一种钕铁硼磁材料的制备方法

摘要

提供一种简单、方便、廉价的具有足够剩磁和矫顽力的高密度钕铁硼磁材料的制备方法。对于烧结的钕铁硼磁材料，本发明通过金属蒸汽，将纳米级别的稀土金属或稀土金属的合金涂布于微米级别的材料颗粒上，通过三阶段的烧结处理，消除了坯体中的气孔，提高坯体的致密度，又避免了晶体颗粒过于粗大影响矫顽力，而第二阶段烧结中，显著提高了磁体材料的机械强度，更适宜于高温环境下耐久的工作，蒸发源使用的蒸发板材是将稀土金属或稀土金属的合金凝固在耐火金属制成的板状或筒状的网格状芯材上，节省了加工过程中稀土金属的损耗。

权利要求

1.一种钕铁硼磁材料的制备方法，其特征在于：

(1)提供一种钕铁硼磁材料，钕铁硼磁材料的配比为：10-15wt％的钕，6-8wt％的硼，其余为铁，在氩气环境下熔炼，制成合金锭，然后在氩气环境下通过球磨机研磨；然后将球磨机研磨的粉末通过气流粉碎机磨制成平均粒度3μm的粉末；

(2)在真空蒸发室充入氩气，通过蒸发源的加热作用，将稀土金属或稀土金属的合金形成金属蒸汽，其中氩气分压不小于3×10-1Pa，将上述金属蒸汽输出气流对气流粉碎机磨制出的钕铁硼磁材料合金粉末进行附着；

上述蒸发源使用的蒸发板材形成工序为：

将稀土金属或稀土金属的合金熔化后，保持在低于前述熔化温度的状态下，将稀土金属或稀土金属的合金凝固在耐火金属制成的板状或筒状的网格状芯材上；

将钕铁硼磁材料合金粉末在3-5吨/平方厘米的压力下和至少2.5T的磁场下，模压成坯体，其中磁性合金颗粒的取向为易磁化轴沿模压时施加的磁场方向；

(3)磁材料合金粉末坯体烧结，烧结分为三阶段进行，三阶段之间不存在时间间隔和冷却处理；

第一阶段烧结：在真空环境中进行，消除坯体中的气孔，烧结温度为1200-1300℃，烧结时间持续2-3小时，得到坯体的密度达到磁性合金密度的95-98.5％；

第二阶段烧结：在惰性气体环境中，控制在30-50个大气压的环境下，以1000-1100℃，烧结1-2小时；

第三阶段烧结：在惰性气体环境中，常压下，在800℃的环境下，以200℃/小时的速度逐渐冷却成型。

2.如权利要求1所述的一种钕铁硼磁材料的制备方法，其特征在于：金属蒸汽附着是通过将金属蒸汽输入放置有钕铁硼磁材料合金粉末的旋转式氢破炉中，边加热边旋转，加热时炉体以5rpm的旋转速度进行旋转，在炉体旋转轴一端输入金属蒸汽，另一端适当施加负压，持续时间0.1-1小时。

3.如权利要求1所述的一种钕铁硼磁材料的制备方法，其特征在于：制作蒸发板材的所述网格状芯材使用耐火金属或者其氧化物制成的丝编织成网格状，网格的网眼在50-100目，使用至少3层网格重叠制成板状或筒状的网格芯材。

4.如权利要求1所述的一种钕铁硼磁材料的制备方法，其特征在于：稀土类的金属使用镝(Dy)、铽(Tb)；稀土类金属的合金使用镝(Dy)、铽(Tb)中添加了提高矫顽力的金属。

5.如权利要求1所述的一种钕铁硼磁材料的制备方法，其特征在于：用作研磨介质的球磨的直径为3-5毫米。

说明书

一种钕铁硼磁材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及形成永磁体的技术领域，尤其涉及一种钕铁硼磁材料的制备方法。

背景技术

[0002] 烧结的钕铁硼磁材料具有很好的磁性，常作为永磁体用于各种电力设备中。然而由于该材料中的Nd2Fe14B的存在，剩磁和本征矫顽性随着温度变化很大，而现代的电力设备中普遍存在着高温的工作工作环境的需求。现有技术中通常通过在熔化或形成合金之前，添加钴(Co)、镝(Dy)或者铽(Tb)到混合金属中。

[0003] 然而镝(Dy)、铽(Tb)都是非常稀有和昂贵的原料，通常稀土元素中只含有5％左右的镝(Dy)，并且并非所有的稀土元素中都包含镝(Dy)。近年来由于稀土元素的过度开采，其储量已经明显下降，镝(Dy)、铽(Tb)的价格已经急剧上升。同时由于这些稀有金属很难提纯，并且即使是纯的也很容易被氧化。因此业界也尝试使用了其氢化物或氟化物作为添加剂。但是氢化物的快速扩散使得与烧结相关的温度不能使得原来固结，影响来了材料的工作性能。而氟化物的添加虽然使得材料获得较高的矫顽力，但是其剩磁则下降很多。

