CN114574806A - 一种稀土永磁材料表面耐蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种稀土永磁材料表面耐蚀涂层及其制备方法，通过磁控溅射和原位氧化/氮化处理在稀土永磁材料表面形成稀土氧化物/氮化物薄层。其制备方法包括如下步骤：(1)采用真空磁控溅射的方法，在稀土永磁材料表面沉积高丰度轻稀土La/Ce/Y/Nd单层膜或多层复合膜；(2)采用气氛热处理的方法，原位氧化/氮化生成表面耐蚀涂层。本发明将磁控溅射和原位氧化/氮化处理相结合，形成均匀、致密、稳定的涂层，可大幅提高稀土永磁材料的耐蚀性，延长材料服役寿命。

Description

一种稀土永磁材料表面耐蚀涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及腐蚀防护领域，具体涉及一种稀土永磁材料表面耐蚀涂层及其制备方法。
背景技术
稀土元素因其独特的4f电子结构，及优异的磁、光、电理化特性，被誉为“21世纪新材料宝库”，是发展新兴高科技产业和国防尖端技术不可或缺的关键战略资源。由4f稀土与3d过渡金属相结合所形成的稀土永磁材料，包括20世纪60年代开发的第一代SmCo5系，70年代开发的第二代Sm2Co17系和80年代开发的第三代Nd2Fe14B系，展现出不同于传统永磁材料的优异磁性能。譬如，NdFeB稀土永磁材料的磁能积是传统永磁铁氧体的近10倍。目前稀土永磁材料已广泛应用于能源、信息、交通、医疗、国防等领域，是应用最广泛的稀土功能材料，占稀土应用的40％以上，也是国民经济和国防建设的关键基础材料。
稀土永磁材料具有多相结构，以NdFeB为代表，主要包括Nd2Fe14B主相和富Nd晶界相，而分布于晶粒间的富Nd相电极电位远低于主相，在腐蚀介质中作为阳极优先溶解，呈现“小阳极大阴极”晶间腐蚀，磁体耐蚀性因而很差。表面防护和合金化是提高稀土永磁材料耐蚀性的常用方法。但是，电镀(如Ni，Zn)、化学镀(如Ni-P合金)和有机涂覆(如环氧树脂)等表面防护层往往存在镀层结合力和耐热性差、污染环境等缺点，而Cr/Al/Nb/Cu等合金化，抗蚀作用有限，且进入主相后会降低磁性能。因此，如何提高稀土永磁材料的耐蚀性，是工业应用中亟待解决的关键共性难题。
发明内容
本发明的目的是解决稀土永磁材料耐蚀性差的缺点，提供一种稀土永磁材料表面耐蚀涂层及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
通过磁控溅射和原位氧化/氮化处理在稀土永磁材料表面形成稀土氧化物/氮化物薄层，大幅提高稀土永磁材料的耐蚀性。其制备方法包括如下步骤：(1)采用真空磁控溅射的方法，在稀土永磁材料表面沉积高丰度轻稀土La/Ce/Y/Nd单层膜或多层复合膜；(2)采用气氛热处理的方法，原位氧化/氮化形成表面耐蚀涂层。
其中，真空磁控溅射的靶材包括高丰度轻稀土La、Ce、Y、Nd中的一种或几种，沉积后形成单层膜或多层复合膜。真空磁控溅射要求真空度为10-4～10-3Pa。气氛热处理的温度为300～500℃，气氛热处理的时间为0.5～5h，气氛热处理的气氛为氧气、氮气、氨气、水蒸气中的一种或几种。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的稀土永磁材料表面耐蚀涂层。
本发明与现有技术相比的有益效果：1)磁控溅射技术，具有无污染、均匀性好等优点，且沉积的薄层对磁性能影响较小；2)选用的靶材为高丰度轻稀土La、Ce、Y、Nd中的一种或几种，且以La、Ce、Y为主，不仅成本低，而且充分利用了La、Ce、Y在原位氧化/氮化过程中的成相规律和扩散动力学特征，在沉积薄层的基础上，通过气氛热处理原位生长厚度均匀、结合力强、化学稳定性强的致密涂层，避免微裂纹和低电位杂相的产生，隔绝磁体基体与水、氧等腐蚀环境的直接表面接触，从而显著提升磁体的耐蚀性。3)根据磁体基体的不同成分和结构，以及服役环境的不同，可针对性调整沉积的单层膜或多层膜，调整气氛热处理的温度、时间和气氛，可形成不同产物的涂层，兼顾与基体结合力、错配度、润湿性、疏水性、磁性能和力学性能，控制腐蚀通道及其扩展，是一种可大范围推广应用的技术。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不仅仅局限于以下实施例：
