CN105374485A

CN105374485A - 一种多层复合磁体及其制备方法

Info

Publication number: CN105374485A
Application number: CN201510835402.8A
Authority: CN
Inventors: 潘道良; 苏广春; 关井和; 胡剑
Original assignee: Ningbo Co-Star Materials Hi-Tech Co Ltd
Current assignee: Ningbo Co-Star Materials Hi-Tech Co Ltd
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: CN105374485B

Abstract

本发明涉及一种多层复合磁体，属于磁性材料技术领域。该多层复合磁体包括由NdFeB磁体所构成的中心层，在中心层两侧分别设有由α-Fe构成的中间层，在两中间层的外侧均设有由SmCo₅构成的外层，形成依次为SmCo₅、α-Fe、NdFeB、α-Fe、SmCo₅的夹心结构，夹心结构中外层SmCo₅、中间层α-Fe、中心层NdFeB磁体、中间层α-Fe、外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：10％-30％、10％-20％、30％-50％、10％-20％、10％-30％。本发明多层复合磁体通过以配伍合理的NdFeB磁体为硬磁相的中心层，在其两侧增加中间层软磁相α-Fe，在α-Fe外侧增加硬磁相SmCo₅，并在硬磁相与软磁相之间设置Cu穿插层，通过磁体结构层次以及合理的制备方法，进一步提高磁体的磁性能，尤其是提高磁体的矫顽力，同时降低生产成本。

Description

一种多层复合磁体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多层复合磁体及其制备方法，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，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。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。DapengWang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，会大幅度降低矫顽力，不能满足高温领域对磁体的使用要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种高矫顽力、高磁能积的多层复合磁体。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种多层复合磁体，包括由NdFeB磁体所构成的中心层，在中心层两侧分别设有由α-Fe构成的中间层，在两中间层的外侧均设有由SmCo₅构成的外层，形成依次为SmCo₅、α-Fe、NdFeB、α-Fe、SmCo₅的夹心结构，夹心结构中外层SmCo₅、中间层α-Fe、中心层NdFeB磁体、中间层α-Fe、外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：10％-30％、10％-20％、30％-50％、10％-20％、10％-30％。

作为优选，两中间层的α-Fe磁体质量相等。

作为优选，两外层SmCo₅磁体质量相等。

作为优选，SmCo₅与α-Fe之间、α-Fe与NdFeB之间均设有Cu穿插层。硬磁相SmCo₅与软磁相α-Fe之间，软磁相α-Fe与硬磁相NdFeB之间均引入了Cu穿插层，从而减少了硬磁相SmCo₅与软磁相α-Fe之间、软磁相α-Fe与硬磁相NdFeB之间的扩散，同时影响其界面耦合，提高本发明多层复合磁体的高矫顽力。

进一步优选，每层Cu穿插层在多层复合磁体中的质量百分含量为0.001％-0.02％。再进一步优选，每层Cu穿插层在多层复合磁体中的质量百分含量为0.002％-0.01％。本发明在保证较高矫顽力的条件下，通过优化各层的质量百分含量同时能够提高多层复合磁体的磁能积。

作为优选，NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％-30.00％、B：1.00％-2.50％、Si：0.80％-1.50％、Ga：0.10％-0.20％、Dy：0.10％-0.50％、V：0.10％-0.30％、余量为Fe。

本发明中间层NdFeB磁体在Nd、Fe和B的基础上，添加了能够提高磁体各向异性和矫顽力的Si和Ga，还添加了能部分取代Nd并有效提高磁体矫顽力的Dy以及能和Dy复配使用以大大提高磁体矫顽力的V。本发明中通过各元素的合理配伍和协同作用，有效提高钕铁硼磁体的矫顽力等综合磁性能。

其中，复配添加的Si和Ga可以同时提高磁体的矫顽力、各向异性等，并能减少磁体剩磁的降低。尽管重稀土元素如Dy、Gd、Tb等在NdFeB磁体中具有高的各向异性场，并具有温度补偿作用，它们的加入可以得到具有高矫顽力和高温度稳定性的NdFeB磁体。但是重稀土的价格也比较昂贵，考虑到生产成本，本发明中间层NdFeB磁体中只添加了0.10％-0.50％的稀土元素Dy。Dy作为提高磁体矫顽力最有效的元素之一，一方面Dy可以部分取代Nd，显著提高合金的各向异场性，并能改善磁体的微结构以有效提高磁体的矫顽力，另一方面Dy和V产生协同作用，不仅可以提高磁体的耐腐蚀性能而不使其矫顽力下降，还可以有效改善晶界富钕相的组织成分，从而提高NdFeB磁体的耐氢能力；而V的加入所引起的矫顽力的提高与Dy所引起的矫顽力的提高二者可叠加以大大提高磁体的矫顽力，并且V在晶界处形成弥散的V₂FeB₂相以代替其中的富B相，因此在提高磁体矫顽力的同时又不会降低磁体的剩磁。

