CN107093516A

CN107093516A - 一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法

Info

Publication number: CN107093516A
Application number: CN201710243005.0A
Authority: CN
Inventors: 王刚; 刘红玉; 洪源; 曾德长
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2017-08-25

Abstract

本发明公开了一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，属于稀土永磁材料领域。本发明将低熔点四元合金Dy‑Ni‑Al‑Cu作为扩散源，将其熔炼制备成速凝薄带，经粗破碎后铺在钕铁硼磁体的周围，然后采用热处理的方法使其沿晶界扩散进入磁体内部。经过本发明的处理后，扩散磁体的矫顽力得到大幅度提升，并且磁能积得到一定程度的提高；同时，因为扩散处理的温度低，可以减少能耗，降低成本，并阻止Nd₂Fe₁₄B晶粒的长大；相对于涂覆和磁控溅射的方法，本发明省去了涂覆工艺中制粉和涂覆的过程以及磁控溅射工艺中制备薄膜的过程。经过本发明的工艺处理后，最终得到高矫顽力高热稳定的钕铁硼磁体。

Description

一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法

技术领域

本发明属于稀土永磁材料领域，具体涉及一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法。

技术背景

烧结钕铁硼磁体因为具有优异的磁性能，被广泛应用于航空航天、信息通讯、交通医疗、能源等领域，随着混合动力汽车和风力发电等行业的迅速发展，对钕铁硼磁体的高温磁性能提出了更高的要求，特别是在高温下的矫顽力。提高钕铁硼磁体矫顽力的传统方法是在熔炼过程中直接添加重稀土元素Dy，但是直接添加重稀土元素使整个2:14:1主相颗粒都存在Dy元素，对Dy元素的需求量比较大，而Dy在自然界的存储非常少，价格比较昂贵，增加了磁体成本。另一方面，因为重稀土Dy与Fe属于反铁磁性耦合，这些元素的添加会大大降低磁体的剩磁。

烧结钕铁硼的矫顽力机制为形核机制，即反磁化畴会优先在晶界缺陷处形核长大。这表明烧结钕铁硼磁体的矫顽力主要由主相晶粒边界层及其与晶界相界面处的反磁化畴形核场所决定。近年来的研究表明，在烧结钕铁硼磁体的表面附有一层含Dy等重稀土元素的合金或化合物，并经过合适的热处理后，磁体表面的重稀土元素Dy会通过晶界相进入磁体的内部，从晶界向Nd₂Fe₁₄B主相内部扩散，并分布在主相晶粒边缘，重构晶界区域的成分和结构，形成清晰、连续的晶界相，可以增加主相晶粒间的去磁耦合作用；进入主相晶粒边缘的重稀土元素Dy，形成含Dy的硬壳层，提高晶界相反磁化畴的形核场；这样处理会使磁体矫顽力明显提高而剩磁不降低或降低很少，这种技术称为晶界扩散技术。

晶界扩散的扩散源材料有Dy/Tb纯金属、Dy/Tb的氧化物或氟化物、含重稀土的二元合金或三元合金。但是这些扩散源材料会使Dy元素进入主相晶粒内部从而很大程度的降低剩磁和磁能积。另外，目前晶界扩散常用的是涂覆、溅射、沉积和粘覆的方式使重稀土化合物或重稀土金属附着并沿晶界扩散到磁体内部。使用磁控溅射的方法处理后重稀土元素可以有效分布于晶界周围，明显提高磁体的矫顽力，但是该方法存在生产效率低、成本高、批量生产难度大以及设备投入大等弊端。国内外有多个文献报道利用Dy的氟化物和氧化物涂覆在磁体表面进行晶界扩散的研究，使矫顽力得到大幅度提高，但是该种方法处理的磁体需要在高温(850～1000℃)进行扩散，容易导致Nd₂Fe₁₄B晶粒长大。同时，表面涂覆和粘覆的工艺存在附着物不够致密牢固，在后续的操作中容易脱落等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法。

本发明主要利用熔点在700℃左右的四元合金Dy-Ni-Al-Cu，在扩散过程中融化成液相包覆在钕铁硼磁体的表面，Dy在液相中的扩散速率快，因此可以增加扩散深度，由于Ni、Al和Cu元素的添加，使Dy元素并没有大量进入主相晶粒内部。本发明直接将速凝薄片粗破碎后作为钕铁硼磁体的扩散源，省去表面附着和磁控溅射的繁琐工艺，工艺简单便于批量化。因为扩散源熔点低，扩散温度相对低，能耗低，节省能源；同时，扩散温度低可以阻止Nd₂Fe₁₄B晶粒的长大。

