CN107546025B

CN107546025B - 一种剪切力热变形模具和钕铁硼磁体的制备方法

Info

Publication number: CN107546025B
Application number: CN201710558143.8A
Authority: CN
Inventors: 路清梅; 钮建; 岳明; 李玉卿; 徐云鹏; 刘卫强; 张东涛
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: CN107546025A; WO2019010824A1

Abstract

一种剪切力热变形模具和钕铁硼磁体的制备方法，属于稀土永磁领域。本发明设计一套特殊模具，所述的剪切力的获得在于样品与模具接触面有一定的角度，通过调节角度的大小来控制剪切力大小。本发明使用快淬粉装入模具使用放电等离子烧结系统(SPS)，通过控制烧结条件，制备出致密的高变形量的热变形磁体。本发明极大通过添加剪切力极大促进钕铁硼磁体进行变形，提高变形效率，提高磁性能。

Description

一种剪切力热变形模具和钕铁硼磁体的制备方法

技术领域

本专利发明了一种添加剪切力热变形模具和钕铁硼磁体的制备方法，属于稀土永磁领域。

背景技术

1984年，日本和美国科研人员分别使用粉末冶金法和快淬法制备了具有四方结构的钕铁硼(2:14:1)永磁体，从而宣告了第三代稀土永磁材料的诞生。时至今日，钕铁硼永磁体仍是性能最好的永磁体，被誉为“磁王”。

作为第三代稀土永磁体的钕铁硼磁体具有很高的性能、高的磁能积及性价比等优点，被广泛应用在机械、信息、能源、交通等众多领域，已成为现代工业和科学技术的支撑材料之一。2015年全球高性能钕铁硼需求约5.3万吨，预计到2020年行业需求将达到9.5为万吨，复合增速为13％，超过400亿元市场规模。

最大磁能积是衡量磁性材料磁性能优劣重要指标之一。Nd₂Fe₁₄B化合物具有很强的单轴各向异性，在以Nd₂Fe₁₄B为基体的化合物永磁材料中，当Nd₂Fe₁₄B晶粒混乱取向时为各向同性，它的剩磁只有饱和磁化强度的一半即：Br＝0.5Js，最大磁能积的理论值为：(BH)max ＝0.125(Js)²；当Nd₂Fe₁₄B晶粒有c轴规则取向时为各向异性，在理想情况下，它的剩磁接近饱和磁化强度即Jr≈Js，其最大磁能积理论值为：(BH)max＝0.25(Js)²。因此，各向异性钕铁硼磁体具有更高的磁能积。

制造各向异性永磁体的方法有传统的粉末冶金法和热变形法两种方法。热变形法又包括：铸造-热变形和粉末-致密化-热变形法两种，其中粉末可以是快淬粉末、氢爆(HDDR)粉末、机械合金化粉末等。其中使用的最多的为快淬磁粉，目前快淬粉末热变形各向异性永磁体的磁性能已达到剩磁：Br＝1.492T，矫顽力：Hcj＝1004kA/m，最大磁能积：(BH)max＝400kJ/m³。热变形法已成为制造Nd-Fe-B系各向异性材料的重要工艺手段之一。

钕铁硼热变形源于塑性变形、晶界滑移以及晶界迁移组合。在热变形过程中晶体重新构成其形态，也带动改变其晶粒取向与磁畴分布。目前所有的热变形钕铁硼磁体的专利有很多如专利CN102744406A、CN104103414A、CN105869876A等，这些方法都是在正压力的情况下完成的，想获得大变形量磁体往往需要提高温度，提高温度晶粒会长大，降低磁性能。在不提高温度的情况下，想获得大变形变形量的磁体较为困难。

在镁铝合金板材轧制过程中发现，由于剪切力的存在，变形过程会更容易，极大的提高生产效率。因此，本发明设计了一种引入剪切力的新型热变形模具，并基于该模具发明了一种热变形钕铁硼磁体的制备方法，具体是使用具有一定倾斜角度的模具，在变形过程中引入一定的剪切力，从而更易于获得大变形量、优异织构和优良性能的钕铁硼磁体。

发明内容

本发明根据实验需要设计一种特殊模具，具有斜压力的石墨模具：包括具有空腔的外壳、与工件两端面接触的上下压力模，工件两端面接触的上下压力模的端面为斜平面，斜面上有凹槽，使用时把样品放置于上下压头的凹槽内。

