CN103187133B - 一种稀土永磁合金及其磁性相复合制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及稀土永磁材料技术领域,涉及一种磁性相复合稀土永磁合金及其制备方法,所述永磁合金的化学成分按质量百分比为:REaFe99-a-bB1Mb,其中,28≤a≤32,0<b≤10,RE选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少两种,M为Co、Al、Cu、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、V中的一种或几种;所述永磁合金由至少2种不同成分的速凝带经破碎、混合、烧结和热处理步骤进行磁性相复合制备,所述速凝带分别为至少两种含不同稀土的2-14-1型磁性主相(RE)2Fe14B。本发明通过不同比例速凝带的相互配比,制备满足设计成分的磁体,使其包括单一稀土元素组成的2-14-1型磁性相在内的两种或两种以上不同稀土元素组成的2-14-1型磁性相,在降低重稀土含量的同时,获得良好的综合磁性能。
Description
技术领域
本发明涉及稀土永磁材料技术领域,涉及一种稀土永磁合金及其磁性相复合制备方法。
背景技术
钕铁硼永磁材料广泛应用于航空航天、信息和新能源等高技术领域,是现代工业的重要基础材料之一。稀土元素是钕铁硼系永磁材料的关键,并占原料成本的80%以上。由于稀土元素资源有限,并且近年来需求逐步增加,价格迅速上涨,因此提高稀土永磁材料的磁性能,降低稀土用量,尤其是重稀土的用量,是当前世界各国稀土永磁业界关注的热点之一。
近年来,稀土尤其是重稀土的高质化利用技术逐步得到关注和发展,由最初的添加Dy、Tb等化合物的方式到最近的晶界扩散渗Dy技术,通过改善稀土元素在晶界的分布,减少重稀土在主相中的含量,来获得高的磁性能,尤其是提高矫顽力,实现高性能低稀土钕铁硼永磁材料的制备。但是,扩散渗Dy技术工艺复杂、设备成本高,还受尺寸、热变形等限制,并且其主要设备、技术和专利为日本拥有,严重限制该技术的应用和推广。我国科研工作者在研究低重稀土高质化利用和替代技术的同时,根据我国的资源特点,开发了稀土平衡利用等技术尤其是Ce、La等轻稀土的利用,在磁体中添加部分Ce、La等低成本稀土元素,结合稀土元素的高质化利用等技术,保持磁体具有较好的综合性能和合理的成本优势。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种稀土永磁合金及其磁性相复合制备方法,其包括单一稀土元素组成的2-14-1型磁性相在内的两种或两种以上不同稀土元素组成的2-14-1型磁性相,降低重稀土含量的同时,获得了良好的综合磁性能。
为实现上述发明目的,本发明提供了如下技术方案:
一种稀土永磁合金,其中,所述永磁合金的化学成分按质量百分比为:REaFe99-a-bB1Mb,其中,28≤a≤32,0<b≤10,RE选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少两种,M为Co、Al、Cu、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、V中的一种或几种;
所述永磁合金由至少2种不同成分的速凝带经破碎、混合、烧结和热处理步骤进行磁性相复合制备,所述速凝带分别为至少两种含不同稀土的2-14-1型磁性主相(RE)2Fe14B。
所述速凝带中,第一速凝带的成分为单一稀土的RE’aFe99-a-bB1Mb,磁性主相为(RE’)2Fe14B;第二速凝带的成分为混合稀土的(RE’,RE”)aFe99-a-bB1Mb,磁性主相为(RE’,RE”)2Fe14B。
所述速凝带进一步包括第三速凝带,其成分为RE”’aFe99-a-bB1Mb,磁性主相为(RE”’)2Fe14B,RE”’为可降低永磁合金熔点的稀土元素,为选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu中的至少一种。
RE包括至少一种轻稀土RE’和至少一种重稀土RE”,所述轻稀土RE’选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu,重稀土RE”选自Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。
所述RE为Nd、Ce和Dy。
所述磁性相复合永磁合金的磁性能如下:剩磁Br为12~15kGs,内禀矫顽力Hcj为8~30kOe,最大磁能积(BH)m为35~55MGOe。
一种稀土永磁合金的磁性相复合制备方法,其中,
