一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體及其制備方法與應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于粉末冶金及磁體制備領(lǐng)域，公開了一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體及其制備方法與應用。所述制備方法包括如下步驟：通過高速壓制使富釹的釹鐵硼粉末致密化成型得到熱變形前驅(qū)體，然后將所述熱變形前驅(qū)體進行熱變形，得到所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。本發(fā)明所述制備方法高速壓制成型效率高，瞬間使粉末致密化，可提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率；所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體磁體密度及磁性能優(yōu)異，可應用于消費電子、音響、發(fā)動機、風電、交通領(lǐng)域、計算機和高性能汽車電機等領(lǐng)域。
【專利說明】一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體及其制備方法與應用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于粉末冶金及磁體制備領(lǐng)域，具體涉及一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體及其制備方法與應用。

【背景技術(shù)】
[0002]以釹鐵硼磁體(Nd2Fe14B)為代表的第三代稀土永磁材料是磁性能最高、應用最廣、發(fā)展速度最快永磁材料。由于釹鐵硼磁體具有高飽和磁化強度、高的各項異性場和高磁能積等優(yōu)點，在音響器件、汽車領(lǐng)域、油田除蠟、醫(yī)學器械、計算機等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。全球?qū)ο⊥菱S鐵硼系永磁材料的需求量逐年遞增，平均每年以一百萬噸的速度增長，發(fā)展?jié)摿Υ?，具有很好的市場形勢。我國雖然是稀土儲存量大國，但是我國主要是生產(chǎn)中低端磁體，高端磁體要向美國和日本等進口。在1995年到2005年的10年期間我國大量出口稀土礦產(chǎn)資源，給我國造成一百億美元的外匯損失。提高我國高性能磁體的制備技術(shù)不僅僅具有重大的經(jīng)濟價值，更是有助于使我國成為稀土強國。Nd2Fe14B化合物具有很強的單軸各項異性，在以Nd2Fe14B為基體的化合物永磁材料中，當Nd2Fe14B的晶粒c軸混亂取向時，晶體是各項同性的，其= 0.5Js, (BH)max = 0.5(Js/2)2 ;當Nd2Fe14B的晶粒c軸規(guī)則取向時，晶體是各項異性的，其上^ Js，(BH)max = 0.25JS2。顯然，各項異性永磁體的磁性能比各項同性永磁體高得多。
[0003]高速壓制技術(shù)是瑞典的Hoganas AB公司的Paul Skoglund提出，在2001年6月推出的一項安全高效的成形新技術(shù)。高速壓制技術(shù)的操作過程和常規(guī)的單向壓制極為相似:在速度為2?30m/s情況下對粉體進行高能錘擊，強烈的沖擊波壓制使粉末冶金材料達到高密度。與傳統(tǒng)壓制相比，高速壓制技術(shù)具有高致密度、成本低和成型快等優(yōu)點，同時在常溫下高速壓制粉末基本保持原始的晶粒大小和結(jié)構(gòu)。因此高速壓制技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，已經(jīng)成功的應用在鐵粉、鈦粉、316L不銹鋼粉、銅粉和聚合物等材料的制備，也用在制備軟磁材料和HRRD磁性粉末。
[0004]各向異性釹鐵硼磁體的制備方法主要有粉末冶金法和熱變形法，粉末冶金制制備的各向異性磁體由于不可避免的會含有空洞和非磁性相，因而會使磁體的熱穩(wěn)定性?？垢g性和斷裂韌性下降。而熱變形是先將磁性粉末致密化，然后將致密化后的磁體通過鐓粗、擠壓和軋制等方法變形，使得熱變形后的各向異性磁體具有均勻細小的晶粒組織結(jié)構(gòu)和致密度等特點，其熱穩(wěn)定性和斷裂韌度高于傳統(tǒng)的燒結(jié)磁體。熱變形在各向異性的釹鐵硼磁體中，富釹相的存在起至關(guān)重要的作用，如果磁體中沒有富釹相，很難甚至不可能變形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種設備工藝簡單、產(chǎn)率高、成本低廉、節(jié)約能源的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法；
