一种镨铁硼永磁铁及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种镨铁硼永磁铁及其制备方法，具有由质量百分比以Pr30.3+a+bFe67.16-x-y-zCuxNbyAlzB1.04表示的合金组成，其中，a+b代表镨在氧化和熔炼工艺中损失的质量百分比并且a+b≦1.5，0.15≤x≤0.20，0.14≤y≤0.5，0.4≤z≤0.55。本发明的镨铁硼永磁铁在常温下能同时达到较高Br和Hci，具有更为优异的磁性能，同时制备成本相对较低，并且具有良好的磁场稳定性、磁场均匀性和镀层密封性，能够在低温波荡器（CPMU）等高精度低温永磁装置以及空间仪器仪表领域获得工程上的实际应用。
【专利说明】一种镨铁硼永磁铁及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镨铁硼永磁铁及其制备方法，通过该方法制得的镨铁硼永磁铁可用于同步辐射光源的低温波荡器(CPMU)插入件等各种高精度低温永磁装置，也可用于空间仪器仪表等领域。
【背景技术】
[0002]烧结钕铁硼(NdFeB)永磁铁经过近三十年的研究与开发，目前常温商业NdFeB的剩磁Br已达1.5T,接近理论值的93.8%,进一步提升空间已很小；内禀矫顽力Hci也有大幅度提高，最高已达到3000KA/m以上，接近理论值的53.5%。此外，NdFeB在130-150K呈现自旋再取向(SRT)，这限制了 NdFeB低温磁性能的进一步提高与应用。
[0003]镨铁硼(PrFeB)和NdFeB的磁结构类似，常温理论Br和Hci也接近，但因磁场稳定性欠佳及易氧化性，限制了其常温应用。PrFeB因无SRT而具有比NdFeB更好的潜在低温磁性能，适合于各种低温永磁装置。近几年，日本住友特殊金属公司已研制出CPMU实验研究用PrFeB(53CR)。德国真空冶炼公司(VAC)也开发出(Nda2Pra8)FeB,其在85K的磁能积达到520KJ/m3，可用于自由电子激光小间隙高磁场CPMU中。2004年，我国台湾省敏科技股份有限公司开发了一种烧结PrFeB，分别在我国大陆、台湾、美国等地申请了专利，申请号分别为CN200410042171.7，TW093112867, US96095504A。在我国大陆，上世纪九十年代前后，北京科技大学周寿增等采用粉末冶金工艺制备了烧结PrFeB，常温Br达到1.24T,Hci达到931KA/m。
[0004]然而，日本开发的PrFeB(53CR)永磁铁虽然Br较高，但Hci低，仅可用于CPMU实验研究使用；德国开发的含20%金属Nd的PrFeB，虽然Br很高，但Hci不高，在实际使用时要采取一些措施确保PrFeB永磁铁的磁场稳定性；我国台湾制备的PrFeB的Hci虽然很高，但Br很低；我国大陆已经制备的PrFeB的Br和的Hci均很低，完全不符合CPMU工程上的实际应用。
[0005]在国内，随着北京同步辐射装置与合肥国家同步辐射光源的改造，上海同步辐射光源的建成与应用，同步辐射在国内得到了广泛的应用，未来对高亮度X射线需求将逐步增加，CPMU将能够满足用户对光源性能的要求，PrFeB是CPMU首选磁元件。若要使PrFeB要能在高精度CPMU中获得工程上的应用，需要解决以下技术问题:
[0006](I)制备成本
[0007]为获得常温下较小的温度系数以实现良好稳定性能，一般烧结NdFeB或者PrFeB的合金成分中添加了 Dy、Co元素，甚至Tb等价格较贵的重稀土元素，导致永磁铁的制备成本较高，不适合大量生产应用。
[0008](2)磁性能参数
[0009]目前国内外制备的PrFeB磁性能参数存在不同程度缺陷，不能在同步辐射光源加速器上获得工程上的实际应用。国家重大科学工程上海光源二期CPMU需要的PrFeB常温Br达至Ij 1.3T以上，Hci达到1400KA/m以上。[0010](3)磁场稳定性
[0011]现有多数烧结NdFeB或者PrFeB永磁铁仅经过普通的老化处理，而CPMU磁路结构将有较大反向磁场叠加在PrFeB永磁铁上，且几百件永磁铁组件安装是在常温环境下进行，这对永磁铁的外磁场稳定性(即常温Hc1、方形度、B-H线性度)提出了很高的要求。相对于NdFeB，PrFeB的Br和Hci的温度系数α、β较大，方形度欠佳，这对常温磁场稳定性带来不利影响。
[0012](4)磁场均匀性
[0013]高精度CPMU对永磁铁的磁场均匀性有很高要求(磁化偏角=1.0°，N/S极磁场对称性=2.0%，外磁场光滑)等。我国台湾及大陆虽然也开发了一些PrFeB，但对磁场均匀性等没有研究。
[0014](5)镀层密封性
