专利名称：稀土钴基合金及其粉末和制备方法
技术领域：
本发明涉及稀土钴基合金的制备技术领域，具体地，本发明提供了一种新型的稀土钴基合金及其粉末制备方法。
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(Hcj)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，同时，高性能的2:17型SmCo磁体有望能更好的满足混合动力汽车和风力发电等设备的使用。但到目前为止，工业生产的2:17型SmCo烧结磁体磁能积不到理论磁能积的二分之一。·
为提高2:17型SmCo磁体的磁性能，国内外的研究人员进行了不同的方法尝试，从磁体的化学成分和热处理工艺两方面进行了大量的研究，产生了部分研究成果和专利(美国专利NO. 4172717、NO. 4213803、NO. 4221613、NO. 4375996)。但是其磁粉的制备还是采用传统的机械破碎和气流磨或球磨的方法，制备工艺相对复杂，且磁粉的颗粒单晶性不能实现很好的一致性，从而对其磁性能产生了不利的影响。在稀土永磁材料的生产中，氢的作用得到广泛深入的研究。众所周知，许多稀土.金属间化合物具有在不同温度下吸氢、脱氢的特性；氢还具有导致其歧化分解的特性。稀土.过渡金属合金在吸氢、脱氢过程中合金本身所产生的沿晶断裂和穿晶断裂的特征导致合金破碎，从而得到一定粒度的磁粉，这就是利用氢来破碎合金锭的氢破(HD)工艺。由于2:17型SmCo合金特殊的吸氢行为，使得HD工艺一直未能在该材料的工业化生产中得到应用。如A. Kianvash等人的研究表明Sm (Co, Cu, Fe, Zr)8.92商品合金在30MPa,200° C下才能有效吸氢破碎成平均尺寸为400 μ m的磁粉。Evans等的研究表明2:17型SmCo化合物在150° C以下吸氢速率极低，在150° C和200° C下(P=l. 3MPa)吸氢的P. C. T(压力、成份、温度试验)检测数据表明H/M(即氢原子与金属原子之比值)分别达到
O.20和O. 16，形成的氢化物成份为Sm2Co17H^5,其结构没有发生变化，仍然是菱方Th2Zn17型结构，只是晶格常数发生改变。国内钢铁研究总院的郑留伟、李建奎等人的研究也表明2:17型SmCo磁体在在100° C、I. OMpa氢压下，磁体最容易发生吸氢反应，10小时左右，吸氢量达到最大，20小时后，磁体粉化程度最佳。然而，该工艺的吸氢量仍很低，根本无法用于工业化2:17型SmCo磁体的制备。本领域迫切需要开发低成本、简单有效的制备实现2:17型SmCo磁粉的工艺，以便进一步提高2:17型SmCo磁体的磁性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供成本低，条件温和，设备要求低的稀土钴基合金粉末的制备方法，通过该方法制备的磁粉能更好的满足稀土钴基烧结磁体和稀土钴基粘接磁体对磁粉的要求。本发明的第一方面，提供了一种稀土钴基合金材料，所述材料包括以下组分或基本上由以下组分构成钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素，其中所述其他轻稀土元素包括镧、铺、镨、钕、铕、礼，或其组合，其中，按合金材料的总重量计，包括钐和其他轻稀土元素在内的总稀土元素占23 27wt%并且其他轻稀土元素占2 15wt%，钴占45 55wt%，铁占10 20wt%，铜占3 9wt%,错占I 3wt%。 在一优选例中，所述合金材料为两种化合物组成复合体，且所述两种化合物为I)结晶状六方结构的％07型化合物，式中R表示Sm元素和其他轻稀土元素；2)结晶状具有六方结构的RCo5系化合物，其中R包括Sm元素和至少一种其他轻稀土元素。
