含量。

有研究者采用不同的制粉方法制备钕铁硼合金粉末，力图克服气流磨工艺存在的弊端。郭志猛等人(专利号201010033732.2)介绍了一种微细球形钕铁硼粉的制备方法，通过氢破和射频等离子熔融的方法制备了钕铁硼球形粉末。该工艺在传统铸锭、甩片后吸氢钕铁硼原料为原料采用RF等离子方法代替气流磨，其中原料为钕铁硼成品原料粒度为100-350μm，其制备粉末粒度为10-100μm。专利CN 104051105A公开了一种钕铁硼永磁材料的制粉工艺方法，该方法主要涉及雾化法(包括旋转电极法、等离子旋转电极雾化制粉法、电子束旋转盘雾化制粉法、真空雾化制粉、水气联合雾化制粉、超高压水雾化制粉及气雾制粉法等)直接由稀土、稀土合金、硼铁，钕铁硼废料、金属铁等常规钕铁硼生产所用原料经适宜配比经过熔融制粉直接制备适宜于微米级及亚微米级粉末，粉末粒度范围为0.05μm-50μm。专利88108934.6和93109121.7也都涉及了气体雾化制备钕铁硼合金粉末的方法。上述的等离子熔融和雾化法制备的钕铁硼合金粉末的表面形状多为圆球形，导致合金粉末的压制成型性差，影响最终磁体的磁性能。

高压水射流粉碎技术是一门新的超细粉体制备技术，也被称为水流磨。高压水射流粉碎是将高度聚能的水射流以一定方式作用在被粉碎的物料上，并在物料的裂隙和解理面中产生压力瞬变使物料发生粉碎。由于高压水射流通常具有极高的速度和高度能量聚集，对被粉碎物料和加载时间短且载荷的能量密度高。水流磨除了具体气流磨的大多数优点外，其独特之处在于，其效率高、对环境无污染、采用水做介质，湿法生产，可更好地保护粉体粒子的形状和表面光泽，由于具有大的粉碎压力，因此其制粉效率和产量高。

从国内专利检索得出国内外没有通过高压水射流技术制备钕铁硼磁体粉末的报道，此外本发明涉及的钕铁硼合金制粉技术还可广泛应用于其它磁性材料如铁氧体、AlNiCo、SmFeN及很多粉末冶金领域，具有广阔的发展和应用空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钕铁硼合金的制粉方法。

高压水射流是通过特定的装置(增压口或高压泵)，将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴，将压力能转变成动能，从而形成高速射流。从高压喷嘴射出的高速水射流具有很大的动量，在待粉碎的物料颗粒上可产生巨大的冲击力，射流的水压越高，冲击效果越好。但是，过高的压力对设备的要求非常高，能耗也非常大。超声波脉冲水射流技术可在较低水压的情况下，实现更高水压的冲击效果。超声波换能器产生的每秒钟上万次的高频振动，给予水射流高频振荡脉冲，形成一种非连续或“子弹束”式的超高频射流束。高压水射流的能量结合大功率超声波能量，在喷嘴处形成强力脉冲水射流。产生脉冲射流后，连续水流断裂成一颗颗“水子弹”，不断轰击待粉碎的物料颗粒，给以超高频水锤打击力，打击力要远远高于恒定压力下连续射流产生的压力。理论上，打击目标表面的打击力为滞止压力，表述为：p_s＝(1/2)ρu²，其中p_s为水射流的滞止压力，ρ为水的密度，u为水射流速度。滞止压力作用在颗粒上时会导致颗粒的“压缩粉碎”和“水楔粉碎”。由于水锤现象产生的压力为ρcu(c为声波在水中的传播速度，约为1524m/s)，所以，水射流通过高频振动后，得到的打击力被放大了2c/u倍。也即是，当水射流的压力为70MPa时，其射流速度约为375m/s，计算可得水射流产生的滞止压力p_s≈70MPa，经水锤作用后，打击压力增大了7～8倍，可达到560MPa。另外，“水楔粉碎”使得水射流粉碎不仅仅有压缩作用力，而且发挥了拉伸破碎的优势，从而提高粉碎效果。