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法得到的各向異性納米晶釹鐵硼磁體；
[0007]本發(fā)明的再一目的在于提供上述各向異性納米晶釹鐵硼磁體的應用。
[0008]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，包括如下步驟:通過高速壓制使富釹的釹鐵硼粉末致密化成型得到熱變形前驅(qū)體，然后將所述熱變形前驅(qū)體進行熱變形，得到所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0010]優(yōu)選的,所述富釹的釹鐵硼粉末中釹的質(zhì)量分數(shù)為29.2?33wt% ；
[0011]更優(yōu)選的，所述富釹的釹鐵硼粉末中主體元素的含量為:Nd:29.2?31wt%,FeCoAl:67.8 ?70wt%，B:1±0.2wt% ；
[0012]優(yōu)選的，上述各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法的具體步驟為:
[0013](I)在壓制模具的型腔表面和上下模桿的表面涂抹潤滑劑；
[0014](2)將所述富釹的釹鐵硼粉末填充于壓制模具的型腔內(nèi)，進行高速壓制，脫模取得壓制試樣，即為熱變形前驅(qū)體；
[0015](3)將所述熱變形前驅(qū)體置于熱壓爐中進行熱變形，熱變形完成后冷卻，取出成品，即為所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0016]在上述制備方法的具體步驟中:
[0017]優(yōu)選的，所述壓制模具的內(nèi)徑為12?16mm ；
[0018]優(yōu)選的，所述潤滑油為硬脂酸鋅的酒精懸浮液、硬脂酸鈣的酒精懸浮液或凡士林；
[0019]優(yōu)選的，在進行高速壓制前預壓2min ；
[0020]優(yōu)選的，所述高速壓制采用單次沖擊壓制成型或多次沖擊壓制成型；
[0021]優(yōu)選的，在高速壓制中控制壓制模具的型腔內(nèi)富釹的釹鐵硼粉末的質(zhì)量能密度大于160J/g ;更優(yōu)選的，在高速壓制中控制壓制模具的型腔內(nèi)富釹的釹鐵硼粉末的質(zhì)量能密度為 160 ?300J/g ；
[0022]質(zhì)量能密度，即單位質(zhì)量的壓制件在壓制過程中受到的沖擊能，可通過下式計算:I = E/m，式中，I為質(zhì)量能密度，單位為J/g ；E為壓制的沖擊能，單位為焦(J)仰為所述富釹的釹鐵硼粉末的填充量，單位為克(g)。
[0023]優(yōu)選的，所述熱變形前驅(qū)體進行熱變形前，先用包套材料進行包套；
[0024]包套材料的內(nèi)徑尺寸、高度和熱變形前驅(qū)體大小一致，或者包套材料內(nèi)徑比熱變形前驅(qū)體外徑大2?3mm,高度低2?3_ ；
[0025]優(yōu)選的，所述包套材料為H65黃銅、純銅或鐵；
[0026]優(yōu)選的，所述熱變形的溫度為680?900°C，變形量為15?80% ；
[0027]更優(yōu)選的，所述熱變形的變形量為15?40%。
[0028]一種根據(jù)上述制備方法得到的各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0029]上述各向異性納米晶釹鐵硼磁體可應用于在消費電子、音響、發(fā)動機、風電及交通領(lǐng)域，尤其可應用于計算機和高性能汽車電機【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0030]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:
[0031](I)傳統(tǒng)的熱變形工藝中通常通過傳統(tǒng)燒結(jié)、電火花等離子燒結(jié)或者熱壓等方法使粉末致密化成型塊體，然后進行熱變形；而本發(fā)明所述制備方法采用常溫下高速壓制成型，節(jié)約了大量的能量，在熱變形中納米晶?；静粫L大，能很好的保持原始粉末的組織結(jié)構(gòu)。
[0032](2)本發(fā)明所述制備方法高速壓制成型效率高，瞬間使粉末致密化，可提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。
[0033](3)本發(fā)明所述制備方法采用高速壓制成型，避免了燒結(jié)成型方法中應晶粒長大而造成的磁性能的下降，一般燒結(jié)磁體都是晶粒大小都是微米級，而高速壓制制備的磁體仍然可以保持原有粉末的納米晶粒尺寸大小。