该永磁合金的化学式按质量百分比为:REaFe99-a-bB1Mb,其中,28≤a≤32,0<b≤10,RE选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少两种,M为Co、Al、Cu、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、V中的一种或几种;
其磁性相复合制备方法包括如下步骤:
步骤1:按照成分设计分别配制至少两种不同的速凝带原料:第一速凝带的成分为RE’aFe99-a-bB1Mb;第二速凝带的成分为(RE’,RE”)aFe99-a-bB1Mb;
步骤2:将步骤1中的原料分别熔炼,并分别制成厚度为0.2~0.4mm的至少两种不同的速凝带,其磁性主相分别为(RE’)2Fe14B和(RE’,RE”)2Fe14B;
步骤3:破碎制粉;将步骤2中所制得的两种或两种以上速凝片分别装入氢破炉中进行氢破碎,然后,在脱氢的粉末中添加防氧化剂,分别经气流磨制成平均粒度2~5μm的磁粉;
步骤4:混合粉末、取向成型;按照成分设计的要求,将至少两种不同的粉末按照不同的比例混合均匀,然后将混合后的磁粉在1~3T的磁场压机中取向成型,在进行冷等静压制成密度为3~5g/cm3的毛坯;
步骤5:烧结和热处理;将毛坯放入高真空的烧结炉中进行烧结,其中,烧结温度为900℃~1100℃,保温1~6小时,然后分别在800~950℃和400~600℃热处理2小时。
在所述步骤2中,首先将原材料放入速凝炉坩埚内,在氩气保护下进行真空感应熔炼,待原料充分融化形成合金后,保持1400~1600℃温度,将合金液浇注到线速度为1~5米/秒的水冷铜辊上,制备厚度为0.2~0.4mm的至少两种不同的速凝片。
在步骤3中的氢破碎过程中,在室温0.1~0.5MPa压力下吸氢,然后进行脱氢处理,脱氢温度为500~600℃,时间2~6小时。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明通过不同成分的速凝带所制成的粉末的混合,在合金中实现具有不同稀土元素组成的2-14-1型主相的复合,从而获得较好的综合磁性能;
(2)本发明通过对速凝片中稀土元素种类、数量和比例的调整,控制主相中的稀土元素的种类和分布,通过调整速凝带中重稀土的含量,并与不含重稀土的速凝带的配比,可以方便的实现对磁体中重稀土含量和分布的调整和优化,实现重稀土的高效利用;
(3)本发明通过调整速凝带中具有不同熔点稀土元素的种类和含量,可以实现对液相熔点的调整与控制,进而实现对烧结温度的调节,尤其是低熔点稀土元素(轻稀土)及其液相的形成可以明显降低烧结温度,获得较低的最佳烧结温度,从而在低于传统方法的温度烧结致密,获得较小的晶粒尺寸,提高磁体的矫顽力;
(4)本发明采用2~4种速凝带,按照不同的比例组合,基本可实现多种牌号磁体的生产,并通过重稀土的高效利用和降低烧结温度,降低生产成本、提高生产效率,并且无需对设备进行改造就可实现大规模生产。
附图说明
图1为第一实施例的具有Nd2Fe14B和(Nd,Dy)2Fe14B两种磁性相的稀土永磁合金的SEM形貌;
图2为第二实施例的(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1磁体的密度随烧结温度的变化;
图3为第二实施例中低温烧结(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1磁体的断口表面SEM形貌;
图4为本发明的REaFe99-a-bB1Mb的磁性相复合磁体的磁性相分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,以更好地解释本发明。但是需要注意的是,以下实施例只为说明目的,本发明的保护范围不限于以下实施例。
本发明的磁性相复合永磁合金的化学式按质量百分比为:REaFe99-a-bB1Mb,其中,28≤a≤32,0<b≤10,RE选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少两种,M为Co、Al、Cu、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、V中的一种或几种;所述磁性相复合永磁合金包括(RE1)2Fe14B在内的至少两种2-14-1型磁性主相,其中RE1为所述RE中的一种。
其中,图4为本发明的磁性相复合永磁合金REaFe99-a-bB1Mb的磁性相分布示意图,从图中可以看出,本发明的磁体即包括单一稀土元素RE1所组成的(RE1)2Fe14B磁性相,还包括RE1与其他稀土元素混合所组成的(RE1,RE2,RE3…)2Fe14B磁性相,以及RE1以外的其他一种或多种稀土元素所组成的(RE4,RE5,RE6…)2Fe14B磁性相。其中,RE1,RE2,RE3,RE4,RE5,RE6…选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种。
