CN114334415B - 一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法。本发明粉末成形之前，在粉末填充模具时分层添加扩散剂，即进行多层扩散，实现磁体成型的同时进行扩散处理，简化了生产工艺和能源消耗。与传统的表面晶界扩散相比，使用相同扩散剂质量进行扩散的情况下，矫顽力提升效果更好。磁体厚度继续增加，将扩散剂的层数做一定的增加可以使磁体达到期望的矫顽力强化效果。在厚磁体中，扩散剂在钕铁硼粉末中预置分层，减小了元素扩散的距离，扩散通道更加充足，有效保证了扩散效果。因此，分层扩散技术可以突破晶界扩散磁体厚度的限制，将晶界扩散工艺与成型或热加工工艺结合在一起，生产工艺简单，能源消耗低。

Description

一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法

技术领域

本发明属于钕铁硼永磁体制备技术领域，具体涉及一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法。

背景技术

钕铁硼(NdFeB)永磁具有优异的磁学性能，在电子信息、新能源汽车、节能家电、医疗设备、工业电机等传统产业和新兴产业中有着广泛的应用。从NdFeB磁体发明以来，提升矫顽力的努力一直没有停止过，但目前矫顽力值仍仅有各向异性场H_a的1/3。NdFeB在电机、马达等领域应用的环境温度可达180-200℃。钕铁硼磁体随着使用温度升高磁性能会迅速下降，这是磁性材料应用于高温环境下亟待解决的问题。为了解决矫顽力温度稳定性问题，重稀土元素Dy、Tb通常作为Nd₂Fe₁₄B基体的添加元素来提高各向异性场H_a和室温矫顽力。但是，由于重稀土与Fe的原子磁矩是反铁磁性耦合，这些元素的添加会降低剩磁和磁能积。更重要的是重稀土元素储量稀少，价格昂贵，Dy、Tb的添加显著增加材料成本。晶界扩散技术就是为了降低贵重稀土的使用，同时保证高的磁性能发展起来的新工艺。

晶界扩散是将扩散源加热到其熔点以上进行热处理，液态的扩散物质以晶界相为扩散通道渗透进入磁体中，进而与晶界相或主相发生一定的反应。晶界扩散的主要作用是润滑晶界，形成连续均匀的晶界相使主相分离，消除主相间的铁磁性耦合作用；消除磁体内部的孔洞提高致密度，弥补晶粒表面的缺陷消除退磁场形成；与主相晶粒发生反应，在主相晶粒表面形成高各向异性的硬磁壳层。但是，晶界扩散的概念是针对薄型磁体提出的，目前工业上将扩散剂置于磁体表面进行扩散。表面扩散的方式通常会造成稀土元素在磁体表面聚集，从而在表层主相晶粒周围形成过厚的壳层。据已有报道，一定厚度的重稀土壳层已能有效提升矫顽力，所以过厚的壳层造成了贵重稀土的不必要浪费。另一方面，目前在磁体晶界扩散的学术研究和工业生产中，大部分磁体的厚度都被限制在不到6mm。这是因为稀土元素沿晶界扩散的过程中，磁体未扩散部分和相邻的扩散部分的化学势差逐渐减小等原因，使得扩散在一定时间后逐渐达到饱和，扩散剂进入磁体内部的速率会大大降低。厚磁体的晶界扩散中，矫顽力的提升效果非常有限，远不能达到工业上的使用要求。

因此，如何将晶界扩散技术应用到厚磁体中，开发高效、低成本的工艺提高厚钕铁硼磁体矫顽力，是业内突破近年来晶界扩散技术瓶颈亟需解决的难题之一。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法，突破钕铁硼磁体厚度限制并提高磁体矫顽力的晶界扩散。本发明将扩散剂与钕铁硼磁粉分层叠放，然后烧结成整块厚磁体，实现晶界扩散和烧结成型过程同时进行。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法，包括以下步骤：

将钕铁硼磁粉与扩散剂粉末按照扩散剂粉末-钕铁硼磁粉-扩散剂粉末的顺序于模具中依次分层叠放5～13层，且层数为奇数，然后在真空环境或氮气或惰性气体氛围中烧结成型，实现晶界扩散。

