CN116682663A

CN116682663A - 一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法

Info

Publication number: CN116682663A
Application number: CN202310639380.2A
Authority: CN
Inventors: 代飞龙; 牛锋刚
Original assignee: Suzhou Ciyi Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Ciyi Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2023-06-01
Filing date: 2023-06-01
Publication date: 2023-09-01

Abstract

本发明公开了一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，包括如下步骤：S1)制备用于晶界扩散处理的烧结钕铁硼毛坯；S2)将烧结钕铁硼毛坯加工为晶界扩散的基片，并经过表面处理；S3)采用旋涂法在基片表面旋涂得到扩散源薄膜；S4)将镀有扩散源薄膜的基片烘干后得到待扩散磁体；S5)将待扩散磁体进行扩散热处理，得到扩散磁体,本发明通过旋涂法制备扩散源薄膜能够有效控制扩散的精度，提高生产效率，降低HRE的用量；同时成膜厚度均匀性高，与基体的结合力强，能提高扩散物质的扩散深度和扩散均匀性使得钕铁硼永磁体性能提升的一致性高；另外基片的表面光滑，表面波动小，制备出高矫顽力高磁能积的商用钕铁硼磁体。

Description

一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法

技术领域

本发明属于钕铁硼磁体制备技术领域，尤其涉及一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法。

背景技术

钕铁硼永磁体用于牵引电机和风力发电机需要高矫顽力和优异的高温稳定性。而Nd2Fe14B硬磁相的居里温度较低，Tc为312℃，其向异性场Ha随温度升高而急剧减小。引入Tb和Dy重稀土元素可有效提高Nd-Fe-B磁体的温度稳定性，但由于重稀土元素丰度低，成本极高，在这种情况下，提高稀土资源的利用效率成为钕铁硼行业关注的焦点问题；晶界扩散(GBD)工艺是制备高矫顽力Nd-Fe-B磁体的有效方法，HRE用量相对较少，已实现工业化的应用。

目前已实际量产的晶界扩散技术，都是在磁体表面先堆积一层重稀土元素作为扩散源，然后通过扩散处理，使重稀土元素沿晶界渗入到磁体内部，以实现晶界扩散；现有的在磁体表面形成扩散源的方法有两类，一是通过电镀、喷涂、印刷、等方法将重稀土单质或化合物粉料在磁体表面形成一层重稀土元素；另一类则是使用重稀土金属靶材，采用真空蒸发方法与PVD方法。

但是，喷涂和印刷这两种方式工艺虽然简单具有较高的生产效率，但不能准确控制扩散源的扩散精度，扩散源的用量大，而PVD的方法环保，并且可沉积薄而均匀的薄膜，但是沉积速度相对较慢。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，具有较高的生产效率，又可以准确的控制扩散源的扩散精度，扩散源用量少。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，包括如下步骤：

S1)制备用于晶界扩散处理的烧结钕铁硼毛坯；

S2)将烧结钕铁硼毛坯加工为晶界扩散的基片，并经过表面处理；

S3)采用旋涂法在基片表面旋涂得到扩散源薄膜；

S4)将镀有扩散源薄膜的基片烘干后得到待扩散磁体；

S5)将待扩散磁体进行扩散热处理，得到扩散磁体。

进一步的，所述旋涂法的操作步骤如下：

S11采用移液枪吸取制备好的RE扩散浆料；

S12将RE扩散浆料滴到基片表面，随后利用旋涂仪在基片表面旋涂得到扩散源薄膜。

进一步的，所述表面处理指去氧化层或抛光至镜面或清洗处理。

进一步的，旋涂使用的转速为1500-3500r/min，旋涂时间为10-60s。

进一步的，所述RE扩散浆料总量占基片质量的0.1-2wt.％。

进一步的，所述扩散热处理的一级热处理温度为700-950℃，保温8-16h；二级热处理温度为400-600℃，保温1-6h。

进一步的，所述烧结钕铁硼毛坯各成分按质量百分比组成，包括：Pr-Nd：30％、Dy：0.8％、Al：0.15％、Co：0.5％、B：0.97％、Cu：0.15％、Ti：0.2％、Zr：0.1％和余量的Fe。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁铁的工艺方法，其工艺简单，兼备喷涂、印刷和PVD的优势，能够有效控制扩散的精度，提高生产效率，降低HRE的用量。

