一种y-gd基合金及包括该基合金的钕铈铁硼磁体与制备方法
技术领域
1.本发明涉及合金设计与永磁材料制备技术领域，特指一种y-gd基合金及包括该基合金的钕铈铁硼磁体与制备方法，本发明提供了提高钕铈铁硼磁体矫顽力和热稳定性的方法。
背景技术：
2.钕铁硼永磁材料因其优异的磁性能，满足现代材料轻、薄、短、小的发展要求，已广泛应用于航空航天、通讯、核磁共振、风力发电、新能源汽车等重要领域。但是，钕铁硼磁体的生产大量消耗了nd、pr、tb、dy等稀土元素，不仅导致材料成本一直提高，而且加剧了稀土资源的不平衡利用，造成了la、ce、y等低成本高丰度稀土元素的大量积压。因此，扩大低成本高丰度稀土元素在钕铁硼磁体中的应用具有重要的科学意义和工程价值。
3.钕铈铁硼磁体已经成为永磁材料发展的重要方向之一，引起了研究者的广泛关注。然而，当采用直接熔炼添加工艺来制备钕铈铁硼磁体时，ce元素均匀分布在2:14:1主相中，由于ce2fe
14
b内稟磁性能较低，ce会对主相产生强烈的磁稀释作用，使磁体磁性能急剧恶化。为了缓解ce的磁稀释作用，逐渐发展了双主相工艺来制备钕铈铁硼磁体。通过双主相工艺制备的多主相钕铈铁硼磁体，具有非均匀的ce元素分布特征，有效减小了ce的磁稀释作用，提高了钕铈铁硼磁体的磁性能。但是，当ce含量较高时，其磁性能仍较低；同时，由于ce2fe
14
b的居里温度低(tc＝424k)，钕铈铁硼磁体的热稳定性较差，这限制了钕铈铁硼磁体的高温应用。因此，迫切需要进一步提升钕铈铁硼磁体磁性能和热稳定性。
4.钕铈铁硼磁体的磁性能受其微观结构和化学成分显著影响。晶界改性能够强化主相晶粒表层，改善晶界相成分和分布，是进一步提高钕铈铁硼磁体磁性能的有效方法。已有研究表明，通过pr、nd、dy、tb等稀土元素及其化合物或者合金的晶界引入能够有效提高钕铈铁硼磁体的磁性能，但是这并没有改变pr、nd、dy、tb等昂贵稀缺元素过度消耗的事实。而且，pr、nd的引入对其热稳定性的改善也是有限的。因此，亟需发展能够同时有效提高钕铈铁硼磁体矫顽力和热稳定性的新型低成本晶界改性合金和方法。
技术实现要素：
5.针对上述技术问题，本发明提供一种y-gd基合金及包括该基合金的钕铈铁硼磁体与制备方法，提高钕铈铁硼磁体矫顽力和热稳定性。本发明利用廉价的稀土元素设计一种新型的低成本y-gd基合金，采用y-gd基合金晶界改性钕铈铁硼磁体，有效改善晶界富稀土相的分布，降低主相晶粒间的磁交换耦合作用，提高磁体的矫顽力，同时促使y、gd元素有效地扩散到主相晶粒中取代钕和铈元素，形成具有高热稳定性的主相壳层结构，提高磁体的热稳定性，从而制备出高矫顽力热稳定的钕铈铁硼磁体。
6.本发明解决上述问题的技术方案是：提供一种新型y-gd基合金，采用y-gd基合金晶界改性技术制备钕铈铁硼磁体，将y-gd基合金引入主相晶粒界面，使其改善晶界富稀土相的物化性质，促使富稀土相沿晶界均匀分布，降低主相晶粒间的磁交换耦合作用，同时促
使y、gd元素有效地扩散进入主相晶粒，形成具有高热稳定性的主相壳层结构，通过上述的协同作用，同时有效提高钕铈铁硼磁体的矫顽力和热稳定性。
7.一种y-gd基合金，其组分的原子百分比含量为：钇(y)：5-30％，铜(cu)：5-25％，铝(al)：5-25％，其余为钆(gd)和不可避免的杂质。
8.上述方案中，所述y-gd基合金可由熔铸工艺制备，主要步骤为：
9.步骤s1：按照y-gd基合金成分配比配制原材料；
10.步骤s2：将配制的原材料在真空熔炼炉中进行反复熔炼，并铸造成块体合金。
11.上述方案中，所述的y-gd基合金也可由快淬工艺制备，主要步骤为：
12.步骤s1)：按照y-gd基合金成分配比配制原材料；
13.步骤s2)：将配制的原材料在真空熔炼炉中进行反复熔炼，并铸造成块体合金；