优选地，所述钕铁硼磁粉来源没有特别限制，可以为快淬钕铁硼磁粉、HDDR磁粉、气流磨微米晶磁粉、烧结钕铁硼磁粉中的至少一种，更优选为快淬钕铁硼磁粉。

优选地，所述扩散剂粉末采用电弧熔炼+熔体快淬得到快淬条带，然后机械破碎成粉末。

优选地，所述扩散剂粉末为常用晶界扩散剂，即为重稀土HRE单质、稀土-过渡族金属合金RE-M和非稀土合金中的至少一种。

更优选地，所述重稀土HRE单质为Dy和Tb单质中的至少一种。

更优选地，所述稀土-过渡族金属合金RE-M，其中RE为Dy、Tb、Pr和Nd稀土元素中的至少一种，M为Al、Cu、Ni、Co、Mg和Zn中的至少一种。

更优选地，所述非稀土合金元素为Al、Cu、Ni、Co、Fe、Mg、Zn、Cr、Si、Nb和Mo中的至少两种。

进一步优选地，所述扩散剂粉末元素为Pr、Tb、Al和Cu；所述扩散剂粉末尺寸为60～100目。

优选地，所述扩散剂粉末的质量为钕铁硼磁粉质量的0.5～6％；每层扩散剂粉末质量相等，每层钕铁硼磁粉质量相等，每层钕铁硼磁粉厚度为2～8mm。更优选地，所述每层钕铁硼磁粉质量为6.33～19g。

优选地，所述分层叠放的层数为5～7层，且为奇数。

优选地，所述真空环境的真空度不超过5×10^-2Pa。

优选地，所述烧结成型的方法为传统粉末烧结、热压烧结、放电等离子烧结和热压变形中的至少一种，更优选为放电等离子烧结，所述放电等离子烧结成型方式具体为：将模具放入放电等离子烧结设备中，在真空环境或者氮气或惰性气氛中对多层粉末进行加压、加热、放电烧结得到厚烧结磁体。

更优选地，所述放电等离子烧结的条件为：施加压力为50～100MPa，温度为600～800℃，保温时间为5～60min。

更优选地，所述放电等离子烧结所得的磁体厚度＞8mm。

更优选地，所述热压变形的温度为600～800℃，时间为5～30min，热压变形程度为60～80％。

最优选地，所述烧结成型工艺为先进行放电等离子烧结，再进行热压变形处理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)突破了晶界扩散技术中磁体厚度的限制，通过调节扩散层层数和扩散剂成分可对磁体厚度和矫顽力提升做到可控、可调；

(2)多层晶界扩散技术对应用于其他多种钕铁硼磁体包括烧结钕铁硼磁体、粘接钕铁硼磁体、热压钕铁硼磁体、热压变形钕铁硼磁体，可以同样适用并取得类似的效果；

(3)本发明在磁体成型的过程中同时完成晶界扩散过程，节省了多余的能源消耗；

(4)相对于现有晶界扩散技术，多层扩散技术在磁体成型过程中同时辅以压力扩散，扩散剂在压力的辅助下进入主合金；未压实的钕铁硼磁粉为扩散源扩散提供更多的扩散通道，助于提高扩散效果；与传统的表面晶界扩散相比，使用相同扩散剂质量进行扩散的情况下，矫顽力提升效果更好；

(5)本发明方法过程简单，易于应用于行业生产中；在厚磁体中，扩散剂在钕铁硼粉末中预置分层，减小了元素扩散的距离，扩散通道更加充足，有效保证了扩散效果。因此，分层扩散技术可以突破晶界扩散磁体厚度的限制，将晶界扩散工艺与成型或热加工工艺结合在一起，生产工艺简单，能源消耗低。

附图说明

图1为对比例1～3磁体示意图，对比例1为(a)中磁体未添加扩散剂的示意图；对比例2为(b)中磁体添加2wt.％扩散剂并直接均匀混合，即传统原位晶界扩散技术中扩散剂放置示意图；对比例3为(c)中两端有扩散层，即传统表面晶界扩散技术中扩散剂放置示意图。

图2为实施例1～2中磁体扩散层放置示意图，各实施例中扩散剂总量相同，为磁粉总质量的2wt.％，实施例1为(a)中磁体两端和中心共有三层扩散层。每层扩散剂的质量为1/3倍扩散剂的总质量。实施例2为(b)中磁体两端和内部共有四层扩散层。每层扩散剂的质量为1/4倍扩散剂的总质量。

图3为实施例1～2烧结厚磁体的退磁曲线。

图4为实施例2和对比例1～3烧结厚磁体的退磁曲线。

图5为对比例4热压变形磁体变形前后示意图。

图6为实施例3热压变形磁体变形前后示意图。

图7为实施例3和对比例4热压变形磁体的退磁曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例将Pr-Tb-Al-Cu粉末放置于钕铁硼粉末上下表面和中部，三层彼此间距相同，采用放电等离子烧结制备厚烧结钕铁硼磁体：