除了超声脉冲水射流的水锤作用外，经水射流加速后的物料颗粒直接碰撞产生的破碎力非常巨大。理论上，两个材质相同、外形相似且体积相当却具有大小相等、方向相反的速度的颗粒相撞的近似计算公式为p_w＝ρcu。由该公式可知，颗粒之间的冲击力远大于水射流的静压力和连续水射流冲击颗粒的滞止压力。另外，超声空化作用带给物料颗粒的冲击压力可以是连续射流滞止压力或系统压力的8.6～124倍，可知，粉粹场中的空化作用对于物料更具有破坏性。总之，以70MPa水射流为例，最终作用在物料颗粒表面的打击力远大于1000MPa，而钕铁硼合金的抗压强度为800-1000MPa，巨大的打击力最终导致物料合金破碎成粉。超声脉冲水射流实现了低水射流压力，大打击压力的效果，显著提高了水射流交换给颗粒的能量效率，强化了水射流对物料颗粒的粉碎作用，提高了粉碎效率。

本发明的目的通过以下方式实现一种钕铁硼合金粉末的制备方法，以吸氢钕铁硼粉末为原料，吸氢钕铁硼粉末平均尺寸80-200μm；通过所设计的大功率超声波脉冲水(油)射流高效制备装置制备得到钕铁硼合金粉末。本发明钕铁硼永磁合金超声脉冲射流高效制粉装置主要由高压射流、大功率超声换能器循环冷却水进水口、大功率超声换能器循环冷却水出水口、大功率超声换能器磁致伸缩振子、大功率超声换能器变幅杆、大功率超声换能器工具头、脉冲振荡室、喷嘴、进料装置、混合室、加速管、粉碎室等组成。

高压射流(钝化水或油)经高压泵引入超声脉冲振荡室，经高频超声波作用后由喷嘴喷出形成高频振荡脉冲射流，在混合室中产生局部高真空，将进料装置中钕铁硼合金物料颗粒吸入混合室，并在超声波脉冲振荡射流中进行充分的高频强烈碰撞，在此碰撞过程中，由于高频率水锤作用，水楔作用以及空化作用，钕铁硼合金物料颗粒发生第一次强烈破碎。加速管将形成的钕铁硼合金物料颗粒射流再次加速，在此过程中，钕铁硼合金物料与管壁发生摩擦剪切作用产生二次破碎，然后该高速钕铁硼合金物料射流从加速管喷出，与另一股携带钕铁硼合金物料颗粒的射流在粉碎室发生相对强烈冲击碰撞进行第三次粉碎。粉碎后的钕铁硼合金颗粒经水力旋流器进行分级，粗颗粒从底流口出来后再次粉碎，溢流口出来的细颗粒进行浮选，制备出的钕铁硼永磁合金粉末颗粒尺寸1.2～10μm。

所述的高压射流，可以是高压水射流(钝化水)，也可以是高压油射流，压力优选50-100MPa。钝化水或油有效地降低了钕铁硼合金颗粒在破碎过程中的氧化。

所述大功率超声换能器，优选地，换能器振子由磁致伸缩材料制成，所用磁致伸缩材料可以是TbDyFe巨磁致伸缩材料、Fe-Ga超磁致伸缩材料、Fe-Al合金、Fe-Co-V合金、Ni合金以及铁氧体磁致伸缩材料，但不仅限于这次材料；该换能器将高频电脉冲转换成高频机械振动，并作用于射流而形成高频脉冲射流。

所述大功率磁致伸缩超声换能器，与压电材料超声换能器相比。其优点有：1，单位面积辐射功率大，单体功率容量大，可达数千瓦，甚至更大；2，金属磁致伸缩材料超声换能器耐机械冲击和电冲击能力强，工作效能稳定；3，磁致伸缩超声换能器为电流驱动，工作电压低，完全性高；4，磁致伸缩超声换能器可以实现连续水冷，换能工作时发热量小，工作稳定。诸多优点使得磁致伸缩超声换能器更能适用于工业生产。

