CN116580911A - 制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法及其制备的钕铁硼磁体 - Google Patents
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Abstract
一种制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法及其制备的钕铁硼磁体，其中该方法步骤包括：将钕铁硼毛坯加工成具有规格厚度的待扩散磁体；利用低熔点重稀土合金靶材通过磁控溅射工艺在待扩散磁体表面形成一层低熔点重稀土合金膜层；将表面形成有低熔点重稀土合金膜层的待扩散磁体置入真空扩散炉中进行真空热处理，同时在待扩散磁体的厚度方向上施加低频弱交变磁场，以使低熔点重稀土合金膜层中的低熔点金属原子与重稀土原子在高温热场与低频弱交变磁场的作用下扩散至待扩散磁体内部；将经扩散后的待扩散磁体进行回火处理，以得到具有高矫顽力的钕铁硼磁体。本方法可调整钕铁硼磁体晶粒的微观结构，降低晶格缺陷，实现晶界扩散在更大厚度钕铁硼磁体中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及稀土永磁材料制备技术领域，尤其是涉及一种制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法及其制备的钕铁硼磁体。
背景技术
第三代永磁材料钕铁硼磁体因其具有优异的磁性能而被广泛应用于发电机、变压器、执行器和能量采集器等设备当中。近年来钕铁硼永磁材料的应用更是扩展到了航空航天、数控机床、机器人、先进轨道、风力发电、新能源汽车等领域。而随着应用领域的扩展，对于钕铁硼磁体的性能要求也越来越高，尤其是在极端工况下对磁体矫顽力提出了更高的要求。其中矫顽力(coercive force)是指磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，反向磁场强度称为矫顽力。
目前，应用晶界扩散重稀土技术是提高钕铁硼磁体矫顽力的主流技术，该技术对于重稀土的用量较少，在晶界扩散后钕铁硼磁体的矫顽力能够得到显著提升且剩磁损失较少。但是现有的晶界扩散重稀土技术却存在着晶界扩散深度不足的问题，且容易因扩散源在钕铁硼磁体内部不同位置浓度差异较大，造成钕铁硼磁体的方形度较差，这也限制了该技术在较厚的钕铁硼磁体上的应用。一般而言，应用现有的晶界扩散重稀土技术可使晶界扩散后的重稀土元素分布在距钕铁硼磁体表面0至200μm的范围内，而为了增加晶界扩散深度，制造商通常会采用选区扩散技术或两步扩散技术，但是该些扩散技术的操作工艺十分繁复，不仅增加人工操作成本，而且难以适用钕铁硼磁体的批量化生产。另外，制作钕铁硼磁体用的烧结钕铁硼毛坯是采用粉末冶金工艺制作而成，该烧结钕铁硼毛坯在材料合成过程中通常会产生大量的晶格缺陷，这也是制约钕铁硼磁体磁性能难以进一步提升的主要因素之一。
因此，如何提高晶界扩散中的晶界迁移率，并能够调整晶粒微观结构和晶界特征分布以降低晶格缺陷，从而提高钕铁硼磁体矫顽力，已成为本领域亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本技术方案要解决的技术问题是，如何在应用晶界扩散重稀土技术实施晶界迁移的过程中能够提供额外的驱动力以提升晶界迁移率，并能够调整钕铁硼磁体近表面区域的晶粒微观结构和晶界特征分布，降低晶格缺陷，从而提高钕铁硼磁体的矫顽力。
为解决上述技术问题，本技术方案提供了一种制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法，其步骤包括：备料步骤：将钕铁硼毛坯加工成具有规格厚度的待扩散磁体；镀膜步骤：利用低熔点重稀土合金靶材通过磁控溅射工艺在待扩散磁体的表面形成一层低熔点重稀土合金膜层；扩散步骤：将表面形成有低熔点重稀土合金膜层的待扩散磁体置入真空扩散炉中进行真空热处理，同时在待扩散磁体的厚度方向上施加低频弱交变磁场，以使低熔点重稀土合金膜层中的低熔点金属原子与重稀土原子在高温热场与低频弱交变磁场的作用下扩散至待扩散磁体内部；回火步骤：将经扩散后的待扩散磁体进行回火处理，以得到具有高矫顽力的钕铁硼磁体。本技术方案利用低熔点重稀土合金优异的浸润性，在对待扩散磁体进行真空热处理过程中能够降低重稀土原子进入主相晶粒的比率并使低熔点金属原子与重稀土原子可在温度不高的条件下扩散至较深的深度，同时利用低频弱交变磁场增加低频磁场扰动以为晶界迁移提供额外的驱动力，不仅能够进一步增加上述原子的扩散范围(深度)而提升晶界迁移率，而且能够调整待扩散磁体近表面区域的晶粒微观结构和晶界特征分布，以修复钕铁硼毛坯在材料合成过程中产生的晶格缺陷，进而提高钕铁硼磁体的矫顽力。
