CN112670073A - 一种烧结钕铁硼晶界扩散工装及晶界扩散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烧结钕铁硼晶界扩散工装及晶界扩散的方法，属于稀土永磁材料技术领域。一种烧结钕铁硼晶界扩散工装，包括：料盒框架；卡箍盲板；三瓣型卡箍；承物台；料盒件；本发明提高了重稀土氧化物的还原及扩散效率，解决了常规工艺氧化重稀土扩散矫顽力提升一致性差的难题；避免了钙蒸气冷凝结块对热处理炉钼片的损伤；采用分层码料，提高了料盒框架的装载量，降低了单位扩散成本；通过料盒件，使磁片厚度方向平行于水平方向排列，有效改善了热处理后磁片弯曲的问题；通过对镀膜后磁片表面的耐高温物质附着和热处理控制氧分压操作，解决了粘连问题，本发明大大改善了磁片的外观和性能一致性，热处理后永磁体矫顽力大幅度提高。

Description

一种烧结钕铁硼晶界扩散工装及晶界扩散的方法

技术领域

本发明涉及稀土永磁材料技术领域，尤其涉及一种烧结钕铁硼晶界扩散工装及晶界扩散的方法。

背景技术

R-T-B稀土永磁材料具有优异的磁性能，包括极高的磁能积和矫顽力，因此广泛应用在仪器仪表、信息产业、磁选磁化、电力设备等众多领域，成为国民经济和国防军工不可或缺的功能材料；

R-T-B烧结磁体主要由R2Fe14B、富稀土相和富B相组成，其中R2Fe14B是磁性相，决定剩磁和磁能积；R-T-B烧结磁体的反磁化机理主要是磁化畴在晶界处的形核，因此主相晶粒各向异性场和磁体的微观结构决定了磁体的矫顽力，常规提高矫顽力的工艺方法都是通过优化边界相结构，或者通过在熔炼过程添加各向异性场更高的Tb，Dy等元素，由于重稀土元素与铁属反铁磁耦合，重稀土进入主相，降低铁原子磁矩，从而导致Br下降，因此熔炼过程添加重稀土元素既造成了重稀土的极大浪费，又显著增加了生产成本；

晶界扩散方法通过将以重稀土元素为主的单质或者合金、化合物附着在稀土永磁体的表面，在通过热处理使重稀土元素沿着晶粒边界扩散到磁体内部，几乎不进入主相晶粒，在主相晶粒表面形成高各向异性场的壳层，达到利用极少重稀土量大幅提高稀土永磁体矫顽力的效果；

目前晶界扩散方法种类众多，在企业中已达到大批量生产运用的主要是喷涂、物理气相沉积和电泳等，重稀土扩散源包括重稀土单质、合金、氟化物、氧化物和氢化物等；

重稀土氧化物晶界扩散具有成本低、涂覆方式简单、不引入杂质元素等优势，但由于重稀土氧化物熔点较高，不易还原进入磁体内部，导致扩散效果不稳定，通常需在热处理用石墨盒中添加钙还原剂对重稀土氧化物进行脱氧，所述钙还原剂为钙金属或钙合金，在扩散热处理过程中，所述钙还原剂以高纯钙气体形式散发至涂覆有氧化重稀土粉末涂层的磁片周围，对氧化重稀土粉末进行脱氧，单质重稀土元素扩散至磁片内部；

在传统石墨盒中，磁片以叠片方式装盒，磁片交叠处钙蒸气无法进入，影响还原脱氧效果，造成矫顽力提升一致性差，扩散后磁片会有较为严重的粘连，过薄的磁片会发生弯曲，影响产品外观；

扩散热处理所用传统的石墨料盒疏松多孔，且密闭性较差，真空热处理时高温下钙还原剂以气体形式从石墨盒挥发，在热处理炉中的加热钼带、炉门、热交换器等位置冷凝结块，可导致钼带间短路，烧毁钼带，损坏热处理炉。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有工艺方法常规工艺热处理过程中粘连；矫顽力提升一致性差；长时间热处理磁片弯曲变形；还原剂Ca蒸气冷凝结块损伤热处理炉的问题，而提出的一种烧结钕铁硼晶界扩散工装及晶界扩散的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种烧结钕铁硼晶界扩散工装，包括：料盒框架；卡箍盲板，盖合在所述料盒框架上；其中，所述料盒框架上设有凸块，所述卡箍盲板上设有与凸块相匹配的凹槽；三瓣型卡箍，用于固定所述料盒框架、卡箍盲板；承物台，固定连接在所述料盒框架的内壁上；托盘件，放置在所述承物台上；料盒件，设置在所述托盘件上，用于储放磁片。