所述大功率磁致伸缩超声换能器配备3000～6000瓦大功率超声波发生器，超声波发生器可产生13-20kHz、10-20A的驱动电流。

所述大功率磁致伸缩超声换能器功率优选1000-3000瓦。

所述大功率磁致伸缩超声换能器工具头由高强度不锈钢或者钛合金制成。

所述大功率磁致伸缩超波换能器工具头直径优选5-10mm。

所述超声脉冲射流喷嘴的孔径优选0.5-2mm。

所述粉粹室具有两个或以上超声射流喷嘴环绕分布，位置相对设置，其相对设置的喷嘴直径具有一定距离，该距离为两倍的靶距，以形成多股携带物理颗粒的射流相对碰撞，实现物料颗粒的高效破碎。

所述靶距是可调的，对于不同压力射流压力和超声波功率、频率，以及不同的颗粒粒度，其具有不同的最近靶距，以实现对物料颗粒产生最大的打击效果。

本发明与现有气流磨制备钕铁硼合金粉末相比有如下优点：

1、气流磨仅能通过高速气流加速物料颗粒碰撞而发生破碎，而利用超声高压脉冲射流制粉，除了颗粒之间的高速碰撞外，超声射流的水锤作用、水楔作用、空化作用、射流打击以及剪切作用等大大增加了对物料颗粒破碎的打击力，提高粉碎效果和效率。

2、大功率超声波产生高频脉冲振荡，有限避免了细颗粒的团聚；

3、钝化水或油有效地降低了钕铁硼合金颗粒在破碎过程中的氧化，降低合金粉末的氧含量；

4、可根据不同物料特征，通过调整超声波功率、频率、靶距以及射流压力等，达到最好的粉粹效果。

附图说明

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明：

图1是本发明钕铁硼永磁合金超声脉冲射流高效制粉装置示意图。

图1中附图标记为：高压射流(1)、大功率超声换能器循环冷却水进水口(2)、大功率超声换能器循环冷却水出水口(3)、大功率超声换能器磁致伸缩振子(4)、大功率超声换能器变幅杆(5)、大功率超声换能器工具头(6)、脉冲振荡室(7)、喷嘴(8)、进料装置(9)、混合室(10)、加速管(11)、粉碎室(12)。

具体实施方式

实施例1，超声脉冲射流制备Nd_29.68Dy_1.24Fe_68.08B_1.0合金粉末

采用真空感应熔炼钕铁硼合金，其原子成分为Nd_29.68Dy_1.24Fe_68.08B_1.0；将合金铸锭进行真空退火处理，退火处理温度为960～1060℃，时间为8～20h；将钕铁硼合金铸锭用压力机破碎成5～30mm的小铸块，置于氢爆装置的不锈钢压力罐中，将压力罐抽真空至1.0～2.0×10^-3Pa，通入高纯氢气至0.1～1.5MPa，保温30～50min后，得到平均粒度为100～200μm的吸氢Nd_29.68Dy_1.24Fe_68.08B_1.0合金粉末；70MPa高压钝化水射流经高压泵引入超声脉动振荡室，经18kHz、功率2000瓦超声波作用后由喷嘴(孔径1.1mm)喷出形成高频振荡脉冲射流，将进料装置中的平均粒度为100～200μm的吸氢Nd_29.68Dy_1.24Fe_68.08B_1.0合金粉末物料吸入混合室，并在超声波脉冲振荡射流中进行充分的高频强烈碰撞，在此碰撞过程中，由于高频率水锤作用，水楔作用，钕铁硼合金物料颗粒发生第一次强烈破碎；加速管将形成的钕铁硼合金物料颗粒射流再次加速，在此过程中，钕铁硼合金物料与管壁发生摩擦剪切作用发生二次破碎，然后该高速物料混合射流从加速管喷出，与另一股携带Nd_29.68Dy_1.24Fe_68.08B_1.0合金物料颗粒的射流在粉碎室发生相对强烈冲击碰撞进行第三次粉碎；经水力旋流器进行分级，即可收到平均粒径为3～10μm的Nd_29.68Dy_1.24Fe_68.08B_1.0合金粉末。

