发明内容
本发明为了解决现有技术中双合金法制备的钕铁硼磁体矫顽力较低的缺陷,从而提供一种复合主相系钕铁硼磁体材料及其制备方法。本发明的复合主相系钕铁硼磁体材料具有较高的矫顽力,且其制备方法可以工程化应用。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物,其包括第一类合金原料和第二类合金原料;其中,
所述第一类合金原料包括以下组分:轻稀土元素LR,10.0~33.0mas%;LR选自Y、La、Ce、Pr和Nd的一种或多种;重稀土元素HR,0~20.0mas%;HR选自Gd、Dy、Tb和Ho中的一种或多种;M,0.1~5.0mas%;M选自Co、Cu、Al和Ga中的一种或多种;X,0.05~0.7mas%;X选自Zr、Ti和Nb中的一种或多种;B,0.90~1.1mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比;
所述第二类合金原料包括以下组分:轻稀土元素LR,10.0~30.0mas%;LR包括Nd和/或Pr;重稀土元素HR,5.0~40.0mas%;HR为Dy和/或Tb;M,0.1~5.0mas%;M选自Co、Cu、Al和Ga中的一种或多种;X,0.1~4.5mas%;X选自Ti、Zr、Hf、Nb、W和Ta中的一种或多种;B,0.85~0.93mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比;
所述第二类合金原料占所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物的质量百分比为2.0~15.0mas%。
本发明中,较佳地,所述第一类合金原料中总稀土含量TRE为28.0~35.0mas%,例如30.35mas%、31.0mas%或31.05mas%。
本发明中,所述第一类合金原料中,所述LR的含量较佳地为26.0~30.0mas%,例如26.7mas%、28.4mas%或29.0mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述LR包含Nd时,所述Nd的含量较佳地为20.0~23.0mas%,例如20.96mas%、22.5mas%或22.72mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述LR包含Pr时,所述Pr的含量较佳地为5.0~7.5mas%,例如5.24mas%或5.68mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第一类合金原料中,所述LR包含Nd和Pr。更佳地,所述Nd的含量为20.96mas%,所述Pr的含量为5.24mas%;或者,所述Nd的含量为22.5mas%,所述Pr的含量为7.5mas%;或者,所述Nd的含量为22.72mas%,所述Pr的含量为5.68mas%;mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,所述HR的含量较佳地为1.0~4.5mas%,例如1.35mas%、2.6mas%或4.35mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述HR包含Dy时,所述Dy的含量较佳地为2.0~4.5mas%,例如2.6mas%或4.35mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述HR包含Gd时,所述Gd的含量较佳地为1.0~2.0mas%,例如1.35mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,所述M的含量较佳地为1.0~2.5mas%,例如1.4mas%、1.84mas%或2.1mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述M包含Ga时,所述Ga的含量较佳地为0.1~0.25mas%,例如0.14mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述M包含Al时,所述Al的含量较佳地为0.5~1.0mas%,例如0.7mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述M包含Cu时,所述Cu的含量较佳地为0.1~0.25mas%,例如0.15mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述M包含Co时,所述Co的含量较佳地为1.0~2.0mas%,例如1.55mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第一类合金原料中,所述M为Ga、Al、Cu和Co;其中,所述Ga的含量较佳地为0.25mas%,所述Al的含量较佳地为0.7mas%,所述Cu的含量较佳地为0.15mas%,所述Co的含量较佳地为1.0mas%。其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第一类合金原料中,所述M为Ga、Cu和Co;其中,所述Ga的含量较佳地为0.14mas%,所述Cu的含量较佳地为0.15mas%,所述Co的含量较佳地为0.15mas%。其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,所述X的含量较佳地为0.3~0.5mas%,例如0.32mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述M包含Zr时,所述Zr的含量较佳地为0.1~0.3mas%,例如0.12mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第一类合金原料中,当所述M包含Ti时,所述Ti的含量较佳地为0.1~0.3mas%,例如0.2mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第一类合金原料中,所述X为Zr;所述Zr的含量较佳地为0.3mas%。
较佳地,所述第一类合金原料中,所述X为Zr和Ti;所述Zr的含量较佳地为0.1mas%或0.12mas%,所述Ti的含量较佳地为0.2mas%。
本发明中,所述第一类合金原料中,所述B的含量较佳地为0.94~0.99mas%,例如0.97mas%或0.98mas%,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
