一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法与流程

本发明涉及一种烧结钕铁硼磁体制备方法，尤其是涉及一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法。

背景技术：

烧结钕铁硼永磁材料是目前磁性最强的磁性材料，广泛应用电磁、电声、磁力、核磁和电子加速等学科，如各种各样的电机、喇叭、磁耦合装置、医疗摄像设备和自由电子振荡器等器械和装置。随着科技发展，人们对电子产品等小型化要求越来越严格，所以磁性材料器件微型化是其未来重要应用方向，作为微型化的磁性材料器件，烧结钕铁硼薄片磁体的应用越来越广泛。现有的烧结钕铁硼薄片磁体通常是由烧结钕铁硼坯料经过机械加工成为薄片坯料后，再将薄片坯料进行表面处理得到的。薄片坯料在机械加工过程中，其表面晶粒受损，在对薄片坯料进行表面处理的过程中，酸洗和电化学会腐蚀薄片坯料，对其亚表层5-8个晶粒层的晶体结构造成不可逆的破坏性影响，由此导致最终得到的烧结钕铁硼薄片磁体的抗磁衰减等能力存在损失，影响烧结钕铁硼薄片磁体的使用寿命。

信越化工Hajime Nakamura等人在2005年《Magnetic Properties of Extremely Small Nd-Fe-B Sintered Magnets》文章中报道过，薄片类产品在经过机械加工之后进行磁性能测试，磁性能有明显的降低。德国VCA公司在《Model for Calculating J(H)Curves of Ni Coated NdFeB Magnets》中报道，产品越薄，加工和表面处理的损耗比例就越大，磁通和磁衰减的影响就严重。烧结钕铁硼坯料在机械加工成为薄片产品的过程以及随后的表面处理过程中，切削液、冷却液，表面处理酸洗液会对NdFeB基体亚表层中5-6晶粒层产生腐蚀影响，腐蚀首先从晶界开始，破坏了Nd₂Fe₁₄B主相与富稀土相的核壳状包裹结构，使基体的表面晶粒处于裸露状态，晶界状态转变为Nd₂Fe₁₄B主相直接接触的晶界，大大降低产品的抗磁衰减能力，降低产品的使用温度条件。

目前，行业内提高烧结钕铁硼薄片磁体的抗磁衰减能力的方法主要三种：第一种方法是添加微量元素改善温度系数，如添加微量元素Co等能改善烧结钕铁硼的温度系数，提抗磁衰减能力，但是该方法作用有限，对于磁化方向尺寸小于1.5mm的产品基本没有效果。第二中方法是添加Dy和Tb等重稀土元素，在烧结钕铁硼薄片磁体内部生成Dy(Tb)₂Fe₁₄B，Dy(Tb)₂Fe₁₄B具有较高的各向异性场，可以提高磁体内禀矫顽力，从而改善抗衰减能力，该方法是有效的，但材料成本会大幅提提升，而且Dy(Tb)₂Fe₁₄B相的磁极化强度都低于Nd₂Fe₁₄B相，将会造成烧结钕铁硼薄片磁体的剩磁值大幅下降，导致烧结钕铁硼薄片磁体的磁通降低，该方法在一些磁通要求不高的产品上可以使用，但随着元件磁通要求越来越高，元件尺寸越来越小，所以该方法也受到诸多限制。第三种方法是晶粒细化法，该方法通过减少晶粒尺寸来改善抗磁衰减能力，可以在不增加成本的条件下降低亚表层损失对抗磁衰减能力的影响；当烧结钕铁硼薄片磁体为厚度1mm时，如果晶粒尺度为10μm，6个晶粒层厚度为单边60μm，两面影响层厚度共120μm，占总厚度比例为12％，但是如果将晶粒尺寸控制到6μm，两面影响层厚度共72μm，占总厚度的7.2％，抗磁衰减能力得到改善。但是采用第三种方法时，当烧结钕铁硼薄片磁体厚度下降到0.6mm时，其两面影响层厚度还有72μm，占总厚度比例又达到12％；由此该方法随着产品变薄，其效果逐渐下降，在烧结钕铁硼薄片磁体厚度在1mm以下时其改善能力捉襟见肘，并且随着晶粒尺寸进一步变小，其工艺制造难度大幅度提升，难以实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低，工艺制造难度小，且可以改善表面晶粒受损而导致的抗磁衰减能力下降的烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，并将原材料制备成粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过机械加工工艺制成厚度为0.4～1.0mm的薄片坯料；

⑤将薄片坯料的表面清洗干净后烘干；

⑥采用金属袋将薄片坯料装好或采用金属箔纸将薄片坯料包裹好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理；

⑦在热处理结束后，向真空烧结炉中通入惰性气体冷却至室温，得到烧结钕铁硼薄片磁体半成品；

⑧将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑨将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面防护处理，得到烧结钕铁硼薄片磁体。