14.步骤s3)：将块体合金在真空快淬炉中进行快淬，制成快淬带材；
15.步骤s4)：快淬带材进行研磨或球磨制成y-gd基合金粉。
16.上述方案中，所述反复熔炼的次数不小于3次。
17.上述方案中，所述快淬速度为10-50m/s。
18.一种钕铈铁硼磁体，所述钕铈铁硼磁体包括所述的y-gd基合金。
19.一种根据所述钕铈铁硼磁体的制备方法，包括以下步骤：采用新型的低成本y-gd基合金晶界改性技术制备钕铈铁硼磁体，有效改善晶界富稀土相的分布，降低主相晶粒间的磁交换耦合作用，提高磁体的矫顽力，同时促使y、gd元素有效地扩散到主相晶粒中取代钕和铈元素，形成具有高热稳定性的核壳多主相结构，提高磁体的热稳定性，从而制备出高性能热稳定的钕铈铁硼磁体。
20.上述方案中，所述晶界改性方法为晶界扩散或晶界添加。
21.上述方案中，所述晶界扩散的具体步骤为：
22.步骤s11：将钕铈铁硼磁体切割成所需尺寸，然后进行打磨、抛光；
23.步骤s22：将熔铸制得的y-gd基合金切割成薄片；
24.步骤s33：将熔铸的y-gd基合金薄片或快淬的y-gd基合金粉置于抛光的钕铈铁硼磁体表面；
25.步骤s44：将步骤s33制得的磁体置于真空热处理炉中进行扩散热处理，使y-gd基合金晶界扩散入磁体中，最终制得高性能热稳定钕铈铁硼磁体。
26.上述方案中，所述钕铈铁硼磁体为单主相烧结磁体或热变形磁体，或者多主相烧结磁体或热变形磁体。
27.上述方案中，所述的烧结钕铈铁硼磁体的扩散热处理工艺为扩散温度850-950℃，时间2-10h；热变形钕铈铁硼磁体的扩散热处理工艺为扩散温度550-750℃，时间2-4h。
28.上述方案中，所述晶界添加的具体步骤为：
29.步骤s11)：将钕铈铁硼磁粉与快淬的y-gd基合金粉按照比例均匀混合；或者将钕铁硼磁粉、铈铁硼磁粉与快淬的y-gd基合金粉按比例均匀混合；
30.步骤s22)：将步骤s11)制得的混合粉在1.2-2.0t的磁场中压制成型坯件；或者将步骤s11)制得的混合粉装入热压炉模具中热压制成热压磁体；
31.步骤s33)：将型坯件在真空或氩气保护气氛下分别进行烧结和两级回火，制得晶界改性的烧结钕铈铁硼磁体；或者将热压磁体置于热变形模具中进行热变形处理，制得晶
界改性的热变形钕铈铁硼磁体。
32.上述方案中，所述钕铈铁硼磁粉成分的原子百分比为nd
x
ceyfe
100-x-y-z-nbzmn
，其中12≤x+y≤16，5.5≤z≤7，0.1≤n≤5，m为co、ni、al、cu、ga、mg、zn、nb、zr、ti、mo、w、v元素中的一种或几种。
33.上述方案中，所述钕铁硼磁粉成分的原子百分比为nd
x
fe
100-x-y-zbymz
，其中12≤x≤16，5.5≤y≤7，0.1≤z≤5，m为co、ni、al、cu、ga、mg、zn、nb、zr、ti、mo、w、v元素中的一种或几种。所述的铈铁硼磁粉成分的原子百分比为ce
x
fe
100-x-y-zbymz
，其中12≤x≤13，5.5≤y≤6，0.1≤z≤5，m为co、ni、al、cu、ga、mg、zn、nb、zr、ti、mo、w、v元素中的一种或几种。
34.上述方案中，所述钕铁硼磁粉与铈铁硼磁粉的混合比例的质量比为1:9-9:1。
35.上述方案中，所述y-gd基合金粉的添加比例的质量比为0.5-5％。
36.上述方案中，所述烧结工艺为烧结温度1050-1100℃，烧结时间2-4h。
37.上述方案中，所述两级回火中，一级回火温度850-950℃，时间2-4h；二级回火温度500-650℃，时间1-4h。
38.上述方案中，所述热压工艺为温度650-850℃，时间15-60min，压力50-150mpa。