在钕铁硼变形过程中通过添加剪切力，更加容易获得大变形量的钕铁硼磁体，从而获得更具有优良的磁性能。本发明首先将钕铁硼粉末装入模具中，通过放电等离子烧结获得各向同性的热压磁体，把热压磁体打磨干净之后放入直径更大的模具中做变形，通过控制模具压头的倾斜角度，获得不同大小的剪切力，从而获得具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体。

为了达到上述目的，获得具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体的具体方法如下：

第一步，将准备好的钕铁硼快淬粉装入模具中，放入放电等离子烧结炉中，使用合适的温度、压力进行热压烧结，得到各向同性的热压磁体；

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出两端面为平行的斜面的斜柱体，斜端面与正端面之间的夹角为θ，正端面为垂直轴的端面，0°＜θ＜45°，优选0°＜θ＜ 20°，进一步优选θ＝15°；

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入具有剪切力热变形模具中，使用放电等离子烧结，使用合适的温度、压力对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体。

上述步骤一，根据快淬粉成分选择合适的温度，烧结温度一般为550～750℃，升温速率为30～150℃/min，压力为10～500MPa，保温时间为1～10min。

上述步骤三中，变形烧结温度一般为650～850℃，升温速率为30～120℃/min，压力为 10～100MPa，保温时间为1～10min。

通过调节角度的大小来控制剪切力大小，放电等离子烧结时需要采用加压烧结，压力为10～500MPa，加压方式为先预压到一定压力，然后在烧结过程中逐渐加到设定压力；卸压方式为：烧结结束，温度降至100℃后逐渐卸压。

一种具有剪切力热变形模具，其特征在于，具有斜压力，包括具有通孔空腔的外壳、与工件两端面接触的上下压力模，与工件两端面接触的上下压力模的端面为斜平面，使用时上下压力模位于外壳的空腔内，工件位于空腔内上下压力模之间。

具有剪切力热变形模具可以是石墨或硬质合金材质，外壳高度为10-150mm，可以根据需要选择最优高度。

与工件两端面接触的上下压力模的端面为斜平面，斜平面与轴垂直截面的夹角即斜面角度θ：0＜θ＜45°，最好为：0＜θ＜20°。

上下压力模的斜端面中心均设计一定高度的凹槽，凹槽直径根据工件样品的接触端面平行且匹配(工件样品的接触端面正好位于凹槽内)，高度可以为0-3mm，最好为1mm；下凹槽的底面或上凹槽的顶面与各所在的斜端面平行；

模具外壳上设有测温孔(插热电偶)，孔位置位于外壳外侧中间，孔深度为h:5mm＜h＜ (d-5)mm，d为空腔直径。

获得的磁体表面打磨后进行物相分析和磁性能测试。物相分析采用X射线衍射分析仪进行物相测试，磁性能测试采用VersaLab系统型振动样品磁强计(VSM)进行。

本发明在热变形中加入横向剪切力分量，这种分作用力对组织构成的影响能对Nd-Fe-B 复合纳米磁体的磁性能起到作用，更能促进钕铁硼晶体晶界滑移和晶界迁移，剪切力对变形钕铁硼磁体织构、各向异性及磁性能的有很大的促进作用，提高变形效率，提高磁性能。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为特殊模具示意图及受力分析图；

1.模具外壳；2.上下压力模；3.热电偶测温孔；4.凹槽

图2为特殊模具实物图；

图3为不同梯度热变形磁体磁滞回线；

图4为不同梯度热变形磁体XRD图。

具体实施方式

由于本实验室对钕铁硼变形有了大量的经验，使用商用钕铁硼快淬粉F粉，装入

的硬质合金模具，使用本实验室最优的热压温度得到热压磁体，选取最优的热变形温度及变形量进行变形得到各向异性的热变形磁体。

实施例1：

一种0°倾角热变形磁体制备，按以下步骤实施：

第一步，将准备好的商用F粉装入

的硬质合金模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，得到各向同性的热压磁体。具体烧结工艺为：升温速率50～80℃/min，烧结温度650℃并保温3分钟，压力为300MPa。

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出0°角度，得到需要的圆柱体。

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入0°的石墨模具中，使用放电等离子烧结，使用合适的温度压力对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体。具体烧结工艺为：升温速率50～80℃/min，烧结温度700℃并保温3分钟，变形量为70％，压力为50MPa。

实施例2：

一种5°倾角热变形磁体制备，按以下步骤实施：

第一步，将准备好的商用F粉装入

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出5°角度，得到需要的圆柱体。

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入5°的石墨模具中，使用放电等离子烧结，使用合适的温度压力对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体。具体烧结工艺为：升温速率50～80℃/min，烧结温度700℃并保温3分钟，变形量为70％，压力为50MPa。