进一步优选，NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.50％-29.00％、B：1.20％-2.20％、Si：1.00％-1.30％、Ga：0.15％-0.18％、Dy：0.15％-0.35％、V：0.15％-0.25％、余量为Fe。

本发明还涉及上述多层复合磁体的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

S1、按如下NdFeB磁体的组成成份及其质量百分比进行配料：NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％-30.00％、B：1.00％-2.50％、Si：0.80％-1.50％、Ga：0.10％-0.20％、Dy：0.10％-0.50％、V：0.10％-0.30％、余量为Fe，经熔炼、铸锭、氢破碎、气流磨、压制成型、烧结固溶、时效处理得中心层NdFeB磁体；

S2、在中心层NdFeB磁体的两侧表面依次沉积中间层α-Fe、外层SmCo₅，其中，每一层中间层α-Fe、外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：10％-20％、10％-30％。

其中，步骤S1中配料时原料以如下方式加入：Nd含量为65％-70％的钕铁合金、B含量为20％-30％的硼铁合金、Si含量为74％-80％的硅铁、Ga含量为8％-10％的镓铁合金、V含量为40％-50％的钒铁合金、Dy含量为5％-8％的镝铁合金、工业铁锭。

步骤S1中所述的烧结固溶为将压制成型得到的NdFeB磁体毛坯于1190℃-1220℃下烧结0.3-0.8小时，随后于1150℃-1180℃固溶2-3小时，并快速风冷到室温，得到烧结坯。

对于烧结钕铁硼磁体，烧结过程的控制对钕铁硼磁体的性能起到关键作用。在烧结过程中，若烧结固溶温度过高会导致钕铁硼磁体中的晶粒异常长大，从而直接影响制得的钕铁硼磁体的磁性能特别是磁体的矫顽力；若烧结固溶温度过低，则达不到钕铁硼磁体烧结的目的，而且烧结固溶时间的过长或过短均会导致钕铁硼磁体的磁性能降低，因此本发明NdFeB磁体的制备方法中，将烧结固溶的温度及时间控制在上述范围内，有效阻止磁体中晶粒的异常长大，使得钕铁硼磁体的富钕相分布更加均匀，并能充分抑制磁体主相晶粒将的磁耦合效应等，以得到具有较高磁性能的NdFeB磁体，再通过与Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、SmCo₅的复合进一步提高多层复合磁体的矫顽力等综合性能。

步骤S1中所述时效处理为将烧结坯由室温升温到800-820℃保温时效12-15小时，随后以1-3℃/min的冷却速率慢冷到400℃-420℃，并保温2-3小时。

作为优选，所述时效处理时的升温速度为10-30℃/min。

步骤S2中所述的沉积方法包括溅射法、化学气象沉积法、蒸法发、原子层沉积法、激光辅助沉积法中的任意一种。

作为优选，步骤S2在中心层NdFeB磁体与中间层α-Fe之间，中间层α-Fe与外层SmCo₅之间还均沉积有Cu穿插层，即在中心层NdFeB磁体的两侧表面依次沉积Cu穿插层、中间层α-Fe、Cu穿插层、外层SmCo₅，其中，每一层Cu穿插层、每一层中间层α-Fe、每一层外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：0.001％-0.02％、10％-20％、10％-30％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明多层复合磁体通过以NdFeB磁体为硬磁相的中心层，在其两侧增加中间层软磁相α-Fe，在α-Fe外侧增加硬磁相SmCo₅，并在硬磁相与软磁相之间设置Cu穿插层，通过磁体结构层次进一步提高复合磁体的矫顽力。

2、本发明多层复合磁体的中间层NdFeB磁体在Nd、Fe和B的基础上，添加了Si、Ga，以及Dy和V，通过各元素的合理配伍和协同作用，有效提高钕铁硼磁体的矫顽力等综合磁性能。

3、本发明多层复合磁体的制备方法简单可行、成本低，通过制备过程中工艺参数的合理设定，进一步提高磁体的磁性能，尤其是提高磁体的矫顽力，同时降低生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中多层复合磁体的结构示意图。

图2为本发明实施例2中多层复合磁体的结构示意图。

图中，1、中心层；2、中间层；3、外层；4、Cu穿插层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本实施例中的多层复合磁体，包括由NdFeB磁体所构成的中心层1，在中心层1两侧分别设有由α-Fe构成的中间层2，在两中间层2的外侧均设有由SmCo₅构成的外层3，形成依次为SmCo₅、α-Fe、NdFeB、α-Fe、SmCo₅的夹心结构，其中夹心结构中SmCo₅、α-Fe、NdFeB、α-Fe、SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别为10％-30％、10％-20％、30％-50％、10％-20％、10％-30％。其中，夹心结构中两中间层2的α-Fe磁体质量相等；两外层3SmCo₅磁体质量相等。中间层1NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％-30.00％、B：1.00％-2.50％、Si：0.80％-1.50％、Ga：0.10％-0.20％、Dy：0.10％-0.50％、V：0.10％-0.30％、余量为Fe。

