大长径比辐向热压永磁环及其制备方法
【专利摘要】本发明属于永磁材料的制备领域，特别涉及一种大长径比辐向热压永磁合金环及其制备方法，该永磁环在使用状态的化学成分按重量百分比为：稀土金属RE、RE′之和26～35％，稀土金属中RE占总金属的质量百分比为18～26％，B 0.7～1.1％，TM 0.5～5％，其余为Fe；其中RE为Nd和/或Pr，RE′为选自Y、La、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种稀土元素；TM为选自Co、Ni、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、Ti、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种过渡族元素；该永磁环具有2-14-1型稀土永磁合金相；该永磁环的磁能积大于40MGOe，长径比为1～5。与传统的反向热挤压制备的长径比不到1的磁环相比，节约了时间和材料，大大降低了生产成本，可用于高能效电动机和高速发动机等设备。
【专利说明】大长径比辐向热压永磁环及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于稀土永磁材料的制造领域，特别涉及一种低成本、高性能、大长径比、辐向取向的热压永磁环及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，永磁环的制备方法主要有永磁体拼接永磁环、各向同性粘结永磁环、辐向取向烧结永磁环、反向热挤压永磁环。拼接永磁环在拼接处易出现磁场不均匀；各向同性粘接永磁环为各向同性且密度较低，因此磁性能较低，磁能积范围为6?1MGOe ;采用粉末冶金方法制备的辐向取向烧结永磁环，由于取向磁场的限制，磁环的尺寸受到极大限制，难以实现高壁、薄壁磁环的制备，同时由于粉末冶金烧结过程中大量收缩，使磁环不能近终成型，增加了磁环的后续加工成本；反向热挤压永磁环具有优异的磁性能、近终成型、可以制成薄壁件等优点，但是其长度通常不超过30_，成型后两端性能极不均匀，需要去除，造成生产成本的不必要提高。现有技术中一次制备出长径比大于等于I的超长磁环的工艺和产品(长径比是指永磁环的长度与外直径的比值)，至今还未见报道。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明提供了一种低成本、高性能、大长径比(即长径比大于等于I)的辐向热压永磁环及其制备方法。
[0004]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0005]一种大长径比辐向热压永磁环，该永磁环在使用状态的化学成分按重量百分比为:稀土金属RE、RE'之和26?35%，稀土金属中RE占总金属的质量百分比为18?26%，B 0.7?L 1%，TM 0.5?5%，其余为Fe ;其中RE为Nd和/或Pr，RE'为选自Y、La、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 中的一种或多种稀土元素；TM 为选自 Co、N1、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、T1、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb和Cu中的一种或多种过渡族元素；该永磁环具有2-14-1型稀土永磁合金相；
[0006]该永磁环采用以下工艺制备:快淬制备稀土 -Fe-B非晶纳米晶薄带一破碎成磁各向同性稀土-Fe-B磁粉一热压成全密度各向同性磁环一正向热挤压成型为具有细片晶显微组织的辐向取向永磁环。
[0007]所述RE'优选为Dy、Y、Ce、Sm、Ho中的一种或多种稀土元素；
[0008]所述TM优选为Nb、Ga、Al、Cu、Co、Mn、Cr、T1、Zn中的一种或多种过渡族元素。
[0009]在所述热压过程中，热压上压套3向下运动，使磁粉压实并产生冶金结合。
[0010]在正向热挤压过程中，当热挤压上压套8向下移动时，各向同性磁环向下发生流变，获得辐向取向的永磁环。
