一种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法，针对具有以原子百分含量计，Nd15.0-18.0、B5.0-6.0、Al0.2-0.3、Co7.0-10.0、Nb0.5-0.8、Zr0.1-0.3、Cu0.2-0.4、Dy3.0-5.0，余量为Fe和不可避免的杂质的合金体系，采用了先进的双合金混合等离子体放电烧结制备方法制备得到的，所得烧结合金体系具有优异的综合磁性能和较高的居里温度。
【专利说明】—种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及稀土永磁材料的【技术领域】，特别是提供一种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法。
【背景技术】
[0002]永磁材料作为现代工业与科学技术中应用最为广泛的一种功能材料，主要包括铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料和其他的永磁材料等。其中稀土类永磁材料是稀土金属和过渡金属形成的合金经过一定的工艺制成，是目前综合性能最好的一类永磁材料。
[0003]而烧结钕铁硼永磁材料作为稀土永磁材料的代表，是以钕(Nd)、铁(Fe)、硼(B)为基本原料，根据需要添加少量其他合金元素，应用粉末冶金技术制造的一种铁基永磁材料。由于其主要是由铁和价格相对低廉、资源相对丰富的钕、硼三种元素组合而成，可相对廉价制备得到，同时还具有非常优异的磁性能，具有极高的性价比，因此被广泛使用于电子设备、复合动力汽车用马达及发电机等各个领域。
[0004]然而现有的烧结钕铁硼永磁材料也存在一定的问题，首先是其居里温度比较低，通常小于300°C，这使得它的工作使用温度受到极大的限制，从而在很大程度上制约了其更为广泛的应用；再者其是典型的硬脆材料，加工性能较差，常常由于需要将产品加工成特定形状而导致材料的破坏和磁性能的恶化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的即在于提供一种新型的Nd-Fe-B系稀土永磁烧结材料，本发明通过适当的合金元素选取及最佳的添加量，以及与之相匹配的制备工艺，获得了性能优异的烧结钕铁硼永磁材料。`
[0006]本发明中的Nd-Fe-B系稀土永磁合金的具体制备方法如下:
[0007]一)双合金备料:合金一由兀素Nd、Fe、B、Al、Co、Nb、Zr、Cu所组成，合金二由兀素Dy、Fe、B、Al、Co、Nb、Zr、Cu所组成,其中除稀土元素外,其余元素的含量与所述Nd-Fe-B系稀土永磁合金相同，以满足Nd-Fe-B系稀土永磁合金的组分为条件调配合金一和合金二的比例，所Nd-Fe-B系稀土永磁合金的组分为:以原子百分含量计，Ndl5.0-18.0、B5.0-6.0、A10.2-0.3、Co7.0-10.0、Nb0.5-0.8、Zr0.1-0.3、Cu0.2-0.4、Dy3.0-5.0，余量为 Fe 和不可避免的杂质。
[0008]二)合金一粉末的制备:
[0009]I)熔炼，将配备好的合金一原料放入真空感应熔炼炉中，将熔炼炉抽真空至15-20Pa并加温熔炼直至温度升温至1000-1050°C时开始充入氩气至压强为0.1-0.3MPa，随后升温至1200-1250°C精炼5-10分钟，保温静置1_2分钟；
[0010]2)烧注,采用甩带烧注的方法,冷却棍直径为500mm,控制冷却速度在2.7m/s_3m/s，得到厚度为0.2-0.4mm的铸片；[0011]3)机械破碎，将铸片通过机械破碎得到粒径为100-200 μ m的粗粉；
[0012]4)氢爆，在氢气流量为l_2L/min的条件下将机械破碎得到的粗粉加热到800-820 0C，保温5-10min后，增大氢气流量至3_4L/min并保持，吸氢2_3h，随后排氢并充入氩气，在氩气压力达到0.8-lMPa时开始抽真空脱氢，至真空度2-4Pa时，脱氢结束；