实施例1：
通过磁控溅射和原位氧化处理在钕铁硼稀土永磁材料表面形成稀土氧化物薄层，大幅提高稀土永磁材料的耐蚀性。钕铁硼磁体的成分，以质量百分数计，为(Pr0.2Nd0.8)30.2Fe67.8(Cu0.3Ga0.2Al0.35Nb0.15)1B1。其制备方法包括如下步骤：(1)采用真空磁控溅射的方法，选用高丰度轻稀土Nd和La金属靶材，真空度为5×10-4Pa，在钕铁硼表面沉积Nd/La双层膜，即先沉积高丰度轻稀土Nd膜(厚度300nm)，再沉积高丰度轻稀土La膜(厚度500nm)；(2)采用气氛热处理的方法，原位氧化形成表面耐蚀涂层，气氛热处理的温度为320℃，气氛热处理的时间为2h，气氛热处理的气氛为氧气。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，经磁控溅射和原位氧化处理的磁体，剩磁为13.8kG，矫顽力为14.5kOe。AMETEK电化学工作站测试结果显示，经磁控溅射和原位氧化处理的磁体，在3.5％NaCl溶液中，腐蚀电流为8μA/cm2。
对比例1：
与实施例1的不同之处在于，钕铁硼磁体未经磁控溅射和原位氧化处理。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，磁体的剩磁为13.8kG，矫顽力为14.4kOe，均与实施例1相近。AMETEK电化学工作站测试结果显示，在3.5％NaCl溶液中，磁体的腐蚀电流为92μA/cm2，较实施例1增大了一个数量级以上。
对比例2：
与实施例1的不同之处在于，钕铁硼磁体经磁控溅射，但未经原位氧化处理。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，磁体的剩磁为13.8kG，矫顽力为14.3kOe，均与实施例1相近。AMETEK电化学工作站测试结果显示，在3.5％NaCl溶液中，磁体的腐蚀电流为480μA/cm2，较实施例1增大了一个数量级以上。
对比例3：
与实施例1的不同之处在于，钕铁硼磁体经磁控溅射和原位氧化处理，但仅沉积Nd单层膜(厚度300nm)。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，磁体的剩磁为13.8kG，矫顽力为14.4kOe，均与实施例1相近。AMETEK电化学工作站测试结果显示，在3.5％NaCl溶液中，磁体的腐蚀电流为43μA/cm2，大于实施例1。
对比例4：
与实施例1的不同之处在于，钕铁硼磁体经磁控溅射和原位氧化处理，但仅沉积La单层膜(厚度500nm)。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，磁体的剩磁为13.4kG，矫顽力为10.8kOe，均低于实施例1。AMETEK电化学工作站测试结果显示，在3.5％NaCl溶液中，磁体的腐蚀电流为25μA/cm2，大于实施例1。
实施例2：
通过磁控溅射和原位氧化/氮化处理在高丰度稀土永磁材料表面形成稀土氧化物/氮化物薄层，大幅提高稀土永磁材料的耐蚀性。高丰度稀土永磁材料的成分，以质量百分数计，为(Ce0.5Y0.05Pr0.05Nd0.35Gd0.05)30.8Fe66.7(Cu0.1Co0.4Ga0.1Al0.15Zr0.25)1.5B1。其制备方法包括如下步骤：(1)采用真空磁控溅射的方法，选用高丰度轻稀土Ce金属靶材，真空度为3×10-3Pa，在钕铁硼表面沉积Ce单层膜(厚度400nm)；(2)采用气氛热处理的方法，原位氧化/氮化形成表面耐蚀涂层，气氛热处理的温度为500℃，气氛热处理的时间为0.5h，气氛热处理的气氛为氧气和氮气混合气。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，经磁控溅射和原位氧化/氮化处理的磁体，剩磁为12.0kG，矫顽力为7.3kOe。AMETEK电化学工作站测试结果显示，经磁控溅射和原位氧化/氮化处理的磁体，在3.5％NaCl溶液中，腐蚀电流为12μA/cm2。