[0011]该永磁环的磁能积大于40MG0e，矫顽力大于11.15kOe，剩磁大于11.3kGs，长径比为I?5。
[0012]制备该永磁环的非晶纳米晶快淬带制成的粉末是完全晶态，或包含部分非晶态，晶粒尺寸小于lOOnm，粉末颗粒的粒径为0.2?2mm。
[0013]一种大长径比辐向热压永磁环的制备方法，该方法包括如下步骤:
[0014]a)制备稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带:按合金成分配比配制合金原料，稀土 Nd适当过量，以抵消冶炼烧损，对合金原料进行冶炼铸锭，再熔融快淬获得稀土 -Fe-B非晶纳米晶薄带；
[0015]b)制备磁各向同性稀土 -Fe-B磁粉:将稀土 _Fe_B快淬非晶纳米晶薄带破碎制成磁各向同性稀土 -Fe-B磁粉；
[0016]c)热压:将稀土 -Fe-B磁粉在氩气保护下热压成为全密度各向同性环状磁体；
[0017]d)热挤压:将得到的全密度各向同性环状磁体正向热挤压成型为具有细片晶显微组织、大长径比、辐向取向的热压稀土 -Fe-B永磁环。
[0018]步骤a中，熔融温度为1350?1390°C。
[0019]步骤c中，热压上压套3向下运动，使磁粉压实并产生冶金结合；真空度高于I X l(T2Pa，热压温度为500?600°C，热压压力为200?250MPa，保温保压时间为I?2min。
[0020]步骤d中，热挤压上压套8向下移动时，各向同性磁环向下发生流变；真空度高于I X l(T2Pa，热挤压温度为850?950°C。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]本发明采用正向挤压和大变形比，可以一次制备出长径比大于等于I的超长磁环，该制备方法的最大特点是制备的永磁合金环磁均匀性非常优异，与传统的反向热挤压制备的长径比不到I的磁环相比，大大降低了生产成本，对于高性能永磁环的广泛应用具有十分重要意义。
[0023]本发明采用热压/热变形制备全密度磁体，通过正向热挤压工艺，利用纳米晶快淬薄带，制备大长径比、全密度、高织构的稀土-Fe-B辐向磁环，降低生产成本的同时，保持尚的磁性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的大长径比辐向热压永磁环制备方法步骤c中所用的热压模具结图。
[0025]图2a为本发明的大长径比辐向热压永磁环制备方法步骤d中所用的热挤压模具结构图(热挤压开始时)。
[0026]图2b为本发明的大长径比辐向热压永磁环制备方法步骤d中所用的热挤压模具结构图(热挤压完成时)。
[0027]附图标记
[0028]I热压模套 2 热压芯杆
[0029]3热压上压套 4 热压原料粉
[0030]5热压垫圈 6 热压下模
[0031]7热挤压芯杆 8 热挤压上压套
[0032]9热挤压模套 10 热挤压原料毛坯
[0033]11 热挤压模腔12 热挤压下模套
[0034]13 热挤压垫圈14 热挤压后的磁环
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0036]本发明的原理在于:热压/热变形稀土 -Fe-B永磁体不需要磁场取向就可以获得优异的晶体取向，其形成机理是热压后的各项同性稀土-Fe-B磁体在热变形过程中，由于RE2Fe14B的晶界滑移、晶粒的转动、形核与再结晶过程中晶粒的择优生长和通过边界液相所促进的晶粒滑移和旋转，使RE2Fe14B磁性主相易磁化方向垂直于流变方向，形成优异的晶体取向，使剩磁和磁能积大幅度提高。因此，利用热压/热变形技术可以制备出辐向永磁环。
[0037]本发明的低成本、高性能大长径比辐向热压永磁环该永磁环在使用状态的化学成分按重量百分比为:稀土金属RE、RE ^之和26?35%，稀土金属中RE占总金属的质量百分比为18?26%，B 0.7?1.1%，TM 0.5?5%，其余为Fe ;其中RE为Nd和/或Pr，RE'为选自Y、La、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种稀土元素；TM为选自 Co、N1、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、T1、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb 和 Cu 中的一种或多种过渡族元素；该永磁环具有2-14-1型稀土永磁合金相。该永磁环的磁能积大于40MG0e，长径比I?5。
