专利名称：一种钐钴系烧结磁体材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钐钴系磁体材料技术领域，尤其是一种具有低温度系数的2:17型钐 钴系烧结磁体材料及其制备方法。
背景技术：
钐钴(SmCo)永磁合金是一种具有较高的居里温度、较高的内禀矫顽力(H。」)以 及低内禀矫顽力温度系数的永磁材料，被普遍认为是一类最有希望实现高温应用的永磁材 料。目前，钐钴永磁体是西方国家在材料领域重点研究的对象之一，其主要应用在航天、航 空、航海等重要的军工领域中，尤其是用于新一代武器系统，例如新一代战机、无人机和舰 艇的动力系统与雷达通信系统，以及空间探测飞行器、各种人造卫星的高能离子推进系统寸。用于空间探测飞行器的高能离子推进系统是高温永磁体的重要应用领域之一，在 高能离子推进系统中，高温永磁体在电离室中产生一轴向磁场，电子在该磁场中作回旋运 动，提高电离效率。在这一工作过程中，永磁体的工作温度能达到500°C，因此对永磁体的高 温磁性能要求很高。在雷达、电子对抗和通信(含卫星通讯及深空高数据率通信)等重要领域，行波 管是一类十分关键且不可取代的微波功率放大器。目前，行波管普遍采用周期永磁聚焦结 构，由十几个到几十个永磁环组成，其主要优点是体积小、重量轻、不消耗功率等。为了在 使用过程中达到有效的信号放大作用，要求行波管中的永磁环具有足够高的开路磁通，以 保证实现足够大的轴向周期场峰值。另外，行波管工作时电子束会引起较大的升温，特别 是对于大功率、高波段的行波管，在使用过程中由于热量的耗散会导致器件升温，所以还要 求永磁环具有较高的温度稳定性，即要求永磁环有足够小的剩磁温度系数，以满足行波管 在-30°C 300°C环境温度下能够稳定工作。目前能够满足上述要求的永磁材料只有2:17型钐钴永磁材料。但是，现有已经产 业化的2:17型钐钴永磁体仍然不能达到足够低的剩磁温度系数，因此，开发具有低剩磁温 度系数且便于产业化的2:17型钐钴永磁体具有非常重要的意义。1983年发明的NdFeB永磁体，其主要磁性相为R2Fe14B型四方相，实验室磁能 积可达到59MG0e，但是居里点仅为310°C，温度系数高达-0. 126% /°C，而且使用温度低 于100°C，所以很难用于精密仪器仪表和永磁电机，例如中国发明专利申请公开说明书 CN85101455中公开的一种永磁体及其制备方法。在以后的研究中，磁体的温度系数虽然有 所改进，但是磁能积只能达到25 35MG0e，磁感温度系数仍有-0. 05% /°C，而且成本增幅 较大。近年来，通常使用的具有高温度稳定性的永磁材料主要是AINiCo合金、稀土与钴 合金中的1:5型R-Co永磁合金(R为Sm、Ce等稀土元素)和2:17型R-(Co、Cu、Fe、M)永 磁合金(其中，M为Ti、Zr、Hf等金属元素)，其开路磁感温度系数小于-0. 04% /°C。但 是AlMCo和1 5型R-Co永磁合金的最大磁能积较低，很难提供足够大的磁感应强度，因此
32:17SR-(Co、Cu、Fe、M)永磁合金(其中，M为Ti、Zr、Hf等金属元素)成为具有低温度系 数永磁体的最佳选择。一般具有较高磁能积的2 17型Sm-(Co、Cu、Fe、M)永磁体的温度系数 在-0. 03 -0. 04% /°C之间。传统工艺中，通过添加重稀土元素的方法可以使2:17型 Sm-(Co、Cu、Fe、M)永磁体的温度系数达到-0. 02% /°C，但是另一方面，永磁体的磁性能也 会出现较大程度的下降(如中国发明专利公开说明书CN1065153种公开的情况)。中国发明专利申请公开说明书CN1933042公开了一种降低稀土永磁温度系数的 方法，该方法是在稀土永磁体表面镀上一层含Ni、Mo、Fe的三元合金来提供温度系数补偿， 从而改善磁体的温度稳定性，但是这种方法工艺复杂，产业化成本较高。