[0034](4)本發(fā)明所述制備方法采用的高速壓制成型為凈成型，不添加任何粘結(jié)劑，比各向異性的粘結(jié)釹鐵硼磁體具有更好的磁性能。
[0035](5)本發(fā)明所述制備方法除了可采用富釹的釹鐵硼粉末制備各向異性納米晶釹鐵硼磁體外，還可采用常規(guī)的釹鐵硼粉末及貧稀土釹鐵硼粉末進行制備。
[0036](6)本發(fā)明所述制備方法工藝簡單，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)。
[0037](7)本發(fā)明所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體磁體密度及磁性能優(yōu)異。從高速壓制得到的磁體最大磁能積(BH)max = 65 (kj/m3)，經(jīng)過40%變形量后最大磁能積(BH)max =120(kJ/m3)增加近一倍，極大的調(diào)高了磁體的磁能積，同時仍然保持較高的矯頑力Hcd =784 (kA/m)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是實施例2中內(nèi)徑Φ = 12mm的壓制模具的裝配圖。
[0039]圖2是質(zhì)量能密度I對高速壓制磁體密度的相互關(guān)系圖。
[0040]圖3是高速壓制后圓柱形磁體和40%熱變形量磁體的XRD圖。
[0041]圖4是高速壓制磁體和15%變形量磁體磁滯回線圖。
[0042]圖5是高速壓制磁體和40%變形量磁體磁滯回線圖。
[0043]圖6是實施例2經(jīng)高速壓制后12_圓柱形磁體垂直面SEM圖。
[0044]圖7是實施例2經(jīng)高速壓制后12mm圓柱形磁體水平面的SEM圖。
[0045]圖8是實施例2經(jīng)熱變形40%變形量后所得磁體平行于壓力方向的SEM圖。

【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0047]本發(fā)明采用高速壓制機裝置，原始粉末為富釹釹鐵硼粉末，熱壓爐為HP-12 X 12 X 12,美國 Centorr Vacuum Industries。
[0048]實施例1
[0049]一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體，其制備方法如下:
[0050](I)準備釹鐵硼片狀粉末，主要元素質(zhì)量分數(shù)分別為29.2wt % Nd、69.Swt %(FeCoAl) >lwt% B ;選用內(nèi)徑Φ = 16mm的壓制模具,在模具型腔和上下模桿均勻地涂上硬脂酸鋅酒精溶液，待到酒精蒸發(fā)后，把準備好的釹鐵硼片狀粉末小心地放進模具型腔，并搖動模具使粉末盡量均勻分布，裝粉量m = 12.21g ；
[0051](2)根據(jù)質(zhì)量能密度調(diào)節(jié)高速壓制機的沖擊能E，記錄沖擊錘沖擊上模桿的瞬間速度，確定沖擊能大小。采用兩次高速壓制，選擇第一次沖擊能E = 320J、第二次E = 386J進行高速壓制；采用一次高速壓制，依次采用150(^、15811、17681、19871及21131五種沖擊能對步驟(I)的模具進行高速壓制然后脫模取出壓制試樣；
[0052](3)用內(nèi)徑16mm、壁厚1mm、高度9.7mm的H65黃銅包套在致密度最高的壓制試樣，編寫熱壓爐熱變形程序。熱變形條件:750°C保溫lOmin，變形速率為0.0Ols—1，等到熱壓爐冷卻后取出熱變形成品，此時可以觀察到試樣高度降低為8mm，沿著壓力方法發(fā)生較小變形，變形量約為15% ;所得熱變形成品即為所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0053]實施例2
[0054]一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體，其制備方法如下:
[0055](I)準備釹鐵硼片狀粉末，主要元素質(zhì)量分數(shù)分別為29.2wt % Nd、69.Swt %(FeCoAl) >lwt% B ;選用內(nèi)徑Φ = 12mm的壓制模具,在模具型腔和上下模桿均勻地涂上硬脂酸鋅酒精溶液，待到酒精蒸發(fā)后，把準備好的釹鐵硼片狀粉末小心地放進模具型腔，并搖動模具使粉末盡量均勻分布，裝粉量m = 6.91g ;內(nèi)徑Φ = 12mm的壓制模具的裝配圖如圖1所示；
[0056](2)根據(jù)質(zhì)量能密度調(diào)節(jié)高速壓制機的沖擊能E，記錄沖擊錘沖擊上模桿的瞬間速度，確定沖擊能大小。依次采用1227J、1500J、1581J、1768J及1988J五種沖擊能對步驟(I)的模具進行一次高速壓制，然后脫模取出壓制試樣；