对比例5：
与实施例2的不同之处在于，钕铁硼磁体未经磁控溅射和原位氧化/氮化处理。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，磁体的剩磁为12.0kG，矫顽力为7.4kOe，均与实施例2相近。AMETEK电化学工作站测试结果显示，在3.5％NaCl溶液中，磁体的腐蚀电流为180μA/cm2，较实施例2增大了一个数量级以上。
实施例3：
通过磁控溅射和原位氮化处理在1:12型稀土永磁材料表面形成稀土氮化物薄层，大幅提高稀土永磁材料的耐蚀性。1:12型稀土永磁材料的成分，以质量百分数计，为Sm8(Fe0.8Co0.2)73Ti8V8Ga1Al2。其制备方法包括如下步骤：(1)采用真空磁控溅射的方法，选用高丰度轻稀土Nd和Ce金属靶材，真空度为1×10-4Pa，在1:12型稀土永磁材料表面沉积Nd/Ce双层膜，即先沉积高丰度轻稀土Nd膜(厚度500nm)，再沉积高丰度轻稀土Ce膜(厚度800nm)；(2)采用气氛热处理的方法，原位氮化形成表面耐蚀涂层，气氛热处理的温度为500℃，气氛热处理的时间为0.5h，气氛热处理的气氛为氨气。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，经磁控溅射和原位氧化/氮化处理的磁体，剩磁为7.1kG，矫顽力为6.5kOe。AMETEK电化学工作站测试结果显示，经磁控溅射和原位氧化/氮化处理的磁体，在3.5％NaCl溶液中，腐蚀电流为18μA/cm2。
对比例6：
与实施例3的不同之处在于，1:12型稀土永磁材料未经磁控溅射和原位氮化处理。AMT-4永磁特性测量仪测试结果显示，磁体的剩磁为7.2kG，矫顽力为6.2kOe，均与实施例3相近。AMETEK电化学工作站测试结果显示，在3.5％NaCl溶液中，磁体的腐蚀电流为225μA/cm2，较实施例3增大了一个数量级以上。

Claims (7)

1.一种稀土永磁材料表面耐蚀涂层及其制备方法，其特征在于：通过磁控溅射和原位氧化/氮化处理在稀土永磁材料表面形成稀土氧化物/氮化物薄层，大幅提高稀土永磁材料的耐蚀性。其制备方法包括如下步骤：(1)采用真空磁控溅射的方法，在稀土永磁材料表面沉积高丰度轻稀土La/Ce/Y/Nd单层膜或多层复合膜；(2)采用气氛热处理的方法，原位氧化/氮化形成表面耐蚀涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：真空磁控溅射的靶材包括高丰度轻稀土La、Ce、Y、Nd中的一种或几种，沉积后形成单层膜或多层复合膜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：真空磁控溅射要求真空度为10-4～10- 3Pa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：气氛热处理的温度为300～500℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：气氛热处理的时间为0.5～5h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：气氛热处理的气氛为氧气、氮气、氨气、水蒸气中的一种或几种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法制备得到的稀土永磁材料表面耐蚀涂层。
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