作为本技术方案的另一种实施，上述备料步骤中，待扩散磁体的规格厚度为2至12mm。
作为本技术方案的另一种实施，上述镀膜步骤中，低熔点重稀土合金靶材是由镝铜合金或铽铜合金制成。
作为本技术方案的另一种实施，镝铜合金中镝与铜的元素质量比为85％：15％，铽铜合金中铽与铜的元素质量比为85％：15％。
作为本技术方案的另一种实施，上述镀膜步骤中，表面形成有低熔点重稀土合金膜层的待扩散磁体重量增加控制在0.1％至0.8％。
作为本技术方案的另一种实施，上述扩散步骤中，真空热处理的真空度为1×10-4至1×10-3Pa，温度为700至890℃，保温时间为5至10h。
作为本技术方案的另一种实施，上述扩散步骤中，低频弱交变磁场的磁场强度为0.01至0.3T，频率为5至15Hz。
作为本技术方案的另一种实施，上述回火步骤中，回火处理的真空度为1×10-4至1×10-3Pa，温度为300至500℃，保温时间为2至5h。
作为本技术方案的另一种实施，于上述备料步骤后还包括清洁步骤：将待扩散磁体的表面进行除油、酸洗、水洗及干燥，以得到表面洁净的待扩散磁体。
本技术方案还提供了一种应用上述方法制备的具有高矫顽力的钕铁硼磁体。
相较于应用现有的晶界扩散重稀土技术制备的钕铁硼磁体，本方案制备的钕铁硼磁体具有低熔点金属原子与重稀土原子扩散范围更广，近表面区域晶格缺陷较低，剩磁损失少，矫顽力高的优点。
附图说明
图1为本发明制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法步骤图；
图2为本发明中的实施例1施加的弱交变磁场的波形图。
附图中的符号说明：
S1备料步骤；S2镀膜步骤；S3扩散步骤；S4回火步骤。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图式说明如下，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
在本说明书的上下文中，本发明的任何两个或多个实施方式都可以任意组合，由此而形成的技术方案属于本说明书原始公开内容的一部分，同时也落入本发明的保护范围。
经本发明人研究发现，在材料合成过程中，如施加低频弱交变磁场可为材料合成提供额外的自由度以定制材料的微观结构与性能。而在烧结钕铁硼晶界扩散重稀土过程中，如对钕铁硼磁体施加低频弱交变磁场则可增加低频磁场扰动，为晶界迁移提供额外的驱动力并可调整晶粒微观结构和晶界的特征分布，实现独立于化学性质的晶界迁移率改变，进而大幅降低晶格缺陷并可显著提升成品磁体的磁性能。
为此，本发明提供一种制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法，用以提升钕铁硼磁体的矫顽力。如图1所示，该制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法(以下简称该方法)的步骤包括：
备料步骤S1：将钕铁硼毛坯加工成具有规格厚度的待扩散磁体。
镀膜步骤S2：利用低熔点重稀土合金靶材通过磁控溅射工艺在待扩散磁体的表面形成一层低熔点重稀土合金膜层。
扩散步骤S3：将表面形成有低熔点重稀土合金膜层的待扩散磁体置入真空扩散炉中进行真空热处理，同时在待扩散磁体的厚度方向上施加低频弱交变磁场，以使低熔点重稀土合金膜层中的低熔点金属原子与重稀土原子在高温热场与低频弱交变磁场的作用下扩散至待扩散磁体内部。
回火步骤S4：将经扩散后的待扩散磁体进行回火处理，以得到具有高矫顽力的钕铁硼磁体。
本方法是在待扩散磁体的厚度方向上于其外部施加稳定的低频弱交变磁场，该低频弱交变磁场能够为晶界迁移提供额外的电磁搅拌力，该电磁搅拌力可以发挥如下几个方面的作用：1)、使真空热处理过程中的热量传输和原子扩散更为均匀，以极大地减少中心偏析、中心缩孔等内部缺陷的产生；2)、额外的电磁能量的输入可显著地降低低熔点金属原子与重稀土原子扩散势垒，进而增加低熔点重稀土合金的扩散深度；3)、增大了熔融态富钕相的流动性，使富钕相对主相晶粒的包覆程度得到提升；4)、电磁搅拌力还可以抑制真空热处理过程中晶粒的重结晶与再长大。