[0013]5)磨碎,采用气流磨磨碎,具体是添加0.12-0.15wt%的硬脂酸锌,在氮气气氛中破碎至平均粒径为5-10 μ m,得到细粉。
[0014]三)合金二粉末的制备:
[0015]I)熔炼，将配备好的合金二原料放入真空感应熔炼炉中，将熔炼炉抽真空至15-20Pa并加温熔炼直至温度升温至1200-1250°C时开始充入氩气至压强为0.3-0.5MPa，随后升温至1400-1450°C精炼3-5分钟，保温静置0.5-1分钟；
[0016]2)烧注,采用甩带烧注的方法,冷却棍直径为500mm,控制冷却速度在2.7m/s_3m/s，得到厚度为0.2-0.4mm的铸片；
[0017]3)机械破碎，将铸片通过机械破碎得到粒径为100-200 μ m的粗粉；
[0018]4)氢爆，在氢气流量为l_2L/min的条件下将机械破碎得到的粗粉加热到820-850 0C，保温5-10min后，增大氢气流量至3_4L/min并保持，吸氢4_5h，随后排氢并充入氩气，在氩气压力达到 0.8-lMPa时开始抽真空脱氢，至真空度2-4Pa时，脱氢结束；
[0019]5)再吸氢处理，在室温条件下再次以3_5L/min的流量通入氢气，并保持0.5_lh ；
[0020]6)磨碎，采用气流磨磨碎，具体是添加0.08-0.lwt%的硬脂酸锌，在氩气气氛中破碎至平均粒径为1-3 μ m，得到细粉。
[0021]四)双合金混合:将磨碎好的细粉在氩气气氛下混合均匀。
[0022]五)生坯压制:将混合好的合金粉末在1500_1600kA/m的磁场中，采用180_220MPa的垂直压力将粉体压制10-15min成型。
[0023]六)烧结:将生坯放置在真空容器中，在(0.5-0.8) X10_3Pa的真空条件下，以30-500C /min的升温速率升温至560_600°C，然后在60_80MPa的压力下等离子体放电烧结10-15min后，充入常温氩气快速冷却至室温。
[0024]七)时效:将烧结合金在550_570°C，保温3_4h，从而得到最终的Nd-Fe-B系稀土永磁合金。
[0025]本发明的优点在于:(I)合理设计了合金的成分，通过轻、重稀土的合理配比，以及其他合金元素的适度添加，获得了最优性能的稀土永磁合金；(2)采取了双合金制备工艺，有效的避免了重稀土元素添加导致的性能下降；(3)采用了合适的、针对双合金不同的熔炼、粉碎以及压坯工艺得到了适于烧结的生坯；(3)采用了先进的等离子体放电烧结工艺，并选取了最为适宜的烧结温度、压力和时间；(4)只需低温时效而无需二次回火，即可得到高性能的稀土永磁合金。
【具体实施方式】
[0026]实施例1-4，以及对比例1-9:
[0027]一)双合金备料:合金一由兀素Nd、Fe、B、Al、Co、Nb、Zr、Cu所组成，合金二由兀素Dy、Fe、B、Al、Co、Nb、Zr、Cu所组成,其中除稀土元素外,其余元素的含量与所述Nd-Fe-B系稀土永磁合金相同(具体参见表1)，以满足所述Nd-Fe-B系稀土永磁合金的组分为条件调配合金一和合金二的比例。
[0028]二)合金一粉末的制备:
[0029]I)熔炼，将配备好的合金一原料放入真空感应熔炼炉中，将熔炼炉抽真空至18Pa并加温熔炼直至温度升温至1050°C时开始充入氩气至压强为0.2MPa，随后升温至1200°C精炼10分钟，保温静置2分钟；
[0030]2)浇注，采用甩带浇注的方法，冷却辊直径为500mm，控制冷却速度在2.8m/s，得到厚度为0.3mm的铸片；
[0031]3)机械破碎，将铸片通过机械破碎得到粒径为100-200 μ m的粗粉；
[0032]4)氢爆，在氢气流量为lL/min的条件下将机械破碎得到的粗粉加热到820°C，保温IOmin后，增大氢气流量至3L/min并保持，吸氢2h，随后排氢并充入氩气，在氩气压力达到0.8MPa时开始抽真空脱氢，至真空度4Pa时，脱氢结束； [0033]5)磨碎,采用气流磨磨碎,具体是添加0.14wt%的硬脂酸锌,在氮气气氛中破碎至平均粒径为5 μ m，得到细粉。