所述的步骤⑥中的金属袋或金属箔纸的材料为一种金属，所述的金属的熔点为500～900℃。该方法中，熔点为500～900℃的金属在高真空高温烧结过程中，会彻底熔化成液体并部分气化，得到的烧结钕铁硼薄片磁体半成品不需要特别清理，节省清理工序和时间。

所述的金属为纯铝或铝与钕、铜和镨中的至少一种组成的合金。该方法中，采用上述金属作为金属袋或金属箔纸的材料，一方面这些金属在高温高真空条件下容易气化，另一方面这些金属元素与烧结钕铁硼晶界液相浸润性好，容易扩散到受损失的晶界中。

所述的步骤⑥中的热处理具体过程为：先在温度为700～920℃的条件下保温2～5小时，再在温度为400～600℃的条件下保温3～6小时。该方法中，在700～920℃的条件下保温2～5小时，一方面使金属液化后进而气化，另一方面使烧结钕铁硼磁体晶界产生液相，能与气化的金属原子发生交互作用，从而使金属原子沉积在烧结钕铁硼磁体表面，并进入晶界，实现对晶界的修复，再在温度为400～600℃的条件下保温3～6小时，使金属原子尽可能的伸入晶界内部。

所述的步骤①中粉料的制备过程是：将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1420℃～1520℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将所述的粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料。该方法中，通过精简的步骤得到晶粒细小均匀的粉料，提高烧结钕铁硼薄片磁体的性能。

所述的步骤④中的机械加工工艺为内外圆切片、多线切割、双端面磨和研磨加工中的一种或几种的组合。

所述的步骤⑨中的表面防护处理为电镀镍处理、电镀铜处理、电镀锌处理、电镀金处理、电镀锡处理、电泳环氧漆处理和喷涂环氧漆处理中的一种或者几种组合。该方法使烧结钕铁硼薄片磁体具有非常高的耐腐蚀性能，使其能应用在各种工况下，并保证其在产品设计寿命内不因腐蚀而失效。

所述的步骤⑦中的惰性气体为氩气或氮气，该介质气氛不会与烧结钕铁硼磁体元件和表面沉积的金属层发生反应。

与现有技术相比，本发明的优点在于烧结钕铁硼坯料通过机械加工工艺制成厚度为0.4～1.0mm的薄片坯料后，薄片坯料的表层晶粒受到损失，此时将薄片坯料的表面清洗干净后烘干，采用金属袋将薄片坯料装好或采用金属箔纸将薄片坯料包裹好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理，在热处理的过程中，金属袋或金属箔纸在高温真空状态下会发生气化形成金属气体，金属气体在薄片坯料表面形成一层膜后逐步渗透进入薄片坯料的表层，渗透进入薄片坯料的表层的金属气体与薄片坯料表层原子结合形成新的合金层，并构建新的晶界，实现对薄片坯料原有受损晶界的修复；经过修复的晶界，减少了Nd₂Fe₁₄B颗粒之间的直接接触，降低硬磁耦合的作用，改善产品表面的低磁现象；后续再通过振磨倒角处理和酸洗表面活化处理将薄片坯料表层被修复的晶界逐渐去除，由此保护薄片坯料内部基体材料使其受腐蚀影响降低，本发明的方法不需要添加更多的钴、镝、铽等贵重元素，几乎不增加元件的材料成本，同时也能避免晶粒尺寸细化对应的元件变薄的尺寸临界点，并且使用金属袋或金属箔纸包装薄片坯料非常方便，仅需将薄片坯料放入金属袋中或用金属箔纸包装完就可以进入下一步工序中，批量生产中生产效率高，操作简单，便于自动化操作，成本较低，工艺制造难度小，可以改善表面晶粒受损而导致的抗磁衰减能力下降。

附图说明

图1为断面处铝元素的扩散痕迹图；

图2为断面处Al、Fe、Nd元素能谱扫描含量分布曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1450℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过先内圆切片后双端面磨工艺加工成厚度为0.8mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干；

⑥采用金属铝袋将薄片黑片装好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理；

⑦在热处理结束后，向真空烧结炉中通入惰性气体冷却至室温，得到烧结钕铁硼薄片磁体半成品；

⑧将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑨将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀镍，得到烧结钕铁硼薄片磁体元件。

本实施例中，步骤⑥中的金属铝箔，金属的熔点为660℃。

本实施例中，步骤⑥中的热处理具体过程为：先在温度为880℃的条件下保温3小时，再在温度为500℃的条件下保温4小时。

实施例二：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1450℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过先内圆切片后双端面磨工艺加工成厚度为0.8mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干；

⑥采用Al金属箔纸将薄片黑片包裹好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理；

⑦在热处理结束后，向真空烧结炉中通入惰性气体冷却至室温，得到烧结钕铁硼薄片磁体半成品；

⑧将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑨将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀镍，得到烧结钕铁硼薄片磁体元件。