在另一优选例中，所述合金材料具有RCo5相包裹RCo7晶粒形成胞状的微观结构，较佳地，RCo7晶粒大小为5 50 μ m, RCo5相尺寸为5 30 μ m在另一优选例中，所述材料中的其他轻稀土元素偏聚分布于RCo5系化合物中。在另一优选例中，在RCo5系化合物中的其他轻稀土元素(包括镧、铈、镨、钕、铕、钆，或其组合)的含量Yl与RCo7系化合物中的其他轻稀土元素的含量Y2之比(Y1/Y2)彡2，较佳地> 3，更佳地> 4。在另一优选例中,所述合金材料为铸锭或颗粒。本发明的第二方面，提供了一种稀土钴基合金颗粒，所述颗粒的材料为本发明第一方面所述的稀土钴基合金材料，且所述颗粒的粒径为l_50mm。在另一优选例中，所述颗粒的粒径为5 10mm。在另一优选例中，所述颗粒由如本发明第一方面所述的稀土钴基合金材料的铸锭，通过破碎制成。优选地，破碎方式为机械破碎。在另一优选例中，所述颗粒被用作氢破工艺的原料。在另一优选例中，所述颗粒是用本发明第五方面所示的方法制备。本发明的第三方面，提供了一种稀土钴基合金粉末，所述粉末用本发明第一方面所述的稀土钴基合金材料或本发明第二方面所述的稀土钴基合金颗粒通过氢破工艺制成，且该粉末的粒径为50 600 μ m。在另一优选例中，所述粉末的粒径为100 500 μ m。本发明的第四方面，提供了一种稀土钴基合金粉末的制备方法，所述方法包括如下步骤(i)在氢气存在下，将本发明第二方面所述的稀土钴基合金颗粒进行吸氢处理，获得吸氢后的合金颗粒；(ii)对步骤(i)中制备的吸氢后的合金颗粒进行脱氢处理，从而获得稀土钴基合金粉末。在另一优选例中，步骤(i)中温度为20 150°C。在另一优选例中，步骤(i)中氢气气压为200 350KPa。在另一优选例中，步骤(i)中处理时间为O. 5 3个小时。在另一优选例中，在步骤(i)中，在20 150°C下，将本发明第二方面所述的颗粒在200 350KPa的氢气气氛中放置O. 5 3个小时。在另一优选例中，在步骤(ii)中，将吸氢后的合金颗粒在20 150° C的温度下，真空保温5 8小时，后冷却到室温，合金被破碎成粒径200 500 μ m左右的粉末。在本发明的第五方面，提供了一种稀土钴基合金颗粒的制备方法，包括以下步骤(I)将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素(较佳地，该轻稀土元素包括镧、铈、镨、钕、铕、钆，或其组合)按照质量百分比配料，其中，按合金材料的总重量计，包括钐和其他轻稀土元素在内的总稀土元素占23 27被％并且其他轻稀土元素占2 15wt%，钴占45 55wt%，铁占10 20wt%，铜占3 9wt%，锆占I 3wt% ；(2)将步骤⑴中所述的配料制成合金铸锭；和(3)将步骤(2)中得到的合金铸锭破碎成颗粒； 在另一优选例中，步骤(2)中所述的合金铸锭采用感应熔炼方法制成。在另一优选例中，步骤(3)中所述的破碎方式为机械破碎。在另一优选例中，步骤(3)中所述的颗粒为粒径大小为l_50mm,更佳地5 10mm。本发明的第六方面，提供了一种制品，所述制品含有本发明第三方面提供的稀土钴基合金粉末，或由本发明第三方面提供的稀土钴基合金粉末制成。应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
图I是实施例I和实施例2制备的稀土钴基合金粉末的X射线衍射结果；图2为对比实施例I制备的2:17型钐钴系合金的X射线衍射结果；图3为实施例I制备的稀土钴基合金的微观结构图；图4为实施例2制备的稀土钴基合金的微观结构图；图5为对比实施例I制备的2:17型钐钴系合金的微观结构图。图6为实施例I、实施例2和对比实施例I制备的稀土钴基合金中不同相的EDS元素成分检测结果。
具体实施例方式本发明人通过长期而深入的研究，意外地发现添加了或含有其他轻稀土元素的钴基合金材料，其吸氢效果非常优秀，因此特别适合用作氢破工艺制备稀土永磁材料粉末的原料。在此基础上，发明人完成了本发明。具体的，本发明人开发了一种新型的稀土钴基合金材料，该合金材料具有包括钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素的组分，且稀土占23 27wt%(其中含2 15%的其他轻稀土元素)，钴占45 55wt%，铁占10 20wt%，铜占3 9wt%，锆占I 3wt%。测试结果表明，该合金材料具有如下的结构特征I.所述材料为由两种化合物组成的一个复合体，且所述的两种化合物为1) 一种结晶状六方结构的％07型化合物，其中R包括Sm元素和至少一种其他轻稀土元素；2) —种结晶状具有六方结构的RCo5系化合物，其中R至少包括Sm元素和一种其他轻稀土元素。2.所述材料具有RCo5相包裹RCo7晶粒形成胞状的微观结构，较佳地，RCo7晶粒大小为5 50 μ m, RCo5相尺寸为5 30 μ m。3.所述材料中的其他轻稀土元素偏聚分布于RCo5系化合物中。由于具有上述结构特征，所述的稀土钴基合金材料能够在较为温和的条件下容易地进行氢破(HD)工艺。术语如本文所用，术语“稀土元素”指镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，钪(Sc)和钇⑴17种元素。 术语“轻稀土元素”指镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆，或其组合。特别地，在本文中，“其他轻稀土元素”指不包括衫元素的轻稀土元素的组合，即镧、铺、镨、钕、铕、礼,或其组