(1)通过电弧熔炼制备含重稀土的Pr_60.83Tb_27.44Al_3.49Cu_8.23(wt.％)合金铸锭。

(2)将步骤(1)得到的合金锭分别进行重熔、快淬，得到相应的合金带材。

(3)将步骤(2)得到的合金带材进行粗破碎，得到60-100目的粉末。

(4)称取麦格昆磁产MQU-M磁粉19g，分为二等份，各9.5g；称取步骤(3)得到的扩散剂粉末0.38g，将扩散剂粉末分成三等份，各0.127g。

(5)将步骤(4)称取的粉末按扩散剂、磁粉、扩散剂、磁粉、扩散剂的顺序装入石墨模具中，每层粉末铺平。

(6)将步骤(5)装有样品的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行烧结。放电等离子烧结温度为650℃，施加压力为50MPa，保温保压时间为5min。烧结完成后，磁体随炉冷却取出，得到厚烧结磁体。

实施例2

本实施例将Pr-Tb-Al-Cu粉末放置于钕铁硼粉末上下表面、磁体1/3和磁体2/3的位置处，四层彼此间距相同，采用放电等离子烧结制备厚烧结钕铁硼磁体：

(1)通过电弧熔炼制备含重稀土的Pr_60.83Tb_27.44Al_3.49Cu_8.23(wt.％)合金铸锭。

(2)将步骤(1)得到的合金锭分别进行重熔、快淬，得到相应的合金带材。

(3)将步骤(2)得到的合金带材进行粗破碎，得到60-100目的粉末。

(4)称取麦格昆磁产MQU-M磁粉19g，分成三等份，各6.333g；称取步骤(3)得到的扩散剂粉末0.38g，将扩散剂粉末分成四等份，各0.095g。

(5)将步骤(4)称取的粉末按扩散剂、磁粉、扩散剂、磁粉、扩散剂、磁粉、扩散剂的顺序装入石墨模具中，每层粉末铺平。

(6)将步骤(5)装有样品的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行烧结。放电等离子烧结温度为650℃，施加压力为50MPa，保温保压时间为5min。烧结完成后，磁体随炉冷却取出，得到厚烧结磁体。

实施例3

本实施例将实施例2制备的厚烧结磁体用热压变形的方式获得热压变形钕铁硼磁体：

(1)通过实施例2制备过程获得厚烧结磁体。

(2)将步骤(1)得到的厚烧结磁体进行热压变形：将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行热压变形，热压变形温度为700℃，变形程度为70％，变形时间为30min。热压变形完成后，磁体随炉冷却取出，得到热压变形磁体。

对比例1

本对比例与实施例的不同之处在于不添加Pr-Tb-Al-Cu扩散粉末，仅含有钕铁硼磁粉，采用放电等离子烧结制备厚烧结钕铁硼磁体：

(1)称取麦格昆磁产MQU-M磁粉19g。

(2)将步骤(1)称取的粉末装入石墨模具中，粉末铺平。

(3)将步骤(2)装有样品的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行烧结。放电等离子烧结温度为650℃，施加压力为50MPa，保温保压时间为5min。烧结完成后，磁体随炉冷却取出，得到厚烧结磁体。

对比例2

本对比例与实施例的不同之处在于添加Pr-Tb-Al-Cu扩散粉末，与钕铁硼磁粉均匀混合，采用放电等离子烧结制备厚烧结钕铁硼磁体：

(1)通过电弧熔炼制备含重稀土的Pr_60.83Tb_27.44Al_3.49Cu_8.23(wt.％)合金铸锭。

(2)将步骤(1)得到的合金锭分别进行重熔、快淬，得到相应的合金带材。

(3)将步骤(2)得到的合金带材进行粗破碎，得到60-100目的粉末。

(4)称取麦格昆磁产MQU-M磁粉19g。称取步骤(3)得到的扩散剂粉末0.38g。钕铁硼磁粉和扩散剂粉末均匀混合。

(5)将步骤(4)称取的粉末装入石墨模具中。

(6)将步骤(2)装有样品的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行烧结。放电等离子烧结温度为650℃，施加压力为50MPa，保温保压时间为5min。烧结完成后，磁体随炉冷却取出，得到厚烧结磁体。