[0004] 中国专利CN104392818A公开了一种提高烧结钕铁硼永磁材料磁性能的方法，通过Dy2O3或Tb2O3的溶液涂覆在烧结钕铁硼永磁材料，然后还原扩散。但该方法仅仅对烧结钕铁硼永磁材料表面的镝(Dy)、铽(Tb)的附着，对于材料本身并无改进。

[0005] 中国专利CN104575905A公开了一种添加纳米铝粉制备烧结钕铁硼的方法，将平均粒度10nm-100nm的铝粉按照比例加入钕铁硼的微粉里，虽然该方法提高了材料的矫顽力，但是由于材料中引入铝粉，进一步降低了钕铁硼磁铁的居里温度，而通常认为钕铁硼磁材料的居里温度已经较低，再进一步降低是非常不利的。

[0006] 中国专利CN104593660A公开了一种钕铁硼永磁材料合金化Ga元素的方法，以Fe-Ga合金作为原料的形式添加Ga元素，避免了配料时液态的金属Ga加入容易挥发的缺陷，但是该种方法中Fe-Ga合金形式存在影响了材料中影响了Nd2Fe14B的的晶体性能。

[0007] 研究认为，提高烧结温度和延长烧结时间可提高烧结磁体的密度，但由于提高烧结温度、延长烧结时间会造成晶体颗粒的长大，而粗大的晶体颗粒的矫顽力低于细的晶体颗粒。因此目前钕铁硼磁材料的剩磁要显著低于其烧结密度等于磁体合金真实密度的假想磁体。此外，密度低也使得磁体机械强度低、表面容易生锈。对此缺陷，通常业界认为需要在高压环境下进行烧结作业，使得磁体材料致密，但是高压作业需要极其昂贵的使用和维护成本，同时也具有较大的安全隐患。

[0008] 基于上述理由，对于制备具有期望的剩磁和足够矫顽力的高密度钕铁硼磁材料的研究需要进一步深入。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种简单、方便、廉价的具有足够剩磁和矫顽力的高密度钕铁硼磁材料的制备方法。

[0010] 对于烧结的钕铁硼磁材料，理想的微观结构为Nd2Fe14B晶体颗粒，本发明一方面提供一种制备钕铁硼磁材料的方法，其特征在于：

[0011] 提供一种钕铁硼磁材料，钕铁硼磁材料的配比为：10-15wt％的钕，6-8wt％的硼，其余为铁，在氩气环境下熔炼，制成合金锭，然后在氩气环境下通过球磨机研磨；优选的用作研磨介质的球磨的直径为3-5毫米；然后将球磨机研磨的粉末通过气流粉碎机磨制成平均粒度3μm的粉末；

[0012] 在真空蒸发室充入氩气，通过蒸发源的加热作用，将镝(Dy)、铽(Tb)形成金属蒸-1汽；优选的氩气分压不小于3×10 Pa；

[0013] 将上述金属蒸汽输出气流对气流粉碎机磨制出的钕铁硼磁材料合金粉末进行附着；优选的将金属蒸汽输入放置有钕铁硼磁材料合金粉末的旋转式氢破炉中，边加热变旋转，加热时炉体以5rpm的旋转速度进行旋转，再炉体旋转轴一端输入金属蒸汽，另一端适当施加负压，持续时间0.1-1小时。

[0014] 其中，蒸发源使用的蒸发板材形成工序为：

[0015] 凝固体形成工序：将稀土金属或稀土金属的合金熔化后，保持在低于前述熔化温度的状态下，将稀土金属或稀土金属的合金凝固在耐火金属制成的板状或筒状的网格状芯材上；

[0016] 芯材使用钨、钒、钛、钽等耐火金属或者其氧化物制成的丝编织成网格状，网格的网眼在50-100目，使用至少3层网格重叠制成板状或筒状的网格芯材；

[0017] 稀土类的金属使用镝(Dy)、铽(Tb)；稀土类金属的合金使用镝(Dy)、铽(Tb)中添加了提高矫顽力的金属。

[0018] 这样作为蒸发源使用的蒸发板材无需单独铸造，在芯材上附着的稀土金属或稀土金属的合金消耗完之后，只需要将芯材再次浸入熔化状态下的稀土金属或稀土金属的合金，使得稀土金属或稀土金属的合金再次凝固即可。

