一种高性能钕铁硼磁体及其制备方法与流程

本发明属于稀土永磁材料技术领域，特别涉及一种高性能钕铁硼磁体及其制备方法。

背景技术：

作为二十世纪六十年代问世的新型金属功能材料，稀土永磁材料已经广泛应用于电机行业、医疗器械、风力发电、电动汽车、航空航天等诸多领域。随着现代工业的不断发展，永磁材料应用更加广泛，它在家庭应用中的平均使用量已成为衡量现代国民生活水平的标准。随着现代科学技术与信息产业的集成化、微型化、智能化的发展，更加要求永磁材料具有超高综合性能。

作为第三代稀土永磁材料，烧结钕铁硼材料因其极高的磁性能而被称为“磁王”。它是1983年由sagawa等人发现的，由稀土元素re(nd，pr等)、过渡金属tm(fe，co等)和b元素按一定的成分比例经熔炼后组成的合金，然后采用粉末冶金的方法压制成型，经烧结得到的一种高性能磁性材料。随着烧结钕铁硼材料的应用越来越广泛，特别是汽车电机等高温领域的应用，要求钕铁硼材料具有高的矫顽力以满足持续高温应用；同时，随着产品集成化、微型化的需求，要求钕铁硼材料具有高的磁能积以减小产品的尺寸。因此，制备高综合性能(高矫顽力、高磁能积)的钕铁硼磁体成为了行业内材料发展的趋势。

高性能钕铁硼磁体应具有高的剩磁、矫顽力和磁能积。磁体的磁性能取决于内禀磁性和微结构。通常提高钕铁硼材料的矫顽力的方法主要有两个：①往钕铁硼合金中添加重稀土元素dy或tb。但是，一方面dy、tb与fe成反铁磁性耦合作用，会降低材料的剩磁和磁能积；另一方面dy、tb在地壳中含量低，属于不可再生资源。②降低粉末粒度，细化晶粒。通过获得优异的微结构是获得高性能的重要条件。高磁性能磁体的晶粒微结构应当是：主相晶粒结构均匀，无杂质，无缺陷。主相晶粒之间被富nd相薄层间隔，隔断交换耦合相互作用。晶粒形状为球状或椭球状，边界完整、光滑，不存在尖锐的角、棱和突起，以降低有效退磁因子。获得这种结构的关键就在于要求钕铁硼粉末制备过程中均匀细小、形貌规则、无凸起和棱角。但是往往在生产过程中，常用的气流磨工艺制备的细粉不均匀，颗粒间粒度相差大，且棱角多，大大降低了磁体的性能。因此，获得形貌规则且粒度细小的钕铁硼粉末是制备高性能磁体的关键所在。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高性能钕铁硼磁体及其制备方法，通过改善制粉装置中粉末的粒度和形貌，提高钕铁硼永磁材料的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高性能钕铁硼磁体的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备钕铁硼粗粉；

(2)将钕铁硼粗粉放置在制粉装置的气流磨研磨室内，通过喷口向气流磨研磨室内通入高压气体进行一次研磨；

(3)在气流磨研磨室内钕铁硼粗粉经过一次研磨后粒径变小，并随着高压气体进入球磨装置中进行二次研磨，经过二次研磨得到的钕铁硼细粉从球磨装置中排出并进入分选轮，最后在分选轮的出料口收集得到钕铁硼细粉；

(4)钕铁硼细粉在磁场下取向并压制成型，然后进行等静压得到钕铁硼生坯；

(5)所述钕铁硼生坯经过烧结热处理后制得致密的高性能钕铁硼磁体。

进一步方案，步骤(1)中，所述钕铁硼粗粉采用熔炼速凝、氢爆工艺制备得到；所述钕铁硼粗粉的平均粒径为0.1～5mm。

进一步方案，步骤(4)中，所述磁场的强度为1～4t，所述等静压的压力为100～300mpa；所述钕铁硼生坯的密度为3.5～5g/cm³。

进一步方案，步骤(5)中，所述烧结热处理是在真空烧结炉中进行的，包括高温烧结和两级热处理；高温烧结的温度为1050～1150℃，时间为3～5h；两级热处理的条件分别为850～950℃、3～5h和460～540℃、3～5h。

