CN109360728B - 一种蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法 - Google Patents

一种蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法，属于磁性材料技术领域。具体工艺步骤为：将钕铁硼取向压坯真空预烧结得到预烧坯；将稀土及合金元素通过蒸发沉积以气相游离原子/分子的形式通过预烧坯孔隙扩散到钕铁硼预烧坯内部，随后经过微波烧结致密化并发生晶界扩散，改善磁体晶界结构，从而提高烧结钕铁硼的矫顽力。该发明的优点是扩散源稀土及合金元素为气相原子/分子，相比液相扩散源，可以更均匀、有效、深入地渗透至磁体内部，包覆在钕铁硼主相周围，经测试，气相晶界扩散的钕铁硼磁体产品矫顽力可以提高30%以上，扩散深度可达6mm，且不含液相扩散的氢或氟元素。

Description

一种蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法
技术领域
本发明涉及磁性材料技术领域，尤其涉及一种气相晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法。
背景技术
高端领域应用要求烧结钕铁硼磁体既具有较高的剩磁Br，又具有较高的内禀矫顽力Hcj，以提高磁体在温度、振动、反向电流的冲击下的抗退磁能力。通过成分优化、速凝铸锭、氢爆、取向压型、烧结、冷等静压以及控氧等技术，烧结钕铁硼磁体的剩磁已经接近理论值，然而，三元Nd-Fe-B系永磁体内禀矫顽力不足理论值的30％。烧结钕铁硼磁体的内禀矫顽力由材料的相组成和微结构包括晶界结构决定。对其晶界结构进行优化是目前不增加重稀土含量的前提下提高烧结钕铁硼内禀矫顽力的重要手段。
烧结钕铁硼晶界扩散稀土及稀土合金是近几年兴起的一种内禀矫顽力增强的新技术。2006年日本信越会社报道通过晶界扩散重稀土Dy/Tb可以大幅度提高烧结钕铁硼磁体的矫顽力，随后许多研究者进行了(Dy/Tb)F3 ,(Dy/Tb)Hx,(Dy/Tb) 2O3 ,Dy-Ni-Al, Dy/Tb等不同扩散源的晶界扩散研究，证实了晶界扩散处理后Nd2Fe14B晶粒表面形成了一层富Dy/Tb壳层，强化Nd2Fe14B晶粒表面层，提高磁体矫顽力。近来晶界扩散轻稀土技术也逐渐引起重视。晶界扩散轻稀土技术主要是利用轻稀土合金(如Nd70Cu30,Pr68Cu32等)低熔点的特性，通过液态扩散达到晶界改性的目的，经过扩散处理后，磁体的富Nd相在晶粒周围呈薄层网格状分布，晶粒之间被非磁性富Nd相充分隔绝，从而提高磁体矫顽力。
目前扩散源的附着方法主要有表面覆盖、表面涂覆、电沉积、溅射等，表面覆盖法、表面涂覆法优点是设备简单，缺点是性能提升幅度略低，产品一致性差，且样品中含有氢元素和氟元素；磁控溅射法表面重稀土层附着均匀，性能一致性好，缺点是设备投入大。尽管如此，这些方法普遍存在扩散源的利用率低的问题，即实际发生有效晶界扩散的扩散源远少于磁体表面附着的扩散源，存在较大的浪费；同时附着在表面的扩散源需要经过较长的扩散路径才能扩散到磁体的内部，因此磁体厚度尺寸有一定的限制，目前晶界扩散磁体的厚度普遍在4mm以下。
发明内容
本发明目的是为了解决现有烧结钕铁硼磁体晶界扩散技术中扩散深度浅、扩散源较多的残留在磁体表面，扩散源实际利用率不高的问题。
本发明通过以下技术方案加以实现：
一种蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法，其特征在于将稀土及合金元素以气相游离原子/分子的形式通过预烧坯孔隙扩散到钕铁硼预烧坯内部，随后经过烧结致密化并发生晶界扩散，改善磁体晶界结构，从而提高烧结钕铁硼的矫顽力。
具体工艺步骤如下：
1)对钕铁硼压坯真空预烧结，得到钕铁硼预烧坯，并对表面清洁处理；
2)用蒸发镀技术，将稀土元素及其合金材料加热蒸发，蒸发出来的原子或分子能 自由地分布到一定的密闭空间中，形成稀土或稀土合金金属离子气相空间，将钕铁硼预烧 坯置于其中，进行晶界扩散。稀土元素A为Tb、Dy、Tb、Gd、Pr、Nd、Ce、La中的至少一种，合金元 素B为Cu、Al、 Ga、Zn中的至少一种，蒸发镀工艺步骤如下：
Figure 832129DEST_PATH_IMAGE001
将纯度为99 .99％的稀土元 素A和合金元素B按AxB1-x（x=0.5~0.8）配比熔炼成合金铸锭；
Figure 845085DEST_PATH_IMAGE002
将该合金铸锭放入真空镀膜 机的真空室的钨舟中，把钕铁硼预烧坯放置于样品台上，样品台设计成具有旋转功能，调节 样品台与钨舟的距离d＝3 cm～7cm；
Figure 789907DEST_PATH_IMAGE003
用分子泵对真空室进行抽真空，当真空度达到10- 4Pa，准备开始蒸发沉积，在PID控制器上设定沉积速率 10nm/min～20nm/min，沉积时间2h ～3h；
Figure 142391DEST_PATH_IMAGE004
