CN114141469A - 一种高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高电阻率稀土热压永磁体，由永磁快淬粉和绝缘材料组成，其中绝缘材料主要成分为玻璃纤维，还包括其它复合添加绝缘材料；该永磁体的成分为：绝缘材料0.5wt％～12wt％，其余为永磁快淬粉；复合添加绝缘材料选自氧化物、过氧化物、稀土氧化物和氟化物，为具有流变特性的非晶态的绝缘包覆材料；在最终产品中，绝缘材料中玻璃纤维0.5wt％～12wt％，复合添加绝缘材料0～10％；该永磁体采用热压‑热流变方法制备，使热变形永磁颗粒表面连续均匀包覆上述绝缘材料。本发明通过匹配绝缘材料的晶化温度和磁粉的软化温度，利用绝缘材料的流动性，在流变应力的作用下，完成对磁粉的流变取向和包覆，得到高电阻率的永磁体。

Description

一种高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法
技术领域
本发明属于稀土永磁材料制备领域，涉及一种高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法。
背景技术
目前，稀土永磁体在电动机、发电机中的应用占得比重越来越大，在电机中，稀土永磁体主要作用是提供一个动态磁场。由于稀土永磁材料具有相当高的电导率，导致其服役过程中导致其服役过程中由于槽纹波、逆变器等产生较大的涡流损耗。在钕铁硼磁体中如果存在较大的涡流损耗，磁体的温度就会升高，甚至引起热退磁。随着电机功率、速度和永磁体体积的增加以及散热条件的日益恶化，永磁体中存在的涡流将引起较高的温度上升，对于极端情况，这将导致永磁体失磁，电机性能降低。
表1.1常用稀土永磁体电阻率
Figure BDA0003346753230000011
目前商业稀土永磁体的电阻率均在10-4～10-6Ω·cm范围，为了提高稀土永磁体的电阻率，需要对磁体中的主相晶粒或原料颗粒进行绝缘隔离，从磁体内部减少电子输运的途径，改善其抗涡流损耗的能力。此外，对块状磁体进行表面整体包覆绝缘，能有效降低由于集肤效应造成的较大的表层涡流损耗，达到局部降低涡流损耗的目的。
高电阻率稀土永磁体的主要类型有聚合物绝缘磁体、高电阻率热压磁体和高电阻率烧结磁体三种。
聚合物绝缘磁体类似于粘结磁体，利用有机绝缘聚合物作为粘接剂制备磁体。由于粘接剂为有机绝缘聚合物，使得磁体具有很大的电阻率。但是粘结磁体磁性能往往不足10MGOe，应用范围有限。
高电阻率烧结磁体按制备过程分为两种，第一种是无机材料参杂磁体，首先将所有磁粉和无机材料均匀混合，之后使用磁场取向压制成生坯，再进行烧结和回火处理。该方法制备的CaF2掺杂Nd-Fe-B磁体，最高电阻率约为400μΩ·cm。第二种是无机材料分层磁体，这种方法是在烧结磁体中构建无机绝缘分离层。制备时，在磁场取向压制过程中，采取先注入一半的磁粉，将注入磁粉进行平整，注入无机绝缘物，再注入剩余磁粉的顺序注粉。
高电阻率热压磁体是使用连续包覆绝缘层的磁粉，通过热压工艺制备磁体。参加对比文件：L.Zheng,W.Li,M.Zhu,L.Ye,W.Bi,Microstructure,magnetic and electricalproperties of the composite magnets of Nd-Fe-B powders coated with silicalayer,J.Alloys Compd.560(2013)80–83.https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2013.01.107，该对比文件通过液相化学合成法在磁粉表面包覆一定厚度的绝缘层，之后使用热压/热变形工艺制备Nd-Fe-B磁体。该种磁体绝缘层厚度为24nm、45nm和64nm时，电阻率和最大磁能积分别为260μΩ·cm、280μΩ·cm、280μΩ·cm和47.8MGOe、50.7MGOe、30.7MGOe。