[0034]三)合金二粉末的制备:
[0035]I)熔炼，将配备好的合金二原料放入真空感应熔炼炉中，将熔炼炉抽真空至20Pa并加温熔炼直至温度升温至1250°C时开始充入氩气至压强为0.4MPa，随后升温至1400-1450°C精炼3分钟，保温静置0.5分钟；
[0036]2)烧注,采用甩带烧注的方法,冷却棍直径为500mm,控制冷却速度在2.8m/s,得到厚度为0.3mm的铸片；
[0037]3)机械破碎，将铸片通过机械破碎得到粒径为100-200 μ m的粗粉；
[0038]4)氢爆，在氢气流量为2L/min的条件下将机械破碎得到的粗粉加热到840°C，保温IOmin后，增大氢气流量至4L/min并保持，吸氢4h，随后排氢并充入氩气，在氩气压力达到0.8MPa时开始抽真空脱氢，至真空度3Pa时，脱氢结束；
[0039]5)再吸氢处理，在室温条件下再次以4L/min的流量通入氢气，并保持Ih ；
[0040]6)磨碎，采用气流磨磨碎，具体是添加0.09wt%的硬脂酸锌，在氩气气氛中破碎至平均粒径为I μ m，得到细粉。
[0041]四)双合金混合:将磨碎好的细粉在氩气气氛下混合均匀。
[0042]五)生坯压制:将混合好的合金粉末在1600kA/m的磁场中，采用200MPa的垂直压力将粉体压制15min成型。
[0043]六)烧结:将生坯放置在真空容器中，在0.5X 10?的真空条件下，以40°C /min的升温速率升温至560°C，然后在60MPa的压力下等离子体放电烧结IOmin后，充入常温氩气快速冷却至室温。
[0044]七)时效:将烧结合金在560°C，保温3h，从而得到最终的Nd-Fe-B系稀土永磁合金。
[0045]所述的合金元素中Nd、Fe和B是形成钕铁硼主相的基本元素,必须保证Nd的含量超过15.0，否则将难以有效形成稀土永磁合金，然而其含量也不能过高，否则将限制其他元素的添加数量而影响合金整体的性能。B也是主相的基本组成元素，其含量应当超过5.0,但过多的添加会导致磁性能的恶化。
[0046]铝元素能够显著的起到提高矫顽力的作用，同时对于改善合金的加工性能起到有益的作用，但过量的添加对于矫顽力的提高并无益处，反而会导致剩磁的显著下降，本发明合金体系中的Al应在0.2-0.3的范围内。
[0047]钴元素能明显改善合金体系的居里温度，但钴的添加会明显导致剩磁、矫顽力等性能的下降，因此必须严格控制钴元素的添加量，为了使其起到对于居里温度足够的提高作用，其添加量至少应为7.0，同时为了限制其添加的副作用，应当控制其含量在10.0以下。
[0048]铌和锆都是典型的抑制晶粒长大的元素，在合金体系中能够起到抑制晶粒长大，提高方形度等作用，其添加含量的不足将会导致合金体系难以适应相应的等离子体放电烧结工艺，从而导致烧结后合金体系磁性能的显著下降。
[0049]铜元素也能够在烧结和时效过程中发挥晶粒长大的抑制作用，同时避免主相对于富钕相过度固溶，从而显著提高矫顽力，但过多的铜的添加则会影响主相晶粒的平滑，从而显著降低合金的磁性能。此外，铜还能在一定程度上起到抑制钴恶化磁性能的效果。
[0050]重稀土元素镝的添加能够显著的改善合金体系的矫顽力，但是其过多的添加会恶化合金的剩磁等性能，因此限制其添加量为3.0-5.0。
[0051]表1
【权利要求】
