CN107557551B - 一种钐铁氮系永磁材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钐铁氮系永磁材料的制备方法，其将亚稳态钐铁合金进行大塑性变形，然后进行氮化处理和退火晶化处理，即可得到所述的钐铁氮系永磁材料。本方法对形变后亚稳态材料进行氮化时，由于大塑性变形过程产生的多重剪切带可以使亚稳态合金中的自由体积“缺陷”含量增加，利于氮原子的进入和扩散，可显著增加合金的渗氮量和氮化均匀度；大塑性变形产生多重剪切带也可以降低后续晶化退火温度，减少或避免了形成氮化物；抑制亚稳相的生成，细化晶粒并提高矫顽力。本方法可提高氮化速度，降低氮化温度，抑制钐铁氮化合物的分解，细化微观组织结构，提高了钐铁合金制备钐铁氮磁性材料的氮化效率。

Description

一种钐铁氮系永磁材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种永磁材料的制备方法，尤其是一种钐铁氮系永磁材料的制备方法。

背景技术

稀土永磁材料历经了三代发展，在机械、电子、仪表和医疗等领域获得了广泛应用，伴随着器件强磁性、小型化的发展趋势，钐铁氮磁体规避了第三代稀土永磁材料—钕铁硼居里温度低、易氧化等物理特性上的弱点，成为新一代稀土永磁材料的研究热点。间隙氮原子的引入是钐铁氮化合物具有了优异磁性能的关键性原因，因此氮化处理工艺在钐铁氮磁体制备中起着至关重要的作用。传统的钐铁氮永磁体制备过程都是对晶化处理后的钐铁合金进行气固相反应法氮化处理，只是钐铁合金制备工艺、渗氮气体种类和渗氮状态有所不同。但这种晶态氮化方法为避免渗氮后化合物的分解，渗氮温度和时间受限，这样极易导致钐铁合金氮化不完全、氮分布不均匀、氮化效率低等情况。

现有技术中，虽然有些对制备工艺进行了改进，但仍需进行氮化处理，例如公开号CN 105129860A和公开号CN1079580A的专利文献，均是以钐粉和铁粉为原料制备出具有晶体结构的钐铁合金，或制备出亚稳相后先进行晶化处理，再在N₂或者N₂和NH₃的混合气中对R-Fe合金渗氮制备成R-Fe-N化合物。上述处理依然是对晶态钐铁合金进行氮化处理，氮化周期长，氮化效率低、渗氮不均匀、产业化生产受阻。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氮化均匀的钐铁氮系永磁材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其将亚稳态钐铁合金进行大塑性变形，然后进行氮化处理和退火晶化处理，即可得到所述的钐铁氮系永磁材料。

本发明所述大塑性变形采用高压扭转法。所述大塑性变形的应变量为5～8。

本发明所述氮化处理采用高真空氮化，氮化温度为300～350℃，氮化时间2.5～3h。

本发明所述退火晶化处理采用真空退火，退火温度为550～620℃。

本发明的改进构思为：据理论可知，金属或合金在快速凝固过程中，由于冷却速率极大，熔体原子的无序排列状态被冻结下来，得到“冻结的液体”—非晶态。近年来汪卫华等研究表明，在非晶的形成过程中，合金内部冻结了大量的“缺陷”，即所谓的流变单元，流变单元中的原子能量更高、流动性更好、排列更加松散，非晶中具有可使N原子进入的位置，并且不存在晶位的限制，因此非晶条件下进行氮化处理是提高氮含量行之有效的方法。非晶中“缺陷”的含量与氮原子的含量是息息相关的，渗氮前对亚稳态（部分亚稳态）组织进行室温大塑性变形（SPD）处理，可进一步提高氮化处理效果、降低后续晶化退火温度，抑制亚稳相的产生和化合物的分解，增加磁体性能。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明利用亚稳态钐铁合金，通过对亚稳态钐铁合金进行形变处理，氮化和初步晶化处理，然后进行充分退火和晶化处理，得到钐铁氮系永磁材料。对形变后亚稳态材料进行氮化时，由于大塑性变形过程产生的多重剪切带可以使亚稳态合金中的自由体积“缺陷”含量增加，利于氮原子的进入和扩散，可显著增加合金的渗氮量和氮化均匀度；大塑性变形产生多重剪切带也可以降低后续晶化退火温度，减少或避免了形成氮化物；抑制亚稳相的生成，细化晶粒并提高矫顽力。另外，本发明提供的方法渗氮速度快，氮含量高，提高了钐铁合金制备钐铁氮磁性材料的氮化效率。

本发明针对钐铁合金渗氮量低，渗氮温度高等缺点提供了一种形变氮化晶化处理方法，可提高氮化速度，降低氮化温度，抑制钐铁氮化合物的分解，细化微观组织结构，提高了钐铁合金制备钐铁氮磁性材料的氮化效率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本钐铁氮系永磁材料的制备方法包括SPD处理、氮化处理和退火晶化处理过程，各处理过程的工艺如下所述：

（1）SPD处理：将亚稳态钐铁合金进行大塑性变形，真实应变ε_t为5～8，得到形变亚稳态（部分亚稳态）钐铁合金，其预配成分为Sm₂Fe_17±x；所述亚稳态钐铁合金为全部亚稳态钐铁合金，或者亚稳态组织所占比例分数不低于60%的部分亚稳态钐铁合金；最好采用高压扭转法，扭转温度T≤100℃，扭转压力为4～5.5GPa。