另外，通过旋涂法进行扩散源薄膜的制备，成膜厚度均匀性高，与基体的结合力强，能提高扩散物质的扩散深度和扩散均匀性使得钕铁硼永磁体性能提升的一致性高。

同时，经旋涂法处理的基片表面光滑，表面波动小，在后续的加工中能保持高的扩散物质利用率，制备出高矫顽力高磁能积的商用钕铁硼磁体。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1为本发明一实施例的流程示意图；

图2为本发明一实施例中旋涂法的过程示意图；

图3为对旋涂、喷涂和PVD工艺生产的待基片表面的扩散涂层的组织形貌进行分析后的组织示意图；

其中：1、移液枪；2、RE扩散浆料；3、基片；4、旋涂仪；5、扩散源薄膜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，以解决现有技术中喷涂、印刷这两种方式不能准确控制扩散源的扩散精度，扩散源的用量大，而PVD的方法沉积速度相对较慢，从而导致生产效率低的问题。

为了便于理解，下面对本申请实施例中的具体流程进行描述，请参阅图1，本申请实施例中一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，包括如下步骤：

S1)制备用于晶界扩散处理的烧结钕铁硼毛坯；

在步骤S1中，制备用于晶界扩散处理的烧结钕铁硼毛坯，各成分按质量百分比组成，包括：Pr-Nd：30％、Dy：0.8％、Al：0.15％、Co：0.5％、B：0.97％、Cu：0.15％、Ti：0.2％、Zr：0.1％和余量的Fe；然后依照现有稀土磁铁的熔炼、甩带、氢破碎、气流磨、取向压制、烧结和热处理的工序制得。

在步骤S2中，将烧结钕铁硼毛坯加工为晶界扩散的基片，基片取向方向尺寸与成品尺寸相近,尺寸在1mm-10mm范围内；表面处理指去氧化层、抛光至镜面、清洗处理等步骤。

S3)采用旋涂法在基片表面旋涂得到扩散源薄膜；

在步骤S3中，参阅图2，旋涂法的操作步骤如下：S11、采用移液枪1吸取制备好的RE扩散浆料2；S12、将RE扩散浆料2滴到基片3表面，随后利用旋涂仪4在基片2表面旋涂得到扩散源薄膜5，其中，旋涂使用的转速为1500-3500r/min，旋涂时间为10-60s。

本实施例中，RE扩散浆料包含20～80wt.％的RE金属颗粒、10～80wt.％的有机溶剂、0-5wt.％的附着力促进剂、0-5wt.％的颗粒分散剂。

其中，所述RE金属纳米颗粒选自RE化合物或者RE-M合金纳米颗粒，所述RE是选自非重稀土La、Ce、Pr、Nd、Y和重稀土Dy、Tb、Gd或Ho的一种或多种；所述RE化合物是选自RE的氧化物、氟化物、氢化物、氯化物或硝酸盐的一种或多种，所述M是选自Fe、Co、Bi、Al、Ca、Mg、O、C、N、Cu、Zn、In、Si、S、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta或W中的一种或多种。

并且，在本实施例中RE扩散浆料总量占基片质量的0.1-2wt.％。

本实施例中，RE扩散浆料的制备方法包括如下步骤：

1)将10～80wt.％的有机溶剂以及5wt.％的附着力促进剂加入到容器中，均匀加热至60℃，并不断搅拌制形成混合物，混合物搅拌所用的搅拌机的转速为60-120转/分钟，搅拌时间为15分钟；

2)将溶解后的混合物降温至30℃，放入手套箱内，开启手套箱氮气出气阀门，开启氮气进气阀门，使氮气排空手套箱内空气，使氧含量低于0.01％，随后加入20～80wt.％的RE金属颗粒和0-5wt.％的颗粒分散剂继续搅拌，形成用于旋涂的RE扩散浆料，其中，所用的搅拌机的转速为50-60转/分钟，搅拌时间为40分钟。

另外，为了混合均匀需在水浴中加热至60℃。

S4)将镀有扩散源薄膜的基片烘干后得到待扩散磁体；

步骤S4中，所述烘干的温度为100-120℃，时间为8-15min。

S5)将待扩散磁体进行扩散热处理，得到扩散磁体。

步骤S5中，扩散热处理与常规的扩散热处理工艺一致，根据基底钕铁硼磁体和RE扩散浆料的不同，可以优化调整，所述扩散热处理的一级热处理温度为700-950℃，保温8-16h；二级热处理温度为400-600℃，保温1-6h；扩散热处理的真空度控制在5*10-3Pa-5*10-2Pa。

