本发明涉及一种烧结钕铁硼永磁体的晶界扩散方法。
背景技术：
以nd2fe14b为主要成分的钕铁硼(ndfeb)永磁材料具有较高的剩磁、矫顽力和最大磁能积，综合磁性能优良，广泛应用在风力发电、新能源汽车、变频家电、节能电梯等领域。
钕铁硼磁体的居里温度点低，温度稳定性差，不能满足许多新应用领域高工作温度(>200℃)的要求。目前，主要通过添加重稀土元素镝、铽，过渡族元素钴、铌、钼或镓等方法来提高矫顽力和居里温度，从而提高磁体工作温度。对于传统的熔炼工艺，重稀土元素的添加在提高矫顽力的同时，会与铁形成反铁磁耦合，从而降低剩磁和磁能积。
近年来，晶界扩散重稀土得到了广泛研究。通过热处理工艺使烧结钕铁硼磁体表面附着的重稀土元素沿熔融的晶界扩散至烧结钕铁硼磁体内部，这样可以使重稀土集中分布在烧结钕铁硼磁体晶界附近，提高磁体的矫顽力，而剩磁和磁能积降低较少。
现有的晶界扩散工艺包括物理气相沉积(pvd)技术，表面震荡涂覆技术，磁控溅射技术和电泳涂覆技术。上述技术进行重稀土表面附着过程都需要额外的大型涂覆专用设备，增了工艺复杂性。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种烧结钕铁硼永磁体的晶界扩散方法，能够降低晶界扩散工艺复杂性。本发明采用如下技术方案实现上述目的。
本发明提供一种烧结钕铁硼永磁体的晶界扩散方法，其包括如下步骤：以可加工的耐火材料作为料架，按照重稀土粉末-烧结钕铁硼永磁体薄片-重稀土粉末的三层叠加方式将烧结钕铁硼永磁体薄片埋覆于重稀土粉末中，并置于所述料架内，形成待扩散磁体。上述晶界扩散方法，能够降低晶界扩散工艺复杂性。
在本发明中，烧结钕铁硼永磁体是主要由稀土元素nd与铁、硼组成的金属间化合物。fe表示铁元素。b表示硼元素。重稀土粉末中重稀土元素可以为钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)等元素。料架的形状没有限制，只要满足烧结钕铁硼永磁体的重稀土的顺利扩散即可。重稀土粉末的平均粒径可以为1～15微米，优选为2～10微米，更优选为2～6微米。可以采用本领域内所熟知的破碎装置例如盘磨机、球磨机等将重稀土粉末破碎成上述粒径大小。使用破碎装置时可以使用石油醚或者无水乙醇等不与重稀土粉末发生反应的有机溶剂作为保护剂。重稀土粉末破碎后，可以将重稀土粉末收集到封装带中，将其真空封装或放入惰性气体保护仓。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，还包括料架的制备步骤：在可加工的耐火材料表面挖一个或多个凹槽型模腔。凹槽型模腔的形状并不限制，可以为任意形状；优选为圆形凹槽。凹槽型模腔的设置，可以稳固地固定磁体，有利于控制重稀土粉末的涂覆厚度的一致性。此外，凹槽型模腔也有利于晶界扩散后残余的重稀土粉末的回收利用。圆形凹槽可以更稳固地固定磁体，更好地控制重稀土粉末在烧结钕铁硼永磁体中的涂覆厚度的一致性，从而提高矫顽力，剩磁和磁能积变化较小。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，烧结钕铁硼永磁体薄片的内径为8～15mm，且厚度为1～12mm。本发明的方法还可以包括将烧结钕铁硼永磁体切割成烧结钕铁硼永磁体薄片的步骤。烧结钕铁硼永磁体薄片的内径优选为9～14mm，更优选为10～12mm。烧结钕铁硼永磁体薄片的厚度优选为2～10mm，更优选为2～6mm。烧结钕铁硼永磁体薄片的厚度在优选范围时可以更好地控制重稀土元素在烧结钕铁硼永磁体薄片表面的分布均匀性以及涂覆厚度的一致性，从而提高矫顽力，但剩磁和磁能积变化较小。在本发明中，切割好的烧结钕铁硼永磁体可以使用100～1000目砂纸将其表面打磨干净。砂纸的目数优选为240～1000目。砂纸打磨好的烧结钕铁硼永磁体可以使用无水乙醇溶液清洗其表面至无油渍。