CN107452456B - 一种高强度高韧性永磁体及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高韧性永磁体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于永磁材料技术领域，涉及一种高强度高韧性永磁体及其制备方法。该永磁体的粉末原料包括钕铁硼合金快淬粉末和镀铜石墨烯；所述钕铁硼合金快淬粉末的化学式按质量百分比表示为：(RexRe’100‑x)aFe100‑a‑b‑cBbTMc，其中，50≤x≤100，26≤a≤35，0.7≤b≤1.1，0.5≤c≤5；Re为Nd和/或Pr；Re’为Y、La、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种；所述镀铜石墨烯为钕铁硼合金快淬粉末重量的0.1％～5％。永磁体的抗弯强度大于400MPa，冲击韧性大于52J/cm2，最大磁能积大于40MGsOe。本发明的永磁体抗弯强度和冲击韧性比未添加表面镀铜石墨烯的磁粉制备的相应磁体分别提高了65％和60％以上。

Description

一种高强度高韧性永磁体及其制备方法
技术领域
本发明属于永磁材料技术领域，特别涉及一种高强度高韧性永磁体及其制备方法。
背景技术
近年来，随着钕铁硼永磁体的发展，使结构简单、功率因数高、起动转矩大的钕铁硼永磁同步电动机广泛应用于各个领域。但是，由于大量金属钕的应用，其成本仍然偏高。但是，钕铁硼永磁体中主相Nd2Fe14B的晶体结构为四方晶系，其滑移系少、磁晶各向异性、以及晶界相本身性能较低等原因，其强度和韧性等力学性能非常低，这一问题限制了永磁体在高速电机、伺服电机等高端领域的应用。因此，开发一种高强度高韧性的永磁体，对我国稀土永磁材料的开发应用具有十分重要意义。
石墨烯作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。将石墨烯添加到脆性的钕铁硼磁体中，将会大幅度提高永磁体的力学性能。中国发明专利申请CN103646777A“一种晶界纳米复合强化钕铁硼磁体的制备方法”，将石墨烯直接与晶界相合金粉末混合，以便增强晶界相合金，进而提高钕铁硼磁体的强韧性。中国发明专利申请CN104841927A“高耐蚀性、高耐候性稀土永磁材料的制备方法”，直接将石墨烯混入磁粉中，制成磁体，用以提高磁体的耐蚀性和耐候性。但是石墨烯极易与磁体中的合金元素反应，产生碳化物，很难在磁体中以石墨烯的形式存在。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种高强度高韧性永磁体及其制备方法，在永磁体中加入石墨烯并保持其形态，使该永磁体在保持原有优越磁性能的基础上，力学性能大幅度提高。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种高强度高韧性永磁体，该永磁体的粉末原料包括钕铁硼合金快淬粉末和镀铜石墨烯；
所述钕铁硼合金快淬粉末的化学式按质量百分比表示为：(RexRe’100-x)aFe100-a-b- cBbTMc，其中，50≤x≤100，26≤a≤35，0.7≤b≤1.1，0.5≤c≤5；Re为Nd和/或Pr；Re’为La、Ce、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种；
所述镀铜石墨烯为钕铁硼合金快淬粉末重量的0.1％～5％。
所述高强度高韧性永磁体采用镀铜石墨烯均匀分散于无水乙醇中，再与钕铁硼合金快淬粉末混合均匀，经干燥、热压成型和热变形工艺制备。
所述高强度高韧性永磁体的抗弯强度大于400MPa，冲击韧性大于52J/cm2，最大磁能积大于40MGsOe。
本发明提供一种制备高强度高韧性永磁体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)原料准备
制备镀铜石墨烯，并按照化学式(RexRe’100-x)aFe100-a-b-cBbTMc制备钕铁硼合金快淬粉末，其中，x、a、b、c为质量百分比，50≤x≤100，26≤a≤35，0.7≤b≤1.1，0.5≤c≤5；Re为Nd和/或Pr；Re’为La、Ce、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种；
(2)原料混合干燥
将镀铜石墨烯均匀分散于无水乙醇中，得到镀铜石墨烯乙醇溶液；再将钕铁硼合金快淬粉末镀铜石墨烯乙醇溶液混合均匀；进行真空干燥，获得钕铁硼合金快淬粉末与镀铜石墨烯混合粉体；
其中，镀铜石墨烯为钕铁硼合金快淬粉末重量的0.1％～5％；
(3)热压热变形
将钕铁硼合金快淬粉与镀铜石墨烯混合粉体进行热压成型，然后热变形制备获得高强度高韧性永磁体。