一种烧结钕铁硼晶界扩散的方法，主要包括以下步骤：A、对R-T-B稀土永磁体磁片表面进行处理，处理步骤主要包括除油、酸洗、清洗、烘干；B、在磁片表面喷涂氧化重稀土涂覆层；C、将磁片间隔摆入所述料盒件中，磁片之间使用钼网间隔，磁片厚度方向平行于水平方向，并将装有磁片的料盒件放置于所述托盘件上；D、将步骤C中所述托盘件放置于所述料盒框架的轴向方向间隔设置的承物台上，将钙还原剂填充于承物台间隙，并安装所述卡箍盲板，拧紧所述三瓣式卡箍；E、将步骤D中的所述料盒框架放入真空热处理炉中进行热处理得到R-T-B稀土永磁体；F、扩散热处理后，取出所述料盒框架内磁片，使用喷砂机处理所述料盒框架、托盘件和料盒件。

优选的，步骤A中的所述R-T-B稀土永磁体为R1-Fe-M-B烧结磁体，其中R1选自La、Ce、Pr、Nd、Dy、Tb、Gd、Ho中的一种或者几种，其总量为26wt％～33wt％；M选自Ti、W、Mn、Co、Mg、Mo、Ni、Ga、Cu、Al、Zr、Nb等中的一种或者几种，其总量为0～5wt％，B总量为0.5wt％～2wt％；其余为Fe。

优选的，步骤B中主要包括以下步骤：将氧化镝、氧化铽、氧化钬粉末中的一种或几种使用纳米研磨机研磨至体积平均粒径小于500nm，并将研磨后的氧化重稀土粉末与无水酒精混合形成悬浊液，将悬浊液采用喷涂或刷涂的方式涂覆于磁片表面，置于隧道窑烘干，形成氧化重稀土涂覆层。

优选的，所述R-T-B稀土永磁体的形状为圆柱、长方体、圆环中的一种。

优选的，在步骤B后、步骤C前对磁片做耐高温附着处理。

优选的，将带氧化重稀土涂覆层的磁片表面进行耐高温氧化铝、氧化锆、氮化硅附着处理。

优选的，步骤E中的热处理包括真空热处理和微氧分压热处理。

优选的，热处理分为两级，一级热处理温度范围为800℃-980℃，热处理时间为2h-72h，二级热处理温度范围为450℃-600℃，热处理时间为2h-8h。

优选的，一级热处理采用微氧分压热处理，微氧分压热处理包含真空分压处理和Ar气氛分压处理，氧含量范围为0-10000ppm。

与现有技术相比，本发明提供了一种烧结钕铁硼晶界扩散工装及晶界扩散的方法，具备以下有益效果：

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明提高了重稀土氧化物的还原及扩散效率，解决了常规工艺氧化重稀土扩散矫顽力提升一致性差的难题；避免了钙蒸气冷凝结块对热处理炉钼片的损伤；采用分层码料，提高了料盒框架的装载量，降低了单位扩散成本；通过料盒件，使磁片厚度方向平行于水平方向排列，有效改善了热处理后磁片弯曲的问题；通过对镀膜后磁片表面的耐高温物质附着和热处理控制氧分压操作，解决了粘连问题，本发明大大改善了磁片的外观和性能一致性，热处理后永磁体矫顽力大幅度提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的托盘件的结构示意图；

图3为本发明的图1中A部分的结构示意图；

图中：1、料盒框架；101、承物台；102、凸块；2、卡箍盲板；202、凹槽；3、三瓣型卡箍；4、托盘件；5、料盒件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

