專利名稱：鋁納米顆粒摻雜制備的高矯頑力和高耐蝕性燒結(jié)釹-鐵-硼基永磁材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備具有高矯頑力和高耐蝕性的釹-鐵-硼基永磁材料及方法， 屬于磁性材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
NdFeB永磁材料是一種應(yīng)用十分廣泛并在不斷發(fā)展的重要功能材料，隨著全球IT 技術(shù)的進步、節(jié)能意識的增強以及環(huán)保理念的普及發(fā)展，相關(guān)的領(lǐng)域如計算機設(shè)備、電動車等各種電機對磁體的用量將持續(xù)增加。一方面，作為一種材料，其研究深度、生產(chǎn)規(guī)模等相關(guān)因素不僅對本行業(yè)產(chǎn)生了影響，而且對社會的其它相關(guān)行業(yè)如能源、環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展等各方面都產(chǎn)生重要影響。另一方面，中國的NdFeB永磁材料制備技術(shù)與世界先進水平相比仍有不少差距，雖然資源和勞動力的優(yōu)勢是中國NdFeB永磁材料產(chǎn)業(yè)競爭力強的主要原因， 但隨著全球的NdFeB永磁材料生產(chǎn)企業(yè)大量向中國轉(zhuǎn)移，競爭的核心便轉(zhuǎn)移到技術(shù)進步方面。就NdFeB永磁材料研究而言，雖然二十多年來相關(guān)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)不少，但研究者和生產(chǎn)者面前的問題依然存在。因此對這種材料的各種研究，不僅有十分明確的現(xiàn)實意義，也是行業(yè)發(fā)展繁榮的必然選擇。目前和今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，生產(chǎn)和研究仍然面臨的兩個問題需要解決一是燒結(jié)釹鐵硼磁體的矯頑力仍有很大提升空間；二是燒結(jié)釹鐵硼磁體的耐腐蝕性仍有待提
尚οNdFeB基永磁材料主相Ndfe14B具有非常高的各向異性場，其矯頑力的理論極限高達70k0e，但是實際磁體的矯頑力僅為理論值的十分之一到三分之一。NdFeB永磁體的矯頑力之所以遠(yuǎn)小于理論各向異性場，是由于其具體的微結(jié)構(gòu)及缺陷造成的。以Mgawa為代表的研究者提出了燒結(jié)NdFeB磁體的矯頑力形核理論，認(rèn)為磁體是由成分均勻的Ndfe14B 晶粒組成，且晶粒邊界存在一定厚度的富釹相。富釹相的存在一方面保證了主相晶粒間的磁性孤立性，有效地阻止了晶粒之間耦合作用的產(chǎn)生；同時也使主相晶粒晶界變得光滑而無缺陷，阻止了反磁化疇的形核和長大，磁體因此而具有高的矯頑力。因此富釹相的組織結(jié)構(gòu)是決定燒結(jié)釹鐵硼磁體矯頑力的主要因素。燒結(jié)釹鐵硼磁性能另外一個缺點是耐腐蝕性差，從而大大限制了其進一步應(yīng)用。 燒結(jié)NdFeB磁體耐蝕性差的特點首先與其自身晶體結(jié)構(gòu)和相分布有著密切的聯(lián)系。與多數(shù)金屬及合金一樣，燒結(jié)NdFeB永磁合金是由多晶體組成的，其多晶組織由主相Ndfe14B相， 富Nd相和富B相Nd1+Je4B4三相組成。就分布狀態(tài)而言，富Nd相以網(wǎng)絡(luò)狀的方式分布在主相Ndfe14B的晶粒邊界或三角晶界位置，形成所謂的晶界相，此外少量的富B相以顆粒的形式分布于主相的晶界位置。NdFeB磁體的磁性主要由硬磁相Ndfe14B決定；富Nd相的存在可促進磁性材料的燒結(jié)，使磁體致密化，沿晶界分布時，可起磁耦合隔離作用，有利于矯頑力的提高，但會降低飽和磁化強度和剩磁。另一個造成燒結(jié)NdFeB磁體耐蝕性差的原因則與合金中的相的化學(xué)特點相關(guān)。