[0038]上述低成本、高性能大长径比辐向热压永磁环的制备工艺流程包括制备稀土 -Fe-B快淬非晶纳米金薄带一制备磁各向同性稀土 -Fe-B合金粉末一热压一热挤压。
[0039]本发明的低成本、高性能大长径比辐向热压稀土 -Fe-B永磁环的制备方法，包括如下步骤:
[0040]a)制备稀土-Fe-B快淬非晶纳米金薄带:按合金成分配比配制合金原料，对合金粉末进一步冶炼，并在1350-1390°C熔融合金，然后喷射旋转的水冷铜辊上，获得稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带，是完全晶态，或包含部分非晶态，晶粒尺寸小于10nm ;
[0041]b)制备磁各向同性稀土-Fe-B合金粉末:将稀土-Fe-B快淬非晶纳米晶薄带制成磁各向同性稀土 -Fe-B磁粉，磁粉颗粒的粒径为0.2?2mm ；
[0042]c)热压:用图1所示的模具，其中原料粉4上方为热压上压套3，下方为热压垫圈5，将稀土 -Fe-B合金粉末在氩气保护下热压成为全密度各向同性环状磁体，其中，真空度高于lX10_2Pa，热压温度为500?600°C，热压压力为200_250MPa，保温保压时间为l-2min ;在所述热压过程中，热压上压套3向下运动，使磁粉压实并产生冶金结合。
[0043]d)热挤压:将该全密度各向同性环状磁体置于图2a所示的模具，移除原料粉4下方的热压垫圈5，热挤压下模套12与热挤压芯杆7之间具有热挤压模腔11，在真空度高于IX KT2Pa氩气保护下850?950°C正向挤压热成型为大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环，热挤压完成后如图2b所示；在正向热挤压过程中，当热挤压上压套8向下移动时，各向同性磁环向下发生流变，进入热挤压模腔11，获得所需形状的辐向取向的永磁环。
[0044]实施例1
[0045]实施例1的低成本、高性能、大长径比、辐向热压永磁环其化学成分按重量百分比为:B 0.7% ;稀土金属 RE、RE'之和 26%，RE 中 Nd 26%，RE'为 0，TM 为 Al、Cu、Co，其中Al 0.5%, Cu 0.6%和 Co 0.9% ;其余为 Fe。
[0046]实施例1的低成本、高性能大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环的制备方法，包括如下步骤:
[0047]a)制备稀土-Fe-B快淬非晶纳米金薄带:按合金成分配比配制合金原料，对合金粉末进一步冶炼，并在1350°C熔融合金，旋转的水冷铜辊上获得稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带；
[0048]b)制备磁各向同性稀土 -Fe-B合金粉末:将稀土 _Fe_B快淬非晶纳米晶薄带制成磁各向同性稀土 -铁-硼合金粉末，晶粒平均尺寸为50nm，粉末的粒径为0.2_2mm ；
[0049]c)热压:在真空度IX 10_2Pa、热压温度500°C、热压压力为200MPa、保温保压Imin条件下，将该稀土 -Fe-B合金粉末热压成为全密度各向同性环状磁体；
[0050]d)热挤压:将该全密度各向同性环状磁体在真空度5X KT3Pa 850°C正向挤压热成型为大长径比辐向热压稀土 -Fe-B磁环。
[0051]在上述制备工艺条件下，所制备的永磁合金环的磁能积46MGs0e，长径比为1，矫顽力为12.6kOe，剩磁为13.35kGs。
[0052]实施例2
[0053]实施例2的低成本、高性能大长径比辐向热压永磁环其化学成分按重量百分比为:B 1.1 稀土金属 RE、RE'之和 30%，RE 中 Nd 12%, Pr 6% ,RE'中 Dy 0.6%, Y
2.4%, Ce 3%和 Sm 6% ;TM 为 Nb、Ga，其中 Nb 0.1%, Ga 0.4%，其余为 Fe。