因此，成本低、工艺简单、具有低温度系数与高磁能积的钐钴系磁体材料一直是科 研工作者渴望实现的研究课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种钐钴系磁体材料及 其制备方法，该钐钴系磁体材料具有低温度系数与较高磁能积。本发明实现上述技术问题所采取的技术方案为一种钐钴系烧结磁体材料，由钐、 钴、铁、铜、锆以及至少一种重稀土元素组成，以质量百分比计，钐占10 25%，钴占45 55%，铁占10 20%，铜占3 9%，锆占1 3%，重稀土元素占5 15%。上述钐钴系烧结磁体材料的制备方法包括如下步骤步骤1、配料将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种重稀土元素按照质量百分比配料， 其中钐占10 25%，钴占45 55%，铁占10 20%，铜占3 9%，锆占1 3%，重稀土 元素占5 15% ；步骤2、制速凝片将步骤1中的配料采用速凝工艺制成速凝片；步骤3、制磁粉将步骤2中得到的速凝片进行磨制，包括气流磨工艺，得到的磁粉 的粒径为3 5 ii m ；步骤4、取向成型将步骤3中得到的磁粉在一定压力下进行磁场取向成型，然后 在200 350Mpa的压强下进行冷等静压10 20秒；步骤5、烧结和固溶将步骤4得到的成型物在惰性气体保护下正压低温烧结，烧 结温度为1160 1230°C，烧结时间为0. 4 0. 8小时，烧结后在1100°C 1200°C下固溶 2 5小时，然后快速冷却到室温；步骤6、等温时效处理将步骤5得到的产物在830 870°C下保温5 10h ；随后 以0. 5 2V /m速率降温到400°C，并保温1 5小时后快淬到室温，得到磁体。为优化上述技术方案，采取的措施还包括上述重稀土元素是钆(Dy)与镝(Gd)。上述步骤2中的速凝工艺是将步骤1中的配料熔炼成合金，然后在水冷铜辊上速凝。上述步骤2中得到的速凝片的厚度为0. 3 0. 5mm。上述步骤3包括两级磨制工艺，首先是将步骤2中得到的速凝片进行盘磨，然后在 真空条件下煅烧得到干磁粉，其次将干磁粉进行气流磨。
与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明一种钐钴系烧结磁体材料是2:17型钐钴系烧结磁体材料，它是由两种化 合物组成的一个复合体，这两种化合物是1) 一种结晶状菱方结构的R2Co17系化合物，其中 R包括Sm元素和至少一种重稀土元素；2) —种结晶状具有六方结构的此05系化合物，其中 R至少包括一种稀土元素。菱方结构的R2Co17系化合物和六方结构的RCO5系化合物形成胞 状的微观结构，该胞状组织结构均勻、尺寸细小，是获得低温度系数的关键因素。本发明一种钐钴系烧结磁体材料的制备方法中，步骤2将配料通过速凝工艺得到 速凝片，速凝片中的晶粒在速凝过程中沿特定的方向生长产生枝状的微观结构，改变了晶 粒的大小和分布，从而为制备出具有细小均勻的胞状组织结构的磁性提供了一个很好的前 驱体；步骤3采用气流磨的方法得到均勻细小的磁粉颗粒，其粒径大小为3 5 y m，区别于 传统工艺得到的粒径为4 6 y m的较粗颗粒；步骤4中将均勻细小的磁粉颗粒加压取向成 型，然后经过步骤5和步骤6进行惰性气体保护正压低温烧结和等温时效热处理，使磁体的 相结构和微观组织达到最佳状态，从而实现了降低磁体的剩磁温度系数、磁通温度系数，同 时提高磁体磁能积的目的。另外，步骤6中的等温时效热处理时间仅为5 10h，大大减少 了现有技术中12 24h的等温时效热处理时间，将有利于降低成本，促进产业化的进程。本发明通过原料的选取与配比、以及烧结工艺上的创新，最大程度地优化了磁体 的微观组织结构，达到降低磁体的温度系数，同时保持较高磁体磁能积的目的。本发明一种 钐钴系烧结磁体材料的剩磁温度系数为-0. 005 -0. 03% /°C，磁能积为14 25MGs0e， 在-35°C 300°C的环境中能够稳定保持较低的磁通温度系数。