参照图1-3，一种烧结钕铁硼晶界扩散工装，包括：料盒框架1；卡箍盲板2，盖合在料盒框架1上；其中，料盒框架1上设有凸块102，卡箍盲板2上设有与凸块102相匹配的凹槽202；三瓣型卡箍3，用于固定料盒框架1、卡箍盲板2；承物台101，固定连接在料盒框架1的内壁上；托盘件4，放置在承物台101上；料盒件5，设置在托盘件4上，用于储放磁片，料盒件5在安装后可起到可靠的紧封作用，既不影响抽真空，又可阻止钙蒸气逸出料盒框架1。

需要理解的是，料盒框架1、托盘4、料盒件5均为不锈钢制品。

一种烧结钕铁硼晶界扩散的方法，主要包括以下步骤：

先制备稀土永磁体，制备方式为：将烧结合金在真空或惰性气体气氛中熔化，在1350-1550℃温度开始浇注，更优为1400-1500℃，然后将熔体浇注到急冷辊上形成速凝薄片，速凝薄片通过吸氢破碎和气流磨制粉，制成粒度1-10um粉末，更进一步的是2-5um；接着在1-3T的磁场中取向成型；然后将生坯被放入烧结炉中进行950-1200℃烧结1-100h，更近一步的是在1000-1100℃烧结2-40h；然后在800℃-980℃，热处理时间2h-72h；接着在450℃-600℃，热处理时间为2h-8h，得到稀土永磁体烧结毛坯，最后可将稀土永磁体毛坯加工成30x20x5mm磁片；

当对稀土永磁体进行处理时，处理操作如下：

R-T-B稀土永磁体磁片表面进行处理，需要理解的是，R-T-B稀土永磁体为R1-Fe-M-B烧结磁体，其中R1选自La、Ce、Pr、Nd、Dy、Tb、Gd、Ho中的一种或者几种，其总量为26wt％～33wt％；M选自Ti、W、Mn、Co、Mg、Mo、Ni、Ga、Cu、Al、Zr、Nb等中的一种或者几种，其总量为0～5wt％，B总量为0.5wt％～2wt％；其余为Fe，处理步骤主要包括除油、酸洗、清洗、烘干，即对加工后的磁片进行超声除油45s，4％硝酸酸洗25s，去离子水超声清洗30s，最后烘干即可作为受处理磁片，并对永磁体进行倒角的处理，使得永磁体表面被处理干净；

步骤A、接着在磁片表面喷涂或刷涂氧化重稀土涂覆层：将氧化镝、氧化铽、氧化钬粉末中的一种或几种使用纳米研磨机采用湿法研磨至体积平均粒径小于500nm，并将研磨后的氧化重稀土粉末与无水酒精混合形成悬浊液，更进一步的是，在悬浊液溶液中可以添加有机粘结剂，增加氧化重稀土涂覆层的附着力，将悬浊液采用喷涂或刷涂的方式涂覆于磁片表面，置于隧道窑烘干，形成氧化重稀土涂覆层，喷涂或刷涂的涂覆方式适用于圆柱、长方体、圆环状的R-T-B稀土永磁体；

步骤B、此时，可以对磁片做耐高温附着处理：将带氧化重稀土涂覆层的磁片表面进行耐高温氧化铝、氧化锆、氮化硅附着处理；

步骤C、进而将磁片间隔摆入料盒件5中，磁片之间使用钼网间隔，磁片厚度方向平行于水平方向，并将装有磁片的料盒件5放置于托盘件4上；

步骤D、托盘件4放置于料盒框架1的轴向方向间隔设置的承物台101上，将钙还原剂填充于承物台101间隙，安装料筒框架1和卡箍盲板2，将卡箍盲板2扣于框架上部外沿的卡箍式平接头之上，使平接头上凸块102插入卡箍盲板2上的凹槽202中，拧紧三瓣式卡箍3；

步骤E、将料盒框架1放入真空热处理炉中进行热处理得到R-T-B稀土永磁体，热处理包括真空热处理和微氧分压热处理，热处理分为两级，一级热处理温度范围为800℃-980℃，热处理时间为2h-72h，二级热处理温度范围为450℃-600℃，热处理时间为2h-8h，一级热处理采用微氧分压热处理，微氧分压热处理包含真空分压处理和Ar气氛分压处理，氧含量范围为0-10000ppm；