所述镀铜石墨烯的制备方法如下：
将石墨烯均匀分散在含有铜离子和还原剂的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤后分离。
所述镀液中铜离子来自硫酸铜、氯化铜或硝酸铜，还原剂为甲醛。
所述热压热变形步骤为，在530～580℃真空热压成型，在830～880℃热流变成型，变形量大于70％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、在本发明中使用镀铜石墨烯改性永磁体，不仅可以提高磁体的力学性能，同时保持其高的磁性能。
2、本发明在提高力学性能的同时，充分发挥Nd-Fe-B磁体的优异磁性能，通过改变镀铜石墨烯的掺杂量，实现永磁体力学性能的可调控性，可制备出高韧性、高强度的钕铁硼永磁合金，抗弯强度≥400MPa，冲击韧性≥52J/cm2，最大磁能积(BH)max≥40MGsOe。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
本发明提供了一种含石墨烯的高强度高韧性永磁体，采用粉末冶金方法制备而成，该永磁体的粉末原料包括钕铁硼合金粉末和镀铜石墨烯；
所述钕铁硼合金快淬粉末的化学成分按质量百分比表示为：稀土金属26～35％，B0.7～1.1％，其它金属TM 0.5～5％，其余为Fe；稀土金属中Nd和/或Pr占总稀土金属的质量百分比为50％～100％，其它稀土金属为La、Ce、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种稀土元素；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种过渡族元素；所述镀铜石墨烯为钕铁硼合金粉末总重量的0.1％～5％。
所述高强度高韧性磁体的抗弯强度大于400MPa，冲击韧性大于52J/cm2，最大磁能积大于40MGsOe；永磁体的抗弯强度和冲击韧性比未添加镀铜石墨烯的永磁体分别提高了65％和60％以上。
一种高强度高韧性永磁体的制备方法，包括下述步骤：
1)将适量的石墨烯均匀分散在含有铜离子和还原剂的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤，最后分离；并按照质量百分比化学式(RexRe’100-x)aFe100-a-b-cBbTMc制备钕铁硼合金快淬粉末，其中，50≤x≤100，26≤a≤35，0.7≤b≤1.1，0.5≤c≤5；Re为Nd和/或Pr；Re’为La、Ce、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种；
2)将所得镀铜石墨烯均匀分散于无水乙醇中；将镀铜石墨烯乙醇溶液与钕铁硼合金快淬粉混合均匀，进行真空干燥，获得钕铁硼合金快淬粉与镀铜石墨烯混合粉体；
3)将钕铁硼合金快淬粉与镀铜石墨烯混合粉体进行热压成型，然后热变形制备高强度高韧性永磁体。
为了使石墨烯在成型后仍然在磁体中保持石墨烯的形式，我们对石墨烯进行了表面化学镀铜处理，镀铜石墨烯与磁体之间有铜界面，避免了石墨烯与钕铁硼磁体的化学反应，从而保持石墨烯形式，达到提高钕铁硼磁体力学性能的目的。
实施例1
采用本发明的制备方法制备一种铈磁体永磁合金，实施例1中钕铁硼合金快淬粉的成分按照百分比为Nd29Fe69.2Co1B0.8，首先，将适量的石墨烯均匀分散在含有硫酸铜和甲醛的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤，最后分离干燥，将所得镀铜石墨烯0.02g均匀分散于无水乙醇中，加入比例为钕铁硼快淬粉质量的0.1wt％，与钕铁硼快淬粉均匀混合，真空干燥，然后进行550℃真空热压成型，接着进行850℃热流变成型，变形量大于70％。
在上述制备工艺条件下，所制备的高强度高韧性永磁合金的最大磁能积48MGsOe，抗弯强度为401MPa，冲击韧性为52.2J/cm2。
实施例2
采用本发明的制备方法制备一种铈磁体永磁合金，实施例2中钕铁硼合金快淬粉的成分按照百分比为Nd23Ce6Fe69.2Co1B0.8，首先，将适量的石墨烯均匀分散在含有硝酸铜和甲醛的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤，最后分离干燥，将所得镀铜石墨烯1g均匀分散于无水乙醇中，加入比例为钕铁硼快淬粉质量的5wt％，与钕铁硼快淬粉均匀混合，真空干燥，然后进行580℃真空热压成型，接着进行850℃热流变成型，变形量大于70％。
在上述制备工艺条件下，所制备的高强度高韧性永磁合金的最大磁能积40.1MGsOe，抗弯强度为426MPa，冲击韧性为54J/cm2。
实施例3