如图2所示，本实施例中的多层复合磁体，包括由NdFeB磁体所构成的中心层1，在中心层1两侧分别设有由α-Fe构成的中间层2，在两中间层2的外侧均设有由SmCo₅构成的外层3，SmCo₅与α-Fe之间、α-Fe与NdFeB之间均设有Cu穿插层4，形成依次为SmCo₅、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、NdFeB、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、SmCo₅的夹心结构，其中夹心结构中四Cu穿插层、两中间层α-Fe、两外层SmCo₅质量相等。即夹心结构中SmCo₅、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、NdFeB、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别为10％-30％、0.001％-0.02％、10％-20％、0.001％-0.02％、30％-50％、0.001％-0.02％、10％-20％、0.001％-0.02％、10％-30％。中间层1NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％-30.00％、B：1.00％-2.50％、Si：0.80％-1.50％、Ga：0.10％-0.20％、Dy：0.10％-0.50％、V：0.10％-0.30％、余量为Fe。

实施例1

按如下NdFeB磁体的组成成份及其质量百分比进行配料，所述NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：27.00％、B：2.20％、Si：1.00％、Ga：0.18％、Dy：0.25％、V：0.25％、余量为Fe；

将配料经熔炼、铸锭、氢破碎、气流磨、压制成型得NdFeB磁体毛坯，将NdFeB磁体毛坯于1210℃下烧结0.6小时，随后于1170℃固溶2小时，并快速风冷到室温，得到烧结坯，以25℃/min的升温速度将烧结坯由室温升温到815℃保温时效14小时，随后以2℃/min的冷却速率慢冷到405℃，并保温3小时，得中心层NdFeB磁体；

在中心层NdFeB磁体的两侧表面分别依次沉积中间层α-Fe、外层SmCo₅，形成的夹心结构，即为本实施例1的多层复合磁体。其中，夹心结构中外层SmCo₅、中间层α-Fe、中心层NdFeB磁体、中间层α-Fe、外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：18％、12％、40％、12％、18％。

实施例2

按如下NdFeB磁体的组成成份及其质量百分比进行配料，所述NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％、B：2.50％、Si：0.80％、Ga：0.20％、Dy：0.10％、V：0.30％、余量为Fe；

将配料经熔炼、铸锭、氢破碎、气流磨、压制成型得NdFeB磁体毛坯，将NdFeB磁体毛坯于1220℃下烧结0.3小时，随后于1180℃固溶2小时，并快速风冷到室温，得到烧结坯，以30℃/min的升温速度将烧结坯由室温升温到820℃保温时效12小时，随后以3℃/min的冷却速率慢冷到420℃，并保温2小时，得中心层NdFeB磁体；

在中心层NdFeB磁体的两侧表面分别依次沉积中间层α-Fe、外层SmCo₅，形成的夹心结构，即为本实施例2的多层复合磁体。其中，夹心结构中外层SmCo₅、中间层α-Fe、中心层NdFeB磁体、中间层α-Fe、外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：22.5％、10％、35％、10％、22.5％。

实施例3

按如下NdFeB磁体的组成成份及其质量百分比进行配料，所述NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：28.00％、B：1.80％、Si：1.20％、Ga：0.15％、Dy：0.30％、V：0.20％、余量为Fe；

将配料经熔炼、铸锭、氢破碎、气流磨、压制成型得NdFeB磁体毛坯，将NdFeB磁体毛坯于1200℃下烧结0.4小时，随后于1160℃固溶2.5小时，并快速风冷到室温，得到烧结坯，以20℃/min的升温速度将烧结坯由室温升温到810℃保温时效13小时，随后以2℃/min的冷却速率慢冷到410℃，并保温2.5小时，得中心层NdFeB磁体；

在中心层NdFeB磁体两侧表面分别依次沉积Cu穿插层、中间层α-Fe、Cu穿插层、外层SmCo₅，形成的夹心结构，即为本实施例3中多层复合磁体。夹心结构中SmCo₅、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、NdFeB磁体、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别为17.5％、0.01％、12.48％、0.01％、40％、0.01％、12.48％、0.01％、17.5％。

实施例4

按如下NdFeB磁体的组成成份及其质量百分比进行配料，所述NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：30.00％、B：1.00％、Si：1.50％、Ga：0.10％、Dy：0.50％、V：0.10％、余量为Fe；