实施例1
采用本发明的方法制备化学成分为(Nd0.9Dy0.1)30FebalB1具有复合磁性相稀土永磁合金,其中bal为余量,重稀土Dy的质量百分比为3%。
步骤1:分别按照质量百分比Nd30FebalB1和(Nd0.8Dy0.2)30FebalB1分别配制原料。
步骤2:将配好的原料分别熔炼制备速凝带。首先将原材料放入速凝炉坩埚内,在氩气保护下进行真空感应熔炼,待原料充分融化形成合金后,保持1500℃温度,将合金液浇注到线速度为3米/秒的水冷铜辊上,制备厚度为0.3mm的两种速凝片。
步骤3:破碎制粉:所步骤2中制得的Nd30FebalB1和(Nd0.8Dy0.2)30FebalB1速凝片分别装入氢破炉中进行氢破碎,在室温0.2MPa压力下吸氢,然后进行脱氢处理,脱氢温度为600℃,时间6小时。将脱氢的粉末添加防氧化剂,分别经气流磨制成平均粒度3μm的磁粉。
步骤4:按照质量比1:1比例将Nd30FebalB1和(Nd0.8Dy0.2)30FebalB1粉末均匀混合,其实际成分为(Nd0.9Dy0.1)30FebalB1。然后,将混合磁粉在2T的磁场压机中取向成型,在进行冷等静压制成毛坯,其密度为4g/cm3。
步骤5:烧结和热处理:将毛坯放入高真空的烧结炉中进行烧结,烧结温度为900℃~1100℃,保温4小时,然后分别在800~950℃和400~600℃热处理2小时。
采用扫描电子显微镜(SEM)观察本实施例磁体的微观组织结构,典型的SEM形貌如图1所示。可以看出,磁体中的晶粒由两种具有不同衬度的晶粒所组成。由于Dy的原子量为162.50,Nd的原子量为144.24,因此,含Dy的晶粒在SEM相中具有较高的亮度,在SEM中呈浅灰色,而不含Dy的晶粒则呈深灰色。同时,从扫描电子显微镜所获得的能谱分析表明:浅灰色区域的Dy质量百分含量约为5~7%,与设计的速凝带中Dy含量接近。因此,采用本发明的方法可以制备具有不同稀土种类、含量的磁性相的混合磁体,从而实现重稀土的高效利用。
实施例2
低温烧结制备设计成分为(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1磁体,其中稀土Nd质量百分含量为24%,Ce的质量百分含量为6%,总稀土含量为30%。
步骤1:分别按照质量百分比Nd30FebalB1和(Nd0.7Ce0.3)30FebalB1分别配制原料。
步骤2:将配好的原料分别熔炼制备速凝带。首先将原材料放入速凝炉坩埚内,在氩气保护下进行真空感应熔炼,待原料充分融化形成合金后,保持1400℃温度,将合金液浇注到线速度为3米/秒的水冷铜辊上,制备厚度为0.3mm的两种速凝片。
步骤3:破碎制粉:所制得的Nd30FebalB1和(Nd0.7Ce0.3)30FebalB1速凝片分别装入氢破炉中进行氢破碎,在室温0.2MPa压力下吸氢,然后进行脱氢处理,脱氢温度为600℃,时间6小时。将脱氢的粉末添加防氧化剂,分别经气流磨制成平均粒度3μm的磁粉。
步骤4:按照质量比1:2比例将Nd30FebalB1和(Nd0.7Ce0.3)30FebalB1粉末均匀混合,其实际成分为(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1。将混合磁粉在2T的磁场压机中取向成型,在进行冷等静压制成毛坯,其密度为4g/cm3。
步骤5:烧结和热处理:将毛坯放入高真空的烧结炉中进行烧结,烧结温度为1020℃,保温2小时,然后分别在800~900℃和400~600℃热处理2小时。
采用NIM-2000HF稀土永磁标准测量装置测磁体的磁性能,性能如表1。
表1本实施例(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1磁体的性能
图2为本实施例(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1磁体的密度随烧结温度变化的情况。可以看出,当烧结温度达到1020℃时,烧结磁体的密度均可以达到7.62g/cm3以上。而对于相同粉末粒度的Nd30FebalB1磁体的最佳烧结温度为1050~1060℃之间。分析表明:正是由于本方法采用了(Nd0.7Ce0.3)30FebalB1速凝带和粉末,由于Ce的熔点为798℃,比金属钕的熔点约低218℃,使磁体中的液相的熔点降低,因此可以在更低的温度烧结获得致密度较高的磁体。此外由于烧结温度较低,有利于抑制晶粒长大,从而获得了更高的矫顽力。图3为本实施例(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1磁体的断口表面的SEM形貌,可以看出,磁体的晶粒为3~4μm,且尺寸分布很均匀,明显小于商业磁体6~10μm的晶粒尺寸。如表1所示,本实施例所制备成分为(Nd0.8Ce0.2)30FebalB1的磁体的剩磁Br为13.71kGs,内禀矫顽力Hcj为12.03kOe,最大磁能积(BH)m为45MGOe,具有优良的综合性能,是目前报道的最高值。并且由于Ce的替代达20%,可以大幅度降低原材料成本,具有良好的应用开发前景。