口 ο术语“基本上由…构成”表示可含有微量的或痕量的其他成分(如杂质)。稀土钴基合金材料及其制备本发明的稀土钴基合金材料包括以下组分或基本上由以下组分构成钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素。可用于本发明的稀土元素没有特别限制，包括钐以及至少一种其他轻稀土元素。在本发明中，代表性的轻稀土元素例子包括(但并不限于)镧、铺、镨、钕、铕、礼，或其组合。优选地，轻稀土元素包括镨、钕、及其组合物。稀土钴基合金材料的制备方法如下将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素按照质量百分比配料，其中稀土占23 27%(其中含2 15%的其他轻稀土元素)，钴占45 55%，铁占10 20%，铜占3 9%，锆占I 3%。将上述配料混合制成合金。在本发明中，合金通过各种常规方法(优选感应熔炼方法)进行制备。稀土钴基合金颗粒及其制备本发明的稀土钴基合金颗粒包括以下组分或基本上由以下组分构成钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素，各种元素的组分含量如上述稀土钴基合金材料。本发明的稀土钴基合金颗粒的微观结构特征如下①它是由两种化合物组成的一个复合体，这两种化合物是1) 一种结晶状六方结构的RCo7型化合物，其中R包括Sm元素和至少一种其他轻稀土元素；2) —种结晶状具有六方结构的RCo5系化合物，其中R至少包括Sm元素和一种其他轻稀土元素，RCo5相包裹RCo7晶粒形成胞状的微观结构，较佳地，RCo7晶粒大小为5 50μηι, RCo5相尺寸为5 30 μ m。②本合金中的其他轻稀土兀素偏聚分布于RCo5系化合物中。该微观组织结构和其他轻稀土元素在RCo5相中的偏聚分布，使上述合金颗粒具备很好的吸氢性能，因而可用于氢破工艺，生产具有优秀的磁体磁性能的稀土钴基合金粉末。稀土钴基合金颗粒的制备方法如下步骤I、配料将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素按照质量百分比配料，其中稀土占23 27% (其中含2 15%的其他轻稀土元素)，钴占45 55%，铁占10 20%,铜占3 9%，锆占I 3% ；步骤2、将步骤I中的配料采用感应熔炼方法制成合金铸锭；步骤3、将步骤2中得到的合金铸锭机械破碎成小块颗粒,粒径大小5 10_ ；稀土钴基合金粉末的制备用本发明的稀土钴基合金颗粒，通过常规的吸氢-脱氢处理(氢破工艺)，就可制得粒径很小的稀土钴基合金粉末。稀土钴基合金粉末的制备方法如下步骤I、在20 150°C下，将步骤3中得到的颗粒在200 350KPa的氢气气氛中放置I. 5 3个小时。
步骤2、将完成步骤4的合金颗粒在100 150° C的温度下，真空保温5 8个小时，后冷却到室温，合金被破碎成粒径200 500 μ m左右的粉末。本发明的一种优选的用氢破工艺制备稀土钴基合金粉末的方法步骤如下将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素配料，稀土占23 27%(其中含2 15%的其他轻稀土元素)，钴占45 55%，铁占10 20%，铜占3 9%，锆占I 3%。将所述的配料制成合金铸锭并破碎成小块颗粒，在20 150°C下，将制得的小块颗粒在200 350KPa的氢气气氛中放置I. 5 3个小时。将完成上述步骤的合金颗粒在100 150° C的温度下，真空保温5 8小时，后冷却到室温，合金被破碎成粒径200 500 μ m左右的粉末。应用本发明的合金粉末适用于制备具有永磁特性的粘接和烧结磁体。