图1是实施例1制备得到的2:17型钐钴系烧结磁体材料的微观结构图；图2为对比实施例1制备得到的2:17型钐钴系烧结磁体材料的微观结构图；图3为实施例1中速凝片经过气流磨工艺得到的磁粉的粒度分布；图4为对比实施例1中铸锭后球磨工艺得到的磁粉的粒度分布。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1 原料钐、钴、铁、铜、锆、钆、镝。将上述原料以质量百分比进行配料，其中钐占18. 14%，钴占51. 71%，铁占 13. 90%，铜占 6. 33%，锆占 1. 70%，钆占 5. 42%，镝占 2. 80%。在速凝炉中将上述配料熔炼成合金后在水冷铜辊上甩成薄带状速凝片；用两级磨 粉工艺研磨速凝片，首先粗破碎该速凝片进行盘磨，盘磨介质为汽油，将速凝片磨成粒径为 lOOym左右的磁粉，然后将磁粉在真空条件下煅烧得到干磁粉，煅烧温度为100度；将得到 的干磁粉进行气流磨制粉，粉末粒径分布在3 5um左右；在大于1. 8T的磁场中对磨制后 的磁粉进行取向，然后在5MPa的压强下将其压成磁体毛坯，接着在200 350Mpa的压强下 进行等静压10 20秒；等静压后将磁体毛坯在气压为0. 3Pa的Ar气中进行烧结，烧结温 度为1190°C，烧结时间为0. 5小时，烧结后进行固溶，固溶温度为1180°C，固溶时间为3小时；将固溶后的磁体毛坯在850°C下保温10个小时，然后以0. VC /m的速率降温到400°C， 保温1个小时后快淬到室温，然后机加工成①10X10大小的磁体样品。对上述样品进行磁性能测试与磁通测试，磁性能测试采用BH仪测试，磁通测试采 用变温磁通测试仪。其中，磁性能测试包括剩磁氏、内禀矫顽力H。」、磁感矫顽力H。b、最大磁 能积(BH)_以及剩磁温度系数a的测试；磁通测试包括磁通O、磁通温度系数a的测 试。磁性能测试的测试温度取样点为27°C、100°C以及200°C，磁通测试的测试温度取样点 为-35°C、5°C、45°C和 85°C,以及 30°C、100°C、200°C和 300°C。测试结果如表 1、表 2、表 3 所示。比较实施例1 原料钐、钴、铁、铜、锆、钆、镝。将上述原料以质量百分比进行配料，其中钐占18. 14%，钴占51. 71 %，铁占 13. 90%，铜占 6. 33%，锆占 1. 70%，钆占 5. 42%，镝占 2. 80%。在熔炼炉中将上述配料炼成合金后铸锭；粗破碎后进行球磨制得磁粉，磁粉平均 粒度分布在4 6um左右；在大于1. 8T的磁场中对磁粉进行取向，然后以5MPa的压强压 成磁体毛坯，接着在200 350Mpa的压强下进行等静压10 20秒；等静压后将磁体毛坯 在真空烧结炉中进行惰性气氛保护烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为0. 5小时，烧结 后进行固溶，固溶温度为1180°C，固溶时间为3小时；将固溶后的磁体毛坯在850°C下保温 10个小时，然后以0. 7°C /m速率降温到400°C，保温1个小时后快淬到室温，然后机加工成 ①10X10样品。对上述样品进行磁性能测试与磁通测试，测试仪器、测试项目以及测试条件均与 实施例1相同，测试结果如表1、表2、表3所示。表 1 表 2 表 3 将实施例1与对比实施例1制备得到的2:17型钐钴系烧结磁体进行微观结构分 析，如图1与图2所示，可以看出，图1中通过实施例1制备得到的磁体胞状组织结构均勻， 胞的平均尺寸大小约为lOOnm，胞壁相细小。