步骤F扩散热处理后，取出料盒框架1内磁片，使用喷砂机处理料盒框架1、托盘件4和料盒件5。

实施例2：

参照图1-3，烧结钕铁硼晶界扩散的方法，与实施例1基本相同，更进一步的是：

将钕铁硼合金依次经配料、速凝甩片、氢破碎、气流磨、磁场取向成型、等静压、烧结回火等工艺制备成烧结钕铁硼毛坯，合金成分以质量百分比计算，其成分为PrNd₃₀B_0.97M_(a)Fe_69.03-a，其中M为Co、Cu、Ga、Al、Nb、Zr元素中的一种或几种；0≤a≤2。

采用刷涂工艺，将受处理30x20x5mm分别均匀涂覆氧化铽和氧化镝涂覆层，氧化铽处理磁片标识为P1，氧化镝处理磁片标识为P2，氧化重稀土粉末与磁片重量比为1:100；

将成膜后的磁片按照步骤D、E、F将附着处理的磁片依次放入料盒件5、托盘件4和料盒框架1中，料盒框架1放入真空加热炉中进行两级热处理，一级热处理温度范围为900℃，热处理时间为10h，二级热处理温度范围为500℃，热处理时间为4h，一级热处理采用真空烧结和微氧Ar气氛分压处理，氧含量范围为100-6500ppm。

将热处理后磁片取出，将表面的杂质清理干净，分别取标识为P1和P2的磁片，进行外观检验，PA是未处理磁片，将P0、P1和P2分别加工出Φ8x5mm的样柱进行磁性能测试，其中轴向方向为取向方向，其性能和外观如表1所示：

项目	Br	Hcj	H<sub>K</sub>/H<sub>CJ</sub>	平面度
					单位	KGs	KOe	％	μm
PA	14.42	12.8	98.6	9
					P1	14.35	21.6	95.1	9
P2	14.33	17.4	94.3	10

表1：性能外观对照表

通过PA、P1、P2的性能和外观比较，利用较低的扩散稀土量，扩散永磁体的矫顽力可以提升更高，而剩磁降低很少，磁片经扩散后无弯曲变形现象。

实施例3：

参照图1-3，烧结钕铁硼晶界扩散的方法，与实施例1基本相同，更进一步的是：

将钕铁硼合金依次经配料、速凝甩片、氢破碎、气流磨、磁场取向成型、等静压、烧结回火等工艺制备成烧结钕铁硼毛坯，合金成分以质量百分比计算，其成分为PrNd₃₀B_0.97M_(a)Fe_69.03-a，其中M为Co、Cu、Ga、Al、Nb、Zr元素中的一种或几种；0≤a≤2，经测试，毛坯磁性能为Br≥14.42kGs，Hcj≥12.8kOe。

采用刷涂工艺，将受处理35*1.8*25mm磁片分别均匀涂覆氧化镝涂覆层，其中1.8mm厚度方向为非充磁方向，氧化重稀土粉末与磁片重量比为1:100；

将成膜后的磁片按照步骤D、E、F将附着处理的磁片依次放入料盒件5、托盘件4和料盒框架1中，料盒框架1放入真空加热炉中进行两级热处理，一级热处理温度范围为900℃，热处理时间为10h，二级热处理温度范围为500℃，热处理时间为4h，一级热处理采用真空烧结和微氧Ar气氛分压处理，氧含量范围为100-6500ppm。

将热处理后磁片取出，将表面的杂质清理干净，加工成11*1.8*0.8尺寸磁片，标识为P3，PB是未处理磁片，PC为商用N52(Br≥14.30kGs，Hcj≥17.5kOe)毛坯未处理磁片，尺寸与P3相同，将PB、P3分别进行磁通和热减磁测试，热处理条件为0.7mm铁板，120℃2h。其磁通及热减磁结果如表2所示：

项目	初始磁通	热处理后磁通	热减磁率
				单位	μWb	μWb	％
PB	0.168	0.074	55.95
				PC	0.159	0.139	12.58
P3	0.166	0.153	7.83

表2：磁通及热减磁表

通过PB，PC，P3的性能和外观比较，利用较低的扩散稀土量，通过非取向方向扩散，可显著降低N54磁体的热减磁率，磁片经扩散后磁通及热减磁表现优于商用N52H磁体；