本发明通过以下技术方案实现。

一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，该方法将Dy-Ni-Al-Cu合金速凝薄带微破碎后作为钕铁硼磁体的扩散源，再将扩散源铺在钕铁硼磁体的周围，在高纯氩气的保护下进行扩散热处理和回火处理。

优选的，该方法包括以下步骤：

(1)制备含重稀土的低熔点合金作为扩散源；

(2)将步骤(1)所得扩散源甩带、粗破碎；

(3)将钕铁硼磁体浸没在步骤(2)所得的扩散源中，放入石英管内，经多次氩洗，充入高纯氩气进行封管处理后，加热到Dy-Ni-Al-Cu合金熔点以上，进行扩散热处理；

(4)将步骤(3)经扩散热处理后的样品进行回火处理。

进一步优选的，步骤(1)所述的扩散源为Dy-Ni-Al-Cu合金。

进一步优选的，所述的Dy-Ni-Al-Cu合金中Dy原子百分含量为55～75％，更优选为60％。

进一步优选的，步骤(2)所述的扩散源为快淬带材，经粗破碎后粒径为200～800微米，更优选为～500微米。

进一步优选的，步骤(3)所述扩散热处理的温度为700～850℃，时间为1～5h。

进一步优选的，步骤(3)所述的钕铁硼磁体是烧结态或烧结后经回火处理的钕铁硼磁体。

进一步优选的，步骤(3)所述的扩散热处理是将钕铁硼磁体和扩散源放入石英管中封管后，放入热处理炉中进行扩散处理。

进一步优选的，步骤(3)所述氩洗的次数为两次。

进一步优选的，步骤(4)所述回火处理的温度为450～600℃，时间为1～3h。

进一步优选的，该方法具体工艺步骤如下：

(1)根据需要设计Dy-Ni-Al-Cu合金成分，制备Dy-Ni-Al-Cu合金；Dy原子百分比含量60％；

(2)将钕铁硼磁体经过线切割切成φ3×6mm圆柱体，用砂纸打磨并用酒精超声波清洗；

(3)将步骤(1)中的合金铸锭去除表面氧化皮，利用熔体快淬设备制备速凝薄带，将速凝薄带粗破碎后和步骤(2)的磁体一起放入石英管中进行氩洗、封管；

(4)将步骤(3)中的样品放入热处理炉中进行扩散热处理，扩散温度700～850℃，时间1～5h；

(5)将步骤(4)中扩散热处理后的样品进行回火热处理，回火温度450～600℃，时间1～3h。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明将扩散源合金制备成速凝薄带粗破碎后直接覆盖在磁体的周围，省去了研磨成细粉、制成浆料和悬浮液涂覆的过程。

2.本发明使用的扩散源合金为低熔点合金，扩散温度低，扩散能耗小。在扩散过程中扩散源合金为液相，增加Dy元素的扩散速率，从而在扩散过程中达到更大的扩散深度。

3.扩散源合金中的元素都对磁体矫顽力和热稳定性提高起到有利的作用。其中，Cu和Al元素可以提高晶界相的润湿性，从而提高矫顽力；Ni元素可以提高磁体的居里温度；Dy元素在主相边缘形成富Dy的(Nd,Dy)₂Fe₁₄B相，提高反磁化畴的形核场，从而提高矫顽力。

4.Dy-Ni-Al-Cu四元合金作为扩散源，由于Ni、Al和Cu的添加，保证剩磁只有少量降低，而矫顽力能够得到大幅提高。

附图说明

图1为牌号48H的烧结钕铁硼磁体晶界扩散Dy₆₀Ni₁₀Cu₂₀Al₁₀(at.％)合金前后矫顽力随温度的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合实例与附图对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明所用的烧结钕铁硼磁体来源于工业生产一线，磁体均为同一批次，同一牌号48H。