[0015]CPMU将运行在高真空条件下，对真空度要求极高(含10_1(ltorr)。而众所周知，PrFeB是粉末冶金产品，是多孔的块状多晶磁性功能元器件，内部有众多的空隙并含有大量对真空有害的气体，且和NdFeB相比更容易氧化，必须有良好的镀层技术把空隙气体密封起来才能满足高真空及防锈需要。一般普通烧结NdFeB或者PrFeB采用的镀层为Ni/Cu/Ni镀层，缺点是具有边角尺寸增大效应，使得尺寸精度差，真空密封性差。
【发明内容】
[0016]针对目前国内外制备的镨铁硼永磁铁及其制备方法所存在的缺陷，本发明提出一种镨铁硼永磁铁及其制备方法，该镨铁硼永磁铁制备成本相对较低，并且具有良好的磁性能参数、磁场稳定性、磁场均匀性和镀层密封性，符合CPMU等各种低温永磁装置以及空间仪器仪表的使用需求。
[0017]为实现上述目的，本发明提供一种镨铁硼永磁铁的制备方法，该方法包括如下步骤:
[0018](I)按照由质量百分比以Pr3tl.3+a+bFe67.16_x_y_zCuxNbyAlzBL Q4表示的合金组成进行配料并制得合金粉末，其中，a+b代表镨在氧化和熔炼工艺中损失的质量百分比并且a+b 刍 1.5，0.15 ≤ X ≤ 0.20，0.14 ≤ y ≤ 0.5，0.4 ≤ z ≤ 0.55 ;
[0019](2)将合金粉末压制成型以制得永磁铁生坯；
[0020](3)对永磁铁生坯烧结回火以制得永磁铁熟坯；
[0021](4)对永磁铁熟坯机械加工以制得镨铁硼永磁铁。
[0022]所述步骤(1)包括在配料后通过速凝甩带工艺制得合金薄片，然后通过氢爆与气流磨工艺制得合金粉末。
[0023]所述步骤(2)包括在惰性气体保护下进行压制成型。
[0024]所述步骤(2)包括采用压力方向与磁场方向垂直的横向垂直压制方式进行压制成型。
[0025]所述步骤(3)包括在1020-1050°C进行真空烧结，在850-900°C进行一级回火，以及在440-470°C进行二级回火。
[0026]所述步骤(4)包括以中心对称的方式进行切割加工，并且加工面与磁场方向垂直或平行。[0027]所述镨铁硼永磁铁的制备方法进一步包括步骤(5):采用Ni/Cu/TiN复合镀层对镨铁硼永磁铁进行密封。
[0028]所述步骤(5)包括在所述镨铁硼永磁铁表面依次形成3-5 μ m的Ni镀层、3_5 μ m的Cu镀层，然后通过真空溅射形成厚度为5-7 μ m的TiN镀层。
[0029]所述镨铁硼永磁铁的制备方法进一步包括步骤(6):采用40_50°C高温老化和加反向磁场的方式对镨铁硼永磁铁进行稳定化处理。
[0030]所述步骤(6)中，高温老化的处理时间为2-4小时，加反向磁场的处理时间为10-20 天。
[0031 ] 本发明还提供一种镨铁硼永磁铁，其具有由质量百分比以Pr3tl.3Fe67.16_x_y_zCuxNbyAlA.04表示的合金组成，其中，0.15≤X≤0.20，0.14≤y≤0.5，0.4≤z≤0.55。
[0032]所述镨铁硼永磁铁不含有金属Co。
[0033]所述镨铁硼永磁铁不含有金属Dy或Tb。
[0034]所述镨铁硼永磁铁是Pr3a3Fe66-O1Cuai5Nba5Ala5Bn
[0035]本发明的镨铁硼永磁铁在常温下能同时达到较高Br和Hci，具有更为优异的磁性能，同时制备成本相对较低，并且具有良好的磁场稳定性、磁场均匀性和镀层密封性，能够在CPMU等高精度低温永磁装置以及空间仪器仪表领域获得工程上的实际应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本 发明的镨铁硼永磁铁的制备方法的工艺流程图；
[0037]图2为速凝片的金相照片；
[0038]图3为合金粉末的颗粒度分布曲线；
[0039]图4为压制成型与机械加工的示意图；
[0040]图5为速凝片的DSC曲线；
[0041]图6 (a)为465°C回火后的金相照片；
[0042]图6 (b)为520°C回火后的金相照片；
[0043]图7 (a)为465°C回火后的背散射照片，其放大倍数为2000倍；
[0044]图7 (b)为520°C回火后的背散射照片，其放大倍数为2000倍；
[0045]图8 (a)为465°C回火后的背散射照片，其放大倍数为10000倍；
[0046]图8 (b)为520°C回火后的背散射照片，其放大倍数为10000倍；
[0047]图9为加反向磁场稳定化处理 的示意图。
【具体实施方式】
[0048]本发明的镨铁硼永磁铁的制备方法如图1所示，该方法包括如下步骤:
[0049]( I)根据合金组成进行配料并制得合金粉末
[0050]按高Br和高Hci原则设计合金组成，同时考虑方形度、Pr损失、氧含量、温度系数等因素，具体如下(以下涉及的各元素含量均为质量百分比):
[0051]1.为保持主相磁结构，同时考虑金属Pr易氧化性，金属Pr含量控制在30.3%，并考虑氧化和熔炼工艺中的实际损失，金属Pr的含量适当增加至不超过31.8% ；