采用本发明的制备方法制备一种铈磁体永磁合金，实施例1中钕铁硼合金快淬粉的成分按照百分比为Pr29Fe68.7Co0.5Cu0.5Al0.5B0.8，首先，将适量的石墨烯均匀分散在含有硫酸铜和甲醛的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤，最后分离干燥，将所得镀铜石墨烯0.02g均匀分散于无水乙醇中，加入比例为钕铁硼快淬粉质量的0.1wt％，与钕铁硼快淬粉均匀混合，真空干燥，然后进行550℃真空热压成型，接着进行880℃热流变成型，变形量大于70％。
在上述制备工艺条件下，所制备的高强度高韧性永磁合金的最大磁能积49.4MGsOe，抗弯强度为402MPa，冲击韧性为52J/cm2。
实施例4
采用本发明的制备方法制备一种铈磁体永磁合金，实施例2中钕铁硼合金快淬粉的成分按照百分比为Pr12Nd12La3Ce3Dy1Fe69.2Co0.5Ga0.5B0.8，首先，将适量的石墨烯均匀分散在含有硝酸铜和甲醛的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤，最后分离干燥，将所得镀铜石墨烯1g均匀分散于无水乙醇中，加入比例为钕铁硼快淬粉质量的5wt％，与钕铁硼快淬粉均匀混合，真空干燥，然后进行530℃真空热压成型，接着进行830℃热流变成型，变形量大于70％。
在上述制备工艺条件下，所制备的高强度高韧性永磁合金的最大磁能积42.1MGsOe，抗弯强度为424MPa，冲击韧性为55J/cm2。
为了说明的简要，不再赘述其他实施例，虽然在实施例中仅描述了一部分实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，本发明不限于在此描述的实施例，例如，本发明的永磁合金的制备方法可以使用不同的镀液，只要能够满足相同的效果即可，这些改变均包括在本发明的范围内。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (5)

1.一种高强度高韧性永磁体，其特征在于：该永磁体的粉末原料包括钕铁硼合金快淬粉末和镀铜石墨烯；
所述钕铁硼合金快淬粉末的化学式按质量百分比表示为：(RexRe’100-x)aFe100-a-b- cBbTMc，其中，50≤x≤100，26≤a≤35，0.7≤b≤1.1，0.5≤c≤5；Re为Nd和/或Pr；Re’为La、Ce、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种；
所述镀铜石墨烯为钕铁硼合金快淬粉末重量的0.1％～5％；所述高强度高韧性永磁体采用镀铜石墨烯均匀分散于无水乙醇中，再与钕铁硼合金快淬粉末混合均匀，经干燥、热压成型和热变形工艺制备；所述高强度高韧性永磁体的抗弯强度大于400MPa，冲击韧性大于52J/cm2，最大磁能积大于40MGsOe。
2.一种制备权利要求1所述的高强度高韧性永磁体的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)原料准备
制备镀铜石墨烯，并按照化学式(RexRe’100-x)aFe100-a-b-cBbTMc制备钕铁硼合金快淬粉末，其中，x、a、b、c为质量百分比，50≤x≤100，26≤a≤35，0.7≤b≤1.1，0.5≤c≤5；Re为Nd和/或Pr；Re’为La、Ce、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；TM为Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种；
(2)原料混合干燥
将镀铜石墨烯均匀分散于无水乙醇中，得到镀铜石墨烯乙醇溶液；再将钕铁硼合金快淬粉末镀铜石墨烯乙醇溶液混合均匀；进行真空干燥，获得钕铁硼合金快淬粉末与镀铜石墨烯混合粉体；
其中，镀铜石墨烯为钕铁硼合金快淬粉末重量的0.1％～5％；
(3)热压热变形
将钕铁硼合金快淬粉与镀铜石墨烯混合粉体进行热压成型，然后热变形制备获得高强度高韧性永磁体。
3.根据权利要求2所述的高强度高韧性永磁体的制备方法，其特征在于：所述镀铜石墨烯的制备方法如下：
将石墨烯均匀分散在含有铜离子和还原剂的镀液中，不断搅拌，反应20-40分钟，然后分离，用去离子水和无水乙醇混合液多次洗涤后分离。
4.根据权利要求3所述的高强度高韧性永磁体的制备方法，其特征在于：所述镀液中铜离子来自硫酸铜、氯化铜或硝酸铜，还原剂为甲醛。
5.根据权利要求2所述的高强度高韧性永磁体的制备方法，其特征在于：所述热压热变形步骤为，在530～580℃真空热压成型，在830～880℃热流变成型，变形量大于70％。
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