专利名称：一种制备高矫顽力烧结稀土—铁—硼永磁材料的方法
技术领域：
一种制备具有高矫顽力的稀土—铁—硼永磁材料的方法，属于磁性材料技术领域。
背景技术：
烧结NdFeB永磁(稀土—铁—硼永磁材料的典型代表)是目前磁性能最好的永磁材料，广泛应用于汽车、电机、仪表及医疗器械等诸多领域，是磁性材料中发展最快的一种。但是这类磁体普遍存在一个明显的缺点，即与钐钴、铝镍钴等永磁材料相比，具有较差的温度稳定性。换句话说，烧结NdFeB永磁的优异磁性能(包括剩磁、矫顽力和磁能积等多项参数)会随着工作环境温度的升高而显著降低。这个缺点使烧结NdFeB永磁材料无法应用在对工作温度要求较高的领域，如汽车的启动电机等等，从而在很大程度上限制了这类材料的使用范围。
为了解决这一问题，人们进行了广泛的研究工作。一种有效的解决方案是在材料中添加一定含量的金属钴元素，提高材料的居里温度，从而改善其温度特性。但是这种方法在实际应用中存在困难，其原因在于金属元素钴是一种战略元素，价格十分昂贵。而大量作为民用材料的NdFeB永磁价格低廉，如果加入较多的钴元素，其制造成本会显著提高。这无疑会大大限制材料的应用。与之相比，目前一种有效而且实用的方法是在烧结NdFeB永磁材料中添加微量的重稀土元素铽或者镝。微量铽和镝的添加可以有效提高材料的矫顽力，而矫顽力的提高对于改善磁体的温度稳定性有显著作用。同时，由于铽和镝的添加量很小，只占磁体总质量的2-4％左右，对磁体的制造成本影响不大。因此，这种通过提高磁体矫顽力来改善其温度稳定性的技术在当前烧结NdFeB永磁材料的工业生产中得到了广泛的采用。
令人遗憾的是，上述这种添加铽和镝的实用技术也存在着一些问题。首先，单铽和镝加入到烧结NdFeB永磁材料中时，会形成类似于NdFeB的TeFeB或DyFeB化合物，这类化合物虽然有利于提高磁体的矫顽力，但同时会造成材料剩磁的显著下降，从而导致磁体磁能积下降。换句话说，提高磁体矫顽力以至温度稳定性是以降低磁体的磁性能为代价的，这显然是不利的。其次，尽管铽和镝的添加量不大，但是这些重稀土元素的价格却远远高于Nd等轻稀土元素。因此，如果能够进一步降低铽和镝的添加量，则更加有利于降低制造成本，从而进一步扩大材料的应用范围。而面临的困难是，采用目前的制造技术，铽和镝的添加量已经无法降低，否则就无法起到提高矫顽力和改善温度稳定性的作用。
目前采用的添加方式是在母合金中添加，因此铽和镝基本是均匀存在于磁体中。而根据烧结NdFeB永磁材料的矫顽力理论，如果能够在主相NdFeB晶粒的边界层上引入一层铽和镝，形成TeFeB或DyFeB化合物，就可以获得良好的效果。首先，这样可以降低TeFeB或DyFeB在烧结NdFeB永磁材料中的比例，从而减小对磁体剩磁和磁能积的负面影响，同时还能实现提高矫顽力和改善温度特性的目的。其次，铽和镝的添加量会由此显著降低，从而有利于降低材料的制造成本。
目前，已经有一些相关的报道。现有技术分别对磁体表面进行铽和镝的涂覆，然后利用扩散的方法使铽和镝分别在主相NdFeB晶粒的边界并形成一层TeFeB或DyFeB化合物，从而实现了提高材料矫顽力、改善其温度稳定性，同时避免了磁体剩磁和磁能积的大幅下降。这对于烧结NdFeB应用范围的扩展，特别是在汽车磁体领域，具有重要意义。另一方面，参与这些技术可以有效降低烧结磁体中铽和镝的添加量，从制造成本的角度是十分有利的。但是，这些专利技术同时存在一个限制，即通过扩散法制备的高矫顽力磁体在外形尺寸上有很大限制，磁体的厚度不能超过5毫米。换句话说，利用这些技术只能制备小尺寸磁体。而目前相关的制备尺寸无限制的这类磁体的技术未见报道。
发明内容
针对上述研究现状，本发明采用稀土元素铽和镝的纳米粉末颗粒添加技术制备兼具高矫顽力和优异磁性能的烧结NdFeB永磁材料。测试结果表明，与相同名义成分的传统技术制备的烧结NdFeB永磁材料相比，采用本发明技术制备的磁体不仅具有更高的矫顽力。另外，与具有相当矫顽力的烧结NdFeB永磁材料相比，采用本发明技术制备的磁体所需添加的铽和镝的比例(即质量百分含量)显著降低。
本发明的目的是提供一种通过添加稀土元素铽和镝的纳米粉末颗粒提高烧结NdFeB永磁材料矫顽力的方法。
