CN113782328A

CN113782328A - 一种磁控溅射烧结系钕铁硼磁体晶界扩散防粘连的处理方法

Info

Publication number: CN113782328A
Application number: CN202110894793.6A
Authority: CN
Inventors: 许丁丁; 许国强; 何杰杰; 郭巍; 许领团; 沈晓杰
Original assignee: Zhejiang Innuovo Magnetics Industry Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Innuovo Magnetics Industry Co Ltd
Priority date: 2021-08-04
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2021-12-10

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射烧结系钕铁硼磁体晶界扩散防粘连的处理方法:将磁控溅射稀土金属薄膜层后的钕铁硼磁体浸入处理液中，所述处理液为乙醇、聚合物、粘结剂的混合物，然后取出浸泡后的磁体加热挥发溶剂，在磁体表面形成胶膜，再将形成胶膜的磁体紧密叠放，装入烧结容器中，再将烧结容器放入真空烧结炉中进行高温晶界扩散热处理，制得稀土金属扩散烧结系钕铁硼磁体。本发明通过浸泡处理液，在磁控溅射后钕铁硼磁体表面形成薄薄的一层胶膜，使得在高温烧结扩散过程中磁体与磁体接触不会产生粘连现象，而且提高了装载量，提高了生产效率。磁体之间的彼此接触还提高了稀土金属的扩散效率，增加了磁体性能。

Description

一种磁控溅射烧结系钕铁硼磁体晶界扩散防粘连的处理方法

技术领域

本发明属于钕铁硼晶界扩散技术领域，特别涉及一种磁控溅射烧结系钕铁硼磁体晶界扩散防粘连的处理方法。

背景技术

烧结钕铁硼永磁材料具有相当高的内禀矫顽力和磁能积，广泛应用于电子、电力机械、医疗器械、玩具、包装、五金机械、航天航空等领域，较常见的有永磁电机、扬声器、磁选机、计算机磁盘驱动器、磁共振成像设备仪表等。

然而烧结钕铁硼的磁稳定性较差，阻碍了高新技术领域的应用与发展。为了提升钕铁硼的综合性能，目前通过采用掺入重稀土金属镝铽来提高钕铁硼的磁性能。由于Dy2Fe14B(Tb2Fe14B)相具有较高的各向异性场以及较低磁饱和强度，所以Dy(Tb)元素的加入能较大幅度提升矫顽力，提升磁体居里温度，从而改善磁体温度稳定性，从而使得烧结钕铁硼材料可以应用于更高的温度(如：汽车电机)。

但是，重稀土在地壳中的丰度很低，储量有限，导致重稀土价格很高，使得掺入重稀土制作高性能磁体的成本大大提高。因此，寻找一种降低重稀土使用量的方法引起了企业及业内学者的重视。目前较为实用且较为成熟的一种方法就是通过晶界扩散的方式形成具有(Dy，Nu)2Fe14B((Tb，Nu)2Fe14B)壳层的Nu2Fe14B主相，这种方式使用的重稀土含量稀少，提升的矫顽力明显，而剩磁基本不变。正由于这些优点，使得晶界扩散技术得到大规模应用，目前业内较为常见扩散的方法主要有：磁控溅射、喷涂涂覆、液相沉积等。对于磁控溅射法，是使用重稀土金属作为靶极，通过溅射磁束缚的等离子体将重稀土Dy(Tb)附着在磁体表面形成重稀土膜，再通过烧结扩散，使得重稀土进行磁体晶界形成壳层。在大批量生产时，为保证生产效率，磁控溅射后的磁体需要叠放装载送入烧结炉，但在高温扩散烧结过程时，在真空环境中，烧结温度达到了钕金属的熔点，会出现磁体富钕相液相，容易导致叠放的磁体与磁体的接触面上产生黏连，严重的会使的烧结后产品破损报废。目前工业上常用的方法是采用钼板或者其他材质作为磁体之间的隔层进行分层烧结，但由于分隔材料昂贵且密度较大，使得钕铁硼磁体的装载量下降，导致生产成本增加。因此寻找更好的烧结装载方式变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种钕铁硼在晶界扩散过程中防粘连的处理方法，通过通过配置的处理液在磁体表面形成胶膜，解决了在钕铁硼扩散过程中出现粘连的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种磁控溅射烧结系钕铁硼磁体晶界扩散防粘连的处理方法，所述方法为：将磁控溅射稀土金属薄膜层后的钕铁硼磁体浸入处理液中，所述处理液为乙醇、聚合物、粘结剂的混合物，然后取出浸泡后的磁体加热挥发溶剂，在磁体表面形成胶膜，再将形成胶膜的磁体紧密叠放，装入烧结容器中，再将烧结容器放入真空烧结炉中进行高温晶界扩散热处理，制得稀土金属扩散烧结系钕铁硼磁体。

所述处理液中，所述聚合物为聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙烯醇(PVA)，优选PEG，更优选PEG-6000。

