CN1434466A - 高工作温度和高热稳定性的稀土磁性材料的组成 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高工作温度和高热稳定性的稀土磁性材料的组成。它的通式为Smx－θRθ(Fe1－yMy)100－x－δNδ，式中，R′为一种或一种以上不包括Sm的稀土元素，M为Nb、V、Ti、Co、Cr、Mo、Mn、Ni、Ga、Zr、Ta、Ag、Au、Al、Pb、Cu、Si元素中一种或几种，N为氮元素，Sm为钐元素。本发明所提供的磁粉和粘接磁体，由于纳米晶的硬磁性相Sm2R2－x(Fe1－εMε)17Nβ和软磁性相的α－Fe的交换耦合作用，材料具有高矫顽力和高饱和磁化强度，矫顽力尤其高。由于其硬磁性相Sm2R2－x(Fe1－εMε)17Nβ的居里温度更高，磁热稳定性更好。因此，与Nd－Fe－B型纳米复相永磁体相比，工作温度可以更高。由于其硬磁性相Sm2R2－x(Fe1－εMε)17Nβ的室温稳定性更好，不易被氧化，具有较好的耐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高工作温度和高热稳定性的稀土磁性材料的组成。
背景技术
现代工业广泛应用的永磁材料中最新、性能最好的是稀土永磁材料，它是稀土元素(Sm、Nd、Pr等)与过渡金属(Co、Fe等)所形成的一类高性能永磁材料。通常以技术参量最大磁能积(BH)m、剩磁Br、矫顽力Hc等来衡量该类物质的磁性能优劣。稀土铁永磁材料是指以稀土与铁形成的金属间化合物为基体的永磁材料，按制造方法分为烧结永磁材料、热变形永磁材料和粘结永磁材料等。其中烧结永磁体性能较高。
稀土永磁材料自二十世纪六十年代出现以来，已连续实现三次突破性进展。六十年代出现了第一代稀土永磁SmCo5；七十年代出现了第二代稀土永磁Sm2Co17；八十年代初又发展了第三代稀土永磁，即Nd-Fe-B永磁材料。Nd-Fe-B永磁材料是以化合物Nd2Fe14B为基体，含有少量富Nd相和富B相的永磁材料，称为稀土金属间化合物永磁。八十年代末，荷兰科学家Coehoorn通过快淬法成功的制备出了Nd2Fe14B/Fe3B纳米复相永磁材料后，国内外又掀起了研究和开发纳米复相永磁材料的热潮。纳米复相永磁材料是由一种硬磁性相和一种或一种以上的软磁性相复合而成，因此，它既具有硬磁体的高矫顽力又具有软磁体的高磁导率，被人们认为将取代目前号称“永磁之王”的烧结NdFeB而成为新一代的永磁材料。由于在人类目前所了解的硬磁体中，Nd-Fe-B系永磁体的磁能积最高，所以，现在纳米复相永磁体的主要研究和发明也集中在Nd-Fe-B系上。
虽然Nd-Fe-B系纳米复相永磁体理论上具有很高的磁性能，但经过近十年的发展，其实际磁性能与理论磁性能仍然有很大的差距，磁能积不到理论值的30％，具有居里温度低和热稳定性能差的弱点，决定了其难以进入对磁稳定性要求较高和工作温度较高的领域。纳米复相Nd-Fe-B系永磁体的最高工作温度一般在80℃～100℃左右，而从实用的角度出发，占永磁体市场大部的电机要求永磁体具备良好的温度特性，要求工作温度在100℃～180℃左右，这样就大大的限制了Nd-Fe-B系纳米复相永磁体的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高工作温度和高热稳定性的稀土磁性材料的组成。
它的通式为Smx-θRθ(Fe1-yMy)100-x-δNδ(原子分数)式中，R为一种或一种以上不包括Sm的稀土元素，M为Nb、V、Ti、Co、Cr、Mo、Mn、Ni、Ga、Zr、Ta、Ag、Au、Al、Pb、Cu、Si元素中一种或几种，N为氮元素，Sm为钐元素。x、y、δ、θ组成比满足：4≤x≤9、0≤y≤0.5、δ≤13.5、θ≤0.3。
本发明的优点：