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，三层叠加方式的形成步骤如下：在所述凹槽型模腔内铺撒一层厚度为0.2～2mm的重稀土粉末，然后将所述烧结钕铁硼磁体薄片置于所述凹槽型模腔内，并使所述烧结钕铁硼磁体薄片的下表面与重稀土粉末充分接触，再在所述烧结钕铁硼磁体薄片的上表面铺撒一层厚度为0.2～2mm的重稀土粉末，形成待扩散磁体。凹槽型模腔的四周的尺寸略大于所述烧结钕铁硼磁体薄片的相对应的尺寸；优选地，所述凹槽型模腔的四周的尺寸大于所述烧结钕铁硼磁体薄片的相对应的尺寸0.5～5mm，更优选为1～3mm。凹槽型模腔内铺撒的重稀土粉末的厚度优选为0.3～1.5mm，更优选为0.5～1mm。烧结钕铁硼磁体薄片上表面铺撒的重稀土粉末的厚度优选为0.3～1.5mm，更优选为0.5～1mm。采用上述三层叠加方式的形成步骤，可以更好地控制重稀土粉末在烧结钕铁硼永磁体中的分布均匀性以及涂覆厚度的一致性，从而提高矫顽力，但剩磁和磁能积变化较小。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，所述凹槽型模腔的深度为2～15mm，内径为10～20mm。凹槽型模腔的深度优选为3～12mm，更优选为3～10mm。凹槽型模腔的内径优选为10～18mm，更优选为10～16mm。根据本发明的一个具体实施方式，凹槽型模腔为圆形凹槽；所述圆形凹槽的深度为3～6mm；所述圆形凹槽的内径为10～14mm。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，所述重稀土粉末为re-m型金属化合物粉末和re-n型金属合金粉末中的一种或两种；其中re为dy和tb中的一种或两种；m为o、f和cl中的任意一种；n为pr、nd、cu、al、fe、co、sn、zn和ga中的一种或多种；所述重稀土粉末中re的含量为80wt％以上。n优选为fe。重稀土粉末中重稀土元素re的含量优选为90wt％以上。上述重稀土粉末在晶界扩散处理中会形成半致密组织，且不会与烧结钕铁硼磁体表面形成合金化组织，不会对烧结钕铁硼磁体造成损伤。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，所述重稀土粉末为dy-fe粉末或dy-tb-fe粉末。上述优选的重稀土粉末在晶界扩散处理中形成的半致密组织可以更好地控制重稀土元素在烧结钕铁硼磁体中的分布均匀性以及涂覆厚度的一致性，从而提高矫顽力，但剩磁和磁能积变化较小。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，所述重稀土粉末为dy-tb-fe粉末，其中dy和tb的总重量百分比wdy+tb为85wt％以上。wdy+tb优选为90wt％以上，还优选为92wt％以上。采用上述含量的dy-tb-fe粉末，可以更好地控制dy-tb-fe粉末在烧结钕铁硼磁体中的分布均匀性以及涂覆厚度的一致性，从而提高矫顽力，但剩磁和磁能积变化较小。
在本发明中，所述可加工的耐火材料选自莫兰石、刚玉、石墨、堇青石、方镁石、橄榄石和石英中的任意一种。优选自莫兰石、刚玉、石墨、堇青石和方镁石中的任意一种。
根据本发明的晶界扩散方法，优选地，将所述待扩散磁体在800～950℃下进行扩散处理1～16h，再在400～650℃下进行回火处理2～8h。扩散处理的温度优选为820～920℃，更优选为850～900℃。扩散处理的时间优选为2～10h，更优选为3～6h。扩散处理过程中真空度优选为小于等于10-2pa，更优选为小于等于10-3pa。回火处理的温度优选为420～580℃，更优选为450～520℃。回火处理的时间优选为2～6h，更优选为2～4h。回火处理过程中真空度优选为小于等于10-2pa，更优选为小于等于10-3pa。根据本发明的一个具体实施方式，待扩散磁体的热处理步骤如下：将所述待扩散磁体在860～900℃下进行扩散处理3～5h，再在460～500℃下进行回火处理1.5～2.5h。上述热处理条件可以更好地控制重稀土元素在烧结钕铁硼磁体中的分布均匀性以及涂覆厚度的一致性。上述磁体产品的矫顽力明显提高，磁能积变化较小。