综上所述，通过本制备高性能磁铁的方法，可以获得如下优点：

1)采用旋涂法进行晶界扩散工艺简单，兼备喷涂、印刷和PVD的优势，能够有效控制扩散的精度，提高生产效率，降低RE扩散浆料的用量；

2)通过旋涂法进行扩散源薄膜的制备，成膜厚度均匀性高，与基体的结合力强，能提高扩散物质的扩散深度和扩散均匀性使得钕铁硼永磁体性能提升的一致性高。

3)经旋涂法处理的扩散磁体表面光滑，表面波动小，在后续的加工中能保持高的扩散物质利用率，制备出高矫顽力高磁能积的商用钕铁硼磁体。

本发明制备的高性能烧结钕铁硼磁体，应用于新能源汽车驱动电机、ABS、EPS等汽车零部件，可提高电机功率密度，使其具有更高的运行效率。

还可以应用于永磁直驱风力发电机组，具有结构简单、运行维护成本低、使用寿命长、并网性能良好、发电效率高、更能适应在低风速的环境下运行的特点，应用于工业机器人中的伺服电机、电梯电机，可以提高功率密度、减少电机体积、提高相关组件性能。

下面列举多个实施例来进行说明：

实施例1

1)取27.5wt.％的松油醇以及2.5wt.％的环氧树脂加入到容器中，均匀加热至60℃，并不断搅拌制形成混合物，其中，搅拌所用的搅拌机的转速为60-120转/分钟，搅拌时间为15分钟；

2)随后，将溶解后的混合物降温至30℃，放入手套箱内，开启手套箱氮气出气阀门，开启氮气进气阀门，使氮气置换空手套箱内空气，使氧含量低于0.01％；

3)加入68wt.％的粒度为0.2um的TbH2粉末和2wt.％的纤维素衍生物继续搅拌，形成用于旋涂的TbH2扩散浆料，其中，搅拌机的转速为50-60转/分钟，搅拌时间为40分钟。

4)准备稀土烧结磁铁，该烧结磁铁具有如下的质量百分比组成，包括：Pr-Nd：30％、Dy：0.8％、Al：0.15％、Co：0.5％、B：0.97％、Cu：0.15％、Ti：0.2％、Zr：0.1％和余量的Fe，制备时依照现有稀土磁铁的熔炼、甩带、氢破碎、气流磨、取向压制、烧结和热处理的工序制得；

5)将加工好的烧结磁铁加工成10mm*10mm*4mm的方形磁铁，4mm方向为磁场取向方向，加工后的磁体经表面洁净处理后使用绵阳双极的264Y永磁特性自动测量仪进行磁性能检测，测定温度为20℃，测定结果为Br：14.11kGs，Hcj：17.95kOe，(BH)max：49.72MGOe，SQ：97.22％；

6)将加工好的烧结磁铁加工成10mm*10mm*4mm的磁铁，4mm方向为磁场取向方向，并经过表面处理后获得待印刷基片；

7)采用移液枪吸取制备好的TbH2扩散浆料，将TbH2扩散浆料滴到基片表面，随后利用旋涂仪在基片表面旋涂得到扩散源薄膜，旋涂使用的转速为2500r/min，旋涂时间为30s，TbH2的总量占钕铁硼磁体质量的0.6wt.％；

8)将镀有扩散源薄膜的基片烘干得到待扩散磁体；

9)待扩散磁体，在真空环境中，在900℃扩散热处理15小时，500℃回火6小时，最终得到扩散磁体；

10)扩散后的磁铁使用绵阳双极的264Y永磁特性自动测量仪进行磁性能检测，测定温度为20℃；

11)采用PVD和传统喷涂方法制备的扩散磁体作为对比例，其中TbH2的总用量控制在基片质量的0.6wt.％。

本实施例的磁性能评价情况如表1所示。

表1实施例的磁性能评价情况

从表1中可知，采用旋涂法生产的扩散磁体的性能要优于喷涂生产的扩散磁铁的性能，且与PVD生产的扩散磁铁性能相当。

实际使用时，我们通过基恩士VHX-7000数码显微系统对旋涂、喷涂和PVD工艺生产的待基片表面的扩散涂层的组织形貌进行了分析，从图3中可知，采用旋涂法和PVD制备的扩散源薄膜，成膜厚度均匀性高，与基体的结合力强，能提高扩散物质的扩散深度和扩散均匀性，使得钕铁硼永磁体呈现较高的性能和一致性。

