CN105632749B - 一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法 - Google Patents

一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，涉及永磁材料的制备技术。本发明通过熔炼、快淬和高能球磨工艺制得NdFeB与SmCo合金纳米晶粉末，然后按比例将NdFeB与SmCo纳米晶粉末进行均匀混合获得均匀的复合粉末，再将复合粉末装入模具中用成型压头预压实，设置吸收层和约束层，并固定在工作台上，最后通过激光诱导的高压冲击波力效应冲击压头使复合粉末在磁场取向作用下高速压实成型，随后进行热变形，强化磁织构，获得各向异性纳米复合磁体。本发明制备工艺简单，易于操作，适合于大规模批量化生产。

Description

一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法
技术领域
本发明属于永磁材料制备技术领域，尤其是涉及一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法。
背景技术
永磁材料已广泛应用于电机、微波通讯、扬声器、交通运输、仪器仪表等领域，成为促进各种高新技术与新兴产业发展的重要基础。永磁材料种类较多，性能差异较大，各有优缺点，而且高技术领域对磁体综合性能要求越来越苛刻。因此，高综合性能磁体已成为目前研究的热点之一，引起了国内外研究者的广泛关注。
钕铁硼(NdFeB)永磁体是具有高磁性能和高性价比的新一代稀土永磁材料，其磁能积已得到很大的发展，最大磁能积已高达474kJ/m3。然而，内禀矫顽力较低，温度稳定性较差。重稀土元素Dy、Tb等加入是提高矫顽力和改善温度稳定性的重要方法。其可以通过合金化的方法加入，但往往伴随着磁体剩磁和磁能积的显著降低，为此，发展了晶界扩散技术，可以在保证磁性能不降低或下降很少的前提下有效提高磁体的矫顽力和温度稳定性，并降低成本。此外，其他合金元素的加入也能够起到提高矫顽力和改善温度稳定性的作用。但是，钕铁硼磁体温度稳定性的提高却一直不理想，仍然无法满足不断提高的应用需求。钐钴(SmCo)永磁体具有较高的磁能积、可靠的矫顽力和良好的温度稳定性，适合应用于高温环境中。但是，其磁能积远不如钕铁硼磁体，又因钐钴磁体价格较贵，其发展受到了较大限制。因此，需要开发新一代高综合性能永磁体。钕铁硼和钐钴磁体在性能方面具有良好的互补性，将二者复合构成复合磁体将成为制备高综合性能永磁体的新途径。纳米晶永磁体是高性能永磁体的另一重要研究方向，晶粒尺寸减小，有利于矫顽力提高，在单磁畴尺寸时矫顽力最大，而且纳米晶之间会存在交换耦合作用，产生剩磁增强效应，获得高的磁性能。因此，开发纳米晶的钕铁硼/钐钴复合永磁体将获得更高的综合磁性能。目前制备纳米晶永磁体的主要方法是快速烧结，包括热压或放电等离子烧结，需要在高真空高温条件下完成，工艺要求较高，容易形成粗晶区、氧化现象或者界面扩散，不利于后续的热变形和磁性能提高。为此，需要发展一种室温的纳米晶复合磁体成型工艺，简化工艺要求，提高生产率，降低生产成本。
针对上述问题，本发明提出基于磁场辅助和激光冲击波力效应的高压高速室温压实成型技术，再结合热变形工艺，制备致密的高性能各向异性纳米复合永磁体。相对传统的制备工艺，本发明工艺简单，相容性好，能够保持两复合永磁相的纳米晶结构，避免界面扩散，有效控制界面结构，实现纳米复合磁体的室温致密成型，获得晶粒细小均匀的高性能各向异性纳米复合永磁体。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，通过磁场辅助的激光冲击高压高速压实成型与热变形相结合的复合工艺，有效控制纳米晶组织、界面结构和磁织构，获得晶粒细小均匀、无氧化的取向纳米复合永磁体，实现高性能各向异性纳米复合永磁体的制备。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，采用磁场辅助的激光冲击高压高速压实成型技术结合热变形工艺制备高性能各向异性纳米复合永磁体；其步骤为：
S1：制备纳米晶合金复合粉末；
S2：将步骤S1中纳米晶合金复合粉末装入成型模具中，并用成型压头进行预压实；
S3：将吸收层和约束层置于成型压头上表面，然后固定在工作台上；
S4：通过激光诱导的高压冲击波力效应冲击成型压头使纳米晶合金复合粉末在辅助磁场取向作用下高速压实成型，得到复合磁体；
S5：将步骤S4中所述复合磁体进行热变形，强化磁织构，获得高性能各向异性纳米复合磁体。
进一步的，步骤S1中所述纳米晶合金复合粉末的制备过程如下：