[0057](3)用內(nèi)徑14mm、壁厚1mm、高度6mm的純銅包套在壓制致密度最高的試樣，編寫熱壓爐熱變形程序。熱變形條件:750°C保溫8min，等到熱壓爐冷卻后取出熱變形成品，此時可以觀察到試樣高度降低為5_，沿著壓力方法發(fā)生明顯變形，變形量約為40% ;所得熱變形成品即為所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0058]實施例3
[0059]一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體，其制備方法如下:
[0060](I)準備釹鐵硼片狀粉末，主要元素質(zhì)量分數(shù)分別為30.2wt% Nd、68.8wt%(FeCoAl) >lwt% B ;選用內(nèi)徑Φ = 16mm的壓制模具,在模具型腔和上下模桿均勻地涂上硬脂酸鋅酒精溶液，待到酒精蒸發(fā)后，把準備好的釹鐵硼片狀粉末小心地放進模具型腔，并搖動模具使粉末盡量均勻分布，裝粉量m = 7.69g ；
[0061](2)根據(jù)質(zhì)量能密度調(diào)節(jié)高速壓制機的沖擊能E，記錄沖擊錘沖擊上模桿的瞬間速度，確定沖擊能大小。依次采用11911、130町及16051三種沖擊能對步驟(I)的模具進行一次高速壓制，然后脫模取出壓制試樣；
[0062](3)不采用包套，直接在熱壓爐中對致密度最高的壓制試樣經(jīng)行熱變形，編寫熱壓爐熱變形程序。熱變形條件:900°C保溫5min，等到熱壓爐冷卻后取出熱變形成品，此時可以觀察到試樣高度降低1mm，沿著壓力方法發(fā)生較小變形，變形量約為18% ;所得熱變形成品即為所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0063]性能測試:
[0064]對于上述實施例制備的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的性能和結(jié)構(gòu)，用掃描電鏡、X射線衍射、綜合物性測量系統(tǒng)等進行表征和分析，以下結(jié)合附圖做進一步說明。
[0065]圖2是質(zhì)量能密度I對高速壓制磁體密度的相互關(guān)系圖。在高速壓制過程中裝分量和沖擊能都是影響壓制件密度重要參數(shù)，因此引入一個既能體現(xiàn)沖擊能又能體現(xiàn)裝分量對壓制件密度影響的物理量一質(zhì)量能密度。當I〈160J/g，致密度隨著質(zhì)量能密度I的增加而增加，因為粉末相互擠壓填充空隙；當160〈I〈220J/g，致密度隨著質(zhì)量能密度I的增加而不變，因為粉末處于壓制平衡階段；當220J/g〈I，致密度隨著質(zhì)量能密度I的增加而再次增力口，因為粉末發(fā)生塑性變形，密度增加。
[0066]圖3高速壓制后圓柱形磁體和40%熱變形量磁體的XRD圖?；旧纤械姆宥际荖d2Fe14B相的峰，在40%變形量時，向c軸方向轉(zhuǎn)動的晶面明顯增多，(004)、(105)、(314)、
(006)、(216)和(008)等峰強度明顯增強，體現(xiàn)熱變形后，釹鐵硼磁體具有各向異性。
[0067]圖4高速壓制磁體和15%變形量磁體磁滯回線圖。高速壓制后磁體的磁性能矯頑力 Hci = 1101 (kA/m)、剩磁 Jr = 0.64 (T)、最大磁能積(BH)max = 65 (kj/m3)、飽和磁化強度JS;6T = 1.13 (T) ;15%熱變形量磁體的磁性能矯頑力Hcd = 965 (kA/m)、剩磁Jr = 0.78 (T)、最大磁能積(BH)max = 88 (kj/m3)、飽和磁化強度JS，6T = 1.34 (T)。從圖中可以得出隨著變形量的增加，磁體的矯頑力Hcd降低，剩磁和飽和磁化強度都增加，磁體開始具有各向異性。
[0068]圖5高速壓制磁體和40%變形量磁體磁滯回線圖。高速壓制后磁體的磁性能矯頑力 Hci = 1101 (kA/m)、剩磁 Jr = 0.64 (T)、最大磁能積(BH)max = 65 (kj/m3)、飽和磁化強度JS;6T = 1.13 (T) ;40%熱變形量磁體磁性能矯頑力Hcd = 784 (kA/m)、剩磁Jr = 0.95 (T)、最大磁能積(BH)max = 120(kJ/m3)、飽和磁化強度Js，6T = 1.47⑴。從高速壓制得到的磁體最大磁能積(BH)max = 65 (kj/m3)，經(jīng)過40%變形量后最大磁能積(BH)max = 120(kJ/m3)增加近一倍，極大的調(diào)高了磁體的磁能積，同時仍然保持較高的矯頑力Hcd = 784(kA/m)。這是因為高速壓制時，粉末晶粒基本不會長大，保持原始的組織和結(jié)構(gòu)。