实施例2，超声脉冲射流制备Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金粉末

采用真空感应熔炼钕铁硼合金，其原子成分为Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0；速凝铸片(SC片)制备厚度0.4mm左右的Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金铸片；将Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金铸片SC片置于氢爆装置的不锈钢压力罐中，将压力罐抽真空至1.0～2.0×10^-3Pa，通入高纯氢气至0.1～1.5MPa，保温30～50min后，得到平均粒度为80～150μm的吸氢Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金粉末；80MPa高压钝化水射流经高压泵引入超声脉动振荡室，经19.6kHz、功率2500瓦超声波作用后由喷嘴(孔径0.8mm)喷出形成高频振荡脉冲射流，将进料装置中的吸氢Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金粉末物料吸入混合室，并在超声波脉冲振荡射流中进行充分的高频强烈碰撞，在此碰撞过程中，由于高频率水锤作用，水楔作用，钕铁硼合金物料颗粒发生第一次强烈破碎；加速管将形成的钕铁硼合金物料颗粒射流再次加速，在此过程中，钕铁硼合金物料与管壁发生摩擦剪切作用发生二次破碎，然后该高速物料混合射流从加速管喷出，与另一股携带Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金物料颗粒的射流在粉碎室发生相对强烈冲击碰撞进行第三次粉碎；经水力旋流器进行分级，即可收到平均粒径为1.2～8μm的Nd_29.0Pr_0.5Dy_0.5Fe_68.6Ga_0.2Nb_0.2B_1.0合金粉末。

Claims

1.一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于：以吸氢钕铁硼粉末为原料，通过所设计的大功率超声波脉冲射流高效制备装置制备得到钕铁硼合金粉末；本发明钕铁硼永磁合金超声脉冲射流高效制粉装置由高压射流(1)、大功率超声换能器循环冷却水进水口(2)、大功率超声换能器循环冷却水出水口(3)、大功率超声换能器磁致伸缩振子(4)、大功率超声换能器变幅杆(5)、大功率超声换能器工具头(6)、脉冲振荡室(7)、喷嘴(8)、进料装置(9)、混合室(10)、加速管(11)、粉碎室(12)组成；

高压射流经高压泵引入超声脉冲振荡室，经高频超声波作用后由喷嘴喷出形成高频振荡脉冲射流，在混合室中产生局部高真空，将进料装置中钕铁硼合金物料颗粒吸入混合室，并在超声波脉冲振荡射流中进行充分的高频强烈碰撞，在此碰撞过程中，由于高频率水锤作用，水楔作用以及空化作用，钕铁硼合金物料颗粒发生第一次强烈破碎；加速管将形成的钕铁硼合金物料颗粒射流再次加速，在此过程中，钕铁硼合金物料与管壁发生摩擦剪切作用产生二次破碎，然后该高速钕铁硼合金物料射流从加速管喷出，与另一股携带钕铁硼合金物料颗粒的射流在粉碎室发生相对强烈冲击碰撞进行第三次粉碎；粉碎后的钕铁硼合金颗粒经水力旋流器进行分级，粗颗粒从底流口出来后再次粉碎，溢流口出来的细颗粒进行浮选制备得到钕铁硼永磁合金粉末。

2.根据权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，作为原料的吸氢钕铁硼粉末平均尺寸80-200μm。

3.根据权利要求1所述射流，其特征在于，所述的高压射流为高压钝化水射流或者是高压油射流，压力为50-100MPa，钝化水或油有效地降低了钕铁硼合金颗粒在破碎过程中的氧化。

4.根据权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，所述超声换能器由磁致伸缩材料制成，超声换能器功率为1000-3000瓦。

5.根据权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，所述超声换能器工具头由高强度不锈钢或者钛合金制成。

6.根据权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，所述超声换能器工具头直径为5-10mm。

7.根据权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，所述超声脉冲射流喷嘴的孔径为0.5-2mm。

8.根据权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，所述粉粹室具有两个或以上超声射流喷嘴环绕分布，位置相对设置，其相对设置的喷嘴直径具有一定距离，该距离为两倍的靶距，以形成多股携带钕铁硼合金颗粒的射流相对碰撞，实现物料颗粒的高效破碎。

9.根据权利要求8所述的一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，所述的靶距是可调的，对于不同压力射流压力和超声波功率、频率，以及不同的颗粒粒度，其具有不同的最近靶距，以实现对物料颗粒产生最大的打击效果。

10.利用权利要求1所述一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，其特征在于，制备出的钕铁硼永磁合金粉末颗粒尺寸1.2～10μm。