所述粘结剂为聚酯改性有机硅树脂。

所述乙醇、聚合物、粘结剂的质量比为90：(8～1)：(2～9)，优选90:4:6。

本发明中，聚合物能溶于乙醇，并在高温分解较为彻底，所残留的物质较少，且存在聚合物的性质，易于形成网络状结构，使得胶膜覆盖稳定易得。

粘结剂是聚胺类高分子聚合物，其功能在于增强基体与胶膜层的结合力，使得胶膜彻底包覆磁体。

所述处理液的制备方法为：将乙醇、聚合物、粘结剂按比例混合后，加热到40℃-60℃溶解至溶液完全澄清，然后将混合溶液冷却至25～30度，并保持此温度，补充乙醇至原质量不变。

本发明中，磁控溅射稀土金属薄膜层后的钕铁硼磁体浸泡处理液的时间一般为1～2分钟。

浸泡后的磁体加热挥发溶剂时，加热温度一般为40℃～80℃(优选50～60℃)，低于聚合物的熔点，这样使得表面形成的胶膜更为稳定均匀。

本发明中，所述磁控溅射稀土金属薄膜层后的钕铁硼磁体中，所述磁控溅射为多弧辉光放电溅射，采用常规磁控溅射工艺即可，通过磁控溅射在钕铁硼磁体基体表面覆盖一层稀土金属薄膜层，所述稀土金属为Dy或Tb，其镀层厚度一般为5～15μm，且应随产品厚度增加而增大。

本发明中，所述烧结容器是指石墨盒、铁盒或钼盒。形状通常为上方开口的长方体盒子。

应根据钕铁硼磁体的规格尺寸选择最小面积面朝下进行摆放，使得摆放磁体的数量达到最大。例如钕铁硼磁体为薄片状时，将薄片竖立起来，最大面积处重叠，竖立摆放。

形成胶膜后的钕铁硼磁体通过人工或者机械设备竖立紧密叠放放入烧结容器中，由于磁体紧挨磁体，其表面形成的重稀土层可进行相互渗透，某种程度上增加了其扩散源Dy(Tb)的浓度。

所述方法中，高温晶界扩散热处理为真空环境，温度为850～950℃，时间为8～15小时。

所述高温晶界扩散热处理时，加热到600-700℃时，优选保温1-3小时再继续升温，因为在600-700℃时，磁体表面的胶膜有机物在高温下分解，在这个分解温度下应当进行必要的保温时间，保证炉体的真空度，降低产品的碳含量。

但胶膜有机物的分解也不是完全彻底分解，仍然有软颗粒附着在磁体表面，保证磁体和磁体之间不出现粘连现象。

高温晶界扩散热处理后，进行时效处理，其中时效环境为真空环境，时效温度为400～600℃，时间3～7小时。

本发明通过配置低氧元素的有机溶液，使得磁体扩散过程中形成薄薄的一层胶膜，使得在高温烧结扩散过程中磁体与磁体接触不会产生粘连现象，而且在扩散过程中装载时可以磁体相互直接接触，取代原有工艺的隔板分层材料，大大提高了装载量，装载量可提高60％以上，提高了生产效率，降低了生产成本，而且磁体之间的彼此接触还提高了稀土金属的扩散效率，在一定程度上增加了磁体性能：磁体的矫顽力有所提升。

附图说明

图1：金相显微结构图，其中(a)为磁控溅射前磁体切面；(b)为磁控溅射后磁体切面；(c)为浸泡烘干后磁体切面；(d)为高倍镜下浸泡烘干后磁体表面。

图2隔板分层与表面形成胶膜直接叠放装载方式对比效果图，其中图2(a)、(b)为隔板分层模式，其中(a)图为整体图，(b)图为分解示意图。图2(c)、(d)为形成胶膜后的叠放模式，其中(c)图为整体图，(d)图为俯视图。

具体实施方式

下面以实施例来对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

取自牌号为N45M，磁体规格为44.5*11.2*1.8mm的薄片状钕铁硼磁体；

将上述磁体通过除油、超声水洗、烘干，处理时间为20～30min；

将上述钕铁硼磁体在磁控溅射设备镀上一层厚度约2.5um的重稀土铽膜；

将乙醇、聚乙二醇聚合物、聚酯改性有机硅树脂粘结剂按照质量比90：4：6混合，加热到60℃溶解，形成澄清透明的溶液，然后将混合溶液冷却至25～30度，并保持此温度，补充乙醇至原质量不变，制得处理液，；

将上述钕铁硼磁体在浸没于上述处理液下1-2分钟，然后取出浸泡后的磁体加热至55℃挥发溶剂，在磁体表面形成胶膜；

将形成胶膜的磁体紧密摆放，放入烧结容器中，直接紧密接触摆放，如图2的(c)、(d)所示。其中(c)图为整体图，(d)图为俯视图，(d)图中，每个小方格代表一片磁体。