Dy₆₀Ni₁₀Cu₂₀Al₁₀扩散源合金材料的制备：

根据成分配比，Dy₆₀Ni₁₀Cu₂₀Al₁₀(at.％)称取纯度大于99.9％的Dy、Ni、Cu和Al纯金属，将原材料分别放入电弧炉中熔炼，抽真空至5×10^-3Pa,为保证其成分的均匀性，每个铸锭熔炼4次，将熔炼后的铸锭去掉表面氧化皮，然后剪成4g的块体放入熔体快淬设备中，抽真空至8×10^-4Pa,制备速凝薄带，最后将速凝薄带粗破碎至粒径为500μm，得Dy₆₀Ni₁₀Cu₂₀Al₁₀扩散源合金材料。

实施例1：

(1)将尺寸为φ3×6mm的烧结态钕铁硼磁体用砂纸打磨掉表面氧化皮，并用酒精超声波清洗；

(2)将步骤(1)的样品与Dy₆₀Ni₁₀Cu₂₀Al₁₀扩散源合金材料放入石英管中，保证磁体被扩散源材料包裹，进行两次氩洗后封管处理；

(3)将步骤(2)中的样品在700℃扩散热处理5h，随后450℃回火1h。

实施例2：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)将步骤(2)中的样品在710℃扩散热处理3h，随后500℃回火1h。

实施例3：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)将步骤(2)中的样品在730℃扩散热处理4h，随后500℃回火1h。

实施例4：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)将步骤(2)中的样品在750℃扩散热处理2h，随后500℃回火2h。

实施例5：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)同实施例1步骤(2)；

(3)将步骤(2)中的样品在850℃扩散处理1h，随后600℃回火3h。

对比例

该对比例为未经扩散处理的烧结态钕铁硼磁体。

表1是各个实施例与对比例所得的钕铁硼磁体的磁性能对照表。

表1

从表1测试结果可以看出：与原始烧结态钕铁硼磁体相比，经本发明的晶界扩散工艺制备的烧结钕铁硼磁体在剩磁(J_r)只有少量降低的情况下，矫顽力(H_cj)有大幅度提升。而传统的直接添加重稀土元素的方式都是以牺牲剩磁为代价的，本发明在一定程度上解决了磁体高矫顽力与高剩磁和高磁能积不可兼得的情况。

同时，从图1可以直观的看出，扩散后磁体和原始磁体的矫顽力都随温度的升高而降低，但是扩散后磁体的矫顽力总是高于原始磁体，并且扩散磁体的矫顽力稳定系数为-0.585％K^-1，其绝对值小于烧结态钕铁硼磁体的矫顽力温度系数绝对值。通过对比实施例3和对比例可知，本发明晶界扩散Dy-Ni-Al-Cu合金可以提高钕铁硼磁体的热稳定性。

Claims

1.一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，该方法将Dy-Ni-Al-Cu合金速凝薄带微破碎后作为钕铁硼磁体的扩散源，再将扩散源铺在钕铁硼磁体的周围，在高纯氩气的保护下进行扩散热处理和回火处理。

2.根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备含重稀土的低熔点合金作为扩散源；

（2）将步骤（1）所得扩散源甩带、粗破碎；

（3）将钕铁硼磁体浸没在步骤（2）所得的扩散源中，放入石英管内，经多次氩洗，充入高纯氩气进行封管处理后，加热到Dy-Ni-Al-Cu合金熔点以上，进行扩散热处理；

（4）将步骤（3）经扩散热处理后的样品进行回火处理。

3.根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，步骤（1）所述的扩散源为Dy-Ni-Al-Cu合金。

4.根据权利要求3所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，所述的Dy-Ni-Al-Cu合金中Dy原子百分含量为55~75%。

5.根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，步骤（2）所述的扩散源为快淬带材，经粗破碎后粒径为200~800微米。

6. 根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，特征在于，步骤（3）所述扩散热处理的温度为700~850℃，时间为1~5 h。

7.根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，特征在于，步骤（3）所述的钕铁硼磁体是烧结态或烧结后经回火处理的钕铁硼磁体。

8.根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，步骤（3）所述的扩散热处理是将钕铁硼磁体和扩散源放入石英管中封管后，放入热处理炉中进行扩散处理。

9.根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，步骤（3）所述氩洗的次数为两次。

10. 根据权利要求1所述的一种提高钕铁硼磁体矫顽力和热稳定性的晶界扩散方法，其特征在于，步骤（4）所述回火处理的温度为450~600℃，时间为1~3 h。