本发明的第二个目的是提供上述所述的制备方法制得的高性能钕铁硼磁体。

本发明的第三个目的是提供一种用于制备上述所述的高性能钕铁硼磁体的制粉装置。所述制粉装置包括气流磨研磨室，安装在气流磨研磨室上方的分选轮，以及安装在气流磨研磨室和分选轮之间的球磨装置；所述球磨装置包括球磨筒体和用于驱动球磨筒体转动的外接电机；所述球磨筒体的周侧开设有供钕铁硼粉末通过的细孔；所述球磨筒体内放置有用于研磨物料的钢球。所述球磨装置整体沿轴转动速度为50～200rpm。

进一步方案，所述气流磨研磨室的底部开设有底喷口，所述气流磨研磨室的两侧开设有侧喷口。通过底喷口和两侧的侧喷口输入高压气体从而进行气流磨，高压气体的压力为0.45～0.65mpa；所述分选轮转速为4000～6000rpm。

进一步方案，所述球磨筒体的两端通过磁流体和气流磨研磨室连接，其中一端的磁流体与外接电机相连。通过外接电机与磁流体的配合实现球磨筒体旋转的目的。

进一步方案，所述钢球为高硬度耐磨球体。可根据需要选用不同大小的钢球进行球磨，钢球的直径为1～5mm。

进一步方案，所述细孔的孔经为1～10μm。可通过更换不同型号的球磨筒体以改变细孔大小。

本发明的原理为：本发明利用气流磨工艺和球磨工艺相结合的特点，在传统气流磨研磨室和分选轮中间设有球磨装置，球磨装置包括球磨筒体和用于驱动球磨筒体转动的外接电机，在球磨筒体的周侧开设供钕铁硼粉末通过的细孔。在气流磨研磨室内，初次研磨后的钕铁硼粉末随着高压气体的气流进入球磨装置中进行二次研磨，经过二次研磨得到的钕铁硼细粉从球磨装置中排出并进入分选轮，最后在分选轮的出料口收集得到钕铁硼细粉。本发明充分利用了气流磨工艺的高效率制粉和球磨工艺制得粉末形貌优异的优势，制备出粉末细小且形貌更规则的钕铁硼细粉，进而通过后续的压制成型、烧结热处理后获得高性能的钕铁硼磁体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明制得的钕铁硼细粉比传统气流磨工艺制得的细粉更加细小，形貌更加规则。

(2)本发明制得的粉末后续烧结过程中，烧结温度区间更宽，磁体具有更高的磁性能。

(3)本发明制得的磁体显微结构优异，并且可以在不使用或少使用重稀土dy或tb的成分基础上，获得优异的磁性能，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明制粉装置的结构示意图；

附图标记：1-气流磨研磨室，2-底喷口，3、4-侧喷口，5-球磨筒体，6-细孔，7、8-磁流体，9-钢球，10-外接电机，11-分选轮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明所采用的制粉装置的结构示意图如图1所示，所述制粉装置包括气流磨研磨室1，安装在气流磨研磨室1上方的分选轮11，以及安装在气流磨研磨室1和分选轮11之间的球磨装置。所述球磨装置包括球磨筒体5和用于驱动球磨筒体5转动的外接电机10。所述球磨筒体5的周侧开设有供钕铁硼粉末通过的细孔6，所述细孔6的孔经为1～10μm，可通过更换不同型号的球磨筒体以改变细孔大小；所述球磨筒体5内放置有用于研磨物料的钢球8，生产过程中，可根据需要选用不同大小的钢球进行球磨。所述钢球8为高硬度耐磨球体，如不锈钢珠等，直径为1～5mm。作为优选的实施方式，所述球磨筒体5的两端通过磁流体7、8和气流磨研磨室1连接，一端的磁流体8与外接电机10相连，通过外接电机与磁流体的配合实现球磨筒体旋转的目的。在外接电机10的驱动下，球磨筒体5沿轴转动速度为50～200rpm/min。所述气流磨研磨室1的底部开设有底喷口2，所述气流磨研磨室1的两侧开设有侧喷口7、8。通过底喷口和侧喷口输入高压气体从而进行气流磨，高压气体的压力为0.45～0.65mpa；所述分选轮转速为4000～6000rpm。