对比例3

本对比例将Pr-Tb-Al-Cu粉末放置于钕铁硼粉末上下表面，采用放电等离子烧结制备厚烧结钕铁硼磁体：

(1)通过电弧熔炼制备含重稀土的Pr_60.83Tb_27.44Al_3.49Cu_8.23(wt.％)合金铸锭。

(2)将步骤(1)得到的合金锭分别进行重熔、快淬，得到相应的合金带材。

(3)将步骤(2)得到的合金带材进行粗破碎，得到60-100目的粉末。

(4)称取麦格昆磁产MQU-M磁粉19g，称取步骤(3)得到的扩散剂粉末0.38g，将扩散剂粉末分成两等份，各0.19g。

(5)将步骤(4)称取的粉末按扩散剂、磁粉、扩散剂的顺序装入石墨模具中，每层粉末铺平。

(6)将步骤(5)装有样品的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行烧结。放电等离子烧结温度为650℃，施加压力为50MPa，保温保压时间为5min。烧结完成后，磁体随炉冷却取出，得到厚烧结磁体。

对比例4

本对比例将对比例2制备的磁体用热压变形的方式获得热压变形钕铁硼磁体：

(1)通过对比例2制备过程获得烧结磁体。

(2)将步骤(1)得到的磁体进行热压变形。将炉内气氛进行氩气清洗3次后抽至5×10^-3Pa以下后进行烧结。热压变形温度为700℃，变形程度为70％，变形时间为30min。热压变形完成后，磁体随炉冷却取出，得到热压变形磁体。

表1室温(20℃)下SPS实施例和对比例的密度和磁性能对比

表2室温(20℃)下热变形实施例和对比例的磁性能对比

本发明利用多层扩散Pr-Tb-Al-Cu与热加工过程同时进行的方法制备了矫顽力强化的放电等离子烧结厚钕铁硼稀土永磁体和热变形磁体。放电等离子烧结(SPS)磁体厚度约8.5mm，未经扩散的原始磁体(对比例)矫顽力H_c＝1.69T。经传统表面晶界扩散后，矫顽力提高0.2T，H_c＝1.89T。采用多层扩散技术扩散后，磁体密度略有降低，但磁体的矫顽力进一步提升。由三层和四层扩散剂分层扩散的SPS磁体，矫顽力分别提高到1.97T和2.04T。使用相同扩散剂质量进行扩散的情况下，多层扩散的矫顽力提升效果优于传统晶界扩散的效果。本发明的实施例说明，粉末成形之前，在粉末填充模具时分层添加扩散剂进行扩散更加有效提高磁体矫顽力的增幅。同时，假设磁体厚度需要继续增加，只需将扩散剂的层数做一定的增加，磁体同样可以达到期望的矫顽力强化效果。热变形磁体经传统混合原位扩散后，矫顽力H_c＝1.18T。采用四层扩散剂分层扩散的热变形磁体矫顽力提高到1.69T。传统的晶界扩散，重稀土元素与主相晶粒发生反应，形成了各向异性场强化的硬磁壳层。扩散剂扩散进入磁体也增加了晶界富稀土相，可以更好的隔绝两个硬磁相，减小之间的交换耦合作用，提高矫顽力。在厚磁体中，扩散剂在钕铁硼粉末中预置分层，减小了元素扩散的距离，扩散通道更加充足，有效保证了扩散效果。因此，分层扩散技术可以突破晶界扩散磁体厚度的限制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法，其特征在于，包括以下步骤：

将钕铁硼磁粉与扩散剂粉末按照扩散剂粉末-钕铁硼磁粉-扩散剂粉末的顺序于模具中依次分层叠放5～13层，且层数为奇数，然后在真空环境或氮气或惰性气体氛围中烧结成型，实现晶界扩散；

所述扩散剂粉末的质量为钕铁硼磁粉质量的0.5～6%；每层扩散剂粉末质量相等，每层钕铁硼磁粉质量相等，每层钕铁硼磁粉厚度为2～8 mm；

所述扩散剂粉末为Pr_60.83Tb_27.44Al_3.49Cu_8.23；所述扩散剂粉末尺寸为60～100目；

所述烧结成型为先进行放电等离子烧结，再进行热压变形处理；

所述真空环境的真空度不超过5×10^-2 Pa；

所述放电等离子烧结的条件为：施加压力为50～100 MPa，温度为600～800 ℃，保温时间为5～60 min；

所述热压变形的温度为600～800 ℃，时间为5～30 min，热压变形程度为60～80%。

2.根据权力要求1所述一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法，其特征在于，所述分层叠放的层数为5～7层，且为奇数。

3.根据权力要求1所述一种钕铁硼厚磁体的多层晶界扩散方法，其特征在于，所述钕铁硼磁粉为快淬钕铁硼磁粉、HDDR磁粉、气流磨微米晶磁粉、烧结钕铁硼磁粉中的至少一种。

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