39.上述方案中，所述热变形工艺为温度700-900℃，时间15-60min，压力50-200mpa。
40.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
41.(1)利用廉价积压稀土元素制备y-gd基新型晶界改性合金，克服了nd、pr、dy、tb等昂贵稀缺元素过度消耗的问题，有利于降低成本，平衡稀土资源的利用。
42.(2)y-gd基合金晶界改性新技术便于调控钕铈铁硼磁体中异质主相的成分，形成高热稳定性的核壳多主相结构，能够有效改善晶界富稀土相的性质和分布，降低主相晶粒间的磁交换耦合作用，同时提高钕铈铁硼磁体的矫顽力和热稳定性。
43.(3)采用y-gd基合金晶界添加改性钕铈铁硼磁体，有助于促进液相烧结，提高磁体致密度，并有效促进稀土元素扩散进入主相中取代钕或铈元素，形成具有高热稳定性的壳层结构，高效地提高磁体的热稳定性。
44.(4)对于热变形钕铈铁硼磁体，y-gd基合金晶界添加改性还能够促进晶粒取向，改善其磁织构，从而同时提高磁体剩磁、磁能积、矫顽力及其热稳定性。
45.(5)本发明的y-gd基合金及其晶界改性避免了nd、pr、dy、tb等昂贵稀缺元素，工艺过程简单，成本低，易操作，适于大规模批量化生产。
具体实施方式
46.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
47.实施例1
48.步骤s1：将金属钆、钇、铜、铝按gd
60y10
cu
15
al
15
合金成分配料，然后在真空熔炼炉中反复熔炼3次，铸造制成块体y-gd基合金；
49.步骤s2：将块体y-gd基合金在真空快淬炉中进行快淬，快淬速度为50m/s，制成快淬带材；
50.步骤s3：将快淬带材进行研磨制成y-gd基合金粉；
51.步骤s4：将nd
13.7
fe
bal
co
4.5
ga
0.4b5.6
磁粉与ce
13.5
fe
bal
nb
0.1
b6磁粉按5:5质量比混合
制成混合磁粉；
52.步骤s5：将质量百分比1％的y-gd基合金粉加入步骤s4制得的混合磁粉中，均匀混合后装入热压模具中进行热压，热压温度680℃，压力100mpa，保压30min。
53.步骤s6：将步骤s5制得的热压磁体置于热变形模具中进行热变形处理，热变形温度750℃，压力100mpa，时间30min，制得最终的热变形钕铈铁硼磁体。
54.采用本发明制备的热变形钕铈铁硼磁体与未改性磁体相比，矫顽力提高约24％，剩磁和矫顽力温度系数分别降低约12％和6％。可见，采用本发明制备的钕铈铁硼磁体的矫顽力和热稳定性得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能热稳定的低成本钕铈铁硼磁体。
55.实施例2
56.步骤s1：将金属钆、钇、铜、铝按gd
40y30
cu
25
al5合金成分配料，然后在真空熔炼炉中反复熔炼5次，铸造制成块体y-gd基合金；
57.步骤s2：将块体y-gd基合金在真空快淬炉中进行快淬，快淬速度为10m/s，制成快淬带材；
58.步骤s3：将快淬带材进行球磨制成y-gd基合金粉；
59.步骤s4：将nd
12
fe
bal
cu
0.1
ga
0.1b5.5
磁粉与ce
13
fe
bal
co5b6磁粉按1:9质量比混合制成混合磁粉；
60.步骤s5：将质量百分比5％的y-gd基合金粉加入步骤s4制得的混合磁粉中，均匀混合后装入模具中，在1.6t的磁场中压制成型坯件；
61.步骤s6：将步骤s5制得的型坯件在真空条件下于1050℃下烧结4h，再经950℃一级回火2h和650℃二级回火1h，制得最终的烧结钕铈铁硼磁体。