开启钨舟加热电源，调节输出电流150A～180A，开始在钕铁硼预烧坯上沉积稀土合 金，样品台旋转速率设置为1°/s；
Figure 645791DEST_PATH_IMAGE005
沉积完毕后，关闭电源，随真空镀膜机冷却至50℃以下， 取出钕铁硼预烧坯，完成稀土元素的蒸发沉积；
3)将经过气相扩散后钕铁硼预烧坯进行微波烧结致密化并发生晶界扩散，微波频率为 500MHz ~ 250GHz；微波功率控制在加热总功率的 40％～80％；升温速度50℃/min～300℃/min，烧结温度 800～1000℃，时间0.5～2h，压力0.3～5MPa(由氩气提供)，充氩气前真空度(3～5) × 10-3 Pa；
4)真空回火热处理得到高矫顽力烧结钕铁硼磁体，真空回火工艺为：温度450～650℃，时间1～4h,真空度(3～5) × 10-3Pa。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
扩散源稀土及合金元素为气相原子/分子，相比液相扩散源，可以更均匀、有效、深入地渗透至磁体内部，包覆在钕铁硼主相周围，经测试，气相晶界扩散的钕铁硼磁体产品矫顽力可以提高30%以上，扩散深度可达6mm，且不含液相扩散的氢或氟元素。
具体实施方式
下面结合具体实施方式及对比例对本发明作进一步阐述。
本发明所用的烧结钕铁硼磁体均来与工业生产一线。
实施例1
（1）将牌号为N45H的钕铁硼取向压坯真空预烧成致密度为93％、尺寸为6mm的预烧结坯体，编号为1#；
（2）根据成分配比，将合金成分为Te80Cu20以原子百分含量称重配料，将称得的目标成分原料进行真空熔炼，将合金反复熔炼5次获得成分均匀的合金铸锭；
（3）将该合金铸锭放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，把钕铁硼预烧坯放置于旋转样品台上，调节样品台与钨舟的距离为7cm；
（4）用分子泵对真空室进行抽真空，当真空度达到10-4Pa，准备开始蒸发沉积，在PID控制器上设定沉积速率 为10nm/min，沉积时间为3h；
（5）开启钨舟加热电源，调节输出电流150A，开始在钕铁硼预烧坯上沉积稀土合金，样品台旋转速率设置为1°/s；
（6）沉积完毕后，关闭电源，随真空镀膜机冷却至50℃以下，取出钕铁硼预烧坯，完成稀土元素的蒸发沉积，得到的样品编号为2#；
（7）将编号为1#和2#的样品进一步微波烧结致密化并发生晶界扩散，微波频率为500MHz；微波功率控制在加热总功率的 40％；升温速度50℃/min，温度800℃，时间 2h，压力0.3MPa(由氩气提供)，充氩气前真空度3× 10-3Pa；
（8）将经过烧结致密化并发生晶界扩散的1#和2#样品进行真空回火热处理，其工艺参数为：温度450℃，时间4h，真空度3× 10-3Pa；
（9）利用脉冲磁强计（PFM）测量1#和2#钕铁硼磁体的磁性能，如表1所示，其内禀矫顽力Hcj提高64%，该钕铁硼样品牌号由N45H上升为N45UH。
表1 样品1#和2#磁性能比较
编号 Hcj（kOe） Br（T） (BH)max(MGOe)
1# 12.99 14.52 43.8
2# 21.34 14.36 45.7
实施例2
（1）将牌号为N38UH的钕铁硼取向压坯真空预烧成致密度为92％、尺寸为6mm的预烧结坯体，编号为3# ；
（2）根据成分配比，将合金成分为Dy80Al10Cu10以原子百分含量称重配料，将称得的目标成分原料进行真空熔炼，将合金反复熔炼5次获得成分均匀的合金铸锭；
（3）将该合金铸锭放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，把钕铁硼预烧坯放置于旋转样品台上，调节样品台与钨舟的距离为3cm；
（4）用分子泵对真空室进行抽真空，当真空度达到10-4Pa，准备开始蒸发沉积，在PID控制器上设定沉积速率为20nm/min，沉积时间为2h；
（5）开启钨舟加热电源，调节输出电流180A，开始在钕铁硼预烧坯上沉积稀土合金，样品台旋转速率设置为1°/s；
（6）沉积完毕后，关闭电源，随真空镀膜机冷却至50℃以下，取出钕铁硼预烧坯，完成稀土元素的蒸发沉积，得到的样品编号为4#；
（7）将编号为3#和4#的样品进一步烧结致密化并发生晶界扩散，微波频率为250GHz；微波功率控制在加热总功率的 80％；升温速度300℃/min，温度1000℃，时间0.5h，压力5MPa(由氩气提供)，充氩气前真空度5× 10-3Pa；
（8）将经过烧结致密化并发生晶界扩散的3#和4#样品进行真空回火热处理，其工艺参数为：温度650℃，时间1h，真空度5× 10-3Pa；
（9）利用脉冲磁强计（PFM）测量3#和4#钕铁硼磁体的磁性能，如表2所示，其内禀矫顽力Hcj提高35%，样品牌号由38UH上升为38TH。
表2 3#和4#磁性能比较
编号 Hcj（kOe） Br（T） (BH)max(MGOe)
3# 25.77 12.78 37.5
4# 34.66 12.81 38.4