本发明提供的一种制备高矫顽力烧结稀土—铁—硼永磁材料的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)采用速凝薄片工艺制备NdFeB速凝薄片，之后用氢爆法将合金薄片破碎并通过气流磨粉碎制备3-5微米NdFeB原料粉末；(2)采用物理气相沉积技术制备并收集铽和镝的10-50纳米粉末；(3)将所制备的铽和镝金属纳米粉末加入步骤(1)中制备好的NdFeB粉末中，添加比例为NdFeB粉末重量的1-3％，将两种粉末混合均匀；(4)将经过均匀混合后的粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型；(5)将压坯置入真空烧结炉内，在1050-1120℃烧结2-4小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度900℃-1000℃，时间1-3hr；二级热处理温度550℃-700℃，时间1-3hr；获得烧结磁体。
本发明所提供的NdFeB永磁材料的特征在于与相同成分(含铽或镝)的传统技术制备烧结NdFeB磁体相比，具有相当的剩磁和显著提高的矫顽力，以及稍高的磁能积；与具有相近矫顽力的传统技术制备烧结NdFeB磁体相比，则金属铽或镝的质量百分含量明显偏低。上述结果说明，采用本发明的制备技术，可以有效提高烧结NdFeB磁体中铽和镝元素添加效率。同时，由于本发明技术是在材料压制烧结之前加入纳米铽和镝颗粒，因此可制备外形尺寸不受限制的磁体。
具体实施例方式
实施例1利用速凝技术将成分为Nd30.0Fe67.5Co1.4B1.1(质量百分含量)的合金制备为薄片，随后采用氢破碎—气流粉碎工艺将粉末制成平均粒径3微米的粉末。(详细参见中国专利93115008.6，专利名称稀土—铁—硼永磁材料及该材料的制备方法，公告日1996年1月10日，公开号CN 1114779A，以下实施例同，只是现有技术常见的一种不局限于该技术)。
之后将重量百分比1％的、平均粒径10纳米的铽纳米粉末(纳米粉末制备详细过程可以参见本研究组前期申请的专利200510089080.3授权公告日2006.3.8，公开号CN 1743103专利名称稀土纳米颗粒及纳米晶材料制备方法及其设备以下实施例同，只是现有技术常见的一种不局限于该技术)添加到上述初始粉末中，利用混料机将两种粉末进行均匀的混合。将经过均匀混合后的粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型。然后将压坯置入高真空烧结炉内，在1050℃烧结4小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度950℃，时间2hr；二级热处理温度600℃，时间1hr。即获得烧结磁体。所制备磁体的各项磁性能指标及密度列于表1中。
对比例1利用速凝技术将成分为Nd29.7Tb1.0Fe66.8Co1.4B1.1(质量百分含量)的合金制备为薄片，随后采用氢破碎—气流粉碎工艺将粉末制成平均粒径3微米的粉末。将粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型。然后将压坯置入高真空烧结炉内，在1050℃烧结4小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度950℃，时间2hr；二级热处理温度600℃，时间1hr。即获得烧结磁体。所制备磁体的各项磁性能指标及密度列于表1中。
需要指出的是，对比例1合金的成分是根据实施例1中两种粉末混合后的总成分进行设计和配比的，由此获得具有相同成分的两种烧结NdFeB磁体的对比结果。
表1.采用不同方式添加1％铽元素的烧结磁体磁性能及密度对比
以上结果说明对于成分相同的烧结NdFeB磁体而言，采用本发明添加铽制备的磁体比采用传统方式添加铽的磁体具有更好的矫顽力，此外剩磁与磁能积也稍好。
实施例2利用速凝技术将成分为Nd30.0Fe67.5Co1.4B1.1(质量百分含量)的合金制备为薄片，随后采用氢破碎—气流粉碎工艺将粉末制成平均粒径4微米的粉末。之后将重量百分比3％的、平均粒径30纳米的镝纳米粉末添加到上述初始粉末中，利用混料机将两种粉末进行均匀的混合。将经过均匀混合后的粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型。然后将压坯置入高真空烧结炉内，在1080℃烧结3小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度900℃，时间3hr；二级热处理温度700℃，时间1hr。即获得烧结磁体。所制备磁体的各项磁性能指标及密度列于表2中。