62.采用本发明制备的烧结钕铈铁硼磁体与未改性磁体相比，矫顽力提高约35％，剩磁和矫顽力温度系数分别降低约15％和10％。可见，采用本发明制备的钕铈铁硼磁体的矫顽力和热稳定性得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能热稳定的低成本钕铈铁硼磁体。
63.实施例3
64.步骤s1：将金属钆、钇、铜、铝按gd
65
y5cu5al
25
合金成分配料，然后在真空熔炼炉中反复熔炼4次，铸造制成块体y-gd基合金；
65.步骤s2：将块体y-gd基合金在真空快淬炉中进行快淬，快淬速度为30m/s，制成快淬带材；
66.步骤s3：将快淬带材进行研磨制成y-gd基合金粉；
67.步骤s4：将nd
16
fe
bal
cu
0.2
al
0.3
b7磁粉与ce
12
fe
bal
nb
0.1b5.5
磁粉按9:1质量比混合制成混合磁粉；
68.步骤s5：将质量百分比0.5％的y-gd基合金粉加入步骤s4制得的混合磁粉中，均匀混合后装入热压模具中进行热压，热压温度650℃，压力150mpa，保压15min。
69.步骤s6：将步骤s5制得的热压磁体置于热变形模具中进行热变形处理，热变形温度900℃，压力200mpa，时间15min，制得最终的热变形钕铈铁硼磁体。
70.采用本发明制备的热变形钕铈铁硼磁体与未改性磁体相比，矫顽力提高约12％，剩磁和矫顽力温度系数分别降低约7％和4％。可见，采用本发明制备的钕铈铁硼磁体的矫
顽力和热稳定性得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能热稳定的低成本钕铈铁硼磁体。
71.实施例4
72.步骤s1：将金属钆、钇、铜、铝按gd
55y15
cu
20
al
10
合金成分配料，然后在真空熔炼炉中反复熔炼5次，铸造制成块体y-gd基合金；
73.步骤s2：将块体y-gd基合金切割成所需厚度的薄片；
74.步骤s3：将y-gd基合金薄片贴敷于抛光的nd8ce4fe
bal
co3cu
1.5
ga
0.5b5.5
热变形磁体表面；
75.步骤s4：将步骤s3制得的磁体置于真空热处理炉中进行扩散热处理，扩散温度为750℃，扩散时间2h，使y-gd基合金晶界扩散入磁体中，制得最终的钕铈铁硼磁体。
76.采用本发明制备的钕铈铁硼磁体与未改性磁体相比，矫顽力提高约16％，剩磁和矫顽力温度系数分别降低约9％和7％。可见，采用本发明制备的钕铈铁硼磁体的矫顽力和热稳定性得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能热稳定的低成本钕铈铁硼磁体。
77.实施例5
78.步骤s1：将金属钆、钇、铜、铝按gd
50y20
cu
20
al
10
合金成分配料，然后在真空熔炼炉中反复熔炼3次，铸造制成块体y-gd基合金；
79.步骤s2：将块体y-gd基合金在真空快淬炉中进行快淬，快淬速度为40m/s，制成快淬带材；
80.步骤s3：将快淬带材进行研磨制成y-gd基合金粉；
81.步骤s4：将y-gd基合金粉涂覆于抛光的nd9ce7fe
bal
cu1nb
0.1
b7烧结磁体表面；
82.步骤s5：将步骤s4制得的磁体置于真空热处理炉中进行扩散热处理，扩散温度为850℃，扩散时间10h，使y-gd基合金晶界扩散入磁体中，制得最终的钕铈铁硼磁体。
83.采用本发明制备的钕铈铁硼磁体与未改性磁体相比，矫顽力提高约20％，剩磁和矫顽力温度系数分别降低约11％和5％。可见，采用本发明制备的钕铈铁硼磁体的矫顽力和热稳定性得到显著提高。因此采用本发明可以制备出高性能热稳定的低成本钕铈铁硼磁体。
84.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。