1)本发明所提供的磁粉和粘接磁体，由于纳米晶的硬磁性相Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ和软磁性相的α-Fe的交换耦合作用，材料具有高矫顽力和高饱和磁化强度，矫顽力尤其高。
2)本发明所提供的磁粉和粘接磁体，由于其硬磁性相Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ的居里温度更高，磁热稳定性更好。因此，与Nd-Fe-B型纳米复相永磁体相比，工作温度可以更高。
3)本发明所提供的磁粉和粘接磁体，由于其硬磁性相Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ的室温稳定性更好，不易被氧化，具有较好的耐蚀性。
具体实施方式
本发明所提供的新型永磁体是纳米双相组织结构。其硬磁性相为R2(Fe1-εMε)17Nβ(其中0≤ε≤0.25，0.8≤β≤3)，软磁性相为α-Fe。R2(Fe1-εMε)17Nβ相与Nd2Fe14B相相比，磁性能相当。但是，Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ相的各向异性场比Nd2Fe14B相要高很多，并且具有较高的居里温度，居里温度可达到450℃甚至更高。Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ相还有优良的高温稳定性，在150℃时其内禀矫顽力高达14.0KOe以上。因此，使用Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ相代替Nd2Fe14B相做为硬磁性相，α-Fe做为软磁性相，制备成纳米复相永磁材料，相对于Nd-Fe-B型纳米复相永磁材料，具有更高的居里温度、矫顽力和良好的热磁稳定性，可用于制备较高的温度下工作的高性能永磁体。
N是本发明提供的纳米双相永磁体中不可缺少的一种元素，其作用在于渗入Sm2R2-x(Fe1-εMε)17相晶格间隙当中，形成稀土铁系间隙化合物，提高稀土铁系二元化合物的居里温度和各向异性场，使该材料具有实际的使用价值。
在本发明当中，为了改善材料的磁性能，可适当添加一些非稀土金属元素。这些元素将部分取代Fe，占据其相应的晶位，从而改变Sm2R2-x(Fe1-εMε)17Nβ相的磁性能。
可以用两种不同方法制备Smx-θRθ(Fe1-yMy)100-x-δNδ纳米复相永磁材料。一种方法称为机械合金法，也称为高能球磨法(HEBM)，其具体步骤为：1.制备原材料。选取高纯度的金属粉末，并均匀混合。2.高能球磨。将混合好的原料放入高能球磨机中，在高纯度的Ar气保护下球磨36～64h。3.晶化热处理。将球磨后的粉末取出放入真空热处理炉中，在1×10-3～1×10-6Pa真空度下进行热处理。晶化温度控制在500℃～800℃，热处理时间为5～30min。为了防止晶粒的过度长大，热处理过程中采用快速升温方法。4.渗氮处理。在晶化处理后，将合金粉末放入真空炉内，抽真空至1×10-3～1×10-6Pa，然后充入1×105～1×106Pa的高纯氮气，加热至300℃～500℃左右，保温1.5～45h，出炉快冷。5.粘结成型。将粉末与粘接剂、偶联剂充分搅拌、混合，压制成型。
另一种方法称为熔体快淬法，也称为甩带法(melt-spinning)，其具体步骤为：1.合金冶炼。选取高纯度的金属原料，用真空感应炉熔炼。炉内真空度控制在1×10-3Pa以上，并用高纯Ar气进行保护。2.均匀化退火。将合金铸锭放入真空热处理炉当中，抽真空至1×10-3Pa以上，加热至900℃～1100℃，保温10～30h。3.快淬。除去均匀化退火后铸锭表面的氧化物和杂质，切块放入真空快淬炉中，在惰性气体的保护下重新熔化，并单辊快淬。4.晶化处理。将快淬薄带放入真空炉，抽真空至1×10-3Pa，充入高纯度的惰性气体，迅速升温，在500℃～800℃范围内保温5～30min。5.渗氮处理。将晶化处理后的合金薄带粉碎，放入真空炉，抽真空至1×10-3Pa以上，充入1×105～1×106Pa高纯氮气，加热至300℃～500℃左右，保温1.5～45h，出炉快冷。6.粘结成型。将粉末与粘接剂、偶联剂充分搅拌、混合，压制成型。