与现有技术相比，本发明的主要优点包括(I)本发明提供的稀土钴基合金材料的微观组织结构，以及轻稀土元素在RCo5相中的偏聚分布使得合金的吸氢量大幅度增加，因而可以实现合金的有效吸氢破碎。(2)本发明所提供的稀土钴基合金粉末制备方法在室温条件下，在200 350KPa的氢气气氛中放置I. 5 3小时，即实现合金的有效吸氢；与已有的2:17型SmCo合金的吸氢工艺相比，无论在吸氢温度、氢气压力和吸氢时间上都实现了大幅的优化，对设备要求低，成本低廉，更适合工业化生产。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。实施例I稀土钴基合金粉末的制备原料衫、钴、铁、铜、错、镨。将上述原料以质量百分比进行配料，合金成分钐20. 5%，镨5%，钴50. 7%，铁15. 5%,铜 6. 0%,锆 2. 3%ο在感应熔炼炉中将上述配料分别熔炼成合金铸锭，通过机械破碎的方法将合金破碎成5 IOmm左右的颗粒，将颗粒放入吸氢炉中，通过机械泵将炉中真空度抽到2Pa以下，在室温条件下，将高纯氢气充入炉中，并使氢气的压力达到270KPa后保持I. 5小时进行吸氢，吸氢结束后将炉中氢气放出，通过机械泵将炉体真空度抽到5Pa以下后炉体开始加热脱氢，当温度升至150° C时，保持温度至真空度降低到2Pa以下后停止加热，并将炉体冷却至室温。结果 制得了粒径200 500 μ m的粉末。粉末样品的X射线衍射结果见附图I。结果表明，破碎后的粉末基本是由％05相和RCo7相构成。合金材料的微观结构图见附图3。结果表明，合金材料主要是有白色相包裹黑色相形成的微观组织结构,综合XRD和EDS检测结果，可知白色相为RCo5相而黑色相为RCo7相。合金材料的EDS元素成分检测结果见附图6。结果表明，RCo5相由钐、钴、铁、铜、 锆和镨元素组成，RCo7相由钐、钴、铁、铜、锆和镨元素组成；RCo5相中镨元素的含量(4. 45%)明显高于RCo7相中镨元素的含量(O. 98%)，这表明添加的镨元素是偏聚分布于RCo5相中。实施例2稀土钴基合金粉末的制备原料衫、钴、铁、铜、错、钕。将上述原料以质量百分比进行配料，合金成分钐20. 5%，钕5%，钴50. 7%，铁
15.5%,铜 6. 0%,锆 2. 3%ο在感应熔炼炉中将上述配料分别熔炼成合金铸锭，通过机械破碎的方法将合金破碎成5 IOmm左右的颗粒，将颗粒放入吸氢炉中，通过机械泵将炉中真空度抽到2Pa以下，在室温条件下，将高纯氢气充入炉中，并使氢气的压力达到270KPa后保持I. 5小时进行吸氢，吸氢结束后将炉中氢气放出，通过机械泵将炉体真空度抽到5Pa以下后炉体开始加热脱氢，当温度升至150° C时，保持温度至真空度降低到2Pa后停止加热，并将炉体冷却至室温。样品的X射线衍射结果见附图1，微观结构图见附图3，EDS元素成分检测结果见附图6。结果制得了粒径200 500 μ m的粉末。粉末样品的X射线衍射结果见附图I。结果表明，脱氢后合金粉末基本由RCo5相和RCo7相构成。合金材料的微观结构图见附图4。结果表明，合金材料主要是有白色相包裹黑色相形成的微观组织结构,综合XRD和EDS检测结果，可知白色相为RCo5相而黑色相为RCo7相。合金材料的EDS元素成分检测结果见附图5。结果表明，RCo5相由钐、钴、铁、铜、锆和钕元素组成，RCo7相由钐、钴、铁、铜、锆和钕元素组成；RCo5相中钕元素的含量(4. 28%)明显高于RCo7相中钕元素的含量(I. 02%)，这表明添加的钕元素是偏聚分布于RCo5相中。对比例I原料衫、钴、铁、铜、错。将上述原料以质量百分比进行配料，合金成分钐25. 5%，钴50. 7%，铁15. 5%，铜6. 0%,锆 2. 3%ο在感应熔炼炉中将上述配料熔炼成合金铸锭，通过机械破碎的方法将合金破碎成5 IOmm左右的颗粒，将颗粒放入吸氢炉中，通过机械泵将炉中真空度抽到2Pa以下，在室温条件下，将高纯氢气充入炉中，并使氢气的压力达到270KPa后保持I. 5小时进行吸氢，吸氢结束后将炉中氢气放出，通过机械泵将炉体真空度抽到5Pa以下后炉体开始加热脱氢，当温度升至150° C时，保持温度至真空度降低到2Pa后停止加热，并将炉体冷却至室温。样品的X射线衍射结果见附图2，微观结构图见附图4，EDS元素成分检测结果见附图6。结果合金颗粒大小无变化。脱氢后样品的X射线衍射结果见附图2。结果表明，脱氢后样品仅含Sm2Co17相。合金微观结构图见附图5。结果表明，合金材料主要是由黑色相和微量晶界构成的微观组织结构，综合XRD和EDS检测结果，可知黑色相为Sm2Co17相。 合金材料的EDS元素成分检测结果见附图6。结果表明，Sm2Co17相由衫、钴、铁、铜、锆元素组成，其质量百分含量分别为钐25. 02%、钴51. 12%、铁15. 86%、铜5. 85%、锆2. 15%。实施例1、2和对比实施例I在相同的工艺条件下合金破碎的结果如下