无论烧结磁体还是热压磁体，虽经过改良但是电阻率相对变化不大，因此，亟待研究一种能够同时满足较强的磁性能和较高的电阻率的永磁磁体。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够同时满足较强的磁性能和较高的电阻率的高电阻率稀土热压永磁体。
本发明的另一目的是提出一种制备所述的高电阻率稀土热压永磁体的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高电阻率稀土热压永磁体，由永磁快淬粉和绝缘材料组成，所述绝缘材料为玻璃纤维和复合添加绝缘材料组成；该永磁体的成分按质量百分比为：绝缘材料0.5～12wt％，其余为永磁快淬粉；所述复合添加绝缘材料选自：氧化物CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Na2O、B2O3、P2O5、PbO中的至少一种，过氧化物Na2O2、K2O2、CaO2中的至少一种，稀土氧化物RE2O3、REO2中的至少一种，其中RE选自稀土元素Nd，Pr，Dy，Tb，Ho，Ce；氟化物KF、CaF2、Mg2F、REF2、REF3中的至少一种；或上述绝缘材料中的一种或至少两种的混合物或其相互之间所形成的化合物；所述复合添加绝缘材料为具有流变特性的非晶态的绝缘包覆材料；在最终产品中，以永磁体总质量计，绝缘材料含量为：玻璃纤维0～12％，复合添加绝缘材料0～12％；玻璃纤维和复合添加绝缘材料不同时为0；
该永磁体采用热压-热流变方法制备，得到永磁快淬粉变形表面连续均匀包覆有上述绝缘材料包覆层的磁体。
该永磁体的成分按质量百分比为：绝缘材料2～10wt％，其余为永磁快淬粉。
该永磁体的最终产品中，显微结构为热压永磁颗粒被非晶态绝缘物质层包覆，包覆层为所述绝缘物质，或上述绝缘材料中的一种或至少两种的混合物或其相互之间所形成的具有热流变性的非晶态绝缘包覆材料。
所述永磁快淬粉是NdFeB磁粉、CeFeB磁粉、SmFeN磁粉、SmCo磁粉、高Co磁粉等磁粉中的一种或至少两种的混合物。
所述永磁快淬粉的组成为：Nd2Fe14B相、Ce2Fe14B相、Sm2Fe17N相、SmCo5相、Sm2Co17相中任意一种或两种及以上的组合。
所述绝缘材料中的玻璃纤维为硼硅玻璃纤维、铅硅酸盐玻璃纤维、铅硅玻璃纤维、硅钙玻璃纤维粉末等玻璃纤维中的至少一种或两种及以上的组合。
最终产品中，永磁快淬粉表面绝缘材料包覆层的厚度为0.1～2μm。
该永磁体在热变形过程中具有以下取向特征：磁体的取向趋于<002>晶向。
所述永磁快淬粉的磁体片层周围绝缘材料的包覆率≥85％。
该永磁体具有以下性能的组合：最大磁能积(BH)Max为20～45MGOe；电阻率≥1mΩ·cm，并且其电阻率具有各向异性。
一种制备所述的高电阻率稀土热压永磁体的方法，该方法包括以下步骤：合金冶炼、快淬粉制备、添加绝缘材料、机械混粉、热压-热流变，其中：
在机械混粉步骤中，将永磁快淬粉、绝缘材料均匀混合；
在热压-热流变步骤中，所得混匀物料在绝缘材料晶化温度之上30℃～50℃进行热压处理，得到致密的坯料；然后将所述致密的坯料在热流变温度磁粉软化温度之上10℃～50℃进行热流变处理，热压-热流变压力范围为20-100MPa，得到高电阻率磁体。
绝缘材料通过热压-热流变过程中率先熔化，通过在晶界间流动、完成对磁粉的包覆，使非静态的绝缘材料包覆在磁性材料周围，得到包覆层<2μm的高电阻率磁体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.制备技术简化。不同于现有技术，本发明中包覆过程是利用热流变时，绝缘材料发生软化，在流变应力的作用下发生流变，完成对磁粉的包覆。现有技术为先采用高能球磨、湿法包覆等手段使绝缘材料在磁粉表面完成包覆后，再进行热压-热流变。
2.工艺操作性高。本发明对绝缘材料成分范围要求较宽，凡是绝缘材料或通过调整的绝缘材料的晶化温度可以和磁粉热压温度相契合，都可以采用本发明所述的方法制备。