更具体而言，上述备料步骤S1中，该待扩散磁体的规格厚度为2至12mm，而对于其长度和宽度并无限定。由于低频弱交变磁场是于待扩散磁体的厚度方向上施加于其上表面及下表面，因此，该低频弱交变磁场主要是辅助该待扩散磁体厚度方向上的上表面及下表面的低熔点金属原子与重稀土原子向内扩散。当然该待扩散磁体其它表面的上述原子也会在热场的作用下向内扩散，但该待扩散磁体于厚度方向上的上、下表面的原子扩散深度要大于其它表面原子的扩散深度。
上述镀膜步骤S2中，低熔点重稀土合金靶材是由镝铜合金或铽铜合金制成。其中，镝铜合金中，镝与铜的元素质量比为85％：15％；铽铜合金中，铽与铜的元素质量比为85％：15％。另外，镀膜后的待扩散磁体的增重一般控制在0.1％至0.8％。
上述扩散步骤S3中，真空热处理时的真空度为1×10-4至1×10-3Pa，温度为700至890℃，保温时间为5至10h。而低频弱交变磁场的磁场强度为0.01至0.3T，频率为5至15Hz。由于本发明中所施加的磁场为低频弱交变磁场，因此，作用于该待扩散磁体厚度方向上的上、下表面的磁场强度是在≥0.01T且≤0.3T的范围内呈波形状且周期性变化。
上述回火步骤S4中，回火处理时的真空度为1×10-4至1×10-3Pa，温度为300至500℃，保温时间为2至5h。
此外，在上述备料步骤后还可包括清洁步骤：将待扩散磁体的表面进行除油、酸洗、水洗及干燥，而得到表面洁净的待扩散磁体，以此有利于后续镀膜步骤的操作。
本发明制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法是利用低熔点重稀土合金优异的浸润性，在对待扩散磁体进行真空热处理的过程中能够降低重稀土原子进入主相晶粒的比率并使低熔点金属原子与重稀土原子可在温度不高的条件下扩散至较深的深度，同时利用低频弱交变磁场增加低频磁场扰动以为晶界迁移提供额外的驱动力，不仅能够进一步增加上述原子的扩散范围(深度)而提升晶界迁移率，而且能够调整待扩散磁体近表面区域的晶粒微观结构和晶界特征分布，以修复钕铁硼毛坯在材料合成过程中产生的晶格缺陷，进而提高钕铁硼磁体的矫顽力。
本发明还提供了应用上述方法制备的具有高矫顽力的钕铁硼磁体(如下实施例)，并且与未采用本方法所制备的钕铁硼磁体(如下对比例)进行剩磁、矫顽力及退磁曲线方形度的磁性能参数比对，具体情况如下：
实施例1：
(1)、选用工业化生产的N54钕铁硼毛坯，将其加工成长、宽、厚度规格为30*16*8mm的待扩散磁体，并经过除油、酸洗、水洗及干燥，以得到表面洁净的待扩散磁体；
(2)、选用元素质量比为85％：15％的Dy85Cu15合金靶材(镝铜合金靶材)，通过磁控溅射工艺在待扩散磁体表面进行镀膜，并控制增重0.61％；
(3)、将镀膜后的待扩散磁体放入真空扩散炉中，炉内抽真空至≤1×10-3Pa，扩散温度控制为850℃，保温时间7h；加热扩散的同时在待扩散磁体厚度方向上施加低频弱交变磁场，如图2所示，其所施加的磁场强度峰值为0.07T，因此，其交变磁场强度有效值为磁场强度峰值0.07T/√2≈0.05T，频率为8Hz；
(4)、待加热扩散结束后，于真空扩散炉中进行回火处理，炉内真空度控制在≤1×10-3Pa，回火温度控制为475℃，保温时间4h，即得到制备的钕铁硼磁体。
采用的对比例1与实施例1的区别之处仅在于真空加热扩散环节中未施加低频弱交变磁场，而其余制备步骤及制备条件均与实施例1一致。N54钕铁硼毛坯、对比例1及实施例1的具体磁性能参数如表1所示：
| 剩磁Br(kGs) | 矫顽力Hcj(kOe) | 退磁曲线方形度Hk/Hcj | |
| N54钕铁硼毛坯 | 14.45 | 12.53 | 0.98 |
| 对比例1 | 14.35 | 17.55 | 0.94 |
| 实施例1 | 14.36 | 18.73 | 0.97 |
表1
经上述比对，应用本发明实施例1所制备的钕铁硼磁体的剩磁损失及退磁曲线方形度损失均较少，且具有较高的矫顽力。
实施例2：
(1)、选用工业化生产的52M钕铁硼毛坯，将其加工成长、宽、厚度规格为30*16*12mm的待扩散磁体，并经过除油、酸洗、水洗及干燥，以得到表面洁净的待扩散磁体；
(2)、选用元素质量比为85％：15％的Tb85Cu15合金靶材(铽铜合金靶材)，通过磁控溅射工艺在待扩散磁体表面进行镀膜，并控制增重0.63％；