实施例3：

一种10°倾角热变形磁体制备，按以下步骤实施：

第一步，将准备好的商用F粉装入

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出10°角度，得到需要的圆柱体。

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入10°的石墨模具中，使用放电等离子烧结，使用合适的温度压力对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体。具体烧结工艺为：升温速率50～80℃/min，烧结温度700℃并保温3分钟，变形量为70％，压力为50MPa。

实施例4：

一种15°倾角热变形磁体制备，按以下步骤实施：

第一步，将准备好的商用F粉装入

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出15°角度，得到需要的圆柱体。

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入15°的石墨模具中，使用放电等离子烧结，使用合适的温度压力对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体。具体烧结工艺为：升温速率50～80℃/min，烧结温度700℃并保温3分钟，变形量为70％，压力为50MPa。

实施例5：

一种20°倾角热变形磁体制备，按以下步骤实施：

第一步，将准备好的商用F粉装入

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出20°角度，得到需要的圆柱体。

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入20°的石墨模具中，使用放电等离子烧结，使用合适的温度压力对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体。具体烧结工艺为：升温速率50～80℃/min，烧结温度700℃并保温3分钟，变形量为70％，压力为50MPa。

性能测试

使用VersaLab系统型振动样品磁强计(VSM)进行测试以上实施例制得钕铁硼热变形磁体，测试室温下磁滞回线，磁滞回线如图3所示，热压磁体性能如表1所示：

表1.(La_x/Ce_1-x)_yFe₁₄B磁体的磁性能

从表1 可知，随着倾角度的增大，热变形磁体的磁性能逐渐增大。图4为不同剪切力下热变形磁体XRD图，XRD图中I₀₀₆/I₁₀₅的比值的大小可以表示磁体织构度的优劣，比值越大织构越好，各向异性就越明显，随着模具角度的逐渐增大，I₀₀₆/I₁₀₅的比值也逐步增大，磁体各向异性就越明显，这说明添加剪切力有利于钕铁硼磁体变形。

以上实例仅为本发明的优选实例而已，由于热压磁体较脆，在切出角度时尖端部分比较断，本专利没有给出实施例，等以后解决热压磁体断裂问题，大角度的部分还会继续实验。本专利实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，并不用于限制本发明。本行业的技术人员和科研人员应该了解，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的精神和原则范围内，任何修改等同于替换、改进等，这些变化都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种制备具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将准备好的钕铁硼快淬粉装入模具中，放入放电等离子烧结炉中，进行热压烧结，得到各向同性的热压磁体，烧结温度为550～750℃，升温速率为30～150℃/min，压力为10～500MPa，保温时间为1～10min；

第二步，将第一步得到的磁体取出，利用线切割直接切出两端面为平行的斜面的斜柱体，斜端面与正端面之间的夹角为θ，正端面为垂直轴的端面，0°＜θ＜45°；与工件两端面接触的上下压力模的端面为斜平面，斜平面与轴垂直截面的夹角即斜面角度θ：0＜θ＜45°，上下压力模的斜端面中心均设计凹槽，凹槽直径根据工件样品的接触端面平行且匹配，工件样品的接触端面正好位于凹槽内，下凹槽的底面或上凹槽的顶面与各所在的斜端面平行；其中所述凹槽的外径小于所述各所在的斜端面外径；

第三步，去除斜柱体表面的杂质，装入具有剪切力热变形模具中，使用放电等离子烧结，对热压磁体进行变形，得到各向异性的热变形磁体，变形烧结温度为650～850℃，升温速率为30～120℃/min，压力为10～100MPa，保温时间为1～10min；其中具有剪切力热变形模具，具有斜压力，包括具有通孔空腔的外壳、与工件两端面接触的上下压力模，使用时上下压力模位于外壳的空腔内，工件位于空腔内上下压力模之间；

2.按照权利要求1所述的一种制备具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体的方法，其特征在于，具有剪切力热变形模具是石墨或硬质合金材质，外壳高度为10-150mm。

3.按照权利要求2所述的一种制备具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体的方法，其特征在于，凹槽高度为0-3mm。

4.按照权利要求3所述的一种制备具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体的方法，其特征在于，凹槽高度为1mm。

5.按照权利要求2所述的一种制备具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体的方法，其特征在于，模具外壳上设有测温孔用于插热电偶，孔位置位于外壳外侧中间，孔深度为h:5mm＜h＜(d-5)mm，d为空腔直径。

6.一种按照权利要求1中方法制备得到的具有较高性能的各向异性钕铁硼磁体。