而图2中通过对比实施例1制备得到的磁体胞 状组织结构不均勻，存在未形成胞状组织的区域和胞尺寸为lOOnm的区域，胞壁相较宽。图3为实施例1中速凝片经过气流磨得到的磁粉的粒度分布，可以看出体积平均 粒度是4. 37 y m ；图4为对比实施例1中铸锭后球磨得到的磁粉的粒度分布，体积平均粒径 是 6. 954 iim。实施例2 原料钐、钴、铁、铜、锆、镝。将上述原料以质量百分比进行配料，其中钐占20. 78%，钴占51. 81%，铁占 13. 93%，铜占 6. 34%，锆占 1. 71%，镝占 5. 43%。在速凝炉中将上述配料熔炼成合金后在水冷铜辊上甩成薄带状速凝片；用两级磨 粉工艺研磨速凝片，首先粗破碎该速凝片进行盘磨，盘磨介质为汽油，将速凝片磨成粒径为 lOOym左右的磁粉，然后将磁粉在真空条件下煅烧得到干磁粉，煅烧温度为100度；将得到 的干磁粉进行气流磨制粉，粉末粒径分布在3 5um左右；在大于1. 8T的磁场中对磨制后 的磁粉进行取向，然后在5MPa的压强下将其压成磁体毛坯，接着在200 350Mpa的压强下 进行等静压10 20秒；等静压后将磁体毛坯在气压为0. 3Pa的Ar气中进行烧结，烧结温 度为1190°C，烧结时间为0. 5小时，烧结后进行固溶，固溶温度为1180°C，固溶时间为3小 时；将固溶后的磁体毛坯在850°C下保温10个小时，然后以0. 7。C /m的速率降温到400°C， 保温1个小时后快淬到室温，然后机加工成①10X10大小的磁体样品。
对上述样品进行磁性能测试与磁通测试，磁性能测试采用BH仪测试，磁通测试采 用变温磁通测试仪。其中，磁性能测试包括剩磁氏、内禀矫顽力H。」、磁感矫顽力H。b、最大磁 能积(BH)_以及剩磁温度系数a的测试；磁通测试包括磁通O、磁通温度系数a的测 试。磁性能测试的测试温度取样点为27°C、100°C以及200°C，磁通测试的测试温度取样点 为-35°C、5°C、45°C和 85°C,以及 30°C、100°C、200°C和 300°C。测试结果如表 4、表 5、表 6 所示。比较实施例2 原料钐、钴、铁、铜、锆、镝。将上述原料以质量百分比进行配料，其中钐占20. 78%，钴占51. 81%，铁占 13. 93%，铜占 6. 34%，锆占 1. 71%，镝占 5. 43%。在熔炼炉中将上述配料炼成合金后铸锭；粗破碎后进行球磨制得磁粉，磁粉平均 粒度分布在4 6um左右；在大于1. 8T的磁场中对磁粉进行取向，然后以5MPa的压强压 成磁体毛坯，接着在200 350Mpa的压强下进行等静压10 20秒；等静压后将磁体毛坯 在真空烧结炉中进行惰性气氛保护烧结，烧结温度为1200°C，烧结时间为0. 5小时，烧结 后进行固溶，固溶温度为1180°C，固溶时间为3小时；将固溶后的磁体毛坯在850°C下保温 10个小时，然后以0. 7°C /m速率降温到400°C，保温1个小时后快淬到室温，然后机加工成 ①10X10样品。对上述样品进行磁性能测试与磁通测试，测试仪器、测试项目以及测试条件均与 实施例2相同，测试结果如表4、表5、表6所示。表 4 表 5 表 6 对实施例2与对比实施例2制备得到的2:17型钐钴系烧结磁体进行微观结构分 析，其微观结构类似图1与图2所示，可以得到，通过实施例2制备得到的磁体胞状组织结 构与对比实施例2制备得到的磁体胞状组织结构相比，胞状组织结构均勻、平均尺寸较小、 胞壁相细小。实施例2中速凝片经过气流磨得到的磁粉的粒度分布类似图3所示，对比实施例2 中铸锭后球磨得到的磁粉的粒度分布类似图4所示，得到实施例2中速凝片经过气流磨得 到的磁粉的平均粒度尺寸小。以上是本发明的具体实施例，具体实施例仅对本发明精神作举例说明，本发明所 属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例进行各种各样的修改和补充，但不会偏 离本发明的精神或者超越所附权力要求书所定义的范围。