3.包覆效果好。现有技术通常采用高能球磨、湿法包覆等手段使绝缘材料在磁粉表面完成包覆，但在热流变过程中，由于外力的作用使绝缘材料发生破碎剥离，造成绝缘材料包覆不完整，电阻率提升效果不明显。本发明考虑绝缘材料的晶化温度和磁粉的软化温度相匹配，利用绝缘材料的流动性在流变应力的作用下发生流变，完成对磁粉的包覆。
中国专利公开号CN111243813A涉及一种高电阻热压磁体，但是其添加的绝缘材料为有确定晶体结构的结晶态材料，与本发明中的非晶态材料有本质的不同。中国专利公开号CN101740193 B中所涉及的绝缘磁体为粘结磁体，其涉及磁体类型本身与本发明所涉及的磁体类型完全不同；并且专利CN101740193 B中所使用的绝缘材料为有机树脂，与本发明中添加的绝缘材料也完全不同。
附图说明
图1为本发明的热压/热变形永磁体<002>取向极图。
图2为本发明的永磁体中，绝缘材料包覆效果示意图。
图3是对对比例1和本发明实施例10-18制备的样品的电阻率测试。
图4中的a、b、c分别为本发明实施例10-12样品组织SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。但是需要注意的是，以下实施例只为说明目的，本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法，其中，该方法中添加的绝缘材料包括但不限于由玻璃纤维和以下复合添加绝缘材料中的一种或多种组合构成的具有流变特性的非晶态的绝缘包覆材料。其中，上述复合添加的绝缘材料包括但不限于CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Na2O、B2O3、P2O5、PbO等氧化物；包括但不限于Na2O2、K2O2、CaO2、等过氧化物；包括但不限于RE2O3、REO2等稀土氧化物，其中RE包括但不限于Nd，Pr，Dy，Tb，Ho，Ce等稀土元素中的一种或几种；包括但不限于KF、CaF2、Mg2F、REF2、REF3等氟化物，其中RE包括但不限于Nd，Pr，Dy，Tb，Ho，Ce等稀土元素中的一种或几种；或上述绝缘材料中的一种或至少两种的混合物或其相互之间所形成的具有热流变性的非晶态绝缘包覆材料。所述复合添加绝缘材料为具有流变特性的非晶态的绝缘包覆材料；在最终产品中，以永磁体总质量计，玻璃纤维0～12％，复合添加绝缘材料0～12％；玻璃纤维和复合添加绝缘材料不同时为0。该高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法至少包括合金冶炼、快淬粉制备、添加绝缘材料、机械混粉、热压-热流变等工序。其中的快淬粉可以是NdFeB磁粉、CeFeB磁粉、SmFeN磁粉、SmCo磁粉等磁粉中的一种或至少两种的混合物。快淬粉的主相成分中至少存在Nd2Fe14B相、Ce2Fe14B相、Sm2Fe17N相、SmCo5相Sm2Co17相中的一种或两种及以上的组合。
该高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法，包括以下步骤：
步骤a、将磁粉、绝缘材料均匀混合，
步骤b、将步骤a中所得物料在适当的条件下进行热压处理，得到致密的坯料。
步骤c、将步骤b中所得的坯料在适当的条件下进行热流变处理，得到高电阻率磁体。
该高电阻率稀土热压永磁体及其制备方法所制备的磁体，其特征在于，绝缘材料通过热压-热流变过程完成对磁粉的包覆。
该高电阻率稀土热压永磁体，绝缘材料包覆厚度不超过2μm。
本发明方法所制备的高电阻率稀土热压永磁体，定义其磁体片层周围绝缘材料的连续程度为包覆率，其中，包覆率≥85％。
本发明方法所制备的高电阻率稀土热压永磁体，其原料快淬粉和绝缘材料的质量配比为100:0.1～20。
本发明方法所制备的磁体，热压温度为绝缘材料晶化温度之上30℃～50℃，热流变温度磁粉软化温度之上30℃～50℃。
本发明方法所制备的磁体，其矫顽力Hcj＞8000Oe，剩磁Ms＞10000，最大磁能积(BH)Max＞20MGOe。通常为30-35MGOe，最高为>42MGOe。