实施例1：
1)原材料制备：选取纯度高于99.9％的Sm粉、Nd粉、Fe粉和Zr粉，其中Sm、Nd、Fe、Zr的原子百分比为Sm∶Nd∶Fe∶Zr＝7∶0.02∶91∶1.98，将金属粉末均匀混合；
2)高能球磨：将混合好的原料放入高能球磨机中，在纯度为99.999％的Ar气保护下球磨48h；
3)晶化热处理：将球磨后的粉末取出放入真空热处理炉中，抽真空使炉内的真空度为1×10-3Pa左右，晶化温度控制在625℃，热处理时间为10min，为了防止晶粒的过度长大，热处理过程中采用快速升温方法，加热速度为10℃/s；
4)渗氮处理：在晶化处理后，将合金粉末放入真空炉内，抽真空至1×10-4Pa，然后充入5×105Pa的高纯N2气，加热至480℃，保温6h，出炉快冷。
5)粘结成型：将处理完后的粉末与环氧树脂混合，压制成型；
将制备出的磁粉和磁体放入振动样品磁强计中测量其磁性能：测量磁粉的磁性能结果如下：Br＝1.15T，iHc＝750kA/m，(BH)max＝188kJ/m3；测量粘结磁体的磁性能结果如下：Br＝0.92T，iHc＝706kA/m，(BH)max＝132kJ/m3；在25～180℃范围内，温度系数分别为：αBr＝-0.043％/℃，βHci＝-0.314/℃。
实施例2：
1)合金的冶炼：选取纯度高于99.9％的Sm、Nd、Fe和Ta粉，其中Sm、Nd、Fe、Ta的原子百分比为Sm∶Nd∶Fe∶Ta＝6.96∶0.04∶91∶2，将粉末混合放入真空感应炉中，抽真空，使炉内的真空度控制在1×10-4Pa，接着充入1×103Pa的纯度为99.999％的Ar气，在Ar气保护下进行熔炼，为保证铸锭的成分基本符合设计成分，必须关注稀土元素在熔炼过程中的损耗量；
2)均匀化退火：将母合金铸锭取出放入热处理炉当中，抽真空至1×10-4Pa左右，迅速加热至1020℃，保温24h；
3)快淬：除去退火后的合金铸锭表面的氧化物和杂质，放入真空甩带机中，在惰性气体的保护下重新熔化，并单辊快淬，线速度为40m/s；
4)晶化处理：将快淬制备出的薄带放入真空炉内，抽真空至1×10-4Pa，充入纯度为99.999％的Ar气，迅速升温，加热速度应控制在10℃/s左右，在620℃范围内保温10min；
5)渗氮处理：将晶化处理后的合金薄带粉碎，并放入真空炉内，抽真空至1×10-4Pa，然后充入5×105Pa的高纯N2气，加热至500℃，保温5h，出炉快冷；
6)粘结成型：将处理完后的粉末与环氧树脂混合，压制成型；
将制备出的磁粉和磁体放入振动样品磁强计中测量其磁性能：测量磁粉的磁性能结果如下：Br＝1.06T，iHc＝727kA/m，(BH)max＝176kJ/m3；测量粘结磁体的磁性能结果如下：Br＝0.85T，iHc＝678kA/m，(BH)max＝127kJ/m3；在25～180℃范围内，温度系数分别为：αBr＝-0.046％/℃，βHci＝-0.319/℃。
Claims (2)
1.一种高工作温度和高热稳定性的稀土磁性材料的组成，其特征在于它的通式为：Smx-θRθ(Fe1-yMy)100-x-δNδ(原子分数)，式中，R为一种或一种以上不包括Sm的稀土元素，M为Nb、V、Ti、Co、Cr、Mo、Mn、Ni、Ga、Zr、Ta、Ag、Au、Al、Pb、Cu、Si元素中一种或几种，N为氮元素，Sm为钐元素。
2.根据权利要求1所述的一种高工作温度和高热稳定性的稀土磁性材料的组成，其特征在于所说x、y、δ、θ组成比满足：4≤x≤9、0≤y≤0.5、δ≤13.5、θ≤0.3。
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