权利要求
一种钐钴系烧结磁体材料，其特征是由钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种重稀土元素组成，以质量百分比计，钐占10～25％，钴占45～55％，铁占10～20％，铜占3～9％，锆占1～3％，重稀土元素占5～15％。
2.根据权利要求1所述的一种钐钴系烧结磁体材料，其特征是所述的重稀土元素是 钆与镝。
3.一种根据权力要求1所述的钐钴系烧结磁体材料的制备方法，其特征是依次包括 如下步骤步骤1、配料将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种重稀土元素按照质量百分比配料，钐占 10 25%，钴占45 55%，铁占10 20%，铜占3 9%，锆占1 3%，重稀土元素占 5 15% ；步骤2、制速凝片将步骤1中的配料采用速凝工艺制成速凝片；步骤3、制磁粉将步骤2中得到的速凝片进行磨制，包括气流磨工艺，得到的磁粉的粒 径为3 5 μ m ；步骤4、取向成型将步骤3中得到的磁粉在一定压力下进行磁场取向成型，然后在 200 350Mpa的压强下进行冷等静压10 20秒；步骤5、烧结和固溶将步骤4得到的磁性成型物在惰性气体保护下正压低温烧结，烧 结温度为1160 1230°C，烧结时间为0. 4 0. 8小时，烧结后在1100°C 1200°C下固溶 2 5小时，然后快速冷却到室温；步骤6、等温时效处理将步骤5得到的产物在830 870°C下保温5 IOh ；随后以 0. 5 2V /m速率降温到400°C，并保温1 5个小时后快淬到室温，得到磁体。
4.根据权力要求3所述的一种钐钴系烧结磁体材料的制备方法，其特征是所述的步 骤2中的速凝工艺是将步骤1中的配料熔炼成合金，然后在水冷铜辊上速凝。
5.根据权力要求3所述的一种钐钴系烧结磁体材料的制备方法，其特征是所述的步 骤2中得到的速凝片的厚度为0. 3 0. 5mm。
6.根据权力要求3所述的一种钐钴系烧结磁体材料的制备方法，其特征是所述的步 骤3包括两级磨制工艺，首先是将步骤2中得到的速凝片进行盘磨，然后在真空条件下煅烧 得到干磁粉，其次将干磁粉进行气流磨。
7.根据权力要求3所述的一种钐钴系烧结磁体材料的制备方法，其特征是所述的 步骤6得到的磁体的磁能积为14 25MGs0e，剩磁温度系数为-0. 005 -0. 03% /°C, 在-35°C 300°C的环境中能够稳定保持较低的磁通温度系数。
全文摘要
本发明公开了一种2:17型钐钴系烧结磁体材料及其制备方法，该2:17型钐钴系磁体材料由钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种重稀土元素组成，以质量百分比计，钐占10～25％，钴占45～55％，铁占10～20％，铜占3～9％，锆占1～3％，重稀土元素占5～15％。本发明通过原料的选取与配比，以及烧结工艺上的创新，最大程度地优化了磁体材料的微观组织结构，达到降低磁体的温度系数，同时保持较高磁体磁能积的目的，制备得到的磁体的磁能积为14～25MGsOe，剩磁温度系数约为-0.005～-0.03％/℃，能在-35℃～300℃的环境中保持较低的磁通温度系数。
文档编号C22C1/04GK101882494SQ201010176900
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者刘兴民, 刘壮, 孙颖丽, 李 东, 闫阿儒 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所