本发明的烧结钕铁硼永磁体的晶界扩散方法，能够降低晶界扩散工艺复杂性。根据本发明优选的技术方案，凹槽型模腔的设置，可以稳固地固定磁体，更好地控制重稀土粉末在烧结钕铁硼磁体中的涂覆厚度的一致性，从而提高矫顽力，剩磁和磁能积变化较小。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明中，若无特殊说明，％是指质量百分数。
在本发明中，真空度的数值越小，表示真空度越高。
<测试方法>
采用metishympluse脉冲磁场强磁计测量磁体的剩磁br、最大磁能积(bh)max、内禀矫顽力等磁性能。
实施例1
(1)使用盘磨机将dy-fe合金破碎成dy-fe粉末，dy-fe合金中dy的重量百分比wdy为80％；dy-fe粉末的平均粒径d50为2.58μm。破碎时采用石油醚作为保护剂。
(2)将商用n48牌号烧结钕铁硼磁体切割成内径为12mm且厚度为2.5mm的薄片，分别使用240、500、1000目砂纸将表面打磨干净，并使用无水乙醇溶液清洗表面至无油渍，形成烧结钕铁硼磁体薄片。
(3)选用莫兰石作为料架，在莫兰石表面挖一个深度为5.0mm且内径为13mm的圆形凹槽，在该圆形凹槽内均匀铺撒一层厚度为0.5mm的dy-fe粉末，然后将烧结钕铁硼磁体薄片置于圆形凹槽内，并使烧结钕铁硼磁体薄片下表面充分与dy-fe粉末接触，再在烧结钕铁硼磁体薄片上表面均匀铺撒一层厚度为0.5mm的dy-fe粉末，形成待扩散磁体。
(4)将待扩散磁体进行真空热处理，真空热处理温度为900℃且保温3.5h，空气冷却；490℃保温2.0h，缓慢冷却形成磁体产品。将磁体产品置于脉冲磁场强磁计中进行测量，其性能参见表1。
实施例2
(1)使用盘磨机将dy-tb-fe合金破碎成dy-tb-fe粉末，dy-tb-fe合金中dy和tb的总重量百分比wdy+tb为94％；dy-tb-fe粉末的平均粒径d50为5.6μm。破碎时采用石油醚作为保护剂。
(2)将商用40eh牌号烧结钕铁硼磁体切割成内径为10mm且厚度为2.0mm的薄片，分别使用240、500、1000目砂纸将表面打磨干净，并使用无水乙醇溶液清洗表面至无油渍，形成烧结钕铁硼磁体薄片。
(3)选用莫兰石作为料架，在莫兰石表面挖一个深度为4.0mm且内径为11mm的圆形凹槽，在该圆形凹槽内均匀铺撒一层厚度为0.5mm的dy-tb-fe粉末，然后将烧结钕铁硼磁体薄片置于圆形凹槽内，并使烧结钕铁硼磁体薄片下表面充分与dy-tb-fe粉末接触，再在烧结钕铁硼磁体薄片上表面均匀铺撒一层厚度为0.5mm的dy-tb-fe粉末，形成待扩散磁体。
(4)将待扩散磁体进行真空热处理，真空热处理温度为900℃且保温5h，空气冷却；490℃保温2h，缓慢冷却形成磁体产品。将磁体产品置于脉冲磁场强磁计中进行测量，其性能参见表1。
对比例1
(1)将实施例1的商用n48牌号烧结钕铁硼磁体切割成内径为12mm且厚度为2.5mm的薄片，分别使用240、500、1000目砂纸将表面打磨干净，并使用无水乙醇溶液清洗表面至无油渍，形成烧结钕铁硼磁体薄片。
(2)将烧结钕铁硼磁体薄片进行真空热处理，真空热处理温度为900℃且保温3.5h，空气冷却；490℃保温2.0h，缓慢冷却形成磁体产品。将磁体产品置于脉冲磁场强磁计中进行测量，其性能参见表1。
对比例2
(1)将实施例2的商用40eh牌号烧结钕铁硼磁体切割成内径为10mm且厚度为2.0mm的薄片，分别使用240、500、1000目砂纸将表面打磨干净，并使用无水乙醇溶液清洗表面至无油渍，形成烧结钕铁硼磁体薄片。
(2)将烧结钕铁硼磁体薄片进行真空热处理，真空热处理温度为900℃且保温5h，空气冷却；490℃保温2h，缓慢冷却形成磁体产品。
将磁体产品置于脉冲磁场强磁计中进行测量，其性能参见表1。
表1、磁体产品的性能
由表1可知，相比于对比例1、2，实施例1、2采用晶界扩散方法，矫顽力明显提高，且剩磁和磁能积变化很小。此外，本发明采用晶界扩散方法，降低了晶界扩散工艺复杂性。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。