具體而言，富Nd相中大量存在的單質(zhì)Nd元素是化學(xué)活性最高的金屬元素之一，化學(xué)穩(wěn)定性差，較易發(fā)生氧化。一般而言，當(dāng)磁體處于室溫和干燥環(huán)境(< 15%RH)下，其氧化腐蝕過程十分緩慢，化學(xué)穩(wěn)定性較好。但是當(dāng)合金處于干燥高溫(> 250°C )或電化學(xué)環(huán)境中，就會發(fā)生明顯的腐蝕過程。其中在干燥高溫的環(huán)境中， 合金中富Nd相會首先轉(zhuǎn)變?yōu)镹d2O3，隨后還會逐步發(fā)生主相NdJe14B的氧化分解成α -Fe 和Nd2O3，進一步氧化生成!^e2O3 ；而在電化學(xué)環(huán)境中，合金組織中相互接觸的三相之間存在著明顯的電位差。三相的電化學(xué)電位由低到高依次分別為富Nd相、富B相和主相Ndfe14B, 因此三相的腐蝕速率不同。三相間電化學(xué)性質(zhì)的不同造成了電偶效應(yīng)，為合金形成原電池提供了可能。富Nd相和富B相會相對于主相NdJe14B形成陽極，優(yōu)先發(fā)生腐蝕。這兩相作為陽極金屬將承擔(dān)很大的腐蝕電流密度，尤其是其中的富Nd相，由于在組織中呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，腐蝕速度很快。它的腐蝕會導(dǎo)致主相Ndfe14B晶粒之間結(jié)合界面消失，出現(xiàn)晶粒脫落現(xiàn)象，最終導(dǎo)致合金的整體腐蝕。由此可見，無論在哪種腐蝕環(huán)境中，燒結(jié)NdFeB合金的腐蝕過程就其本質(zhì)而言都屬于選擇性腐蝕。發(fā)生這一過程的原動力在于合金中富Nd相既具有強烈的化學(xué)活性，又與主相NdJe14B之間有明顯的電位差。與此同時，由于合金中的富Nd 相是呈網(wǎng)絡(luò)狀分布在主相晶粒邊界上，使得NdFeB磁體的腐蝕形態(tài)具有典型的晶間腐蝕特征，大大加速了合金的腐蝕速度?？梢?，富Nd相的化學(xué)特性及其分布狀態(tài)是決定NdFeB磁體耐腐蝕性的關(guān)鍵因素。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述兩個問題，提出采用Al納米顆粒摻雜的方法制備高矯頑力和高耐腐蝕性的燒結(jié)釹鐵硼磁體。將一定Al納米顆粒與釹鐵硼微米顆?；旌?，使得 Al納米顆粒均勻分布分散于主相NdJe14B晶粒表面。摻雜納米Al粉經(jīng)過燒結(jié)及熱處理過程富集在主相和主相晶粒邊界處，形成非磁性的NdAl合金的晶界相，使主相有更好的磁去耦。低熔點元素在燒結(jié)溫度下形成液體，改善富Nd相與主相的潤濕性，使富Nd相更均勻的沿晶界分布，晶界更加清晰、光滑，增強了晶粒間的去磁交換耦合作用和晶界上反磁化疇的形核場，從而提高了磁體的矯頑力。同時這些金屬間化合物在晶界上部分的取代了富釹晶界相，因為這類化合物具有相對穩(wěn)定的化學(xué)特性，它的存在可以起到改善富Nd晶界相耐蝕性差的弱點。
本發(fā)明提供的一種制備高矯頑力和高耐蝕性燒結(jié)稀土 -鐵-硼基永磁材料的方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)采用速凝薄片工藝制備釹鐵硼基速凝薄片，之后用氫爆法將合金薄片破碎并通過氣流磨粉碎制備3-5微米釹鐵硼基原料粉末；
(2)將平均粒徑100-500納米的Al納米粉末加入步驟(1)中制備好的釹鐵硼基粉末中，摻雜比例為釹鐵硼基粉末重量的0. 2-2. 5%，將兩種粉末混合均勻；
(3)將步驟( 經(jīng)過均勻混合后的粉末在2. 5T的磁場中取向并壓制成型；
(4)將步驟(3)得到的壓坯置入真空燒結(jié)爐內(nèi)，然后升高溫度在1020-1120°C燒結(jié) 2-4小時，最后進行二級熱處理，其中一級熱處理溫度830°C -930°C，時間1_3小時；二級熱處理溫度480°C _630°C，時間1-3小時；最終獲得燒結(jié)釹鐵硼永磁材料。