所述大塑性变形法(Severe Plastic Deformation,SPD)是通过机械方法制备块状超细晶材料的技术，包括等径角挤压变形法、叠层轧合技术、反复折皱-压直技术及高压扭转技术；本实验选用高压扭转(High Pressure Torsion, HPT)技术进行大塑性变形。

（2）氮化处理：上述所得形变亚稳态（部分亚稳态）钐铁合金在高真空氮化炉内进行氮化处理，得到氮化钐铁合金；所述高真空氮化炉的温度为 300～350℃，氮化气氛为N₂、NH₃、N₂+NH₃混合气或N₂+H₂混合气，压力为 0.6～1.2MPa，氮化（保温）时间为2.5～3h。上述氮化处理过程会使钐铁合金充分渗氮和初步晶化。

（3）退火晶化处理：氮化钐铁合金在真空退火炉中进行退火晶化处理，所述真空退火炉的温度为550～620℃，真空度≥10^-2Pa，退火时间≥8h；即可得到所述的钐铁氮系永磁材料。

实施例1：本钐铁氮系永磁材料的制备方法采用下述具体工艺。

将预配成分为Sm₂Fe₁₇的全部亚稳态钐铁合金薄带放入高压扭转设备中进行大塑性变形处理，控制高压扭转设备压头压力为4GPa、扭转温度T=80～90℃，应变量ε=5.0；然后将扭转后合金薄带放入高温氮化炉中，高温氮化炉的氮化温度为350℃，氮化气氛为高纯氮气N₂，气氛压力为0.6MPa，保温时间为2.5h。合金薄带放入真空退火炉中，在620℃、真空度5*10^-3Pa条件下退火10h，即可得到Sm₂Fe₁₇N₃永磁材料。本实施例所得永磁材料的矫顽力Hc=40kOe，最大磁能积（BH）max=14MGOe。

实施例2：本钐铁氮系永磁材料的制备方法采用下述具体工艺。

将预配成分为Sm₂Fe₁₇的90%亚稳态钐铁合金薄带放入高压扭转设备中进行大塑性变形处理，控制高压扭转设备压头压力为5GPa、扭转温度T=90～100℃，应变量ε=6.2；然后将扭转后合金薄带放入高温氮化炉中，高温氮化炉的氮化温度为330℃，氮化气氛为高纯氮气N₂+NH₃，气氛压力为0.6MPa，保温时间为2.8h。合金薄带放入真空退火炉中，在600℃、真空度8*10^-3Pa条件下退火9h，即可得到Sm₂Fe₁₇N₃永磁材料。本实施例所得永磁材料的矫顽力Hc=45kOe，最大磁能积（BH）max=17MGOe。

实施例3：本钐铁氮系永磁材料的制备方法采用下述具体工艺。

将预配成分为Sm₂Fe₁₇的75%亚稳态钐铁合金薄带放入高压扭转设备中进行大塑性变形处理，控制高压扭转设备压头压力为5.5GPa、扭转温度T=85～95℃，应变量ε=7.1；然后将扭转后合金薄带放入高温氮化炉中，高温氮化炉的氮化温度为340℃，氮化气氛为高纯NH₃，气氛压力为1.2MPa，保温时间为2.7h。合金薄带放入真空退火炉中，在570℃、真空度1*10^-2Pa条件下退火12h，即可得到Sm₂Fe₁₇N₃永磁材料。本实施例所得永磁材料的材料的矫顽力Hc=50kOe，最大磁能积（BH）max=19MGOe。

实施例4：本钐铁氮系永磁材料的制备方法采用下述具体工艺。

将预配成分为Sm₂Fe₁₇的60%亚稳态钐铁合金薄带放入高压扭转设备中进行大塑性变形处理，控制高压扭转设备压头压力为5.5GPa、扭转温度T=80～90℃，应变量ε=8.0；然后将扭转后试样放入高温氮化炉中，高温氮化炉的氮化温度为300℃，氮化气氛为高纯N₂+H₂，气氛压力为0.8MPa，保温时间为3h。氮化后的合金薄带放入真空退火炉中，在550℃、真空度5*10^-3条件下退火8h，即可得到Sm₂Fe₁₇N₃永磁材料。本实施例所得永磁材料的矫顽力Hc=49kOe，最大磁能积（BH）max=20MGOe。

Claims (1)

1.一种钐铁氮系永磁材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）SPD处理：将亚稳态钐铁合金进行大塑性变形，真实应变ε_t为5～8，得到形变亚稳态钐铁合金，其预配成分为Sm₂Fe_17±x；所述亚稳态钐铁合金为全部亚稳态钐铁合金，或者亚稳态组织所占比例分数不低于60%的部分亚稳态钐铁合金；采用高压扭转法，扭转温度T≤100℃，扭转压力为4～5.5GPa；

（2）氮化处理：上述所得形变亚稳态钐铁合金在高真空氮化炉内进行氮化处理，得到氮化钐铁合金；所述高真空氮化炉的温度为300～350℃，氮化气氛为N₂、NH₃、N₂+NH₃混合气或N₂+H₂混合气，压力为0.6～1.2MPa，氮化时间为2.5～3h；

（3）退火晶化处理：氮化钐铁合金在真空退火炉中进行退火晶化处理，所述真空退火炉的温度为550～620℃，真空度≥10^-2 Pa，退火时间≥8h；即可得到所述的钐铁氮系永磁材料。