(1)按照NdFeB合金成分配制混合原料，并将混合原料真空熔炼，然后快淬制成NdFeB合金快淬带；(2)按照SmCo合金成分配制混合原料，并将混合原料真空熔炼，然后快淬制成SmCo合金快淬带；(3)将NdFeB合金快淬带与SmCo合金快淬带分别进行高能球磨，制成NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末；(4)将NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末按比例混合，获得均匀混合的纳米晶合金复合粉末。
进一步的，步骤(1)中所述NdFeB合金成分的原子百分比为NdaRbFe100-a-b-c-dBcMd，其中12≤a+b≤16，0.1≤b≤4，5≤c≤6.5，0.1≤d≤4，R为Pr、Dy、Tb、Gd、Ho元素中的一种或几种，M为Co、Ni、Al、Ga、Cu、Sn、Mg、Zn、Si、Nb、Zr、Hf、Ti、W、V元素中的一种或几种。
进一步的，步骤(2)中所述SmCo合金为SmCo5、Sm2Co17或SmCo7型磁体。
进一步的，步骤(3)中所述NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末的质量比为1:9-9:1。
进一步的，步骤S3中所述吸收层为铝箔，约束层为K9玻璃。
进一步的，步骤S4中激光冲击的工艺参数为：激光功率密度为1-10GW/cm2，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为1-10mm，搭接率为20％-80％；所述辅助磁场强度为2-10T。
进一步的，所述热变形的工艺参数为：温度为650-1000℃，压力为50-300MPa。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，通过磁场辅助的激光冲击高压高速压实成型能够在室温条件下获得致密纳米复合磁体，保持复合硬磁相的纳米晶组织，有效抑制钕铁硼/钐钴硬磁性相间的界面反应，防止弱磁中间相的形成，而且能够避免高温氧化；辅助磁场有利于冲击成型时的硬磁相取向，获得一定的磁织构。热变形能够通过变形进一步诱导硬磁相的磁织构，强化磁取向，从而制得各向异性复合磁体；本发明可有效抑制纳米硬磁晶粒长大，避免粗晶区的形成，可以有效防止界面扩散，实现良好的磁取向，制备现有工艺难以获得的高性能各向异性纳米复合永磁体，获得磁能积和温度稳定性的良好复合，显著提高磁体磁性能和温度稳定性，满足实际应用的需求；该制备工艺过程简单，效率高，节能环保，适合于大规模批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
1)按照Nd9.5Pr4Fe80.7B5.8合金成分称量原料进行配料，将配好的混合原料进行真空熔炼，然后快淬制成Nd9.5Pr4Fe80.7B5.8合金快淬带；
2)按照SmCo5合金成分称量原料进行配料，将配好的混合原料进行真空熔炼，然后快淬制成SmCo5合金快淬带；
3)将Nd9.5Pr4Fe80.7B5.8合金快淬带与SmCo5合金快淬带分别进行高能球磨，制成相应的纳米晶合金粉末；
4)将Nd9.5Pr4Fe80.7B5.8纳米晶合金粉末与SmCo5纳米晶合金粉末按质量比9:1混合，获得均匀混合的复合粉末；
5)将复合粉末装入成型模具中，并用成型压头进行预压实；
6)将铝箔和K9玻璃置于成型压头上表面，然后固定在工作台上；
7)通过纳秒脉冲激光诱导高压冲击波冲击压头使复合粉末在2.0T磁场下高速压实成型，激光功率密度为5GW/cm2，激光脉宽为5ns，光斑直径为3mm，搭接率为50％；
8)将成型的复合磁体在1000℃，50MPa下进行热变形，强化磁织构，获得各向异性纳米复合磁体。
采用本发明制备的Nd9.5Pr4Fe80.7B5.8/SmCo5纳米复合磁体与Nd9.5Pr4Fe80.7B5.8磁体相比，矫顽力提高约9％，表明具有较好的温度稳定性。
实施例2
1)按照Nd11.9Tb0.1Fe79Co3B5Cu1合金成分称量原料进行配料，将配好的混合原料进行真空熔炼，然后快淬制成Nd11.9Tb0.1Fe79Co3B5Cu1合金快淬带；
2)按照Sm2Co17合金成分称量原料进行配料，将配好的混合原料进行真空熔炼，然后快淬制成SmCo5合金快淬带；
3)将Nd11.9Tb0.1Fe79Co3B5Cu1合金快淬带与Sm2Co17合金快淬带分别进行高能球磨，制成相应的纳米晶合金粉末；
4)将Nd11.9Tb0.1Fe79Co3B5Cu1纳米晶合金粉末与Sm2Co17纳米晶合金粉末按质量比1:9混合，获得均匀混合的复合粉末；
5)将复合粉末装入成型模具中，并用成型压头进行预压实；
6)将铝箔和K9玻璃置于成型压头上表面，然后固定在工作台上；
7)通过纳秒脉冲激光诱导高压冲击波冲击压头使复合粉末在10T磁场下高速压实成型，激光功率密度为10GW/cm2，激光脉宽为40ns，光斑直径为10mm，搭接率为20％；
8)将成型的复合磁体在650℃，300MPa下进行热变形，强化磁织构，获得各向异性纳米复合磁体。
