CN105006326A - 一种NdFeB/SmCo5多层复合稀土永磁体及SPS热压法制备方法 - Google Patents

一种NdFeB/SmCo5多层复合稀土永磁体及SPS热压法制备方法 Download PDF

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一种NdFeB/SmCo5多层复合稀土永磁体及SPS热压法制备方法,属于磁性材料技术领域。按照SmCo5/NdFeB/SmCo5顺序,将多层粉末经热压烧结。热压工艺条件是真空、680~700℃、450~500MPa下保温3~10分钟。多层复合磁体的矫顽力相比NdFeB单相磁体矫顽力提高,矫顽力随温度稳定性好于NdFeB单相磁体。与传统的两相混粉之后的热压工艺比,此方法制备的多层复合磁体具有两主相之间扩散小,复合磁体的矫顽力比NdFeB单相磁体有所提高等优点。

Description

一种NdFeB/SmCo5多层复合稀土永磁体及SPS热压法制备方法
技术领域
本发明是一种采用放电等离子烧结技术热压法制备NdFeB/SmCo5多层复合稀土永磁体的方法,属于磁性材料技术领域。
背景技术
烧结NdFeB稀土永磁体是迄今为止磁性最强的永磁材料,广泛应用于电子、机电、仪表和医疗等诸多领域,是当今世界上发展最快,市场前景最好的永磁材料。而NdFeB型磁体具有高的饱和磁化强度,低的热稳定性(高温下矫顽力低),其居里温度大约为580K,这限制了它在高温下的应用。随着电动汽车和混合动力汽车的快速发展,要求永磁体工作温度在200℃以上,因此,对NdFeB磁体的高温磁性能提出了更高的要求。
普通NdFeB磁体在高温时矫顽力下降剧烈,不能满足使用要求。目前,主要是采用在NdFeB磁体中掺杂Dy和Tb元素来提高磁体的矫顽力,进而提高磁体的高温磁性能。Dy和Tb能够大幅度的提高矫顽力。有研究者通过表面气相镀覆Dy的方法,使磁体矫顽力从13.1kOe大幅增加到20.4kOe,增幅为55.7%,剩磁从14.4kGs降为14.2kGs,同比降低幅度为1.4%。掺杂Dy和Tb元素的方式制备的NdFeB磁体使用温度可达到200℃,但是由于重稀土Dy和Tb比较昂贵,这提高了磁体的成本,限制了磁体的使用范围。
为了更好的满足应用领域对高性能高温永磁体的需求,研究者采用多种方法进行了不懈努力。特别是提出了一种制备硬磁/硬磁型复合稀土永磁体的方法。因为每种类型的单相永磁体都有其优势和劣势。比如,NdFeB型磁体具有高的磁性能,但使用温度较低;而SmCo型稀土永磁体的饱和磁化强度和磁能积低于NdFeB磁体,但具有高的居里温度和热稳定性,适合应用于高温领域。因此如果将两者的各自优势结合起来制备NdFeB/SmCo5型复合永磁体,可以获得同时具有较高磁性能和热稳定性良好的复合永磁体。Dapeng Wang和Shen等人通过将NdFeB粉末和SmCo5粉末一起混粉后热压烧结的方式制备出NdFeB/SmCo5各向同性的复合磁体,磁能积达14MGOe,并且复合磁体呈现单相永磁体的磁特征。高温时NdFeB/SmCo5复合磁体相比Nd2Fe14B单相磁体具有更高的热稳定性,即具有更高的矫顽力;而且比SmCo5单相磁体具有更高的饱和磁化强度和磁能积。这种复合磁体的使用温度上限能达到250℃以上。然而,这种热压方式具有两个技术困难:一、两单相永磁体的制备工艺并不能完全匹配;二、高温下两种永磁体之间容易发生互相扩散,产生具有易基面磁晶各向异性的产物,如Sm2Fe14B和NdCo5,造成矫顽力降低,不能满足高温领域对磁体的使用要求。
针对以上问题,本申请提出一种制备多层的SmCo5/NdFeB/SmCo5型复合磁体的新方法。由于永磁体的表面磁场的磁性能对磁体的使用影响最大,因此我们考虑在NdFeB块状磁体的表面增加较薄的一层具有高矫顽力、高稳定性的SmCo5磁体,因为这种多层复合磁体的大部分还是NdFeB磁体,只有表面薄薄一层是SmCo5,这样复合磁体保持高磁性能(NdFeB提供)的同时,还具有较好的高温磁性能(SmCo5提供)。这种硬磁/硬磁型的复合永磁体具有特殊的优势,能够很好的填补各单相永磁体的不足,拓宽永磁体的使用范围。具体方法是采用NdFeB粉在中间层,少量SmCo5粉分别在两端的方式,然后采用放电等离子烧结设备热压制备SmCo5/NdFeB/SmCo5型多层复合磁体。放电等离子烧结(SPS)是利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法,通过调节脉冲直流电的大小控制升温速率和烧结温度。整个烧结过程可在真空环境中进行。烧结过程中,脉冲电流直接通过烧结粉体和模具,因此加热系统的热容很小,升温和传热速度快,与此同时,SPS还可在模具的上下压头施加一个可以调节的压力(可达1GPa)。所以SPS具有高压、低温、快速的烧结优势。因而SPS烧结能够抑制晶粒长大,减少两种磁体的互扩散,并且能够在高压、低温的条件下使两种不同类型的磁体同时致密化,从而获得高矫顽力的纳米晶致密NdFeB/SmCo5多层复合磁体。这种方式制备的多层复合磁体,由于SmCo5层和NdFeB层只是在层之间接触,总的接触面积小,两相之间的扩散相对于球磨混粉热压的方式大大减小,减少了降低矫顽力的杂相的形成,因而,这种多层复合磁体具有较好的矫顽力,并且由于获得的多层复合磁体的晶粒尺寸只有几十纳米,因而复合磁体具有良好的耐腐蚀性能及力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体及SPS热压法的制备方法。
一种SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体,其特征在于,在NdFeB块状磁体的表面增加一层SmCo5磁体,形成夹心结构。SmCo5/NdFeB/SmCo5三层在多层复合磁体中的质量百分含量分别:(15%-34%):(50%-70%):(15%-34%)。优选两表面层的SmCo5磁体质量相等。
本发明是一种热压法制备高矫顽力的各向同性纳米晶NdFeB/SmCo5多层复合磁体的方法,该方法主要包括下列步骤:
(1)熔炼,将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末,采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末,将NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模,将不同重量的SmCo5粉、NdFeB粉、SmCo5粉按此顺序分三层装入WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结,使用放电等离子烧结设备,在真空、压力450~500MPa、680℃-700℃和保温3~10分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
本发明的有益效果
(1)多层复合磁体的矫顽力介于NdFeB单相和SmCo5单相之间,矫顽力相对于NdFeB单相有所提高,能够拓宽NdFeB磁体的使用温度范围;
(2)相对传统球磨混粉后热压烧结的方式,多层热压烧结的过程中,NdFeB单相和SmCo5单相之间的相扩散减小;
(3)热压获得的纳米晶NdFeB/SmCo5多层复合磁体,具有良好的磁性能、热稳定性、耐腐蚀性能及力学性能。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围不仅限于下述实施方式。
实施例1