利用本制粉装置进行制粉过程中，钕铁硼的粗粉在高压气体(高压氮气)作用下互相碰撞同时和气流磨研磨室碰撞获得一定的粒度，然后随着氮气气流进入球磨装置中进行二次研磨。连续旋转运动的钢球和钕铁硼粉末不断的碰撞，将粉末进一步磨细。并且由于钢球表面圆滑，可以将经过初次破碎的粉末表面修饰，获得形貌规则，无棱角的细粉。经过二次研磨后的细粉随着氮气气流从球磨装置的细孔出来并进入分选轮，从而获得粒度细小，形貌规则的钕铁硼细粉。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2～3t的磁场中压制成型，并经过150～250mpa的等静压后获得密度为3.5～4.5g/cm³的钕铁硼生坯。然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1050～1100℃，3～5h烧结后，再经850～950℃，3～5h及460～540℃，3～5h的两级热处理后获得高性能钕铁硼磁体。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明的内容及实施效果。

对比例1

选取性能为n45的不含重稀土dy和tb的烧结钕铁硼原料，采用熔炼速凝、氢爆工艺后获得平均粒度为0.1mm的钕铁硼的粗粉，记为n45粗粉，并经过常规的气流磨工艺获得钕铁硼细粉。将获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2t的磁场中压制成型，并经过150mpa的等静压后获得密度为3.5g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1050℃，5h烧结后，再经900℃，5h及460℃，5h的两级热处理后获得烧结磁体，作为对比例1。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试对比例1的磁性能，结果列于表1。

实施例1

另取上述对比例1氢爆工艺后的n45粗粉，采用本发明制粉装置进行制粉。在球磨筒体内提前放入钢球，将制粉装置整个装置用氮气排氧后，开启分选轮和外接电机，分选轮转速为4500rpm，球磨筒体的旋转速度为50rpm，球磨筒体上细孔孔径为5μm。通过底喷口和侧喷口向气流磨研磨室内通入0.45mpa压力的高压氮气，进行研磨。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2t的磁场中压制成型，并经过150mpa的等静压后获得密度为3.5g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1050℃，5h烧结后，再经900℃，5h及460℃，5h的两级热处理后获得烧结磁体。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试实施例1的磁性能，测试结果列于表1。

实施例2

另取上述对比例1氢爆工艺后的n45粗粉，采用本发明制粉装置进行制粉。在球磨筒体内提前放入钢球，将制粉装置整个装置用氮气排氧后，开启分选轮和外接电机，分选轮转速为5000rpm，球磨筒体的旋转速度为80rpm，球磨筒体上细孔孔径为2.5μm。通过底喷口和侧喷口向气流磨研磨室内通入0.5mpa压力的高压氮气，进行研磨。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2.5t的磁场中压制成型，并经过220mpa的等静压后获得密度为4.2g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1090℃，3h烧结后，再经900℃，5h及460℃，5h的两级热处理后获得烧结磁体。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试实施例2的磁性能，测试结果列于表1。

实施例3

另取上述对比例1氢爆工艺后的n45粗粉，采用本发明制粉装置进行制粉。在球磨筒体内提前放入钢球，将制粉装置整个装置用氮气排氧后，开启分选轮和外接电机，分选轮转速为5000rpm，球磨筒体的旋转速度为120rpm，球磨筒体上细孔孔径为3μm。通过底喷口和侧喷口向气流磨研磨室1内通入0.5mpa的高压氮气，进行研磨。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于3t的磁场中压制成型，并经过250mpa的等静压后获得密度为4.5g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1100℃，3h烧结后，再经920℃，5h及480℃，5h的两级热处理后获得烧结磁体。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试实施例3的磁性能，测试结果列于表1。