Claims (6)
1.一种稀土永磁合金,其特征在于:所述永磁合金的化学成分按质量百分比为:REaFe99-a-bB1Mb,其中,28≤a≤32,0<b≤10,RE选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少两种,M为Co、Al、Cu、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、V中的一种或几种;
所述永磁合金由至少2种不同成分的速凝带经破碎、混合、烧结和热处理步骤进行磁性相复合制备,所述速凝带分别为至少两种含不同稀土的2-14-1型磁性主相(RE)2Fe14B;
其中第一速凝带的成分为单一稀土的RE’aFe99-a-bB1Mb,磁性主相为(RE’)2Fe14B;第二速凝带的成分为混合稀土的(RE’,RE”)aFe99-a-bB1Mb,磁性主相为(RE’,RE”)2Fe14B;其中RE’为至少一种轻稀土,轻稀土RE’选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu,RE”为除RE’以外的至少一种稀土元素;第三速凝带的成分为RE”’aFe99-a-bB1Mb,磁性主相为(RE”’)2Fe14B,RE”为除RE’和RE”以外且可降低永磁合金熔点的稀土元素,为选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu中的至少一种。
2.如权利要求1所述的稀土永磁合金,其特征在于:所述RE为Nd、Ce和Dy。
3.如权利要求1所述的稀土永磁合金,其特征在于:所述磁性相复合永磁合金的磁性能如下:剩磁Br为12~15kGs,内禀矫顽力Hcj为8~30kOe,最大磁能积(BH)m为35~55MGOe。
4.一种如权利要求1所述的稀土永磁合金的磁性相复合制备方法,其特征在于:
该永磁合金的化学式按质量百分比为:REaFe99-a-bB1Mb,其中,28≤a≤32,0<b≤10,RE选自稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少两种,M为Co、Al、Cu、Ga、Nb、Mo、Ti、Zr、V中的一种或几种;
其磁性相复合制备方法包括如下步骤:
步骤1:按照成分设计分别配制至少两种不同的速凝带原料:第一速凝带的成分为RE’aFe99-a-bB1Mb;第二速凝带的成分为(RE’,RE”)aFe99-a-bB1Mb,第三速凝带的成分为RE”’aFe99-a-bB1Mb;
步骤2:将步骤1中的原料分别熔炼,并分别制成厚度为0.2~0.4mm的至少两种不同的速凝带,其磁性主相分别为(RE’)2Fe14B、(RE’,RE”)2Fe14B和(RE”’)2Fe14B;
步骤3:破碎制粉;将步骤2中所制得的两种以上速凝片分别装入氢破炉中进行氢破碎,然后,在脱氢的粉末中添加防氧化剂,分别经气流磨制成平均粒度2~5μm的磁粉;
步骤4:混合粉末、取向成型;按照成分设计的要求,将至少两种不同的粉末按照不同的比例混合均匀,然后将混合后的磁粉在1~3T的磁场压机中取向成型,在进行冷等静压制成密度为3~5g/cm3的毛坯;
步骤5:烧结和热处理;将毛坯放入高真空的烧结炉中进行烧结,其中,烧结温度为900℃~1100℃,保温1~6小时,然后分别在800~950℃和400~600℃热处理2小时。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:在所述步骤2中,首先将原材料放入速凝炉坩埚内,在氩气保护下进行真空感应熔炼,待原料充分融化形成合金后,保持1400~1600℃温度,将合金液浇注到线速度为1~5米/秒的水冷铜辊上,制备厚度为0.2~0.4mm的至少两种不同的速凝片。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:在步骤3中的氢破碎过程中,在室温0.1~0.5MPa压力下吸氢,然后进行脱氢处理,脱氢温度为500~600℃,时间2~6小时。
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