[0054]实施例2的低成本、高性能大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环的制备方法，包括如下步骤:
[0055]a)制备稀土-Fe-B快淬非晶纳米金薄带:按合金成分配比配制合金原料，对合金粉末进一步冶炼，并在1390°C熔融合金，旋转的水冷铜辊上获得稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带；
[0056]b)制备磁各向同性稀土 -Fe-B合金粉末:将稀土 _Fe_B快淬非晶纳米晶薄带制成磁各向同性稀土 -铁-硼合金粉末，平均晶粒尺寸为72nm，粉末的粒径为0.2_2mm ;
[0057]c)热压:在真空度1父10-^1、热压温度600°0、热压压力为25010^、保温保压Imin条件下，将该稀土 -Fe-B合金粉末热压成为全密度各向同性环状磁体；
[0058]d)热挤压:将该全密度各向同性环状磁体在真空度2X10_3Pa下900°C正向挤压热成型为大长径比辐向热压稀土 -Fe-B磁环。
[0059]在上述制备工艺条件下，所制备的永磁合金环的磁能积45.SMGsOe，长径比为2，矫顽力为11.15k0e，剩磁为14.0lkGs0
[0060]实施例3
[0061]实施例3的低成本、高性能大长径比辐向热压永磁环其化学成分按重量百分比为:B 1% ;稀土金属 RE、RE'之和 35%，RE 中的 Nd 21%, RE'中 Dy 0.1%, Y 2.8%, Ce
3.5%, Sm 7%;TM为Nb、Cu、Mn、Ga，其中 Nb 0.5%,Cu 0.5%,Mn 1%Χο 2.6%和Ga 0.4%；其余为Fe。
[0062]实施例3的低成本、高性能大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环的制备方法，包括如下步骤:
[0063]a)制备稀土-Fe-B快淬非晶纳米金薄带:按合金成分配比配制合金原料，对合金粉末进一步冶炼，并在1380°C熔融合金，然后喷射到旋转的水冷铜辊上，获得稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带；
[0064]b)制备磁各向同性稀土 -Fe-B合金粉末:将稀土 _Fe_B快淬非晶纳米晶薄带制成磁各向同性稀土 -铁-硼合金粉末，晶粒平均尺寸为58nm，粉末的粒径为0.2?2mm ；
[0065]c)热压:在真空度lX10_2Pa、热压温度600°C、热压压力为200MPa、保温保压Imin条件下，将该稀土 -Fe-B合金粉末热压成为全密度各向同性环状磁体；
[0066]d)热挤压:将该全密度各向同性环状磁体在真空度IX KT2Pa下950°C正向挤压热成型为大长径比辐向热压稀土 -Fe-B磁环。
[0067]在上述制备工艺条件下，所制备的永磁合金环的磁能积48MGs0e，长径比为5，矫顽力为11.2kOe，剩磁为14.1kGs0
[0068]实施例4
[0069]实施例4的低成本、高性能大长径比辐向热压永磁环其化学成分按重量百分比为:B I稀土金属 RE、RE'之和 30%，其中 RE 中的 Nd 24%，RE'中 Dy 0.3%、Y 2.7%和 Ho 3% ;TM 为 Cr、Al、T1、Zn，其中 Cr 0.5%, Al 0.5%, Ti 1%和 Zn 2% ;其余为 Fe。
[0070]实施例4的低成本、高性能大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环的制备方法，包括如下步骤:
[0071]a)制备稀土-Fe-B快淬非晶纳米金薄带:按合金成分配比配制合金原料，对合金粉末进一步冶炼，并在1390°C熔融合金，然后喷射到旋转的水冷铜辊上，获得稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带；
[0072]b)制备磁各向同性稀土 -Fe-B合金粉末:将稀土 _Fe_B快淬非晶纳米晶薄带制成磁各向同性稀土 -铁-硼合金粉末，晶粒平均尺寸为80nm，粉末的粒径为0.2?2mm ；
[0073]c)热压:在真空度IX 10_2Pa、热压温度550°C、热压压力为200MPa、保温保压2min条件下，将该稀土 -Fe-B合金粉末热压成为全密度各向同性环状磁体；