而采用喷涂制备的扩散源薄膜表面粗糙，波动较大，说明其内部结构TbH2粉料颗粒之间的结构较为松散，TbH2在磁体内扩散深度受影响，最终使得矫顽力增量不足，方形度较差。

同时，在生产过程中，采用旋涂法制备扩散磁铁的效率要远高于采用PVD制备扩散磁铁的效率。

因此，采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能钕铁硼磁体的方法，可以兼备喷涂、印刷和PVD的优势，能够有效控制扩散的精度，提高生产效率，降低HRE的用量，制备出高矫顽力高磁能积的商用钕铁硼磁体。

实施例2

1)取27.5wt.％的松油醇以及2.5wt.％的环氧树脂加入到容器中，均匀加热至60℃，并不断搅拌制形成混合物，搅拌机的转速为60-120转/分钟，搅拌时间为15分钟；

3)加入68wt.％的粒度为0.2um的TbH2粉末和2wt.％的纤维素衍生物继续搅拌，形成用于旋涂的TbH2扩散浆料，搅拌机的转速为50-60转/分钟，搅拌时间为40分钟；

4)准备稀土烧结磁铁，该烧结磁铁具有如下的质量百分比组成，包括：Pr-Nd：30％、Dy：0.8％、Al：0.15％、Co：0.5％、B：0.97％、Cu：0.15％、Ti：0.2％、Zr：0.1％和余量的Fe，然后依照现有稀土磁铁的熔炼、甩带、氢破碎、气流磨、取向压制、烧结和热处理的工序进行磁铁的制备；

6)将加工好的烧结磁铁加工成10mm*10mm*4mm的磁铁，4mm方向为磁场取向方向，并经过表面处理，获得待印刷基片；

7)采用移液枪吸取制备好的TbH2扩散浆料，将TbH2扩散浆料滴到磁铁表面，随后利用旋涂仪在基片表面旋涂得到扩散源薄膜，旋涂使用的转速为1500-3500r/min(实施例2.1-2.5)，旋涂时间为30s；

8)将镀有扩散源薄膜的基片烘干得到待扩散磁体；

9)采用台阶仪测定待扩散磁体表面的膜厚，测得膜厚分别为10.1um、8.2um、5.9um、4.5um、3.2um；

10)待扩散磁体，在真空环境中，在900℃扩散热处理15小时，500℃回火6小时，最终得到扩散磁体；

11)扩散后的磁铁使用绵阳双极的264Y永磁特性自动测量仪进行磁性能检测，测定温度为20℃。

本实施例的磁性能评价情况如表2所示。

表2实施例的磁性能评价情况

后续的实际观察中，在实施例2.1-2.5磁体表面的未发现氧化生锈的情形及扩散源粉末的空白区，说明采用旋涂法制备的扩散源薄膜与扩散基体具有优良的贴合性。

从台阶仪测试的结果和表2中可知，采用旋涂法可以通过控制转速方便获得不同膜厚的TbH2扩散源薄膜，随着转速的减少，扩散源薄膜的膜厚不断增加；随着膜厚的增加，矫顽力的增量不断增加，但Br(剩磁)和SQ(方形度)并不急剧降低。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)制备用于晶界扩散处理的烧结钕铁硼毛坯；

S3)采用旋涂法在基片表面旋涂得到扩散源薄膜；

S4)将镀有扩散源薄膜的基片烘干后得到待扩散磁体；

S5)将待扩散磁体进行扩散热处理，得到扩散磁体。

2.如权利要求1所述的采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于，所述旋涂法的操作步骤如下：

S11采用移液枪吸取制备好的RE扩散浆料；

3.如权利要求1所述的采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于：所述表面处理指去氧化层或抛光至镜面或清洗处理。

4.如权利要求2所述的采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于：旋涂使用的转速为1500-3500r/min，旋涂时间为10-60s。

5.如权利要求2所述的采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于：所述RE扩散浆料总量占基片质量的0.1-2wt.％。

6.如权利要求2所述的采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于：所述扩散热处理的一级热处理温度为700-950℃，保温8-16h；二级热处理温度为400-600℃，保温1-6h。

7.如权利要求1所述的采用旋涂法进行晶界扩散制备高性能磁体的方法，其特征在于：所述烧结钕铁硼毛坯各成分按质量百分比组成，包括：Pr-Nd：30％、Dy：0.8％、Al：0.15％、Co：0.5％、B：0.97％、Cu：0.15％、Ti：0.2％、Zr：0.1％和余量的Fe。