(1)熔炼。将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末。采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末。将购买的商业NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模。将2g的SmCo5粉、8g的NdFeB粉、2g的SmCo5粉按顺序、分三层装入直径为Φ15mm的WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结。使用放电等离子烧结设备,在真空、450MPa、700℃和保温3分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
对比例1
(1)研磨NdFeB粉末。将购买的商业NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子获得NdFeB细粉;
(2)粉末装模。将12g的NdFeB粉装入直径为Φ15mm的WC硬质合金模具内;
(3)热压烧结。使用放电等离子烧结设备,在真空、450MPa、700℃和保温3分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶NdFeB磁体。
表1 室温(20℃)下实施例和对比例的磁性能和密度对比
性能 矫顽力(kOe) 剩磁(kGs) 磁能积(MGOe) 密度(g/cm3)
实施例1 18.910 6.889 10.673 7.786
对比例1 17.723 8.229 15.021 7.508
表2 不同温度下实施例和对比例的矫顽力对比
实施例2
(1)熔炼。将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末。采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末:将购买的商业NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模。将3g的SmCo5粉、6g的NdFeB粉、3g的SmCo5粉按顺序、分三层装入直径为Φ15mm的WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结。使用放电等离子烧结设备,在真空、500MPa、700℃和保温3分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
表3 室温(20℃)下实施例和对比例的磁性能和密度对比
性能 矫顽力(kOe) 剩磁(kGs) 磁能积(MGOe) 密度(g/cm3)
实施例2 19.321 6.654 10.441 7.979
对比例1 17.723 8.229 15.021 7.608
表4 不同温度下实施例和对比例的矫顽力对比
实施例3
(1)熔炼。将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末。采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末。将购买的商业NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子
获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模。将4g的SmCo5粉、4g的NdFeB粉、4g的SmCo5粉按顺序、分三层装入直径为Φ15mm的WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结。使用放电等离子烧结设备,在真空、450MPa、700℃和保温10分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
表5 室温(20℃)下实施例和对比例的磁性能和密度对比
性能 矫顽力(kOe) 剩磁(kGs) 磁能积(MGOe) 密度(g/cm3)
实施例3 19.712 6.292 10.153 8.038
对比例1 17.723 8.229 15.021 7.608
表6 不同温度下实施例和对比例的矫顽力对比
实施例4
(1)熔炼。将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末。采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末。将购买的商业NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子
获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模。将3g的SmCo5粉、6g的NdFeB粉、3g的SmCo5粉按顺序、分三层装入直径为Φ15mm的WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结。使用放电等离子烧结设备,在真空、450MPa、690℃和保温5分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
表7 室温(20℃)下实施例和对比例的磁性能和密度对比
性能 矫顽力(kOe) 剩磁(kGs) 磁能积(MGOe) 密度(g/cm3)
实施例4 19.432 6.356 10.244 7.746
对比例1 17.723 8.229 15.021 7.608
表8 不同温度下实施例和对比例的矫顽力对比
实施例5
(1)熔炼。将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末。采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末。将购买的商业NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子
获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模。将3g的SmCo5粉、6g的NdFeB粉、3g的SmCo5粉按顺序、分三层装入直径为Φ15mm的WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结。使用放电等离子烧结设备,在真空、450MPa、680℃和保温3分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
表9 室温(20℃)下实施例和对比例的磁性能和密度对比
性能 矫顽力(kOe) 剩磁(kGs) 磁能积(MGOe) 密度(g/cm3)
实施例5 19.756 6.006 9.796 7.720
对比例1 17.723 8.229 15.021 7.608
表10 不同温度下实施例和对比例的矫顽力对比
总结
本发明利用放电等离子烧结制备了热压NdFeB/SmCo5多层复合磁体,复合磁体中NdFeB和SmCo5两相之间的接触面积小,在高温下两相之间的扩散减小,使得复合磁体具有更高的矫顽力。室温下矫顽力相对于NdFeB单相磁体提高了1~2kOe。在50℃、100℃、150℃、200℃下复合磁体矫顽力相对于NdFeB单相磁体提高了1~2.5kOe,矫顽力随温度稳定性好于NdFeB单相磁体,而且本发明制备的NdFeB/SmCo5多层复合磁体是纳米晶磁体,其耐腐蚀性能及力学性能也必然比NdFeB单相磁体高。

