CN108428541A - 一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法 - Google Patents

一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法。该方法将纳米晶钕铁硼粉末经热压处理得到各向同性磁体，再将各向同性钕铁硼磁体进行低温热变形获得具有超细晶结构的各向异性钕铁硼磁体。与现有技术相比，本发明采用低温条件进行热变形，有效地抑制了现有高温热变形技术中磁体的晶粒长大，制得的各向异性磁体具有超细晶结构，同时提升了磁体沿高度方向变形均匀性，提高了磁体性能。

Description

一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，尤其是指一种各向异性的单相NdFeB永磁体的制备方法。
背景技术
钕铁硼永磁体作为关键功能材料，在航空航天、交通运输、国防军事、医疗器械、计算机、电子通讯等各个领域都有着广泛的应用，稀土永磁材料性能高低，直接影响设备向轻型化、小型化、高效化、节能化方向的发展水平，因此已成为发展高新技术、新兴产业和社会进步的重要基础。尤在当今节能环保的世界主题刺激下，稀土永磁电机因在风力发电、新能源汽车、节能电梯、节能空调等节能和新能源领域的应用而迅速发展，进而给稀土永磁材料提供了庞大的应用市场。
永磁体中晶粒细化与实现纳米晶取向织构是提高磁体矫顽力和磁能积的有效方法。目前，主要采用粉末烧结法和热压热变形法制备各向异性的块状钕铁硼永磁体。其中，热压热变形技术在细化晶粒方面呈现明显优势，其晶粒尺寸约是烧结法的十分之一。热压热变形技术主要包括两个过程：(1)热压过程，是将钕铁硼永磁粉体在一定的温度和压力下压制为各向同性磁体，实现粉体预成型；(2)热变形过程，是将热压过程得到的各向同性磁体在一定温度下进一步变形为所需块体，在热变形过程中，出现晶粒的变形、择优取向而实现微观结构织构化，即得到各向异性磁体。
现有的热变形技术多为高温变形，变形温度常为650℃～850℃。在如此高的变形温度下晶粒易生长，致使具有织构的片状晶尺寸粗大，其面内尺寸达到250nm～800nm，厚度达到80nm～150nm，甚至常引发晶粒异常长大形成无织构等轴微米晶；另一方面，受变形模具与样品受力面之间摩擦力的影响，如此高的变形温度常造成变形磁体的不均匀性，尤其是沿压力方向的不均匀性，从而限制了磁体磁能积的进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明经过大量实验探索，利用较低的变形温度抑制变形过程中的晶粒长大、提升磁体沿压力方向的均匀性，从而获得不仅具有超细晶结构而且具有较高剩磁和磁能积的超细晶高性能各向异性钕铁硼磁体。
即，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，采用热压热变形法，包括以下两个步骤：
①将纳米晶钕铁硼粉末经热压处理得到各向同性磁体，
②将各向同性磁体进行低温热变形，制备超细晶各向异性磁体。
所述的低温热变形是指相对于现有的变形温度650℃～850℃而言在较低的变形温度条件下进行热变形。作为优选，所述的变形温度为400～590℃；进一步优选为450～550℃。
所述的钕铁硼粉末是以金属间化合物Re2Fe14B为基础的纳米晶快淬磁粉或球磨磁粉，主要成分为稀土元素钕(Nd)、铁(Fe)、硼(B)，为了获得不同性能，部分钕可用镝(Dy)、镨(Pr)等其他稀土金属替代。
所述的纳米晶钕铁硼粉末可以是完全晶态，也可以包含部分非晶态，磁粉晶粒优选小于70nm。
作为优选，所述的步骤①的制备过程如下：
将纳米晶钕铁硼粉末放入热压模具中，将热压模具放入真空热压炉内，并抽真空至真空度优于7×10-2Pa，然后升温至压制温度进行热压，得到各向同性的磁体，所述的压制温度为500～750℃。作为进一步优选，升温至压制温度的升温速率为50～250℃/min；压制时保压一定时间，保压时间优选为3min～40min。
作为优选，所述的步骤②中的制备过程如下：
将各向同性磁体直接放入模具，或者根据需要放入金属包套后再放入模具中，抽真空至真空度优于7×10-2Pa或抽真空后充入高于102Pa氩气作为保护气体，然后升温至变形温度，在变形温度下进行压制变形。
进一步优选，升温至变形温度的升温速率为10～150℃/min。
进一步优选，热变形前在变形温度下预保温一定时间，由于本发明采用低温热变形，温度低，预保温时间可以较长，优选为1～30min，以达到各部分受热均匀。
进一步优选，变形时间优选为1～240min；变形结束后，优选保温保压1～10min。
进一步优选，变形结束后温度降到室温所需时间优选为20～150min。
所述的热变形过程中使用的热变形装置不限，优选为真空感应热变形装置。
与现有技术相比，本发明将经热压处理得到的钕铁硼各向同性磁体在低温下进行热变形处理，有效地抑制了磁体变形过程中的晶粒的长大，使各向异性钕铁硼磁体中取向片状晶呈现超细结构，其面内尺寸能够小于150nm甚至达到100nm以下，厚度能够小于60nm甚至达到40nm以下；同时，低温条件还提升了变形磁体沿压力方向的均匀性，提高了磁体性能，其剩磁能够高于13kG，磁能积能够大于39MGOe，即，使制得的超细磁体获得了与现有高温条件下制得的磁体性能相当的高磁性能。
附图说明
图1是对比实施例中制得的热变形钕铁硼永磁体的SEM图片；
图2是实施例1中制得的热变形钕铁硼永磁体的SEM图片；
图3是实施例2中制得的热变形钕铁硼永磁体的SEM图片。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，原料为商用MQU-F快淬粉，利用热压热变形方法制备各向异性的单相NdFeB永磁块体材料，具体如下：
(1)将纳米晶MQU-F粉末在真空感应热压炉内压制成型，获得各向同性磁体。具体成型条件是：升温前真空度优于4×10-2Pa，然后以升温速率80～150℃/min升温至压制温度650℃进行热压，压制压力为210MPa，热压后进行保压3min。