本发明方法所制备的磁体，磁体在热变形过程中具有取向作用，其取向特征在于，变形磁体的取向趋于<002>晶向，如图1所示。
本发明方法所制备的磁体，其电阻率在1mΩ·cm以上，并且其电阻率具有各向异性。
下面是本发明的实施例。
实施例1
一种高电阻磁粉，包括以下质量分数的原料制得：
NdFeB磁粉100g、硼硅玻璃纤维5g。
选用硼硅玻璃纤维与NdFeB混合，热压-热流变时玻璃纤维软化进入磁粉间隙，完成对磁粉的包覆，使磁体电阻率得到提高，得到的这种磁体具有较高的电阻率和较高的磁性能。
实施例2
一种高电阻磁粉，包括以下质量分数的原料制得：
NdFeB磁粉100g、PbO粉末1g，SiO2粉末9g、玻璃纤维5g。
在热压-热流变时，选用PbO粉末和SiO2粉末混合添加，使得混合粉末的热流变性能提高，容易形成连续包覆，进一步提高磁体电阻率，这种磁体具有较高的电阻率和较高的磁性能。
实施例3
磁粉与绝缘材料质量比为100g：10g，其中，绝缘材料为铅硅酸盐玻璃纤维8g，以及NdF3 2g的混合物。
在热压-热流变时，选用铅硅酸盐玻璃纤维粉末混合添加，使得混合粉末的热流变性能提高，容易形成连续包覆，进一步提高磁体电阻率；NdF3通常用来调节磁体富稀土相和晶粒的形态，并且氟元素被认为不会残留在磁体当中，本实施例中添加NdF3除了使磁体具有较高的电阻率还可以保证较高的磁性能。实验样品按上述配比，实际生产可按照上述比例放大。
实施例4
磁粉与绝缘材料质量比为100g：20g，其中绝缘材料为铅硅玻璃纤维粉。
铅硅玻璃具有独特的高体积电阻，且与金属有良好的浸润性，作为绝缘材料可提供良好的绝缘性以及良好的包覆效果。
实施例5
一种高电阻磁粉，包括以下质量分数的原料制得：
NdFeB磁粉100g、Dy2O3粉末3g、玻璃纤维10g。
氧化镝可以作为钕铁硼系永磁体的添加剂使用，在这种磁体中添加2～3％左右的镝，可提高其矫顽力。
实施例6
一种高电阻磁粉，包括以下质量分数的原料制得：
NdFeB磁粉100g、CaF2粉末0.1g、玻璃纤维15g。
实施例7
一种热压-热流变磁体，按质量分数包括以下原料：
实施例1所述的高电阻磁粉25g。
该热压-热流变磁体样品的剩磁为11.12kGs，矫顽力为12.18kOe，磁能积为31.25MGOe，电阻率为1.2mΩ·cm，绝缘材料包覆厚度0.9μm左右。
实施例8
一种热压-热流变磁体，按质量分数包括以下原料：
实施例2所述的高电阻磁粉25g。
该热压-热流变磁体样品的剩磁为12.52kGs，矫顽力为11.60kOe，磁能积为45.09MGOe，电阻率为1.9mΩ·cm，绝缘材料包覆厚度1.1μm左右。
实施例9
一种高电阻磁粉，包括以下质量分数的原料制得：
磁粉与绝缘材料质量比为100g：10g，其中，绝缘材料以SiO2含量为主，还含有15％的Na2O和16％的CaO，本实施例是利用复合添加材料形成非晶态的非金属包覆层。
实施例10
一种热压-热流变磁体样品，按质量分数包括以下原料：
实施例8所述的高电阻磁粉25g
该热压-热流变磁体样品的剩磁为4.21kGs，矫顽力为8.15kOe。优选的，电阻率为1.97mΩ·cm，绝缘材料包覆平均厚度为2μm以下，磁能积为21.62MGOe。
对比例1
制备热压磁体(不添加绝缘材料)
采用热压磁粉25g，在550℃下进行热压，在850℃下进行热变形，得到最终样品。
实施例11-19
实施11-19为采用对比例1中同样的参数进行制备得到的样品，区别是分别加入了2％、5％、10％的绝缘材料，其中，绝缘材料为硅钙玻璃纤维粉。
表1为对比例1和实施例11-19制备的样品的原料及其配比
Figure BDA0003346753230000101
Figure BDA0003346753230000111

Claims (12)