采用本发明制备的Nd11.9Tb0.1Fe79Co3B5Cu1/Sm2Co17纳米复合磁体与Sm2Co17磁体相比，磁能积提高约7％。
实施例3
1)按照Nd15Dy1Fe77.4B6.5Nb0.1合金成分称量原料进行配料，将配好的混合原料进行真空熔炼，然后快淬制成Nd15Dy1Fe77.4B6.5Nb0.1合金快淬带；
2)按照SmCo7合金成分称量原料进行配料，将配好的混合原料进行真空熔炼，然后快淬制成SmCo7合金快淬带；
3)将Nd15Dy1Fe77.4B6.5Nb0.1合金快淬带与SmCo7合金快淬带分别进行高能球磨，制成相应的纳米晶合金粉末；
4)将Nd15Dy1Fe77.4B6.5Nb0.1纳米晶合金粉末与SmCo7纳米晶合金粉末按质量比7:3混合，获得均匀混合的复合粉末；
5)将复合粉末装入成型模具中，并用成型压头进行预压实；
6)将铝箔和K9玻璃置于成型压头上表面，然后固定在工作台上；
7)通过纳秒脉冲激光诱导高压冲击波冲击压头使复合粉末在5T磁场下高速压实成型，激光功率密度为1GW/cm2，激光脉宽为10ns，光斑直径为1mm，搭接率为80％；
8)将成型的复合磁体在800℃，100MPa下进行热变形，强化磁织构，获得各向异性纳米复合磁体。
采用本发明制备的Nd15Dy1Fe77.4B6.5Nb0.1/SmCo7纳米复合磁体与Nd15Dy1Fe77.4B6.5Nb0.1磁体相比，矫顽力提高约12％，表明具有较好的温度稳定性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，其特征在于，采用磁场辅助的激光冲击高压高速压实成型技术结合热变形工艺制备高性能各向异性纳米复合永磁体；其步骤为：
S1：(1)按照NdFeB合金成分配制混合原料，并将混合原料真空熔炼，然后快淬制成NdFeB合金快淬带；(2)按照SmCo合金成分配制混合原料，并将混合原料真空熔炼，然后快淬制成SmCo合金快淬带；(3)将NdFeB合金快淬带与SmCo合金快淬带分别进行高能球磨，制成NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末；(4)将NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末按比例混合，获得均匀混合的纳米晶合金复合粉末按照NdFeB合金成分配制混合原料，并将混合原料真空熔炼，然后快淬制成NdFeB合金快淬带；(2)按照SmCo合金成分配制混合原料，并将混合原料真空熔炼，然后快淬制成SmCo合金快淬带；(3)将NdFeB合金快淬带与SmCo合金快淬带分别进行高能球磨，制成NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末；(4)将NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末按比例混合，获得均匀混合的纳米晶合金复合粉末；
S2：将步骤S1中纳米晶合金复合粉末装入成型模具中，并用成型压头进行预压实；
S3：将吸收层铝箔和约束层K9玻璃置于成型压头上表面，然后固定在工作台上；
S4：通过激光诱导的高压冲击波力效应冲击成型压头使纳米晶合金复合粉末在辅助磁场取向作用下高速压实成型，得到复合磁体，其中激光冲击的工艺参数为：激光功率密度为1-10GW/cm2，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为1-10mm，搭接率为20％-80％；所述辅助磁场强度为2-10T；
S5：将步骤S4中所述复合磁体进行热变形，强化磁织构，获得高性能各向异性纳米复合磁体，其中热变形的工艺参数为：温度为650-1000℃，压力为50-300MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述NdFeB合金成分的原子百分比为NdaRbFe100-a-b-c-dBcMd，其中12≤a+b≤16，0.1≤b≤4，5≤c≤6.5，0.1≤d≤4，R为Pr、Dy、Tb、Gd、Ho元素中的一种或几种，M为Co、Ni、Al、Ga、Cu、Sn、Mg、Zn、Si、Nb、Zr、Hf、Ti、W、V元素中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述SmCo合金为SmCo5、Sm2Co17或SmCo7型磁体。
4.根据权利要求2所述的一种高性能各向异性纳米复合磁体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述NdFeB纳米晶合金粉末与SmCo纳米晶合金粉末的质量比为1:9-9:1。
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