[0069]表I原始粉末、高速壓制磁體、15%變形量和40%變形量磁體的磁性能表。在熱變形過程中隨著變形量的增加，磁體的剩磁和飽和磁化強度增加，當變形量達到40%時，剩磁Jr = 0.64⑴增加到0.95 (T)，具有明顯的各向異性。
[0070]表I各試樣磁性能參數(shù)
[0071]
~Ha (kA/m)~~ (BH)imix(IdW) J,ot(T)
原始粉末IlSl10.76931.30
實例I屮高速壓制磁體 11010.646S1.13
實例2中高速壓制磁體 10950.68671.15
實例I中15%變形量磁體 9650.78881.34
實例2中40%變形量磁體 7840.951201.47
[0072]注明:1.該數(shù)值為實施例1和2中所采用的釹鐵硼粉末的矯頑力，不同的粉末顆粒大小略有不同。
[0073]圖6為實施例2經(jīng)高速壓制后12mm圓柱形磁體垂直面SEM圖。粉末呈片狀一層一層地緊密堆集起來，堆集的方向和壓力方向幾乎平行。
[0074]圖7為實施例2經(jīng)高速壓制后12_圓柱形磁體水平面的SEM圖。粉末與粉末邊緣緊密連接，但仍然有空洞。
[0075]圖8為實施例2經(jīng)熱變形40%變形量后所得磁體平行于壓力方向的SEM圖。在熱變形時，粉末晶粒垂直與壓力方向生長，c軸趨向平行壓力方向。從微觀結(jié)構(gòu)說明熱變形后磁體具有各向異性，高速壓制和熱變形可以成功地制備出各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
[0076] 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:通過高速壓制使富釹的釹鐵硼粉末致密化成型得到熱變形前驅(qū)體，然后將所述熱變形前驅(qū)體進行熱變形，得到所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:所述富釹的釹鐵硼粉末中釹的質(zhì)量分數(shù)為29.2?33wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:所述富釹的釹鐵硼粉末中主體元素的含量為:Nd:29.2?31wt%，F(xiàn)eCoAl:67.8?70wt%，B:I ±0.2wt% ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法的具體步驟為: (1)在壓制模具的型腔表面和上下模桿的表面涂抹潤滑劑； (2)將所述富釹的釹鐵硼粉末填充于壓制模具的型腔內(nèi)，進行高速壓制，脫模取得壓制試樣，即為熱變形前驅(qū)體； (3)將所述熱變形前驅(qū)體置于熱壓爐中進行熱變形，熱變形完成后冷卻，取出成品，即為所述各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:所述壓制模具的內(nèi)徑為12?16mm ;所述潤滑油為硬脂酸鋅的酒精懸浮液、硬脂酸鈣的酒精懸浮液或凡士林；在進行高速壓制前預壓2min ;所述高速壓制采用單次沖擊壓制成型或多次沖擊壓制成型；所述熱變形前驅(qū)體進行熱變形前，先用包套材料進行包套。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:所述包套材料為H65黃銅、純銅或鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:在高速壓制中控制壓制模具的型腔內(nèi)富釹的釹鐵硼粉末的質(zhì)量能密度大于160J/g ;所述熱變形的溫度為680?900°C，變形量為15?80%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體的制備方法，其特征在于:在高速壓制中控制壓制模具的型腔內(nèi)富釹的釹鐵硼粉末的質(zhì)量能密度為160?300J/g ;所述熱變形的變形量為15?40%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1?8任一項所述的制備方法得到的各向異性納米晶釹鐵硼磁體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的各向異性納米晶釹鐵硼磁體在消費電子、音響、發(fā)動機、風電、交通領(lǐng)域、計算機和高性能汽車電機中的應用。
【文檔編號】H01F1/057GK104134529SQ201410348749
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】劉仲武, 鄧向星, 肖志瑜, 余紅雅, 鐘喜春, 曾德長, 鄭志剛, 王剛 申請人:華南理工大學