1.一种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法，其特征在于所述制备方法主要包括以下步骤: 一)双合金备料:合金一由兀素Nd、Fe、B、Al、Co、Nb、Zr、Cu所组成，合金二由兀素Dy、Fe、B、Al、Co、Nb、Zr、Cu所组成,其中除稀土元素外,其余元素的含量与所述Nd-Fe-B系稀土永磁合金相同，以满足Nd-Fe-B系稀土永磁合金的组分为条件调配合金一和合金二的比例，所Nd-Fe-B系稀土永磁合金的组分为:以原子百分含量计，Ndl5.0-18.0、B5.0-6.0、A10.2-0.3、Co7.0-10.0、Nb0.5-0.8、Zr0.1-0.3、Cu0.2-0.4、Dy3.0-5.0，余量为 Fe 和不可避免的杂质； 二)合金一粉末的制备: O熔炼，将配备好的合金一原料放入真空感应熔炼炉中，将熔炼炉抽真空至15-20Pa并加温熔炼直至温度升温至1000-1050°C时开始充入氩气至压强为0.1-0.3MPa，随后升温至1200-1250°C精炼5-10分钟，保温静置1_2分钟； 2)烧注，采用甩带烧注的方法，冷却棍直径为500mm,控制冷却速度在2.7m/s_3m/s,得到厚度为0.2-0.4mm的铸片； 3)机械破碎，将铸片通过机械破碎得到粒径为100-200μ m的粗粉； 4)氢爆，在氢气流量为l_2L/min的条件下将机械破碎得到的粗粉加热到800-820°C，保温5-10min后，增大氢气流量至3_4L/min并保持，吸氢2_3h，随后排氢并充入氩气，在氩气压力达到0.8-lMPa时开始抽真空脱氢，至真空度2-4Pa时，脱氢结束； 5)磨碎，采用气流磨磨碎，具体是添加0.12-0.15wt%的硬脂酸锌，在氮气气氛中破碎至平均粒径为5-10 μ m,得到细粉； 三)合金二粉末的制备: O熔炼，将配备好的合金二原料放入真空感应熔炼炉中，将熔炼炉抽真空至15-20Pa并加温熔炼直至温度升温至1200-1250°C时开始充入氩气至压强为0.3-0.5MPa，随后升温至1400-1450°C精炼3-5分钟，保温静置0.5-1分钟； 2)烧注，采用甩带烧注的方法，冷却棍直径为500mm,控制冷却速度在2.7m/s_3m/s,得到厚度为0.2-0.4mm的铸片； 3)机械破碎，将铸片通过机械破碎得到粒径为100-200μ m的粗粉； 4)氢爆，在氢气流量为l_2L/min的条件下将机械破碎得到的粗粉加热到820-850°C，保温5-10min后,增大氢气流量至3_4L/min并保持,吸氢4_5h,随后排氢并充入IS气,在IS气压力达到0.8-lMPa时开始抽真空脱氢，至真空度2-4Pa时，脱氢结束； 5)再吸氢处理，在室温条件下再次以3-5L/min的流量通入氢气，并保持0.5_lh ； 6)磨碎，采用气流磨磨碎，具体是添加0.08-0.lwt%的硬脂酸锌，在氩气气氛中破碎至平均粒径为1-3 μ m，得到细粉； 四)双合金混合:将磨碎好的细粉在氩气气氛下混合均匀； 五)生坯压制:将混合好的合金粉末在1500-1600kA/m的磁场中，采用180_220MPa的垂直压力将粉体压制10-15min成型； 六)烧结:将生坯放置在真空容器中，在(0.5-0.8)X10_3Pa的真空条件下，以30-501:/min的升温速率升温至560-600°C，然后在60_80MPa的压力下等离子体放电烧结10_15min后，充入常温氩气快速冷却至室温；七)时效:将烧结合金在550-570°C，保温3-4h，从而得到最终的Nd-Fe-B系稀土永磁合金 O
2.根据权利要求1所述的一种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法,其特征在于:所述烧结中的温度和压力优选580°C、70MPa。
3.根据权利要求1所述的一种Nd-Fe-B系稀土永磁合金的制备方法,其特征在于:在六)烧结和七)时效步骤之间，不实施其他热处理步骤。
【文档编号】C22C38/16GK103667920SQ201310633038
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】易鹏鹏, 汪维杰, 卓开平, 汪志通, 包捷, 王燕玲, 卓金飞, 卓桂丽, 陈喜芬, 卓开岳, 李永敢 申请人:宁波松科磁材有限公司