[0019] 将钕铁硼磁材料合金粉末在3-5吨/平方厘米的压力下和至少2.5T的磁场下，模压成坯体，其中磁性合金颗粒的取向为易磁化轴沿模压时施加的磁场方向；

[0020] 磁材料合金粉末坯体烧结，烧结分为三阶段进行，三阶段之间不存在时间间隔和冷却处理；

[0021] 第一阶段烧结：在真空环境中进行，消除坯体中的气孔，烧结温度为1200-1300℃，烧结时间持续2-3小时，得到坯体的密度达到磁性合金密度的95-98.5％，虽然持续延长烧结时间和提高烧结温度对于坯体的密度还有进一步提高的余地，但是有可能导致晶体颗粒的不期望的粗大；

[0022] 第二阶段烧结：在惰性气体环境中，控制在30-50个大气压的环境下，以1000-1100℃，烧结1-2小时；

[0023] 第三阶段烧结：在惰性气体环境中，常压下，在800℃的环境下，以200℃/小时的速度逐渐冷却；

[0024] 通过三阶段的烧结处理，在第一阶段烧结中，消除了坯体中的气孔，提高坯体的致密度，又避免了晶体颗粒过于粗大影响矫顽力；而第二阶段烧结中，烧结温度和持续时间均低于第一烧结阶段，并且具有适当的压力烧结，避免了不希望的晶体颗粒粗大的缺陷，同时又进一步提高坯体的致密度；第三阶段烧结中，控制温度下降的速度，避免磁体材料由于温度骤然降低导致的裂纹和崩口等缺陷，显著提高了磁体材料的机械强度，更适宜于高温环境下耐久的工作。

[0025] 通过本发明的方法，一方面使得钕铁硼磁材料具有非均匀扩散的镝(Dy)或铽(Tb)中的至少一种，非均匀分散的提醒使得材料中Nd2Fe14B晶体颗粒边界出优先聚集，更容易形成共晶相，使得材料具有较好的矫顽力与剩磁。

[0026] 通过本发明的方法，另一方面，纳米级别的镝(Dy)或铽(Tb)涂布于微米级别的材料颗粒上，在颗粒尺寸上的精细，使得颗粒对于磁性的影响更加敏感，在模压过程中额外地受到施加的磁能影响，从而能够获得期望的足够的剩磁。

[0027] 通过本发明的方法，另一方面使得在烧结后形成的材料中镝(Dy)或铽(Tb)分散在材料的内部，但是消耗的镝(Dy)或铽(Tb)含量显著减少了50％或更多，在一种适用于电动机的钕铁硼磁材料形式中，整体的镝(Dy)或铽(Tb)只占了大约0.3-5wt％的范围，但是使得磁性能与具有大得多的整体含量的处理磁体相似。

[0028] 通过本发明的方法，另一方面，多阶段的烧结方法提高坯体的致密度，又避免了晶体颗粒过于粗大影响矫顽力，控制温度下降的速度，避免磁体材料由于温度骤然降低导致的裂纹和崩口等缺陷，显著提高了磁体材料的机械强度，更适宜于高温环境下耐久的工作。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

[0030] 实施例1

[0031] 提供一种钕铁硼磁材料，钕铁硼磁材料的配比为：10wt％的钕，8wt％的硼，其余为铁，在氩气环境下熔炼，制成合金锭，然后在氩气环境下通过球磨机研磨；优选的用作研磨介质的球磨的直径为3毫米；然后将球磨机研磨的粉末通过气流粉碎机磨制成平均粒度3μm的粉末；

[0032] 在真空蒸发室充入氩气，通过蒸发源的加热作用，将镝(Dy)、铽(Tb)形成金属蒸汽；氩气分压为3×10-1Pa；

[0033] 将上述金属蒸汽输出气流对气流粉碎机磨制出的钕铁硼磁材料合金粉末进行附着，持续时间0.1-1小时；

[0034] 将钕铁硼磁材料合金粉末在3吨/平方厘米的压力下和2.5T的磁场下，模压成坯体，其中磁性合金颗粒的取向为易磁化轴沿模压时施加的磁场方向；

[0035] 磁材料合金粉末坯体烧结，烧结分为三阶段进行，三阶段之间不存在时间间隔和冷却处理；

[0036] 第一阶段烧结：在真空环境中进行，消除坯体中的气孔，烧结温度为1200-1300℃，烧结时间持续2小时，得到坯体的密度达到磁性合金密度的95％，虽然持续延长烧结时间和提高烧结温度对于坯体的密度还有进一步提高的余地，但是有可能导致晶体颗粒的不期望的粗大；

[0037] 第二阶段烧结：在惰性气体环境中，控制在30-50个大气压的环境下，以1000-1100℃，烧结1小时；

[0038] 第三阶段烧结：在惰性气体环境中，常压下，在800℃的环境下，以200℃/小时的速度逐渐冷却；

[0039] 其中，蒸发源使用的蒸发板材形成工序为：

[0040] 凝固体形成工序：将稀土金属或稀土金属的合金熔化后，保持在低于前述熔化温度的状态下，将稀土金属或稀土金属的合金凝固在耐火金属制成的板状的网格状芯材上；