对比例2利用速凝技术将成分为Nd27.5Dy6.5Fe63.5Co1.4B1.1(质量百分含量)的合金制备为薄片，随后采用氢破碎—气流粉碎工艺将粉末制成平均粒径4微米的粉末。将粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型。然后将压坯置入高真空烧结炉内，在1080℃烧结3小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度900℃，时间3hr；二级热处理温度700℃，时间1hr。即获得烧结磁体。。所制备磁体的各项磁性能指标及密度列于表2中。
表2. 3％镝纳米颗粒添加及6.5％镝传统添加的烧结磁体磁性能及密度
以上结果说明采用本发明方法与传统方法制备矫顽力相近的烧结NdFeB磁体，所需的镝的添加含量存在很大差异。与传统方法相比，采用本发明的纳米颗粒添加方法可以在获得相近矫顽力的同时显著降低金属镝的添加量。此外，由于采用本发明方法可以减少镝的添加量，磁体的剩磁和磁能积也因此高于传统方法制备的磁体。
实施例3利用速凝技术将成分为Nd30.0Fe67.5Co1.4B1.1(质量百分含量)的合金制备为薄片，随后采用氢破碎—气流粉碎工艺将粉末制成平均粒径3微米的粉末。之后将重量百分比1％的、平均粒径20纳米的镝纳米粉末添加到上述初始粉末中，利用混料机将两种粉末进行均匀的混合。将经过均匀混合后的粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型。然后将压坯置入高真空烧结炉内，在1100℃烧结2小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度1000℃，时间1hr；二级热处理温度550℃，时间3hr。即获得烧结磁体。所制备磁体的各项磁性能指标及密度列于表3中。
表3. 1％镝纳米颗粒添加烧结磁体磁性能及密度
实施例4利用速凝技术将成分为Nd30.0Fe67.5Co1.4B1.1(质量百分含量)的合金制备为薄片，随后采用氢破碎—气流粉碎工艺将粉末制成平均粒径5微米的粉末。之后将重量百分比3％的、平均粒径50纳米的镝纳米粉末添加到上述初始粉末中，利用混料机将两种粉末进行均匀的混合。将经过均匀混合后的粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型。然后将压坯置入高真空烧结炉内，在1120℃烧结2小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度900℃，时间2hr；二级热处理温度650℃，时间2hr。即获得烧结磁体。所制备磁体的各项磁性能指标及密度列于表4中。
表4. 2％镝纳米颗粒添加烧结磁体磁性能及密度
权利要求
1.一种制备高矫顽力烧结稀土-铁-硼永磁材料的方法，其特征在于，包括以下步骤1)采用速凝薄片工艺制备NdFeB速凝薄片，之后用氢爆法将合金薄片破碎并通过气流磨粉碎制备3-5微米NdFeB原料粉末；2)采用物理气相沉积技术制备并收集铽和镝的10-50纳米粉末；3)将所制备的铽和镝金属纳米粉末加入步骤1)中制备好的NdFeB粉末中，添加比例为NdFeB粉末重量的1-3％，将两种粉末混合均匀；4)将经过均匀混合后的粉末在2.5T的磁场中取向并压制成型；5)将压坯置入真空烧结炉内，在1050-1120℃烧结2-4小时，之后进行二级热处理，其中一级热处理温度900℃-1000℃，时间1-3hr；二级热处理温度550℃-700℃，时间1-3hr；获得烧结磁体。
全文摘要
一种制备具有高矫顽力的稀土—铁—硼永磁材料的方法属于磁性材料领域。烧结NdFeB永磁的优异磁性能会随着工作环境温度的升高而显著降低。本发明步骤采用速凝薄片工艺制备NdFeB速凝薄片后用氢爆法破碎并通过气流磨粉碎制备3－5微米NdFeB粉末；物理气相沉积制备铽和镝10－50纳米粉末；将铽和镝金属纳米粉末加入制备好的NdFeB粉末中，添加比例为NdFeB粉末重量1－3％，混合均匀；在2.5T的磁场中取向并压制成型，1050－1120℃烧结2－4小时后进行二级热处理，其中一级热处理900℃－1000℃，1－3h；二级热处理550℃－700℃，1－3h；获得烧结磁体。本发明制备的磁体比相同成分的传统烧结NdFeB永磁材料相矫顽力更高。与具有相当矫顽力的烧结NdFeB永磁材料相比，本发明的铽和镝含量显著降低。
文档编号H01F1/032GK1905088SQ20061008912
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月4日 优先权日2006年8月4日
发明者岳明, 张久兴, 张东涛, 曹爱利, 刘卫强 申请人:北京工业大学