Claims (2)

1.一种蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法，其特征在于，采用蒸发沉积以气相原子/分子的方式将稀土及合金元素扩散至钕铁硼预烧坯内部，随后经过烧结致密化并发生晶界扩散，改善磁体晶界结构，从而提高烧结钕铁硼的矫顽力；具体工艺步骤为：
1)对钕铁硼取向压坯进行真空预烧结，得到预烧坯，并对表面清洁处理；
2)采用蒸发沉积以气相原子/分子的方式将稀土及合金元素扩散至钕铁硼预烧坯内部；
3)经过扩散后钕铁硼预烧坯进行烧结致密化并发生晶界扩散；
4)真空回火热处理得到烧结钕铁硼磁体；
步骤1)中预烧坯的致密度要求不大于95%；
步骤2)中蒸发晶界扩散的扩散源为稀土合金，稀土元素A为Dy、Tb、Gd、Pr、Nd、Ce、La中的至少一种，合金元素B为Cu、Al、Ga、Zn中的至少一种；
步骤2)中的蒸发沉积工艺步骤如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
将纯度为99 .99％的稀土元素A和合金元素B按 AxB1-x（x=0.5~0.8）配比熔炼成合金铸锭；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
将该合金铸锭放入真空镀膜机的真空室的钨舟中，把钕铁硼预烧坯放置于样品台 上，样品台设计成具有旋转功能，调节样品台与钨舟的距离d＝3 cm～7cm；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
用分子泵对真空室进行抽真空，当真空度达到10-4Pa，准备开始蒸发沉积，在PID控制 器上设定沉积速率 10nm/min～20nm/min，沉积时间2h～3h；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
开启钨舟加热电源，调节输出电流150A～180A，开始在钕铁硼预烧坯上沉积稀土合 金，样品台旋转速率设置为1°/s；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
沉积完毕后，关闭电源，随真空镀膜机冷却至50℃以下，取出钕铁硼预烧坯，完成稀 土元素的蒸发沉积；
步骤3)将经过扩散的钕铁硼预烧坯进行微波烧结致密化并发生晶界扩散，微波频率为500MHz ~ 250GHz；微波功率控制在加热总功率的 40％～80％；升温速度50℃/min～300℃/min，烧结温度800～1000℃，时间0.5~2h，真空抽至(3~5) × 10-3Pa以下，充入氩气，氩气压力为0.3~5MPa。
2.如权利要求1所述的蒸发晶界扩散增强钕铁硼磁体矫顽力的方法，其特征在于：
步骤4)将烧结后的钕铁硼磁体进行真空回火处理，真空回火工艺为：温度450～650℃，时间1～4h，真空度(3~5)×10-3Pa。
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