Claims (4)

1.一种SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体,其特征在于,在NdFeB块状磁体的表面增加一层SmCo5磁体,形成夹心结构。
2.按照权利要求1的一种SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体,其特征在于,SmCo5/NdFeB/SmCo5三层在多层复合磁体中的质量百分含量分别:(15%-34%):(50%-70%):(15%-34%)。
3.按照权利要求2的一种SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体,其特征在于,两表面层的SmCo5磁体质量相等。
4.制备权利要求1的一种SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体,其特征在于,包括下列步骤:
(1)熔炼,将原料Sm和Co利用悬浮熔炼炉熔炼制备SmCo5铸锭;
(2)制备SmCo5粉末,采用高能球磨法将SmCo5铸锭球磨成SmCo5非晶粉末;
(3)研磨NdFeB粉末,将NdFeB磁粉(F粉)研磨,过200目筛子获得NdFeB细粉;
(4)粉末装模,将不同重量的SmCo5粉、NdFeB粉、SmCo5粉按此顺序分三层装入WC硬质合金模具内;
(5)热压烧结,使用放电等离子烧结设备,在真空、压力450~500MPa、680℃~700℃和保温3~10分钟的条件下热压烧结,获得各向同性的纳米晶SmCo5/NdFeB/SmCo5多层复合磁体。
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