[0074]d)热挤压:将该全密度各向同性环状磁体在真空IX 10_2Pa下850°C正向挤压热成型为大长径比辐向热压稀土 -Fe-B磁环。
[0075]在上述制备工艺条件下，所制备的永磁合金环的磁能积45MGsOe，长径比为3，矫顽力为12.1kOe，剩磁为11.3kGso
【权利要求】
1.一种大长径比辐向热压永磁环，其特征在于: 该永磁环在使用状态的化学成分按重量百分比为:稀土金属RE、RE'之和26?35%，稀土金属中RE占总金属的质量百分比为18?26%，B 0.7?1.1%，TM 0.5?5%，其余为 Fe ;其中 RE 为 Nd 和 / 或 Pr，RE'为选自 Y、La、Ce、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种稀土元素;TM 为选自 Co、N1、Mn、Cr、Al、Sn、Ga、T1、Zn、Zr、Mo、Ag、W、Nb 和Cu中的一种或多种过渡族元素；该永磁环具有2-14-1型稀土永磁合金相； 该永磁环采用以下工艺制备:快淬制备稀土 -Fe-B非晶纳米晶薄带一破碎成磁各向同性稀土-Fe-B磁粉一热压成全密度各向同性磁环一正向热挤压成型为具有细片晶显微组织的辐向取向永磁环。
2.如权利要求1所述的大长径比辐向取向热压永磁环，其特征在于: 所述RE'优选为Dy、Y、Ce、Sm、Ho中的一种或多种稀土元素； 所述TM优选为Nb、Ga、Al、Cu、Co、Mn、Cr、T1、Zn中的一种或多种过渡族元素。
3.如权利要求1所述的大长径比辐向取向热压永磁环，其特征在于: 在所述热压过程中，热压上压套(3)向下运动，使磁粉压实并产生冶金结合。
4.如权利要求1所述的大长径比辐向热压永磁环，其特征在于: 在正向热挤压过程中，当热挤压上压套(8)向下移动时，各向同性磁环向下发生流变，获得辐向取向的永磁环。
5.如权利要求1所述的大长径比辐向热压永磁环，其特征在于: 该永磁环的磁能积大于40MG0e，矫顽力大于11.15kOe，剩磁大于11.3kGs，长径比为I?5ο
6.如权利要求1所述的大长径比辐向热压永磁环，其特征在于: 制备该永磁环的非晶纳米晶快淬带制成的粉末是完全晶态，或包含部分非晶态，晶粒尺寸小于lOOnm，粉末颗粒的粒径为0.2?2mm。
7.一种如权利要求1所述的大长径比辐向热压永磁环的制备方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: a)制备稀土-Fe-B快淬非晶纳米晶薄带:按合金成分配比配制合金原料，稀土Nd适当过量，以抵消冶炼烧损，对合金原料进行冶炼铸锭，再熔融快淬获得稀土 -Fe-B非晶纳米晶薄带； b)制备磁各向同性稀土-Fe-B磁粉:将稀土 -Fe-B快淬非晶纳米晶薄带破碎制成磁各向同性稀土 -Fe-B磁粉； c)热压:将稀土-Fe-B磁粉在氩气保护下热压成为全密度各向同性环状磁体； d)热挤压:将得到的全密度各向同性环状磁体正向热挤压成型为具有细片晶显微组织、大长径比、辐向取向的热压稀土 -Fe-B永磁环。
8.如权利要求7所述的大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环的制备方法，其特征在于: 步骤a中，熔融温度为1350?1390°C。
9.如权利要求7所述的大长径比辐向热压稀土-Fe-B永磁环的制备方法，其特征在于: 步骤c中，热压上压套(3)向下运动，使磁粉压实并产生冶金结合；真空度高于I X l(T2Pa，热压温度为500?600°C，热压压力为200?250MPa，保温保压时间为I?2min。
10.如权利要求7所述的大长径比、辐向取向热压稀土 -Fe-B永磁环的制备方法，其特征在于: 步骤d中，热挤压上压套(8)向下移动时，各向同性磁环向下发生流变；真空度高于I X l(T2Pa，热挤压温度为850?950°C。
【文档编号】H01F41/02GK104505207SQ201410776421
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】郑立允, 李卫, 朱明刚, 郭朝晖, 白帆 申请人:钢铁研究总院