本实施例中，步骤⑥中的金属铝箔，金属的熔点为660℃。

本实施例中，步骤⑥中的热处理具体过程为：先在温度为880℃的条件下保温3小时，再在温度为500℃的条件下保温4小时。

实施例三：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1450℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过先内圆切片后双端面磨工艺加工成厚度为0.8mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干；

⑥采用金属Al袋将薄片黑片装好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理；

⑦在热处理结束后，向真空烧结炉中通入惰性气体冷却至室温，得到烧结钕铁硼薄片磁体半成品；

⑧将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑨将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀锌，得到烧结钕铁硼薄片磁体元件。

本实施例中，步骤⑥中的金属铝袋，金属的熔点为660℃。

本实施例中，步骤⑥中的热处理具体过程为：先在温度为900℃的条件下保温2.5小时，再在温度为505℃的条件下保温4.5小时。

本实施例中，步骤⑨中的表面防护处理为电镀镍处理。

实施例四：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1450℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过先内圆切片后双端面磨工艺加工成厚度为0.65mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干；

⑥采用金属Al袋将薄片坯料装好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理；

⑦在热处理结束后，向真空烧结炉中通入惰性气体冷却至室温，得到烧结钕铁硼薄片磁体半成品；

⑧将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑨将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀锌，得到烧结钕铁硼薄片磁体元件。

本实施例中，步骤⑥中的金属袋为铝钕合金，金属的熔点为655℃。

本实施例中，步骤⑥中的热处理具体过程为：先在温度为900℃的条件下保温2小时，再在温度为500℃的条件下保温4小时。

实施例五：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1450℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过先内圆切片后双端面磨工艺加工成厚度为0.65mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干；

⑥采用金属箔纸将薄片坯料装好，放进真空烧结炉中在真空状态下进行热处理；

⑦在热处理结束后，向真空烧结炉中通入惰性气体冷却至室温，得到烧结钕铁硼薄片磁体半成品；

⑧将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑨将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀锌，得到烧结钕铁硼薄片磁体元件。

本实施例中，步骤⑥中的金属袋材料为铝合金，金属的熔点为660℃。

本实施例中，步骤⑥中的热处理具体过程为：先在温度为900℃的条件下保温2小时，再在温度为490℃的条件下保温4小时。

对比实施例一：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，将原材料放在真空电磁感应炉熔炼，在1450℃温度下浇注成厚度为0.2～0.6mm的速凝片，然后在氢碎炉中对速凝片进行氢碎处理得到颗粒大小为0.1～3mm的粗粉，再将粗粉在气流磨制粉设备中经过0.4～0.6Mpa的高压气体加速，使其相互之间碰撞形成比表面积平均粒径为2.0～4.0μm的粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过先内圆切片后双端面磨工艺加工成厚度为0.8mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干成磁体半成品；

⑥将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑦将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀镍，得到烧结钕铁硼薄片磁体。

对比实施例二：一种烧结钕铁硼薄片磁体的制备方法，包括以下步骤：

①根据设计要求配置烧结钕铁硼薄片磁体的原材料，并将原材料制备成粉料；

②将粉料装入成型压机的模腔中，在取向磁场作用下将粉料压制成型，得到烧结钕铁硼生坯；

③将烧结钕铁硼生坯进行烧结处理，得到烧结钕铁硼坯料；

④将烧结钕铁硼坯料通过机械加工工艺制成厚度为0.65mm的薄片黑片；

⑤将薄片黑片的表面清洗干净后烘干成磁体半成品；

⑥将烧结钕铁硼薄片磁体半成品进行振磨倒角处理；

⑦将烧结钕铁硼薄片磁体半成品先经过酸洗表面活化处理，然后进行表面电镀镍，得到烧结钕铁硼薄片磁体。

将本发明的方法制备得到的烧结钕铁硼薄片磁体和根据对比实施例制备得到的烧结钕铁硼薄片磁体，利用赫姆霍兹线圈测试磁体20℃时的磁通，以及经高温烘烤后磁体再恢复到20℃时的磁通，并计算降低比例，得出结果为热减磁，热减磁条件为放在烘箱中加热到120℃保温并3h。两种方法制备的烧结钕铁硼薄片磁体元件热减磁结果对比数据如表1、表2所示。

表1两种方法制备的烧结钕铁硼薄片磁体热减磁结果(10*9.7*0.8mm)

表2两种方法制备的烧结钕铁硼薄片磁体热减磁结果(10*9.7*0.65mm)

分析表1和表2可知，本发明的方法制备得到的烧结钕铁硼薄片磁体相对于现有方法制备的烧结钕铁硼薄片磁体，热减磁改善效果非常明显。

利用EDS能谱测试仪将按本发明的方法制备得到的烧结钕铁硼薄片磁体(金属袋铝)的断面进行元素分析，观察铝元素在基体内部的扩散痕迹。铝元素的扩散痕迹如图1所示，断面处Al、Fe、Nd元素能谱扫描含量分布曲线如图2所示。分析图1和图2可知，铝元素扩散进入烧结钕铁硼薄片磁体。