(3)、将镀膜后的待扩散磁体放入真空扩散炉中，炉内抽真空至≤1×10-3Pa，扩散温度控制为860℃，保温时间9h；加热扩散的同时在待扩散磁体厚度方向上施加低频弱交变磁场，交变磁场强度有效值为0.065T，频率为12.5Hz；
(4)、待加热扩散结束后，于真空扩散炉中进行回火处理，炉内真空度控制在≤1×10-3Pa，回火温度控制为490℃，保温时间4h，即得到制备的钕铁硼磁体。
采用的对比例2与实施例2的区别之处仅在于真空加热扩散环节中未施加低频弱交变磁场，而其余制备步骤及制备条件均与实施例2一致。52M钕铁硼毛坯、对比例2及实施例2的具体磁性能参数如表2所示：
| 剩磁Br(kGs) | 矫顽力Hcj(kOe) | 退磁曲线方形度Hk/Hcj | |
| 52M钕铁硼毛坯 | 14.27 | 14.62 | 0.98 |
| 对比例2 | 14.16 | 22.41 | 0.90 |
| 实施例2 | 14.15 | 23.39 | 0.95 |
表2
经上述比对，应用本发明实施例2所制备的钕铁硼磁体的剩磁损失及退磁曲线方形度损失同样较少，且具有较高的矫顽力。
经上述实施例1、2与对比例1、2的磁性能参数比对可知，对于较厚的钕铁硼磁体进行热处理扩散时，如不施加低频弱交变磁场，则钕铁硼磁体的矫顽力增加的较少，且退磁曲线方形度较差；而当施加低频弱交变磁场后，则钕铁硼磁体的矫顽力增量提高，且退磁曲线方形度也得到较大改善。由此可以证明，本方案制备的钕铁硼磁体具有晶界扩散范围更广，近表面区域晶格缺陷较低，剩磁损失少，矫顽力高的优点。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利构思所做的等效变化，均应属于本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种制备高矫顽力钕铁硼磁体的方法，其特征在于，步骤包括：
备料步骤：将钕铁硼毛坯加工成具有规格厚度的待扩散磁体；
镀膜步骤：利用低熔点重稀土合金靶材通过磁控溅射工艺在所述待扩散磁体的表面形成一层低熔点重稀土合金膜层；
扩散步骤：将表面形成有所述低熔点重稀土合金膜层的所述待扩散磁体置入真空扩散炉中进行真空热处理，同时在所述待扩散磁体的厚度方向上施加低频弱交变磁场，以使所述低熔点重稀土合金膜层中的低熔点金属原子与重稀土原子在高温热场与低频弱交变磁场的作用下扩散至所述待扩散磁体内部；
回火步骤：将经扩散后的所述待扩散磁体进行回火处理，以得到具有高矫顽力的钕铁硼磁体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述备料步骤中，所述待扩散磁体的规格厚度为2至12mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镀膜步骤中，所述低熔点重稀土合金靶材是由镝铜合金或铽铜合金制成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述镝铜合金中镝与铜的元素质量比为85％：15％，所述铽铜合金中铽与铜的元素质量比为85％：15％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镀膜步骤中，表面形成有所述低熔点重稀土合金膜层的所述待扩散磁体重量增加控制在0.1％至0.8％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中，所述真空热处理的真空度为1×10-4至1×10-3Pa，温度为700至890℃，保温时间为5至10h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散步骤中，所述低频弱交变磁场的磁场强度为0.01至0.3T，频率为5至15Hz。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回火步骤中，所述回火处理的真空度为1×10-4至1×10-3Pa，温度为300至500℃，保温时间为2至5h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，于所述备料步骤后还包括清洁步骤：将所述待扩散磁体的表面进行除油、酸洗、水洗及干燥，以得到表面洁净的待扩散磁体。
10.一种由权利要求1至9任一项所述的方法所制备的具有高矫顽力的钕铁硼磁体。
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