表1：n45钕铁硼永磁材料经不同条件热处理前后性能对比

由表1中的结果可以看出，和对比例相比，采用本发明的方法制备的钕铁硼磁体，矫顽力、剩磁和磁能积均得到了提高。通过优化温度、时间等参数可以获得更优磁性能的钕铁硼磁体。

对比例2

选取性能为48h的含有重稀土dy的烧结钕铁硼原料，采用熔炼速凝、氢爆工艺后获得平均粒度为3mm的钕铁硼粗粉，记为48h粗粉，并经过常规的气流磨工艺获得钕铁硼细粉。将获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2.5t的磁场中压制成型，并经过230mpa的等静压后获得密度为4.3g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1090℃，5h烧结后，再经920℃，3h及480℃，5h的两级热处理后获得烧结磁体，作为对比例2。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试对比例2的磁性能，结果列于表2。

实施例4

另取上述对比例2氢爆工艺后的48h粗粉，采用本发明制粉装置进行制粉。在球磨筒体内提前放入钢球，将制粉装置整个装置用氮气排氧后，开启分选轮和外接电机，分选轮转速为4800rpm，球磨筒体的旋转速度为80rpm，球磨筒体上细孔孔径为4μm。通过底喷口和侧喷口向气流磨研磨室内通入压力为0.6mpa的高压氮气，进行研磨。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2.5t的磁场中压制成型，并经过230mpa的等静压后获得密度为4.3g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1090℃，5h烧结后，再经900℃，5h及480℃，5h的两级热处理后获得烧结磁体。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试实施例4的磁性能，测试结果列于表2。

实施例5

另取上述对比例2氢爆工艺后的48h粗粉，采用本发明制粉装置进行制粉。在球磨筒体内提前放入钢球，将制粉装置整个装置用氮气排氧后，开启分选轮和外接电机，分选轮转速为5200rpm，球磨筒体的旋转速度为150rpm，球磨筒体上细孔孔径为1.8μm。通过底喷口和侧喷口向气流磨研磨室内通入压力为0.62mpa高压氮气，进行研磨。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2.5t的磁场中压制成型，并经过250mpa的等静压后获得密度为4.5g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1100℃，3h烧结后，再经950℃，3h及540℃，3h的两级热处理后获得烧结磁体。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试实施例5的磁性能，测试结果列于表2。

实施例6

另取上述对比例2氢爆工艺后的48h粗粉，采用本发明制粉装置进行制粉。在球磨筒体内提前放入钢球，将制粉装置整个装置用氮气排氧后，开启分选轮和外接电机，分选轮转速为6000rpm，球磨筒体的旋转速度为200rpm，球磨筒体上细孔孔径为2μm。通过底喷口和侧喷口向气流磨研磨室内通入压力位0.65mpa的高压氮气，进行研磨。

将最终获得的钕铁硼细粉在惰性气体保护下置于2.5t的磁场中压制成型，并经过250mpa的等静压后获得密度为4.5g/cm³的钕铁硼生坯。

然后将钕铁硼生坯置于真空烧结炉中经1095℃，4h烧结后，再经920℃，4h及480℃，4h的两级热处理后获得烧结磁体。对磁体进行加工后采用永磁材料测量系统按照gb/t3217-2013永磁(硬磁)材料-磁性试验方法的要求测试实施例6的磁性能，测试结果列于表2。

表2：48h钕铁硼永磁材料经不同条件热处理前后性能对比

由表2中的结果可以看出，和对比例相比，采用本发明的方法制备的钕铁硼磁体，矫顽力、剩磁和磁能积均得到了提高。通过改变球磨筒体上细孔孔径的大小以及优化烧结温度、时间等参数可以获得更优的磁性能。特别的，本发明还发现，结合表1中实施例2和表2中对比例2的结果可以看出，采用本发明制备的无重稀土钕铁硼磁体(实施例2)和含有重稀土dy的磁体(对比例2)磁性能相当。这充分说明采用本发明可以制备不含重稀土的高性能钕铁硼磁体，从而减小重稀土的使用量，降低生产成本。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所做的说明。但是，本发明的保护范围包括但不应仅限于以上实施方式。凡在本发明权利说明书以内，所做的任何参数的修改、替换等，都应属于本发明的保护范围之内。