[0041] 芯材使用钨、钒、钛、钽等耐火金属或者其氧化物制成的丝编织成网格状，网格的网眼在50目，使用至少3层网格重叠制成板状的网格芯材；

[0042] 稀土类的金属使用镝(Dy)、铽(Tb)；稀土类金属的合金使用镝(Dy)、铽(Tb)中添加了提高矫顽力的金属，如Nd、Pr、Al、Cu、Ga。

[0043] 实施例2

[0044] 提供一种钕铁硼磁材料，钕铁硼磁材料的配比为：15wt％的钕，6wt％的硼，其余为铁，在氩气环境下熔炼，制成合金锭，然后在氩气环境下通过球磨机研磨；优选的用作研磨介质的球磨的直径为5毫米；然后将球磨机研磨的粉末通过气流粉碎机磨制成平均粒度3μm的粉末；

[0045] 在真空蒸发室充入氩气，通过蒸发源的加热作用，将镝(Dy)、铽(Tb)形成金属蒸-1汽；优选的氩气分压5×10 Pa；

[0046] 将上述金属蒸汽输出气流对气流粉碎机磨制出的钕铁硼磁材料合金粉末进行附着，持续时间1小时；

[0047] 将钕铁硼磁材料合金粉末在5吨/平方厘米的压力下和3T的磁场下，模压成坯体，其中磁性合金颗粒的取向为易磁化轴沿模压时施加的磁场方向；

[0048] 磁材料合金粉末坯体烧结，烧结分为三阶段进行，三阶段之间不存在时间间隔和冷却处理；

[0049] 第一阶段烧结：在真空环境中进行，消除坯体中的气孔，烧结温度为1200-1300℃，烧结时间持续3小时，得到坯体的密度达到磁性合金密度的98.5％，虽然持续延长烧结时间和提高烧结温度对于坯体的密度还有进一步提高的余地，但是有可能导致晶体颗粒的不期望的粗大；

[0050] 第二阶段烧结：在惰性气体环境中，控制在50个大气压的环境下，以1000-1100℃，烧结2小时；

[0051] 第三阶段烧结：在惰性气体环境中，常压下，在800℃的环境下，以200℃/小时的速度逐渐冷却

[0052] 其中，蒸发源使用的蒸发板材形成工序为：

[0053] 凝固体形成工序：将稀土金属或稀土金属的合金熔化后，保持在低于前述熔化温度的状态下，将稀土金属或稀土金属的合金凝固在耐火金属制成的筒状的网格状芯材上；

[0054] 芯材使用钨、钒、钛、钽等耐火金属或者其氧化物制成的丝编织成网格状，网格的网眼在50-100目，使用4层网格重叠制成筒状的网格芯材；

[0055] 稀土类的金属使用镝(Dy)、铽(Tb)；稀土类金属的合金使用镝(Dy)、铽(Tb)中添加了提高矫顽力的金属。

[0056] 实施例3

[0057] 提供一种钕铁硼磁材料，钕铁硼磁材料的配比为：13wt％的钕，7wt％的硼，其余为铁，在氩气环境下熔炼，制成合金锭，然后在氩气环境下通过球磨机研磨；优选的用作研磨介质的球磨的直径为4毫米；然后将球磨机研磨的粉末通过气流粉碎机磨制成平均粒度3μm的粉末；

[0058] 在真空蒸发室充入氩气，通过蒸发源的加热作用，将镝(Dy)、铽(Tb)形成金属蒸汽；氩气分压为3.5×10-1Pa；

[0059] 将上述金属蒸汽输出气流对气流粉碎机磨制出的钕铁硼磁材料合金粉末进行附着，持续时间0.5小时；

[0060] 将钕铁硼磁材料合金粉末在4吨/平方厘米的压力下和2.5T的磁场下，模压成坯体，其中磁性合金颗粒的取向为易磁化轴沿模压时施加的磁场方向；

[0061] 磁材料合金粉末坯体烧结，烧结分为三阶段进行，三阶段之间不存在时间间隔和冷却处理；

[0062] 第一阶段烧结：在真空环境中进行，消除坯体中的气孔，烧结温度为1200-1300℃，烧结时间持续2小时，得到坯体的密度达到磁性合金密度的98％，虽然持续延长烧结时间和提高烧结温度对于坯体的密度还有进一步提高的余地，但是有可能导致晶体颗粒的不期望的粗大；

[0063] 第二阶段烧结：在惰性气体环境中，控制在30-50个大气压的环境下，以1000-1100℃，烧结1.5小时；

[0064] 第三阶段烧结：在惰性气体环境中，常压下，在800℃的环境下，以200℃/小时的速度逐渐冷却。

[0065] 采用本发明制备的钕铁硼磁材料测得参数如下：

[0066]