在一较佳的实施方案中,所述第一类合金原料包括以下组分:Nd,20.96mas%;Pr,5.24mas%;Dy,4.35mas%;Ga,0.14mas%;Cu,0.15mas%;Co,1.55mas%;Zr,0.3mas%;B,0.97mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
在一较佳的实施方案中,所述第一类合金原料包括以下组分:Nd,22.5mas%;Pr,7.5mas%;Gd,1.35mas%;Ga,0.25mas%;Al,0.7mas%;Cu,0.15mas%;Co,1.0mas%;Zr,0.12mas%;Ti,0.2mas%;B,0.98mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
在一较佳的实施方案中,所述第一类合金原料包括以下组分:Nd,22.72mas%;Pr,5.68mas%;Dy,2.6mas%;Ga,0.25mas%;Cu,0.15mas%;Co,1.0mas%;Zr,0.1mas%;Ti,0.2mas%;B,0.97mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比。
本发明中,较佳地,所述第二类合金原料中总稀土含量TRE为31.5~45.0mass%,例如33.0mass%。
本发明中,所述第二类合金原料中,所述LR的含量较佳地为10.0~15.0mas%,例如13.0mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,当所述LR包含Nd时,所述Nd的含量较佳地为9.0~10.0mas%,例如9.75mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,当所述LR包含Pr时,所述Pr的含量较佳地为1.0~5.0mas%,例如3.25mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第二类合金原料中,所述LR为Nd和Pr,所述Nd的含量较佳地为9.75mas%,所述Pr的含量较佳地为3.25mas%;mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,所述HR的含量较佳地为15.0~25.0mas%,例如20.0mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第二类合金原料中,所述HR为Tb,所述Tb的含量为20.0mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第二类合金原料中,所述HR为Dy,所述Dy的含量为20.0mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,所述M的含量较佳地为2.0~3.0mas%,例如2.75mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,当所述M包含Ga时,所述Ga的含量较佳地为0.1~0.3mas%,例如0.25mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,当所述M包含Co时,所述Co的含量较佳地为2.0~3.0mas%,例如2.5mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
较佳地,所述第二类合金原料中,所述M为Ga和Co;其中,所述Ga的含量较佳地为0.25mas%,所述Co的含量较佳地为2.5mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料中,所述X的含量较佳地为0.1~0.5mas%,例如0.3mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。较佳地,所述第二类合金原料中,所述X为Zr。
本发明中,所述第二类合金原料中,所述B的含量较佳地为0.88~0.91mas%,例如0.9mas%,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
在一较佳的实施方案中,所述第二类合金原料包括以下组分:Nd,9.75mas%;Pr,3.25mas%;Tb,20.0mas%;Ga,0.25mas%;Co,2.5mas%;Zr,0.3mas%;B,0.9mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
在一较佳的实施方案中,所述第二类合金原料包括以下组分:Nd,9.75mas%;Pr,3.25mas%;Dy,20.0mas%;Ga,0.25mas%;Co,2.5mas%;Zr,0.3mas%;B,0.9mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比。
本发明中,所述第二类合金原料占所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物的质量百分比较佳地为2.5~10.0mas%,例如7.5mas%。
本发明中,所述第二类合金原料中HR含量较佳地为所述第一类合金原料中HR含量的3倍以上,更佳地为4~15倍。这样可以保证富钕相中有足够的HR形成壳层。
本发明中,较佳地,所述第二类合金原料中B含量低于所述第一类合金原料中B含量,所述第二类合金原料中总稀土含量TRE大于所述第一类合金原料中总稀土含量TRE。这样可以形成更多的富钕相,从而为烧结过程中HR向主相外延层的扩散提供通道。
在一更佳的实施方案中,所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物包括第一类合金原料和第二类合金原料;其中,所述第一类合金原料包括以下组分:Nd,20.96mas%;Pr,5.24mas%;Dy,4.35mas%;Ga,0.14mas%;Cu,0.15mas%;Co,1.55mas%;Zr,0.3mas%;B,0.97mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比;所述第二类合金原料包括以下组分:Nd,9.75mas%;Pr,3.25mas%;Tb,20.0mas%;Ga,0.25mas%;Co,2.5mas%;Zr,0.3mas%;B,0.9mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比;所述第二类合金原料占所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物的质量百分比为2.5mas%。