权利要求
1.一种稀土钴基合金材料，其特征在于，所述材料包括以下组分或基本上由以下组分构成钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素，其中所述其他轻稀土元素包括镧、铈、镨、钕、铕、礼，或其组合， 其中，按合金材料的总重量计，包括钐和其他轻稀土元素在内的总稀土元素占23 27wt%并且其他轻稀土元素占2 15wt%，钴占45 55wt%，铁占10 20wt%，铜占3 9wt%,错占 I 3wt%0
2.如权利要求I所述的稀土钴基合金材料，其特征在于，所述合金材料为两种化合物组成复合体，且所述两种化合物为1)结晶状六方结构的RCo7型化合物，式中R表示Sm元素和其他轻稀土元素；2)结晶状具有六方结构的％05系化合物，其中R包括Sm元素和至少一种其他轻稀土元素。
3.如权利要求2所述的稀土钴基合金材料，其特征在于，所述合金材料具有RCo5相包裹RCo7晶粒形成胞状的微观结构，较佳地，RCo7晶粒大小为5 50 μ m，RCo5相尺寸为5 30 μ mD
4.如权利要求2所述的稀土钴基合金材料，其特征在于，所述材料中的其他轻稀土元素偏聚分布于RCo5系化合物中。
5.如权利要求1-4中任一项所述的稀土钴基合金材料,其特征在于,所述合金材料为铸锭或颗粒。
6.一种稀土钴基合金颗粒，其特征在于，所述颗粒的材料为权利要求I所述的稀土钴基合金材料，且所述颗粒的粒径为l_50mm。
7.—种稀土钴基合金粉末，其特征在于，所述粉末用权利要求I所述的稀土钴基合金材料或权利要求6所述的稀土钴基合金颗粒通过氢破工艺制成，且该粉末的粒径为50 600 μ m,较佳地，所述粉末的粒径为100 500 μ m。
8.—种稀土钴基合金粉末的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 (i)在氢气存在下，将权利要求6所述的稀土钴基合金颗粒进行吸氢处理，获得吸氢后的合金颗粒； ( )对步骤(i)中制备的吸氢后的合金颗粒进行脱氢处理，从而获得稀土钴基合金粉末。
9.如权利要求6所述的稀土钴基合金颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)将钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素(较佳地，该轻稀土元素包括镧、铈、镨、钕、铕、钆，或其组合)，按照质量百分比配料，其中，按合金材料的总重量计，包括钐和其他轻稀土元素在内的总稀土元素占23 27wt%并且其他轻稀土元素占2 15wt%，钴占45 55wt%，铁占10 20wt%，铜占3 9wt%，锆占I 3wt% ； (2)将步骤(I)中所述的配料制成合金铸锭；和 (3)将步骤(2)中得到的合金铸锭破碎成颗粒。
10.一种制品，其特征在于，所述制品含有权利要求7所述的稀土钴基合金粉末，或由权利要求7所述的稀土钴基合金粉末制成。
全文摘要
本发明公开了稀土钴基合金及其粉末和制备方法。具体地，本发明制备了一种由钐、钴、铁、铜、锆以及至少一种其他轻稀土元素(包括镧、铈、镨、钕、铕、钆，或其组合)组成的稀土钴基合金材料，该材料具有RCo5相包裹RCo7相晶粒的微观结构，其中，RCo5系化合物为结晶状六方结构，RCo7型化合物为结晶状具有六方结构(R包括Sm元素和至少一种其他轻稀土元素)，且其他轻稀土元素偏聚分布于RCo5相中。本发明还公开了该稀土钴基合金及其粉末的制备方法，本发明方法条件温和、设备要求低、效率高，适合工业生产。
文档编号B22F1/00GK102839301SQ20121034193
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者刘壮, 陈仁杰, 刘雷, 孙颖莉, 刘兴民, 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