[0052]i1.为增加永磁铁的内禀矫顽力，同时考虑成本与低温烧结工艺等因素，适当添加低成本低熔点金属Cu、Al，其中Cu含量范围为0.15-0.20%, Al含量范围为0.40-0.55% ；
[0053]ii1.为改善永磁铁的方形度，同时不过分降低剩磁Br,适当添加0.14-0.5%的金
属Nb ；
[0054]iv.为获得较高的低温磁性能，适当提高温度系数，不添加金属Co等元素；
[0055]V.为控制成本,不添加Dy、Tb等贵金属。
[0056]理论计算结果表明，以Pr3tlLbFef^16HzCuxNbyAlzBhci4表示的合金组成可以在降低成本的同时适当提高温度系数，其效果是将为镨铁硼永磁铁获得较高的低温磁性能奠定基础，使得利用该永磁铁的低温波荡器能够获得很高的低温磁场峰值。其中，a+b代表镨在氧化和熔炼工艺中损失的质量百分比并且a+b含1.5， 表1示出本发明一个实施例，其中以Pr31.Pe6f^1Cua UNba5Ala5Bhtl4的名义组成进行配料，该合金组成在制备过程中的变化如表1所示。
[0057]表1 PrFeB永磁铁的合金组成(%)
【权利要求】
1.一种镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (O按照由质量百分比以Pr3Q.h+bFewmzCUxNVVlAi表示的合金组成进行配料并制得合金粉末，其中，a+b代表镨在氧化和熔炼工艺中损失的质量百分比并且 (2)将合金粉末压制成型以制得永磁铁生坯； (3)对永磁铁生坯烧结回火以制得永磁铁熟坯； (4 )对永磁铁熟坯机械加工以制得镨铁硼永磁铁。
2.如权利要求1所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)包括在配料后通过速凝甩带工艺制得合金薄片，然后通过氢爆与气流磨工艺制得合金粉末。
3.如权利要求1或2所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)包括在惰性气体保护下进行压制成型。
4.如权利要求1或2所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)包括采用压力方向与磁场方向垂直的横向垂直压制方式进行压制成型。
5.如权利要求1或2所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)包括在1020-1050°C进行真空烧结，在850-900°C进行一级回火，以及在440_470°C进行二级回火。
6.如权利要求1或2所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以中心对称的方式进行切割加工，并且加工面与磁场方向垂直或平行。
7.如权利要求1或2所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤(5):采用Ni/Cu/TiN复合镀层对镨铁硼永磁铁进行密封。
8.如权利要求7所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)包括在所述镨铁硼永磁铁表面依次形成3-5 μ m的Ni镀层、3-5 μ m的Cu镀层，然后通过真空溅射形成厚度为5-7μπι的TiN镀层。
9.如权利要求7所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤(6):采用40-50°C高温老化和加反向磁场的方式对镨铁硼永磁铁进行稳定化处理。
10.如权利要求9所述的镨铁硼永磁铁的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，高温老化的处理时间为2-4小时，加反向磁场的处理时间为10-20天。
11.一种镨铁硼永磁铁，其特征在于，其具有由质量百分比以Pr3tl.3Fe67.16_x_y_zCuxNbyAlzB!.04表示的合金组成，其中，
12.如权利要求11所述的镨铁硼永磁铁，其特征在于，所述镨铁硼永磁铁不含有金属Co。
13.如权利要求11所述的镨铁硼永磁铁，其特征在于，所述镨铁硼永磁铁不含有金属Dy 或 Tb。
14.如权利要求11所述的镨铁硼永磁铁，其特征在于，所述镨铁硼永磁铁是Pr3a3Fe66^iCuq.1sNb0.5A10.5Bl 04。
【文档编号】H01F1/057GK103489620SQ201310482719
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】何永周, 吴红平 申请人:中国科学院上海应用物理研究所