(2)将(1)中得到的各向同性磁体装入Cu包套后再放入模具，在真空感应热压炉内在550℃条件下进行压制变形至预定尺寸，获得550℃热变形温度下的各向异性钕铁硼磁体。具体变形过程是：热变形前将样品室真空抽至5×10-3Pa以下时充入Ar气3×104Pa，以10～50℃/min升温速率升温至变形温度550℃后预保温1-30min，然后开启变形过程，变形时间为130min。变形结束后保温保压2min，降温至室温所需时间为70～150min。
实施例2：
本实施例中，原料与实施例1中的原料完全相同，利用热压热变形法制备各向异性的单相NdFeB永磁块体材料，具体如下：
(1)与实施例1的步骤(1)完全相同；
(2)与实施例1的步骤(2)基本相同，所不同的是变形温度为500℃。
对比实施例：
本实施例中，原料与实施例1中的原料完全相同，利用热压热变形法制备各向异性的单相NdFeB永磁块体材料，具体如下：
(1)与实施例1的步骤(1)完全相同；
(2)与实施例1的步骤(2)不同，变形温度采用650℃的常规高温热变形温度，不采用包套，具体如下：
将(1)中得到的各向同性磁体直接放入模具，不采用包套，在真空感应热压炉内在650℃条件下进行热压变形至预定尺寸，获得650℃热变形温度下的各向异性单相钕铁硼磁体。具体变形过程是：热变形前将样品室真空抽至5×10-3Pa以下时充入Ar气3×104Pa，以10～50℃/min升温速率升温至变形温度650℃后预保温2min，然后开启变形过程，变形时间为130min。变形结束后保温保压2min，降温至室温所需时间为70～150min。
上述实施例1～2以及对比实施例所制得的磁体的各项磁性能见表1。
用场发射扫描电子显微镜观察上述对比实施例制得的磁体的微观结构，观察结果如图1所示，显示片状晶粗大，面内尺寸为650nm，厚度为131nm。
用场发射扫描电子显微镜观察上述实施例1制得的磁体的微观结构，观察结果如图2所示，显示片状晶细小，面内尺寸为127nm，厚度为39nm；
用场发射扫描电子显微镜观察上述实施例2制得的磁体的微观结构，观察结果如图3所示，显示片状晶为三维纳米尺度，面内尺寸为81nm，厚度为32nm。
对比实施例、实施例1和实例2观察结果分别见图1、图2和图3。
表1：实施例1～2以及对比实施例所制得的磁体的磁性能对比
对比图1、2与3，以及根据表1中的对比结果可知，在低温条件下进行热变形成功抑制了常规高温变形技术中的晶粒长大，制得超细晶各向异性钕铁硼磁体，其晶粒尺寸小于150nm甚至达到100nm以下，厚度小于60nm甚至达到40nm以下，明显小于常规技术制得的制得的磁体晶粒尺寸；另外，磁体均匀性也得到改善，提高了磁体性能，获得了与现有钕铁硼变形技术性能相当的高性能磁体。
应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明。基于前面描述的原理和具体实施方案，本领域技术人员可以容易地做出修改或设计出其他等同实施方案。本领域技术人员应当理解这样的等同实施方案仍在本申请权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将纳米晶钕铁硼粉末经热压处理得到各向同性磁体；
②将各向同性磁体进行低温热变形，制得超细晶各向异性磁体。
2.如权利要求1所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：所述的低温热变形中，变形温度为400～590℃；
作为优选，变形温度为450～550℃。
3.如权利要求1所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：所述的纳米晶钕铁硼粉末为单相快淬磁粉或球磨磁粉。
4.如权利要求1所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：所述的纳米晶钕铁硼粉末是完全晶态，或者其中包含部分非晶态；
作为优选，所述的纳米晶钕铁硼粉末的磁粉晶粒小于70nm。
5.如权利要求1所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：所述的步骤①的制备过程如下：
将纳米晶钕铁硼粉末放入热压模具中，将热压模具放入真空热压炉内，并抽真空至真空度优于7×10-2Pa，然后升温至压制温度进行热压，得到各向同性的磁体，所述的压制温度为500～750℃。
6.如权利要求5所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：升温至压制温度的升温速率为50～250℃/min。
7.如权利要求1所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：所述的步骤②的制备过程如下：
将各向同性磁体直接放入模具，或者根据需要放入金属包套后再放入模具中，抽真空至真空度优于7×10-2Pa或抽真空后充入高于102Pa氩气作为保护气体，然后升温至变形温度，在变形温度下进行压制变形。
8.如权利要求7所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：升温至变形温度的升温速率为10～150℃/min；
作为优选，热变形前在变形温度下预保温1～30min；
作为优选，变形时间为1～240min；
作为优选，变形结束后保温保压1～10min；
作为优选，变形结束后温度降到室温所需时间优选为20～150min。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征在于：所述的各向异性钕铁硼永磁体中取向片状晶的面内尺寸小于150nm，厚度小于60nm；
作为优选，所述的各向异性钕铁硼永磁体中取向片状晶的面内尺寸小于100nm，厚度小于40nm。
10.如权利要求1所述的超细晶高性能各向异性钕铁硼永磁体的制备方法，其特征是：所述的各向异性钕铁硼永磁体的剩磁≥12kG，磁能积≥34MGOe。
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