根據(jù)我們的大量研究發(fā)現(xiàn)，所摻雜Al納米顆粒的平均粒徑(即顆粒直徑)對于磁體最終的耐腐蝕性有著重要影響。如果摻雜Al納米顆粒的直徑過小(小于100納米)，則Al納米顆粒與釹鐵硼微米顆粒無法混合均勻，造成Al納米顆粒團聚；反之，如果摻雜Al粉末顆粒的直徑過大(大于500納米)，則Al納米顆粒達不到均勻包覆釹鐵硼微米顆粒的效果。結(jié)果顯示，采用過小或者過大的Al粉末顆粒進行摻雜，磁體的耐腐蝕性能會有所改善， 但是達不到最佳效果，無法實現(xiàn)最終的目的。
具體實施方式
實施例1
利用速凝技術(shù)將成分為Nd13.7FebalCUa3B6(原子百分含量)的合金制備為薄片，隨后采用氫破碎-氣流粉碎工藝將粉末制成平均粒徑3微米的粉末。之后將重量百分比0. 2% 的、平均粒徑100納米的Al納米粉末摻雜到上述初始粉末中，利用混料機將兩種粉末進行均勻的混合。將經(jīng)過均勻混合后的粉末在2. 5T的磁場中取向并壓制成型。然后將壓坯置入高真空燒結(jié)爐內(nèi)，升溫至1120°C燒結(jié)3小時。之后進行二級熱處理，其中一級熱處理溫度 930°C，時間2小時；二級熱處理溫度580°C，時間1小時，即獲得燒結(jié)磁體。
對比例1
采用相同的工藝制備了(1)未摻雜、( 摻雜0.2%的平均粒徑2微米Al顆粒和 (3)0. 2%的平均粒徑5納米Al顆粒的Nd13.疋ebalCuaA燒結(jié)磁體作為對比實驗。
利用B-H回線儀測試了四種磁體的磁性能，同時利用高壓反應(yīng)釜(121°C，0. 2MPa, 150h)和高溫氧化實驗Q00°C，200h)測試了磁體的耐腐蝕性。所制備磁體的各項磁性能及耐腐蝕性能指標(biāo)列于表1中。
表1實施例1和對比例1磁體磁性能及耐腐蝕性能對比
權(quán)利要求
1.鋁納米顆粒摻雜制備高矯頑力和高耐蝕性燒結(jié)釹-鐵-硼基永磁材料的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)采用速凝薄片工藝制備釹鐵硼基速凝薄片，之后用氫爆法將合金薄片破碎并通過氣流磨粉碎制備3-5微米釹鐵硼基原料粉末；(2)將平均粒徑100-500納米的Al納米粉末加入步驟(1)中制備好的釹鐵硼基粉末中，摻雜比例為釹鐵硼基粉末重量的0. 2-2. 5%，將兩種粉末混合均勻；(3)將步驟( 經(jīng)過均勻混合后的粉末在2.5T的磁場中取向并壓制成型；(4)將步驟(3)得到的壓坯置入真空燒結(jié)爐內(nèi)，然后升高溫度在1020-1120°C燒結(jié)2_4 小時，最后進行二級熱處理，其中一級熱處理溫度830°C -930°C，時間1-3小時；二級熱處理溫度480°C _630°C，時間1-3小時，最終獲得燒結(jié)釹鐵硼永磁材料。
2.按照權(quán)利要求1的方法所制備的一種釹-鐵-硼基永磁材料。
全文摘要
鋁納米顆粒摻雜制備的高矯頑力和高耐蝕性燒結(jié)釹-鐵-硼基永磁材料及制備方法，屬于磁性材料技術(shù)領(lǐng)域。將平均粒徑100-500納米的Al納米粉末加入3-5微米釹鐵硼基粉末中混合均勻，加入量為0.2-2.5％，在2.5T的磁場中取向并壓制成型；置入真空燒結(jié)爐內(nèi)，然后升高溫度在1020-1120℃燒結(jié)2-4小時，最后進行二級熱處理，一級熱處理溫度830℃-930℃，時間1-3小時；二級熱處理溫度480℃-630℃，時間1-3小時，獲得燒結(jié)釹鐵硼永磁材料。本發(fā)明Al納米顆粒的加入，使得燒結(jié)釹-鐵-硼基永磁材料的矯頑力和耐蝕性得到了提高。
文檔編號B22F3/16GK102543343SQ20111046059
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉衛(wèi)強, 孫超, 岳明, 張東濤, 張久興 申請人:北京工業(yè)大學(xué)