本发明提高了重稀土氧化物的还原及扩散效率，解决了常规工艺氧化重稀土扩散矫顽力提升一致性差的难题；避免了钙蒸气冷凝结块对热处理炉钼片的损伤；采用分层码料，提高了料盒框架1的装载量，降低了单位扩散成本；通过料盒件5，使磁片厚度方向平行于水平方向排列，有效改善了热处理后磁片弯曲的问题；通过对镀膜后磁片表面的耐高温物质附着和热处理控制氧分压操作，解决了粘连问题，本发明大大改善了磁片的外观和性能一致性，热处理后永磁体矫顽力大幅度提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烧结钕铁硼晶界扩散工装，其特征在于，包括：

料盒框架(1)；

卡箍盲板(2)，盖合在所述料盒框架(1)上；

其中，所述料盒框架(1)上设有凸块(102)，所述卡箍盲板(2)上设有与凸块(102)相匹配的凹槽(202)；

三瓣型卡箍(3)，用于固定所述料盒框架(1)、卡箍盲板(2)；

承物台(101)，固定连接在所述料盒框架(1)的内壁上；

托盘件(4)，放置在所述承物台(101)上；

料盒件(5)，设置在所述托盘件(4)上，用于储放磁片。

2.一种烧结钕铁硼晶界扩散的方法，包括权利要求1所述的一种烧结钕铁硼晶界扩散工装，其特征在于，主要包括以下步骤：

A、对R-T-B稀土永磁体磁片表面进行处理，处理步骤主要包括除油、酸洗、清洗、烘干；

B、在磁片表面喷涂氧化重稀土涂覆层；

C、将磁片间隔摆入所述料盒件(5)中，磁片之间使用钼网间隔，磁片厚度方向平行于水平方向，并将装有磁片的料盒件(5)放置于所述托盘件(4)上；

D、将步骤C中所述托盘件(4)放置于所述料盒框架(1)的轴向方向间隔设置的承物台(101)上，将钙还原剂填充于承物台(101)间隙，并安装所述卡箍盲板(2)，拧紧所述三瓣式卡箍(3)；

E、将步骤D中的所述料盒框架(1)放入真空热处理炉中进行热处理得到R-T-B稀土永磁体；

F、扩散热处理后，取出所述料盒框架(1)内磁片，使用喷砂机处理所述料盒框架(1)、托盘件(4)和料盒件(5)。

3.根据权利要求2所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，步骤A中的所述R-T-B稀土永磁体为R1-Fe-M-B烧结磁体，其中R1选自La、Ce、Pr、Nd、Dy、Tb、Gd、Ho中的一种或者几种，其总量为26wt％～33wt％；M选自Ti、W、Mn、Co、Mg、Mo、Ni、Ga、Cu、Al、Zr、Nb等中的一种或者几种，其总量为0～5wt％，B总量为0.5wt％～2wt％；其余为Fe。

4.根据权利要求2所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，步骤B中主要包括以下步骤：将氧化镝、氧化铽、氧化钬粉末中的一种或几种使用纳米研磨机研磨至体积平均粒径小于500nm，并将研磨后的氧化重稀土粉末与无水酒精混合形成悬浊液，将悬浊液采用喷涂或刷涂的方式涂覆于磁片表面，置于隧道窑烘干，形成氧化重稀土涂覆层。

5.根据权利要求4所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，所述R-T-B稀土永磁体的形状为圆柱、长方体、圆环中的一种。

6.根据权利要求2所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，在步骤B后、步骤C前对磁片做耐高温附着处理。

7.根据权利要求6所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，将带氧化重稀土涂覆层的磁片表面进行耐高温氧化铝、氧化锆、氮化硅附着处理。

8.根据权利要求2所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，步骤E中的热处理包括真空热处理和微氧分压热处理。

9.根据权利要求8所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，热处理分为两级，一级热处理温度范围为800℃-980℃，热处理时间为2h-72h，二级热处理温度范围为450℃-600℃，热处理时间为2h-8h。

10.根据权利要求9所述的烧结钕铁硼晶界扩散的方法，其特征在于，一级热处理采用微氧分压热处理，微氧分压热处理包含真空分压处理和Ar气氛分压处理，氧含量范围为0-10000ppm。

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