烧结容器是285X155X60mm石墨材质的四周封闭，上端开口长方体盒子，将形成胶膜的磁体薄片竖立起来，彼此平行叠放，竖立着放入烧结容器中，每个烧结容器中可以装载2058片磁体薄片。当然，烧结容器中不放满磁体也是可行的，但至少磁片要竖立装满容器的一条长边或者短边作为一排。

另外，将未浸泡处理液的钕铁硼磁体放置在烧结容器中，用隔板分层模式进行装载，作为对照组。装载方式如图2的(a)、(b)所示。其中(a)图为整体图，(b)图为分解示意图。

分层摆放时，隔板是285X155X1mm钼板，磁体薄片平放在隔板上，排列整齐，一层隔板最多可放84片磁体，然后将15个排放了磁体的隔板彼此平行叠放，放入烧结容器中，因此分层烧结一盒容器可装载1260片磁体。

通过对比，分层烧结一盒容器可装载1260片，而新型方式处理可装载2058片，装载量提升1.63倍，且在实际操作中还需要考虑烧结扩散炉的装载量，例如：某扩散炉装载量300kg，实际分层烧结过程中，还需考虑分层隔板自身重量，由此使得分层装载的装载量大大降低。

将装载好的两种烧结容器放于同一扩散炉中进行扩散烧结，环境为真空环境，升温过程中，在620℃进行2h的保温处理，扩散温度为940℃，扩散时间11h。

然后将上述钕铁硼在扩散炉中进行时效，其中时效环境为真空环境，时效温度为580℃，时效时间6h。

将扩散完后的产品进行磁性能及含碳量测试，所得结果如表1和表2所示。

表1为两种处理方式得到的磁性能

表1：两种处理工艺磁性能对比

其中Br为磁体剩磁，Hcj为磁体内禀矫顽力，(BH)max为磁体磁能积，Hk为磁体膝点矫顽力，Hk/Hcj为磁体方形度。

从表1可见形成胶膜后紧密接触摆放烧结的磁体的矫顽力性能较之未经处理隔板分层烧结的矫顽力性能提升约0.4KOe，其原因可能在于形成胶膜紧密摆放的方式使得产品表面与表面彻底接触，在高温状态下，胶膜分解，使得磁体之间进行交互扩散，变相提高了重稀土扩散源浓度。

表2为两种处理工艺的含碳量测试

表2：两种处理工艺氧碳氮含量对比

从表2对比数据可知，胶膜扩散工艺的含碳量及含氧量较隔板分层扩散较高，含碳量增加约42ppm，增加的含碳量也并不明显，这与理论结果相符合。

将磁控溅射前后以及浸泡烘干后的磁体切面进行金相显微观察并拍照，所得结果如图1所示：其中(a)为磁控溅射前磁体切面；(b)为磁控溅射后磁体切面；(c)为浸泡烘干后磁体切面；(d)为高倍镜下浸泡烘干后磁体表面根据图1显示，(b)图与(a)图厚度差约为2～3um，与此前磁控溅射设计值相符，而(c)图在(b)的基础上形成薄膜，其膜厚不到1um，而膜上凸点是由于烘干后胶膜收缩形成的，(d)图是在高倍镜下观察的，明显可见一层光亮的胶膜覆盖于磁体表面。

Claims

1.一种磁控溅射烧结系钕铁硼磁体晶界扩散防粘连的处理方法，其特征在于所述方法为:将磁控溅射稀土金属薄膜层后的钕铁硼磁体浸入处理液中，所述处理液为乙醇、聚合物、粘结剂的混合物，然后取出浸泡后的磁体加热挥发溶剂，在磁体表面形成胶膜，再将形成胶膜的磁体紧密叠放，装入烧结容器中，再将烧结容器放入真空烧结炉中进行高温晶界扩散热处理，制得稀土金属扩散烧结系钕铁硼磁体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理液中，所述聚合物为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇；所述粘结剂为聚酯改性有机硅树脂。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述乙醇、聚合物、粘结剂的质量比为90：8～1：2～9。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述处理液的制备方法为：将乙醇、聚合物、粘结剂按比例混合后，加热到40℃-60℃溶解至溶液完全澄清，然后将混合溶液冷却至25～30度，并保持此温度，补充乙醇至原质量不变。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述磁控溅射稀土金属薄膜层后的钕铁硼磁体浸泡处理液的时间为1～2分钟。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述浸泡后的磁体加热挥发溶剂时，加热温度为40℃～80℃。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成胶膜的磁体紧密叠放时，根据钕铁硼磁体的规格尺寸选择最小面积面朝下进行摆放，使得摆放磁体的数量达到最大。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述高温晶界扩散热处理为真空环境，温度为850～950℃，时间为8～15小时。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述高温晶界扩散热处理时，加热到600-700℃时，保温1-3小时再继续升温。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于高温晶界扩散热处理后，进行时效处理，时效环境为真空环境，时效温度为400～600℃，时间3～7小时。