将配料经熔炼、铸锭、氢破碎、气流磨、压制成型得NdFeB磁体毛坯，将NdFeB磁体毛坯于1190℃下烧结0.8小时，随后于1150℃固溶3小时，并快速风冷到室温，得到烧结坯，以10℃/min的升温速度将烧结坯由室温升温到800℃保温时效15小时，随后以1℃/min的冷却速率慢冷到400℃，并保温3小时，得中心层NdFeB磁体；

在中心层NdFeB磁体两侧表面分别依次沉积Cu穿插层、中间层α-Fe、Cu穿插层、外层SmCo₅，形成的夹心结构，即为本实施例4中多层复合磁体。夹心结构中SmCo₅、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、NdFeB磁体、Cu穿插层、α-Fe、Cu穿插层、SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别为24.96％、0.02％、10％、0.02％、30％、0.02％、10％、0.02％、24.96％。

其中，配料时原料以如下方式加入：Nd含量为65％-70％的钕铁合金、B含量为20％-30％的硼铁合金、Si含量为74％-80％的硅铁、Ga含量为8％-10％的镓铁合金、V含量为40％-50％的钒铁合金、Dy含量为5％-8％的镝铁合金、工业铁锭。

所述的沉积方法包括溅射法、化学气象沉积法、蒸法发、原子层沉积法、激光辅助沉积法中的任意一种。

对比例1

现有技术中普通的单层NdFeB磁体。

对比例2

现有技术中普通的单层SmCo₅磁体。

对比例3

采用本实施例1中所述中间层NdFeB磁体所述的组成成分及质量百分比通过现有技术中普通的加工方法制得的磁体。

将实施例1-4及对比例1-3中的磁体进行进行性能测试，结果如表1所示。

表1：本发明实施例1-4及对比例1-3中的磁体性能测试结果

综上所述，本发明多层复合磁体通过硬磁相与软磁相的复合，并在硬磁相与软磁相间增加Cu穿插层，在不降低剩磁的同时大幅度提高磁体的矫顽力、磁能积等综合磁性能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种多层复合磁体，其特征在于，所述的多层1合磁体包括由NdFeB磁体所构成的中心层，在中心层两侧分别设有由α-Fe构成的中间层，在两中间层的外侧均设有由SmCo₅构成的外层，形成依次为SmCo₅、α-Fe、NdFeB、α-Fe、SmCo₅的夹心结构，夹心结构中外层SmCo₅、中间层α-Fe、中心层NdFeB磁体、中间层α-Fe、外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：10％-30％、10％-20％、30％-50％、10％-20％、10％-30％。

2.根据权利要求1所述的一种多层复合磁体，其特征在于，两中间层的α-Fe磁体质量相等。

3.根据权利要求1所述的一种多层复合磁体，其特征在于，两外层SmCo₅磁体质量相等。

4.根据权利要求1所述的一种多层复合磁体，其特征在于，SmCo₅与α-Fe之间、α-Fe与NdFeB之间均设有Cu穿插层。

5.根据权利要求4所述的一种多层复合磁体，其特征在于，每层Cu穿插层在多层复合磁体中的质量百分含量为0.001％-0.02％。

6.根据权利要求1所述的一种多层复合磁体，其特征在于，NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％-30.00％、B：1.00％-2.50％、Si：0.80％-1.50％、Ga：0.10％-0.20％、Dy：0.10％-0.50％、V：0.10％-0.30％、余量为Fe。

7.一种多层复合磁体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

S1、按如下NdFeB磁体的组成成份及其质量百分比进行配料：NdFeB磁体的组成成分及质量百分比为：Nd：26.00％-30.00％、B：1.00％-2.50％、Si：0.80％-1.50％、Ga：0.10％-0.20％、Dy：0.10％-0.50％、V：0.10％-0.30％、余量为Fe，配料经熔炼、铸锭、氢破碎、气流磨、压制成型、烧结固溶、时效处理得中心层NdFeB磁体；

8.根据权利要求7所述的多层复合磁体的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的烧结固溶为将压制成型得到的NdFeB磁体毛坯于1190℃-1220℃下烧结0.3-0.8小时，随后于1150℃-1180℃固溶2-3小时，并快速风冷到室温，得到烧结坯。

9.根据权利要求7所述的多层复合磁体的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述时效处理为将烧结坯由室温升温到800-820℃保温时效12-15小时，随后以1-3℃/min的冷却速率慢冷到400℃-420℃，并保温2-3小时；其中，升温速度为10-30℃/min。

10.根据权利要求7所述的多层复合磁体的制备方法，其特征在于，步骤S2在中心层NdFeB磁体与中间层α-Fe之间，中间层α-Fe与外层SmCo₅之间还均沉积有Cu穿插层，其中，每一层Cu穿插层、每一层中间层α-Fe、每一层外层SmCo₅在多层复合磁体中的质量百分含量分别：0.001％-0.02％、10％-20％、10％-30％。