在一更佳的实施方案中,所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物包括第一类合金原料和第二类合金原料;其中,所述第一类合金原料包括以下组分:Nd,22.5mas%;Pr,7.5mas%;Gd,1.35mas%;Ga,0.25mas%;Al,0.7mas%;Cu,0.15mas%;Co,1.0mas%;Zr,0.12mas%;Ti,0.2mas%;B,0.98mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比;所述第二类合金原料包括以下组分:Nd,9.75mas%;Pr,3.25mas%;Dy,20.0mas%;Ga,0.25mas%;Co,2.5mas%;Zr,0.3mas%;B,0.9mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比;所述第二类合金原料占所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物的质量百分比为7.5mas%。
在一更佳的实施方案中,所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物包括第一类合金原料和第二类合金原料;其中,所述第一类合金原料包括以下组分:Nd,22.72mas%;Pr,5.68mas%;Dy,2.6mas%;Ga,0.25mas%;Cu,0.15mas%;Co,1.0mas%;Zr,0.1mas%;Ti,0.2mas%;B,0.97mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第一类合金原料中的质量百分比;所述第二类合金原料包括以下组分:Nd,9.75mas%;Pr,3.25mas%;Dy,20.0mas%;Ga,0.25mas%;Co,2.5mas%;Zr,0.3mas%;B,0.9mas%;余量为Fe;其中,mas%是指组分在所述第二类合金原料中的质量百分比;所述第二类合金原料占所述复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物的质量百分比为10.0mas%。
本发明还提供一种复合主相系钕铁硼磁体材料的制备方法,其包括以下步骤:
S1、将所述的复合主相系钕铁硼磁体材料的原料组合物中的所述第一类合金原料和所述第二类合金原料分别熔融后铸造,分别得第一类合金和第二类合金;
S2、将所述第一类合金和所述第二类合金分别氢破碎和微粉碎后混合,进行成型和烧结处理,即得所述复合主相系钕铁硼磁体材料。
本发明中,所述熔融、所述铸造、所述氢破碎、所述微粉碎、所述成型、以及所述烧结均为本领域常规操作方式和条件。
本发明中,所述熔融可按本领域常规的熔融,例如,在熔炼炉中熔炼即可。所述熔炼炉的真空度约为5×10-2Pa。所述熔炼的温度可为1300℃~1600℃,较佳地为1500℃~1550℃。
本发明中,所述铸造的工艺可为本领域常规的铸造工艺,例如薄带连铸法、铸锭法、离心铸造法或快淬法。
本发明中,所述氢破碎的工艺可为本领域常规的工艺。所述氢破碎的脱氢温度可为400℃~650℃,例如500~620℃。所述氢破碎的脱氢时间可为3~10小时。
本发明中,所述微粉碎的工艺可为本领域常规的微粉碎工艺。所述微粉碎较佳地在气流磨中进行。所述微粉碎较佳地在含氧气氛下进行;所述含氧气氛中氧含量可为80ppm以下,较佳地为50ppm以下。所述微粉碎后的粉末粒径D50可为1~20μm,较佳地为1~10μm,例如3.0~5.3μm。
本发明中,所述成型的条件可为本领域常规,例如在压机中压制成为生坯。所述压机的磁场强度较佳地为0.5T~3.0T,例如1.0~2.0T。所述压制的压力可为200~300MPa,例如260MPa。所述压制的时间可为本领域常规,可为3~30s,例如15s。
本发明中,所述烧结的条件可为本领域常规。所述烧结的温度可为1000℃~1150℃,较佳地为1050~1085℃。所述烧结的时间可为4~20小时。所述烧结的气氛较佳地为真空或氩气气氛。
本发明还提供一种复合主相系钕铁硼磁体材料,其根据所述复合主相系钕铁硼磁体材料的制备方法制备得到。
本发明中,所述复合主相系钕铁硼磁体材料包括第一主相、第二主相和晶界相;其中,所述第一主相为核壳结构,核为LR2T14B,壳为HR2T14B;所述第二主相为HR2T14B;所述晶界相包括富钕相、XB2相和R2T14相;
其中,R为LR和/或HR;
LR选自Y、La、Ce、Pr和Nd的一种或多种;
HR选自Gd、Dy、Tb和Ho中的一种或多种;
X选自Ti、Zr、Hf、Nb、W和Ta中的一种或多种;
T选自Fe、Ga、Cu和Co。
较佳地,所述复合主相系钕铁硼磁体材料中,LR为Pr和Nd;HR为Dy和Tb;X为Zr;T为Fe、Ga、Cu和Co。
较佳地,所述复合主相系钕铁硼磁体材料中,LR为Pr和Nd;HR为Dy和Gd;X为Zr和Ti;T为Fe、Ga、Cu和Co。
较佳地,所述复合主相系钕铁硼磁体材料中,LR为Pr和Nd;HR为Dy;X为Zr和Ti;T为Fe、Ga、Cu和Co。
本发明中,所述第一类合金提供第一主相LR2Fe14B,所述第二类合金提供第二主相HR2Fe14B。一方面,由于第一类合金和第二类合金均形成主相R2Fe14B,二者熔点接近,有利于在接近烧结温度时进行HR的迁移,即第二类合金中部分HR作为扩散源,在烧结的过程中通过熔融的富钕相向第一主相颗粒表层扩散,替代其中的LR,从而在第一主相表层形成重稀土壳层HR2Fe14B。另一方面,第二类合金中存在较高HR2Fe14B相,各向异性场高,钉扎周边区域的磁畴结构,此高HR2Fe14B相在磁体中的弥撒分布,使得整体磁畴壁的移动较为困难,从而提升磁体的抗退磁能力。所述复合主相系钕铁硼磁体材料通过高B保持高的主相占比(即较高的Br),同时通过高温元素X消除晶界处多余的B含量,在高温下富钕相中的X元素与B结合形成沉淀XB2,B基本富集于高X元素区域,使晶界处的Ga/Cu等元素加强流动,更充分包裹晶界,从而提高HcJ。本发明中,所述第二类合金与所述第一类类合金的晶界元素一致,减少了混料分布不均的风险,提高了性能的一致性。
在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于:
本发明通过构建复合主相搭配的方式,结合特定原料配比,在钕铁硼主相颗粒LR2T14B形成重稀土的壳层;同时通过主相颗粒HR2T14B在磁体中的弥散分布,提高整体的抗退磁能力;并通过高温元素X对晶界的净化作用,提高了富稀土的流动性,从三方面综合提高了钕铁硼磁体的抗退磁能力,从而在保证高剩磁(Br)的同时提高了磁体的内禀矫顽力(HcJ)。