1.一种高电阻率稀土热压永磁体，由永磁快淬粉和绝缘材料组成，其特征在于，所述绝缘材料为玻璃纤维和复合添加绝缘材料组成；该永磁体的成分按质量百分比为：绝缘材料0.5～12wt％，其余为永磁快淬粉；所述复合添加绝缘材料选自：氧化物CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Na2O、B2O3、P2O5、PbO中的至少一种，过氧化物Na2O2、K2O2、CaO2中的至少一种，稀土氧化物RE2O3、REO2中的至少一种，其中RE选自稀土元素Nd，Pr，Dy，Tb，Ho，Ce；氟化物KF、CaF2、Mg2F、REF2、REF3中的至少一种；或上述绝缘材料中的一种或至少两种的混合物或其相互之间所形成的化合物；所述复合添加绝缘材料为具有流变特性的非晶态的绝缘包覆材料；在最终产品中，以永磁体总质量计，绝缘材料含量为：玻璃纤维0～12％，复合添加绝缘材料0～12％；玻璃纤维和复合添加绝缘材料不同时为0；
该永磁体采用热压-热流变方法制备，得到永磁快淬粉变形表面连续均匀包覆有上述绝缘材料包覆层的磁体。
2.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，该永磁体的成分按质量百分比为：绝缘材料2～10wt％，其余为永磁快淬粉。
3.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，该永磁体的最终产品中，显微结构为热压永磁颗粒被非晶态绝缘物质层包覆，包覆层为所述绝缘物质，或上述绝缘材料中的一种或至少两种的混合物或其相互之间所形成的具有热流变性的非晶态绝缘包覆材料。
4.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，所述永磁快淬粉是NdFeB磁粉、CeFeB磁粉、SmFeN磁粉、SmCo磁粉、高Co磁粉等磁粉中的一种或至少两种的混合物。
5.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，所述永磁快淬粉的组成为：Nd2Fe14B相、Ce2Fe14B相、Sm2Fe17N相、SmCo5相、Sm2Co17相中任意一种或两种及以上的组合。
6.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，所述绝缘材料中的玻璃纤维为硼硅玻璃纤维、铅硅酸盐玻璃纤维、铅硅玻璃纤维、硅钙玻璃纤维粉末等玻璃纤维中的至少一种或两种及以上的组合。
7.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，最终产品中，永磁快淬粉表面绝缘材料包覆层的厚度为0.1～2μm。
8.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，该永磁体在热变形过程中具有以下取向特征：磁体的取向趋于<002>晶向。
9.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，所述永磁快淬粉的磁体片层周围绝缘材料的包覆率≥85％。
10.如权利要求1中所述的永磁体，其特征在于，该永磁体具有以下性能的组合：最大磁能积(BH)Max为20～45MGOe；电阻率≥1mΩ·cm，并且其电阻率具有各向异性。
11.一种制备如权利要求1所述的高电阻率稀土热压永磁体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：合金冶炼、快淬粉制备、添加绝缘材料、机械混粉、热压-热流变，其中：
在机械混粉步骤中，将永磁快淬粉、绝缘材料均匀混合；
在热压-热流变步骤中，所得混匀物料在绝缘材料晶化温度之上30℃～50℃进行热压处理，得到致密的坯料；然后将所述致密的坯料在热流变温度磁粉软化温度之上10℃～50℃进行热流变处理，热压-热流变压力范围为20-100MPa，得到高电阻率磁体。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，绝缘材料通过热压-热流变过程中率先熔化，通过在晶界间流动、完成对磁粉的包覆，使非静态的绝缘材料包覆在磁性材料周围，得到包覆层<2μm的高电阻率磁体。
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